張 靜,劉文捷

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,南京 210000； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)防撞設(shè)計(jì)探討

張 靜1,劉文捷2

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,南京 210000； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

據(jù)相關(guān)研究顯示,國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的汽車撞擊力往往小于實(shí)測(cè)值,為保證軌道交通車站的結(jié)構(gòu)安全,探索易于實(shí)際工程采用的等效汽車撞擊力計(jì)算方法是十分必要的。在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,借鑒《鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.1—2005)》中的船只撞擊理論模型,根據(jù)能量守恒定律,得出相對(duì)保守的等效車輛撞擊荷載計(jì)算方法。經(jīng)與其他文獻(xiàn)記載的實(shí)測(cè)資料對(duì)比,該計(jì)算方法所得出的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值比較吻合,具備一定的工程價(jià)值,在軌道交通車站防撞計(jì)算中,可以按此公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全校核。

高架車站;汽車撞擊荷載;防撞設(shè)計(jì)

1 工程簡(jiǎn)介

某城際軌道交通工程，在省級(jí)公路路中6 m寬綠化帶內(nèi)設(shè)置高架車站，如圖1所示。由于車站框架柱距離綠化帶邊緣僅0.25 m，因此車站可能遭受來自于公路車輛的撞擊。

圖1 路中高架車站示意(單位：mm)

目前國內(nèi)對(duì)于汽車撞擊荷載的取值有明確規(guī)定?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003 )[1]第9.2.15條、《鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.1—2005)[2]第4.4.7條和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)[3]第7.2.16條均規(guī)定：當(dāng)無法設(shè)置堅(jiān)固的防護(hù)工程時(shí)，必須考慮車輛撞擊力，撞擊力順橋向應(yīng)采用1 000 kN，橫橋向應(yīng)采用500 kN，兩個(gè)等效力不同時(shí)考慮，作用于路面以上1.2 m處。上述規(guī)定中，對(duì)于汽車撞擊力的取值，是參考德國《鐵路橋梁及其他工程結(jié)構(gòu)物規(guī)范》(DS804)[4]的有關(guān)內(nèi)容擬定的。

考慮到本工程所在省級(jí)公路重型汽車密集，且由于多方面原因，汽車超速、超載情況較為普遍，并根據(jù)文獻(xiàn)[5]顯示，規(guī)范中所規(guī)定的汽車撞擊力有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車實(shí)際撞擊力。對(duì)于城際軌道交通這種百年工程，其安全性能關(guān)乎人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)其進(jìn)行更加深入的防撞設(shè)計(jì)是極為必要的。

2 車輛撞擊分析

2.1 撞擊計(jì)算原理

目前國內(nèi)規(guī)范尚無汽車撞擊荷載的詳細(xì)計(jì)算方法，參考《鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.4.6條規(guī)定的船只撞擊荷載計(jì)算方法進(jìn)行相對(duì)保守地計(jì)算，計(jì)算方法如下所述。

根據(jù)能量守恒定律，可以假定汽車在碰撞中全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜力功計(jì)算

假定車輛可沿柱墩平面自由滑動(dòng)，則車輛給予柱墩的動(dòng)能僅留有上式第一項(xiàng)，即

動(dòng)能E1主要轉(zhuǎn)化為以下幾部分：

(1)車輛碰撞后前進(jìn)、回彈和轉(zhuǎn)動(dòng)能；

(2)柱墩的變形能；

(3)車輛碰撞后變形的能量損失。

規(guī)范中第一種能量采用動(dòng)能折減系數(shù)體現(xiàn)，根據(jù)碰撞角度不同可以取為0.2或0.3；第二、三種能量采用車輛彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)變形系數(shù)體現(xiàn)，計(jì)算公式為

式中γ——?jiǎng)幽苷蹨p系數(shù)，考慮到船只回轉(zhuǎn)半徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)能消耗較車輛大，因此偏于保守的取該系數(shù)為船只正向撞擊時(shí)的0.3；

c1+c2——按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》條文說明第4.4.6條，柱墩及船只變形能損失系數(shù)在無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，可定為c1+c2=0.000 5 m/kN；

a——車輛撞擊角度；

W——車輛重力， kN。

2.2 撞擊車輛選擇

考慮小型車輛超速運(yùn)行撞擊作用和超載重型車輛撞擊作用，小型車輛選取質(zhì)量較大的越野車和渣土車，車輛指標(biāo)見表1。

表1 撞擊車輛指標(biāo)

2.3 車輛撞擊角度

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG D81—2006)[6]條文說明3.0.1條：編寫組自2000年4月至2001年4月，組織人員到16個(gè)省市33條高速公路進(jìn)行調(diào)研，獲取了近千個(gè)碰撞事故資料，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，平均碰撞角度為15.3°，85%概率碰撞角度計(jì)算值為21.8°，因此規(guī)范中規(guī)定的碰撞角度取為20°。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

按相關(guān)研究成果，等效靜力汽車撞擊荷載可以滿足工程需要[7]，故按前述計(jì)算公式及車輛選型，并根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行比較校核，按撞擊角度20°，并偏于保守的另選取30°和45°分別計(jì)算出橫橋向撞擊力，將其加載于車站中柱及邊柱地面以上1.2 m處。最終，施加于計(jì)算模型的汽車撞擊力，尤其是重車撞擊力遠(yuǎn)大于國內(nèi)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。計(jì)算內(nèi)力見圖2～圖7。

圖2 保時(shí)捷卡宴20°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖3 保時(shí)捷卡宴30°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖4 保時(shí)捷卡宴45°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖5 HOWO6X6 20°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖6 HOWO6X6 30°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖7 HOWO6X6 45°撞擊工況柱墩彎矩圖

由以上計(jì)算結(jié)果可知：車站柱墩在汽車撞擊各工況下，結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計(jì)要求。且發(fā)現(xiàn)車站橫向聯(lián)系梁的存在對(duì)改善單柱受力性能效果顯著，這與文獻(xiàn)[10]的研究成果一致。

3 防撞護(hù)欄設(shè)置方案

第2節(jié)所述的計(jì)算結(jié)果表明，車站結(jié)構(gòu)在車輛撞擊荷載作用下是安全可靠的。以此為基礎(chǔ)，在條件允許的情況下還應(yīng)設(shè)置防撞護(hù)欄，以降低車站框架柱結(jié)構(gòu)構(gòu)造受損的幾率。

3.1 設(shè)置鋼板圍護(hù)

采用12 mm厚鋼板包裹柱墩自地面至地面以上2 m范圍內(nèi)柱墩，見圖8。

圖8 鋼板圍護(hù)示意(單位：mm)

方案優(yōu)點(diǎn)：

(1)無需更改路中綠化帶寬度；

(2)一般不會(huì)因車輛撞擊導(dǎo)致柱混凝土保護(hù)層損傷。

方案缺點(diǎn)：

(1)鋼板圍護(hù)用鋼量較大；

(2)由于臨近地面，圍護(hù)鋼板易受雨雪等因素侵蝕，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝壽命降低，需經(jīng)常維護(hù)。

3.2 設(shè)置防撞護(hù)欄

若路中綠化帶具備拓寬條件，則可設(shè)置柔性、半剛性及剛性防撞護(hù)欄?？紤]到半剛性護(hù)欄易于安裝維護(hù)，且消能效果良好。與剛性護(hù)欄相比，其可更好地保護(hù)車輛及車內(nèi)乘員的安全。因此，建議設(shè)置SAm級(jí)半剛性護(hù)欄，護(hù)欄大樣見圖9，但考慮到護(hù)欄變形間距需要，路中綠化帶需至少拓寬至7.9 m寬，見圖10。

圖9 路中SAm級(jí)波型梁鋼護(hù)欄構(gòu)造(單位：mm)

圖10 SAm級(jí)波型梁鋼護(hù)欄示意(單位：cm)

方案優(yōu)點(diǎn)：在撞擊作用下，減小柱墩表面損傷的概率，對(duì)公路車輛及車內(nèi)乘員有一定的保護(hù)作用。

方案缺點(diǎn)：需大幅度拓寬綠化帶，增加投資。

4 結(jié)論

(1)考慮到本工程所在省級(jí)公路重型汽車密集，汽車超速、超載情況較為普遍，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，規(guī)范中所規(guī)定的汽車撞擊力有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車實(shí)際撞擊力。對(duì)于城際軌道交通這種百年工程，其安全性能關(guān)乎人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)其進(jìn)行更加深入的防撞設(shè)計(jì)是極為必要的。

(2)目前國內(nèi)規(guī)范尚無汽車撞擊荷載的詳細(xì)計(jì)算方法，但可參考《鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB100 02.1—2005)第4.4.6條規(guī)定的船只撞擊荷載計(jì)算方法，偏于保守地計(jì)算車輛撞擊荷載。

(3)由于半剛性護(hù)欄，無法保證結(jié)構(gòu)免于汽車撞擊[12]，因此，車站結(jié)構(gòu)在車輛撞擊荷載作用下安全可靠的前提下，當(dāng)條件允許時(shí)，設(shè)置防撞護(hù)欄，以降低車站框架柱混凝土保護(hù)層受損的幾率。

[1] 北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵基本設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2012.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2010.

[4] DS804.德國鐵路橋梁及其他工程結(jié)構(gòu)物規(guī)范[S].

[5] 劉明慧，顏全勝.汽車撞擊橋墩作用力的比較分析[J].中外公路，2010(6):136-139.

[6] 中華人民共和國交通部.JTG/T D81—2006公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社，2006.

[7] 陳林，肖巖.橋墩防車輛撞擊研究綜述[J].公路交通科技，2012(8):78-86.

[8] 夏超逸，張楠，夏禾.汽車撞擊作用下車橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及高速列車運(yùn)行安全分析[J].工程力學(xué)，2013(8)：119-126.

[9] 崔堃鵬，夏超逸，劉炎海，等.高速鐵路橋墩汽車撞擊力的數(shù)值模擬與特性分析[J].橋梁建設(shè)，2013(6):57-63.

[10]張國兵，杜曉雷.跨越高速公路橋墩受汽車撞擊力作用分析[J].公路交通科技，2010(8):239-242.

[11]中華人民共和國交通部.JTG D81—2006公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[12]雷正保，周屏艷，顏海棋.護(hù)攔防護(hù)重型車輛撞擊的能力[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006(3):65-73.

Anti-collision Design of Urban Rail Transit Elevated Station

ZHANG Jing1, LIU Wen-jie2

(1.Nanjing metro construction Co., Ltd., Nanjing 210000, China; 2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430072, China)

According to related researches, the collision forces of the vehicle colliding with railway elevated station pier calculated on the basis of domestic current regulations are usually less than the measured values. To ensure the safety of the station structures, it is necessary to find out a practical method to calculate collision forces. In this paper, the conservation of energy and the theory model of ship impact are used to establish a relatively conservative method for calculating the equivalent vehicle impact loads. The results of the new theory are in agreement with the measured values recorded in other documents. This method is applicable to verify the safety of structures in the calculation of anti-collision of rail transit stations.

Elevated station; Vehicle impact load; Anti-collision design

2015-01-22；

2015-06-09

張 靜(1972—)， 男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于河海大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2015)12-0091-03

U231+.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.022