王冠翰 楊長(zhǎng)衛(wèi) 袁成 王志偉

1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

高速列車脫軌會(huì)造成嚴(yán)重后果，特別是若脫軌發(fā)生在隧道內(nèi)，不僅威脅乘客人身安全，還有可能撞向隧道結(jié)構(gòu)甚至沖到鄰近線路引發(fā)二次災(zāi)害。在隧道內(nèi)設(shè)置防撞設(shè)施可以減輕列車脫軌以后引發(fā)的災(zāi)害。

現(xiàn)階段對(duì)于列車脫軌后產(chǎn)生撞擊的研究主要集中在兩方面：①模擬列車撞擊過(guò)程；②對(duì)列車脫軌行為進(jìn)行研究。

在列車撞擊方面，Kirkpatrick 等［1］通過(guò)使用比例模型和全尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)車輛和部件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，用試驗(yàn)和計(jì)算方法來(lái)評(píng)估軌道、車輛的耐撞性。Xie等［2］利用HYPERMESH 軟件建立地鐵列車前三節(jié)車廂和軌道有限元模型，評(píng)估地鐵列車的耐撞性。Milho 等［3］提出了一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的基于多體動(dòng)力學(xué)的模型，用于設(shè)計(jì)列車碰撞部件。Dias 等［4］提出了一種耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并用于復(fù)雜車輛結(jié)構(gòu)仿真和設(shè)計(jì)。Lu 等［5］研究發(fā)現(xiàn)耦合器元件為車輛提供了緩沖，減少了后續(xù)車輛對(duì)前部車輛的影響，并給出了前端和中間端能量吸收計(jì)算公式。Sutton［6］介紹了不同車輛的設(shè)計(jì)、制造以及車輛碰撞標(biāo)準(zhǔn)，概述了該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。鄧志鑫等［7］研究了列車撞擊作用下盾構(gòu)隧道管片接頭的錯(cuò)動(dòng)和張開，揭示了在列車小角度撞擊作用下盾構(gòu)隧道管片接頭張開和錯(cuò)動(dòng)特性。晏啟祥等［8］研究了時(shí)速200 km 高速列車的撞擊荷載，分析了盾構(gòu)隧道二次襯砌對(duì)襯砌管片的防護(hù)效果。肖明清等［9］研究了不同類型列車的撞擊荷載特性，以及對(duì)盾構(gòu)隧道管片襯砌的破壞特性。朱翔等［10］模擬并分析了列車脫軌后撞擊站房柱的破壞狀況以及站房結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的全過(guò)程。

在列車脫軌方面，Hung等［11］提出了一種檢測(cè)鐵路車輛脫軌早期跡象的技術(shù)，研究了低速車輪爬坡脫軌的比例車輛模型的數(shù)值模擬方法。Liu 等［12］對(duì)軌道類型、脫軌速度和原因進(jìn)行了分類研究。Reznikov［13］提出了一個(gè)評(píng)估列車脫軌風(fēng)險(xiǎn)的多層次模型。Nii 等［14］采用區(qū)間估計(jì)方法，利用藤株分位數(shù)回歸模型預(yù)測(cè)脫軌嚴(yán)重程度的條件均值和分位數(shù)。Ulf 等［15］測(cè)試了一種新型電子脫軌探測(cè)器。李修文等［16］研究了列車脫軌后下落過(guò)程并對(duì)脫軌后撞擊軌枕的次數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)。

以上研究主要針對(duì)列車撞擊后的響應(yīng)以及防撞設(shè)計(jì)，對(duì)于防撞措施的相關(guān)研究有限，且沒(méi)有針對(duì)隧道內(nèi)防撞設(shè)施的研究。列車在隧道中脫軌后的撞擊過(guò)程十分復(fù)雜，現(xiàn)有研究成果難以滿足鐵路隧道內(nèi)的減災(zāi)工程需求。因此，有必要對(duì)隧道內(nèi)防撞設(shè)施的適用性展開系統(tǒng)研究。

本文提出了一種新型防撞系統(tǒng)，它由W 梁、W 梁連接件、吸能塊和鋼管混凝土防撞墩組成，并通過(guò)建立列車-防撞系統(tǒng)的非線性接觸耦合模型，研究防撞系統(tǒng)在不同工況下列車脫軌撞擊荷載特征以及列車動(dòng)力響應(yīng)，并分析新型防撞系統(tǒng)的抵擋效果，為隧道內(nèi)防撞設(shè)施設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 列車-防撞系統(tǒng)動(dòng)態(tài)接觸模型

利用ABAQUS 軟件建立列車與新型防撞系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱防撞系統(tǒng)）的動(dòng)態(tài)接觸模型。整個(gè)模型分為列車本體、防撞系統(tǒng)以及隧道與路面結(jié)構(gòu)。其中，列車與防撞系統(tǒng)直接參與撞擊過(guò)程。

過(guò)于精細(xì)建模會(huì)降低計(jì)算效率，加之列車脫軌過(guò)程并非本文研究重點(diǎn)，因此對(duì)模型與列車、路面的接觸進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1.1 總體模型

列車-防撞系統(tǒng)-隧道動(dòng)態(tài)接觸分析模型如圖1所示。車頭總長(zhǎng)26.20 m，其流線形區(qū)域長(zhǎng)4.78 m，中間車長(zhǎng)24.76 m，各車廂之間間隔0.50 m。

圖1 動(dòng)態(tài)接觸的列車-防撞系統(tǒng)-隧道耦合分析模型

用彈簧模擬車廂之間的掛鉤，彈簧力學(xué)參數(shù)參考國(guó)內(nèi)常用車鉤和緩沖裝置的力學(xué)性能參數(shù)。彈簧剛度為2 000 kN/m。彈簧阻尼系數(shù)為40 kN/m［17］。

假定脫軌模式為頭車脫軌，選取了典型的8 節(jié)車廂進(jìn)行撞擊過(guò)程模擬。列車頭部流線形部分材料采用玻璃鋼，其余部分材料采用鋁合金。列車材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 列車材料參數(shù)

1.2 防撞系統(tǒng)分析模型

防撞系統(tǒng)（圖2）主要由鋼管混凝土防撞墩、吸能塊、W 梁以及W 梁連接件組成。防撞墩、吸能塊和W梁分別在相應(yīng)位置預(yù)留有孔洞，各部分之間由螺栓連接。

圖2 防撞系統(tǒng)

W 梁（圖3）是主要的吸能部件，本文中梁采用鋼作為基礎(chǔ)材料。W 梁長(zhǎng)6.00 m，厚0.02 m，橫截面整體高0.56 m。其兩邊波形高0.20 m，深0.15 m，中間連接部分高0.16 m。

圖3 W梁（單位：m）

吸能塊位于W 梁與防撞墩之間，具有連接兩部分構(gòu)件和吸能的作用。吸能塊能吸收部分沖擊能量，進(jìn)一步降低傳遞至防撞墩的能量，減小防撞墩的設(shè)計(jì)尺寸。吸能塊（圖4）采用厚0.01 m 的鋼材，兩端分別為半徑0.16 m 的半圓弧和0.38 m 長(zhǎng)的平板，分別緊密連接W 梁與防撞墩。中部由一段圓弧構(gòu)成，在遭受沖擊荷載時(shí)起緩沖吸能作用。

圖4 吸能塊（單位：m）

防撞墩位于整套防撞系統(tǒng)的最后，也是最重要的部分。作為防撞系統(tǒng)的最后一道防線，其抗沖擊能力須要得到保障。因此，本文防撞墩采用鋼管混凝土。其優(yōu)點(diǎn)在于抗沖擊能力相對(duì)于現(xiàn)澆混凝土有大幅提升。防撞墩（圖5）由外部鋼管和內(nèi)部混凝土構(gòu)成，外部鋼管設(shè)計(jì)有兩排孔洞，與兩排吸能塊的孔洞用螺栓連接。鋼管外徑0.16 m，厚0.01 m，高1.00 m。內(nèi)部混凝土柱半徑0.15 m，高1.00 m。

圖5 防撞墩（單位：m）

為了提高計(jì)算效率，在ABAQUS 中建模時(shí)將防撞系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系簡(jiǎn)化，通過(guò)相互作用中的“綁定”選項(xiàng)將各部件連接在一起。

材料力學(xué)參數(shù)見表2，由于一般混凝土的本構(gòu)模型基本只適用于靜力荷載的情況，而在本研究中混凝土柱受到的撞擊荷載作用時(shí)間短且沖擊力大，因此，本文的混凝土本構(gòu)模型采用HJC 本構(gòu)模型［18］。該模型可以較好描述混凝土材料在大變形、高應(yīng)變率下的力學(xué)行為。

表2 混凝土材料力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

防撞系統(tǒng)的抵擋效果與列車撞擊后的動(dòng)力響應(yīng)密切相關(guān)，比如列車受到的撞擊力以及撞擊力的峰值、列車撞擊后的速度和位移，以及列車撞擊后的姿態(tài)變化。需要分析列車在不同角度、不同速度下的撞擊力以及撞擊前后的速度、位移變化與姿態(tài)變化。

2.1 撞擊力時(shí)程曲線和峰值曲線

為了獲取不同撞擊角度、撞擊速度下的撞擊力時(shí)程曲線，采取車頭脫軌偏離行駛方向2°、3°和5°三種脫軌撞擊角度，100、150、200、300 km/h四種速度，合計(jì)12種工況進(jìn)行分析。車頭撞擊力時(shí)程曲線見圖6。

由圖6 可知：①撞擊力時(shí)程曲線整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。②撞擊力與撞擊速度和撞擊角度密切相關(guān)。在撞擊角度相同時(shí)，速度越快撞擊力越大，撞擊角度5°、速度300 km/h時(shí)撞擊力峰值可達(dá)5 000 kN；撞擊速度相同時(shí)，撞擊角度越大撞擊力越大。撞擊角度對(duì)撞擊力的影響顯著，撞擊角度越大撞擊力曲線波動(dòng)越大，峰值曲線越高聳，隨著角度減小撞擊力曲線趨于平緩。當(dāng)撞擊角度為2°時(shí)，不同速度下撞擊力整體上明顯小于3°與5°時(shí)，同時(shí)速度變化帶來(lái)的影響也明顯減弱，不同速度下撞擊力差距不明顯。這是由于角度減小后橫向速度分量差距減小。

撞擊力峰值曲線見圖7。可知，當(dāng)撞擊角度為3°和5°時(shí)，撞擊力隨速度增加而增加的趨勢(shì)非常明顯，而在2°時(shí)不同速度下的撞擊力峰值相差不大。這說(shuō)明列車脫軌時(shí)角度越大橫向速度越快，產(chǎn)生的撞擊力就越大，造成的后果越嚴(yán)重。

圖7 撞擊力峰值曲線

2.2 防撞墩對(duì)脫軌列車的攔截效果

評(píng)價(jià)防撞墩對(duì)列車的攔截效果可從撞擊后的速度、位移變化以及列車姿態(tài)變化來(lái)評(píng)價(jià)。除此之外，防撞墩在受到撞擊后的形變以及破壞情況也值得關(guān)注。為了安全考慮，防撞墩設(shè)計(jì)需要選擇最不利的工況進(jìn)行分析，因此選取撞擊角度5°的四個(gè)工況進(jìn)行分析。車頭中軸線上節(jié)點(diǎn)橫向速度、位移時(shí)程曲線見圖8?？芍熊囎矒舴雷捕蘸髾M向速度立刻減小，而橫向位移持續(xù)增加。這是因?yàn)榱熊囎矒舴雷捕盏腤梁與吸能塊部件導(dǎo)致其變形并吸收撞擊能量，在橫向速度減小到0時(shí)列車橫向位移達(dá)到峰值。隨后列車開始向撞擊的反方向運(yùn)動(dòng)，其橫向速度在反方向增加后逐漸趨近于定值，而橫向位移持續(xù)反方向增加，說(shuō)明車頭在撞擊受到反作用力后行進(jìn)姿態(tài)發(fā)生改變，防撞墩成功阻止了其侵入鄰近線路。對(duì)比不同速度下的速度和位移時(shí)程曲線可以看到，速度越快則車頭反向運(yùn)動(dòng)速度越快，反向位移越大。

列車撞擊防撞墩前后的姿態(tài)變化見圖9。可知，頭車在撞擊后明顯開始向反方向移動(dòng)。在頭車撞擊時(shí)由于列車連接結(jié)構(gòu)的作用，后續(xù)車輛也間接參與撞擊過(guò)程，后續(xù)車輛會(huì)不斷作用在前方車輛并形成堆疊效應(yīng)。在一定距離內(nèi)撞擊產(chǎn)生的堆疊效應(yīng)隨著距離的增加而逐漸減弱。在0.2 s時(shí)前端的頭車變形最大，后續(xù)車輛距撞擊前端越遠(yuǎn)變形越小，尾車基本沒(méi)有變形。撞擊產(chǎn)生的堆疊效應(yīng)主要集中在前三節(jié)車廂，后部車廂幾乎不受影響。

在撞擊角度5°，速度300 km/h 時(shí)防撞系統(tǒng)形態(tài)變化見圖10?？芍褐苯优c列車撞擊的W 梁部件發(fā)生了明顯形變，位于中間的吸能塊也在W梁的擠壓下發(fā)生了形變，后方的鋼管混凝土防撞墩也發(fā)生了一定的形變和碎裂，但防撞系統(tǒng)整體依然保持完整，沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，說(shuō)明在當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)下防撞系統(tǒng)可以抵擋5°撞擊角度下300 km/h脫軌列車的撞擊作用。

圖10 撞擊后防撞系統(tǒng)形態(tài)變化（單位：Pa）

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立列車-防撞系統(tǒng)-隧道耦合有限元模型，分析不同工況下的撞擊荷載，并分析了防撞系統(tǒng)對(duì)列車的抵擋作用，研究了列車與防撞系統(tǒng)在撞擊后的受力變形特征。得出以下結(jié)論：

1）列車對(duì)防撞系統(tǒng)的撞擊力隨著撞擊角度與撞擊速度的增大而增大，其中撞擊角度對(duì)撞擊力的影響更為顯著。當(dāng)撞擊角度小于一定值時(shí)不同速度下撞擊力區(qū)別不大，隨著撞擊角度增大列車撞擊力明顯增加，撞擊力曲線波動(dòng)更加明顯，撞擊力峰值更大。

2）通過(guò)分析最不利工況下列車車頭的橫向速度、位移時(shí)程曲線以及列車撞擊前后的姿態(tài)變化可知，防撞系統(tǒng)有著較好的攔截作用，通過(guò)吸收能量和剛性抵擋的雙重作用使得脫軌列車不具備進(jìn)一步侵入鄰近線路的能力。

3）通過(guò)分析防撞系統(tǒng)在撞擊后的形態(tài)變化可知，在目前設(shè)計(jì)參數(shù)下，防撞系統(tǒng)在撞擊角度5°、脫軌速度300 km/h 的脫軌列車撞擊作用下可以發(fā)揮良好的攔截作用，同時(shí)保持整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重破壞。但在吸收列車撞擊能量，減小列車受到的反作用力等方面還有待提升。