城市軌道交通高架車站結(jié)構防撞設計探討

張 靜,劉文捷

(1.南京地鐵建設有限責任公司,南京 210000； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

城市軌道交通高架車站結(jié)構防撞設計探討

張 靜1,劉文捷2

(1.南京地鐵建設有限責任公司,南京 210000； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

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

高架車站;汽車撞擊荷載;防撞設計

1 工程簡介

某城際軌道交通工程，在省級公路路中6 m寬綠化帶內(nèi)設置高架車站，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)對于汽車撞擊荷載的取值有明確規(guī)定?！兜罔F設計規(guī)范》(GB50157—2003 )[1]第9.2.15條、《鐵路橋涵基本設計規(guī)范》(TB10002.1—2005)[2]第4.4.7條和《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2009)[3]第7.2.16條均規(guī)定：當無法設置堅固的防護工程時，必須考慮車輛撞擊力，撞擊力順橋向應采用1 000 kN，橫橋向應采用500 kN，兩個等效力不同時考慮，作用于路面以上1.2 m處。上述規(guī)定中，對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)構物規(guī)范》(DS804)[4]的有關內(nèi)容擬定的。

考慮到本工程所在省級公路重型汽車密集，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[5]顯示，規(guī)范中所規(guī)定的汽車撞擊力有可能遠遠小于汽車實際撞擊力。對于城際軌道交通這種百年工程，其安全性能關乎人民群眾的生命財產(chǎn)安全。對其進行更加深入的防撞設計是極為必要的。

2 車輛撞擊分析

2.1 撞擊計算原理

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

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

假定車輛可沿柱墩平面自由滑動，則車輛給予柱墩的動能僅留有上式第一項，即

動能E1主要轉(zhuǎn)化為以下幾部分：

(1)車輛碰撞后前進、回彈和轉(zhuǎn)動能；

(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)和墩臺變形系數(shù)體現(xiàn)，計算公式為

式中γ——動能折減系數(shù)，考慮到船只回轉(zhuǎn)半徑較大，轉(zhuǎn)動能消耗較車輛大，因此偏于保守的取該系數(shù)為船只正向撞擊時的0.3；

c1+c2——按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》條文說明第4.4.6條，柱墩及船只變形能損失系數(shù)在無實驗數(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，車輛指標見表1。

表1 撞擊車輛指標

2.3 車輛撞擊角度

《公路交通安全設施設計細則》(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個省市33條高速公路進行調(diào)研，獲取了近千個碰撞事故資料，經(jīng)過統(tǒng)計分析，平均碰撞角度為15.3°，85%概率碰撞角度計算值為21.8°，因此規(guī)范中規(guī)定的碰撞角度取為20°。

2.4 結(jié)構計算結(jié)果

按相關研究成果，等效靜力汽車撞擊荷載可以滿足工程需要[7]，故按前述計算公式及車輛選型，并根據(jù)文獻[8-9]進行比較校核，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，施加于計算模型的汽車撞擊力，尤其是重車撞擊力遠大于國內(nèi)規(guī)范的相關規(guī)定。計算內(nèi)力見圖2～圖7。

圖2 保時捷卡宴20°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖3 保時捷卡宴30°撞擊工況柱墩彎矩圖

圖4 保時捷卡宴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

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

3 防撞護欄設置方案

第2節(jié)所述的計算結(jié)果表明，車站結(jié)構在車輛撞擊荷載作用下是安全可靠的。以此為基礎，在條件允許的情況下還應設置防撞護欄，以降低車站框架柱結(jié)構構造受損的幾率。

3.1 設置鋼板圍護

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 鋼板圍護示意(單位：mm)

方案優(yōu)點：

(1)無需更改路中綠化帶寬度；

(2)一般不會因車輛撞擊導致柱混凝土保護層損傷。

方案缺點：

(1)鋼板圍護用鋼量較大；

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

3.2 設置防撞護欄

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

圖9 路中SAm級波型梁鋼護欄構造(單位：mm)

圖10 SAm級波型梁鋼護欄示意(單位：cm)

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

方案缺點：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)相關文獻顯示，規(guī)范中所規(guī)定的汽車撞擊力有可能遠遠小于汽車實際撞擊力。對于城際軌道交通這種百年工程，其安全性能關乎人民群眾的生命財產(chǎn)安全，對其進行更加深入的防撞設計是極為必要的。

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

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

[1] 北京城建設計研究總院.GB50157—2003地鐵設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵基本設計規(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高速鐵路設計規(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公路交通安全設施設計細則[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)的動力響應及高速列車運行安全分析[J].工程力學，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，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公路交通安全設施設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[12]雷正保，周屏艷，顏海棋.護攔防護重型車輛撞擊的能力[J].長沙理工大學學報：自然科學版，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，高級工程師，2001年畢業(yè)于河海大學巖土工程專業(yè)，工學碩士。

1004-2954(2015)12-0091-03

U231+.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.022