船撞作用下大跨度公鐵兩用斜拉橋行車安全性評估

肖 祥， 余俊偉

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來,隨著江河遠洋運輸的快速發展,船舶撞擊橋梁的事故時有發生。此類事故會引起橋梁強烈的振動,并危及橋上列車的安全運行甚至橋梁坍塌,給社會經濟造成了不可挽回的損失。因此,船撞作用下大跨度公鐵兩用斜拉橋行車安全性問題逐漸引起了工程領域的關注。

船橋碰撞是短時間內發生的復雜動力反應問題。近幾十年船撞橋研究被給予了較大的關注,研究內容日趨完善。與此同時,船橋碰撞導致的橋梁振動問題也引起了工程領域的重視,如碰撞導致的梁軌動力相互作用。然而,船橋碰撞導致的橋上列車行車安全性問題的研究鮮少。

橋上列車走行性問題一直鐵路工程領域的研究熱點,涌現出了大批有價值的研究成果。近幾年,余志武等通過建立車-橋耦合隨機模型研究了橋梁結構的動力性能,得出了一些可用于評價橋梁動力性能的科學指標。目前為止,相關研究主要針對軌道不平順、地震和風荷載作用下車橋動力相互作用,對于船撞作用下列車行車安全性的研究尚未系統地開展。本文在現有研究成果基礎上,建立了船舶撞擊作用下車橋耦合系統模型,對船舶撞擊作用下大跨度斜拉橋行車安全性進行了分析,并揭示了船撞的影響規律。

1 船撞作用下的車-橋模型

1.1 工程背景

白居寺長江大橋起于重慶市大渡口區陳家閣立交,止于重慶市巴南區內環太陽崗組合立交,是連接巴南區李家沱地區和大渡口區的交通要道。白居寺長江大橋為水滴形雙塔雙索面斜拉橋,橋面為雙層公鐵兩用組合橋面,跨度布置為(107+255+660+255+107)m。該橋梁所在橋區通航設計代表船型為5 000噸級單船,船舶尺寸為110.0 m×19.2 m×4.2 m。大橋立面圖及主梁斷面圖如圖1所示。

圖1 橋梁構造圖

1.2 5 000噸級船舶撞擊力

根據白居寺長江大橋所在橋區通航設計的代表船型,選取5 000噸級船舶以4.5 m/s的速度沿橫橋向正向0°撞擊主塔,船舶撞擊力時程曲線如圖2所示。

圖2 船撞力時程曲線

由圖2可知，在船舶撞擊橋梁之后的0.58 s,船撞力達到峰值34.4 MN。

1.3 車-橋耦合系統模型

基于上述工程背景,本節建立車-橋動力系統模型,并模擬船舶撞擊橋梁的過程。將車輛各主要組成構件視為剛性構件,不考慮列車運動過程中縱向力帶來的振動影響。動力系統由車輛子系統和橋梁子系統組成,兩個子系統通過輪軌約束及相互作用力耦合,車輛子系統模型具體參數可參考CRH3四軸動車組車輛,車輛空間模型如圖3所示。采用德國低干擾譜生成軌道不平順激勵。

圖3 車輛空間模型

1.4 車-橋耦合系統方程

輪軌法向采用剛性接觸,切向采用蠕滑理論計算切向相互作用力。基于虛功原理建立車-橋整體系統動力平衡方程:

δWg+δWz+δWt+δWw=0

(1)

式中:δWg、δWz、δWt、δWw分別對應為車橋系統的慣性力、阻尼力、彈性力和外力(包括船撞力)虛功。

通過上式消去虛位移可得到車-橋系統的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和荷載列陣,建立船撞作用下車-橋系統運動方程如下:

(2)

2 船舶撞擊對行車安全性的影響

船舶撞擊橋梁,使橋梁結構產生振動,不僅影響橋梁結構的安全性和使用性,還會對橋上列車的運行安全性和平穩性產生影響。目前,可通過研究橋梁橫橋向振幅和豎向加速度限值等指標評價橋梁的動力性能;通過分析脫軌系數、傾覆系數、輪軌橫向力等指標評價列車運行安全性;通過研究列車車體加速度指標評價列車運行平穩性;通過研究輪軌垂向力、輪軌橫向力等指標評價車輛與軌道之間的動態作用性能。本次研究過程中,列車運行速度分別取140 km/h、160 km/h、180 km/h、200 km/h四種工況,以此研究船舶撞擊對行車安全性的影響。

2.1 橋梁動力性能評價

對橋梁動力性能的評價,可采用橋梁橫橋向振幅限值作為參考。橋梁橋向振動振幅應滿足下式要求:

(3)

式中:Amax為主梁跨中橫橋向振幅半峰最大值,mm;L為橋梁跨度,m。

按照該公式計算可得到白居寺大橋橫橋向振幅限值為167.3 mm。采用本文建立的船撞作用下的車-橋系統模型進行計算分析,得到橋梁典型截面橫向位移響應如圖4和表1所示。可發現船舶撞擊前,主梁跨中截面最大橫橋向位移響應僅為82.8 mm;而船舶撞擊后四種車速工況下的主梁橫橋向振幅依次為162.6 mm、171.7 mm、170.5 mm、153.9 mm,增幅分別達到105.9%、113.0%、105.9%、94.6%,相較于船舶撞擊前均具有顯著的增幅,且四種車速下的主梁橫橋向位移,均接近或超過了規范限值,說明船舶撞擊會引起橋梁結構產生顯著的動力響應。

圖4 主梁典型截面橫橋向位移響應

表1 典型橫向位移幅值

2.2 列車運行安全性評價

船舶撞擊橋梁時,橋梁結構及車輛系統會產生一定程度的橫橋向振動響應,危及列車的運行安全性。列車運行安全性可通過脫軌系數、減載率和傾覆系數分析。

2.2.1 脫軌系數

我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》(GB 5599-85)對脫軌系數的規定如式(4)所示,鐵道行業標準《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》(TB/T 2360-93)見表2。

表2 脫軌系數限值

(4)

式中:Q為輪軌橫向力;P為輪軌垂向力。

四種車速工況下,選取車輛左輪作為研究對象,以此討論船舶撞擊對列車脫軌系數的影響。計算結果表明無船舶撞擊時四種車速工況下的脫軌系數峰值分別為0.27、0.28、0.37、0.39;船舶撞擊時四種車速工況下的脫軌系數峰值分別為0.33、0.34、0.42、0.48,相較于無船撞均有顯著的增加。而且車速的大小對列車脫軌有一定的影響,車速越高,脫軌系數越大。

2.2.2 輪重減載率

無船撞時四種車速工況下輪重減載率峰值結果分別為0.55、0.60、0.65、0.7;有船舶撞擊時四種車速工況下的輪重減載率峰值分別為0.59、0.69、0.75、0.79,減載率明顯增大,說明船舶撞擊對輪重減載率顯著影響,且車速越高減載率影響越大。

2.2.3 傾覆系數

我國鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范(GB 5599-85)及高速試驗列車客車強度及動力學規定(95J01-M)均規定傾覆系數D<0.8,同時還規定,當列車同一側各車輪傾覆系數均達到或超過0.8時,列車有傾覆危險。

四種車速工況下,同樣選擇車輛左輪作為研究對象,探討船舶撞擊對列車傾覆系數的影響。計算結果表明,無船撞且車速較低時列車傾覆系數均小于0.8,只在列車車速較大時會出現傾覆系數大于或等于0.8的情況;船舶撞擊后,即使是列車車速較低的工況,傾覆系數也頻繁出現大于或等于0.8的情況,且其變化趨勢明顯增強,說明船舶撞擊容易造成列車傾覆。

2.3 列車運行平穩性評價

當前可采用車體橫橋向振動加速度來評定列車運行平穩性,GB 5599-85規定,鐵路客車車體橫向振動加速度評定標準如式(5)所示。鐵道部標準TB/T 2360-93對于車體振動加速度的規定見表3。

表3 TB/T-2360-93客車振動加速度標準

a≤0.15g=1.50m/s2

(5)

式中:a為車體橫向振動加速度,m/s2。

在四種車速工況下,分析船舶撞擊對列車運行平穩性的影響,典型計算結果如圖5所示。計算結果表明船舶撞擊作用下,四種車速工況下的車體橫橋向加速度幅值依次為1.48 m/s2、1.57 m/s2、1.97 m/s2、1.81 m/s2,相較于船舶撞擊作用前均有大幅度增加,且振動加速度數值接近或超過GB 5599-85規定的限值,處于TB/T-2360-93中的良好等級,說明船舶撞擊影響了列車的運行平穩性,應采取相應的措施減小船舶撞擊對列車運行平穩性的影響。

圖5 車體橫向振動加速度

2.4 車輛與軌道動態作用性能評價

車輛與軌道動態性能的評價可通過研究輪軌垂向力和輪軌橫向力的變化規律來探討。

2.4.1 輪軌垂向力

目前,國內對輪軌垂向力的規定可參考德國聯邦鐵路(DB)規定,該規定明確說明就線路負荷而言,非沖擊性的中低頻輪軌垂向力不允許超過極限值170 kN。

在四種車速工況下,無船舶撞擊垂向輪軌力依次為102.8 kN、107.5 kN、115.8 kN、120.0 kN,且車速越低垂向輪軌力峰值越小,說明列車運行速度對垂向輪軌力具有明顯的影響;船舶撞擊后,垂向輪軌力具有一定程度增幅,四種車速工況下的輪軌力為105.5 kN、111.2 kN、119.2 kN、122.2 kN,均明顯大于船舶撞擊前的垂向輪軌力,說明船舶撞擊對車輛與軌道間的動態作用性能有一定程度的影響。

2.4.2 輪軌橫向力

我國GB 5599-85中,輪軌橫向力限值可參考式(6)規定。經計算可得所選取的車輛橫向輪軌力容許限度為54.3 kN。

(6)

式中:Pst為車輪靜荷載,單位為kN。

在四種車速工況下,無船舶撞擊橫向輪軌力依次為22.0 kN、24.2 kN、27.6 kN、30.1 kN,且車速對橫向輪軌力峰值的影響不明顯,說明列車運行速度對橫向輪軌力影響較小;船舶撞擊后,橫向輪軌力增幅較小,四種車速工況下的輪軌力為22.3 kN、26.9 kN、30.0 kN、33.1 kN,說明船舶撞擊對橫向輪軌力的影響較小。

3 結 論

本文從橋梁動力性能、列車運行安全性、列車運行平穩性、車輛與軌道動態作用性能等四個方面研究了船舶撞擊對列車行車安全性的影響,分析得出了相應的規律:

(1) 船舶撞擊會引起橋梁結構產生較大的響應,影響橋梁結構的動力性能,因此建議對橋梁采取相應的保護措施,減小船舶撞擊對橋梁結構的影響。

(2) 船舶撞擊對列車運行安全性的影響明顯,且車速越高影響越大。而且,船舶撞擊對列車的運行平穩性以及輪軌間的動態作用影響顯著。因此,建議列車采用適當的減速措施,并相應的防撞措施減小船舶撞擊對列車運行平穩性的影響。