船撞作用下大跨度公铁两用斜拉桥行车安全性评估

肖 祥， 余俊伟

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

近年来,随着江河远洋运输的快速发展,船舶撞击桥梁的事故时有发生。此类事故会引起桥梁强烈的振动,并危及桥上列车的安全运行甚至桥梁坍塌,给社会经济造成了不可挽回的损失。因此,船撞作用下大跨度公铁两用斜拉桥行车安全性问题逐渐引起了工程领域的关注。

船桥碰撞是短时间内发生的复杂动力反应问题。近几十年船撞桥研究被给予了较大的关注,研究内容日趋完善。与此同时,船桥碰撞导致的桥梁振动问题也引起了工程领域的重视,如碰撞导致的梁轨动力相互作用。然而,船桥碰撞导致的桥上列车行车安全性问题的研究鲜少。

桥上列车走行性问题一直铁路工程领域的研究热点,涌现出了大批有价值的研究成果。近几年,余志武等通过建立车-桥耦合随机模型研究了桥梁结构的动力性能,得出了一些可用于评价桥梁动力性能的科学指标。目前为止,相关研究主要针对轨道不平顺、地震和风荷载作用下车桥动力相互作用,对于船撞作用下列车行车安全性的研究尚未系统地开展。本文在现有研究成果基础上,建立了船舶撞击作用下车桥耦合系统模型,对船舶撞击作用下大跨度斜拉桥行车安全性进行了分析,并揭示了船撞的影响规律。

1 船撞作用下的车-桥模型

1.1 工程背景

白居寺长江大桥起于重庆市大渡口区陈家阁立交,止于重庆市巴南区内环太阳岗组合立交,是连接巴南区李家沱地区和大渡口区的交通要道。白居寺长江大桥为水滴形双塔双索面斜拉桥,桥面为双层公铁两用组合桥面,跨度布置为(107+255+660+255+107)m。该桥梁所在桥区通航设计代表船型为5 000吨级单船,船舶尺寸为110.0 m×19.2 m×4.2 m。大桥立面图及主梁断面图如图1所示。

图1 桥梁构造图

1.2 5 000吨级船舶撞击力

根据白居寺长江大桥所在桥区通航设计的代表船型,选取5 000吨级船舶以4.5 m/s的速度沿横桥向正向0°撞击主塔,船舶撞击力时程曲线如图2所示。

图2 船撞力时程曲线

由图2可知，在船舶撞击桥梁之后的0.58 s,船撞力达到峰值34.4 MN。

1.3 车-桥耦合系统模型

基于上述工程背景,本节建立车-桥动力系统模型,并模拟船舶撞击桥梁的过程。将车辆各主要组成构件视为刚性构件,不考虑列车运动过程中纵向力带来的振动影响。动力系统由车辆子系统和桥梁子系统组成,两个子系统通过轮轨约束及相互作用力耦合,车辆子系统模型具体参数可参考CRH3四轴动车组车辆,车辆空间模型如图3所示。采用德国低干扰谱生成轨道不平顺激励。

图3 车辆空间模型

1.4 车-桥耦合系统方程

轮轨法向采用刚性接触,切向采用蠕滑理论计算切向相互作用力。基于虚功原理建立车-桥整体系统动力平衡方程:

δWg+δWz+δWt+δWw=0

(1)

式中:δWg、δWz、δWt、δWw分别对应为车桥系统的惯性力、阻尼力、弹性力和外力(包括船撞力)虚功。

通过上式消去虚位移可得到车-桥系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载列阵,建立船撞作用下车-桥系统运动方程如下:

(2)

2 船舶撞击对行车安全性的影响

船舶撞击桥梁,使桥梁结构产生振动,不仅影响桥梁结构的安全性和使用性,还会对桥上列车的运行安全性和平稳性产生影响。目前,可通过研究桥梁横桥向振幅和竖向加速度限值等指标评价桥梁的动力性能;通过分析脱轨系数、倾覆系数、轮轨横向力等指标评价列车运行安全性;通过研究列车车体加速度指标评价列车运行平稳性;通过研究轮轨垂向力、轮轨横向力等指标评价车辆与轨道之间的动态作用性能。本次研究过程中,列车运行速度分别取140 km/h、160 km/h、180 km/h、200 km/h四种工况,以此研究船舶撞击对行车安全性的影响。

2.1 桥梁动力性能评价

对桥梁动力性能的评价,可采用桥梁横桥向振幅限值作为参考。桥梁桥向振动振幅应满足下式要求:

(3)

式中:Amax为主梁跨中横桥向振幅半峰最大值,mm;L为桥梁跨度,m。

按照该公式计算可得到白居寺大桥横桥向振幅限值为167.3 mm。采用本文建立的船撞作用下的车-桥系统模型进行计算分析,得到桥梁典型截面横向位移响应如图4和表1所示。可发现船舶撞击前,主梁跨中截面最大横桥向位移响应仅为82.8 mm;而船舶撞击后四种车速工况下的主梁横桥向振幅依次为162.6 mm、171.7 mm、170.5 mm、153.9 mm,增幅分别达到105.9%、113.0%、105.9%、94.6%,相较于船舶撞击前均具有显著的增幅,且四种车速下的主梁横桥向位移,均接近或超过了规范限值,说明船舶撞击会引起桥梁结构产生显著的动力响应。

图4 主梁典型截面横桥向位移响应

表1 典型横向位移幅值

2.2 列车运行安全性评价

船舶撞击桥梁时,桥梁结构及车辆系统会产生一定程度的横桥向振动响应,危及列车的运行安全性。列车运行安全性可通过脱轨系数、减载率和倾覆系数分析。

2.2.1 脱轨系数

我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB 5599-85)对脱轨系数的规定如式(4)所示,铁道行业标准《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》(TB/T 2360-93)见表2。

表2 脱轨系数限值

(4)

式中:Q为轮轨横向力;P为轮轨垂向力。

四种车速工况下,选取车辆左轮作为研究对象,以此讨论船舶撞击对列车脱轨系数的影响。计算结果表明无船舶撞击时四种车速工况下的脱轨系数峰值分别为0.27、0.28、0.37、0.39;船舶撞击时四种车速工况下的脱轨系数峰值分别为0.33、0.34、0.42、0.48,相较于无船撞均有显著的增加。而且车速的大小对列车脱轨有一定的影响,车速越高,脱轨系数越大。

2.2.2 轮重减载率

无船撞时四种车速工况下轮重减载率峰值结果分别为0.55、0.60、0.65、0.7;有船舶撞击时四种车速工况下的轮重减载率峰值分别为0.59、0.69、0.75、0.79,减载率明显增大,说明船舶撞击对轮重减载率显著影响,且车速越高减载率影响越大。

2.2.3 倾覆系数

我国铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范(GB 5599-85)及高速试验列车客车强度及动力学规定(95J01-M)均规定倾覆系数D<0.8,同时还规定,当列车同一侧各车轮倾覆系数均达到或超过0.8时,列车有倾覆危险。

四种车速工况下,同样选择车辆左轮作为研究对象,探讨船舶撞击对列车倾覆系数的影响。计算结果表明,无船撞且车速较低时列车倾覆系数均小于0.8,只在列车车速较大时会出现倾覆系数大于或等于0.8的情况;船舶撞击后,即使是列车车速较低的工况,倾覆系数也频繁出现大于或等于0.8的情况,且其变化趋势明显增强,说明船舶撞击容易造成列车倾覆。

2.3 列车运行平稳性评价

当前可采用车体横桥向振动加速度来评定列车运行平稳性,GB 5599-85规定,铁路客车车体横向振动加速度评定标准如式(5)所示。铁道部标准TB/T 2360-93对于车体振动加速度的规定见表3。

表3 TB/T-2360-93客车振动加速度标准

a≤0.15g=1.50m/s2

(5)

式中:a为车体横向振动加速度,m/s2。

在四种车速工况下,分析船舶撞击对列车运行平稳性的影响,典型计算结果如图5所示。计算结果表明船舶撞击作用下,四种车速工况下的车体横桥向加速度幅值依次为1.48 m/s2、1.57 m/s2、1.97 m/s2、1.81 m/s2,相较于船舶撞击作用前均有大幅度增加,且振动加速度数值接近或超过GB 5599-85规定的限值,处于TB/T-2360-93中的良好等级,说明船舶撞击影响了列车的运行平稳性,应采取相应的措施减小船舶撞击对列车运行平稳性的影响。

图5 车体横向振动加速度

2.4 车辆与轨道动态作用性能评价

车辆与轨道动态性能的评价可通过研究轮轨垂向力和轮轨横向力的变化规律来探讨。

2.4.1 轮轨垂向力

目前,国内对轮轨垂向力的规定可参考德国联邦铁路(DB)规定,该规定明确说明就线路负荷而言,非冲击性的中低频轮轨垂向力不允许超过极限值170 kN。

在四种车速工况下,无船舶撞击垂向轮轨力依次为102.8 kN、107.5 kN、115.8 kN、120.0 kN,且车速越低垂向轮轨力峰值越小,说明列车运行速度对垂向轮轨力具有明显的影响;船舶撞击后,垂向轮轨力具有一定程度增幅,四种车速工况下的轮轨力为105.5 kN、111.2 kN、119.2 kN、122.2 kN,均明显大于船舶撞击前的垂向轮轨力,说明船舶撞击对车辆与轨道间的动态作用性能有一定程度的影响。

2.4.2 轮轨横向力

我国GB 5599-85中,轮轨横向力限值可参考式(6)规定。经计算可得所选取的车辆横向轮轨力容许限度为54.3 kN。

(6)

式中:Pst为车轮静荷载,单位为kN。

在四种车速工况下,无船舶撞击横向轮轨力依次为22.0 kN、24.2 kN、27.6 kN、30.1 kN,且车速对横向轮轨力峰值的影响不明显,说明列车运行速度对横向轮轨力影响较小;船舶撞击后,横向轮轨力增幅较小,四种车速工况下的轮轨力为22.3 kN、26.9 kN、30.0 kN、33.1 kN,说明船舶撞击对横向轮轨力的影响较小。

3 结 论

本文从桥梁动力性能、列车运行安全性、列车运行平稳性、车辆与轨道动态作用性能等四个方面研究了船舶撞击对列车行车安全性的影响,分析得出了相应的规律:

(1) 船舶撞击会引起桥梁结构产生较大的响应,影响桥梁结构的动力性能,因此建议对桥梁采取相应的保护措施,减小船舶撞击对桥梁结构的影响。

(2) 船舶撞击对列车运行安全性的影响明显,且车速越高影响越大。而且,船舶撞击对列车的运行平稳性以及轮轨间的动态作用影响显著。因此,建议列车采用适当的减速措施,并相应的防撞措施减小船舶撞击对列车运行平稳性的影响。