劉艷輝，趙世春，Manfred Keuser

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；2.慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學土木與環(huán)境學院,德國Neubiberg 85577)

國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC777-2及應(yīng)用概述

劉艷輝1，2，趙世春1，Manfred Keuser2

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；2.慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學土木與環(huán)境學院,德國Neubiberg 85577)

當前，如何考慮列車脫軌撞擊結(jié)構(gòu)的作用是我國高速鐵路站房設(shè)計中亞待解決的問題之一。國際鐵路聯(lián)盟標準方面出版物UIC規(guī)程，在國際上具有重要地位，歐洲規(guī)范中與鐵路有關(guān)的條款制定，UIC規(guī)程是重要依據(jù)之一；我國也把UIC規(guī)程作為鐵道行業(yè)標準的重點采納標準。規(guī)程UIC777-2針對跨鐵路線結(jié)構(gòu)提出了在軌道區(qū)的設(shè)計要求，目標是提出合理的、可操作的方法來盡可能減少由于列車脫軌撞擊跨線結(jié)構(gòu)及鄰線結(jié)構(gòu)而引起的危害。就歐洲規(guī)范UIC777-2中的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略、設(shè)計方法及預(yù)防保護措施在歐洲的實際應(yīng)用情況進行介紹，目的是適當吸取國際鐵路聯(lián)盟的有益經(jīng)驗，為進一步提出適用于我國高速鐵路站房抵御高速列車脫軌撞擊的設(shè)計方法奠定基拙。

UIC777-2；列車脫軌；結(jié)構(gòu)設(shè)計；撞擊荷載

從1999年興建的秦沈客運專線開始,經(jīng)過10多年的高速鐵路建設(shè)和對既有鐵路的高速化改造,中國目前已經(jīng)擁有全世界規(guī)模最大、運營速度最高的高速鐵路網(wǎng)。

隨著中國高速鐵路迅猛發(fā)展,作為高速鐵路網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點的高速鐵路站房也迎來了建設(shè)高潮［1-5]。與我國傳統(tǒng)火車站相比,新一代高速鐵路站房在功能定位、規(guī)模和形式上都發(fā)生了顯著變化,極大改善了旅客出行環(huán)境；同時,隨著列車運行速度的提高以及站房建設(shè)形式的改變,新一代站房設(shè)計面臨著諸多新的挑戰(zhàn),其中,如何考慮列車脫軌撞擊站房結(jié)構(gòu)的作用就是目前高鐵站房設(shè)計中亟待解決的問題之一。圖1為我國某高速鐵路站房的剖面圖,列車在軌道層中穿行,與站房結(jié)構(gòu)的關(guān)系變得比傳統(tǒng)站房更為密切。

圖1 某高速鐵路站房剖面

歐洲高速鐵路的發(fā)展在世界上處于領(lǐng)先地位,如,法國TGV于1967年開始實際運營,德國ICE于1982年開始實施高速鐵路計劃；而整個歐洲,對列車脫軌撞擊結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究,始于20世紀90年代初期［6],隨后,將研究結(jié)果體現(xiàn)在相關(guān)規(guī)范中［7- 8]。

1 國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程簡介

國際鐵路聯(lián)盟(英文全稱:International Union of Railways,UIC為法文全稱縮寫)是世界鐵路最大的國際性標準化機構(gòu),簡稱鐵盟；成立于1922年12月1日,會址設(shè)在巴黎；其宗旨是:推動國際鐵路運輸?shù)陌l(fā)展,促進國際合作,改進鐵路技術(shù)裝備和運營方法,開展有關(guān)問題的科學研究,實現(xiàn)鐵路建筑物、設(shè)備的技術(shù)標準的統(tǒng)一。目前,國際鐵路聯(lián)盟共有成員近90個；中國曾是UIC的創(chuàng)始國之一,但中途因故停止會籍,直到1979年6月,我國才恢復(fù)在UIC的席位。

UIC有關(guān)標準方面的出版物稱之為UIC規(guī)程,用英、法、德3種文字出版。UIC規(guī)程在國際上具有重要地位,歐洲規(guī)范中與鐵路有關(guān)的相關(guān)條款的制定,UIC規(guī)程是主要的依據(jù)之一,如歐洲規(guī)范EN1991―1―7［7]中有關(guān)脫軌列車撞擊荷載的規(guī)定來自于國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC777―2［9]；我國也把UIC規(guī)程作為鐵道行業(yè)標準的重點采納標準［10]。

UIC777―2針對跨鐵路線結(jié)構(gòu)提出了在軌道區(qū)的建設(shè)要求,其出版目的是提出合理的、可操作的方法來盡可能減少由于列車脫軌撞擊跨越鐵路線的結(jié)構(gòu)而引起的危害；1997年1月出版第1版,2002年9月出版第2版。

2 UIC777-2設(shè)計策略

2.1 結(jié)構(gòu)分類和適用范圍

UIC777-2在設(shè)計策略上,“人”成為影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心因素,這里的“人”,考慮了如下兩個方面的含義:一是指結(jié)構(gòu)中人員,二是指列車內(nèi)人員。因此,考慮列車脫軌撞擊結(jié)構(gòu)對以上兩類人員的危害程度,特別是對結(jié)構(gòu)中人員的危害,將列車軌道沿線結(jié)構(gòu)進行了如下劃分:即使用人員密集或者層數(shù)多為A類,使用人員稀少的單層結(jié)構(gòu)為B類；見表1。

表1 UIC777-2中結(jié)構(gòu)分類

一般情況下,由列車脫軌撞擊A、B類結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的風險由如圖2所示因素構(gòu)成；分析圖2中所示各影響因素,除站場布置(軌道數(shù)量、站場道岔、軌道曲率半徑)、結(jié)構(gòu)布置等固態(tài)影響因素外,列車運行速度是具有一定的變化范圍,是動態(tài)影響因素,也是決定結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的重要因素之一。

圖2 脫軌列車撞擊結(jié)構(gòu)影響因素構(gòu)成

因此,UIC777-2對列車的運行速度限定了范圍,即規(guī)定了該規(guī)程的適用范圍,見表2。

表2 UIC777-2列車速度限定

2.2 設(shè)計策略

對A類結(jié)構(gòu),由于有大量人員使用,出于對生命安全的保護,UIC777-2要求A類結(jié)構(gòu)能夠抵抗列車脫軌撞擊導(dǎo)致的作用,因此,設(shè)計上仍然基于傳統(tǒng)設(shè)計方法,將列車脫軌撞擊荷載簡化為等效靜力荷載,通過結(jié)構(gòu)計算配筋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件最小尺寸規(guī)定,使結(jié)構(gòu)在列車脫軌撞擊作用下,不發(fā)生倒塌,保證結(jié)構(gòu)使用人員的生命安全。對于B類結(jié)構(gòu),UIC777-2認為由于結(jié)構(gòu)上使用人員較少,列車脫軌并撞擊結(jié)構(gòu)是小概率事件,依據(jù)列車脫軌撞擊作用設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件顯然不夠經(jīng)濟,但是,如果事件一旦發(fā)生,后果將十分嚴重,風險不能忽視,因此,采用風險分析的方法來評價結(jié)構(gòu)在脫軌列車撞擊作用下的風險大小,以減小風險為目的,在合理的預(yù)防保護措施的投資與收益之間進行估算,當通過風險分析獲得的風險概率大于可接受風險概率時,通過采用預(yù)防和保護措施來降低風險。

3 UIC777-2設(shè)計方法

3.1 A類結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

對于A類結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的危險分區(qū),采用不同的計算荷載和構(gòu)造措施。

3.1.1 危險分區(qū)

UIC777-2按結(jié)構(gòu)構(gòu)件外邊緣與鐵軌中心線的距離,將線路兩側(cè)區(qū)域劃分為2個危險分區(qū)；另外,對于軌道端頭的區(qū)域也被視為危險區(qū)域,為第3個危險分區(qū),具體危險分區(qū)的定義見表3。

表3 UIC777-2對A類結(jié)構(gòu)附近區(qū)域的危險分區(qū)

3個危險分區(qū)如圖3所示。

圖3 A類結(jié)構(gòu)的危險分區(qū)（單位：m)

對于危險分區(qū)一和危險分區(qū)二的劃分原則,可根據(jù)列車及軌道的參數(shù)解釋如下:列車的標準軌距(兩條鋼軌之間內(nèi)距)為1 435 mm,為輪對寬度和輪對活動量兩項之和,如圖4(a)所示；鐵路建筑限界最小尺寸為2.5 m,與我國鐵路建筑限界基本相同［11],車廂寬度約為3.3 m,如圖4(b)所示；假定列車發(fā)生如圖4(c)所示方向脫軌,當右側(cè)車輪不跨越左側(cè)軌道時,列車在軌道上偏移的距離約為1.35～1.40 m,相當于標準軌距,車廂的二分之一寬度為1.65 m,以上兩項之和約為3.0 m,因此,當結(jié)構(gòu)與軌道中心線距離為2.5～3.0 m時,列車僅從軌道上滑下,列車動能耗散很小,因此,撞擊結(jié)構(gòu)時,將產(chǎn)生很大撞擊荷載,如圖4(c)所示；當結(jié)構(gòu)與軌道中心線距離為3.0～5.0 m時,列車右側(cè)輪軌需要跨越左側(cè)軌道,并在道床上滑行一段距離,此時,跨越軌道和道床上的摩擦力使列車動能得到很大耗散,經(jīng)研究,能量耗散約為60%［12],如圖4(d)所示,當結(jié)構(gòu)與軌道中心線距離超過5 m時,不需要考慮列車脫軌撞擊作用。

圖4 危險分區(qū)一和危險分區(qū)二的劃分（單位：m)

3.1.2 撞擊荷載研究及取值

UIC777-2對列車脫軌撞擊臨近結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生撞擊荷載的規(guī)定,主要來自于20世紀90年代初期UIC橋梁分委會的研究數(shù)據(jù),在UIC橋梁分委會的研究中,列車與橋墩撞擊最大荷載為10 MN［13]。UIC777-2對不同危險分區(qū)撞擊荷載的具體取值見表4。

表4 A類結(jié)構(gòu)撞擊荷載取值

軌道端點設(shè)置最小制動能為2 500 kN·m撞擊擋塊和防撞端墻。

3.1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸規(guī)定

本文所討論內(nèi)容,為列車運行速度大于50 km/h的情況。

UIC777-2對位于3個危險分區(qū)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸要求見表5。

表5 A類結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸要求______________

圖5 位于不同文獻分區(qū)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸（單位：m)

3.2 B類結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

UIC777-2采用定量風險評估方法來指導(dǎo)B類結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

3.2.1 風險評估過程

定量風險評估過程如圖6所示。

圖6 風險評估過程

災(zāi)害發(fā)生概率:對于列車脫軌撞擊橋梁結(jié)構(gòu), UIC777-2采用定量分析方法評估列車脫軌對橋梁等B類結(jié)構(gòu)的影響；建立事件樹模型如圖7所示。

圖7 列車脫軌撞擊橋梁結(jié)構(gòu)事件樹模型

如圖7所示,列車脫軌撞擊橋梁結(jié)構(gòu)事故發(fā)生概率由列車在橋梁附近脫軌概率P1、列車與橋梁碰撞概率P2、橋梁因碰撞而倒塌的概率P3、運行在另外軌道上的列車與脫軌列車相向碰撞的概率P4、運行在另外軌道上列車的類別構(gòu)成,形成9種事故場景,事故場景Szi發(fā)生概率按式(1)計算

UIC777-2根據(jù)UIC和其他資源的統(tǒng)計數(shù)據(jù),提出了P1～P4的計算公式和參數(shù),供設(shè)計人員參考。

災(zāi)害引起后果:在風險定量分析中,災(zāi)害引起的后果,可以采用經(jīng)濟損失、人員傷亡、環(huán)境破壞、對公眾的影響等方面的量化指標來衡量；在UIC777-2中,采用人員傷亡指標來表示災(zāi)害引起的后果,主要原因是,在災(zāi)害引起后果的估計中,與對結(jié)構(gòu)或列車的損傷相比,人的傷害是最大的損失。事實上,這是一個非常簡化的處理方式,因為這里并未包括財產(chǎn)的損失(橋梁、列車)、對交通阻礙引起的次生災(zāi)害等。

表6列出了UIC777-2提出的脫軌客車不同速度下每種災(zāi)害場景的傷亡人數(shù)Cszi。

表6 不同列車運行速度下傷亡人數(shù)（Cszi)人

表6中數(shù)據(jù)是根據(jù)在運行的客運列車上有300人,在運行的貨運列車上有1人的基礎(chǔ)上獲得的。

風險水平:列車脫軌撞擊結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的風險,按式(2)～(4)進行計算

式中,Dszi為事故場景產(chǎn)生的危害；Pszi為事故場景發(fā)生的概率；Cszi為事故場景產(chǎn)生的傷亡人數(shù)。

式中,Rbi為事故場景而導(dǎo)致的風險；Apf為厭惡因子,其數(shù)值的選擇對風險的接受程度有重要影響,規(guī)范UIC777-2并未提出具體數(shù)據(jù),但在其附錄算例中,厭惡因子選擇為1。

式中,Rb為列車脫軌撞擊橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總風險。

風險的貨幣估計:當風險不可接受時,需要采取合理的措施來減輕風險,UIC777-2采用成本-效益分析來確定采納措施是否合理。因此,需要將前述以人員傷亡為基礎(chǔ)的風險估算進行貨幣表達,風險的貨幣估計按式(5)計算

式中,Rbm為風險Rb的貨幣估計值；Vpf為人員傷亡風險貨幣估計參數(shù),規(guī)范UIC777-2提供的算例中,取值為600萬歐元。

3.2.2 減少風險的措施

風險降低的措施可分為如下兩類:(1)結(jié)構(gòu)措施,可以通過設(shè)計超強結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者設(shè)計結(jié)構(gòu)局部失效后的第二條傳力路徑；(2)非結(jié)構(gòu)措施,主要減少事故發(fā)生的可能、強度或者結(jié)果。UIC77-2提出的B類結(jié)構(gòu)減少風險的措施如表7所示。

表7 B類結(jié)構(gòu)減少風險措施

為增強橋墩等下部支撐構(gòu)件的魯棒性,UIC777-2對其設(shè)計提出了具體要求:如最小尺寸的規(guī)定；半個截面能夠承擔永久荷載和折減的列車荷載；三分之一的截面能夠承擔永久荷載等等。

4 預(yù)防保護措施及其應(yīng)用

規(guī)范UIC777-2提出的預(yù)防保護措施主要從以下兩個方面進行考慮:(1)降低風險發(fā)生的頻率；(2)降低事故后果。表7列出的減少風險的措施,被歐洲規(guī)范EN1991-1-7采納,并且,廣泛應(yīng)用各類(不僅僅局限在B類結(jié)構(gòu))跨線、鄰線結(jié)構(gòu)的建設(shè)中。

在歐洲,常用的預(yù)防保護措施分為兩類:(1)偏轉(zhuǎn)設(shè)施,即當列車脫軌并向鄰線、跨線結(jié)構(gòu)運動時,偏轉(zhuǎn)設(shè)施會攔截列車運動、改變脫軌列車運動方向；這類措施主要包括:抬高的基礎(chǔ)、站臺邊緣和導(dǎo)向墻等；對于導(dǎo)向墻或抬高的基礎(chǔ),規(guī)范提出需至少高于鐵軌頂部76 cm。(2)吸能裝置:主要是能夠吸收脫軌列車的動能,從而減少列車對結(jié)構(gòu)的撞擊作用,這類措施主要包括:防撞欄桿和吸能裝置；防撞欄桿用于運行速度較低的列車；吸能裝置則位于A類構(gòu)件的第3危險分區(qū)。圖8為在歐洲站房中采用的防止列車脫軌的部分預(yù)防保護措施。

圖8 歐洲站房中常用的預(yù)防保護措施

5 結(jié)語

規(guī)程UIC777-2是歐洲規(guī)范相關(guān)條款的主要依據(jù)規(guī)范之一,從2002年出版至今,已經(jīng)形成了關(guān)于列車脫軌撞擊鄰線、跨線結(jié)構(gòu)較為成熟的設(shè)計策略、設(shè)計方法和預(yù)防保護措施,對歐洲規(guī)范相關(guān)條款的制定,起到主導(dǎo)性作用。

隨著我國高速鐵路的迅猛發(fā)展,新一代站房與鐵路線路關(guān)系的更新,在設(shè)計領(lǐng)域上的某些空白也初步顯現(xiàn)；依據(jù)我國高速鐵路發(fā)展的具體情況,借鑒先進國家的相關(guān)規(guī)范,提出適用于我國當前發(fā)展情況的技術(shù)方法,是提高我國鐵路運營水平亟待解決的問題。詳細介紹規(guī)程UIC77-2,目的是適當吸取國際鐵路聯(lián)盟的有益經(jīng)驗,為進一步提出適用于我國高速鐵路站房抵御高速列車脫軌撞擊的設(shè)計方法奠定基礎(chǔ)。

致謝：感謝中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司的副總工程師王應(yīng)良博士為本文提供部分研究資料，感謝碩士研究生劉斌為本文繪制部分插圖。

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［12]A.Vrouwenvelder,Eurocode1,Part1.7AccidentalActions Background Document［P],2012.

［13]UIC Subcommittee bridges.OBB-GD 8.4 Draft Structures built over railway lines［S].Paris:1992.

Research and APPlication Overview on Code UIC777-2 of
International Union of Railways

LIU Yan-hui1,2,ZHAO Shi-chun1,Manfred Keuser2
(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；
2.School of Civil and Environmental Engineering,Bundeswehr University Munich,Neubiberg 85577,Germany)

At present,how to consider the action on building structure coming from the impact of derailed train is one of the problems to be urgently solved in the design of high-speed railway station buildings in China.The UIC code,which belongs to standard publications of the International Union of Railways,has an important status in the international,is one of the important bases of European codes when formulating the clauses in relation to railway,and also is emphatically adopted by railway industry in China.The design requirement on building structures built over railway lines in track zone has been stipulated in the code UIC777-2,in order to provide a rational and operable method to reduce as far as possible the harm caused by accidental impact of derailed train against the building structures which are built over or nearby railway lines.In this paper,the design strategy,design method,and the practical application of the preventative and protective measures in code UIC777-2 were introduced,with the aim of learning from the useful experience in the UIC code and laying a foundation,so that a suitable design method will be developed in the future for China's high-speed railway station buildings which will be able to withstand the impact of high-speed derailed train.

UIC777-2；train derailment；structure design；impact load

TU248.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.029

1004-2954(2014)07-0125-06

2013-09-09；

2013-11-18

國家自然科學基金項目(51378427)；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2012G003-J)；中央高?；饎?chuàng)新項目(SWJTU12CX077)

劉艷輝(1969―),女,副教授,工學博士,E-mail: liuyanhui00@126.com。