国际铁路联盟规程UIC777-2及应用概述

刘艳辉，赵世春，Manfred Keuser

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；2.慕尼黑联邦国防军大学土木与环境学院,德国Neubiberg 85577)

国际铁路联盟规程UIC777-2及应用概述

刘艳辉1，2，赵世春1，Manfred Keuser2

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031；2.慕尼黑联邦国防军大学土木与环境学院,德国Neubiberg 85577)

当前，如何考虑列车脱轨撞击结构的作用是我国高速铁路站房设计中亚待解决的问题之一。国际铁路联盟标准方面出版物UIC规程，在国际上具有重要地位，欧洲规范中与铁路有关的条款制定，UIC规程是重要依据之一；我国也把UIC规程作为铁道行业标准的重点采纳标准。规程UIC777-2针对跨铁路线结构提出了在轨道区的设计要求，目标是提出合理的、可操作的方法来尽可能减少由于列车脱轨撞击跨线结构及邻线结构而引起的危害。就欧洲规范UIC777-2中的结构设计策略、设计方法及预防保护措施在欧洲的实际应用情况进行介绍，目的是适当吸取国际铁路联盟的有益经验，为进一步提出适用于我国高速铁路站房抵御高速列车脱轨撞击的设计方法奠定基拙。

UIC777-2；列车脱轨；结构设计；撞击荷载

从1999年兴建的秦沈客运专线开始,经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造,中国目前已经拥有全世界规模最大、运营速度最高的高速铁路网。

随着中国高速铁路迅猛发展,作为高速铁路网络中关键节点的高速铁路站房也迎来了建设高潮［1-5]。与我国传统火车站相比,新一代高速铁路站房在功能定位、规模和形式上都发生了显著变化,极大改善了旅客出行环境；同时,随着列车运行速度的提高以及站房建设形式的改变,新一代站房设计面临着诸多新的挑战,其中,如何考虑列车脱轨撞击站房结构的作用就是目前高铁站房设计中亟待解决的问题之一。图1为我国某高速铁路站房的剖面图,列车在轨道层中穿行,与站房结构的关系变得比传统站房更为密切。

图1 某高速铁路站房剖面

欧洲高速铁路的发展在世界上处于领先地位,如,法国TGV于1967年开始实际运营,德国ICE于1982年开始实施高速铁路计划；而整个欧洲,对列车脱轨撞击结构的系统研究,始于20世纪90年代初期［6],随后,将研究结果体现在相关规范中［7- 8]。

1 国际铁路联盟规程简介

国际铁路联盟(英文全称:International Union of Railways,UIC为法文全称缩写)是世界铁路最大的国际性标准化机构,简称铁盟；成立于1922年12月1日,会址设在巴黎；其宗旨是:推动国际铁路运输的发展,促进国际合作,改进铁路技术装备和运营方法,开展有关问题的科学研究,实现铁路建筑物、设备的技术标准的统一。目前,国际铁路联盟共有成员近90个；中国曾是UIC的创始国之一,但中途因故停止会籍,直到1979年6月,我国才恢复在UIC的席位。

UIC有关标准方面的出版物称之为UIC规程,用英、法、德3种文字出版。UIC规程在国际上具有重要地位,欧洲规范中与铁路有关的相关条款的制定,UIC规程是主要的依据之一,如欧洲规范EN1991―1―7［7]中有关脱轨列车撞击荷载的规定来自于国际铁路联盟规程UIC777―2［9]；我国也把UIC规程作为铁道行业标准的重点采纳标准［10]。

UIC777―2针对跨铁路线结构提出了在轨道区的建设要求,其出版目的是提出合理的、可操作的方法来尽可能减少由于列车脱轨撞击跨越铁路线的结构而引起的危害；1997年1月出版第1版,2002年9月出版第2版。

2 UIC777-2设计策略

2.1 结构分类和适用范围

UIC777-2在设计策略上,“人”成为影响结构设计的核心因素,这里的“人”,考虑了如下两个方面的含义:一是指结构中人员,二是指列车内人员。因此,考虑列车脱轨撞击结构对以上两类人员的危害程度,特别是对结构中人员的危害,将列车轨道沿线结构进行了如下划分:即使用人员密集或者层数多为A类,使用人员稀少的单层结构为B类；见表1。

表1 UIC777-2中结构分类

一般情况下,由列车脱轨撞击A、B类结构而产生的风险由如图2所示因素构成；分析图2中所示各影响因素,除站场布置(轨道数量、站场道岔、轨道曲率半径)、结构布置等固态影响因素外,列车运行速度是具有一定的变化范围,是动态影响因素,也是决定结构破坏状态的重要因素之一。

图2 脱轨列车撞击结构影响因素构成

因此,UIC777-2对列车的运行速度限定了范围,即规定了该规程的适用范围,见表2。

表2 UIC777-2列车速度限定

2.2 设计策略

对A类结构,由于有大量人员使用,出于对生命安全的保护,UIC777-2要求A类结构能够抵抗列车脱轨撞击导致的作用,因此,设计上仍然基于传统设计方法,将列车脱轨撞击荷载简化为等效静力荷载,通过结构计算配筋、结构构件最小尺寸规定,使结构在列车脱轨撞击作用下,不发生倒塌,保证结构使用人员的生命安全。对于B类结构,UIC777-2认为由于结构上使用人员较少,列车脱轨并撞击结构是小概率事件,依据列车脱轨撞击作用设计结构构件显然不够经济,但是,如果事件一旦发生,后果将十分严重,风险不能忽视,因此,采用风险分析的方法来评价结构在脱轨列车撞击作用下的风险大小,以减小风险为目的,在合理的预防保护措施的投资与收益之间进行估算,当通过风险分析获得的风险概率大于可接受风险概率时,通过采用预防和保护措施来降低风险。

3 UIC777-2设计方法

3.1 A类结构设计方法

对于A类结构,根据不同的危险分区,采用不同的计算荷载和构造措施。

3.1.1 危险分区

UIC777-2按结构构件外边缘与铁轨中心线的距离,将线路两侧区域划分为2个危险分区；另外,对于轨道端头的区域也被视为危险区域,为第3个危险分区,具体危险分区的定义见表3。

表3 UIC777-2对A类结构附近区域的危险分区

3个危险分区如图3所示。

图3 A类结构的危险分区（单位：m)

对于危险分区一和危险分区二的划分原则,可根据列车及轨道的参数解释如下:列车的标准轨距(两条钢轨之间内距)为1 435 mm,为轮对宽度和轮对活动量两项之和,如图4(a)所示；铁路建筑限界最小尺寸为2.5 m,与我国铁路建筑限界基本相同［11],车厢宽度约为3.3 m,如图4(b)所示；假定列车发生如图4(c)所示方向脱轨,当右侧车轮不跨越左侧轨道时,列车在轨道上偏移的距离约为1.35～1.40 m,相当于标准轨距,车厢的二分之一宽度为1.65 m,以上两项之和约为3.0 m,因此,当结构与轨道中心线距离为2.5～3.0 m时,列车仅从轨道上滑下,列车动能耗散很小,因此,撞击结构时,将产生很大撞击荷载,如图4(c)所示；当结构与轨道中心线距离为3.0～5.0 m时,列车右侧轮轨需要跨越左侧轨道,并在道床上滑行一段距离,此时,跨越轨道和道床上的摩擦力使列车动能得到很大耗散,经研究,能量耗散约为60%［12],如图4(d)所示,当结构与轨道中心线距离超过5 m时,不需要考虑列车脱轨撞击作用。

图4 危险分区一和危险分区二的划分（单位：m)

3.1.2 撞击荷载研究及取值

UIC777-2对列车脱轨撞击临近结构而产生撞击荷载的规定,主要来自于20世纪90年代初期UIC桥梁分委会的研究数据,在UIC桥梁分委会的研究中,列车与桥墩撞击最大荷载为10 MN［13]。UIC777-2对不同危险分区撞击荷载的具体取值见表4。

表4 A类结构撞击荷载取值

轨道端点设置最小制动能为2 500 kN·m撞击挡块和防撞端墙。

3.1.3 结构构件尺寸规定

本文所讨论内容,为列车运行速度大于50 km/h的情况。

UIC777-2对位于3个危险分区的结构构件尺寸要求见表5。

表5 A类结构构件尺寸要求______________

图5 位于不同文献分区的结构构件尺寸（单位：m)

3.2 B类结构设计方法

UIC777-2采用定量风险评估方法来指导B类结构的设计。

3.2.1 风险评估过程

定量风险评估过程如图6所示。

图6 风险评估过程

灾害发生概率:对于列车脱轨撞击桥梁结构, UIC777-2采用定量分析方法评估列车脱轨对桥梁等B类结构的影响；建立事件树模型如图7所示。

图7 列车脱轨撞击桥梁结构事件树模型

如图7所示,列车脱轨撞击桥梁结构事故发生概率由列车在桥梁附近脱轨概率P1、列车与桥梁碰撞概率P2、桥梁因碰撞而倒塌的概率P3、运行在另外轨道上的列车与脱轨列车相向碰撞的概率P4、运行在另外轨道上列车的类别构成,形成9种事故场景,事故场景Szi发生概率按式(1)计算

UIC777-2根据UIC和其他资源的统计数据,提出了P1～P4的计算公式和参数,供设计人员参考。

灾害引起后果:在风险定量分析中,灾害引起的后果,可以采用经济损失、人员伤亡、环境破坏、对公众的影响等方面的量化指标来衡量；在UIC777-2中,采用人员伤亡指标来表示灾害引起的后果,主要原因是,在灾害引起后果的估计中,与对结构或列车的损伤相比,人的伤害是最大的损失。事实上,这是一个非常简化的处理方式,因为这里并未包括财产的损失(桥梁、列车)、对交通阻碍引起的次生灾害等。

表6列出了UIC777-2提出的脱轨客车不同速度下每种灾害场景的伤亡人数Cszi。

表6 不同列车运行速度下伤亡人数（Cszi)人

表6中数据是根据在运行的客运列车上有300人,在运行的货运列车上有1人的基础上获得的。

风险水平:列车脱轨撞击结构而导致的风险,按式(2)～(4)进行计算

式中,Dszi为事故场景产生的危害；Pszi为事故场景发生的概率；Cszi为事故场景产生的伤亡人数。

式中,Rbi为事故场景而导致的风险；Apf为厌恶因子,其数值的选择对风险的接受程度有重要影响,规范UIC777-2并未提出具体数据,但在其附录算例中,厌恶因子选择为1。

式中,Rb为列车脱轨撞击桥梁结构产生的总风险。

风险的货币估计:当风险不可接受时,需要采取合理的措施来减轻风险,UIC777-2采用成本-效益分析来确定采纳措施是否合理。因此,需要将前述以人员伤亡为基础的风险估算进行货币表达,风险的货币估计按式(5)计算

式中,Rbm为风险Rb的货币估计值；Vpf为人员伤亡风险货币估计参数,规范UIC777-2提供的算例中,取值为600万欧元。

3.2.2 减少风险的措施

风险降低的措施可分为如下两类:(1)结构措施,可以通过设计超强结构构件或者设计结构局部失效后的第二条传力路径；(2)非结构措施,主要减少事故发生的可能、强度或者结果。UIC77-2提出的B类结构减少风险的措施如表7所示。

表7 B类结构减少风险措施

为增强桥墩等下部支撑构件的鲁棒性,UIC777-2对其设计提出了具体要求:如最小尺寸的规定；半个截面能够承担永久荷载和折减的列车荷载；三分之一的截面能够承担永久荷载等等。

4 预防保护措施及其应用

规范UIC777-2提出的预防保护措施主要从以下两个方面进行考虑:(1)降低风险发生的频率；(2)降低事故后果。表7列出的减少风险的措施,被欧洲规范EN1991-1-7采纳,并且,广泛应用各类(不仅仅局限在B类结构)跨线、邻线结构的建设中。

在欧洲,常用的预防保护措施分为两类:(1)偏转设施,即当列车脱轨并向邻线、跨线结构运动时,偏转设施会拦截列车运动、改变脱轨列车运动方向；这类措施主要包括:抬高的基础、站台边缘和导向墙等；对于导向墙或抬高的基础,规范提出需至少高于铁轨顶部76 cm。(2)吸能装置:主要是能够吸收脱轨列车的动能,从而减少列车对结构的撞击作用,这类措施主要包括:防撞栏杆和吸能装置；防撞栏杆用于运行速度较低的列车；吸能装置则位于A类构件的第3危险分区。图8为在欧洲站房中采用的防止列车脱轨的部分预防保护措施。

图8 欧洲站房中常用的预防保护措施

5 结语

规程UIC777-2是欧洲规范相关条款的主要依据规范之一,从2002年出版至今,已经形成了关于列车脱轨撞击邻线、跨线结构较为成熟的设计策略、设计方法和预防保护措施,对欧洲规范相关条款的制定,起到主导性作用。

随着我国高速铁路的迅猛发展,新一代站房与铁路线路关系的更新,在设计领域上的某些空白也初步显现；依据我国高速铁路发展的具体情况,借鉴先进国家的相关规范,提出适用于我国当前发展情况的技术方法,是提高我国铁路运营水平亟待解决的问题。详细介绍规程UIC77-2,目的是适当吸取国际铁路联盟的有益经验,为进一步提出适用于我国高速铁路站房抵御高速列车脱轨撞击的设计方法奠定基础。

致谢：感谢中铁大桥勘测设计院集团有限公司的副总工程师王应良博士为本文提供部分研究资料，感谢硕士研究生刘斌为本文绘制部分插图。

［1] 王睦,吴晨,周铁征,等.以火车站为中心的综合交通枢纽―――新建北京南站的设计与创作［J].建筑学报.2009(4):16-25.

［2] 张超永.上海铁路枢纽虹桥客站站场方案研究［J].铁道标准设计,2006(S):118-121.

［3] 何文彪.武汉铁路枢纽规划与设计［J].铁道标准设计,2009(1): 1-4.

［4] 周建喜.广州南站规划设计［J].铁道标准设计,2011(8):126-130.

［5] 黄桂兴.天津站换乘方案设计思考［J].铁道标准设计,2005(7): 10-12.

［6] Grob,J.,Hajdin,N..Train Derailment and its Impact on Structures［J].Structural Engineering International,1993(2):88-94.

［7] European Committee for Standardization.BS EN1991-1-7Eurocode 1-Actions on structures-Part 1-7:General actions-Accidental actions［S].London:The British Standards Institute(BSI),2006.

［8] European Committee for Standardization.BS EN 1991-2 Eurocode 1-Actions on structures-Part 2:Traffic Loads on Bridges［S].London: The British Standards Institute(BSI),2003.

［9] International Union of Railways(UIC).UIC777-2R Structures Built over Railway Lines-Construction Requirements in the Track Zone［S].Paris,2002.

［10]张一兵.铁道行业标准应重点采用国际铁路联盟(UIC)标准［J].铁道技术监督,2000(9):13-15.

［11]中华人民共和国国家标准.GB146.2―83标准轨距铁路建筑界限［S].北京:国家标准局,1983.

［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

国家自然科学基金项目(51378427)；铁道部科技研究开发计划项目(2012G003-J)；中央高校基金创新项目(SWJTU12CX077)

刘艳辉(1969―),女,副教授,工学博士,E-mail: liuyanhui00@126.com。