CN103603464A - 耗能防撞站房柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耗能防撞站房柱。该耗能防撞站房柱包括：站房柱；外包钢板，外包钢板设在站房柱的外周壁上；刚性夹套，刚性夹套横截面为矩形，刚性夹套套在外包钢板外且与外包钢板彼此间隔开；软钢耗能器，软钢耗能器设在外包钢板的第一侧面与刚性夹套之间以及外包钢板的第二侧面与刚性夹套之间，第一侧面与第二侧面平行且与列车轨道垂直。根据本发明实施例的耗能防撞站房柱通过在站房柱外设置外包钢板和刚性夹套，并在外包钢板和刚性夹套之间设置软钢耗能器，可以有效地衰减列车侧向撞击的能量，减弱耗能防撞站房柱的受撞强度，减轻脱轨列车和列车内部人员的伤害，从而可大大提高站房结构及内部人员的安全性。

Description

耗能防撞站房柱

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体而言，涉及一种耗能防撞站房柱。

背景技术

近年来我国高速铁路建设取得飞速发展。但是，脱轨事故一直是铁路发展过程中一个不可忽视的重要问题。由于车速过快、不合理的铁道防护措施、恶劣的气候条件和火车自身的问题等原因造成了各国的火车脱轨事故屡见不鲜，可能导致大量人员伤亡和财产损失。特别是对于高铁车辆，由于运行速度快，一旦发生脱轨与周围建筑物发生碰撞，将会导致严重的次生灾害。一个典型的例子是：2013年7月12日，一列从巴黎出发的火车以接近每小时160公里的时速，在经过距巴黎以南40公里的埃松省奥尔日河畔布雷蒂尼车站时，突然断成了两截，有大约6节车厢冲上并且侧翻在了站台上，截至2013年7月20日，事故导致6人死亡，60多名旅客受伤，其中9人伤势严重，脱轨的车厢和站台严重损毁。因此，研发高效可靠的脱轨列车撞击防护装置，对于高速铁路的安全运营有着极其重要的现实意义。

最容易遭到脱轨列车撞击，也是撞击后果最为严重的一类临近铁路轨道的建筑物就是各类火车站房结构。现代新型列车站房结构一般为大跨高架结构，高速列车高速穿过（即正线）或到站停车在（即到发线）大跨高架结构底部。由于受到各方面因素制约，高铁站房的结构柱外边缘与列车限界之间的距离非常有限，往往不到1m，这对研发可靠高效的防脱轨列车侧向撞击柱提出了严峻挑战。与此同时，新型高速列车的造价也很高、且脱轨列车里面也可能有大量的乘客，在避免列车侧向撞击导致站房结构发生严重破坏的同时，还应当尽量减轻对脱轨列车的损伤。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种耗能防撞站房柱，该站房柱通过设置软钢耗能器可以有效地衰减列车侧向撞击的能量，可大大提高站房结构及列车内部人员的安全性。

根据本发明实施例的耗能防撞站房柱包括：站房柱；外包钢板，所述外包钢板设在所述站房柱的外周壁上；刚性夹套，所述刚性夹套横截面为矩形，所述刚性夹套套在所述外包钢板外且与所述外包钢板彼此间隔开；软钢耗能器，所述软钢耗能器设在所述外包钢板的第一侧面与所述刚性夹套之间以及所述外包钢板的第二侧面与所述刚性夹套之间，所述第一侧面与所述第二侧面平行且与列车轨道垂直。

根据本发明实施例的耗能防撞站房柱通过在站房柱外设置外包钢板和刚性夹套，并在外包钢板和刚性夹套之间设置软钢耗能器，可以有效地衰减列车侧向撞击的能量，减弱耗能防撞站房柱的受撞强度，减轻脱轨列车和列车内部人员的伤害，从而可大大提高站房结构及内部人员的安全性。

另外，根据本发明上述实施例的耗能防撞站房柱还可以具有如下附加的技术特征：

所述刚性夹套包括：内钢板，所述内钢板与所述软钢耗能器连接；外钢板，所述外钢板设在所述内钢板的外侧且与所述内钢板彼此间隔开；加劲肋，所述加劲肋设在所述内钢板和所述外钢板之间。刚性夹套可以将脱轨列车对站房柱的撞击力分散，并传给软钢耗能器。

所述刚性夹套是焊接制成的。这样可以现场拼装，降低了刚性夹套的施工难度。

所述外包钢板的下表面与所述站房柱底部高度相同。这样外包钢板从站房柱的底部一直向上包裹，加强了站房柱的强度和刚度。

所述外包钢板的上表面与所述刚性夹套的上表面高度相同。

所述刚性夹套高度为1.5～2.5m。

所述刚性夹套在竖直方向上的中心位置距所述轨道所处平面的高度为1～2m。

所述刚性夹套与所述轨道平行的侧壁到同侧的所述外包钢板的侧面的距离为200-800mm。这样耗能防撞站房柱可以设置在较小的空间，可以很方便的安装在各类新建的站房柱和既有的站房柱上，具有很好的实用性和可行性。

所述软钢耗能器为多个，所述多个软钢耗能器在水平方向上彼此紧贴设置成一排。

所述软钢耗能器为多排。这样可以更好地衰减列车侧向撞击的能量。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的耗能防撞站房柱的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的耗能防撞站房柱的截面示意图；

图3是图2中A-A截面图；

图4是根据本发明另一个实施例的耗能防撞站房柱的截面示意图。

附图标记：

轨道1；站房柱2；刚性夹套3；外钢板4；加劲肋5；内钢板6；软钢耗能器7；外包钢板8；第一侧面81；第二侧面82；间隔空间9。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图4详细描述根据本发明实施例的耗能防撞站房柱。

根据本发明实施例的耗能防撞站房柱，包括站房柱2、外包钢板8、刚性夹套3和软钢耗能器7。

其中，站房柱2可为钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构或型钢混凝土结构。

外包钢板8可通过四块钢板焊接以形成箱形截面，该箱形截面将站房柱2包裹在外包钢板8内部。当站房柱2的横截面为矩形时，如图2所示，此时外包钢板8可紧贴地包裹在站房柱2的外周壁上。当站房柱2的横截面不是矩形时，例如，在图4中站房柱2的横截面为圆形，外包钢板8不能紧贴地包裹在站房柱2的外周壁上，在外包钢板8与站房柱2之间形成间隔空间9，可向间隔空间9内浇筑混凝土，混凝土充满间隔空间9以加固站房柱2。这样外包钢板8可以更好地加固站房柱2，大大增加站房柱2的承载力。外包钢板8可从站房柱2的底部一直向上包裹，也就是说，外包钢板8的下表面与站房柱2底部高度相同。外包钢板8可一直包裹到站房柱2的顶部，优选地，外包钢板8的上表面与刚性夹套3的上表面高度相同，也就是说，外包钢板8包裹站房柱2直到与刚性夹套3的上表面高度相同。这样外包钢板8可以增加站房柱2的承载力。

刚性夹套3套在外包钢板8外，刚性夹套3横截面可为矩形。刚性夹套3高度可为1.5～2.5m，刚性夹套3在竖直方向上的中心位置距轨道1所处平面的高度可为1～2m。

刚性夹套3与外包钢板8彼此间隔开。刚性夹套3与轨道1平行的侧壁到同侧的外包钢板8的侧面的距离可为200-800mm。刚性夹套3和外包钢板8之间间隔空间内设置软钢耗能器7。刚性夹套3可以将脱轨列车对站房柱2的撞击力分散，并传给软钢耗能器7。

外包钢板8可以作为软钢耗能器7的连接构件，也就是说，软钢耗能器7可固定设在外包钢板8上。软钢耗能器7可以将列车侧向撞击的能量大大衰减直至完全消减。软钢耗能器7具有低强度和高耗能的特点，这样不但可以提高耗能防撞站房柱在列车侧向撞击时的安全性，而且还可以最大程度上减轻脱轨列车和列车内部人员可能造成的伤害，确保站房结构及内部人员安全。

软钢耗能器7可设在外包钢板8的第一侧面81与刚性夹套3之间以及外包钢板8的第二侧面82与刚性夹套3之间。

其中，第一侧面81与第二侧面82平行且与列车轨道1垂直。也就是说，软钢耗能器7设在外包钢板8上的与列车轨道1垂直的两侧。

当列车脱轨撞向耗能防撞站房柱时，首先列车将撞击刚性夹套3，刚性夹套3可以将脱轨列车对站房柱2的撞击力分散，并传给软钢耗能器7，软钢耗能器7将列车侧向撞击的能量大大衰减，同时又有外包钢板8包裹保护站房柱2。这样可以有效地减弱耗能防撞站房柱的受撞强度，减轻脱轨列车和列车内部人员的伤害，从而可大大提高站房结构及内部人员的安全性。

根据本发明实施例的耗能防撞站房柱通过在站房柱2外设置外包钢板8和刚性夹套3，并在外包钢板8和刚性夹套3之间设置软钢耗能器7，可以有效地衰减列车侧向撞击的能量，减弱耗能防撞站房柱的受撞强度，减轻脱轨列车和列车内部人员的伤害，从而可大大提高站房结构及列车内部人员的安全性。

在本发明的一个实施例中，刚性夹套3包括内钢板6、外钢板4和加劲肋5。

其中，内钢板6可与软钢耗能器7固定连接。这样刚性夹套3可以将脱轨列车对站房柱2的撞击力传给软钢耗能器7。

外钢板4设在内钢板6的外侧且与内钢板6彼此间隔开。

在内钢板6和外钢板4之间设有加劲肋5。也就是说，加劲肋5设在内钢板6和外钢板4之间。加劲肋5可以加强刚性夹套3的刚度和强度，同时，还可以将脱轨列车对站房柱2的撞击力分散，提高了刚性夹套3的可靠性。从而刚性夹套3可以有效地将脱轨列车对站房柱2的撞击力分散，并传给软钢耗能器7。

优选地，刚性夹套3是焊接制成的。加劲肋5分别与内钢板6、外钢板4焊接固定。这样可以现场拼装刚性夹套3，降低了刚性夹套3的施工难度。

在本发明的一个实施例中，外包钢板8可从站房柱2的底部一直向上包裹，直到外包钢板8的上表面与刚性夹套3的上表面高度相同。也就是说，外包钢板8的上表面与刚性夹套3的上表面平齐。这样大大加强了站房柱2的强度和刚度。其中，刚性夹套3高度可为1.5～2.5m。刚性夹套3在竖直方向上的中心位置距轨道1所处平面的高度可为1～2m。刚性夹套3与轨道1平行的侧壁到同侧的外包钢板8的侧面的距离为200-500mm。这样耗能防撞站房柱可以设置在较小的空间，可以很方便的安装在各类新建和既有站房上，具有很好的实用性和可行性。

但是，本发明包括但不限于此，刚性夹套3高度、刚性夹套3在竖直方向上的中心位置距轨道1所处平面的高度和刚性夹套3与轨道1平行的侧壁到同侧的外包钢板8的侧面的距离都可以根据具体情况具体设置。

根据本发明的一个实施例，软钢耗能器7可为多个，多个软钢耗能器7在水平方向上彼此紧贴设置成一排。进一步地，软钢耗能器7可为上下多排。这样可以更好地衰减列车侧向撞击的能量。

每排软钢耗能器的个数n i和软钢耗能器上下的排数m可以根据如下计算获得。

首先根据平行于轨道方向的机车限界与站房柱之间已经确认的距离d，可初步得到软钢耗能器最大位移：

d_m=d-d_s-(100～600)mm----------（1）

式中，d_m为软钢耗能器最大位移，

d_s为机车限界到建筑限界最小安全距离。

根据d_m初步选定软钢耗能器型号，为了方便计算，软钢耗能器恢复力模型采用理想弹塑性模型，则软钢耗能器产生d₀位移时消耗的能量：

W_d=P_y（d₀-d_y）----------（2）

式中，W_d为软钢耗能器产生d₀位移时消耗的能量，

P_y为软钢耗能器屈服力，

d_y为软钢耗能器屈服位移，

则软钢耗能器最大消耗的能量为：

W_dmax=P_y（d_m-d_y）----------（3）

式中，W_dmax为软钢耗能器最大消耗的能量。

根据站房设防标准和机车限界与耗能防撞站房柱限界之间的距离得到耗能防撞站房柱柱的侧向撞击设防速度v_max，则列车侧向撞击能量E为：

$E=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_{\max }}^2----------\left(4\right)$

式中，E为列车侧向撞击能量，

M为侧向撞击有效计算质量，

v_max为侧向撞击设防速度，

为了保护防撞柱列车侧向撞击后不破坏，则：

$\left\{\begin{array}{c}n{W}_{d\max }\≥E\\ n{P}_y\≤F\end{array}----------\left(5\right)\right.$

式中，F为未安装软钢耗能器的耗能防撞站房柱平行于轨道方向一侧抗侧向荷载富余值，

n为软钢耗能器个数，

根据软钢耗能器个数和尺寸以及垂直轨道方向耗能防撞站房柱的长度计算出耗能防撞站房柱一侧每一排软钢耗能器的个数n_i及需要设置排数m，m不小于2且

并验算是否满足式（5）要求。

刚性夹套设计时应满足在F作用下处在弹性状态。

这样就可以根据具体情况计算出每一排软钢耗能器的个数n_i及需要设置排数m。

为了较好的说明该方案，本发明结合一具体实施例进行详细描述：

某高铁站一站房柱2的截面如图4所示，站房柱2为钢管混凝土结构，钢管为Q345，外径1300mm，壁厚35mm，混凝土强度等级C40，对整体结构进行计算分析可知该站房柱2平行于轨道方向一侧抗侧向荷载富余值F=43234kN。平行于轨道方向机车限界与站房柱之间的距离d=1000mm，取d_s=300mm。

则d_m=d-d_s-(100～400)mm=1000-300-(100～600)=100～600  （6）

本实施例初定d_m=200mm，根据d_m可选择软钢耗能器为X形阻尼器，其高度为600mm，宽度300mm，屈服强度117MPa，屈服力P_y=2.17×10⁵N，屈服位移d_y=8mm，极限位移200mm。

则软钢耗能器最大变形（200mm）时消耗的能量为：

W_dmax=P_y（d_m-d_y）=2.17×10⁵×(200-8)=4.166×10⁴J  （7）

根据站房设防标准和机车限界与耗能防撞柱之间的距离得到耗能防撞站房柱的侧向撞击设防速度v_max=14m/s。本发明以CRH2E型机车为原型，单节车体重量是56t，取m=56t，则列车侧向撞击能量E为：

$E=\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_{\max }}^2=\frac{1}{2}\×56\×{10}^3\×{14}^2=5.488\×{10}^{6}J---\left(8\right)$

将式（7）、式（8）、P_y及F代入式（5）可得

$\left\{\begin{array}{c}n\×4.166\×{10}^4\≥5.488\×{10}^6\\ n\×2.17\×{10}^5\≤4.323\×{10}^7\end{array}\right.$ 即 $\left\{\begin{array}{c}n\≥131.7\\ n\≤199.2\end{array}\right.$

当n不能同时满足式（5）则意味着软钢耗能器极限位移较小，可加大d_m取值，如空间有限不能增加d_m取值则n取小值且为偶数；当n能同时满足式（5）时，n应尽可能取小值，本例中n=132。

根据软钢耗能器个数和尺寸以及垂直轨道方向耗能防撞柱的长度计算出站房柱的一边每一排软钢耗能器的个数，在本实施例中，第1排～第8排软钢耗能器的个数可为4个，第9排软钢耗能器的个数可为2个，第10排～第17排软钢耗能器的个数可为4个，即第一侧面81第1排～第8排软钢耗能器的个数为4个，第9排软钢耗能器的个数为2个，第10排～第17排软钢耗能器的个数为4个，第二侧面82第1排～第8排软钢耗能器的个数为4个，第9排软钢耗能器的个数为2个，第10排～第17排软钢耗能器的个数为4个，在第一侧面81的软钢耗能器与第二侧面82上的软钢耗能器彼此对称。

m满足不小于2且

当车体初速度为14m/s时，车体撞击耗能站房柱后车体最后反弹速度是0.4735m/s，能量消耗99.89%。

当车体初速度为9m/s时，车体撞击耗能站房柱后车体最后反弹速度是1.1322m/s，能量消耗98.42%。

当车体初速度为6m/s时，车体撞击耗能站房柱后车体最后反弹速度是0.6592m/s，能量消耗98.79%。

综上所述，根据本发明实施例的耗能防撞站房柱不但可以提高耗能防撞站房柱在列车侧向撞击的安全性，而且还可以消耗列车运动的能量，最大程度上减轻脱轨列车和列车内部人员可能造成的伤害，确保站房结构及内部人员安全，该耗能防撞站房柱可以设置在较小的空间，可以很方便的安装在各类新建和既有站房上，具有很好的实用性和可行性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种耗能防撞站房柱，其特征在于，包括：

站房柱；

外包钢板，所述外包钢板设在所述站房柱的外周壁上；

刚性夹套，所述刚性夹套横截面为矩形，所述刚性夹套套在所述外包钢板外且与所述外包钢板彼此间隔开；

软钢耗能器，所述软钢耗能器设在所述外包钢板的第一侧面与所述刚性夹套之间以及所述外包钢板的第二侧面与所述刚性夹套之间，所述第一侧面与所述第二侧面平行且与列车轨道垂直。

2.根据权利要求1所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述刚性夹套包括：

内钢板，所述内钢板与所述软钢耗能器连接；

外钢板，所述外钢板设在所述内钢板的外侧且与所述内钢板彼此间隔开；

加劲肋，所述加劲肋设在所述内钢板和所述外钢板之间。

3.根据权利要求2所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述刚性夹套是焊接制成的。

4.根据权利要求1所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述外包钢板的下表面与所述站房柱底部高度相同。

5.根据权利要求1所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述外包钢板的上表面与所述刚性夹套的上表面高度相同。

6.根据权利要求1所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述刚性夹套高度为1.5～2.5m。

7.根据权利要求6所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述刚性夹套在竖直方向上的中心位置距所述轨道所处平面的高度为1～2m。

8.根据权利要求7所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述刚性夹套与所述轨道平行的侧壁到同侧的所述外包钢板的侧面的距离为200-800mm。

9.根据权利要求1所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述软钢耗能器为多个，所述多个软钢耗能器在水平方向上彼此紧贴设置成一排。

10.根据权利要求9所述的耗能防撞站房柱，其特征在于，所述软钢耗能器为多排。

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