時間：2022-07-01 15:06:23
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇鐵路工程技術論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
英文名稱：Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology
主管單位：河北省教育廳
主辦單位：石家莊鐵路工程職業技術學院
出版周期：季刊
出版地址：河北省石家莊市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1671-8607
國內刊號：13-1319/G4
郵發代號：
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：2002
期刊收錄：
核心期刊：
期刊榮譽：
聯系方式
【關鍵詞】十二五 經濟活動分析 部門職責 過程控制
中國的鐵路建設始于清朝末年，經過一個多世紀的建設和發展，中國目前已經擁有僅次于美國和俄羅斯的全球第三大鐵路網、以及全球最大規模的高速鐵路網。尤其是在國家進入“十二五”發展階段后，國家對于鐵路發展提出了進一步的基本原則：堅持科學發展，有序推進鐵路建設；堅持安全發展，確保安全持續穩定；堅持創新發展，全面推進鐵路現代化；堅持可持續發展，重視鐵路經營效益；堅持協調發展，實現綜合效益最大化；堅持綠色發展，提高資源利用效率。初步形成便捷、安全、經濟、高效、綠色的鐵路運輸網絡，基本適應經濟社會發展需要。
鐵道部部長盛光祖在一次內部會議上表示，“十二五”期間，鐵路投資必須達到2.3萬億元，否則無法完成規劃。這樣在“十二五”期間剩余的未來三年內，鐵路投資估摸將每年接近5000億元。“鐵路應該超前建設”的理念已經成為共識，這是讓鐵路工程建設行業倍感振奮的好消息。
通過中國鐵路工程總公司領導的講話可以看出，“十二五”階段是個鐵路全面建設的階段，施工企業在新一輪的鐵路建設中應當進一步加強成本控制及效益的合理安排。以下針對鐵路項目進行的經濟活動分析，對鐵路工程施工企業的成本控制及效益安排進行論述。
工程項目經濟活動分析是以計劃資料、數據核算和調查研究的情況為依據，對一定時期內生產經營活動的全過程及其經營結果進行全面系統的分析研究，對生產經營活動給與正確的評價，探尋生產經營的改進方法，查找經營管理上的不足，提出經營管理方面的建議或者意見，指明改進項目管理、提高經濟效益的方向，為領導提供決策依據，其目的是提高項目管理水平和生產經營的效益。
在進行經濟活動分析時，首先應該明確的是鐵路項目需要分析的項目是什么，怎么進行分析，將經濟活動分析作為一項任務來進行。對經濟活動分析的主要內容是分析評價項目生產經營管理過程和經營成果及項目對人、財、物利用效果，分析各生產要素的配置和施工生產的外部環境。主要包括：項目收入情況、項目成本情況、項目資金管理情況、工程技術分析、項目資產構成及資產質量情況、項目施工生產組織管理情況、項目二次經營情況以及項目質量、安全、工期、施工組織等影響項目經濟活動的其它重大經濟事項分析。簡單具體概括為以下四部分內容：
一、施工項目本期實際生產經營過程的分析
（一）施工生產計劃完成情況的分析；檢查分析本項目施工組織計劃的執行完成情況，工程形象進度，建安產值指標完成情況，主要實物工程量指標完成情況等。
（二）工程質量、安全管理情況的分析。
反映項目施工生產的安全質量情況和存在的問題，分析造成安全質量事故的原因及其對成本的影響、如何防治安全和質量管理中問題的出現等。
（三）施工方案優化和施工組織設計的分析和具體施工過程中的現場組織與安排等的諸多分析。
二、施工項目各生產要素資源配置的分析
主要包括：勞動力、材料、機械設備、資金和施工技術。對于存在不足、缺陷和亮點的地方要重點分析，分析內容要有主次，與分析目的無關或關系不大可以簡單分析，與下一步的科學決策和盈利水平有影響的就要重點分析，并及時調整決策。
三、項目成本的分析
將項目成本組成項目、成本控制措施和現場成本管理逐一進行對比分析：從合同中標價、施工圖預算、財務預算、計劃成本和實際成本入手。
四、經營成果分析
主要從財務報表方面進行財務分析，分析相關考核指標的完成情況、財務分析指標的達到或實現情況，分析差距，尋找原因，提出下一步的可行性計劃或實施措施。
駐點項目部各部門在經濟活動分析中的分工應盡量明確，以下就各鐵路項目正常的部門劃分分別進行明確：
（一）工程部：
1.組織施工圖審核，匯總各分部分項工程的施工圖數量，編制施工技術組織措施計劃，優化施工方案。
2.監督、指導各項目部對優化方案的具體實施過程。
3.負責變更設計的簽認。
4.負責提供對應施工圖紙工程數量的項目整體材料計劃用量和已完工程量的材料計劃用量。
5.負責內外部計量數量的確認工作。
6.審核、匯總各項目部工程數量臺賬。
（二）工程經濟管理部（或計劃合同部、預算成本部等名稱，以下簡稱工經部）
1.負責組織相關人員研究與業主簽訂的施工承包合同及相關文件，找出利潤項目和虧損項目的分布特點，確定項目成本控制中需重點關注的問題，同時作為變更索賠工作的突破口。
2.負責建立對內對外驗工計價臺帳。
3.監控各分部分項工程的結算控制，對超過施工圖紙工程數量的對內結算及時向主要領導匯報，并在經濟活動分析會議上確認。
4.項目勞務分包統一限價，并參與控制勞務合同的單價的確定。
5.分析生產過程中各環節成本升降的原因，制定相應補救措施予以糾偏。
6.建立及匯總各項目合同、勞務結算、驗工計價（計量）、增收創效控制臺賬。
論文摘要：針對當前貴州省境內鐵路現狀及發展趨勢，通過對貨車車輛檢修能力、運用維修方式、5T安全防范系統建設的分析，論述了加強車輛安全基礎建設對促進貴州鐵路和諧發展的重要性。同時，提出了下一步需解決的問題。
1 概述：
貴州省地處西南部，境內有鐵路干線有滬昆、黔桂、渝黔、內六、南昆、水紅線，開陽、水大、湖林三條支線，此外，還有眾多專用鐵路，2007年底全省鐵路營業里程達已超兩千公里。現成都局在貴州的車輛檢修基地有兩個，客、貨車輛段各一個，其中客車擔負運用維修任務，不承擔段修及以上修程，貨車車輛段（貴陽南車輛段）具有廠修、段修等各級修程能力，年均通過修570萬輛以上。
近年來隨著技術的發展，境內滬昆、內（江）六（盤水）線牽引定數已達4000t，而改建中的黔桂線在投產后其牽引定數也亦達3800t，擬建中的貴（陽）廣（州）鐵路牽引定數可達4000t。列車牽引定數的增加，使車輛故障頻發，2008年1至5月貴陽南車輛段各列檢共發現典型故障1510件，萬輛故障達6.86件，如下表1所示。
表1列檢作業場發現典型故障統計表
2
357
127
1
1
345
669
8
1510
0.13
23.64
8.41
0.07
0.07
22.8
44.31
0.53
尤其是今年開展“三車”整治活動以來，貴陽南、六盤水兩站修僅1—5月就完成“三車”整治工作量5891輛，如表2所示。
表2貴陽南、六盤水站修2008年1至5月“三車”整治統計表
930
424
1601
2955
833
81
2022
2936
但是，貴州境內鐵路線路在得到較大程度增長的同時，其車輛安全基礎建設速度卻不快，存在著樞紐內檢修能力不足、5T安全防范系統不完善等，車輛安全運營受到一定程度的影響。
2 存在問題：
2.1 貨車檢修能力不足
貨車車輛段有6個廠修臺位、15個段修臺位、20個輔修臺位，年廠修、段修能力分別可超500、7000輛。
廠修、段修檢修基地位于貴陽樞紐，六盤水樞紐僅有輔修、臨修能力。以貴陽樞紐為例，近期（2020年）需貨車段修臺位26個，即便將段修庫中預留的3個檢修臺位建成投產，段修臺位數仍缺8個。同時，扣修的段修、廠修車其存車線僅有一條，僅能存20輛左右，遠不能滿足生產需要，且該條存車線還連接洗罐線，對生產有一定程度干擾。
六盤水樞紐按貨車保有量計算，近期需貨車段修臺位達19個，但該樞紐無段修檢修能力。
廠修、段修維修資質所獲得的車種車型較少，目前共獲得國鐵段修C、P、N、NX、X、G、K、B、W、U等車種的維修資質，除獲得一定數量的自備貨車廠修資質外，國鐵廠修資質僅獲得K、U車型，建成后的廠修庫能力得不到發揮。
貨車檢修臺位較少及車種車型維修資質不多的現狀使部分廠修、段修過期車得到不及時修理，構成了安全生產隱患。
2.2 運用維修方式較落后
目前，貴陽南擔負貨車到、發作業的列檢作業場有5個主要列檢、1個區段列檢、3個制動檢修作業場，1個TFDS探測站。除TFDS探測站采用室內作業外，其余各列檢均是采用室外人工作業，重復作業量大，勞動強度大、質量安全保證系數低、人身安全隱患大。
2.3 安全防范網絡尚未完全構成
目前境內既有的黔桂線仍只有都勻、獨山、麻尾3個車站設置有紅外線軸溫探測設備（均為雙方向），站間距最大可達74Km，如下表表3所示。
表3既有黔桂鐵路貴定至麻尾段紅外線軸溫探測站站間距統計表
70
73
74
表1中紅外線軸溫探測設備的分布，違反了《鐵路技術管理規程》第136條“……在干線及繁忙干線上，須設配置智能跟蹤裝置的紅外線軸溫探測網，軸溫探測站的間距一般按30Km設置……”之規定，降低了對車輛軸溫監測的安全防范能力。
玉屏TFDS已于2005年投入試運行，由于該系統設備較為落后，至今仍未實現與鐵道部聯網運行，亟需進行設備升級改造。
由于在建中的黔桂擴能、貴陽樞紐改擴建、六（盤水）沾（益）二線進展緩慢，其規劃的TPDS、TADS、TFDS均尚未建成。
3 穩步推進車輛安全基礎建設：
3.1 積極介入鐵路新建、改建工程項目
根據新建貴陽至廣州鐵路工程預可行性研究報告，我段組織工程技術人員對涉及車輛部分的內容進行了研究，提出了該項目在下一步研究中需考慮的問題。
按鐵鑒函〔2005〕885號《關于貴陽鐵路樞紐貴陽南編組站擴建及樞紐客車外繞線工程初步設計的批復》要求，新增段內存車線，有效長達590m，目前該存車線已在施工，我段積極配合工程施工單位不斷加快施工速度，確保項目盡快竣工投產，促進貴陽樞紐內貨車檢修任務的順利地完成，保證樞紐暢通。
3.2 改變勞動生產組織，變革列檢作業方式
根據部關于鐵路運輸挖潛提效的要求，我段室外列檢作業既有的人員數量、作業方式遠不能滿足運輸生產形勢所需，從2008年5月下旬起在貴陽南北編發場、六盤水南編發場的始發列車實行單人分段包車制，較現有兩人平行作業有如下兩大優點：
緩解生產人員緊張狀況，北編發場既有8人在改變作業方式前人員極為緊張，時常從到達場調作業人員參加始發作業，現已可靈活完成始發作業；質量安全責任明晰，勞動效率得到較大程度提高。
在當前不可能增加生產人員的情況下，實行單人分段包車制不失為解決人員緊張的重要方式之一。
3.3 科學規劃車輛安全防范系統建設，提高安全防范能力
根據部批復的貴陽鐵路樞紐改擴建工程設計，在貴陽南至谷立、貴陽北、貴陽西的區間上各設TFDS系統1套，在龍里、湖潮兩站各設TPDS、TADS系統各1套，在都拉營設TPDS系統1套。我段從便于營運管理、降低建設費用、提高車輛安全防范性能等角度對貴陽樞紐“5T”規劃進行了科學論證，提出了部分設備變更安裝地點、增加探測方向等要求。
黔桂鐵路擴能改造部批復文件中未建設貴州段TFDS、TPDS、TADS系統，我段根據生產力布局調整方案、貴廣鐵路線路走向，將局原擬設于麻尾的TFDS探測站改設在新都勻車站，在新建的都勻車站設置TFDS系統2套，部已以運裝管驗收（2008）1239號批復了該方案，即將進入土建施工階段。
部已在鐵鑒函〔2004〕655號中批復黔桂擴能改造中改建鐵路貴州段內設置麻尾、星朗、學莊、墨沖、都勻、胡家寨、昌明、龍里等八個紅外線軸溫探測站，目前已完成了機房位置的定位，即將施工。
針對玉屏TFDS系統設備老化的問題，我段已多次向局提出了設備更新改造的建議，待批復后再行實施。
待都勻、貴陽樞紐、六盤水樞紐的TFDS、TPDS、TADS系統建成投產、玉屏TFDS升級改造后，貨車運用維修將實現人機分工作業，提高車輛安全保證質量、確保運輸暢通。
4 尚需進一步解決的問題：
一、人才培養目標
在人才培養上，如何將傳授知識和能力培養二者有機結合，相輔相成，避其對立取其統一，制定出既適合社會對工程人才的需要，又滿足高校教育的道路橋梁與渡河工程專業人才培養方案，這不但具有重要的發展意義，還具有重要的現實意義[1]。道路橋梁與渡河工程專業，綜合了道路工程、橋梁工程以及渡河工程相關的專業技能。其人才培養目標就是培養具有專業設計能力、施工技能并懂得現場管理的現場工程師、道路工程師、橋梁工程師，為道橋工程領域生產第一線培育卓越的當前社會需要的高級應用型人才[2]。
二、道路橋梁與渡河工程專業課程體系的設置
緊緊圍繞人才培養目標的要求，道路橋梁與渡河工程專業開設專業課，專業基礎課，公共課程，專業選修課程等。道路橋梁與渡河工程專業是培養能從事道路、橋梁、鐵路工程及地下工程的設計、勘測、施工、科研、咨詢、維護和管理等工作的工程技術人才。其專業核心課程包括路基路面工程、橋梁工程、道路勘測設計、道路建筑材料、土質土力學、橋涵水文與水力學、隧道工程、基礎工程、道路施工、橋梁施工等科目。
2.1主體思想
培養方案要適應我國現代化人才發展需求，結合科學的教育理念，掌握專業人才需求規律，順應教育的發展潮流、專業人才培養模式和標準，培養“來之能用，用之有效”的，既有扎實的實際操作能力，同時又具有不斷創新精神的高級專業人才。做到及時總結在人才培養過程中好的教學內容、教學手段以及教學改革成果，并將成果應用于新的培養方案中，不斷開吸取國內外本領域先進的教育理念和科研成果，注重實際工程與課程體系的銜接、整合、優化，更新課程，發展學生創新意識，從而提高畢業生的質量。
2.2道路橋梁與渡河工程專業方向設置
道路橋梁與渡河工程專業下設有道路工程、橋梁工程和地下工程與安全三個專業方向。為適應市場需求，學生可根據自己的專長和愛好，自主選擇一個專業方向進行學習。
（1）道路工程專業方向，可從事道路工程的勘測、規劃、設計、施工、咨詢、管理等方面的技術工作，還可以從事橋梁和隧道工程相關的技術工作；（2）橋梁工程專業方向，可從事橋梁工程的勘測、規劃、設計、施工、咨詢、管理等方面的技術工作，還可以從事道路工程相關的技術工作；（3）地下工程與安全專業方向，可從事地下工程的勘測、規劃、設計、施
工、咨詢、管理等方面的技術工作，還可以從事工程安全與災害防治及道路橋梁工程相關的技術工作。
2.3課程分類
道路橋梁與渡河工程專業學制四年，最長不超過六年，提前修滿規定的學分，可申請提前畢業。三個專業方向的所有課程分為三類，即：
（1）公共基礎課。公共基礎課是三個專業方向都必須要修的課程。公共基礎課程共65.5個學分，占總學分比例的44%。（2）專業課程群。專業課程群包括專業課程和專業基礎課程，其中專業基礎課是為日后專業課程學習的先導課程，為專業課程學習做鋪墊。專業基礎課共49.5個學分，占總學分比例的34%，專業課共33個學分，占總學分比例的22%。（3）專業拓展課。專業方向拓展課程是在結合專業課程或專業基礎課程的基礎上，為開擴專業領域視野，豐富專業領域知識，更好地與畢業后工作有良好的銜接而開設的課程。相當于傳統課程體系中的專業選修課。專業拓展課程涵蓋了與三個專業相關的專業課程，涉及工程設計、施工、監理和管理等各方面。學生可根據自己的興趣愛好和就業需要在專業拓展課程中，選取28個學分的課程，所修學分占總學分的19%。
2.4實踐課程
本專業的實踐教學環節從大一至大四一直貫穿于四年的本科培養過程，除了大一年級的軍事訓練課以外，還包括物理實驗、專業認識實習、測量實習、專業地質實習、專業生產實習、專業課程設計以及畢業設計（論文）以及創新實踐等環節。其中課內實踐環節為45學分，課外實踐5學分，課外實踐不計入總學分，但需考核合格方準畢業。
三、結語
隨著我國基礎設施建設的飛速發展，交通事業已經成為我國經濟發展支柱性行業，隨著社會對交通技術人才的需求呈現多樣化，道路橋梁與渡河工程專業人才培養也越來越受到重視。相應地，對該專業課程體系的設置也應與時代需要同步，結合國家建設對交通人才的要求，不斷將新標準、新知識和新方法吸納并將其優化，不斷探究新方法和途徑，為道橋工程領域生產第一線培育卓越人才。
參 考 文 獻
關鍵詞：軌枕/支承碎石相互作用；車輪沖擊負載；裂紋和破壞分析；非對稱車輪負載
Abstract: in this paper, it will mainly Introduced in large-scale asymmetric wheel load, and the concrete sleeper bending response and failure criteria. Before that has set up a file with a new finite element analysis model for the qualification and validation its dynamic characteristics, now reuse finite element analysis software STRAND7, through the nonlinear finite element model to simulate the stress of the supporting rubble, so as to determine the compressive stress can resist the boundary conditions. One of the numerical calculation can provide guidance for the railway track engineers standard, especially in large-scale asymmetric wheel load concrete crack and destruction of component function analysis, and standard steady-state stress analysis is a good illuminates the large-scale asymmetric wheel load on concrete sleeper is the important influence.
Keywords: sleeper/supporting gravel interactions, The shock load; Crack and destruction analysis; Asymmetric wheel load
中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：
1 介紹
鐵路軌枕是鐵路軌道結構的重要組成部分，其作用是把軌道負載分攤給下部的碎石道床。根據當前的設計標準，混凝土軌枕的設計壽命一般為50年[1]，有砟軌道包含兩個主要部分：下層結構和上層結構，下層結構包括底砟、路基和接地系統，而上層結構包含了鐵軌、鐵軌襯墊、緊固系統還有混凝土軌枕。
由于車輪/軌道的相互作用，如果車輪或者鐵軌發生畸變，鐵軌結構就會受到沖擊荷載[2]。每條軌道受到的動態沖擊載荷一般大于200kN，有時甚至會超過400kN，而在設計量為40噸的軸負載下，每條鐵軌受到的車輪靜態載荷最高才100kN至110kN[3,4]。在實際場景中，混凝土軌枕的斷裂裂縫隨處可見[5]，這一點需引起注意。在參考文獻[6]中我們已經知道混凝土軌枕的破壞與其適用性有關，其中混凝土裂縫分析是容許應力計算的重點。實際上，最新研究也發現，軌枕的保留設計強度遭到界面裂紋大肆破壞[7]。對于混凝土軌枕，當前的設計方法考慮到了軸負載施加給軌枕的彎矩影響，車輪載荷（約為軸載荷的一半）通常會給軌枕兩側施加正彎矩（下沉彎曲），而軌枕中間會受到負彎矩（上拱彎曲），所以截面分析可以用來做為指標函數，以評估在車輪載荷在作用下，軌枕用于抵抗那些彎矩所需的截面大小、預應力等級和鋼筋強度。通常情況下，為了處理軌枕兩側的正彎矩和軌枕中間的負彎矩，軌枕的截面大小、預應力鋼筋數量和預應力強度都會被充分利用以提供良好的強度性能[2,8]。
相關研究已發現，軌枕被破壞并不僅僅是由于鐵路軌道結構中材料強度的退化，還包括在極端情況下，來自軌道的沖擊荷載（車輪/軌道非正常接觸）[2]。所以，確定軌道的受力頻譜和振幅就顯得尤為重要，這樣我們可以更清楚地理解鐵軌系統如何對那些應力進行響應，以此確定混凝土軌枕在此過程中的作用方式。鑒于此，伍倫貢大學進行了廣泛的研究，分別計算和比較了在靜態荷載和沖擊荷載下，混凝土軌枕的極限強度和破壞強度[3]。這篇論文研究了在動態荷載環境下（比如車輪產生非圓畸變）軌枕產生裂紋和失發生破壞的原因，可為軌枕設計師和軌道工程師提供論論指導。此次研究中，我們假設兩輪同時發生畸變的概率非常低，所以我們只考慮非平衡車輪荷載下對單邊軌道沖擊的影響。我們在伍倫貢郊區的鐵路上進行了現場試驗，此鐵路屬于客運線，同時也屬于煤和其他礦產的運輸線，以驗證非對稱車輪荷載在實際中對軌枕的影響。
圖1 STRAND7中混凝土軌枕的有限元模型
2 有限元分析
現在，對軌道系統中預應力鋼筋混凝土軌枕的計算研究已非常多[6,8-11]。對于二維模型，提摩盛科梁理論（Timoshenko beam theory）最適合用來模擬混凝土軌枕的受力情況，隨著三維建模技術的發展，采用連續介質的拉格朗日分析法也逐漸增多[6]，雖然如此，我們采用的模型還是在軌枕的預應力上進行了簡化，只重點研究軌道基礎的破壞問題。據我們所知，大量非平衡車輪荷載導致混凝土軌枕的彎曲響應和破壞分析還沒有沒充分驗證過。
軌枕右端最大正力矩
軌枕中間最大負力矩
軌枕左端最大正力矩
圖2 車輪荷載與軌枕彎矩的關系（P0 = 100 kN, M0為P0產生的力矩）
混凝土軌枕的有限元模型經過多年完善，在大量的試驗模態參數和數據研究下已被標準化[10,11]。圖1是一張混凝土軌枕的二維有限元模型，運用有限元模擬軟件STRAND7，選取一根橫梁進行賦值，并同時考慮剪應力和彎曲變形，這樣就可以模擬軌枕的受力情況。在這個模型中，還要為軌枕設定一個梯形橫截面，并用彈簧組代替鐵軌和襯墊，用非張拉梁支座模擬支撐環境，這樣可以讓橫梁上下活動以消除拉伸支護的影響，這也是真實的道砟受力特性。
STRAND7中的非線性求解器可以用來進行數值模擬，非線性求解器可以高效地處理軌枕/道砟的相互作用關系，以展現車輪高荷載下混凝土軌枕的彎曲響應。在研究中，車輪沖擊荷載簡化為靜態荷載，以模擬不同等級荷載下彎曲響應，這樣可以更清楚地展示非對稱車輪荷載對軌枕的影響[4,8]。我們用同等條件來模擬車輪沖擊的量級，把動態荷載簡化為靜態荷載，軌枕兩端荷載比例系數范圍為0到5.0。值得一提的是，動態彎矩也與持續動態荷載相關，這一點已被證實[10]。
圖3混凝土軌枕的彎曲響應：(a) P/P0 = 0.25；(b) P/P0 = 1.0；(c) P/P0 = 2.0；(d) P/P0 = 4.0
3. 彎矩響應
為了研究車輪對混凝土軌枕的沖擊影響，我們保持軌枕左邊100kN（P0）的載荷不變，右邊的載荷分別用P0乘以0-5.0之間的系數（如圖1所示）。單邊荷載對混凝土軌枕的影響如圖2所示（檢測按照AS1085.14標準，值得注意的是，這個標準基于軌枕兩端施加同等荷載），這張圖能夠為軌道維護工程師進行應力分析提供良好的指導作用。從圖2中我們可以很明顯地看出，軌枕右側的最大正力矩與施加的載荷P線性相關，特別是當P/P0比例大于1.5時，其線性相關性更加明顯；在軌枕左側，其最大正力矩與P成反比，當P/P0比例大于2.0時，其反比系數開始減小；而對于軌枕中間的最大負力矩，其合力矩與載荷P沒有線性關系，但我們依然可以從圖中看出，當P/P0比例約為2.75時，軌枕中間的彎矩達到最大值，當P/P0比例繼續增大時，其合力矩略微減小。
圖3a顯示的是當P/P0=0.25時混凝土軌枕的彎曲響應，和明顯，此時的彎曲力矩圖是非對稱的，并且向P0一側傾斜；圖3b則是一幅典型的基礎力矩圖，因為軌枕左右載荷相等，在這種情況下，彎矩響應也是對稱的；圖3c和圖3d顯示的是當P/P0分別為2.0和4.0時，即在非對稱荷載下混凝土軌枕的彎矩響應，此時載荷較輕那一端的彎矩被重新分配到載荷較高的那一端，因此，我們可以看出，最大力矩趨向于轉移到更高的載荷區域。此外，澳大利亞伍倫貢大學對沖擊破壞分析做了更深層次的研究，也就是非對稱單輪沖擊對混凝土軌枕的破壞分析。
4 破壞分析
在過去，鐵路混凝土軌枕的設計都是基于澳大利亞標準。軌枕的破壞方式都是由于彎曲破壞，這與圖3中彎矩分析相符合。軌枕在兩邊均衡受力的情況下，軌枕中部上表面由于受到張拉可能會產生破壞。其他較危險的地方就是軌枕兩側的下方，也就是與鐵軌接觸的區域的背面，但在這個地方產生的破壞能夠比較容易被檢測到。
在非對稱車輪荷載的情況下，彎曲應力會轉化為更高的載荷應力集中。拉應力被重新分配到了更高的應力集中區域。在軌枕左端和中間的張拉應力都轉移到了軌枕右端下部，使其張拉應力區增大，也就是說，應力的重新分配塑造了新的壓縮區。當我們連續觀察P/P0 = 1.0、P/P0 = 2.0和P/P0 = 4.0時，這種應力轉移的特性就更加明顯，很顯然，當車輪荷載P/P0比例較大時，混凝土軌枕的上表面張拉應力會減小，但是高荷載那一端的下部應力會增加，并且主要彎曲裂紋也會出現在這里。
伍倫貢大學也做過類似的試驗[3,5,14]。那些混凝土軌枕都經歷過大型單邊沖擊荷載，那些沖擊荷載的經歷表明軌枕發生破壞時P/P0的比例比5.0還要大。在測試混凝土軌枕的破壞條件時，主要彎曲裂紋出現在載荷P端的下方，次級裂紋出現在軌枕的上表面，試驗結果和計算結果取得了良好的一致性。
5 結論
盡管混凝土軌枕被完全破壞的例子并不多見，但軌枕出現主要裂紋和次級裂紋的案例卻屢見不鮮，而這種形式的裂紋主要是由于車輪的沖擊荷載。但到目前為止，人們對鐵路系統中混凝土軌枕的受力響應和破壞分析還不甚了解（特別是在動態條件下），這篇論文采用了數值模擬的方法，研究了在車輪沖擊荷載的作用下，混凝土軌枕的彎曲響應和破壞分析。
由于混凝土軌枕的有限元模型經歷了多年的發展和完善，現在已經進行了標準化，所以非常適合用于本次研究。我們先把非對稱車輪沖擊荷載簡化為似穩態荷載或者乘上系數的荷載，再用STRAND7中的非線性求解器處理軌枕/道砟之間受力關系，最后的數值模擬顯示較輕荷載那一端的彎矩會重新分配到較高荷載的那一端，也就是說，最大彎矩會在較輕荷載端的應力集中區域進行負偏移，反之亦然。在非常高的沖擊荷載下，混凝土軌枕上表面的張力會大量轉移到較重荷載端的下部，并且其數值模擬結果與澳大利亞伍倫貢大學的沖擊試驗結果非常一致。
致謝
這里要感謝澳大利亞鐵路工程技術合作研究中心(Rail-CRC)提供的財政支持，還有Rail-CRC委員提出的寶貴意見。作者還要特別感謝阿蘭•格蘭特、伊恩•布瑞吉、鮑勃•羅蘭還有詹森•克魯斯特這些技術員在研究中給予的幫助。
參考文獻
[1] Standards Australia, Australian Standard: AS1085.14-2003 Railway track material Part 14: Prestressed concrete sleepers, 2003.
[2] Remennikov AM Kaewunruen S. A review on loading conditions for railway track structures due to wheel and rail vertical interactions. Prog Struct Eng Mater, incorporated in Struct Control Health Monitor, in press, doi:10.1002/stc.227.
[3] Kaewunruen S, Remennikov AM. Experimental and numerical studies of railway prestressed concrete sleepers under static and impact loads. In: Civil computing, AIT-ACECOMS, August, p. 2528, 2007 [invited].
[4] Murray MH, Cai Z. Prestressed concrete sleeper: a literature review on AS1085. 14 Load distribution and impact factors. Australasian Railway Association Report Ref. 15250. December 1998.
[5] Kaewunruen S, Remennikov AM. Field trials for dynamic characteristics of railway track and its components using impact excitation technique. NDT&E Int 2007;40:5109.
[6] Gonza´lez-Nicieza C, A ´ lvarez-Ferna´ndez MI, Mene´ndez-Dı ´ az A, A ´ lvarez-Vigil AE, Ariznavarreta-Ferna´ndez F. Failure analysis of concrete sleepers in heavy haul railway tracks. Eng Fail Anal 2008;15(12):90117.
[7] Kaewunruen S, Remennikov AM. Post-failure mechanism and residual load-carrying capacity of railway prestressed concrete sleeper under hogging moment. in: Proceedings of international conference on structural integrity and failure SIF2006, September 2729, Sydney, Australia, 2006. p. 3316.
[8] Kaewunruen S, Remennikov AM. Nonlinear finite element modelling of railway prestressed concrete sleeper. In: Proceedings of the 10th East Asia-Pacific conference on structural engineering and construction, August 35, Bangkok, Thailand, vol. 4, 2006. p. 3238.
[9] Cai Z. Modelling of rail track dynamics and wheel/rail interaction. PhD Thesis, Department of Civil Engineering, Queen’s University, Ontario, Canada, 1992.
[10] Grassie SL. Dynamic modelling of concrete railway sleepers. J Sound Vib 1995;187:799813.
[11] Kaewunruen S, Remennikov AM. Sensitivity analysis of free vibration characteristics of an in-situ railway concrete sleeper to variations of rail pad parameters. J Sound Vib 2006;298:45361.
[12] Leong J. Development of a limit state design methodology for railway track. Master of Engineering Thesis, School of Urban Development, Queensland University of Technology, Brisbane, Australia, 2007.
[13] Wakui H, Okuda H. A study on limit-state design method for prestressed concrete sleepers. Concrete Libr Jpn Soc Civil Eng 1999;33:125.
關鍵詞：可靠度 地下結構 巖土參數概率特征
1.前言
地下結構和其它巖土工程一樣，在整個設計過程中存在大量的不確定性。傳統方法設計時用一個籠統的安全系數來考慮眾多不確定性的影響。對各參數、變量都假定未定值。這就是常規的定值設計法。雖然以后對某些參數（如材料的強度）取值時也用數理統計方法找出其平均值或某個分位值，但未能考慮各參數的離散性對安全度的影響。所以安全系數法不能真正反映結構的安全儲備。
60年代末期，數理統計和概率方法在結構設計中成功應用，鼓勵和啟發了隧道工作者尋求用概率方法研究地下工程中各種不確定性并估計他們的影響。進入70年代，可靠度分析方法擴大到更多的設計領域。但是，這種方法仍然受到一些巖土工作者的反對和質疑。原因在于巖土工程本身的機理比較復雜，有些問題還沒有充分認識；巖土工程概率方法還處在發展階段，不少概念還不很明確，計算方法也不夠簡便；一些人對概率論和方法不很熟悉。這些困難也促使一些巖土工作者潛心鉆研，他們吸收地面結構概率分析成果，針對巖土和地下工程的特點開展專題攻關，雖未完全解決技術上的關鍵，也取得了可喜的成果。研究表明，概率和可靠度分析方法在不確定性越嚴重的問題中越能顯示出活力來。
1992年，國家技術監督局《工程結構可靠度設計統一標準》，作為其它各類工程結構設計共同遵循的準則。鐵路、公路、水利、港口等行業先后開展結構設計統一標準的編制工作。作為上述各類工程的重要組成部分的隧道及地下工程，采用概率極限狀態設計也提到日程上來。一些技術難題有待繼續攻克，實用化問題也要同時解決。目前，可靠度分析在地下工程中的應用正在經歷由粗糙到精細，由簡單到復雜再回到簡單并進入實用這一過程。
2.巖土參數概率特征的研究
確定圍巖的物理力學參數和原始應力狀態時分析地下結構力學行為的先決條件。對于重要的大型結構（如水電站地下廠房等）通常要在周圍地層鉆孔取樣并進行一系列試驗以取得有關參數。交通用途隧道縱向長度比橫向長度大得多，經過的圍巖也化，通常按各類圍巖的綜合力學參數進行計算。引入可靠度后，必須考慮這些物性參數的概率特征。這方面的研究成果對地下結構可靠度分析至關重要。
2.1圍巖分級判據的可靠性研究
一般隧道設計時都要現場確定該隧道所處的圍巖類別。各種圍巖分類法都有各自的一套標準。但由于標準本身常存在模糊性或不確定性，或者不同人對標準的理解和處理不盡相同，不同人對同一圍巖的評價結果總體會趨于一致，具體還不會完全同一。圍巖分類的隨機性值得我們進一步研究。
我國在圍巖分類和分級方面已有不少成果，可惜各部門還不統一。東北大學林韻梅教授等提出圍巖穩定性動態分級法，李強提出模糊聚類分析法。在動態分析法中對分級判據的分布進行初步分析，應用數理統計方法對分級判據進行研究。在定義分級判據可靠性的函數上，用柯爾莫洛夫法對其分布規律進行檢驗。還提出了分級標準和分級方法的評價準則。
2.2地質資料的概率處理
對于大型地下工程和重點長大隧道都要進行比較細致的地質勘探。但要從有限的勘探資料中獲得隧道全長或大型地下工程周邊圍巖的地質狀況和有關參數，必然存在不確定性和偶然性。用概率法可減少誤判的機率。例如長江科學院包承綱研究員等以概率方法處理水壩地基鉆孔之間的地層分界線，取得更為合理的結果。
地層中常有一些異常地質點存在，如軟弱夾層、空洞等。他們對地下工程施工和運營有很大影響。為此，首先要弄清楚它們出現的可能性、大概的位置及其性質，然后通過可靠度分析法去分析它們的影響。Bercher(1979)及Tang(1987)等都對某地區在給定鉆孔布置與地質歷史推斷情況下，對異常地質出現的概率和統計特征做過估計，先給予一個不出現異常的先驗概率，然后根據一系列鉆孔資料按Bayesion 公式推得修正的不出現概率和聯合分布。
2.3土性參數的隨機場研究
據研究，土性參數變異系數可達0.29，比計算模型的不定性影響大得多。土性參數概率特征經歷了兩個階段。早期研究建立在隨機變量基礎上。后期研究集中在隨機場理論的應用上。
不難理解，巖土工程的性狀是由某一空間范圍內巖土的平均特征所控制。根據一個個試樣求得的統計特征稱為點特征。點特征與空間特性之間由一定的關系。空間平均特征的方差應小于點特征的方差。控制巖土工程可靠度的是土性參數的空間平均值方差而不是點方差。因此，土性參數的概率分析是一個隨機場問題。對于空間分布的地層，由于沉積和埋藏等條件的聯系，不同點之間雖有差別又有一定的相關性。這種相關性將隨二點距離的增大而減弱。相關距離是巖土可靠度隨機場研究中的一個重要參數。有關學者提出了相關距離的物理意義、集合意義及實際計算方法，提出了不同地層相關距離的年經驗值。研究了不同統計方法的參數對可靠度分析的影響。
2.4巖體特性統計特征的研究有待加強
近幾年由于土坡穩定、樁基承載力及地基承載力等方面可靠度分析實用化的需要，推動了土體概率特征的研究。而土性概率特征的研究成果又促進了上述幾種典型工程實用可靠度分析。由于巖體的本構關系更為復雜，節理、裂隙、層狀等對巖體特性影響更多，巖石地下工程計算模型不定性更為突出。對于眾多不定性相互作用的巖石工程，更需要可靠度分析。國內勘察設計部門也積累過大量巖石資料，但用概率方法加以整理的參加橫過較少。日本在這方面做過的工作值得重視。他們對各類圍巖（如花崗巖、閃綠巖、礫巖、砂巖、泥巖等）的主要指標（如單軸抗壓強度、壓縮變形系數、抗剪強度、干密度等）的分布特征，均值及變異性以及相互關系等都做過分析整理，這些資料可供參考。
3.作用效應隨機分析方法的成果
作用效應是可靠度分析中重要的綜合隨機變量，它占用很大的計算工作量。地下結構作用效應的定值分析方法不論是“荷載—結構”模式或“地層—結構”模式，目前大多采用有限元分析，考慮空間作用時還用三維有限元。對裂縫、節理發育的巖石地層主要有兩種方法：
a.仍然利用連續介質力學理論，但要尋求反映不連續巖體特點的本構關系或把節理裂隙的力學性質作為附加條件加以考慮，然后求解；
b.應用塊體理論，尋求關鍵塊。利用量測到的位移信息反求地層的力學指標也是常用的方法。引入可靠度以后如何在上述各方法基礎上進行隨機分析時必須解決的問題。
3.1隨機有限元的進展
有限元法在隨機介質中的應用始于70年代初期。當時主要用于巖土理論與應力分析。其基本思路是采用蒙特卡洛模擬法。該法建立在大量確定性計算基礎之上，費用較為昂貴。結構靜力計算的隨機有限元法70年代中期由瑞典的K.Handa首先提出，80年代末日本的Hisada和Nagagri等對隨機有限元作了較為系統的研究。至此以后隨機有限元理論朝著兩個方向發展，一是基于攝動展開的有限元統計分析；另一是隨機場的局部平均。具體的方法有：紐曼隨機有限元法；隨機有限元最大熵法；有限元一次二階矩法；隨機有限元響應面法；攝動隨機有限元法等。上述各種方法各有其特點，有的理論上較為嚴密，但計算量大；有的較近似而計算簡便。響應面法，攝動法及蒙特卡洛法在我國隧道可靠度分析中都已實際應用。
作為隨機有限元的深入，有人還提出非線性隨機有限元，但該理論正處于嘗試中。采用目前流行的隨機有限元通常只能確定荷載效應的某些數值特征，如均值、方差、相關矩等，難以確定荷載效應的概率分布及高階矩，故還不能很好的滿足可靠度分析的要求。蒙特卡洛法可求出概率分布，但計算量較大。成都電子科技大學張新培教授提出了改進的隨機有限元法。該法以有限元為基礎，利用荷載列陣與剛度矩陣各元素之間特征函數確定結構各單元荷載效應的特征函數，再根據特征函數與分布密度函數及數字特征的關系，求出荷載效應分布密度函數積極數字特征。此法概念簡單，容易實行，較好地滿足可靠度分析的要求。
3.2隨機塊體理論的提出和應用
塊體理論是我國學者石根華和美國學者R.Goodman首先提出的巖體工程分析方法，為巖體洞室和邊坡穩定分析開辟了新的途徑，在國際上受到重視并得到日益廣泛的應用。塊體理論中關于巖體被不連續的空間平面切割成分離塊體以及切割面上的力學參數c、Φ等都作為定值。由于實際巖體不連續面形成因素復雜，同一組不連續面的產狀在一定范圍內發生變化，連續空間平面切割成的變形狀空間塊體具有隨機性。切割面力學參數也使隨機變量。因此更適合概率分布。河海大學王保田、吳世偉提出的隨機塊體理論，用隨機抽樣法尋找可動塊體的概率，并用一次二階矩法求關鍵塊的概率。二者結合可較好的解決已知結構面產狀概型和力學性態是隨機值的問題。南京航空專科學校的張廣健等應用隨機塊體理論編制出計算程序，用以對隧道圍巖穩定性進行可靠度分析，求得各類圍巖的塊體穩定可靠指標。所得結論與設計和施工經驗基本一致。若能用現場實測數據統計分析，其結果將更能反映工程實際。
3.3三維隨機邊界元法的提出
地下結構的有限元分析特別是三維分析需要劃分許多單元，計算機工作量和對計算機內存的要求都很大。特別對無限區域的課題，在一定范圍內離散將忽略外方廣大區域的影響而帶來誤差。因此人們的注意力又轉到一些邊界解法上，相應的邊界單元法得到發展。隧道的邊界元分析有其明顯的優點，日益受到國內外重視。針對地下結構分析中參數都具有明顯不確定性的特點，隨機邊界元法的研究和應用將對隧道可靠度分析起到新的推進作用。
武漢水利電力學院潘國寧等提出的三維隨機邊界法是將邊界元計算過程作為函數轉換過程，再參數取值時對函數過程做泰勒展開。通過邊界計算得到應力和位移的均值；然后計算有關變量對參數的一階導數和二階導數在取均值時的值。最后考慮參數的變異性來分析計算結果的變異性。此法公式簡潔，計算工作量小，對隧道分析有重要參考價值。
3.4圍巖參數的隨機反分析
由于圍巖的物理力學指標不容易確定，現場取樣試驗或直接測試資料也只是得到點特性而不是我們所要求的圍巖空間平均特性。因此，利用施工監測得到的位移信息反演求出圍巖參數的方法在一定條件下能滿足地下結構分析的要求。目前定值的反演分析比較成熟，已開發出很多程序可供應用。但是反演分析所依據的信息實際是帶有一定離散性的隨機變量，可靠度分析也要求反分析的結果能表示出概率特征。因此，隨機反分析也逐漸受到重視。專門著作《反演理論》對反分析概率化有重要論述。同濟、北方交大、西南交大巖土和地下工程專業的博士研究生的論文都曾涉及隧道隨機反分析問題。目前采用的方法有傳統的蒙特卡洛法、隨機攝動法。
4.針對巖土工程特點的可靠度分析方法的新發展
《工程結構可靠度設計統一標準》在附錄一中推薦用一次二階矩法計算結構的可靠指標。同時指出對于變異系數很大、極限狀態方程非線性程度很高等情況，宜用更精確的方法計算。巖土物性變異性比較大，常呈現一定的相關性，如內摩擦角與內聚力之間負相關，容重與壓縮模量、內聚力等正相關。忽視這些相關性，會使計算結果出現誤差。而一次二階矩法是假定基本變量間是相互獨立的。
目前針對相關性提出兩種一次二階矩的改進方法。一是將相關變量變為互不相關的變量，新變量的方差矩陣是由原變量標準化后的方差矩陣構成。另一方法是將極限狀態方程的標準差展開后求得分離變量作為新變量的靈敏系數，在新的靈敏系數重反映與之相關的另一變量的影響。前法適用于多個相關的基本變量，后法只適用于兩個相關變量。
對于非線性極限狀態方程，用當量正態法有時計算誤差過大，有時不易收斂。此時將蒙特卡洛模擬引入可靠度分析中，只要模型次數多就能得到精確的失效概率值。對于很小的失效概率需要很大的模擬次數。為節省機時，可從計算方法上改進。為避免概型擬和引入的誤差，采用高階矩發值得進一步探索。
對于一些判別準則易受人為因素影響的問題，也可將模糊數學方法引入可靠度分析中，發展成為模糊可靠度分析法。坑道穩定性位移判別的方法和準則就有很多主觀和客觀不確定性因素，坑道穩定性模糊概率分析法，把“坑道穩定性”作為一模糊隨機事件，求其模糊概率，用模糊統計分析試驗法結合專家綜合評判來確定地下坑道周邊位移與坑道穩定性的隸屬函數，推導出坑道穩定性可靠度計算的一般表達式。
5.圍繞《鐵路隧道設計規范》的修訂，隧道可靠性
鐵路隧道在我國地下工程中占很大比例，第二層次的《鐵路工程可靠度設計統一標準》也已。第三層次的鐵路各專業設計規范可靠度設計修訂工作已提上日程。針對人們對可靠度理論在隧道中的應用有懷疑態度甚至否定這一情況，鐵道部先組織幾批專家進行“以可靠性理論為基礎修訂鐵路隧道設計規范的可行性研究”，得出可行的結論，并分別從“荷載—結構”模式、“地層—結構”模式和以工程類比為基礎的經驗設計模式等幾個方面提出實現可靠度設計的途徑和需要攻關研究的課題。該項研究經鐵道部組織專家評審驗收，人為結論正確，所建議的隧規改革目標明確，路徑可行，可作為今后隧規改革的指導性文件。
為了使鐵路隧道設計規范按可靠度設計加以修訂這一難度較大的工作能逐步深入開展，鐵道部主管部門已立項開展《按可靠度理論修改隧規的基礎性研究》。研究內容包括圍巖物性指標及深埋隧道圍巖松動壓力統計特征研究；淺埋隧道覆土荷載統計特征研究；明洞、棚洞填土荷載統計特征試驗研究；襯砌混凝土偏壓構件抗力計算方法及偏壓強度統計特征研究；隧道襯砌幾何特征研究等。由鐵路各高校分別承擔。鐵路高校研究生論文選題也開始轉向隧道可靠度設計這一領域。
與此同時，有關院校對人防工程按可靠度設計也提出過方法及若干建議。水電部門針對工程特點正對隧道工程的作用及作用效應進行統計參數整理。
關鍵詞：駁船隊；駁船撞墩；通航寬度；峰值的時間差；邊駁的附加力
Analysis and Countermeasures for Barge Fleet Collision with Pier during Design of Bridge Anti-collision
CHEN Guoyu
( Shanghai Marine Steel Structure Research Institute, Shanghai 201204 )
Abstract: A barge fleet has big length and breadth and it is not easy to operate because of the mono-hull ship and so at the beginning of bridge design stage, the designer would consider these three factors including bridge type, navigable width and probability of the ship collision with pier. However, there are less and less barges and the barge fleet may disperse immediately after collision with bridge happens, because collision force is small and the collision force would not be the control factor in the ship collision with bridge pier.This paper discusses the peculiarity of the link between the barges in the fleet and the append force from the two close barge and the interval time between two peak values of force are calculated. And when the two peak values of force are piled up the result is far smaller than the peak value of the mono-hull ship. So, when we calculate the force of the collision we should consider the mono-hull ship.This paper also discusses the guides about the barge collision with bridge of China and AASHTO.
Key words: Barge fleet; Barge collision with the bridge; Navigable width; Interval time between two peak values; Appends force from two close barges
1 駁船隊的現狀
大型駁船隊，我國主要在武漢以下的長江中下游從事載貨運輸，曾每年為馬鞍山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司運輸礦石1 000萬t以上（上水），為沿江各電廠運輸煤炭2 000萬t（上、下水）。另外，駁船隊為下游的建筑工地運送砂石也是非常經濟的。
1×4413 kW（6000hp）+20×2 000 t的駁船隊為載重最大的駁船隊之一，如圖1所示，其載重量達到4萬t。
在河流下游的水網地區，流速比長江低些，往往幾百馬力的拖船就可以拉幾千噸的貨，運輸成本比較低。可以看見一字長蛇形的拖駁船隊。如圖2所示。
駁船隊這種運輸方式大約風行了幾十年。“進入21世紀，船運公司增多，貨源分散；北煤南運，港口建成，水運煤由江轉到海上。大批載重量為5000t～30000t的江海聯運淺吃水肥大型散貨船投入運輸。她們自航，調度方便，靠離碼頭不需港作拖船幫助，不花港作規使費。船上防浪防潮設備好，可載多種貨品，適應港口大型化和港口裝卸高速化。因此港口和貨主傾向自航貨船，大多數貨主不再接受2000t以下駁船。”[1]
駁船公司為了維持本身的競爭力，采用建造大載重量駁船的補救辦法：批量建造5000t艙口駁，以縮短碼頭掉靠駁船的時間，減少使用港作拖船的費用；建造8000t～10000t甲板駁，以承運大件貨物。
“但由于補救辦法仍未能徹底改變駁船隊運輸‘不適港，不適貨’的總趨勢，所以駁船隊退出江湖是必然趨勢。2009-11-04，國內最大的內河水運企業鳳凰公司將106艘2000t中分節駁退出市場。長江航運進入自航船舶時代。”[1]
2 駁船隊撞墩的實例描述
“1998年夏，長江中上游發生特大洪水，全線封航，9月2日洪水消退恢復通航，就在這天晚上，長22033輪第23航次，頂推1 000 t～1 500 t空駁7艘順水而下，航速18 km/h。八時剛過，與黃石長江公路橋3號主墩防撞設施相撞。船隊編結如圖3所示。
圖3 被撞散前的船隊編結圖
碰撞發生后，多根系結纜繩斷裂，船隊分解，分別從防撞設施兩側漂下，各個駁船損傷程度不一，------ 。”[2]因為是21237號駁船撞3號墩，所以“21237駁，左舷發生長6 m高2 m凹陷0.25 m的破裂穿孔；甲板拱凸8 m2。------21169駁，首尖艙水線（2.4 m）以下全部破損，5根鋼絲繩（50 mm 4根。75 mm 1根）斷裂。------81058駁，首尖艙左舷近第一空倉處破損凹進2處，各為1000×50mm,第一艙左舷側板破裂12 000×600 mm,系結鋼絲繩斷損3根。”[2]
從上面描述可以看出，駁船隊是用鋼絲繩系結起來的，撞墩之后鋼絲繩斷裂，駁船散隊。
而且空駁船的慣性力就足以拉斷連接鋼絲繩，致駁船隊散隊。
這個概念要從船舶流體阻力出發去理解，駁船之間的連接鋼絲繩是為了推船（從前俗稱拖頭、推輪）推帶駁船前進、轉彎和靠泊之用的，而船舶在低速度時，基本沒有興波阻力，要使駁船前進只需比克服摩擦阻力大一點的力便可以了，駁船隊選擇的運行速度比較低，使用的連接鋼絲繩比較細就夠了。
3 駁船隊系縛駁船的方式――駁船之間的力傳遞
駁船隊對撞擊橋墩的影響，大致有兩個方面：①是駁船隊的寬度，影響到通航凈寬的選定[7]，②是駁船隊對橋墩撞擊力的大小，而要決定撞擊力的大小就必須弄清楚旁邊的駁船是怎樣對撞上的駁船傳遞作用力的。
研究發生撞擊時駁船之間力的傳遞，必須了解駁船之間是如何連接的。駁船有拖帶和頂推兩種走法，因為頂推的效率比較高，多艘駁船的大編隊多用頂推。窄小河流用前拖，一字形編隊。單只駁船用前拖和側面綁拖都可以。兩只駁船可以用左右綁拖或前拖。頂推駁船編隊常用的有：梭形、燕形和梅花型。如圖4所示。
圖4 三種常用的頂推駁船編隊方式
駁船隊中推船與駁船和駁船與駁船之間大多數是用鋼絲繩連接的[3]，個別曾用過鋼搭扣，現已不多見了。駁船隊聯接的鋼絲繩，按其作用和位置，常用的有8種稱呼：①包頭纜，②橫纜，③拖纜，④ 倒纜，⑤連接纜，⑥尾纜，⑦操縱纜和⑧過江纜。其中“8過江纜”示于圖4，其余7種如圖5所示。
① 包頭纜 ② 橫纜 ③ 拖纜 ④ 倒纜 ⑤ 連接纜 ⑥ 尾纜 ⑦ 操縱纜
圖5 用鋼絲繩聯接駁船隊的典型例子
鋼絲繩是不能傳遞推力的，凡是受推力的地方鋼絲繩是的，它能夠傳遞拉力；每根系結鋼絲繩所能傳遞的最大拉力，是該鋼絲繩的破斷拉力。前后駁船之間是能夠傳遞推力的，當前面的駁船速度低于后面的駁船時，后面的駁船便通過緩沖墊（通常是橡膠材料制成）給予推力。下面將討論這兩種力的傳遞。
4 應力波在鋼質駁船內的傳遞――峰值判斷
4.1 從沖擊動力學理論分析
沖擊載荷使構件受載后產生的變形有局域性，即變形和損壞集中在受力區附近。當第一艘駁船受橋墩撞擊時（例如橋墩撞擊船頭）撞擊點附近即受載、變形，形成損壞，這時有兩個后果：
1）被撞的一艘駁船減慢，其他駁船繼續前進，在這一瞬間動作中，其他駁船通過受拉力的鋼纜給第一艘駁船加載直至鋼纜拉斷為止――撞散。這是大多駁船被撞后發生的情況。
2）后面的一艘駁船將兩船間的空隙壓縮，在慣性力的作用下后一艘船將撞擊前一艘船的尾部，這種載荷需要時間，這樣與第一艘船撞力產生的峰值便會不同時產生，可能出現第二個撞擊峰值。第二艘船壓向第一艘船尾部的時候，會引致兩船接觸部分的損傷（局域性），這兒也會消耗能量。因在第二艘船的頭部和第一艘船的尾部存在橡膠墊塊，橡膠墊塊延長了撞擊過程的時間也減低了撞擊力，同時也延緩了在接觸處的第二次撞擊力的時間。
對第一艘駁船與橋之間的撞擊力，應考慮兩項直接的作用：其一是第一艘駁船的速度、自重和船頭剛度等等；其二是通過鋼索在撞擊瞬間能夠加上去的載荷。
4.2 通過鋼索在撞擊瞬間能夠加上去的載荷
由于第一艘船被撞受阻，和其他各船之間產生速度差，使受拉的鋼絲繩載荷增加，導致這些鋼絲繩拉斷，駁船隊散開。按照圖示的幾種綁扎方式，例如實例燕式加邊，當撞到21237駁時，有4處鋼絲繩受拉，每處兩根鋼絲繩，共8根。通常用2英寸（即圓周50.8 mm，相當于國標中直徑16 mm）：3英寸鋼絲繩（即圓周75 mm，直徑24 mm），若按GB/T 8918-1996，6×37+FC結構,1 670 MPa強度級的鋼絲繩，則其主參數如表1。
這個數量級相當于滿載駁船撞擊力的20%左右，（在上述實例中，連接鋼絲繩被空載駁船拉斷，也說明是這個數量級），如果考慮到鋼絲繩拉斷有先后，這個系數還要折減。粗略地說，首駁撞墩側駁通過鋼絲繩加上去的力，相對當于首駁“船撞力”的20%，因此建議在以后的計算中，用將駁船質量（dpt）乘上一個系數（1.2）的辦法處理。
4.2 二次撞擊的撞擊力疊加的時間差
后一艘駁船撞擊前一艘駁船的尾部的二次撞擊力為橡膠墊所傳遞的力，根據試驗，橡膠一般在0.1～0.14 s（100 ms～140 ms）左右才能達到峰值；再加上應力波傳遞的時間：在慣性力的作用下，從第二艘船的中部質心傳到第二艘船的船頭有半個船長，第一艘船的船尾傳到第一艘船的船頭，有一個船長，因此與第一次撞擊相比，延后了1.5 L/C （L＝一艘駁船的長度，C＝船中的應力波傳遞速度）。設駁船長L＝100 m，應力波傳遞速度應算為C＝5000 m/s，所以應力波傳遞時間為：1.5L/C＝30 ms。 （延后總共130 ms～170 ms）。在船撞力的時程曲線中,過了峰值一百多毫秒（下面討論用平均值150 ms）后疊加的二次力對峰值影響已經不大了，下面用曲線討論兩個因素對峰值的共同影響。
4.3 峰值判斷
以燕式綁結方式（圖5不加邊）為例，6艘載重量為3 000 t的駁船（在長江現在還有使用）連接成駁船隊。總載重量約20 000 t，航速為每秒4 m，最前面的一艘駁船撞墩，該橋墩已裝有柔性耗能防撞裝置。
在駁船隊各次撞擊力的疊加的示意圖中，撞墩首駁船撞擊力時程曲線為0號，兩邊都有鋼絲繩附加值（1.2×2），故乘以1.4，得到1號曲線；約150ms后疊加后面駁船的力得到2號曲線，得到峰值5；再過150 ms后疊加推船的力3號曲線，由于拖船的質量不大，約1000dpt得到峰值6。
4號曲線是載重約25 000 DWT的自航單體貨船以每秒4 m的速度撞墩力的時程曲線。可以看出，4號曲線的峰值（約52 MN）遠大于駁船撞擊力疊加后的峰值。
船隊例圖和峰值示意圖6、圖7。
圖6 峰值判斷圖例
圖7 駁船隊各次撞擊力的疊加的示意圖
5 對我國橋梁設計規范中橋跨凈寬、凈高的討論
我國兩個橋梁設計規范中對橋跨的凈高有一些規定，對凈寬則要求符合JTJ311-97通航海輪橋梁通航標準[10]和GB50139-2004 內河通航標準[9]的規定。
后者對橋跨的寬度主要是考慮駁船隊，而且僅考慮了矩形的駁船隊。根據現在的發展，駁船隊少了，寬度小了，“撞上”的概率就小了。但單艘自航的船大了、快了，船撞力變大；船的上層建筑大了高了，風流壓偏角變大----都要求橋跨加寬。船撞因素對橋梁開始階段的選型，越來越重要。
6 結論
經過研究認為：由于駁船隊撞擊橋墩的力疊加后的峰值遠小于同樣載重量的自航貨船（或集裝箱船）的撞擊力的峰值。而且發展的方向是自航的貨船取代駁船隊。單體貨船載重量較大，速度較快，撞擊力較大，對船撞墩起決定性的影響。應選擇自航貨船作為設計防御船撞橋時船撞力的代表船型。
在橋梁設計的開始階段，考慮橋型、通航寬度和船撞上橋墩的概率時，可對現在仍有的駁船隊的寬度加以考慮（雖然船撞力已經不起控制作用）。
7 對美國船撞橋設計指南中關于駁船兩則條文的討論
美國船撞橋設計指南[4]中關于考慮駁船的意見見于3.12節和3.13節。
“3.12駁船對橋墩的撞擊力
駁船正面撞擊橋墩時，撞擊力可以按以下方法計算：
這里：PB=駁船撞擊等效靜力（千磅），BB=駁船寬度（英尺），aB=駁船船頭損壞深度（英尺）”。
指南中，對于4艘以內的運泥駁船隊，有計算好的線圖。一般的駁船如欲根據船頭損壞深度計算駁船對墩的撞擊力，則有：
“3.13 駁船船頭損壞深度
駁船船頭的損壞深度應當按如下公式進行計算：
這里：aB=駁船船頭損壞深度（英尺）, KE=駁船撞擊能量（千磅-英尺）,
為駁船寬度（英尺）。”
對此，討論幾點：
1）有了駁船寬度并計算出駁船撞擊能量之后，代人公式(3.13-1)計算出駁船船頭損壞深度，看計算出駁船船頭損壞深度是大于還是小于0.34，然后再用公式(3.12-1a)或(3.12-1b)計算出駁船對墩的撞擊力。――這種用沖擊能去計算沖擊力的理念，由于不符合牛頓力學的基本原理(沖擊力與物體質量、速度和剛度有關，不是沖擊能的單變量函數)，在26年前我國鐵路規范[8]的沖擊力公式中已經表明，并提出了不同的處理分法。因為撞擊力不是沖擊能的單變量函數，它還受撞擊過程時間(牛頓力學的沖量公式)、撞擊系統剛度等因素的影響[5]，怎能用沖擊能加一個駁船頭的寬度就決定了呢？該協會指南也許對特定種類的駁船有用（不是普適的）。
2）在該協會船撞橋設計的補充指南中，對駁船頭被撞深度給予足夠重視，我認為可以預防駁船頭破損而致的環境受污染，這是很好的。但是，在橋梁設計的開始階段，橋梁設計人首先關心的是選擇橋位和橋型。他們首先想知道在航道中航行的船舶萬一撞上時會有多大的力，他選擇的橋墩會不會被撞倒，因此必須更直接地求出船撞力（不同型號的駁船有不同的船頭剛度，應有不同的船頭撞深計算方法）的方法。
3）美國船撞橋設計指南中的實例，選擇路易斯安那州新奧爾良附近的一座橋，該地區屬于水網地區，寬的窄的河道都有。美國專業人員在這個地區也進行過駁船撞擊閘門和駁船撞擊水中樁柱（模擬橋墩）的實船試驗[5]。有的試驗用的是一只駁船，并沒有看到關于駁船隊的駁船之間力傳遞的處理辦法（處理對象從單只駁船到駁船隊必須解決的方法）。
參考文獻
[1] 王 孫 長航駁船隊"退位" 新船型等待加冕[N]. 中國船舶報 2009-11-20
[2] 史元熹、金允龍等，黃石長江大橋主墩防撞設施設計[C]. 船撞橋論文集,上海:上海海洋鋼結構研究所 2000,75-81
[3] 上海河運學校.船舶操縱[M].
[4] 美國各州公路和運輸工作者協會(AASHTO):公路橋梁船撞設計指南2009第二版[M]. 上海:上海海洋鋼結構研究所.
[5] 倪步友,陳國虞,鄭 丹,陳明棟,中、外船撞橋實驗評述[J]. 橋梁工程與技術: 2009(6)29-38.
[6] 中華人民共和國鐵道部.墩臺承受船只或排筏的撞擊力TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范 4.4.6條[S]. 北京 中國鐵道出版社,2005
[7] 中華人民共和國交通部 公路橋涵設計通用規范 JTG D60-2004[S].北京:人民交通出版社,2004
[8] 中華人民共和國鐵道部 墩臺承受船只或排筏的撞擊力 TBJ2-85 鐵路工程技術規范 第二篇 3.4.6條[S] 北京.中國鐵道出版社,1985
