Page 24 - 捷運技術 第35期

16 吳銘章 陳虞仁 高運量電聯車車體材質及其結構設計

2. 剛度設計

剛度設計係車體結構於承受負荷時，將因彎曲力矩（Bending Moment）之作用而向
下翹曲。因此，車體的結構設計除了應注意其強度以外，亦應考慮剛性是否足夠，以免
在負荷過大時，因車體中央部位之撓曲變形量過大，影響車輛之使用壽命及車體底架設
備正常功能。車體之設計應在任何負荷作用下，均能保持向上之拱勢（Camber）。

就車體的結構而言，通常需考量以下的設計：
(1) 靜態力與挫曲力強度設計：設計車體具有一定的靜態強度與挫曲強度，可保障乘客之
安全。
(2) 動態及撞擊力強度設計：設計車體在營運期間，若受到聯結力或意外之碰撞，車體之
結構仍舊保有一定的完整性，可保障乘客之安全。

(3) 疲勞強度設計：設計車體在營運期間，受到車廂乘客數之變化，車體仍保有一定的疲
勞強度，可保障車體的使用壽年。
(4) 自然振頻設計：規劃車體結構之自然振頻，以避免車輛運行時，車體與轉向架或其他
設備產生共振現象，可避免車體結構之破壞。

(5) 空氣阻力設計：設計車體整體之外型，以減少車輛運行時所產生的空氣阻力，可節省
營運能源。
另外，就施加於車體之負荷力而言，其方向及種類通常計有垂直力與縱向力兩種
負荷力：
(1) 垂直負荷力計有車廂乘客產生之負荷力、懸掛於車體設備之負荷力以及當車體被頂起
時，由轉向架產生的負荷力。

(2) 縱向負荷力計有施加在車端之壓縮力、施加在聯結器之壓縮力與張力、施加在緩衝器
之壓縮力、施加在抗撞支柱與端柱之壓縮力以及施加在車頂側端之壓縮力。
以臺北捷運高運量電聯車為例，規範明訂下列五種強度設計值，其中W1表示空
車設計重量；W2表示車廂座位滿載設計重量；W3表示車廂座位滿載外再含每平方公
尺6位站立乘客時之設計重量；W4表示車廂座位滿載外再含每平方公尺7位站立乘客
時之設計重量；W5係指結構設計用之設計重量：
(1) 在W2及W4載重下，車體結構應可承受均勻作用在防爬器中央三分之一區域的1180
kN靜態壓縮力，車體任何結構件的最大應力不得超過材料降伏強度的80%。

(2) 在W4載重下，車體結構任何結構件之最大應力不得超過材料降伏強度的60%。
(3) 在W2及W4載重下，車體結構應可承受330 kN垂直負荷（上或下）及880 kN縱向壓縮
力同時作用在防爬器中央三分之一區域，車體任何結構件之最大應力不得超過材料之
降伏強度。
(4) W1與W4載重下之車體垂直撓度最大不得相差20 mm。

(5) 空車頂舉時，車體任何結構件之最大應力不得超過材料降伏強度的80 %。
(二) 抗撞設計

車體結構抗撞（Crashworthiness）設計之目的，係當車輛在某一速度下發生碰撞時，其
產生之能量，能儘量經由車端的吸能裝置吸收，以免損害車體主結構而傷及車內乘客。
一般而言，車輛的設計可要求在位於車體兩端底架之結構部位加設機械式保險裝置
（Mechanical Fuse），並將其挫曲強度（Buckling Strength）設限在車體主結構強度之 50%以
下，使得車輛發生碰撞時，能藉其塑性變形來吸收碰撞能量，以確保車體主結構之完整。