地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)門(mén)體結(jié)構(gòu)的有限元分析＊

廖愛(ài)華 黃 旭 周 祺

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，200233，上?！蔚谝蛔髡撸苯淌冢?/p>

地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)安裝于地鐵車站站臺(tái)邊緣，能提高運(yùn)營(yíng)安全性、改善乘客候車環(huán)境、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本［1］。目前，屏蔽門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、安裝主要由英國(guó) Westinghouse、法國(guó)Faiveley、日本 Nabco、瑞士KABA等幾家公司承擔(dān)，國(guó)內(nèi)對(duì)屏蔽門(mén)進(jìn)行的相關(guān)研究較少。只有加大屏蔽門(mén)的研發(fā)力度，才能加快屏蔽門(mén)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，降低造價(jià)，使屏蔽門(mén)具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

本文根據(jù)屏蔽門(mén)的安全性、經(jīng)濟(jì)性功能，建立了合理的有限元計(jì)算的屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，對(duì)屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，得到了結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力及變形分布。

1 屏蔽門(mén)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

屏蔽門(mén)系統(tǒng)的門(mén)體結(jié)構(gòu)主要由雙扇滑動(dòng)門(mén)、固定門(mén)、應(yīng)急疏散門(mén)、端墻和手動(dòng)端門(mén)組成。屏蔽門(mén)系統(tǒng)一般可以劃分為若干個(gè)單元，包括雙扇滑動(dòng)門(mén)單元、應(yīng)急疏散門(mén)單元和端門(mén)單元。各個(gè)單元又分別由一定數(shù)量的固定門(mén)、雙扇滑動(dòng)門(mén)或應(yīng)急疏散門(mén)所構(gòu)成。各單元的分布及其運(yùn)動(dòng)形式如圖1所示。

圖1 屏蔽門(mén)單元布置示意圖

雙扇滑動(dòng)門(mén)單元是屏蔽門(mén)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，而應(yīng)急疏散門(mén)單元是雙扇滑動(dòng)門(mén)單元結(jié)構(gòu)形式的變換。端門(mén)和應(yīng)急門(mén)可以采用同樣的結(jié)構(gòu)。因此，本文著重對(duì)雙扇滑動(dòng)門(mén)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 計(jì)算模型與荷載

2.1 模型的簡(jiǎn)化

屏蔽門(mén)的實(shí)際模型相當(dāng)復(fù)雜，在不影響計(jì)算精度的前提下，有限元分析時(shí)需對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將不受載的零件如密封橡膠和防護(hù)板等簡(jiǎn)化，將螺栓簡(jiǎn)化為連接約束等［2］。以屏蔽門(mén)的典型結(jié)構(gòu)（含2扇標(biāo)準(zhǔn)固定門(mén)和2扇中分雙開(kāi)活動(dòng)門(mén)）為例，雙扇滑動(dòng)門(mén)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，門(mén)體主要由鋁合金門(mén)框及鋼化玻璃組成，用于隔離站臺(tái)與軌道；承重結(jié)構(gòu)主要由門(mén)檻、底座及立柱等部件組成，在屏蔽門(mén)系統(tǒng)中起到骨架的作用，用于支撐整個(gè)屏蔽門(mén)系統(tǒng)及承受各種荷載。

圖2 雙扇滑動(dòng)門(mén)的結(jié)構(gòu)示意圖

屏蔽門(mén)的有限元模型中，門(mén)框、橫梁、底座和玻璃等結(jié)構(gòu)都采用板單元；零件相互接觸處采用固連方式處理，并根據(jù)實(shí)際對(duì)各零件的材料參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置；把門(mén)扇與剛架分開(kāi)，荷載直接作用在門(mén)扇上，門(mén)扇的支撐形式設(shè)計(jì)成點(diǎn)支撐。屏蔽門(mén)的有限元分析網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 門(mén)體網(wǎng)格圖

本文采用SolidWorks軟件中的SolidWorks Simulation插件進(jìn)行有限元分析。各種材料的參數(shù)如下：鋼化玻璃彈性模量為68GPa，泊松比為0.25，密度為2 500kg／m3，玻璃板厚度為8mm；門(mén)框截面為60mm×60mm，鋁合金彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，密度為2 700kg／m3。在各種工況條件下，地下車站屏蔽門(mén)所有構(gòu)件的應(yīng)力不得超過(guò)其許用應(yīng)力，其最大彈性變形不超過(guò)10mm［3］。

2.2 屏蔽門(mén)邊界條件及荷載設(shè)置

根據(jù)實(shí)際情況，在屏蔽門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型中施加的邊界條件主要為固定約束，包括底座約束和頂部支撐約束，門(mén)框和支撐之間采用固連方式相互連接。由于2個(gè)滑動(dòng)門(mén)可以左右滑動(dòng)，即X方向自由，故滑動(dòng)門(mén)的約束為5個(gè)自由度。

屏蔽門(mén)承受的外部荷載主要有風(fēng)壓、人群擠壓荷載、沖擊荷載和地震荷載等［4］。其中，沖擊荷載按工況分為4類，人群擠壓荷載簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)力，風(fēng)壓簡(jiǎn)化為作用于玻璃板上的均勻壓力，地震荷載簡(jiǎn)化為加速度。

屏蔽門(mén)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中是多種荷載的組合，因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)按最不利荷載組成的工況考慮。人群擠壓荷載和沖擊荷載不同時(shí)出現(xiàn)。表1為各種工況下的荷載組合。

表1 各種工況下的荷載組合

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1風(fēng)壓荷載作用

風(fēng)壓荷載主要為列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)施加于屏蔽門(mén)上而產(chǎn)生的荷載，其大小取2 800N／m2，垂直作用在屏蔽門(mén)上。風(fēng)壓荷載作用下滑動(dòng)門(mén)和固定門(mén)的應(yīng)力及位移如圖4及圖5所示。

由圖4和圖5中可以看出，在風(fēng)壓荷載的作用下，滑動(dòng)門(mén)產(chǎn)生的最大變形為1.70mm，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為14.3MPa；固定門(mén)產(chǎn)生的最大變形為3.51 mm，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為20.6MPa。

3.2 擠壓荷載作用

乘客擠壓力是由于乘客推擠屏蔽門(mén)而造成的，為線型荷載，大小為1 500N／m，作用在門(mén)檻上方1.1m處。擠壓荷載作用下滑動(dòng)門(mén)與固定門(mén)的應(yīng)力及位移如圖6及圖7所示。

圖4 滑動(dòng)門(mén)的應(yīng)力和位移（風(fēng)壓荷載）

圖5 固定門(mén)的應(yīng)力和位移（風(fēng)壓荷載）

圖6 滑動(dòng)門(mén)應(yīng)力和位移（擠壓荷載）

圖7 固定門(mén)的應(yīng)力和位移（擠壓荷載）

由圖6和圖7中可以看出，在擠壓荷載作用下，滑動(dòng)門(mén)產(chǎn)生的最大變形為1.23mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為11.3MPa；固定門(mén)產(chǎn)生的最大變形為2.27mm，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為13.7MPa。由于滑動(dòng)門(mén)具有較小的位移空隙，其受力和變形均比固定門(mén)小許多。

3.3 沖擊荷載作用

乘客沖擊荷載大小為1 400N，離門(mén)檻1.1m處，作用面積為100mm×100mm。沖擊荷載作用下滑動(dòng)門(mén)與固定門(mén)的應(yīng)力及位移如圖8及圖9所示。

圖8 滑動(dòng)門(mén)的應(yīng)力和位移（沖擊荷載）

由圖8和圖9中可以看出，在沖擊荷載的作用下滑動(dòng)門(mén)產(chǎn)生的最大變形為2.51mm，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為22.5MPa；固定門(mén)產(chǎn)生的最大變形為3.86 mm，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為26.9MPa。最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力與最大變形均發(fā)生在中心位置。

3.4 地震荷載作用

查閱DGJ08－109－2004《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，上海地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度C＝0.1g（g為重力加速度）。由下式可計(jì)算地震荷載。

式中：

G——每一門(mén)扇所受的重力，取為800N。

由此得F＝80N。

地震荷載在門(mén)扇門(mén)框長(zhǎng)邊上按均布荷載分析，q＝40N／m。

由于地震荷載的大小與風(fēng)壓荷載、擠壓荷載及撞擊荷載相差有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，故此可以忽略不計(jì)。

圖9 固定門(mén)的應(yīng)力和位移（沖擊荷載）

3.5 幾種荷載共同作用

一般情況下，擠壓荷載和沖擊荷載是不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)的。依據(jù)表1的荷載組合，滑動(dòng)門(mén)與固定門(mén)在工況1（風(fēng)壓荷載、擠壓荷載、地震荷載共同作用）和工況2（風(fēng)壓荷載、沖擊荷載和地震荷載共同作用）下的應(yīng)力及移動(dòng)見(jiàn)圖10～13及表2。

圖10 滑動(dòng)門(mén)的應(yīng)力和位移（工況1）

從以上的結(jié)果可以看出，鋼化玻璃在兩種工況下的最大變形為7.57mm，小于最大彈性變形（10 mm），說(shuō)明鋼化玻璃的變形在正常范圍；變形量是以中心向四周依次遞減的，最大應(yīng)力為38.1MPa，小于鋼化玻璃的許用應(yīng)力值（50MPa）。因此，鋼化玻璃在復(fù)合荷載作用下能夠正常使用。此外，應(yīng)力圖顯示玻璃門(mén)板應(yīng)力比較集中的地方在門(mén)板四周，這與分析中給門(mén)板四周施加了約束有關(guān)，而實(shí)際運(yùn)營(yíng)中門(mén)板四周的約束與分析時(shí)相比會(huì)有一定的松動(dòng)，因此玻璃門(mén)板四周的應(yīng)力集中也會(huì)有一定程度的減小。

圖11 固定門(mén)的應(yīng)力和位移（工況1）

圖12 滑動(dòng)門(mén)的應(yīng)力和位移（工況2）

圖13 固定門(mén)的應(yīng)力和位移（工況2）

表2 兩種工況下滑動(dòng)門(mén)和固定門(mén)的受力狀況

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了地鐵屏蔽門(mén)的結(jié)構(gòu)分析模型，利用有限元法分析了屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，得到了屏蔽門(mén)在各種荷載作用下的變形及應(yīng)力情況，為屏蔽門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］陳韶章.地下鐵道站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：10－13.

［2］應(yīng)寅瓊，江虹，李成，等.基于有限元法的屏蔽門(mén)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2012（2）：75.

［3］雷菊珍，朱毅，李東波.基于有限元分析的城市地鐵屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析［J］.設(shè)計(jì)與研究，2007，34（11）：15.

［4］王永剛，胡煦.屏蔽門(mén)系統(tǒng)頂部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（1）：121.

［5］王珩.深圳地鐵11號(hào)線站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題［J］.城市軌道交通研究，2012（9）：83.