包洪濤

(北京國建標工程設(shè)備科技有限公司，北京 101500)

0 引 言

人防工程防護設(shè)備是人民防空工程戰(zhàn)時發(fā)揮預定防護功能的根本保證，它主要是指口部的防護設(shè)備，用以阻擋或削弱武器的破壞效應進入到工程內(nèi)部。防護設(shè)備最基本的功能是防沖擊波和化學毒劑，防護設(shè)備根據(jù)其所具有的主要防護功能可分為抗力型和密閉性防護設(shè)備[1]。出入口防護設(shè)備包括防護門、防護密閉門、密閉門、封堵板。出入口防護設(shè)備戰(zhàn)時需提前處于關(guān)閉狀態(tài)，才能發(fā)揮其防護功能。

鋼結(jié)構(gòu)人防門的門扇、門框均為鋼結(jié)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)雙扇防護密閉門為鋼梁板結(jié)構(gòu)，門扇各有三邊搭接在門框上，一邊自由，上下兩側(cè)為主受力方向，鋼結(jié)構(gòu)雙扇防護密閉門由門扇、門框、閉鎖、鉸頁閉鎖和密封膠條組成。

人防工程防護設(shè)備施工現(xiàn)場安裝完成后，有時會出現(xiàn)門扇自開自關(guān)的現(xiàn)象，我們通常稱之為“走扇”，這是一種常見的人防工程防護設(shè)備安裝調(diào)試問題。基于萬有引力作用下的物體會向下墜落，靜止的物體在失去外力支撐作用時會垂直于地面做自由落體運動的思路，通過限元分析方法對人防工程防護設(shè)備的門扇的分析，得出門扇在自身重力的作用下，也會向重心偏離方向的一邊傾倒，提出一些有效解決措施，對于人防設(shè)備安裝避免出現(xiàn)走扇現(xiàn)象具有一定的參考意義。

1 走扇問題

人防工程防護設(shè)備的人防門主要由門框、門扇、鉸頁、閉鎖、密封裝置等幾個部分組成，門扇由上、中(人防門也有一部分只有上、下兩個鉸頁)、下平移鉸頁，承重臂、連接座、上下同心管、軸等組成的鉸頁系統(tǒng)與門框連接起來，同時，門扇通過閉鎖裝置與門框?qū)崿F(xiàn)啟閉等使用功能。當一樘人防門安裝完成時，通過調(diào)試可以實現(xiàn)門扇的水平度和垂直度達到檢驗標準，表1所列為鋼結(jié)構(gòu)人防門安裝檢驗標準。

檢驗方法：

(1) 門框垂直度檢驗采用磁力線墜檢查。

(2) 門扇與門框貼合面允許間隙用塞尺檢查。懸擺板與門扇、門扇與門框間隙檢驗：關(guān)閉懸擺板或門扇，用塞尺沿結(jié)合面檢驗懸擺板與門扇間隙；閉鎖鎖緊后，用塞尺檢驗門扇與門框間隙。

(3) 門扇、閉鎖手動啟閉力用彈簧拉力秤檢查。

在防護設(shè)備門扇關(guān)閉時，由于鉸頁系統(tǒng)和閉鎖裝置的作用，門扇能夠穩(wěn)定地與門框貼合處于一個固定的位置上，在這里，鉸頁系統(tǒng)和閉鎖裝置共同對門扇起到了使之水平、垂直的限制作用;當門扇開啟時，保證門扇水平、垂直的限制裝置只有鉸頁系統(tǒng)，因此在排除外力干擾的情況下，上、中連接座和承重臂的位置及門扇的自重對于門扇是否能夠穩(wěn)定地處于一個平面位置上，起到了至關(guān)重要的作用。

表1 鋼結(jié)構(gòu)人防門安裝檢驗標準[2]

正常情況下，在鉸頁座的同心管或軸垂直于水平面(地面)的情況下，沒有外力作用的情況下與鉸頁系統(tǒng)連接在一起的門扇其重力完全由鉸頁系統(tǒng)支撐承受，不存在重心偏移，因此，不會出現(xiàn)門扇的自開自關(guān)，也就是不會出現(xiàn)“走扇”現(xiàn)象。

如果鉸頁座的同心管或軸不垂直，那么，我們以上連接座的軸孔中心點垂直于水平面的鉛垂線與實際中心線將形成一個夾角，也就形成了與水平面形成一個角度的平面，斜邊就是門扇實際的軸線。所以，在這種情況下，門扇開啟后，由于門扇與水平面之間形成了一定的角度，就會出現(xiàn)門扇在重力作用下產(chǎn)生一定的力矩使門扇沿軸線旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)自開自關(guān)的現(xiàn)象，直至門扇與水平面垂直為止。

2 受力分析

文中使用某種型號的人防門為例，人防門扇使用三個鉸頁鏈接的方式。平開式人防門采用三個鉸頁，受力分析情況比較復雜[3-4]。門扇高度H=4 300 mm； 寬度B=2 625 mm。

門扇上連接座安裝位置距門扇底邊距離X1=4 100 mm， 門扇中連接座安裝位置距門扇底邊距離X2=2 400 mm，門扇承重臂安裝位置距門扇底邊距離X3=200 mm，門扇重量G=27 900 N。

對門扇結(jié)構(gòu)進行簡化如圖1所示。這里屬于超靜定結(jié)構(gòu)，做出受力分析圖，如圖2所示。從圖中所示的情況分析，上連接座受拉力，承重臂受壓力作用，中間連接座受壓力作用。

圖1 鋼質(zhì)人防門扇簡化圖

圖2 浮力分析圖

如圖3所示，承受荷載F=G=27.9 kN，1，2，3各處由同一材料制成。

(1) 靜力平衡條件

該支架在力作用下，可以判斷：AB受拉、AD、AC受壓，受力圖如圖2所示：

∑FX=0

Fn1cos 56°-Fn2cos10°-Fn2cos 45°=0

∑FY=0

Fn1sin 56°+Fn2sin 10°+Fn2sin 45°-F=0

以中間鉸頁為力矩平衡點，力矩平衡條件：

Fn1sin 50°×y+Fn2sin 45°×(H-2X-Y)-

M=0

(1)

(2) 變形幾何相容條件

(2)

(3) 物理關(guān)系

由胡克定律：

(3)

聯(lián)立方程式(1)、(2)、(3)得出:

Fn1=10.79 kN

Fn2=4.34 kN

Fn3=13.97 kN

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

建立門扇的有限元模型，在這里，將門框墻考慮成剛體，約束住X,Y,Z三個方向的位移[5]。

上連接座和承重臂為主要受力部件，材質(zhì)均為Q345低合金鋼。屈服強度為345 MPa，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為2e11，泊松比為0.3。

3.2 有限元分析

3.2.1 連接座有限元分析

在Pro/E中建立上連接座三維模型如圖3所示，單擊“ansys File-Import-IGES”將模型導入到有限元分析軟件中[6]，然后在軟件中進行相應的設(shè)置模型材料性質(zhì)、選擇單元、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷，網(wǎng)格劃分如圖4所示[7]。

圖3 連接座模型 圖4 連接座網(wǎng)格劃分

施加約束和載荷 根據(jù)實際情況，確定模型約束條件為在螺栓孔位置施加全約束，在底板位置施加全約束[8]。連接座插入上軸位置施加均布載荷。

計算結(jié)果分析：從圖中可以看出，由于載荷是水平Y(jié)方向的，故其變形和位移也是以水平Y(jié)方向為主。由圖5中可以看出最大變形為2.212 74 mm，變形量還是比較大的。

圖5 連接座變形圖

繪制位移云圖，如圖6所示為上連接座位移分布等值線圖，可以看出上連接座變形量分布情況。

圖6 連接座變形云圖

繪制應力分布云圖，如圖7顯示為上連接座應力分布等值線圖，可以看出上連接座應力分布情況。

圖7 連接座應力云圖

3.2.2 承重臂有限元分析

由以上受力分析可知承重臂受力最大。建立上連接座三維模型如圖8所示，在ANSYS中進行網(wǎng)格劃分如圖9所示。定義模型的單元屬性，定義主要部件材料屬性。

圖8 承重臂模型 圖9 承重臂網(wǎng)格劃分

3.2.3 施加約束和載荷

根據(jù)實際情況，確定模型約束條件為在螺栓孔位置施加全約束，在底板位置施加全約束。承重臂插入下軸位置施加均布載荷，承重臂與下軸軸肩接觸處施加均布載荷。

計算結(jié)果分析:從圖中可以看出，由于承重臂所受載荷比較復雜，故其變形和位移也是比較復雜的。由圖10可以看出承重臂的變形情況。

繪制位移云圖，如圖11所示為承重臂位移分布等值線圖，可以看出承重臂變形量分布情況。

繪制承重臂應力云圖，如圖12所示為承重臂應力分布等值線圖，可以看出承重臂應力分布情況。

4 解決措施

首先要解決生產(chǎn)過程中的問題。如門框洞口尺寸、對角線尺寸、鉸頁尺寸都要保證在圖紙要求范圍內(nèi)，門扇扭翹變形等。這些生產(chǎn)制作過程中出現(xiàn)的問題，都將直接影響安裝調(diào)試質(zhì)量的好壞。

圖10 承重臂變形圖

圖11 承重臂變形云圖

圖12 承重臂應力云圖

其次門框安裝調(diào)試符合規(guī)范，達到驗收標準，是人防門整體安裝調(diào)試的基礎(chǔ)[9]。立框調(diào)試后，如果支撐沒有固定牢靠，有松動間隙，在澆筑混凝土時也會導致門框安裝貼合面與內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)垂直度偏差超出允許的偏差范圍，如圖13所示。

圖13 人防門框澆筑前支撐示意圖1.人防門框 2.斜向支撐桿件 3.水平支撐桿件 4.橫向支撐桿件 5.雙向調(diào)節(jié)螺栓 5.立框支撐件 7.人防防護段結(jié)構(gòu)底板8.后澆施工槽 9.下檻梁鋼筋

門扇安裝前必須對門框垂直度和洞口尺寸、對角線尺寸各幾何尺寸進行復檢測量，掌握立框質(zhì)量的具體狀況[10]，盡可能達到必要的掛扇條件。

通過以上的分析模擬可以看出門扇出現(xiàn)走扇的一些影響因素。即使門框、門扇生產(chǎn)質(zhì)量都合格，門框安裝質(zhì)量也合格，安裝的時候能夠保證垂直度，鉸頁組件也不可避免的出現(xiàn)變形的影響。那么，當門扇安裝完成后，如果出現(xiàn)了門扇“走扇”的現(xiàn)象。

當上、下連接座軸孔不同心導致同心管和連接軸不垂直就會出現(xiàn)“走扇”。由于門扇自重的影響，有的比較大型的區(qū)間單扇門寬度能夠達到4 500 mm，高度達到4 000 mm，自重能夠達到8 t。

一般情況下，把門扇停在開啟45°、開啟90°、關(guān)閉三種狀況，使用磁力線墜等檢測工具量測門扇中縫側(cè)面和貼合面的垂線偏差[11]。

如果門扇在關(guān)閉位置時，門扇貼合面上部向門框傾斜，中縫側(cè)面上部向中心線傾斜，上鉸頁座適當?shù)脑黾訅|片或者下鉸頁座減少墊片，同時增加上鉸頁底板的限位塊墊片將上鉸座向門框的鉸頁方向移動、或者增加下鉸頁底板的限位塊墊片將下鉸座向門框的中心方向移動，盡可能使門扇側(cè)面和貼合面呈鉛垂狀，反之亦然[12]。

掛扇后，如果出現(xiàn)門扇自開自關(guān)現(xiàn)象，必須檢查測量門框的上下鉸頁底板的垂直度、平面度以及上中連接座和承重臂軸孔中心線的同軸度、垂直度，充分利用調(diào)整墊片和限位塊，對門扇立轉(zhuǎn)軸線進行鉛垂度調(diào)整，使門扇與水平面垂直，這樣就可以避免出現(xiàn)走扇現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

使用力學分析和有限元分析方法，分析了鋼質(zhì)人防門門扇受力情況。結(jié)果表明，排除其他因素的影響，人防門在自重情況下對連接座、承重臂也會產(chǎn)生變形，造成人防門重心偏移，出現(xiàn)走扇現(xiàn)象。

在保證生產(chǎn)質(zhì)量和門框安裝質(zhì)量的前提下，使用調(diào)整手段使門扇充分利用調(diào)整墊片和限位塊，對門扇立轉(zhuǎn)軸線進行鉛垂度調(diào)整，使門扇與水平面垂直，就可以避免出現(xiàn)走扇現(xiàn)象。