城市軌道交通地下區(qū)間大跨度疏散平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐘智豐 禹 雷 曹 亮 史磊磊

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南洛陽 471000)

1 概述

城市軌道交通地下區(qū)間疏散平臺(tái)是城市軌道交通區(qū)間隧道的主要逃生通道，對(duì)發(fā)生意外時(shí)乘客的疏散和搶險(xiǎn)救災(zāi)具有重要的作用[1-2]。為了進(jìn)一步優(yōu)化疏散平臺(tái)設(shè)計(jì)，保證緊急情況下的人員疏散，國內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究：虞偉家等[1]通過建模計(jì)算，分析了預(yù)制鋼筋混凝土平臺(tái)板與H型鋼的組合結(jié)構(gòu)及其受力特性；張新金[3]通過模擬加載試驗(yàn)研究疏散平臺(tái)板的剛度和強(qiáng)度性能；高曉新等[4-5]對(duì)疏散平臺(tái)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和接口進(jìn)行了研究；朱莫夫等[6-7]驗(yàn)證了復(fù)合材質(zhì)疏散平臺(tái)的適用性及合理性。

北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線南起大興國際機(jī)場(chǎng)，北至草橋，是連接北京城區(qū)和大興國際機(jī)場(chǎng)的一條重要客運(yùn)通道。該線軌道鋪軌長度約79.4 km，疏散平臺(tái)總長度約41.2 km，占軌道鋪軌總長的52%。目前，地鐵項(xiàng)目疏散平臺(tái)多采用混凝土平臺(tái)板，構(gòu)件尺寸和自重均較大[8]，不利于錨栓受力及現(xiàn)場(chǎng)安裝施工。因此，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行深入研究。

2 疏散平臺(tái)主要設(shè)計(jì)原則

疏散平臺(tái)系統(tǒng)由人行步板、扶手及其支撐部件組成。新機(jī)場(chǎng)線地下區(qū)間疏散平臺(tái)步板采用玻璃纖維復(fù)合材料(工廠化集中預(yù)制)。支撐系統(tǒng)包括鋼梁及其連接平臺(tái)面板緊固扣件；連接部件包括連接鋼構(gòu)件以及連接螺栓等(見圖1)。其支撐材料均采用Q235鋼結(jié)構(gòu)。

圖1 疏散平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

區(qū)間疏散平臺(tái)一般設(shè)置在行車方向的左側(cè)，也有個(gè)別地段設(shè)置在行車方向的右側(cè)[9-10]，起止點(diǎn)位于區(qū)間與兩端車站的分界點(diǎn)處。在道岔區(qū)、人防隔斷門、盾構(gòu)井等特殊地段不設(shè)置疏散平臺(tái)。疏散平臺(tái)起止點(diǎn)都應(yīng)設(shè)置步梯，以方便人員上下平臺(tái)。根據(jù)限界安裝要求，疏散平臺(tái)上表面至軌頂面高度按1 050 mm 設(shè)計(jì)[11]；考慮疏散平臺(tái)邊緣與設(shè)備限界的最小安全凈距，直線段疏散平臺(tái)邊緣至線路中心距離設(shè)為1 900 mm，曲線段適當(dāng)加寬[12-13]。

3 疏散平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，城市軌道交通工程疏散平臺(tái)支撐中心間距一般為800～1 200 mm。為了滿足施工進(jìn)度的要求，對(duì)北京新機(jī)場(chǎng)線疏散平臺(tái)的間距進(jìn)行了優(yōu)化，采用了大跨度地下區(qū)間疏散平臺(tái)，型鋼支撐中心間距最大為1 600 mm(見圖2)，極大減少了施工現(xiàn)場(chǎng)疏散平臺(tái)板的數(shù)量，提高了拼裝施工的效率。

圖2 疏散平臺(tái)平面布置間距(單位：mm)

4 疏散平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 模型參數(shù)選擇

新機(jī)場(chǎng)線疏散平臺(tái)型鋼支架為Q235鋼結(jié)構(gòu)，在承受5 kPa均布載荷時(shí)，支架容許撓度值為L/125(L為支架長度)。懸臂支撐為100 mm×80 mm×6 mm方鋼，斜梁規(guī)格為60 mm×60 mm×6 mm方鋼，懸臂支撐與斜梁采用哈芬槽和T型螺栓進(jìn)行連接。支撐型鋼和平臺(tái)板采用實(shí)體單元模擬，支撐型鋼與隧道壁連接采用全約束，各部件之間采用粘接。疏散平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)模型見圖3。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)三維模型示意

由新機(jī)場(chǎng)線地下區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況可知，疏散平臺(tái)型鋼支撐間距一般為1 200～1 600 mm。為了分析不同中心間距支撐結(jié)構(gòu)的承載能力和變形情況，分別對(duì)支撐中心間距為1 600 mm、1 400 mm及1 200 mm(下文分別以L1600、L1400及L1200代替)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。計(jì)算所需材料性能參數(shù)取值見表1。

表1 支撐結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

由圖3可知，疏散平臺(tái)踏板承受均布荷載5 kPa，疏散支撐受載面寬100 mm，跨距為1 600 mm。取疏散平臺(tái)支撐懸臂長度為L，則單個(gè)支撐承受荷載為

(1)

式(1)中，P為單個(gè)支撐承受的荷載/kPa，L為支撐懸臂長度/mm。

4.2 有限元模型建立

L1200、L1400和L1600三種規(guī)格的懸臂型鋼支撐有限元仿真模型如圖4～圖6所示[14-16]。

圖4 L1200支撐結(jié)構(gòu)模型

圖5 L1400支撐結(jié)構(gòu)模型

圖6 L1600支撐結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)實(shí)際安裝及受力情況，將所有螺栓固定的位置以固定約束方式進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，便于受力計(jì)算。

4.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

(1) 支撐結(jié)構(gòu)受力

在80 kPa均布載荷作用下，三種工況整體受力情況如圖7～圖9所示。

圖7 L1200型鋼支撐結(jié)構(gòu)受力情況

圖8 L1400型鋼支撐結(jié)構(gòu)受力情況

圖9 L1600型鋼支撐結(jié)構(gòu)受力情況

由圖7～圖9可知，排除應(yīng)力集中造成的干擾后，L1200型鋼支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約為30.3 MPa，L1400型鋼支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約為44.4 MPa，均出現(xiàn)在懸臂結(jié)構(gòu)與隧道壁螺栓連接處；L1600型鋼支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約為57.2 MPa，發(fā)生在哈芬槽與斜梁交接位置。3種情形的最大應(yīng)力均小于Q235鋼材的屈服應(yīng)力(235 MPa)。

(2)支撐結(jié)構(gòu)位移

在80 kPa均布載荷作用下，三種工況的整體結(jié)構(gòu)變形情況如圖10～圖12所示。

圖10 L1200支撐變形情況

圖11 L1400支撐變形情況

圖12 L1600支撐變形情況

由圖10～圖12可知，由于斜梁距懸臂支撐自由端更近，L1200和L1400型懸臂支撐結(jié)構(gòu)變形較小，其最大變形分別為0.12 mm和0.30 mm，最大位移均發(fā)生在型鋼支撐的端部；而L1600型懸臂支撐結(jié)構(gòu)最大變形約為1.10 mm，同樣發(fā)生在型鋼支撐的端部。以上變形均滿足允許撓度(L/150)的要求。計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 不同支撐型號(hào)型鋼計(jì)算匯總

(3)平臺(tái)板位移

疏散平臺(tái)板為玻璃纖維復(fù)合材料，疏散平臺(tái)鋼支架和斜支撐通過M16開裂混凝土化學(xué)錨栓與結(jié)構(gòu)壁固定連接。本次分析中，把各部件簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁?jiǎn)卧M(jìn)行受力分析。

疏散平臺(tái)板寬1 400 mm、板厚50 mm，板長分別取1 400 mm和1 600 mm，按上述工況加載，其結(jié)構(gòu)變形情況見圖13～圖14。

圖13 L1400平臺(tái)板變形情況

圖14 L1600平臺(tái)板變形情況

根據(jù)疏散平臺(tái)材料性能指標(biāo)，疏散平臺(tái)步板容許撓度值為L/200，疏散平臺(tái)支架容許撓度值為L/125。由上述計(jì)算結(jié)果可知，平臺(tái)板的撓度分別為1/325和1/300，均小于材料允許的撓度值。

(4)平臺(tái)板彎矩

在相同工況條件下，分別對(duì)1 400 mm和1 600 mm長的平臺(tái)板進(jìn)行仿真分析，其結(jié)構(gòu)彎矩見圖15～圖16。

圖15 L1400平臺(tái)板彎矩情況

求得的截面彎曲應(yīng)力見表3。疏散平臺(tái)玻璃纖維復(fù)合材料彎矩強(qiáng)度為280 MPa，由此可見，平臺(tái)板的彎矩應(yīng)力也在容許范圍內(nèi)。

圖16 L1600平臺(tái)板彎矩情況

表3 不同支撐型號(hào)步板計(jì)算匯總

5 結(jié)束語

北京新機(jī)場(chǎng)線疏散平臺(tái)系統(tǒng)屬于典型的梁板結(jié)構(gòu)模型，其受力明確，工程中所采用的平臺(tái)板復(fù)合材料和型鋼支撐結(jié)構(gòu)等部件的各項(xiàng)受力性能均滿足要求。建議后續(xù)的國內(nèi)城市軌道交通疏散平臺(tái)設(shè)計(jì)可選用此類大跨度疏散平臺(tái)方案，有利于減少施工現(xiàn)場(chǎng)疏散平臺(tái)板的數(shù)量，有效提高現(xiàn)場(chǎng)疏散平臺(tái)拼裝施工的效率。