地鐵防淹門設(shè)計與門扇力學(xué)性能分析*

趙繼平

(中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司，北京 100048)

0 引 言

近年來隨著城市基礎(chǔ)交通設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，地鐵交通網(wǎng)絡(luò)由于其自身所獨具的優(yōu)點，受到了各大城市的青睞，隨著地鐵交通網(wǎng)絡(luò)的建成，由于其在地下隱蔽性的特點，在其發(fā)揮交通樞紐的同時，也被我國廣泛的當(dāng)做戰(zhàn)時隱蔽的防空設(shè)施之一。近年來隨著地鐵樞紐系統(tǒng)在國家人民防空工程中的地位不斷提高，其防護作用已由初期的戰(zhàn)時防空這一單一作用，逐漸發(fā)展成戰(zhàn)時防空，災(zāi)害時防災(zāi)的多功能性設(shè)施，這也對防護設(shè)備提出了更高的要求[1]。為提高傳統(tǒng)防護密閉門的工作性能，中國建筑標準設(shè)計研究院，在自身已有防護設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新產(chǎn)品——地鐵防淹門。

筆者通過對地鐵防淹門的主要組成部件及運動機理分析，介紹了防淹門的設(shè)計思路，并分析了最大水頭壓力作用下門扇的力學(xué)性能，為地鐵人防防護設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)及優(yōu)化提供了理論參考。

1 地鐵防淹門的主要組成部件及運動機理

地鐵防淹門設(shè)置于地鐵隧道通過江河湖泊水流較多區(qū)域，起防災(zāi)作用。由動力組件、導(dǎo)軌、門扇、鎖定裝置和門框等部件組成，如圖1所示。是一種全自動控制的地鐵人防防護設(shè)備[2-4]。其運動機理是：當(dāng)隧道內(nèi)水位上漲至預(yù)警水位，報警系統(tǒng)啟動，鎖定裝置通過電機驅(qū)動脫離門扇卡扣，由動力組件驅(qū)動門扇下落，擠壓門框?qū)崿F(xiàn)密閉功能，保護隧道內(nèi)設(shè)施及人員安全。

圖1 列車活塞效應(yīng)示意圖

2 門扇的力學(xué)性能分析

2.1 不考慮外面板作用的強度分析

如圖2所示，是防淹門門扇主梁計算荷載面積。

圖2 主梁計算荷載面積

此方案采用HN-396×199×7×11的工字型鋼。由于防淹門上下門扇工字梁布置間距不同，故應(yīng)選取承載最大均布力的梁進行計算，工字鋼的最大間距按0.571 m，梁跨度L=4 200 mm。作用在門扇兩側(cè)的設(shè)計壓力按等效靜荷載180 kN/m2計算，則梁計算等效靜荷載為q=1.03×105 N/m。梁跨中的界面彎矩[5]，按式(1)計算:

(1)

由式(1)得：

Mx=2.27×105(Nm)

在主平面內(nèi)受彎的門扇受力型鋼，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)其強度按式(2)計算：

構(gòu)件單向受彎計算公式：

(2)

式中：Mx為繞x軸的彎矩；Wx為對x軸的凈截面模量，本方案取960.8 cm3；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)，對于工字型截面取1.05；fd為鋼材的抗彎強度設(shè)計值，Q345型材取230 N/m2。

由式(1)和式(2)得：

=224.6 N/mm2<[σ]=230 (N/mm2)

由計算可知，門扇結(jié)構(gòu)在僅考慮工字梁承載的情況下，主梁型鋼提供的承載力能夠滿足強度設(shè)計的要求。

2.2 考慮外面板共同作用的強度分析

考慮外面板共同受力，由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)規(guī)定，考慮兩側(cè)面板的外伸長度為78 mm。組合截面形心距下翼緣距離[6]，按式(3)計算：

(3)

式中：a為工字鋼截面寬度，本方案取199 mm；b為工字鋼截面高度，本方案取396 mm；t為外面板厚度，本方案取15 mm；S為截面積，取7 141 mm2。

代入式(3)，得：

ya=125.2 mm

組合截面的抗彎面積矩按式(4)計算:

t(a+78×2)(ya-0.5t)

(4)

將值代入式(4)得：

W=2 228.2 cm3

考慮組合結(jié)構(gòu)抗彎作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為：

=97.0 N/mm2<[σ]=230 (N/mm2)

計算可知結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。

2.3 門扇剛度與穩(wěn)定性驗算

門扇在荷載作用下應(yīng)滿足規(guī)范相關(guān)變形的要求，對于起主要承載能力的主梁，要求其最大變形不超過門扇跨度的1/600，門扇跨度L=4 200 mm，則：

(5)

式中：w為門扇最大變形值，mm；E為型鋼的彈性模量，Q345工字鋼取206 GPa。

由式(5)計算得：

w=6.77mm

由計算可知，在僅考慮主梁承載下其最大變形量滿足規(guī)范對門扇變形最大值的要求。

主梁承重結(jié)構(gòu)的高度與厚度比h0/tw<80，滿足穩(wěn)定性要求，可不必配置加勁肋板。

3 有限元計算分析

3.1 梁構(gòu)件有限元計算

對門扇工字梁進行有限元計算，計算結(jié)果如圖3。

圖3 單根工字梁應(yīng)力云圖

對應(yīng)最大水頭荷載作用條件下工字梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工字梁中段的上下翼緣處，相應(yīng)應(yīng)力值為：

σmax=242.7 kPa>[σ]=230 kPa

僅考慮主梁承載，不能滿足承載力的要求。

3.2 門扇整體有限元計算

對門扇整體進行有限元計算，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 門扇應(yīng)力云圖

由計算可知水頭荷載作用下結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的最大應(yīng)力：

σmax=146.4 N/mm2<[σ]=230 N/mm2

滿足承載力的要求。

4 結(jié) 論

綜上，將通過不同方法計算得到的結(jié)構(gòu)中分布的最大應(yīng)力值匯總?cè)绫?所列。

表1 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力計算結(jié)果

僅考慮單根梁的強度略微大于材料許用應(yīng)力值，對門扇整體計算分析時，最大水頭荷載作用下，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力值，滿足強度要求。

不考慮面板作用，門扇所受最大應(yīng)力值接近材料許用應(yīng)力值，當(dāng)考慮面板作用時，門扇所受最大應(yīng)力值明顯下降，遠低于材料許用應(yīng)力值，滿足強度要求。

由此，在設(shè)計地鐵隧道防淹門時，綜合考慮門扇和面板的共同作用，在滿足抗力要求的前提下，可適當(dāng)減小型材規(guī)格和面板厚度，便于動力組件更快地起吊防淹門，縮短平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時間，達到節(jié)本增效的目的。同時，對于優(yōu)化地鐵防淹門，乃至地鐵人防防護設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支撐。在滿足抗力要求的前提下，盡可能地縮短平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換時間，為抵御現(xiàn)代化城市戰(zhàn)爭及洪澇災(zāi)害，爭取更多的掩蔽疏散時間。