軌道交通市域地鐵線路的站臺(tái)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

姜 翼

（廣州新科佳都科技有限公司，廣州 510230）

隨著粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，打造城市互聯(lián)互通的跨城市生活圈，對(duì)軌道交通發(fā)展提出了迫切需求。廣州地鐵順勢(shì)而為穩(wěn)步發(fā)展，規(guī)劃了廣州地鐵18號(hào)線，實(shí)現(xiàn)了南沙區(qū)和天河區(qū)的軌道快速連通。廣州地鐵18號(hào)線起始于南沙萬頃沙樞紐，止于天河廣州東站，全長(zhǎng)61.3 km。它均為地下線，采用8輛編組（6動(dòng)2拖）的市域列車，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為160 km·h-1。站臺(tái)門系統(tǒng)采用全自動(dòng)運(yùn)行模式。

1 站臺(tái)門設(shè)計(jì)方案

地鐵列車速度的提高，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)活塞風(fēng)載的增大。普通時(shí)速的地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)載在1 000～1 500 Pa。廣州地鐵18號(hào)線采用高速的市域列車，隧道內(nèi)活塞風(fēng)載達(dá)到2 400 Pa，對(duì)站臺(tái)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1.1 站臺(tái)門結(jié)構(gòu)

站臺(tái)門設(shè)置在車站站臺(tái)邊緣，上部安裝與站臺(tái)頂梁結(jié)構(gòu)連接，站臺(tái)兩端與邊墻連接，在站臺(tái)公共區(qū)的布置形成一道連續(xù)密閉的屏障。整體站臺(tái)門系統(tǒng)由機(jī)械和電氣兩部分組成。機(jī)械部分包括門體結(jié)構(gòu)和門機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。電氣部分包括供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

現(xiàn)根據(jù)站臺(tái)門的載荷條件和車型布局，進(jìn)行樣機(jī)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證樣機(jī)承受載荷后是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門》（CJ/T 236—2006）的變形量要求。主要設(shè)計(jì)包括門體高度≤4 000 mm和最接近列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的構(gòu)件最大變形量≤15 mm[1]。廣州地鐵18號(hào)線站臺(tái)門的載荷條件見表1。

表1 站臺(tái)門載荷條件

1.2 門體結(jié)構(gòu)

門體結(jié)構(gòu)由承重結(jié)構(gòu)、門檻、頂箱、滑動(dòng)門、固定門、應(yīng)急門和端門等組成。門體結(jié)構(gòu)通常以每道滑動(dòng)門為一單元進(jìn)行劃分，在每單元滑動(dòng)門的門楣上有門編號(hào)。樣機(jī)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含承重結(jié)構(gòu)、1道滑動(dòng)門、3扇應(yīng)急門、2扇固定門和端門單元，如圖1所示。

圖1 樣機(jī)單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 承重結(jié)構(gòu)

承重結(jié)構(gòu)由上部連接部件（含伸縮裝置）、底部支撐結(jié)構(gòu)、立柱以及門楣梁等組成。承重結(jié)構(gòu)能承受站臺(tái)門的重力荷載、列車行駛活塞風(fēng)與環(huán)控系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓共同作用形成的荷載壓力、乘客擠壓力和地震等外界負(fù)荷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度需滿足使用要求。

上部連接部件設(shè)計(jì)。立柱上部連接部件材料采用Q235B結(jié)構(gòu)鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理。連接螺桿的規(guī)格為M16，螺桿精度等級(jí)≥8.8級(jí)，表面采用達(dá)克羅防腐工藝進(jìn)行防銹。考慮土建施工誤差，上部連接部件可以通過伸縮桿和長(zhǎng)槽孔實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向上的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 上部連接部件結(jié)構(gòu)示意圖

底部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。底座采用焊接形式，以保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。底座材料采用Q235B結(jié)構(gòu)鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理。底座連接螺桿規(guī)格為M16，螺桿等級(jí)≥8.8級(jí)，表面采用達(dá)克羅防腐工藝進(jìn)行防銹。底座可通過本體的長(zhǎng)槽孔和調(diào)節(jié)墊片實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 底部支撐結(jié)構(gòu)示意圖

立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。立柱采用Q235B結(jié)構(gòu)鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理，外觀裝飾板采用發(fā)紋不銹鋼。由于廣州地鐵十八號(hào)線站臺(tái)門的最大活塞風(fēng)載為±2 400 Pa，比以往地鐵項(xiàng)目的風(fēng)載增加較多，重點(diǎn)對(duì)立柱規(guī)格尺寸進(jìn)行計(jì)算和有限元分析校核，確保滿足最大變形量要求。

1.2.2 門檻

門檻分為站臺(tái)側(cè)門檻和軌道側(cè)門檻。門檻底板材料采用Q235B結(jié)構(gòu)鋼，表面采用熱浸鍍鋅處理防銹。外包裝飾板采用2 mm不銹鋼板，不銹鋼板表面采用沖壓工藝形成高低交錯(cuò)紋路，以便增大摩擦力，防止行人滑倒。門檻通過螺栓固定在立柱底板上，門檻之間設(shè)置導(dǎo)向槽?；瑒?dòng)門門體的導(dǎo)靴在導(dǎo)向槽內(nèi)做往復(fù)直線滑動(dòng)。

1.2.3 頂箱

頂箱前蓋板采用鋁合金擠壓型材，可保證蓋板的平整性和一致性。后蓋板采用發(fā)紋不銹鋼板折彎成形。蓋板的長(zhǎng)度尺寸根據(jù)立柱之間的間距，做幾種不同長(zhǎng)度尺寸標(biāo)準(zhǔn)，便于統(tǒng)一規(guī)格和方便拼接安裝。

1.2.4 滑動(dòng)門

滑動(dòng)門由不銹鋼門框、玻璃、硅酮結(jié)構(gòu)膠、手動(dòng)解鎖裝置和門掛件等組成。滑動(dòng)門關(guān)閉時(shí)，可作為車站站臺(tái)公共區(qū)與隧道區(qū)域的屏障；滑動(dòng)門打開時(shí)，為乘客提供上、下列車的通道，也可作為車站隧道區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或故障時(shí)乘客的疏散通道。門框采用不銹鋼管焊接的方式制作。門扇玻璃采用單層鋼化玻璃。鋼化玻璃與不銹鋼門框通過硅酮結(jié)構(gòu)膠粘接形成滑動(dòng)門。

1.2.5 固定門

固定門由門框、玻璃研究硅酮結(jié)構(gòu)膠等組成，位于不同單元的滑動(dòng)門與滑動(dòng)門之間或滑動(dòng)門與端門之間，在站臺(tái)公共區(qū)與隧道區(qū)域之間起屏蔽作用。固定門與頂箱門楣和底部門檻之間通過螺栓固定連接。

1.2.6 應(yīng)急門

應(yīng)急門由門框、玻璃、硅酮結(jié)構(gòu)膠、應(yīng)急門推桿鎖和限位器等組成。正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)急門要保證關(guān)閉并鎖緊。作為站臺(tái)公共區(qū)與隧道區(qū)間的屏障，當(dāng)列車進(jìn)站無法對(duì)準(zhǔn)滑動(dòng)門時(shí)，應(yīng)急門可作為乘客的應(yīng)急疏散通道。

1.2.7 端門單元

站臺(tái)門端門單元是隔離站臺(tái)公共區(qū)與設(shè)備區(qū)之間的設(shè)施，包括端門單元承重結(jié)構(gòu)、頂箱、端門活動(dòng)門（含玻璃、門框等）、固定門（含玻璃、門框等）、端門的門鎖及解鎖機(jī)構(gòu)、門檻及底部安裝件、密封絕緣、端門指示燈以及閉門器等部件。

端門活動(dòng)門是列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或故障時(shí)的乘客疏散通道，也是車站人員進(jìn)出隧道區(qū)間的通道。正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，端門關(guān)閉并鎖緊，不會(huì)因隧道風(fēng)載而導(dǎo)致端門解鎖打開而造成設(shè)備損害和人員傷害。

2 站臺(tái)門載荷計(jì)算

根據(jù)廣州地鐵18號(hào)線站臺(tái)門樣機(jī)單元結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸校核立柱強(qiáng)度，并對(duì)樣機(jī)單元典型模塊進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證廣州地鐵18號(hào)線站臺(tái)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 立柱受力計(jì)算

固定門立柱受到的壓力作用包括固定門玻璃風(fēng)壓、滑動(dòng)門玻璃風(fēng)壓、固定蓋板風(fēng)壓、活動(dòng)蓋板風(fēng)壓以及乘客擠壓力等，需要按最危險(xiǎn)情況計(jì)算，校核固定門立柱是否合格。根據(jù)站臺(tái)門樣機(jī)單元典型模塊進(jìn)行計(jì)算[2]，如圖4所示。

圖4 樣機(jī)單元典型模塊示意圖

2.1.1 風(fēng)壓荷載作用

站臺(tái)門風(fēng)壓面積S、風(fēng)壓產(chǎn)生的荷載F1、立柱荷載q1依次為[3]：

立柱的最大彎矩按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，即：

式中：Mmax為最大彎矩；q1為均布載荷，單位為N·cm-1；L為梁跨度。帶入數(shù)據(jù)，可得M1max=1 373 400 N·cm-1。

2.1.2 人群擠壓荷載的作用

擠壓荷載大小q2=1 000 N·m-1，則有設(shè)計(jì)荷載F2為1540 N（換算為作用在立柱的集中荷載）。

立柱的最大彎矩為[4]：

式中：Mmax為最大彎矩；P為集中載荷，單位N；L為梁跨度；a、b為集中載荷受力點(diǎn)跨距。帶入數(shù)據(jù)，可得M2max=107 286.67 N·cm-1。

2.1.3 地震荷載的作用

設(shè)計(jì)荷載F3為0.25g，其中g(shù)=g1+g2=4 600 N。g1為雙扇滑動(dòng)門的左、右門扇的重量，有g(shù)1為1 600 N；g2為雙扇滑動(dòng)門的左、右門扇的頂箱重量，有g(shù)2為3 000 N。

地震荷載F3為：

地震荷載在立柱上分布，有：

立柱的最大彎矩，為：

立柱的最大彎矩總和：

2.1.4 立柱的抗彎截面積計(jì)算

立柱的許用彎曲應(yīng)力（材料 Q235B）[σ]=23 500 N·cm-2，則立柱的抗彎截面模量為：

2.1.5 立柱的安全系數(shù)

通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3版，矩形管的抗彎截面模量公式為[5]：

式中：Wy為抗彎截面模量；B為矩形管截面短邊長(zhǎng)度；H為矩形管截面長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；B1=短邊長(zhǎng)度-（厚度×2）；H1=長(zhǎng)邊長(zhǎng)度-（厚度×2）；安全系數(shù)為Wy和W的比值；選用立柱規(guī)格為120 mm×80 mm×8 mm。

根據(jù)抗彎截面模量公式，立柱矩形鋼管截面模量Wy為92.01 cm3，安全系數(shù)為1.42。

2.2 立柱撓度計(jì)算

由站臺(tái)門結(jié)構(gòu)可知，立柱受到上、下兩點(diǎn)固定作用，其受力形式按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。立柱受到的均布荷載總和q為：

通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3版，立柱慣性矩公式為：

式中：I為截面慣性矩；B為矩形管截面短邊長(zhǎng)度；H為矩形管截面長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；B1=短邊長(zhǎng)度-（厚度×2）；H1=長(zhǎng)邊長(zhǎng)度-（厚度×2）；選用立柱規(guī)格為120 mm×80 mm×8 mm。

根據(jù)慣性矩公式，立柱矩形鋼管的截面慣性矩I為：

立柱材料為Q235B，彈性模量E=2.06×1011N·m-2。

通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3版，均布荷載撓度公式Y(jié)1max為：

式中：Y1max為最大撓度；q為均布載荷，單位為N·m-1；L為梁跨度；E為彈性模量；I為截面慣性矩。帶入數(shù)據(jù)，有Y1max=11.7 mm。

通過查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3版，集中荷載撓度Y2max公式為：

式中：Y2max為最大撓度；P為集中載荷，單位為N；a、b為集中載荷受力點(diǎn)跨距；E為彈性模量；I為截面慣性矩；L為梁跨度。帶入數(shù)據(jù)，有Y2max=0.004 mm。

立柱的最大撓度總和Ymax為：

通過理論計(jì)算得知：立柱選用120 mm×80 mm×8 mm矩形鋼管，其強(qiáng)度和最大變形量滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 有限元分析

通過對(duì)廣州地鐵18號(hào)線站臺(tái)門樣機(jī)單元典型模塊進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在最大活塞風(fēng)載、乘客擠壓力和地震作用的受力情況下，采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)樣機(jī)單元典型模塊的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 立柱等效應(yīng)力圖

由圖5和圖6可知，在該工況受力作用下，立柱最大應(yīng)力為89.66 MPa，最大位移為2.48 mm，立柱未發(fā)生塑性變形，分析結(jié)果如表2所示?？梢?，樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 立柱位移云圖

表2 立柱應(yīng)力、位移結(jié)果匯總

3 結(jié)語

針對(duì)廣州地鐵18號(hào)線市域列車高速運(yùn)行時(shí)，最大活塞風(fēng)載達(dá)到2 400 Pa的工況特點(diǎn)，對(duì)站臺(tái)門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并通過理論計(jì)算和有限元分析驗(yàn)證了整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性。該樣機(jī)已安排生產(chǎn)并通過了第三方結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試，最大變形量滿足要求，可應(yīng)用在實(shí)際城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目中。