廖愛華 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>

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

本文根據(jù)屏蔽門的安全性、經(jīng)濟(jì)性功能，建立了合理的有限元計算的屏蔽門結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，對屏蔽門結(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 屏蔽門機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 屏蔽門單元布置示意圖

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

2 計算模型與荷載

2.1 模型的簡化

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

圖2 雙扇滑動門的結(jié)構(gòu)示意圖

屏蔽門的有限元模型中，門框、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)際對各零件的材料參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置；把門扇與剛架分開，荷載直接作用在門扇上，門扇的支撐形式設(shè)計成點(diǎn)支撐。屏蔽門的有限元分析網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 門體網(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，地下車站屏蔽門所有構(gòu)件的應(yīng)力不得超過其許用應(yīng)力，其最大彈性變形不超過10mm［3］。

2.2 屏蔽門邊界條件及荷載設(shè)置

根據(jù)實(shí)際情況，在屏蔽門系統(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，門框和支撐之間采用固連方式相互連接。由于2個滑動門可以左右滑動，即X方向自由，故滑動門的約束為5個自由度。

屏蔽門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，人群擠壓荷載簡化為節(jié)點(diǎn)力，風(fēng)壓簡化為作用于玻璃板上的均勻壓力，地震荷載簡化為加速度。

屏蔽門系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中是多種荷載的組合，因此，在設(shè)計計算時應(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)行時產(chǎn)生的活塞風(fēng)施加于屏蔽門上而產(chǎn)生的荷載，其大小取2 800N／m2，垂直作用在屏蔽門上。風(fēng)壓荷載作用下滑動門和固定門的應(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，滑動門產(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而造成的，為線型荷載，大小為1 500N／m，作用在門檻上方1.1m處。擠壓荷載作用下滑動門與固定門的應(yīng)力及位移如圖6及圖7所示。

圖4 滑動門的應(yīng)力和位移（風(fēng)壓荷載）

圖5 固定門的應(yīng)力和位移（風(fēng)壓荷載）

圖6 滑動門應(yīng)力和位移（擠壓荷載）

圖7 固定門的應(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，滑動門產(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。由于滑動門具有較小的位移空隙，其受力和變形均比固定門小許多。

3.3 沖擊荷載作用

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

圖8 滑動門的應(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門產(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）。由下式可計算地震荷載。

式中：

G——每一門扇所受的重力，取為800N。

由此得F＝80N。

地震荷載在門扇門框長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個數(shù)量級，故此可以忽略不計。

圖9 固定門的應(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同時出現(xiàn)的。依據(jù)表1的荷載組合，滑動門與固定門在工況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)力及移動見圖10～13及表2。

圖10 滑動門的應(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)力圖顯示玻璃門板應(yīng)力比較集中的地方在門板四周，這與分析中給門板四周施加了約束有關(guān)，而實(shí)際運(yùn)營中門板四周的約束與分析時相比會有一定的松動，因此玻璃門板四周的應(yīng)力集中也會有一定程度的減小。

圖11 固定門的應(yīng)力和位移（工況1）

圖12 滑動門的應(yīng)力和位移（工況2）

圖13 固定門的應(yīng)力和位移（工況2）

表2 兩種工況下滑動門和固定門的受力狀況

4 結(jié)語

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

［1］陳韶章.地下鐵道站臺屏蔽門系統(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機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析［J］.機(jī)車電傳動，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結(jié)構(gòu)計算與分析［J］.設(shè)計與研究，2007，34（11）：15.

［4］王永剛，胡煦.屏蔽門系統(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號線站臺屏蔽門系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題［J］.城市軌道交通研究，2012（9）：83.