曲澤超 任艷江 王永剛

地鐵站臺屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測試方法

曲澤超1任艷江1王永剛2

（1.鄭州市軌道交通有限公司，450000，鄭州；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，450015，鄭州//第一作者，工程師）

綜合分析國內(nèi)外屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析方法的現(xiàn)狀和發(fā)展水平，提出一種通過均布點(diǎn)荷載模擬等效面載荷的結(jié)構(gòu)測試方法，并在工程樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。仿真分析及實(shí)例驗(yàn)證表明，該測試方法滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。關(guān)鍵詞 地鐵；站臺屏蔽門；結(jié)構(gòu)測試方法

地鐵站臺屏蔽門承受列車行駛時對其產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力、隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)壓、乘客擁擠對其產(chǎn)生的擠壓力和沖擊力，以及地面、土建結(jié)構(gòu)的振動等對其造成的載荷綜合作用。因此，屏蔽門應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度，以及合理的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)地鐵運(yùn)行環(huán)境條件的要求，確保列車安全可靠運(yùn)行。本文在綜合分析國內(nèi)外屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析方法的基礎(chǔ)上，開展地鐵屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測試方法研究，提出了通過均布的點(diǎn)載荷模擬等效面載荷的結(jié)構(gòu)測試方案，并在屏蔽門樣機(jī)上進(jìn)行了工程實(shí)例驗(yàn)證。

1 門體結(jié)構(gòu)仿真分析

采用ANSYS有限元分析軟件對站臺屏蔽門系統(tǒng)的門體及玻璃進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析計算。根據(jù)CJ/T 236—2006《城市軌道交通站臺屏蔽門》的相關(guān)要求，屏蔽門系統(tǒng)應(yīng)能承受以下載荷：

（1）在正負(fù)1 500 Pa風(fēng)載荷作用下，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)無明顯振蕩和聲響；

（2）1 000 N/m（距站臺面1.1 m高處，垂直門面）人為擠壓載荷。

在上述綜合作用下，門體無塑性變形，彈性變形量不大于15 mm。

1.1 滑動門門體

1.1.1 載荷分析

在靜力分析中，只考慮風(fēng)壓和人群載荷，不考慮沖擊載荷作用。風(fēng)壓載荷為滑動門寬度×滑動門高度×標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載荷=1.080 m×2.150 m×1 500 N/m2=3 483 N。人群載荷大小為1.080 m×1 000 N/m=1 080 N。

由于按滑動門整體計算網(wǎng)格數(shù)較大，解算相對困難，故在計算中取1/4模型（在站臺側(cè)看為左上部分）。在滑動門掛板處施加固定約束，模型端面處施加對稱約束，并在對應(yīng)位置施加人群載荷和風(fēng)壓。人群載荷按1 080 N/4=270 N施加，風(fēng)壓載荷按3 483 N/4=870 N施加。

1.1.2 有限元計算及結(jié)果

根據(jù)滑動門圖紙進(jìn)行建模，用ANSYS有限元軟件進(jìn)行計算。步驟如下：

（1）建立模型：選擇三維實(shí)體單元SOLID92。

（2）材料常數(shù)：模型設(shè)置為結(jié)構(gòu)→線性→彈性→各向同性。鋁合金彈性模量為7×1010Pa，泊松比為0.3；鋼化玻璃彈性模量為7.2×1010Pa，泊松比為0.20。

（3）劃分網(wǎng)格：選擇Volumes-Tet，四面體單元。網(wǎng)格由軟件自動生成，圖1為滑動門1/4模型網(wǎng)格圖。

（4）輸入各項載荷，并施加在如上所述的結(jié)點(diǎn)上。

（5）處理約束條件：按上述情況，在對應(yīng)位置施加相應(yīng)的約束條件。

（6）求解，得到位移、應(yīng)力等結(jié)果。

（7）后處理：生成應(yīng)力分布圖（見圖2、3）。

（8）將分析結(jié)果進(jìn)行歸納，見表1。

圖1 滑動門1/4模型網(wǎng)格圖

圖2 滑動門1/4模型合應(yīng)變圖

圖3 滑動門1/4模型合應(yīng)力圖

表1 滑動門門體分析結(jié)果

由《機(jī)械設(shè)計手冊》可知，鋁合金6063，供貨狀態(tài)為T 6的抗拉強(qiáng)度為205 MPa。由《特種玻璃·結(jié)構(gòu)·幕墻》可知，5～12 mm厚的鋼化玻璃強(qiáng)度設(shè)計值為84 MPa。

從圖2、3及表1可以看出，最大應(yīng)變出現(xiàn)在門體玻璃中心，應(yīng)變值為12.758 0 mm；最大應(yīng)力值為54.1 MPa，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在門體玻璃與滑動門的粘接處，這是由于應(yīng)力集中造成的。而固定門門體整體應(yīng)力并不是很大（小于30 MPa）。所以，滑動門門體滿足強(qiáng)度要求。

2 結(jié)構(gòu)測試方案

將均勻布置的汽缸固定在可移動裝配架上，裝配架固定在地面或平臺上，以保證不能產(chǎn)生移動且確保汽缸對應(yīng)的測試點(diǎn)的位置正確。結(jié)構(gòu)測試示意圖如圖4所示。其中，在距離站臺裝修面1.1 m處布置的一排汽缸A用來模擬人群荷載，其余汽缸B用來模擬列車風(fēng)壓。將汽缸A與汽缸B通過兩路管路分別連接在空壓機(jī)上，通過固定在不同管路上的調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)并提供壓力給不同的受力點(diǎn)，以滿足載荷的要求。

圖4 結(jié)構(gòu)測試示意圖

汽缸按水平方向間距500 mm、垂直方向間距500 mm均勻分布，平均每只汽缸作用面積為0.25 m2。汽缸作用形式示意圖如圖5所示。其中FIX表示固定門，ASD表示滑動門，EED表示應(yīng)急門。將測試所需壓強(qiáng)值換算成壓力值，再通過汽缸與樣機(jī)的接觸面積換算成氣泵輸出所要達(dá)到的氣壓。

圖5 汽缸作用形式示意圖

3 結(jié)構(gòu)測試計算

測試時，載荷作用范圍為1扇固定門、2扇滑動門和2扇應(yīng)急門，氣缸均勻分布，如圖6所示。測試過程中每個氣缸所需施加的載荷的計算過程如下：

樣機(jī)總體承受風(fēng)壓載荷：

P1=樣機(jī)總作用面積×風(fēng)壓載荷=7.016 m×3.00 m×1 500 N/m2=31 572 N

樣機(jī)總體承受人群擠壓載荷：

P2=樣機(jī)總長度×人群擠壓載荷=7.016 m×1 000 N/m=7 016 N

每個B氣缸模擬的風(fēng)壓載荷：

P3=P1/B氣缸數(shù)量=31 572 N/（5×14）=451 N每個A型氣缸模擬的人群擠壓載荷：

P4=P2/A氣缸數(shù)量=7 016 N/14=501.14 N

由此可知，A型氣缸模擬壓力值為501.14 N，B型氣缸模擬壓力值為451 N。

圖6 載荷作用范圍及氣缸布置示意圖

4 結(jié)構(gòu)測試工程實(shí)例驗(yàn)證

4.1 測試前準(zhǔn)備

（1）測試架。將可移動裝配架固定好，將汽缸按照布局位置安裝在裝配架上，并連接好氣動管路。通過預(yù)加氣壓，確保汽缸、接口及各連接零部件的氣密性完好。

（2）位移傳感器。位移傳感器安裝在樣機(jī)的位移傳感器固定支架上，用來測量門扇豎框和玻璃中心距站臺裝修面1.1 m高處的位移。樣機(jī)的結(jié)構(gòu)測試共需設(shè)置6個位移傳感器測試點(diǎn)，分別是：①應(yīng)急門玻璃中心1.1 m高處；②應(yīng)急門豎框1.1 m高處；③左滑動門玻璃中心1.1 m高處；④左滑動門右豎框1.1 m高處；⑤固定門玻璃中心1.1 m高處；⑥固定門豎框1.1 m高處。

（3）力傳感器。將力傳感器緊貼門體放置在與氣缸相對應(yīng)的位置，并用支架固定。力傳感器布置如圖7所示。

圖7 力傳感器布置圖

將所有傳感器與傳感器顯示盤上的對應(yīng)電子顯示表相連接，確認(rèn)電路系統(tǒng)連接正確和所有儀表工作正常。

4.2 測試步驟

4.2.1 站臺側(cè)風(fēng)壓載荷與人群載荷聯(lián)合測試

小氣缸回路（B回路70個）加載1 500 N/m2載荷，同時大氣缸回路（A回路14個）加載1 000 N/m載荷，直到B回路氣缸和門體間的力傳感器的壓力達(dá)到規(guī)定值（力傳感器的讀數(shù)為398.4 N），A回路氣缸和門體間的力傳感器的壓力達(dá)到規(guī)定值（力傳感器的讀數(shù)為501.14 N），關(guān)閉空氣壓縮機(jī)1和2的閥門，測量每個位移傳感器處的門體變形量；打開A、B回路的排氣裝置，釋放空氣和載荷，測量每個位移傳感器處門體變形量。填寫表2。

表2 位移記錄表

4.2.2 測試結(jié)果

結(jié)構(gòu)測試最終結(jié)果以數(shù)據(jù)表格和現(xiàn)場測試實(shí)景圖片相結(jié)合的形式體現(xiàn)。測試過程實(shí)景圖如圖8所示。

5 結(jié)論

圖8 結(jié)構(gòu)測試過程實(shí)景圖

經(jīng)過在屏蔽門樣機(jī)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，屏蔽門試驗(yàn)單元無結(jié)構(gòu)破壞和塑性變形，主要受力桿件的彈性變形量和門體最接近列車動態(tài)包絡(luò)線部位的最大位移不超過設(shè)計值（15 mm），最大殘余變形量小于等于 1 mm。對比滑動門門體仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，兩者相差不大，均滿足相關(guān)行業(yè)技術(shù)要求。

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［7］ 辜惠雪.特種玻璃·結(jié)構(gòu)·幕墻［M］.廣東：汕頭大學(xué)出版社，2006：35.

Testing Method for the System Structure of Metro Platform Screen Door

QU Zechao，REN Yanjiang，WANG Yonggang

The status and development level of the simulation analysis method for metro screen door system in the world are comprehensive analyzed.A new method is proposed to test the structure of the equivalent plane load through uniform point load simulation，and has been verified by the engineering prototype.The simulation and test results show that this testing method could meet the technical requirements of industry standards.

metro； platform screen door；structural test

U291.6+5：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.028

First-author′s address Zhengzhou Rail Transit Co.，Ltd.，450015，Zhengzhou，China

2016-01-28）