孫秀芹

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

站臺門系統(tǒng)是設(shè)置在地鐵軌道層和候車區(qū)完成隔離空間，具有改善運(yùn)營的候車環(huán)境及安全性等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)對站臺門進(jìn)行的相關(guān)研究比較少，而更多采用的是采購?fù)鈬暮诵牟考M(jìn)行組裝，目前站臺門的設(shè)計(jì)主要由Westinghouse、Faiveley、Nabco、KABA等幾家公司承擔(dān)。僅有對站臺門的開發(fā)程度進(jìn)行深入，才是站臺門系統(tǒng)國產(chǎn)化率加大和降低成本的唯一途徑，這樣才會使其擁有更廣泛的使用前景[1]。

科技的進(jìn)步帶動(dòng)了計(jì)算力學(xué)及技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，其中有限元法在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為普遍，而該文對站臺門的固定門、滑動(dòng)門、關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)的載荷進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)際工況進(jìn)行比較。

1 模型建立

該文是基于SolidWorks及Ansys進(jìn)行分析模擬的，其具體過程如下。

1.1 條件設(shè)定

1.1.1 建模數(shù)據(jù)

一對滑動(dòng)門2 607 mm，一對應(yīng)急門1 973 mm，一扇固定門2 607 mm，高為2 000 mm，門框高2 600 mm，滑動(dòng)門玻璃厚度為 8 mm，固定門與應(yīng)急門玻璃厚度均為10 mm。門檻距地面的高度為300 mm，頂箱橫截面的寬度尺寸定為350 mm，頂箱蓋板的厚度不小于1.5 mm。門框邊及對角線長度公差≤±1 mm，平面度公差≤1.5 mm。其中，各個(gè)變量分別有如下取值范圍的要求。

立柱其中寬度a2，高度a1，壁厚a3，見表1。

橫梁其中寬度b2，高度b1，腹板厚b3，翼板厚b4，見表2。門框其中寬度j2，高度j1，壁厚j3，見表3。

性能指標(biāo)：按國家GB12190-90GJBz-20219-94C級標(biāo)準(zhǔn)測試。

1.1.2 材料參數(shù)

材料具體參數(shù)見表4。

1.1.3 載荷設(shè)置

站臺門承受外荷載主要有4個(gè)。1）風(fēng)壓。風(fēng)壓是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公司進(jìn)行預(yù)估。該次使用的是Westinghouse數(shù)據(jù)即靜止荷載為1 500 N/ m。風(fēng)壓簡化為作用于玻璃板上的均勻壓力。風(fēng)壓被看作常值載荷，施加在玻璃、橫梁正向表面上。2）擠壓荷載。擠壓荷載是指乘客在候車時(shí)可能會倚在站臺門上， 依據(jù)地鐵法規(guī)取距離1.1 m處為1 500 N/m，乘客擠壓力被看作常量，擠壓荷載簡化為節(jié)點(diǎn)力。3）沖擊荷載：沖擊荷載是考慮到施工過程及人員擁擠可能造成的沖擊，根據(jù)分析將沖擊力看成是集中力：載荷看為振幅+2.8 kN及作用時(shí)間0.08 s的集中動(dòng)載荷的半正弦波140 ms，或突然至1.5 kN在0.2 s將其直線為0（取不利的極限情況，作用在距離地面1.125 m 高處，沖擊荷載作用區(qū)域是0.1m×0.1m）。設(shè)定乘客沖擊力的位置在固定門玻璃的中心。4）地震荷載：據(jù)有關(guān)規(guī)范計(jì)算得73.5 N/m（假定地震為7級），可以忽略不計(jì)。

表1 立柱各參數(shù)要求

表2 橫梁槽鋼各參數(shù)要求

表3 門框各參數(shù)要求

表4 材料具體參數(shù)

1.1.4 邊界約束

站臺門機(jī)械部分系統(tǒng)是剛性設(shè)置在站臺地面上，在模型的上下端選取固定約束邊界條件輸入，因?yàn)轫敳拷Y(jié)構(gòu)件通過螺栓與立柱相連；同時(shí)，在模型的兩側(cè)選取對稱的邊界條件用來模擬沿軌道方向連續(xù)的站臺門機(jī)械系統(tǒng)；依據(jù)實(shí)際工況在站臺門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型以固定約束為主要邊界條件[2]；支撐及門框當(dāng)中看作是完全約束選取固定方式進(jìn)行連接；而滑動(dòng)門的約束設(shè)置為5個(gè)自由度，同時(shí)2個(gè)滑動(dòng)門在X方向自由。

1.2 模型簡化

該文的研究對象是站臺門的一個(gè)單元。此次模擬分析以市場應(yīng)用較多的一對應(yīng)急門、一對滑動(dòng)門、一扇固定門為對象。該次站臺門模擬選取門體及門框材質(zhì)分別是鋼化玻璃及鋁合金，按照實(shí)際情況簡化成殼及塊體等構(gòu)件模擬。簡化的準(zhǔn)則是在不失去構(gòu)件力學(xué)特點(diǎn)的情況下簡化計(jì)算模型并增加計(jì)算效率。

站臺門模型的計(jì)算成本以及精度跟網(wǎng)格劃分的密度直接相關(guān)，因此此次網(wǎng)格劃分的原則是轉(zhuǎn)化緩慢及應(yīng)力小的部分可以用粗一些網(wǎng)格；坡度及應(yīng)力大的部分可以采取精細(xì)網(wǎng)格；而兩者之中相交的部分采取過渡單元連接。研判站臺門的模型，單元基本尺寸為30 mm，單元數(shù)近10萬個(gè)，可以將站臺門零部件分成3類。1）殼單元（shell181）分析：橫梁、頂部面板以及定位槽板等。2）單元（solid45）分析：頂箱型材形狀復(fù)雜體。3）梁單元（beam4）分析：連接構(gòu)建，簡化為一種連接關(guān)系即可。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 模擬結(jié)果與分析

表5分別為在不同載荷條件下站臺門門框框體及玻璃Y方向的最大變形量匯總（因Y方向?yàn)檩d荷方向，而X、Z方向相對于Y方向的變形小且不涉及與設(shè)備限界要求等安全相關(guān)的問題，所以不一一列出）。

筆者利用有限元法計(jì)算了站臺門系統(tǒng)在不同的載荷下的變形，做出了如下相關(guān)分析。1）從圖2～圖5的視圖得出：站臺門變形量在固定門玻璃及門框、滑動(dòng)門玻璃及門框的位置相對較大。2）根據(jù)相關(guān)要求：框架、門體總變形量一般在10 mm～15 mm的一個(gè)數(shù)值。據(jù)圖在所有載荷條件下，玻璃最大變形略小于10 mm，是滿足最高安全性要求，并有一定的富余；框架在復(fù)合載荷條件1+2下為最大變形9.61 mm，同時(shí)玻璃在固定門中間位置發(fā)生最大變形量為8.55 mm。3）固定門的玻璃中間是整體結(jié)構(gòu)變形量極限值出現(xiàn)的點(diǎn)，由于固定門靠近乘客側(cè)允許變形量不能侵入相關(guān)限界，極有可能侵入限界的地方應(yīng)該在地鐵動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的滑動(dòng)門門框處的變形，以后設(shè)計(jì)安裝施工過程中需重點(diǎn)注意滑動(dòng)門在門框處的結(jié)構(gòu)變形。

圖1 站臺門俯視圖單元網(wǎng)格劃分

3 結(jié)語

在上述分析中，對荷載組成的不同工況計(jì)算站臺門結(jié)構(gòu)變形，由分析可知地鐵站臺門系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及零部件的變形量均滿足要求。最接近地鐵動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的滑動(dòng)門門框處位置是全面滿足條件。在正常實(shí)踐要求下，地鐵站臺門的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保證安全應(yīng)用。模擬軟件的通病是各種邊界條件的簡化及計(jì)算精度的不同會導(dǎo)致模型的偏差，所以分析得出的結(jié)論一般作為參照只有經(jīng)過大量的實(shí)踐驗(yàn)證才能得以應(yīng)用。即使是這樣，從分析中也可以知道計(jì)算機(jī)輔助工程的模擬研究在站臺門制造中對提升質(zhì)量以及縮小研發(fā)周期和降低成本等需求中起到了非常重要的作用。

圖2 施加正風(fēng)壓載荷形成站臺門Y方向框體變形

圖4 施加復(fù)合載荷形成站臺門Y方向框體變形

圖3 施加沖擊載荷形成站臺門Y方向玻璃門變形

圖5 施加復(fù)合載荷形成站臺門Y方向玻璃門變形

表5 最大變形量