王召林,盧屹東,江 漪,王淑敬,彭 飛,殷 卓
(中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100048)
地鐵作為一種地下交通工具,對(duì)于緩解地面交通擁堵起著非常重要的作用[1]。根據(jù)《人防法》的相關(guān)規(guī)定,地鐵同樣在戰(zhàn)時(shí)可轉(zhuǎn)化為城市人員的緊急隱蔽場所。區(qū)間單扇防護(hù)密閉門位于地鐵出入口,戰(zhàn)時(shí)需承受常規(guī)武器的爆炸沖擊波以及防范敵人生化武器的襲擊。區(qū)間單扇防護(hù)密閉門由門框、門扇、鉸頁、閉鎖、軌道密封裝置等組成。其中,鋼門框由下門框、上門框、左門框、右門框、下鉸頁座、上鉸頁座、閉鎖梁等組成。左、右門框上螺接有閉鎖梁,用來承受閉鎖頭的反彈力,因此其影響到整個(gè)區(qū)間單扇防護(hù)密閉門的防護(hù)和密閉性能。
本文針對(duì)區(qū)間單扇防護(hù)密閉門進(jìn)行計(jì)算,通過理論計(jì)算和有限元模擬來檢驗(yàn)閉鎖梁的強(qiáng)度是否滿足要求。
區(qū)間單扇防護(hù)密閉門結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1-門框;2-接觸網(wǎng);3-門扇;4-閉鎖機(jī)構(gòu)(內(nèi)置);5-升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu);6-軌道密封裝置圖1 區(qū)間單扇防護(hù)密閉門
根據(jù)RFJ02—2009《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],對(duì)于核6級(jí)防護(hù)密閉隔斷門,壓力設(shè)計(jì)值是0.12 MPa時(shí),動(dòng)力系數(shù)Kd=1.5。
閉鎖梁采用Q345鋼,根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3],Q345鋼剪切強(qiáng)度fv=180 MPa。根據(jù)GB50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[4],在爆炸荷載或動(dòng)荷載作用下鋼材強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)γd=1.35。因此,動(dòng)荷載作用下Q345抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd=243 MPa。
區(qū)間單扇防護(hù)密閉門有8個(gè)閉鎖頭(左、右各4個(gè)),對(duì)應(yīng)8個(gè)閉鎖孔,閉鎖承受來自門扇所受沖擊波的反彈力。單個(gè)閉鎖頭受力的計(jì)算公式如下:
Fh=0.5×Kd×p×L1×H1÷N.
(1)
其中:p為門扇受到的壓強(qiáng),0.05 MPa;L1為門扇的寬度,4 100 mm;H1為門扇的高度,3 800 mm;N為閉鎖頭數(shù)量,8個(gè)。
將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)計(jì)算可得:Fh=175 275 N。
閉鎖主梁板材料采用Q345,閉鎖主梁板閉鎖孔邊所受剪應(yīng)力pv(MPa)計(jì)算公式如下:
(2)
其中:S1為閉鎖主梁板孔受力截面積,mm2。
區(qū)間單扇防護(hù)密閉門閉鎖主梁板孔受力截面如圖2所示,S1=36.5×20=730 mm2。
圖2 區(qū)間單扇防護(hù)密閉門閉鎖主梁板孔受力截面
將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)可得到閉鎖主梁板孔所受剪應(yīng)力pv=240 MPa<243 MPa。因此,通過理論計(jì)算得出,區(qū)間單扇防護(hù)密閉門閉鎖主梁板強(qiáng)度滿足受力要求。
首先利用SolidWorks建立區(qū)間單扇防護(hù)密閉門門框閉鎖梁三維圖,如圖3所示。接下來利用ANSYS Workbench對(duì)區(qū)間單扇防護(hù)密閉門閉鎖主梁板進(jìn)行有限元分析,每個(gè)閉鎖孔大約承受175 275 N的力,有限元分析結(jié)果見圖4和圖5。
圖3 區(qū)間單扇防護(hù)密閉門門框閉鎖梁三維圖
圖4 閉鎖梁變形云圖
圖5 閉鎖梁應(yīng)力云圖
由圖4、圖5可知:閉鎖梁最大變形發(fā)生在上下兩端閉鎖孔外側(cè)中間部位,最大變形量為0.133 mm;最大應(yīng)力約為235.48 MPa,發(fā)生在閉鎖孔外側(cè)的直角彎部位,小于243 MPa。理論計(jì)算和有限元模擬結(jié)果接近,均說明區(qū)間單扇防護(hù)密閉門閉鎖梁強(qiáng)度滿足要求。
首先,計(jì)算區(qū)間單扇防護(hù)密閉門活面板上螺栓和螺栓孔距離面板邊緣部分哪個(gè)能承受更大剪切力。
活面板材料為Q345,根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,Q345剪切強(qiáng)度為180 MPa。螺栓為普通螺栓,根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,螺栓等級(jí)為4.8級(jí),材料Q235時(shí),剪切強(qiáng)度為140 MPa。
對(duì)于核六級(jí)區(qū)間單扇防護(hù)密閉門,活面板厚度為4 mm,螺栓孔直徑為Φ9 mm,距離面板邊緣最小距離18 mm,可計(jì)算出最小截面為54 mm2。螺栓為普通螺栓,規(guī)格為M8×20,可計(jì)算出螺栓截面積為50.265 mm2。
最大剪切力計(jì)算公式如下:
F=fv×S.
(3)
其中:fv為剪切強(qiáng)度,MPa;S為剪切受力面積,mm2。
通過將活面板螺栓孔距離面板邊緣部分與螺栓的參數(shù)代入公式(3)可計(jì)算出,單個(gè)活面板螺栓孔距離面板邊緣部分可承受最大剪切力為9 180 N,單個(gè)M8×20螺栓可承受最大剪切力為7 037 N。因此,活面板螺栓孔距離面板邊緣部分比螺栓能夠承受更大剪切力。
選取區(qū)間單扇防護(hù)密閉門中門扇最大的活面板尺寸為632 mm×571 mm,如圖6所示,螺栓個(gè)數(shù)為16個(gè)。
圖6 區(qū)間單扇防護(hù)密閉門最大活面板尺寸
通過計(jì)算活面板所受應(yīng)力大小,來判斷螺栓的抗剪強(qiáng)度是否滿足要求,并通過有限元法計(jì)算活面板的變形情況。利用ANSYS Workbench建立活面板的有限元模型如圖7所示。按照實(shí)際情況,在活面板下四周放置了簡化的支撐板。活面板通過M8螺栓與支撐板連接。接下來對(duì)活面板和螺栓進(jìn)行有限元分析,得到的結(jié)果如圖8~圖10所示。
圖7 活面板有限元模型
由圖8可知,活面板的最大變形為3.46 mm。而活面板四周螺栓孔位置的變形很小,且活面板上螺栓孔與螺栓的間隙為1 mm,因此可以推出活面板上螺栓的受力較小。
圖8 活面板變形云圖
由圖9可知,活面板最大應(yīng)力為248.71 MPa,小于活面板的屈服強(qiáng)度345 MPa,滿足強(qiáng)度要求。
圖9 活面板應(yīng)力云圖
由圖10可知,活面板上螺栓所受的最大應(yīng)力為16.619 MPa,小于其許用最大剪切應(yīng)力140 MPa,因此螺栓強(qiáng)度滿足要求。根據(jù)前面理論計(jì)算得出活面板孔邊緣強(qiáng)度大于螺栓強(qiáng)度。因此,活面板螺栓孔邊緣部分也能夠滿足受力要求。
圖10 螺栓應(yīng)力云圖
針對(duì)區(qū)間單扇防護(hù)密閉門中門框的薄弱環(huán)節(jié)閉鎖梁以及門扇中活面板可能存在強(qiáng)度不夠的安全隱患,進(jìn)行了理論計(jì)算校核以及有限元分析。結(jié)果顯示區(qū)間防護(hù)密閉門門框閉鎖梁以及門扇活面板受力滿足要求,該研究對(duì)后期區(qū)間單扇防護(hù)密閉門的優(yōu)化具有參考意義。