某機場APM線站臺屏蔽門樣機結(jié)構(gòu)性能檢測及分析*

劉曉松 吳永昌 許文君 邢宇帆 何宇聰

(廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司，510440，廣州//第一作者，高級工程師)

某APM(旅客自動輸送系統(tǒng))線項目，位于機場客運大樓地庫，采用了站臺屏蔽門系統(tǒng)。在設(shè)計、安裝和使用過程中，站臺屏蔽門須不得侵入列車運行動態(tài)包絡(luò)線，其本身還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)剛度和強度的要求。在人流密集的站臺上，人們不可避免地倚靠在站臺屏蔽門上，對屏蔽門會形成沿長度方向的整體擠推力；在列車經(jīng)過站臺屏蔽門時，也會產(chǎn)生使屏蔽門桿件和面板位移變形的負風(fēng)壓。這兩種荷載工況的疊加情況為站臺屏蔽門的最不利工況[1]，測量和控制站臺屏蔽門主要受力桿構(gòu)件及不利點的位移變形，以保證列車及站臺屏蔽門使用的安全性。在現(xiàn)場站臺屏蔽門安裝之前，應(yīng)對站臺屏蔽門樣機進行結(jié)構(gòu)性能測試。

1 站臺屏蔽門樣機結(jié)構(gòu)的選取和工況組合

1.1 樣機的選取

為驗證新建站臺屏蔽門系統(tǒng)在實際工況下能夠滿足設(shè)計要求，需檢驗以下內(nèi)容：①本項目站臺屏蔽門系統(tǒng)樣機是否達到結(jié)構(gòu)(力學(xué))性能設(shè)計指標；②站臺屏蔽門系統(tǒng)最靠近軌道側(cè)輪廓線的滑動門門框偏向軌道側(cè)的最大彈性變形是否滿足要求。此檢驗也為合理選擇站臺屏蔽門系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。

本次檢測截取了完整的全高式站臺屏蔽門樣機1套，包含了1對應(yīng)急門、1對滑動門和1對固定門體。其包含了完整的玻璃面板框架和門機梁蓋板部分。樣機立面及俯視圖如圖1所示。

1.2 工況組合

APM線站臺屏蔽門主要的荷載有恒荷載和活荷載[2]。恒荷載主要由站臺屏蔽門門機框架的鋼立柱、鋁合金門機梁、玻璃面板、驅(qū)動傳動設(shè)備以及包邊的鈑金自重等組成。活荷載主要來源于：①由于地鐵列車進入站臺前，將在隧道中高速運行時產(chǎn)生的空氣壓縮波在進站時釋放，從而產(chǎn)生活塞風(fēng)作用，其方向是由列車軌道側(cè)指向站臺側(cè)；②在列車離開站臺時，由于列車在站臺屏蔽門和隧道空間中的抽出，產(chǎn)生相對進站時的負向活塞風(fēng)作用，其方向是由站臺側(cè)指向軌道側(cè)。③人群擠壓荷載。

a) 樣機立面圖

b) 樣機俯視圖

注：尺寸單位mm

圖1 香港機場APM線站臺屏蔽門項目樣機示意圖(站臺側(cè))

在站臺屏蔽門自然關(guān)閉的狀態(tài)下，特別是滑動門，受到人群的擠推、倚靠、沖撞的概率很高。人群擠壓荷載在設(shè)計模型里有三種形式，分別為點荷載、線荷載和面荷載。其各有代表意義，在個體無意識的沖擊、磕碰站臺屏蔽門時，身體的某個部位對站臺屏蔽門形成點荷載效應(yīng);在大人群流量通過站臺屏蔽門和自動扶梯間的狹道處時，肩肘等部位同時對站臺屏蔽門形成一種帶狀的線荷載；在發(fā)生擁擠上車或大規(guī)模恐慌踩踏事件時，大人群流量的身體、胸部、腹部等部位都會緊貼站臺屏蔽門產(chǎn)生面狀荷載。以上三種荷載形式尚無系統(tǒng)研究的文獻出現(xiàn)。

另外可能遇到的活荷載還包括土建主體沉降引起的位移應(yīng)力、門體的溫度變化引起的應(yīng)力、列車運行通過軌道傳遞的低頻振動力及隧道遭遇地震作用后對站臺屏蔽門的傳導(dǎo)力等。本項目的設(shè)計組合荷載如表1～2所示。

在工程檢測時，一般采用荷載標準組合來進行樣機檢測驗證。荷載原型試驗中，DL自然存在，需要施加的荷載為TL1、CL1和CL2。工況3未在本文的驗證范圍內(nèi)。在設(shè)計荷載時，某機場APM線站臺屏蔽門的恒荷載和活荷載的分項系數(shù)分別取1.4和1.6，與我國的結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范有所不同，值得參考。

表1 某機場APM線站臺屏蔽門荷載情況

2 檢測結(jié)果和有限元算例

城市軌道交通站臺屏蔽門檢測設(shè)備需要一個密封的箱體設(shè)備及模擬人群擠壓荷載的力學(xué)機構(gòu)以及必要的位移測量裝置。在長期的工程檢測實踐中，已研發(fā)了1套適用于站臺屏蔽門和安全門檢測的設(shè)備裝置。現(xiàn)場安裝如圖2所示。

圖2 某機場APM線站臺屏蔽門檢測現(xiàn)場實景圖

根據(jù)項目方案的測點布置，主要截取了靠近站臺屏蔽門包絡(luò)線的各門體桿件的中點位置、門機梁的中心位置和各玻璃面板的形心位置，作為位移的監(jiān)測點(見圖3、表3)。例如：人群擠壓荷載的作用中心線距離門檻豎直方向高度為1 100 mm；對線荷載采用的擠壓帶寬度為180 mm(等效于線荷載)；對于面荷載采用的擠壓帶帶寬為1 000 mm。

圖3 檢測測點分布及人群擠壓面荷載加載示意圖

測點號位置描述TL1+CL1工況下位移值/mmTL1+CL2工況下位移值/mm1玻璃形心6.124.892立柱中點2.071.573滑動門體上2.411.354中框中點7.213.755玻璃形心11.845.406下端錨點0.020.017立柱中點3.541.838中框中點8.874.489玻璃形心12.536.03

從表3試驗數(shù)據(jù)可知，工況1相對工況2更不利。在有限元模擬中，取工況1進行分析，各面板的荷載傳遞采用四邊支撐的形式，如圖4所示，門機梁的位移變形模擬值如圖5所示。

圖4 固定門玻璃有限元模擬算值(工況1)

在最不利工況1(DL+TL1+CL1)作用下各測點的位移值、檢測結(jié)果和有限元模擬分析對比如表4所示。

圖5 門機梁有限元模擬算值(工況1)

測點號測點描述實測值/mm模擬值/mm誤差/%1固定門玻璃形心6.1212.30101.02固定門立柱中點2.072.3011.13門機橫梁中點2.414.3078.44滑動門中框中點7.219.8035.95滑動門玻璃形心11.8415.0026.76滑動門下端錨點0.020.904 400.07滑動門立柱中點3.549.60171.28應(yīng)急門中框中點8.878.10-8.79應(yīng)急門玻璃形心12.5312.30-1.8

3 結(jié)論

根據(jù)實測結(jié)果和有限元模擬結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1) 該項目在設(shè)計工況作用下，工況1人群擠壓線荷載的作用效應(yīng)明顯大于工況2面荷載的作用效應(yīng)。站臺屏蔽門的各主要桿件的中點位移值較大，其中滑動門中框的位移值為本項目的主控點，原因是滑動門的平面突出體最靠近列車包絡(luò)線的位置。

(2) 滑動門的立柱實測值明顯小于有限元模擬值。筆者分析其原因為有限元法未能模擬出立柱處桿件疊加剛度的作用效應(yīng)；或者實測時立柱疊加位置需要分開測量。而各桿件中框處的模擬值與實測值較為吻合，特別應(yīng)急門處的偏差已控制在10%以內(nèi)。

(3) 門機梁中點位置由于模擬值未考慮電機以及傳動系統(tǒng)的剛度貢獻，故位移值偏大。

(4) 實際的偏移值受支座影響較大。受樣機的安裝精度影響，桿件中點模型算值并未折減支座的偏移，實際各桿件的支座位移實測值和模擬值偏差較大。建議樣機安裝時各部件處于合理的間隙狀態(tài)。

(5) 實際測量時關(guān)心的是桿件最大位移值，而非撓度值。檢測時建議引入撓度概念，在玻璃及桿件的兩端支座處引入測點，通過撓度的測值對比，可以取得更小的誤差對比精度。

(6) 受試驗條件的限制，若能進一步提高人群擠壓力的均勻性，則可以獲得更準確的試驗結(jié)果。

(7) 本項目的試驗檢測值和模擬計算值的比較是對站臺屏蔽門檢驗實踐提高的有益嘗試，可供同行作參考。