地鐵站臺門在不同載荷下變形量的模擬分析

孫秀芹

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

站臺門系統是設置在地鐵軌道層和候車區完成隔離空間，具有改善運營的候車環境及安全性等優點。國內對站臺門進行的相關研究比較少，而更多采用的是采購外國的核心部件進行組裝，目前站臺門的設計主要由Westinghouse、Faiveley、Nabco、KABA等幾家公司承擔。僅有對站臺門的開發程度進行深入，才是站臺門系統國產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]。

科技的進步帶動了計算力學及技術的應用發展，其中有限元法在工程實踐中應用較為普遍，而該文對站臺門的固定門、滑動門、關鍵承重結構的載荷進行模擬分析，并與實際工況進行比較。

1 模型建立

該文是基于SolidWorks及Ansys進行分析模擬的，其具體過程如下。

1.1 條件設定

1.1.1 建模數據

一對滑動門2 607 mm，一對應急門1 973 mm，一扇固定門2 607 mm，高為2 000 mm，門框高2 600 mm，滑動門玻璃厚度為 8 mm，固定門與應急門玻璃厚度均為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：按國家GB12190-90GJBz-20219-94C級標準測試。

1.1.2 材料參數

材料具體參數見表4。

1.1.3 載荷設置

站臺門承受外荷載主要有4個。1）風壓。風壓是根據工程經驗公司進行預估。該次使用的是Westinghouse數據即靜止荷載為1 500 N/ m。風壓簡化為作用于玻璃板上的均勻壓力。風壓被看作常值載荷，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可能會倚在站臺門上， 依據地鐵法規取距離1.1 m處為1 500 N/m，乘客擠壓力被看作常量，擠壓荷載簡化為節點力。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及作用時間0.08 s的集中動載荷的半正弦波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，沖擊荷載作用區域是0.1m×0.1m）。設定乘客沖擊力的位置在固定門玻璃的中心。4）地震荷載：據有關規范計算得73.5 N/m（假定地震為7級），可以忽略不計。

表1 立柱各參數要求

表2 橫梁槽鋼各參數要求

表3 門框各參數要求

表4 材料具體參數

1.1.4 邊界約束

站臺門機械部分系統是剛性設置在站臺地面上，在模型的上下端選取固定約束邊界條件輸入，因為頂部結構件通過螺栓與立柱相連；同時，在模型的兩側選取對稱的邊界條件用來模擬沿軌道方向連續的站臺門機械系統；依據實際工況在站臺門系統結構有限元模型以固定約束為主要邊界條件[2]；支撐及門框當中看作是完全約束選取固定方式進行連接；而滑動門的約束設置為5個自由度，同時2個滑動門在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單元。此次模擬分析以市場應用較多的一對應急門、一對滑動門、一扇固定門為對象。該次站臺門模擬選取門體及門框材質分別是鋼化玻璃及鋁合金，按照實際情況簡化成殼及塊體等構件模擬。簡化的準則是在不失去構件力學特點的情況下簡化計算模型并增加計算效率。

站臺門模型的計算成本以及精度跟網格劃分的密度直接相關，因此此次網格劃分的原則是轉化緩慢及應力小的部分可以用粗一些網格；坡度及應力大的部分可以采取精細網格；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，單元數近10萬個，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：頂箱型材形狀復雜體。3）梁單元（beam4）分析：連接構建，簡化為一種連接關系即可。網格劃分如圖1所示。

2 模擬結果與分析

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方向為載荷方向，而X、Z方向相對于Y方向的變形小且不涉及與設備限界要求等安全相關的問題，所以不一一列出）。

筆者利用有限元法計算了站臺門系統在不同的載荷下的變形，做出了如下相關分析。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、滑動門玻璃及門框的位置相對較大。2）根據相關要求：框架、門體總變形量一般在10 mm～15 mm的一個數值。據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；框架在復合載荷條件1+2下為最大變形9.61 mm，同時玻璃在固定門中間位置發生最大變形量為8.55 mm。3）固定門的玻璃中間是整體結構變形量極限值出現的點，由于固定門靠近乘客側允許變形量不能侵入相關限界，極有可能侵入限界的地方應該在地鐵動態包絡線的滑動門門框處的變形，以后設計安裝施工過程中需重點注意滑動門在門框處的結構變形。

圖1 站臺門俯視圖單元網格劃分

3 結語

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

圖2 施加正風壓載荷形成站臺門Y方向框體變形

圖4 施加復合載荷形成站臺門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 施加復合載荷形成站臺門Y方向玻璃門變形

表5 最大變形量