上海軌道交通15號線車輛底架結構耐火設計

□ 湯云哲 □ 楊苑斐 □ 龍慧琴

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 設計背景

上海軌道交通15號線是上海軌道交通網絡中的一條重要南北徑向線,途經寶山區、普陀區、長寧區、徐匯區、閔行區五個行政區,全長約42.3 km,為地下線,車站共30座。上海軌道交通15號線車輛為全自動駕駛列車,滿足EN 62290-2—2014《軌道交通 城市指導運輸管理和命令/控制系統 功能要求規范》中最高等級GOA4等級要求。上海軌道交通15號線車輛采用A型鋁合金車體,每列車六節編組,四動兩拖,最高速度為80 km/h。車輛長140 m,寬3 m,最大載客量為2 670人[1-2]。由于車輛為全自動駕駛列車,因此對車輛的防火性能提出較高的要求,車輛所有材料均需要滿足EN 45545 HL3—2013《軌道交通車輛的防火標準》的要求,同時客室間壁、底架地板需要滿足結構耐火要求[3]。

2 耐火技術要求

上海軌道交通15號線技術規格書中對底架結構耐火的要求如下:車體下部設有防火隔離層,應按照ASTM E119—2014《建筑結構和材料的防火試驗標準 試驗方法》及NFPA 130—2017《固定式導軌傳輸和乘客鐵路系統標準》進行防火試驗,達到45 min的防火隔離能力。

底架承載車體、車頂設備、車內設備、車下設備及乘客的全部質量,并傳遞至轉向架。在列車運行中,底架承受牽引力、制動力及各種其它外力,是車體及車輛最重要的結構。廣義的底架,除車體底架外,還包括車下設備、隔聲隔熱層、鋁蜂窩地板、地板布等。底架如圖1所示,用于承載乘客,提供乘客站立的位置。由于車下設備及軌道上有大量電氣部件,因此底架存在一定的火災風險。為了保護客室內的乘客,需要對底架結構進行耐火設計,以阻止電氣設備火災后對乘客造成威脅,給乘客提供足夠的逃生時間[4-5]。

圖1 底架

根據ASTM E119—2014《建筑結構和材料的防火試驗標準 試驗方法》中第8.6條地板和屋頂試驗測定地板樣品耐火性能的要求,進行試驗的標準溫度時間曲線如圖2所示。試驗進行45 min時,爐內溫度達到近900 ℃。在整個試驗過程中,需要滿足以下條件:

圖2 試驗標準溫度時間曲線

(1) 底架背火面沒有持續火焰竄出,沒有出現熱氣點燃棉墊的情況;

(2) 底架背火面的平均溫升不大于139 ℃,單點最高溫升不大于181 ℃;

(3) 底架需支撐相應的承載質量,最大變形量滿足標準要求。

3 耐火設計

根據底架結構耐火要求,在充分考慮結構功能和耐火功能的基礎上,對底架結構進行設計,采用防火涂料、鋁底架、地板橡膠件、隔聲隔熱材料、鋁蜂窩地板和地板布的結構形式。底架實物如圖3所示[6]。

圖3 底架實物

底架分層結構如圖4所示,分為有支撐區域和無支撐區域。在無支撐區域,鋁型材及型腔內填充滿空氣,然后鋪設防寒材料,依次為4 mm厚陶瓷纖維毯、6 mm厚開口橡膠泡棉、0.8 mm厚隔聲墊,最后鋪設18 mm厚鋁蜂窩地板、3 mm橡膠地板布。在支撐區域,鋁型材及型腔內填充滿空氣,然后交叉鋪設支撐和防寒材,依次為4 mm厚陶瓷纖維毯、6 mm厚開口橡膠泡棉、0.8 mm厚隔聲墊,最后鋪設18 mm厚鋁蜂窩地板、3 mm橡膠地板布。

圖4 底架分層結構

4 耐火材料選擇

4.1 防火涂料

鋁合金在高溫時的力學性能遠不如碳鋼、不銹鋼。鋁合金熔點一般為600～660 ℃,而常見的鋁型材在300 ℃左右將喪失40%～60%的強度。通過噴涂耐火隔熱涂層的方式提高低熔點鋁合金材料的耐火性能,可以延緩整體結構強度的衰減時間。可見,防火涂料的性能對底架耐火性能起關鍵性作用,一定要選用性能優異并經過實際驗證的產品[7-10]。上海軌道交通15號線車輛選用1.5 mm厚防火涂料。防火涂料以對環境無污染的可膨脹石墨為基礎,當溫度達到150 ℃時,涂料開始膨脹,形成阻火隔熱絕緣層,具有高達50倍的膨脹倍率。在火災發生的不同階段,防火隔熱涂層隨溫度上升進行反應,逐級膨脹,形成穩定的保護絕緣隔熱層。

防火涂料的原理主要有以下幾點:

(1) 防火涂料本身難燃或不燃,使被保護基材不與空氣接觸,減緩物體著火的速度;

(2) 防火涂料的導熱系數較低,可以延緩火焰溫度向被保護基材的傳遞;

(3) 防火涂料受熱可分解出不可燃氣體,降低氧氣及可燃性氣體的濃度,減緩燃燒速度;

(4) 防火涂料高溫下膨脹發泡,形成碳質泡沫阻火隔熱絕緣層,封閉被保護基材,延遲熱量向被保護基材的傳遞,阻止物體著火燃燒或因溫度升高導致強度下降。

4.2 陶瓷纖維毯

為防止底架下部的熱量過多穿過鋁型材傳遞至鋁蜂窩地板及地板布,避免導致鋁蜂窩地板損壞乃至結構坍塌,在鋁底架上表面放置4 mm厚陶瓷纖維毯。陶瓷纖維毯由特制陶瓷纖維長絲經特別雙面針刺工藝加工而成,具有導熱率低、隔熱性能優、高溫收縮小、裁剪安裝簡便,以及抗拉強度、化學穩定性、抗侵蝕性、抗振性、吸聲性能良好等特點,能夠長期耐受1 200 ℃高溫的烘烤[11]。

4.3 防火封堵模塊

貫通孔處由于無法涂防火漆,無法放置隔聲隔熱層,因此是底架結構耐火的弱點。對此,上海軌道交通15號線車輛選用防火封堵模塊。平時,電線可以自由穿過防火封堵模塊,當遇到火焰高溫時,防火封堵模塊會發生膨脹,將貫通孔完全堵塞,阻止火焰、煙霧傳播。防火封堵模塊實物如圖5所示,封堵效果如圖6所示。

圖5 防火封堵模塊實物

圖6 防火封堵模塊封堵效果

4.4 其余材料

鋁底架材料為6005A-T6,鋁蜂窩地板蜂窩芯材料為3003-H18,面背板材料為5052-H32,0.8 mm厚隔聲墊和3 mm厚地板布材料均為密實型橡膠。所有材料均滿足EN 45545 HL3—2013《軌道交通車輛的防火標準》要求。這些材料對于結構耐火不起關鍵性作用,因此不再贅述。

5 試驗驗證

由于無法使用實際底架進行耐火試驗,因此需要根據試驗方案制作試驗樣件。試驗樣件尺寸為4 500 mm×3 000 mm,將底架會出現的各種典型結構排布于試驗樣件中,如圖7所示。圖7中，四個角區域代表特殊情況。

圖7 底架試驗樣件

由于在車體兩端電器柜處會有電線從底架下穿到底架上,因此在實際車體上還會有貫通孔和防火封堵模塊。對此,試驗樣件上也需要開貫通孔,并安裝防火封堵模塊。在進行耐火試驗前,上表面放置棉墊作為試驗樣件完整性的標準之一。

試驗樣件制作過程中,需要注意防火涂料的厚度。1.5 mm厚防火涂料需要進行三道噴涂,每道噴涂厚0.5 mm。為了保證厚度,每道噴涂之后都需要使用超聲波膜厚儀測量膜厚。需要保證最終樣品膜厚在1.2～1.5 mm之間,少數區域小于1.6 mm,滿足要求。

還要注意底架滑槽的內外表面均需要拋光,涂底漆,但只有底架滑槽外部的斜面需要涂防火涂料。這是為了模仿實際滑槽情況,滑槽的內表面需要有螺栓通過,而外表面的下平面則會和滑塊上表面接觸,所以不能涂防火涂料,否則影響安裝。

將底架放置于耐火爐3 m×4 m尺寸爐口上,底架下表面為受火面,耐火試驗現場如圖8所示。底架上表面需放置棉墊,作為試驗樣件完整性的標準之一。耐火試驗按照ASTM E119—2014《建筑結構和材料的防火試驗標準 試驗方法》第8.6條地板和屋頂試驗測定地板樣品耐火性能的要求進行。

圖8 耐火試驗現場

爐內溫度自動控制,按圖2曲線執行。14根爐內熱電偶用于監控爐內溫度,9根固定在試驗樣件背火面的熱電偶用于檢測試驗樣件背火面的溫升,所有熱電偶用于測定試驗樣件的平均溫升和最高溫升。采用變形測量儀測定試驗樣件背火面中心位置的變形。在整個試驗過程中,時刻觀察試驗樣件情況、棉墊是否起火,并記錄參數。

爐內溫度、背火面溫升每隔30 s記錄一次,背火面溫升曲線如圖9所示。

圖9 背火面溫升曲線

采用變形測量儀測定試驗樣件背火面中心位置的變形,每隔1 min記錄一次。試驗樣件變形量曲線如圖10所示。

圖10 試驗樣件變形量曲線

爐內壓力每隔30 s記錄一次,爐內壓力曲線如圖11所示。

圖11 爐內壓力曲線

試驗樣件經過45 min耐火試驗后,結構完整,平均溫升為69 K,最高溫升為81 K,最大變形量為60 mm,滿足要求,驗證了設計方案的合理性。試驗后試驗樣件情況如圖12所示。

圖12 試驗后試驗樣件情況

6 結束語

上海軌道交通15號線車輛底架結構耐火設計合理,試驗樣件順利通過45 min耐火試驗,可以為類似項目底架結構耐火設計提供參考。在后續項目設計時,還應從三方面做進一步研究。

(1) 防火涂料在厚1.5 mm的情況下質量為130 kg,需要考慮是否可以進一步減薄與輕量化。

(2) 除安裝有設備的滑槽段外,其余滑槽段的內表面沒有防火涂料,容易成為耐火薄弱點,需要進一步研究相關結構并進行優化。

(3) 火災的發生是不可預料的,因此所采用的防火涂料在壽命周期內需要保持優良的防火性能,不能出現剝落、粉化等現象,且防火性能不能明顯降低。防火涂料的耐久性能具有隱蔽性,且更具危害性,所以應引起重視。

[1] 牛煒霖,呂元穎.上海軌道交通15號線車體結構有限元分析與試驗[J].裝備機械,2020(1):27-31.

[2] 敬敏.上海軌道交通15號線車輛司機室的結構設計[J].上海電氣技術,2020,13(1):38-41,63.

[3] 王艷麗,張中云,張政.防火標準在城軌車輛內裝設計中的應用[J].鐵道技術監督,2015,43(4):6-9.

[4] 常樹民.城市軌道車輛防火與安全撤離設計[J].裝備機械,2009(4):26-31.

[5] 郭濤.全自動駕駛地鐵車輛安全性需求分析[J].交通世界,2016(31):118-119.

[6] 常樹民,申永勇,石得春.城市軌道交通車輛輕量化設計研究[J].裝備機械,2020(1):21-26.

[7] 劉奉令,周斌.地鐵底架防火涂料及施工應用介紹[J].現代涂料與涂裝,2019,22(3):15-16,70.

[8] 戴惠新,鄭云昊,朱亞軍,等.軌道車輛車體底架用防火涂層介紹[J].現代涂料與涂裝,2015,18(1):33-35.

[9] 孔維鳳,孫勇,夏春晶,等.波士頓地鐵地板結構耐火測試研究[J].科技創新導報,2018,15(7):77-79.

[10] 陳小偉,陳國幗,郭高峰.防火涂料在地鐵車輛上的應用[J].現代涂料與涂裝,2015,18(10):11-14.

[11] 賈國秀,胡成城,沈湘黔.錳鋅鐵氧體陶瓷纖維的制備與磁性能研究[J].稀有金屬材料與工程,2008,37(S1):217-220.