京張高鐵八達嶺長城站42 m大提升高度自動扶梯設(shè)計

林 耀,韓 飛,戴曉彬,王 東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司機械動力設(shè)計研究院,北京 100055)

引言

自動扶梯是帶有循環(huán)的運行梯級，用于向上或向下傾斜運送乘客的固定電力驅(qū)動設(shè)備[1]，在國內(nèi)公共交通領(lǐng)域及鐵路行業(yè)內(nèi)被廣泛應用。

目前，大提升高度自動扶梯在城市軌道交通中應用較多[2-3]。如武漢地鐵1號線宗關(guān)站自動扶梯提升高度22.465 m；南寧地鐵1號線青秀山站自動扶梯提升高度26.4 m(國內(nèi)城市軌道交通最大提升高度)。鐵路行業(yè)中大提升高度自動扶梯應用較少，其中，張家口至呼和浩特鐵路懷安站自動扶梯提升高度15.5 m；廈深鐵路坪山站自動扶梯提升高度為17.569 m(國內(nèi)鐵路車站最大提升高度)。

京張高鐵八達嶺長城站是目前世界上埋深最大的高鐵地下車站[4-5]，站臺至地面站房全程提升高度約62 m，其中，進、出站通道提升高度分別達到40.145 m和42 m。由于國內(nèi)軌道交通及鐵路行業(yè)內(nèi)運用的公共交通型[6]自動扶梯無類似提升高度自動扶梯的使用和實際運營經(jīng)驗，因此，需對自動扶梯的提升方案、技術(shù)參數(shù)、安全保護措施、運輸徑路進行設(shè)計研究。

1 工程概況

八達嶺長城站位于北京市境內(nèi)八達嶺滾天溝停車場內(nèi)，車站有效站臺長450 m，車站總長470 m，地下部分建筑面積為4.05萬m2。車站每側(cè)站臺各設(shè)2個進、出站口，分別到達進、出站通道層。進站通道層連接地面站房地下一層，出站通道層連接地面站房地面層，車站中心處線路埋深約102.550 m。站臺至地面站房全程提升高度約為62 m[7]。八達嶺長城站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 八達嶺長城站透視

八達嶺長城站地下部分共3層，出站通道層、進站通道層和站臺層疊合布置。進站通道層上端與地面站房地下一層相接，下端與站臺層相接，提升高度為13.65 m，通道內(nèi)提升高度40.145 m；出站通道層上段與地面站房一層相接，下端與站臺層相接，提升高度為20.1 m，通道內(nèi)提升高度42 m。

2 進出站通道提升方案

2.1 一級提升方案

進站通道內(nèi)設(shè)置1部斜行電梯及3部自動扶梯與地面站房地下一層候車廳相接，一級提升，全程提升高度為40.145 m。出站通道內(nèi)設(shè)置1部斜行電梯及3部自動扶梯與地面站房地下一層相接，一級提升，全程提升高度42 m。一級提升方案進出口通道平、立面如圖2、圖3所示。

圖2 一級提升方案進出口通道平面

圖3 一級提升方案進出口通道立面

2.2 二級提升方案

進站通道與地面站房地下一層候車廳相接，兩級提升，每級提升設(shè)置1部斜行電梯及3部自動扶梯，第一級提升高度約為19.175 m，第二級提升高度約為20.97 m。出站通道與地面站房地下一層相接，兩級提升，每級提升設(shè)置1部斜行電梯及3部自動扶梯，每級提升高度約為21 m，全程提升高度為42 m。二級提升方案進出口通道平、立面如圖4、圖5所示。

2.3 提升方案比選

兩種提升方案各有優(yōu)缺點。一級提升方案較二級提升方案，工程投資更大，生產(chǎn)周期較長，國內(nèi)應用案例少，但其具有可一次性快速運輸旅客、旅客行進速度快[8]、舒適度高、故障率低及事故點少等優(yōu)勢。通過綜合考量，推薦一級提升方案。具體優(yōu)缺點分析如表1所示。

圖4 二級提升方案進出口通道平面

圖5 二級提升方案進出口通道立面(單位：mm)

表1 一、二級提升方案優(yōu)缺點分析

3 大提升高度自動扶梯技術(shù)參數(shù)研究

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

自動扶梯每天連續(xù)工作20 h，每周7 d，全年工作365 d。在任何3 h間隔內(nèi)，其載荷達到100%制動載荷(120 kg/梯級)的持續(xù)重載時間至少為1 h。其余時間按60%制動載荷運行。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 大提升高度自動扶梯主要技術(shù)參數(shù)

3.2 主機功率計算

由于自動扶梯提升高度較大，常規(guī)扶梯的主機功率已無法滿足驅(qū)動需求，需根據(jù)自動扶梯的系統(tǒng)參數(shù)進行校核計算[9-10]，得出滿足大提升高度的驅(qū)動功率需求。輸入的系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 自動扶梯系統(tǒng)參數(shù)

通過表2參數(shù)計算電扶梯主機功率。由單梯級制動負荷、乘客端梯級數(shù)量和負載因數(shù)可算得乘客載荷產(chǎn)生的梯級鏈拉力，如式(1)所示。

Fload_d_MP=PMPFdNinclsinα

(1)

由乘客端梯級數(shù)量可算得梯級單元自重產(chǎn)生的梯級鏈拉力(2邊)，如式(2)所示。

Fsa=Ninclgsinα

(2)

由乘客載荷產(chǎn)生的梯級鏈拉力算得靜態(tài)額定負載的彎曲力(2邊)，如式(3)所示。

(3)

由梯級單元自重產(chǎn)生的梯級鏈拉力算得梯級單元自重產(chǎn)生的彎曲力(2邊)，如式(4)所示。

(4)

進一步可算得由靜態(tài)額定負載產(chǎn)生的摩擦力(2邊)，如式(5)所示；和由梯級鏈自重所產(chǎn)生的摩擦力(2邊)，如式(6)所示。

Ff_d_MP=(PMPFdNinclcosα+

2NflatPMPFd+Fcv_d_MP)×u1

(5)

Ff_sa=(NinclMsagcosα+

2NflatMsag+Fcv_sa)×u1

(6)

由同步電機轉(zhuǎn)速與滑移率，可算出電機軸的實際轉(zhuǎn)速，如式(7)所示。

rpmrated=rpmn×(1-sliprated)

(7)

則可算得電機軸的輸出功率，如式(8)所示。

Pmotor_up=(Fload_d_MP+Ff_dMP+2Ff_sa+

(8)

通過電機軸的輸出功率與主機總效率，可反推出電動有功功率，如式(9)所示。

(9)

則按照式(10)可算得電機軸的等效功率，即

PEQ=Pmotor_active_upPLT

(10)

綜上所述，最終算得電機等效功率為76.6 kW，本工程選用電機功率P=110 kW，能夠滿足負載功率需求。

3.3 桁架有限元分析

由于自動扶梯提升高度大，可達40 m以上；跨度長，達到近80 m，為保證桁架結(jié)構(gòu)安全，對其進行有限元分析。桁架材料采用Q345-C，桁架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自動扶梯桁架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

自動扶梯的結(jié)構(gòu)架主要由薄壁結(jié)構(gòu)梁和鋼板通過焊接進行連接。本次仿真計算，以提升高度42 m自動扶梯為例，梁單元采用BEAM188單元，殼單元采用SHELL181單元，將二者有機耦合[11-13]。

約束：實際使用中，自動扶梯金屬結(jié)構(gòu)架兩端的角鋼[14]直接安放在混凝土支撐梁上，故在分析中可認為該結(jié)構(gòu)為兩端簡支。

載荷：計算強度時載荷如表4所示，計算時考慮結(jié)構(gòu)強度工況載荷為所有載荷項的加和。

表4 強度計算載荷

仿真云圖應力計算結(jié)果如圖7所示，撓度計算結(jié)果如圖8所示，桁架強度和撓度計算結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。由圖7、圖8中計算結(jié)果可知，在工況載荷下，桁架最大垂向變形出現(xiàn)在抬升區(qū)底部，大小為6.26 mm；最大應力值為82.3 MPa，出現(xiàn)在桁架中部位置，整體最大撓度為1/1 677，安全系數(shù)4.1。通過計算可知，設(shè)計桁架結(jié)構(gòu)，其應力、撓度、安全系數(shù)均能滿足使用需求。

圖7 自動扶梯桁架應力計算結(jié)果云圖(單位：MPa)

圖8 自動扶梯桁架撓度計算結(jié)果云圖(單位：mm)

表5 桁架強度和撓度計算結(jié)果

3.4 技術(shù)要求調(diào)整

較常規(guī)自動扶梯，八達嶺長城站大提升高度自動扶梯針對水平梯級數(shù)量、驅(qū)動主機配置[15]、梯級鏈類型[16]等關(guān)鍵技術(shù)要求，結(jié)合國標GB 16899—2011[1]、歐標EN115—1:2017[17]、地方標準DB11/T 705—2019[18]等自動扶梯相關(guān)規(guī)范要求，進行了修改與調(diào)整。其具體調(diào)整項目、調(diào)整原因如表6所示。

表6 技術(shù)要求調(diào)整匯總

3.5 安全保護措施

同時，為保證大提升高度自動扶梯的運行安全，經(jīng)研究提出多種安全保護措施，包括供電系統(tǒng)斷相、錯相保護裝置、電機保護、工作制動器、附加制動器[19]、超速保護裝置、意外逆轉(zhuǎn)保護[20]、梯級鏈保護裝置、扶手帶保護裝置、扶手帶速度監(jiān)控裝置、扶手帶入口保護、梳齒板安全開關(guān)、梯級塌陷保護、梯級運行安全裝置、裙板安全保護、驅(qū)動鏈破斷保護裝置、裙板防護、急停開關(guān)、接地故障保護、梯級缺失報警裝置[21]、防梯級上沖安全裝置、制動器安全裝置、水位安全開關(guān)、上下機坑蓋板安全裝置、驅(qū)動主機移位安全保護裝置、梯級橫向位移保護裝置、乘梯人數(shù)實時顯示裝置，共計26種措施。其中，由于八達嶺長城站大提升高度自動扶梯的特殊性，提出了3條與常規(guī)扶梯不同的修改和調(diào)整，如表7所示。

表7 安全措施調(diào)整匯總

4 大提升高度自動扶梯運輸徑路

為減少人力、物力消耗，有效縮短工期，提高施工效率，應結(jié)合施工工程實際情況選擇自動扶梯最佳的運輸及吊裝方式。針對八達嶺長城站扶梯運輸通道進行詳細研究。

由于本工程施工工期要求較短，施工過程中暫不考慮采取軌道運輸?shù)姆绞健９试谲囌驹O(shè)計過程中考慮了自動扶梯運輸通道的需求。

進站通道自動扶梯采用自下而上的安裝方案，因此，自動扶梯到達現(xiàn)場后，采用由2號井主通道—2號分通道—進站通道扶梯下部的運輸路線。由于通道寬度只有6 m，且2號井主通道—2號分通道之間存在直角轉(zhuǎn)彎，因此，扶梯采取分段運輸(經(jīng)現(xiàn)場測量、計算，其中最長部分不超過10 m)，運輸過程中采用正反轉(zhuǎn)卷揚機和拉板式地滑輪將扶梯運到進站通道扶梯下部。因大型起重設(shè)備無法進入，現(xiàn)場采用預留的吊鉤作為起吊點進行安裝。路徑如圖9中紅色箭頭所示。

圖9 自動扶梯運輸徑路示意

根據(jù)工程整體時間計劃及土建施工進度，出站通道扶梯安裝時間要求與進站通道扶梯基本同步，此時出站通道地面尚未施工完成。根據(jù)上述情況，同時結(jié)合地面站房的施工進度，出站通道扶梯采用自上而下的安裝方案。扶梯到達現(xiàn)場后，直接通過地面站房吊裝至其地下一層的扶梯安裝地點，由于大型起重設(shè)備無法進入，現(xiàn)場采用預留扶梯吊鉤作為起吊點進行安裝。

5 結(jié)語

根據(jù)八達嶺長城站工程42 m大提升高度需求，設(shè)計提出采用一級提升的自動扶梯方案，是目前國內(nèi)公共交通領(lǐng)域最大一級提升高度的自動扶梯。為確保大提升高度自動扶梯運行安全可靠，對其運行受力進行力學計算，確定主機功率P=110 kW滿足驅(qū)動需求，遠大于常規(guī)自動扶梯主機功率。通過對大跨度桁架進行仿真，確保結(jié)構(gòu)可靠滿足規(guī)范要求。

同時，針對大提升高度自動扶梯的特殊性，比較常規(guī)自動扶梯提出技術(shù)參數(shù)及安全措施的調(diào)整方案，確保其運行安全。且結(jié)合現(xiàn)場隧道空間狹小、轉(zhuǎn)彎半徑小等實際工程情況及施工工期，確定運輸徑路和安裝方法確保自動扶梯按時安裝交付。

京張高鐵八達嶺長城站大提升高度自動扶梯已于2019年12月交付使用并安全運行至今，實現(xiàn)八達嶺長城站1.29萬人/d、高峰小時2 350人/h的客流運輸要求。本工程設(shè)計為日后類似工程項目的實施提供了借鑒和設(shè)計依據(jù)。