地铁站台屏蔽门门体结构的有限元分析＊

廖爱华 黄 旭 周 祺

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海；2.上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，200233，上海∥第一作者，副教授）

地铁站台屏蔽门系统安装于地铁车站站台边缘，能提高运营安全性、改善乘客候车环境、节约运营成本［1］。目前，屏蔽门的设计、制造、安装主要由英国 Westinghouse、法国Faiveley、日本 Nabco、瑞士KABA等几家公司承担，国内对屏蔽门进行的相关研究较少。只有加大屏蔽门的研发力度，才能加快屏蔽门系统国产化，降低造价，使屏蔽门具有更加广阔的应用前景。

本文根据屏蔽门的安全性、经济性功能，建立了合理的有限元计算的屏蔽门结构力学模型，对屏蔽门结构在不同工况下的应力状态进行了分析，得到了结构整体的应力及变形分布。

1 屏蔽门机械系统结构

屏蔽门系统的门体结构主要由双扇滑动门、固定门、应急疏散门、端墙和手动端门组成。屏蔽门系统一般可以划分为若干个单元，包括双扇滑动门单元、应急疏散门单元和端门单元。各个单元又分别由一定数量的固定门、双扇滑动门或应急疏散门所构成。各单元的分布及其运动形式如图1所示。

图1 屏蔽门单元布置示意图

双扇滑动门单元是屏蔽门系统的主要构成部分，而应急疏散门单元是双扇滑动门单元结构形式的变换。端门和应急门可以采用同样的结构。因此，本文着重对双扇滑动门单元结构进行分析。

2 计算模型与荷载

2.1 模型的简化

屏蔽门的实际模型相当复杂，在不影响计算精度的前提下，有限元分析时需对机械结构系统进行简化处理，将不受载的零件如密封橡胶和防护板等简化，将螺栓简化为连接约束等［2］。以屏蔽门的典型结构（含2扇标准固定门和2扇中分双开活动门）为例，双扇滑动门的整体结构如图2所示。其中，门体主要由铝合金门框及钢化玻璃组成，用于隔离站台与轨道；承重结构主要由门槛、底座及立柱等部件组成，在屏蔽门系统中起到骨架的作用，用于支撑整个屏蔽门系统及承受各种荷载。

图2 双扇滑动门的结构示意图

屏蔽门的有限元模型中，门框、横梁、底座和玻璃等结构都采用板单元；零件相互接触处采用固连方式处理，并根据实际对各零件的材料参数进行相应设置；把门扇与刚架分开，荷载直接作用在门扇上，门扇的支撑形式设计成点支撑。屏蔽门的有限元分析网格如图3所示。

图3 门体网格图

本文采用SolidWorks软件中的SolidWorks Simulation插件进行有限元分析。各种材料的参数如下：钢化玻璃弹性模量为68GPa，泊松比为0.25，密度为2 500kg／m3，玻璃板厚度为8mm；门框截面为60mm×60mm，铝合金弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，密度为2 700kg／m3。在各种工况条件下，地下车站屏蔽门所有构件的应力不得超过其许用应力，其最大弹性变形不超过10mm［3］。

2.2 屏蔽门边界条件及荷载设置

根据实际情况，在屏蔽门系统结构有限元模型中施加的边界条件主要为固定约束，包括底座约束和顶部支撑约束，门框和支撑之间采用固连方式相互连接。由于2个滑动门可以左右滑动，即X方向自由，故滑动门的约束为5个自由度。

屏蔽门承受的外部荷载主要有风压、人群挤压荷载、冲击荷载和地震荷载等［4］。其中，冲击荷载按工况分为4类，人群挤压荷载简化为节点力，风压简化为作用于玻璃板上的均匀压力，地震荷载简化为加速度。

屏蔽门系统在实际运行过程中是多种荷载的组合，因此，在设计计算时应按最不利荷载组成的工况考虑。人群挤压荷载和冲击荷载不同时出现。表1为各种工况下的荷载组合。

表1 各种工况下的荷载组合

3 计算结果分析

3.1风压荷载作用

风压荷载主要为列车运行时产生的活塞风施加于屏蔽门上而产生的荷载，其大小取2 800N／m2，垂直作用在屏蔽门上。风压荷载作用下滑动门和固定门的应力及位移如图4及图5所示。

由图4和图5中可以看出，在风压荷载的作用下，滑动门产生的最大变形为1.70mm，最大结构应力为14.3MPa；固定门产生的最大变形为3.51 mm，最大结构应力为20.6MPa。

3.2 挤压荷载作用

乘客挤压力是由于乘客推挤屏蔽门而造成的，为线型荷载，大小为1 500N／m，作用在门槛上方1.1m处。挤压荷载作用下滑动门与固定门的应力及位移如图6及图7所示。

图4 滑动门的应力和位移（风压荷载）

图5 固定门的应力和位移（风压荷载）

图6 滑动门应力和位移（挤压荷载）

图7 固定门的应力和位移（挤压荷载）

由图6和图7中可以看出，在挤压荷载作用下，滑动门产生的最大变形为1.23mm，结构最大应力为11.3MPa；固定门产生的最大变形为2.27mm，最大结构应力为13.7MPa。由于滑动门具有较小的位移空隙，其受力和变形均比固定门小许多。

3.3 冲击荷载作用

乘客冲击荷载大小为1 400N，离门槛1.1m处，作用面积为100mm×100mm。冲击荷载作用下滑动门与固定门的应力及位移如图8及图9所示。

图8 滑动门的应力和位移（冲击荷载）

由图8和图9中可以看出，在冲击荷载的作用下滑动门产生的最大变形为2.51mm，最大结构应力为22.5MPa；固定门产生的最大变形为3.86 mm，最大结构应力为26.9MPa。最大结构应力与最大变形均发生在中心位置。

3.4 地震荷载作用

查阅DGJ08－109－2004《城市轨道交通设计规范》可知，上海地区抗震设防烈度为7度，地震加速度C＝0.1g（g为重力加速度）。由下式可计算地震荷载。

式中：

G——每一门扇所受的重力，取为800N。

由此得F＝80N。

地震荷载在门扇门框长边上按均布荷载分析，q＝40N／m。

由于地震荷载的大小与风压荷载、挤压荷载及撞击荷载相差有2～3个数量级，故此可以忽略不计。

图9 固定门的应力和位移（冲击荷载）

3.5 几种荷载共同作用

一般情况下，挤压荷载和冲击荷载是不会同时出现的。依据表1的荷载组合，滑动门与固定门在工况1（风压荷载、挤压荷载、地震荷载共同作用）和工况2（风压荷载、冲击荷载和地震荷载共同作用）下的应力及移动见图10～13及表2。

图10 滑动门的应力和位移（工况1）

从以上的结果可以看出，钢化玻璃在两种工况下的最大变形为7.57mm，小于最大弹性变形（10 mm），说明钢化玻璃的变形在正常范围；变形量是以中心向四周依次递减的，最大应力为38.1MPa，小于钢化玻璃的许用应力值（50MPa）。因此，钢化玻璃在复合荷载作用下能够正常使用。此外，应力图显示玻璃门板应力比较集中的地方在门板四周，这与分析中给门板四周施加了约束有关，而实际运营中门板四周的约束与分析时相比会有一定的松动，因此玻璃门板四周的应力集中也会有一定程度的减小。

图11 固定门的应力和位移（工况1）

图12 滑动门的应力和位移（工况2）

图13 固定门的应力和位移（工况2）

表2 两种工况下滑动门和固定门的受力状况

4 结语

本文建立了地铁屏蔽门的结构分析模型，利用有限元法分析了屏蔽门结构的刚度和强度，得到了屏蔽门在各种荷载作用下的变形及应力情况，为屏蔽门的优化设计及可靠性设计提供了基础数据。

［1］陈韶章.地下铁道站台屏蔽门系统［M］.北京：科学出版社，2005：10－13.

［2］应寅琼，江虹，李成，等.基于有限元法的屏蔽门机械系统结构响应分析［J］.机车电传动，2012（2）：75.

［3］雷菊珍，朱毅，李东波.基于有限元分析的城市地铁屏蔽门结构计算与分析［J］.设计与研究，2007，34（11）：15.

［4］王永刚，胡煦.屏蔽门系统顶部结构的应力分析［J］.舰船科学技术，2007，29（1）：121.

［5］王珩.深圳地铁11号线站台屏蔽门系统设计中的几个问题［J］.城市轨道交通研究，2012（9）：83.