地铁防淹门设计与门扇力学性能分析*

赵继平

(中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100048)

0 引 言

近年来随着城市基础交通设施的大规模建设，地铁交通网络由于其自身所独具的优点，受到了各大城市的青睐，随着地铁交通网络的建成，由于其在地下隐蔽性的特点，在其发挥交通枢纽的同时，也被我国广泛的当做战时隐蔽的防空设施之一。近年来随着地铁枢纽系统在国家人民防空工程中的地位不断提高，其防护作用已由初期的战时防空这一单一作用，逐渐发展成战时防空，灾害时防灾的多功能性设施，这也对防护设备提出了更高的要求[1]。为提高传统防护密闭门的工作性能，中国建筑标准设计研究院，在自身已有防护设备的基础上，开发了新产品——地铁防淹门。

笔者通过对地铁防淹门的主要组成部件及运动机理分析，介绍了防淹门的设计思路，并分析了最大水头压力作用下门扇的力学性能，为地铁人防防护设备的设计、研发及优化提供了理论参考。

1 地铁防淹门的主要组成部件及运动机理

地铁防淹门设置于地铁隧道通过江河湖泊水流较多区域，起防灾作用。由动力组件、导轨、门扇、锁定装置和门框等部件组成，如图1所示。是一种全自动控制的地铁人防防护设备[2-4]。其运动机理是：当隧道内水位上涨至预警水位，报警系统启动，锁定装置通过电机驱动脱离门扇卡扣，由动力组件驱动门扇下落，挤压门框实现密闭功能，保护隧道内设施及人员安全。

图1 列车活塞效应示意图

2 门扇的力学性能分析

2.1 不考虑外面板作用的强度分析

如图2所示，是防淹门门扇主梁计算荷载面积。

图2 主梁计算荷载面积

此方案采用HN-396×199×7×11的工字型钢。由于防淹门上下门扇工字梁布置间距不同，故应选取承载最大均布力的梁进行计算，工字钢的最大间距按0.571 m，梁跨度L=4 200 mm。作用在门扇两侧的设计压力按等效静荷载180 kN/m2计算，则梁计算等效静荷载为q=1.03×105 N/m。梁跨中的界面弯矩[5]，按式(1)计算:

(1)

由式(1)得：

Mx=2.27×105(Nm)

在主平面内受弯的门扇受力型钢，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)其强度按式(2)计算：

构件单向受弯计算公式：

(2)

式中：Mx为绕x轴的弯矩；Wx为对x轴的净截面模量，本方案取960.8 cm3；γx为截面塑性发展系数，对于工字型截面取1.05；fd为钢材的抗弯强度设计值，Q345型材取230 N/m2。

由式(1)和式(2)得：

=224.6 N/mm2<[σ]=230 (N/mm2)

由计算可知，门扇结构在仅考虑工字梁承载的情况下，主梁型钢提供的承载力能够满足强度设计的要求。

2.2 考虑外面板共同作用的强度分析

考虑外面板共同受力，由《钢结构设计规范》(GB50017-2003)规定，考虑两侧面板的外伸长度为78 mm。组合截面形心距下翼缘距离[6]，按式(3)计算：

(3)

式中：a为工字钢截面宽度，本方案取199 mm；b为工字钢截面高度，本方案取396 mm；t为外面板厚度，本方案取15 mm；S为截面积，取7 141 mm2。

代入式(3)，得：

ya=125.2 mm

组合截面的抗弯面积矩按式(4)计算:

t(a+78×2)(ya-0.5t)

(4)

将值代入式(4)得：

W=2 228.2 cm3

考虑组合结构抗弯作用下产生的最大应力值为：

=97.0 N/mm2<[σ]=230 (N/mm2)

计算可知结构承载力满足要求。

2.3 门扇刚度与稳定性验算

门扇在荷载作用下应满足规范相关变形的要求，对于起主要承载能力的主梁，要求其最大变形不超过门扇跨度的1/600，门扇跨度L=4 200 mm，则：

(5)

式中：w为门扇最大变形值，mm；E为型钢的弹性模量，Q345工字钢取206 GPa。

由式(5)计算得：

w=6.77mm

由计算可知，在仅考虑主梁承载下其最大变形量满足规范对门扇变形最大值的要求。

主梁承重结构的高度与厚度比h0/tw<80，满足稳定性要求，可不必配置加劲肋板。

3 有限元计算分析

3.1 梁构件有限元计算

对门扇工字梁进行有限元计算，计算结果如图3。

图3 单根工字梁应力云图

对应最大水头荷载作用条件下工字梁结构产生的最大应力出现在工字梁中段的上下翼缘处，相应应力值为：

σmax=242.7 kPa>[σ]=230 kPa

仅考虑主梁承载，不能满足承载力的要求。

3.2 门扇整体有限元计算

对门扇整体进行有限元计算，计算结果如图4所示。

图4 门扇应力云图

由计算可知水头荷载作用下结构中对应的最大应力：

σmax=146.4 N/mm2<[σ]=230 N/mm2

满足承载力的要求。

4 结 论

综上，将通过不同方法计算得到的结构中分布的最大应力值汇总如表1所列。

表1 结构最大应力计算结果

仅考虑单根梁的强度略微大于材料许用应力值，对门扇整体计算分析时，最大水头荷载作用下，结构中的最大应力值小于材料许用应力值，满足强度要求。

不考虑面板作用，门扇所受最大应力值接近材料许用应力值，当考虑面板作用时，门扇所受最大应力值明显下降，远低于材料许用应力值，满足强度要求。

由此，在设计地铁隧道防淹门时，综合考虑门扇和面板的共同作用，在满足抗力要求的前提下，可适当减小型材规格和面板厚度，便于动力组件更快地起吊防淹门，缩短平战转换时间，达到节本增效的目的。同时，对于优化地铁防淹门，乃至地铁人防防护设备的设计和优化提供理论支撑。在满足抗力要求的前提下，尽可能地缩短平战转换时间，为抵御现代化城市战争及洪涝灾害，争取更多的掩蔽疏散时间。