地铁站台门在不同载荷下变形量的模拟分析

孙秀芹

（南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 210000）

0 引言

站台门系统是设置在地铁轨道层和候车区完成隔离空间，具有改善运营的候车环境及安全性等优点。国内对站台门进行的相关研究比较少，而更多采用的是采购外国的核心部件进行组装，目前站台门的设计主要由Westinghouse、Faiveley、Nabco、KABA等几家公司承担。仅有对站台门的开发程度进行深入，才是站台门系统国产化率加大和降低成本的唯一途径，这样才会使其拥有更广泛的使用前景[1]。

科技的进步带动了计算力学及技术的应用发展，其中有限元法在工程实践中应用较为普遍，而该文对站台门的固定门、滑动门、关键承重结构的载荷进行模拟分析，并与实际工况进行比较。

1 模型建立

该文是基于SolidWorks及Ansys进行分析模拟的，其具体过程如下。

1.1 条件设定

1.1.1 建模数据

一对滑动门2 607 mm，一对应急门1 973 mm，一扇固定门2 607 mm，高为2 000 mm，门框高2 600 mm，滑动门玻璃厚度为 8 mm，固定门与应急门玻璃厚度均为10 mm。门槛距地面的高度为300 mm，顶箱横截面的宽度尺寸定为350 mm，顶箱盖板的厚度不小于1.5 mm。门框边及对角线长度公差≤±1 mm，平面度公差≤1.5 mm。其中，各个变量分别有如下取值范围的要求。

立柱其中宽度a2，高度a1，壁厚a3，见表1。

横梁其中宽度b2，高度b1，腹板厚b3，翼板厚b4，见表2。门框其中宽度j2，高度j1，壁厚j3，见表3。

性能指标：按国家GB12190-90GJBz-20219-94C级标准测试。

1.1.2 材料参数

材料具体参数见表4。

1.1.3 载荷设置

站台门承受外荷载主要有4个。1）风压。风压是根据工程经验公司进行预估。该次使用的是Westinghouse数据即静止荷载为1 500 N/ m。风压简化为作用于玻璃板上的均匀压力。风压被看作常值载荷，施加在玻璃、横梁正向表面上。2）挤压荷载。挤压荷载是指乘客在候车时可能会倚在站台门上， 依据地铁法规取距离1.1 m处为1 500 N/m，乘客挤压力被看作常量，挤压荷载简化为节点力。3）冲击荷载：冲击荷载是考虑到施工过程及人员拥挤可能造成的冲击，根据分析将冲击力看成是集中力：载荷看为振幅+2.8 kN及作用时间0.08 s的集中动载荷的半正弦波140 ms，或突然至1.5 kN在0.2 s将其直线为0（取不利的极限情况，作用在距离地面1.125 m 高处，冲击荷载作用区域是0.1m×0.1m）。设定乘客冲击力的位置在固定门玻璃的中心。4）地震荷载：据有关规范计算得73.5 N/m（假定地震为7级），可以忽略不计。

表1 立柱各参数要求

表2 横梁槽钢各参数要求

表3 门框各参数要求

表4 材料具体参数

1.1.4 边界约束

站台门机械部分系统是刚性设置在站台地面上，在模型的上下端选取固定约束边界条件输入，因为顶部结构件通过螺栓与立柱相连；同时，在模型的两侧选取对称的边界条件用来模拟沿轨道方向连续的站台门机械系统；依据实际工况在站台门系统结构有限元模型以固定约束为主要边界条件[2]；支撑及门框当中看作是完全约束选取固定方式进行连接；而滑动门的约束设置为5个自由度，同时2个滑动门在X方向自由。

1.2 模型简化

该文的研究对象是站台门的一个单元。此次模拟分析以市场应用较多的一对应急门、一对滑动门、一扇固定门为对象。该次站台门模拟选取门体及门框材质分别是钢化玻璃及铝合金，按照实际情况简化成壳及块体等构件模拟。简化的准则是在不失去构件力学特点的情况下简化计算模型并增加计算效率。

站台门模型的计算成本以及精度跟网格划分的密度直接相关，因此此次网格划分的原则是转化缓慢及应力小的部分可以用粗一些网格；坡度及应力大的部分可以采取精细网格；而两者之中相交的部分采取过渡单元连接。研判站台门的模型，单元基本尺寸为30 mm，单元数近10万个，可以将站台门零部件分成3类。1）壳单元（shell181）分析：横梁、顶部面板以及定位槽板等。2）单元（solid45）分析：顶箱型材形状复杂体。3）梁单元（beam4）分析：连接构建，简化为一种连接关系即可。网格划分如图1所示。

2 模拟结果与分析

表5分别为在不同载荷条件下站台门门框框体及玻璃Y方向的最大变形量汇总（因Y方向为载荷方向，而X、Z方向相对于Y方向的变形小且不涉及与设备限界要求等安全相关的问题，所以不一一列出）。

笔者利用有限元法计算了站台门系统在不同的载荷下的变形，做出了如下相关分析。1）从图2～图5的视图得出：站台门变形量在固定门玻璃及门框、滑动门玻璃及门框的位置相对较大。2）根据相关要求：框架、门体总变形量一般在10 mm～15 mm的一个数值。据图在所有载荷条件下，玻璃最大变形略小于10 mm，是满足最高安全性要求，并有一定的富余；框架在复合载荷条件1+2下为最大变形9.61 mm，同时玻璃在固定门中间位置发生最大变形量为8.55 mm。3）固定门的玻璃中间是整体结构变形量极限值出现的点，由于固定门靠近乘客侧允许变形量不能侵入相关限界，极有可能侵入限界的地方应该在地铁动态包络线的滑动门门框处的变形，以后设计安装施工过程中需重点注意滑动门在门框处的结构变形。

图1 站台门俯视图单元网格划分

3 结语

在上述分析中，对荷载组成的不同工况计算站台门结构变形，由分析可知地铁站台门系统整体结构及零部件的变形量均满足要求。最接近地铁动态包络线的滑动门门框处位置是全面满足条件。在正常实践要求下，地铁站台门的系统结构可以保证安全应用。模拟软件的通病是各种边界条件的简化及计算精度的不同会导致模型的偏差，所以分析得出的结论一般作为参照只有经过大量的实践验证才能得以应用。即使是这样，从分析中也可以知道计算机辅助工程的模拟研究在站台门制造中对提升质量以及缩小研发周期和降低成本等需求中起到了非常重要的作用。

图2 施加正风压载荷形成站台门Y方向框体变形

图4 施加复合载荷形成站台门Y方向框体变形

图3 施加冲击载荷形成站台门Y方向玻璃门变形

图5 施加复合载荷形成站台门Y方向玻璃门变形

表5 最大变形量