列车高速过站风压对站台门结构特性的影响

王志飞

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京100081）

1 引言

有限元仿真软件能实现多学科的机械、液压、气动、热、电磁等领域的仿真分析计算。目前，用有限元法分析工程问题的难度并不在于方法本身，而在于如何根据所分析问题的特点，合理选择计算模型和参数，并对计算结果进行判断分析[1-5]。站台门系统是我国轨道交通行车安全保障的重要设备之一，站台门的结构强度受到多种因素影响，尤其是长期在列车高速通过车站的应用，设备结构强度涉及行车安全，且一般难以在运行线路上进行结构变形的长期监测，加上外界因素的不确定，存在一定的安全隐患。近年来，国内外学者在站台门结构有限元分析方面进行了大量的研究[6-7]，普遍采用试验室进行模拟气动载荷值进行测试来验证有限元结果的可靠性。相对线路试验，由于模拟气动载荷值进行测试，结果的可靠性有待于进一步证实。根据站台门受列车高速通过时风载荷大的特点，针对国内高铁站台门系统，提出一套适用于站台门的有限元载荷施加方法。在仿真试验的基础上，进行线路试验验证，通过对比试验与仿真数据来证实方法的有效性和和评价站台门结构设计的合理性。

2 高铁站台门有限元分析

构建站台门3D 结构模型并进行网格划分，采用PATRAN进行车身有限元建模，模型由立柱、固定门、左侧盒、左滑动门、右滑动门、右侧盒、应急门、立柱等部件组成，站台门有限元模型，如图1 所示。其中立柱和侧盒框架采用Q235 钢结构、门框采用304L、门体采用玻璃，其力学性能，如表1 所示。

图1 站台门有限元模型Fig.1 Platform Door Finite Element Model

表1 试验站台门材料力学性能Tab.1 Mechanical Properties of Test Platform Door Materials

2.1 站台门有限元载荷的理论分析和计算

列车高速通过车站引起的空气压力波动对列车运行安全性及站台周围环境均有严重不良影响，是高速铁路车站设计中必须解决的关键技术问题。当列车高速驶入车站，列车周围流场边界发生突变，会在列车与车站顶棚之间产生类似活塞效应的气动现象。

2.1.1 载荷的理论分析

由于列车运行速度在（150～2200）km/h，列车速度不超过400km/h 相应的马赫数为0.3268，且研究的站台为在面站或高架站），所以在试验中选取理想空气。

一般情况下，列车周围的空气处于完全的湍流状态，因此，在讨论列车周围空气流动的数值模拟时，采用湍流模型。试验采用标准κ-ε 湍流模型，其控制方向表示为：

式中：μt—涡粘性系数；k—湍流动能；ε—湍流耗散率；Cμ—湍流常数，一般情况下取Cμ=0.09。

湍流动能k 方程为：

湍流耗散率ε 方程为：

式中：v—空气运动粘度；v=μ/ρ，vi—层流运动粘度；vi—湍流运动粘度；C1—经验常数，C1=1.47；C2—经验常数C2=1.92；σε—经验常数，σε=1.33；σk—经验常数，σk=1.0。

2.1.2 载荷的数值计算

采用三维数字建模软件建立列车和车站模型。受计算条件和列车复杂外形的限制，对列车外部复杂结构和列车底部做了适当简化，并将列车表面光滑处理。采用预处理软件ANSYS ICEM对管道和列车表面进行六面体结构化网格划分，最大网格尺寸为500mm，最小网格尺寸为100mm，不同计算模型下的网格总数在2×100～5×106之间，计算区域，如图2 所示。出口和入口均为压力远场边界条件，温度均设置为300K，根据具体的工况对管道压力和列车速度进行设置，将列车壁面、管道地面、管道壁面等设置为固定壁面，即与空气间无相对滑动，管道及列车壁面、地面均采用标准壁面函数模拟。计算结果，如图3 所示。

图2 计算区域Fig.2 Computational Domain

图3 仿真分析结果Fig.3 Simulation Analysis Results

运用仿真软件FLUENT，研究列车高速过站作用在站台门表面上的风压，仿真结果，如图4 所示。

图4 站台门表压力仿真结果分析Fig.4 Analysis of Pressure Simulation Results of Platform Door

由图4 可知，当阻塞比不变，列车的气动压力随列车运行速度的增加而增加，列车200km/h 过站时，产生的最大风压为650Pa，列车220km/h 过站时，产生的最大风压700Pa。

2.2 载荷和约束施加

站台门安装在站台边缘且平行轨道，所以按照均布载荷的形式将其风压施加至站台门与轨道平行的门体平面。约束站台门横向垂直和平行轨道的2 个方向的自由度，约束站台门纵向的转动。

2.3 高铁站台门有限元分析结果

列车以180km/h 和200km/h 通过车站产生的风的在站台门上的有限元分析结果，如图5、图6 所示。

图5 不同工况作用下站台门结构变形Fig.5 Deformation Diagram of Platform Door Structure

3 站台门线路试验

3.1 线路试验方案

通过安全门系统的线路试验，分析站台上乘客承受的风压和风速的变化规律和风压荷载作用下安全门的变形规律，为科学评估安全门系统的安全性和可靠性提供依据，为高速铁路站台安全防护提供技术支撑，试验方案和装置实物，如图6 所示。

图6 线路试验原理图和实物图Fig.6 Schematic Diagram and Physical Diagram of Test

3.2 测点选择

基于有限元分析明确了站台门结构载荷分布特点，分析站台门受列车过站风压时的最大结构变形位置，主要测试滑动门、固定门、侧盒和立柱的变形分布，共11 个测点。11 个测点的布置，用于分析站台门受列车过站风压变形和过约束是否导致载荷偏置，如图7 所示。

图7 站台门结构变形的试验测点分布图Fig.7 Distribution Map of Test Measuring Points for Structural Deformation of Platform Door

3.3 试验数据处理

通过采集到的电压信号[3]计算站台门的应变ε：

式中：E—弹性模量，MPa；Umi—在不同工况下采集的电压信号，mV；Umo—列车未过站时时，计算机采集的初始电信号，mV；K—放大器增益，100 倍。

4 试验结果分析

4.1 有限元仿真结果分析

列车在180km/h 高速过站工况下站台门各测点的应力，如表2 所示。列车在200km/h 高速过站工况下站台门各测点的应力，如表3 所示。

表2 列车180km/h 高速过站仿真工况各测点的应力Tab.2 Stress at Each Measuring Point Under the Simulation Condition of Train 180km/h

表3 列车200km/h 高速过站工况下站台门各测点的应力Tab.3 Stress at Each Measuring Point Under the Simulation Condition of Train 200km/h

4.2 线路试验结果分析

动车综合检测车180km/h 通过站台中部时，气压产生的站台中部门体结构变形，如表4 所示。

表4 列车180km/h 高速过站工况各测点的应力Tab.4 Stress at Each Measuring Point of Train 180km/h High Speed

动车综合检测车200km/h 通过站台中部时，气压产生的站台中部门体结构变形，如表5 所示。

表5 列车200km/h 高速过站工况各测点的应力Tab.5 Stress at Each Measuring Point of Train 200km/h High Speed

由表（2）～表（5）可知，测点应力幅值变化都较小，说明测点应变片灵敏度基本没有受到影响，仿真和试验的最大变形都出现在在测点5，最大值分别为5.76mm 和6.31mm，变形量的最大标准差都能控制在0.38 内。对表可知，列车运行速度越高，站台门的结构变形越大，且关键测点试验值大于预测值，主要原因线路试验是在高架站上进行，易受自然风的影响。

4.3 数据对比分析

两种工况下有限元分析与试验结果对比分析，如图8、表6所示。

图8 仿真与试验的结构变形量对比曲线Fig.8 Comparison Curve of Structural Deformation Between Simulation and Test

表6 两种工况下高铁站台门有限元分析结果和试验结果对比Tab.6 Comparison of Finite Element Analysis Results and Test Results of High-Speed Railway Station Under Two Working Conditions

分析图8、表6 试验数据和曲线得到以下结论：（1）在试验与仿真条件下，安全门的最大变形均出现在滑动门上边缘，最大变形量5.76mm 和6.31mm；（2）仿真与试验曲线的变化趋势基本一致，且最大变形都出现在测点5，因此该有限元分析方法可行。

5 结论

（1）根据高速铁路站台门实际结构的材料特性，针对站台门系统，提出了一套适用于高速铁路站台门的结构变形的计算方法。（2）在站台门表面选择11 个测点粘贴应变片，综合检测列车180、200km/h 通过站台中部时，其他测点标准差控制在0.38 以内，应力变化趋势基本一致，验证了有限元模型的可行性。（3）列车速度越高，站台门的结构变形越大，且关键测点试验值大于预测值，主要原因线路试验是在高架站上进行，易受自然风的影响。