上海轨道交通15号线车辆底架结构耐火设计

□ 汤云哲 □ 杨苑斐 □ 龙慧琴

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 设计背景

上海轨道交通15号线是上海轨道交通网络中的一条重要南北径向线,途经宝山区、普陀区、长宁区、徐汇区、闵行区五个行政区,全长约42.3 km,为地下线,车站共30座。上海轨道交通15号线车辆为全自动驾驶列车,满足EN 62290-2—2014《轨道交通 城市指导运输管理和命令/控制系统 功能要求规范》中最高等级GOA4等级要求。上海轨道交通15号线车辆采用A型铝合金车体,每列车六节编组,四动两拖,最高速度为80 km/h。车辆长140 m,宽3 m,最大载客量为2 670人[1-2]。由于车辆为全自动驾驶列车,因此对车辆的防火性能提出较高的要求,车辆所有材料均需要满足EN 45545 HL3—2013《轨道交通车辆的防火标准》的要求,同时客室间壁、底架地板需要满足结构耐火要求[3]。

2 耐火技术要求

上海轨道交通15号线技术规格书中对底架结构耐火的要求如下:车体下部设有防火隔离层,应按照ASTM E119—2014《建筑结构和材料的防火试验标准 试验方法》及NFPA 130—2017《固定式导轨传输和乘客铁路系统标准》进行防火试验,达到45 min的防火隔离能力。

底架承载车体、车顶设备、车内设备、车下设备及乘客的全部质量,并传递至转向架。在列车运行中,底架承受牵引力、制动力及各种其它外力,是车体及车辆最重要的结构。广义的底架,除车体底架外,还包括车下设备、隔声隔热层、铝蜂窝地板、地板布等。底架如图1所示,用于承载乘客,提供乘客站立的位置。由于车下设备及轨道上有大量电气部件,因此底架存在一定的火灾风险。为了保护客室内的乘客,需要对底架结构进行耐火设计,以阻止电气设备火灾后对乘客造成威胁,给乘客提供足够的逃生时间[4-5]。

图1 底架

根据ASTM E119—2014《建筑结构和材料的防火试验标准 试验方法》中第8.6条地板和屋顶试验测定地板样品耐火性能的要求,进行试验的标准温度时间曲线如图2所示。试验进行45 min时,炉内温度达到近900 ℃。在整个试验过程中,需要满足以下条件:

图2 试验标准温度时间曲线

(1) 底架背火面没有持续火焰窜出,没有出现热气点燃棉垫的情况;

(2) 底架背火面的平均温升不大于139 ℃,单点最高温升不大于181 ℃;

(3) 底架需支撑相应的承载质量,最大变形量满足标准要求。

3 耐火设计

根据底架结构耐火要求,在充分考虑结构功能和耐火功能的基础上,对底架结构进行设计,采用防火涂料、铝底架、地板橡胶件、隔声隔热材料、铝蜂窝地板和地板布的结构形式。底架实物如图3所示[6]。

图3 底架实物

底架分层结构如图4所示,分为有支撑区域和无支撑区域。在无支撑区域,铝型材及型腔内填充满空气,然后铺设防寒材料,依次为4 mm厚陶瓷纤维毯、6 mm厚开口橡胶泡棉、0.8 mm厚隔声垫,最后铺设18 mm厚铝蜂窝地板、3 mm橡胶地板布。在支撑区域,铝型材及型腔内填充满空气,然后交叉铺设支撑和防寒材,依次为4 mm厚陶瓷纤维毯、6 mm厚开口橡胶泡棉、0.8 mm厚隔声垫,最后铺设18 mm厚铝蜂窝地板、3 mm橡胶地板布。

图4 底架分层结构

4 耐火材料选择

4.1 防火涂料

铝合金在高温时的力学性能远不如碳钢、不锈钢。铝合金熔点一般为600～660 ℃,而常见的铝型材在300 ℃左右将丧失40%～60%的强度。通过喷涂耐火隔热涂层的方式提高低熔点铝合金材料的耐火性能,可以延缓整体结构强度的衰减时间。可见,防火涂料的性能对底架耐火性能起关键性作用,一定要选用性能优异并经过实际验证的产品[7-10]。上海轨道交通15号线车辆选用1.5 mm厚防火涂料。防火涂料以对环境无污染的可膨胀石墨为基础,当温度达到150 ℃时,涂料开始膨胀,形成阻火隔热绝缘层,具有高达50倍的膨胀倍率。在火灾发生的不同阶段,防火隔热涂层随温度上升进行反应,逐级膨胀,形成稳定的保护绝缘隔热层。

防火涂料的原理主要有以下几点:

(1) 防火涂料本身难燃或不燃,使被保护基材不与空气接触,减缓物体着火的速度;

(2) 防火涂料的导热系数较低,可以延缓火焰温度向被保护基材的传递;

(3) 防火涂料受热可分解出不可燃气体,降低氧气及可燃性气体的浓度,减缓燃烧速度;

(4) 防火涂料高温下膨胀发泡,形成碳质泡沫阻火隔热绝缘层,封闭被保护基材,延迟热量向被保护基材的传递,阻止物体着火燃烧或因温度升高导致强度下降。

4.2 陶瓷纤维毯

为防止底架下部的热量过多穿过铝型材传递至铝蜂窝地板及地板布,避免导致铝蜂窝地板损坏乃至结构坍塌,在铝底架上表面放置4 mm厚陶瓷纤维毯。陶瓷纤维毯由特制陶瓷纤维长丝经特别双面针刺工艺加工而成,具有导热率低、隔热性能优、高温收缩小、裁剪安装简便,以及抗拉强度、化学稳定性、抗侵蚀性、抗振性、吸声性能良好等特点,能够长期耐受1 200 ℃高温的烘烤[11]。

4.3 防火封堵模块

贯通孔处由于无法涂防火漆,无法放置隔声隔热层,因此是底架结构耐火的弱点。对此,上海轨道交通15号线车辆选用防火封堵模块。平时,电线可以自由穿过防火封堵模块,当遇到火焰高温时,防火封堵模块会发生膨胀,将贯通孔完全堵塞,阻止火焰、烟雾传播。防火封堵模块实物如图5所示,封堵效果如图6所示。

图5 防火封堵模块实物

图6 防火封堵模块封堵效果

4.4 其余材料

铝底架材料为6005A-T6,铝蜂窝地板蜂窝芯材料为3003-H18,面背板材料为5052-H32,0.8 mm厚隔声垫和3 mm厚地板布材料均为密实型橡胶。所有材料均满足EN 45545 HL3—2013《轨道交通车辆的防火标准》要求。这些材料对于结构耐火不起关键性作用,因此不再赘述。

5 试验验证

由于无法使用实际底架进行耐火试验,因此需要根据试验方案制作试验样件。试验样件尺寸为4 500 mm×3 000 mm,将底架会出现的各种典型结构排布于试验样件中,如图7所示。图7中，四个角区域代表特殊情况。

图7 底架试验样件

由于在车体两端电器柜处会有电线从底架下穿到底架上,因此在实际车体上还会有贯通孔和防火封堵模块。对此,试验样件上也需要开贯通孔,并安装防火封堵模块。在进行耐火试验前,上表面放置棉垫作为试验样件完整性的标准之一。

试验样件制作过程中,需要注意防火涂料的厚度。1.5 mm厚防火涂料需要进行三道喷涂,每道喷涂厚0.5 mm。为了保证厚度,每道喷涂之后都需要使用超声波膜厚仪测量膜厚。需要保证最终样品膜厚在1.2～1.5 mm之间,少数区域小于1.6 mm,满足要求。

还要注意底架滑槽的内外表面均需要抛光,涂底漆,但只有底架滑槽外部的斜面需要涂防火涂料。这是为了模仿实际滑槽情况,滑槽的内表面需要有螺栓通过,而外表面的下平面则会和滑块上表面接触,所以不能涂防火涂料,否则影响安装。

将底架放置于耐火炉3 m×4 m尺寸炉口上,底架下表面为受火面,耐火试验现场如图8所示。底架上表面需放置棉垫,作为试验样件完整性的标准之一。耐火试验按照ASTM E119—2014《建筑结构和材料的防火试验标准 试验方法》第8.6条地板和屋顶试验测定地板样品耐火性能的要求进行。

图8 耐火试验现场

炉内温度自动控制,按图2曲线执行。14根炉内热电偶用于监控炉内温度,9根固定在试验样件背火面的热电偶用于检测试验样件背火面的温升,所有热电偶用于测定试验样件的平均温升和最高温升。采用变形测量仪测定试验样件背火面中心位置的变形。在整个试验过程中,时刻观察试验样件情况、棉垫是否起火,并记录参数。

炉内温度、背火面温升每隔30 s记录一次,背火面温升曲线如图9所示。

图9 背火面温升曲线

采用变形测量仪测定试验样件背火面中心位置的变形,每隔1 min记录一次。试验样件变形量曲线如图10所示。

图10 试验样件变形量曲线

炉内压力每隔30 s记录一次,炉内压力曲线如图11所示。

图11 炉内压力曲线

试验样件经过45 min耐火试验后,结构完整,平均温升为69 K,最高温升为81 K,最大变形量为60 mm,满足要求,验证了设计方案的合理性。试验后试验样件情况如图12所示。

图12 试验后试验样件情况

6 结束语

上海轨道交通15号线车辆底架结构耐火设计合理,试验样件顺利通过45 min耐火试验,可以为类似项目底架结构耐火设计提供参考。在后续项目设计时,还应从三方面做进一步研究。

(1) 防火涂料在厚1.5 mm的情况下质量为130 kg,需要考虑是否可以进一步减薄与轻量化。

(2) 除安装有设备的滑槽段外,其余滑槽段的内表面没有防火涂料,容易成为耐火薄弱点,需要进一步研究相关结构并进行优化。

(3) 火灾的发生是不可预料的,因此所采用的防火涂料在寿命周期内需要保持优良的防火性能,不能出现剥落、粉化等现象,且防火性能不能明显降低。防火涂料的耐久性能具有隐蔽性,且更具危害性,所以应引起重视。

[1] 牛炜霖,吕元颖.上海轨道交通15号线车体结构有限元分析与试验[J].装备机械,2020(1):27-31.

[2] 敬敏.上海轨道交通15号线车辆司机室的结构设计[J].上海电气技术,2020,13(1):38-41,63.

[3] 王艳丽,张中云,张政.防火标准在城轨车辆内装设计中的应用[J].铁道技术监督,2015,43(4):6-9.

[4] 常树民.城市轨道车辆防火与安全撤离设计[J].装备机械,2009(4):26-31.

[5] 郭涛.全自动驾驶地铁车辆安全性需求分析[J].交通世界,2016(31):118-119.

[6] 常树民,申永勇,石得春.城市轨道交通车辆轻量化设计研究[J].装备机械,2020(1):21-26.

[7] 刘奉令,周斌.地铁底架防火涂料及施工应用介绍[J].现代涂料与涂装,2019,22(3):15-16,70.

[8] 戴惠新,郑云昊,朱亚军,等.轨道车辆车体底架用防火涂层介绍[J].现代涂料与涂装,2015,18(1):33-35.

[9] 孔维凤,孙勇,夏春晶,等.波士顿地铁地板结构耐火测试研究[J].科技创新导报,2018,15(7):77-79.

[10] 陈小伟,陈国帼,郭高峰.防火涂料在地铁车辆上的应用[J].现代涂料与涂装,2015,18(10):11-14.

[11] 贾国秀,胡成城,沈湘黔.锰锌铁氧体陶瓷纤维的制备与磁性能研究[J].稀有金属材料与工程,2008,37(S1):217-220.