王召林,卢屹东,江 漪,王淑敬,彭 飞,殷 卓
(中国建筑标准设计研究院有限公司,北京 100048)
地铁作为一种地下交通工具,对于缓解地面交通拥堵起着非常重要的作用[1]。根据《人防法》的相关规定,地铁同样在战时可转化为城市人员的紧急隐蔽场所。区间单扇防护密闭门位于地铁出入口,战时需承受常规武器的爆炸冲击波以及防范敌人生化武器的袭击。区间单扇防护密闭门由门框、门扇、铰页、闭锁、轨道密封装置等组成。其中,钢门框由下门框、上门框、左门框、右门框、下铰页座、上铰页座、闭锁梁等组成。左、右门框上螺接有闭锁梁,用来承受闭锁头的反弹力,因此其影响到整个区间单扇防护密闭门的防护和密闭性能。
本文针对区间单扇防护密闭门进行计算,通过理论计算和有限元模拟来检验闭锁梁的强度是否满足要求。
区间单扇防护密闭门结构如图1所示。
1-门框;2-接触网;3-门扇;4-闭锁机构(内置);5-升降传动机构;6-轨道密封装置图1 区间单扇防护密闭门
根据RFJ02—2009《轨道交通工程人民防空设计规范》[2],对于核6级防护密闭隔断门,压力设计值是0.12 MPa时,动力系数Kd=1.5。
闭锁梁采用Q345钢,根据GB50017—2003《钢结构设计规范》[3],Q345钢剪切强度fv=180 MPa。根据GB50038—2005《人民防空地下室设计规范》[4],在爆炸荷载或动荷载作用下钢材强度综合调整系数γd=1.35。因此,动荷载作用下Q345抗剪强度设计值fvd=243 MPa。
区间单扇防护密闭门有8个闭锁头(左、右各4个),对应8个闭锁孔,闭锁承受来自门扇所受冲击波的反弹力。单个闭锁头受力的计算公式如下:
Fh=0.5×Kd×p×L1×H1÷N.
(1)
其中:p为门扇受到的压强,0.05 MPa;L1为门扇的宽度,4 100 mm;H1为门扇的高度,3 800 mm;N为闭锁头数量,8个。
将相关参数代入公式(1)计算可得:Fh=175 275 N。
闭锁主梁板材料采用Q345,闭锁主梁板闭锁孔边所受剪应力pv(MPa)计算公式如下:
(2)
其中:S1为闭锁主梁板孔受力截面积,mm2。
区间单扇防护密闭门闭锁主梁板孔受力截面如图2所示,S1=36.5×20=730 mm2。
图2 区间单扇防护密闭门闭锁主梁板孔受力截面
将相关参数代入公式(2)可得到闭锁主梁板孔所受剪应力pv=240 MPa<243 MPa。因此,通过理论计算得出,区间单扇防护密闭门闭锁主梁板强度满足受力要求。
首先利用SolidWorks建立区间单扇防护密闭门门框闭锁梁三维图,如图3所示。接下来利用ANSYS Workbench对区间单扇防护密闭门闭锁主梁板进行有限元分析,每个闭锁孔大约承受175 275 N的力,有限元分析结果见图4和图5。
图3 区间单扇防护密闭门门框闭锁梁三维图
图4 闭锁梁变形云图
图5 闭锁梁应力云图
由图4、图5可知:闭锁梁最大变形发生在上下两端闭锁孔外侧中间部位,最大变形量为0.133 mm;最大应力约为235.48 MPa,发生在闭锁孔外侧的直角弯部位,小于243 MPa。理论计算和有限元模拟结果接近,均说明区间单扇防护密闭门闭锁梁强度满足要求。
首先,计算区间单扇防护密闭门活面板上螺栓和螺栓孔距离面板边缘部分哪个能承受更大剪切力。
活面板材料为Q345,根据GB50017—2003《钢结构设计规范》可知,Q345剪切强度为180 MPa。螺栓为普通螺栓,根据GB50017—2003《钢结构设计规范》可知,螺栓等级为4.8级,材料Q235时,剪切强度为140 MPa。
对于核六级区间单扇防护密闭门,活面板厚度为4 mm,螺栓孔直径为Φ9 mm,距离面板边缘最小距离18 mm,可计算出最小截面为54 mm2。螺栓为普通螺栓,规格为M8×20,可计算出螺栓截面积为50.265 mm2。
最大剪切力计算公式如下:
F=fv×S.
(3)
其中:fv为剪切强度,MPa;S为剪切受力面积,mm2。
通过将活面板螺栓孔距离面板边缘部分与螺栓的参数代入公式(3)可计算出,单个活面板螺栓孔距离面板边缘部分可承受最大剪切力为9 180 N,单个M8×20螺栓可承受最大剪切力为7 037 N。因此,活面板螺栓孔距离面板边缘部分比螺栓能够承受更大剪切力。
选取区间单扇防护密闭门中门扇最大的活面板尺寸为632 mm×571 mm,如图6所示,螺栓个数为16个。
图6 区间单扇防护密闭门最大活面板尺寸
通过计算活面板所受应力大小,来判断螺栓的抗剪强度是否满足要求,并通过有限元法计算活面板的变形情况。利用ANSYS Workbench建立活面板的有限元模型如图7所示。按照实际情况,在活面板下四周放置了简化的支撑板。活面板通过M8螺栓与支撑板连接。接下来对活面板和螺栓进行有限元分析,得到的结果如图8~图10所示。
图7 活面板有限元模型
由图8可知,活面板的最大变形为3.46 mm。而活面板四周螺栓孔位置的变形很小,且活面板上螺栓孔与螺栓的间隙为1 mm,因此可以推出活面板上螺栓的受力较小。
图8 活面板变形云图
由图9可知,活面板最大应力为248.71 MPa,小于活面板的屈服强度345 MPa,满足强度要求。
图9 活面板应力云图
由图10可知,活面板上螺栓所受的最大应力为16.619 MPa,小于其许用最大剪切应力140 MPa,因此螺栓强度满足要求。根据前面理论计算得出活面板孔边缘强度大于螺栓强度。因此,活面板螺栓孔边缘部分也能够满足受力要求。
图10 螺栓应力云图
针对区间单扇防护密闭门中门框的薄弱环节闭锁梁以及门扇中活面板可能存在强度不够的安全隐患,进行了理论计算校核以及有限元分析。结果显示区间防护密闭门门框闭锁梁以及门扇活面板受力满足要求,该研究对后期区间单扇防护密闭门的优化具有参考意义。