轨道交通市域地铁线路的站台门结构设计方案

姜 翼

（广州新科佳都科技有限公司，广州 510230）

随着粤港澳大湾区经济的发展，打造城市互联互通的跨城市生活圈，对轨道交通发展提出了迫切需求。广州地铁顺势而为稳步发展，规划了广州地铁18号线，实现了南沙区和天河区的轨道快速连通。广州地铁18号线起始于南沙万顷沙枢纽，止于天河广州东站，全长61.3 km。它均为地下线，采用8辆编组（6动2拖）的市域列车，设计最高时速为160 km·h-1。站台门系统采用全自动运行模式。

1 站台门设计方案

地铁列车速度的提高，会导致隧道内活塞风载的增大。普通时速的地铁隧道内活塞风载在1 000～1 500 Pa。广州地铁18号线采用高速的市域列车，隧道内活塞风载达到2 400 Pa，对站台门的结构设计提出了更高的要求。

1.1 站台门结构

站台门设置在车站站台边缘，上部安装与站台顶梁结构连接，站台两端与边墙连接，在站台公共区的布置形成一道连续密闭的屏障。整体站台门系统由机械和电气两部分组成。机械部分包括门体结构和门机传动系统。电气部分包括供电系统和控制系统。

现根据站台门的载荷条件和车型布局，进行样机单元结构设计，以验证样机承受载荷后是否满足国家标准《城市轨道交通站台屏蔽门》（CJ/T 236—2006）的变形量要求。主要设计包括门体高度≤4 000 mm和最接近列车动态包络线的构件最大变形量≤15 mm[1]。广州地铁18号线站台门的载荷条件见表1。

表1 站台门载荷条件

1.2 门体结构

门体结构由承重结构、门槛、顶箱、滑动门、固定门、应急门和端门等组成。门体结构通常以每道滑动门为一单元进行划分，在每单元滑动门的门楣上有门编号。样机单元结构设计包含承重结构、1道滑动门、3扇应急门、2扇固定门和端门单元，如图1所示。

图1 样机单元结构示意图

1.2.1 承重结构

承重结构由上部连接部件（含伸缩装置）、底部支撑结构、立柱以及门楣梁等组成。承重结构能承受站台门的重力荷载、列车行驶活塞风与环控系统风机风压共同作用形成的荷载压力、乘客挤压力和地震等外界负荷，结构强度和刚度需满足使用要求。

上部连接部件设计。立柱上部连接部件材料采用Q235B结构钢，表面采用热浸镀锌防锈处理。连接螺杆的规格为M16，螺杆精度等级≥8.8级，表面采用达克罗防腐工艺进行防锈。考虑土建施工误差，上部连接部件可以通过伸缩杆和长槽孔实现X、Y、Z方向上的调节，如图2所示。

图2 上部连接部件结构示意图

底部支撑结构设计。底座采用焊接形式，以保证整体结构强度。底座材料采用Q235B结构钢，表面采用热浸镀锌防锈处理。底座连接螺杆规格为M16，螺杆等级≥8.8级，表面采用达克罗防腐工艺进行防锈。底座可通过本体的长槽孔和调节垫片实现调节，如图3所示。

图3 底部支撑结构示意图

立柱结构设计。立柱采用Q235B结构钢，表面采用热浸镀锌防锈处理，外观装饰板采用发纹不锈钢。由于广州地铁十八号线站台门的最大活塞风载为±2 400 Pa，比以往地铁项目的风载增加较多，重点对立柱规格尺寸进行计算和有限元分析校核，确保满足最大变形量要求。

1.2.2 门槛

门槛分为站台侧门槛和轨道侧门槛。门槛底板材料采用Q235B结构钢，表面采用热浸镀锌处理防锈。外包装饰板采用2 mm不锈钢板，不锈钢板表面采用冲压工艺形成高低交错纹路，以便增大摩擦力，防止行人滑倒。门槛通过螺栓固定在立柱底板上，门槛之间设置导向槽。滑动门门体的导靴在导向槽内做往复直线滑动。

1.2.3 顶箱

顶箱前盖板采用铝合金挤压型材，可保证盖板的平整性和一致性。后盖板采用发纹不锈钢板折弯成形。盖板的长度尺寸根据立柱之间的间距，做几种不同长度尺寸标准，便于统一规格和方便拼接安装。

1.2.4 滑动门

滑动门由不锈钢门框、玻璃、硅酮结构胶、手动解锁装置和门挂件等组成。滑动门关闭时，可作为车站站台公共区与隧道区域的屏障；滑动门打开时，为乘客提供上、下列车的通道，也可作为车站隧道区域发生火灾或故障时乘客的疏散通道。门框采用不锈钢管焊接的方式制作。门扇玻璃采用单层钢化玻璃。钢化玻璃与不锈钢门框通过硅酮结构胶粘接形成滑动门。

1.2.5 固定门

固定门由门框、玻璃研究硅酮结构胶等组成，位于不同单元的滑动门与滑动门之间或滑动门与端门之间，在站台公共区与隧道区域之间起屏蔽作用。固定门与顶箱门楣和底部门槛之间通过螺栓固定连接。

1.2.6 应急门

应急门由门框、玻璃、硅酮结构胶、应急门推杆锁和限位器等组成。正常运营状态时，应急门要保证关闭并锁紧。作为站台公共区与隧道区间的屏障，当列车进站无法对准滑动门时，应急门可作为乘客的应急疏散通道。

1.2.7 端门单元

站台门端门单元是隔离站台公共区与设备区之间的设施，包括端门单元承重结构、顶箱、端门活动门（含玻璃、门框等）、固定门（含玻璃、门框等）、端门的门锁及解锁机构、门槛及底部安装件、密封绝缘、端门指示灯以及闭门器等部件。

端门活动门是列车在隧道内发生火灾或故障时的乘客疏散通道，也是车站人员进出隧道区间的通道。正常运营状态时，端门关闭并锁紧，不会因隧道风载而导致端门解锁打开而造成设备损害和人员伤害。

2 站台门载荷计算

根据广州地铁18号线站台门样机单元结构规格尺寸校核立柱强度，并对样机单元典型模块进行有限元分析，验证广州地铁18号线站台门结构设计的合理性。

2.1 立柱受力计算

固定门立柱受到的压力作用包括固定门玻璃风压、滑动门玻璃风压、固定盖板风压、活动盖板风压以及乘客挤压力等，需要按最危险情况计算，校核固定门立柱是否合格。根据站台门样机单元典型模块进行计算[2]，如图4所示。

图4 样机单元典型模块示意图

2.1.1 风压荷载作用

站台门风压面积S、风压产生的荷载F1、立柱荷载q1依次为[3]：

立柱的最大弯矩按简支梁计算，即：

式中：Mmax为最大弯矩；q1为均布载荷，单位为N·cm-1；L为梁跨度。带入数据，可得M1max=1 373 400 N·cm-1。

2.1.2 人群挤压荷载的作用

挤压荷载大小q2=1 000 N·m-1，则有设计荷载F2为1540 N（换算为作用在立柱的集中荷载）。

立柱的最大弯矩为[4]：

式中：Mmax为最大弯矩；P为集中载荷，单位N；L为梁跨度；a、b为集中载荷受力点跨距。带入数据，可得M2max=107 286.67 N·cm-1。

2.1.3 地震荷载的作用

设计荷载F3为0.25g，其中g=g1+g2=4 600 N。g1为双扇滑动门的左、右门扇的重量，有g1为1 600 N；g2为双扇滑动门的左、右门扇的顶箱重量，有g2为3 000 N。

地震荷载F3为：

地震荷载在立柱上分布，有：

立柱的最大弯矩，为：

立柱的最大弯矩总和：

2.1.4 立柱的抗弯截面积计算

立柱的许用弯曲应力（材料 Q235B）[σ]=23 500 N·cm-2，则立柱的抗弯截面模量为：

2.1.5 立柱的安全系数

通过查《机械设计手册》第3版，矩形管的抗弯截面模量公式为[5]：

式中：Wy为抗弯截面模量；B为矩形管截面短边长度；H为矩形管截面长边长度；B1=短边长度-（厚度×2）；H1=长边长度-（厚度×2）；安全系数为Wy和W的比值；选用立柱规格为120 mm×80 mm×8 mm。

根据抗弯截面模量公式，立柱矩形钢管截面模量Wy为92.01 cm3，安全系数为1.42。

2.2 立柱挠度计算

由站台门结构可知，立柱受到上、下两点固定作用，其受力形式按简支梁计算。立柱受到的均布荷载总和q为：

通过查《机械设计手册》第3版，立柱惯性矩公式为：

式中：I为截面惯性矩；B为矩形管截面短边长度；H为矩形管截面长边长度；B1=短边长度-（厚度×2）；H1=长边长度-（厚度×2）；选用立柱规格为120 mm×80 mm×8 mm。

根据惯性矩公式，立柱矩形钢管的截面惯性矩I为：

立柱材料为Q235B，弹性模量E=2.06×1011N·m-2。

通过查《机械设计手册》第3版，均布荷载挠度公式Y1max为：

式中：Y1max为最大挠度；q为均布载荷，单位为N·m-1；L为梁跨度；E为弹性模量；I为截面惯性矩。带入数据，有Y1max=11.7 mm。

通过查《机械设计手册》第3版，集中荷载挠度Y2max公式为：

式中：Y2max为最大挠度；P为集中载荷，单位为N；a、b为集中载荷受力点跨距；E为弹性模量；I为截面惯性矩；L为梁跨度。带入数据，有Y2max=0.004 mm。

立柱的最大挠度总和Ymax为：

通过理论计算得知：立柱选用120 mm×80 mm×8 mm矩形钢管，其强度和最大变形量满足相关规范要求。

2.3 有限元分析

通过对广州地铁18号线站台门样机单元典型模块进行有限元分析，进一步验证整体结构的强度。在最大活塞风载、乘客挤压力和地震作用的受力情况下，采用ABAQUS有限元分析软件对样机单元典型模块的应力和位移进行分析，结果如图5和图6所示。

图5 立柱等效应力图

由图5和图6可知，在该工况受力作用下，立柱最大应力为89.66 MPa，最大位移为2.48 mm，立柱未发生塑性变形，分析结果如表2所示。可见，样机整体结构的强度满足规范要求。

图6 立柱位移云图

表2 立柱应力、位移结果汇总

3 结语

针对广州地铁18号线市域列车高速运行时，最大活塞风载达到2 400 Pa的工况特点，对站台门结构进行了重新设计，并通过理论计算和有限元分析验证了整体机械结构的可行性。该样机已安排生产并通过了第三方结构强度测试，最大变形量满足要求，可应用在实际城市轨道交通建设项目中。