城市軌道交通地下區間大跨度疏散平臺結構設計

鐘智豐 禹 雷 曹 亮 史磊磊

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南洛陽 471000)

1 概述

城市軌道交通地下區間疏散平臺是城市軌道交通區間隧道的主要逃生通道，對發生意外時乘客的疏散和搶險救災具有重要的作用[1-2]。為了進一步優化疏散平臺設計，保證緊急情況下的人員疏散，國內學者對其進行了深入研究：虞偉家等[1]通過建模計算，分析了預制鋼筋混凝土平臺板與H型鋼的組合結構及其受力特性；張新金[3]通過模擬加載試驗研究疏散平臺板的剛度和強度性能；高曉新等[4-5]對疏散平臺相關設計標準和接口進行了研究；朱莫夫等[6-7]驗證了復合材質疏散平臺的適用性及合理性。

北京軌道交通新機場線南起大興國際機場，北至草橋，是連接北京城區和大興國際機場的一條重要客運通道。該線軌道鋪軌長度約79.4 km，疏散平臺總長度約41.2 km，占軌道鋪軌總長的52%。目前，地鐵項目疏散平臺多采用混凝土平臺板，構件尺寸和自重均較大[8]，不利于錨栓受力及現場安裝施工。因此，有必要對其結構和材質進行深入研究。

2 疏散平臺主要設計原則

疏散平臺系統由人行步板、扶手及其支撐部件組成。新機場線地下區間疏散平臺步板采用玻璃纖維復合材料(工廠化集中預制)。支撐系統包括鋼梁及其連接平臺面板緊固扣件；連接部件包括連接鋼構件以及連接螺栓等(見圖1)。其支撐材料均采用Q235鋼結構。

圖1 疏散平臺結構斷面(單位：mm)

區間疏散平臺一般設置在行車方向的左側，也有個別地段設置在行車方向的右側[9-10]，起止點位于區間與兩端車站的分界點處。在道岔區、人防隔斷門、盾構井等特殊地段不設置疏散平臺。疏散平臺起止點都應設置步梯，以方便人員上下平臺。根據限界安裝要求，疏散平臺上表面至軌頂面高度按1 050 mm 設計[11]；考慮疏散平臺邊緣與設備限界的最小安全凈距，直線段疏散平臺邊緣至線路中心距離設為1 900 mm，曲線段適當加寬[12-13]。

3 疏散平臺結構優化設計

目前，城市軌道交通工程疏散平臺支撐中心間距一般為800～1 200 mm。為了滿足施工進度的要求，對北京新機場線疏散平臺的間距進行了優化，采用了大跨度地下區間疏散平臺，型鋼支撐中心間距最大為1 600 mm(見圖2)，極大減少了施工現場疏散平臺板的數量，提高了拼裝施工的效率。

圖2 疏散平臺平面布置間距(單位：mm)

4 疏散平臺結構受力分析

4.1 模型參數選擇

新機場線疏散平臺型鋼支架為Q235鋼結構，在承受5 kPa均布載荷時，支架容許撓度值為L/125(L為支架長度)。懸臂支撐為100 mm×80 mm×6 mm方鋼，斜梁規格為60 mm×60 mm×6 mm方鋼，懸臂支撐與斜梁采用哈芬槽和T型螺栓進行連接。支撐型鋼和平臺板采用實體單元模擬，支撐型鋼與隧道壁連接采用全約束，各部件之間采用粘接。疏散平臺支撐結構模型見圖3。

圖3 支撐結構三維模型示意

由新機場線地下區間現場實際施工情況可知，疏散平臺型鋼支撐間距一般為1 200～1 600 mm。為了分析不同中心間距支撐結構的承載能力和變形情況，分別對支撐中心間距為1 600 mm、1 400 mm及1 200 mm(下文分別以L1600、L1400及L1200代替)的支撐結構進行受力分析。計算所需材料性能參數取值見表1。

表1 支撐結構材料參數

由圖3可知，疏散平臺踏板承受均布荷載5 kPa，疏散支撐受載面寬100 mm，跨距為1 600 mm。取疏散平臺支撐懸臂長度為L，則單個支撐承受荷載為

(1)

式(1)中，P為單個支撐承受的荷載/kPa，L為支撐懸臂長度/mm。

4.2 有限元模型建立

L1200、L1400和L1600三種規格的懸臂型鋼支撐有限元仿真模型如圖4～圖6所示[14-16]。

圖4 L1200支撐結構模型

圖5 L1400支撐結構模型

圖6 L1600支撐結構模型

根據實際安裝及受力情況，將所有螺栓固定的位置以固定約束方式進行簡化模擬，便于受力計算。

4.3 結構計算分析

(1) 支撐結構受力

在80 kPa均布載荷作用下，三種工況整體受力情況如圖7～圖9所示。

圖7 L1200型鋼支撐結構受力情況

圖8 L1400型鋼支撐結構受力情況

圖9 L1600型鋼支撐結構受力情況

由圖7～圖9可知，排除應力集中造成的干擾后，L1200型鋼支撐結構最大應力約為30.3 MPa，L1400型鋼支撐結構最大應力約為44.4 MPa，均出現在懸臂結構與隧道壁螺栓連接處；L1600型鋼支撐結構最大應力約為57.2 MPa，發生在哈芬槽與斜梁交接位置。3種情形的最大應力均小于Q235鋼材的屈服應力(235 MPa)。

(2)支撐結構位移

在80 kPa均布載荷作用下，三種工況的整體結構變形情況如圖10～圖12所示。

圖10 L1200支撐變形情況

圖11 L1400支撐變形情況

圖12 L1600支撐變形情況

由圖10～圖12可知，由于斜梁距懸臂支撐自由端更近，L1200和L1400型懸臂支撐結構變形較小，其最大變形分別為0.12 mm和0.30 mm，最大位移均發生在型鋼支撐的端部；而L1600型懸臂支撐結構最大變形約為1.10 mm，同樣發生在型鋼支撐的端部。以上變形均滿足允許撓度(L/150)的要求。計算結果匯總見表2。

表2 不同支撐型號型鋼計算匯總

(3)平臺板位移

疏散平臺板為玻璃纖維復合材料，疏散平臺鋼支架和斜支撐通過M16開裂混凝土化學錨栓與結構壁固定連接。本次分析中，把各部件簡化為簡支梁單元進行受力分析。

疏散平臺板寬1 400 mm、板厚50 mm，板長分別取1 400 mm和1 600 mm，按上述工況加載，其結構變形情況見圖13～圖14。

圖13 L1400平臺板變形情況

圖14 L1600平臺板變形情況

根據疏散平臺材料性能指標，疏散平臺步板容許撓度值為L/200，疏散平臺支架容許撓度值為L/125。由上述計算結果可知，平臺板的撓度分別為1/325和1/300，均小于材料允許的撓度值。

(4)平臺板彎矩

在相同工況條件下，分別對1 400 mm和1 600 mm長的平臺板進行仿真分析，其結構彎矩見圖15～圖16。

圖15 L1400平臺板彎矩情況

求得的截面彎曲應力見表3。疏散平臺玻璃纖維復合材料彎矩強度為280 MPa，由此可見，平臺板的彎矩應力也在容許范圍內。

圖16 L1600平臺板彎矩情況

表3 不同支撐型號步板計算匯總

5 結束語

北京新機場線疏散平臺系統屬于典型的梁板結構模型，其受力明確，工程中所采用的平臺板復合材料和型鋼支撐結構等部件的各項受力性能均滿足要求。建議后續的國內城市軌道交通疏散平臺設計可選用此類大跨度疏散平臺方案，有利于減少施工現場疏散平臺板的數量，有效提高現場疏散平臺拼裝施工的效率。