鐵路隧道新型防護門門框及門框墻抗爆安全性研究

王志偉 馬偉斌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路隧道防護門作為重要防火隔斷設備，將隧道和橫通道、避難所、緊急出口、豎井、斜井等洞室劃分為2 個或者多個防火分區，可以有效阻止隧道火災產生的對流熱、輻射熱、有害氣體向其他分區蔓延，在防災避難、保護設備設施安全方面發揮著至關重要的作用［1-4］。

既有鐵路隧道防護門多為鋼制復合防爆板防護門，其易腐蝕、耐久性和耐火性差、使用壽命短［5］。采用玻璃纖維增強復合材料制成的新型鐵路隧道防護門不僅能滿足抗爆防火的要求，同時還具有輕質、高強、耐銹蝕、耐候性好、造型美觀等優勢，可取代復合防爆板防護門［6］。

防護門設計時需要考慮抗爆安全性［7］。對于防護門的整體抗爆性能，TB 10020—2017《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》［8］和TB 10063—2016《鐵路工程設計防火規范》［9］均明文規定：客貨共線鐵路隧道防護門的抗爆荷載不應小于0.10 MPa，高速鐵路、城際鐵路隧道防護門的抗爆荷載不應小于0.05 MPa。

當前對于鐵路隧道防護門的安裝方式研究較少。如何將防護門牢固安裝在門框墻上，滿足抗爆性能要求，成為新型隧道防護門安裝使用前研究的重點。

1 門框與門框墻連接方式

鐵路隧道防護門的門框與門框墻連接，門體采用特種鉸頁與門框連接。新型玻璃鋼隧道防護門門框與門框墻的連接方式有預埋式和錨固式2種。其中預埋式門框適用于新建隧道，隧道施工時在門框墻內預埋門框的固定件，后期安裝防護門時將門框與預埋件固定；錨固式門框適用于新建鐵路隧道和既有鐵路隧道，利用化學錨栓將門框直接錨固至門框墻上。

1.1 預埋式門框安裝方式

預埋式門框是先將門框上的錨固鉤與門框墻內的鋼筋焊接，再與鋼筋網一起澆筑，形成整體。預埋式門框的主框架是由2 個角鐵互搭成型焊接，在門框的下表面（靠近混凝土側）的內側焊接錨固鉤，二者之間滿焊連接，成對排布，鉤頭與鉤頭相對，通過錨固鉤將門框與門框墻牢固連接，如圖1 所示。相鄰的2 對錨固鉤間距不超過200 mm。

圖1 預埋式門框連接效果

1.2 錨固式門框安裝方式

錨固式門框是在門框墻已經澆筑完成的情況下，通過高強化學錨栓，將門框直接錨固到門框墻上。錨固式門框主體是由角鋼組裝焊接圍成的方形框，在鋼框靠近混凝土墻體的一側分布有一圈錨固支架，錨固支架與門框主體焊接在一起。錨固支架組合為L 型，貼合在門框墻的直角邊上，并且在L 型支架的2 個邊上均設置化學錨栓的錨孔，如圖2 所示。錨固支架在門框上的分布間距不大于200 mm，在鉸頁位置錨固支架應較其他地方更密集。

圖2 錨固式門框連接效果

2 爆炸動荷載對應的均布等效靜荷載計算

爆炸動荷載對應的均布等效靜荷載可根據GB 50038—2005《人民防空地下室設計規范》［10］計算。

空氣沖擊波直接作用在外墻上的爆炸動荷載最大值P計算公式為

式中：Ce為荷載均布化系數；?Pcm1為門框墻外平面處入射空氣沖擊波最大超壓，N/mm2；?Pcm為常規武器地面爆炸空氣沖擊波最大超壓，N/mm2。

根據實地調研，已知防護門門框墻最大斷面總高度為6 m，參考GB 50038—2005 可得荷載均布化系數為0.930。根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［11］，防護門門框墻在爆炸動荷載條件下最大超壓為0.1 MPa，其物理意義等同于GB 50038—2005 中的?Pcm，因此取?Pcm=0.1 MPa。

?Pcm及按等沖量簡化的無升壓時間的三角形波等效作用時間t0計算公式分別為

式中：C為等效三硝基甲苯（TNT）裝藥量，kg；R為爆心至作用點的距離，一般鐵路隧道防護門門框墻距離隧道正線的最小距離為3.5 m，故R取3.5 m。

當常規武器地面爆炸動荷載波形簡化為無升壓時間的三角形時，結構構件動力系數K的計算公式為

式中：ω為門框墻的自振圓頻率，Hz；［β］為鋼筋混凝土結構構件的允許延性比，對于鐵路防護門門框墻［β］可取1.2。

式中：Ω為矩形板的自振圓頻率系數；b為門框墻高度，m；D為門框墻的抗彎剛度，kN·m；m為門框墻的單位面積質量，kg/m2。

根據實地調研，防護門門框墻寬8 m，高6 m。假定墻體豎向和水平兩對邊固定，參考GB 50038—2005可得Ω=19.51。

式中：ψ為剛度折減系數，參考 GB 50038—2005 鋼筋混凝土構件ψ=0.60；d為墻體厚度，對于防護門門框墻d=0.3 m；υ為材料泊松比，對于鋼筋混凝土υ=0.2；Ed為動荷載作用下材料的彈性模量，kN/m2。動荷載作用下鋼筋彈性模量與靜荷載作用下相同，混凝土和砌體彈性模量是靜荷載作用下的1.2倍。

式中：γ為材料重度，kN/m3；g為重力加速度。

在常規武器地面爆炸動荷載作用下，門框墻外表面的均布等效靜荷載標準值q計算公式為

經計算，在極限峰值為0.1 MPa 爆炸動荷載作用下K=0.057 3，P=255.75 kPa，q=14.65 kPa。

3 抗爆安全性計算與分析

確定防護門門框與門框墻的連接方式前，須進行不同安裝方式條件下抗爆性能安全性驗算。計算時根據Q/CR 700—2019《隧道防護門》［12］選用面積最大的FSP-3642-Ⅰ型防護門，門扇尺寸為3.6 m×4.2 m。

3.1 門框安全性分析

3.1.1 門框承受的荷載計算

門框安裝如圖3所示。預埋式門框錨鉤的規格為φ12，分布在門框四周且間距不大于200 mm。由于錨鉤端部為鉤性結構，且與混凝土中的鋼筋連接，計算時門框與墻體設置為剛性連接。錨固式門框則采用規格為M20 的化學錨栓，錨固間距不大于200 mm，與門框墻連接在一起?；瘜W錨栓采用垂直分布式門框連接板固定，計算時門框與墻體同樣設置為剛性連接。

圖3 門框安裝示意

鐵路隧道防護門門框為碳鋼Q235B 材料，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。由于防護門門框整體采用焊接的方式連接，因此將門框的接觸條件設置為全局結合接觸。

對于預埋式門框，門框通過錨鉤與墻體傳遞作用力，錨鉤與門框墻中的鋼筋焊接且錨鉤末端能抓住混凝土，故設定錨鉤末端為固定約束。錨固式門框通過化學錨栓與墻體傳遞作用力，化學錨栓在門框墻中呈垂直交叉分布，分別通過抗拉和抗剪2 個性能來抵抗荷載。由化學錨栓性能可知，單個M20 化學錨栓的抗拉強度不小于120 kN，抗剪強度不小于75 kN，因此1 組垂直交叉分布的化學錨栓的承載力為195 kN，爆炸總荷載為221 kN，其錨固強度遠大于爆炸荷載，故設定化學錨栓連接位置為固定約束。

防護門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標準值為14.65 kPa，爆炸沖擊波作用力垂直門扇由正線側指向疏散側或洞室側。整個防護門受到的爆炸作用力F1計算公式為

其中：A為受力面積，m2。

FSP-3642-Ⅰ型防護門的門扇尺寸為3.6 m×4.2 m。通過計算可得F1=221.508 kN。

防護門門扇通過鉸頁機構和閉鎖機構與門框連接，當防護門門扇受到爆炸動荷載時，門扇通過鉸頁機構和閉鎖機構將荷載傳遞到門框上。在6個鉸頁面添加總計110.754 kN 的荷載，同時在4 個閉鎖機構添加總計110.754 kN的荷載，如圖4所示。

圖4 6 個鉸頁和4 個閉鎖機構同時施加荷載

3.1.2 門框受力安全性分析

將圖4受力模式代入有限元計算軟件中進行分析。2種門框在爆炸動荷載作用下應力云圖見圖5?？芍? 種門框的最大應力均出現在閉鎖孔位置，預埋式門框、錨固式門框的最大應力分別為30.86，25.84 MPa。

圖5 2種門框在爆炸動荷載作用下應力云圖

由于Q235B 鋼材的屈服強度為235 MPa，在極限峰值為0.1 MPa 的爆炸動荷載作用下預埋式門框、錨固式門框的最小安全系數分別為7.62，9.09，可見2種門框與門框墻的連接均牢固可靠。

2種門框在爆炸動荷載作用下位移云圖見圖6。

圖6 2種門框在爆炸動荷載作用下位移云圖

由圖6 可知：2 種門框最大位移均出現于鉸頁處，預埋式門框、錨固式門框最大位移分別為0.066，0.028 mm，位移均小于0.1 mm，滿足要求。

3.2 門框墻安全性分析

Q/CR 700—2019 中對防護門的混凝土墻體作了下述要求：門框所連接的墻體應采用鋼筋混凝土結構與洞室襯砌可靠連接，墻體混凝土強度不應低于C35，墻體厚度不應小于0.3 m；墻體應采用雙層配筋，鋼筋直徑不應小于16 mm，間距不應大于200 mm。

3.2.1 門框墻承受荷載計算

隧道內防護門為常閉狀態，由于防護門與門框墻剛性連接，因此防護門與門框墻共同承受爆炸動荷載。忽略防護門韌性對荷載的緩沖作用，按照最不利情況考慮，將防護門視為均質剛性實體。門框墻為C35 混凝土材料，采用各向同性D?P 彈塑性本構模型進行模擬，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.2，并對防護門處實體添加剛體屬性。由于門框墻與襯砌是通過鋼筋或植筋的方式連接在一起，因此鋼筋連接處為固定約束。僅保留垂直墻體方向的自由度。施工時墻體底部基礎與混凝土交叉連接在一起，因此底部也設置為固定約束。

防護門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標準值為14.65 kPa，爆炸動荷載垂直門扇指向遠離隧道側。故在防護門和防護門門框墻的受力面添加此荷載。墻體連接處的固定約束與受力面荷載如圖7 所示。經調研，國內隧道門框墻（含防護門）最大面積不超過50 m2。按最不利情況考慮，門框墻面積取50 m2，在有限元計算軟件中進行計算。

圖7 墻體連接處的固定約束與受力面荷載

3.2.2 門框墻受力安全性分析

門框墻應力和位移云圖見圖8?？芍?，門框墻頂部最大應力為22.45 MPa，由于C35 混凝土極限抗壓強度為44.22 MPa，因此門框墻最小安全系數為1.97，滿足安全要求。門框墻中部最大位移為0.066 mm，小于0.1 mm，滿足位移要求。

圖8 門框墻應力和位移云圖

4 結語

以FSP-3642-Ⅰ型防護門為研究對象，對極限峰值為0.1 MPa的爆炸動荷載作用下鐵路隧道新型防護門門框與墻體抗爆安全性進行分析，得出以下結論：

1）給出了爆炸動荷載對應的均布等效靜荷載標準值計算方法。在極限峰值為0.1 MPa的爆炸動荷載作用下防護門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標準值為14.65 kPa。

2）預埋式門框整個門框的最大應力和最大位移均出現于閉鎖孔位置，最大應力為30.86 MPa，對應的最小安全系數為7.62，最大位移為0.066 mm，滿足安全要求。

3）錨固式門框最大應力和最大位移均出現于閉鎖孔位置，最大應力為25.84 MPa，對應的最小安全系數9.09，最大位移0.028 mm，滿足安全要求。

4）門框墻承受的最大應力為22.45 MPa，對應的最小安全系數為1.97，最大位移為0.066 mm，滿足安全要求。