區間單扇防護密閉門重要構件可靠性分析

王召林，盧屹東，江 漪，王淑敬，彭 飛，殷 卓

(中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100048)

0 引言

地鐵作為一種地下交通工具，對于緩解地面交通擁堵起著非常重要的作用[1]。根據《人防法》的相關規定，地鐵同樣在戰時可轉化為城市人員的緊急隱蔽場所。區間單扇防護密閉門位于地鐵出入口，戰時需承受常規武器的爆炸沖擊波以及防范敵人生化武器的襲擊。區間單扇防護密閉門由門框、門扇、鉸頁、閉鎖、軌道密封裝置等組成。其中，鋼門框由下門框、上門框、左門框、右門框、下鉸頁座、上鉸頁座、閉鎖梁等組成。左、右門框上螺接有閉鎖梁，用來承受閉鎖頭的反彈力，因此其影響到整個區間單扇防護密閉門的防護和密閉性能。

本文針對區間單扇防護密閉門進行計算，通過理論計算和有限元模擬來檢驗閉鎖梁的強度是否滿足要求。

1 區間單扇防護密閉門門框左右兩側鎖孔可靠性分析

1.1 區間單扇防護密閉門結構

區間單扇防護密閉門結構如圖1所示。

1-門框；2-接觸網；3-門扇；4-閉鎖機構(內置)；5-升降傳動機構；6-軌道密封裝置圖1 區間單扇防護密閉門

1.2 理論計算

根據RFJ02—2009《軌道交通工程人民防空設計規范》[2]，對于核6級防護密閉隔斷門，壓力設計值是0.12 MPa時，動力系數Kd=1.5。

閉鎖梁采用Q345鋼，根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》[3]，Q345鋼剪切強度fv=180 MPa。根據GB50038—2005《人民防空地下室設計規范》[4]，在爆炸荷載或動荷載作用下鋼材強度綜合調整系數γd=1.35。因此，動荷載作用下Q345抗剪強度設計值fvd=243 MPa。

區間單扇防護密閉門有8個閉鎖頭(左、右各4個)，對應8個閉鎖孔，閉鎖承受來自門扇所受沖擊波的反彈力。單個閉鎖頭受力的計算公式如下：

Fh=0.5×Kd×p×L1×H1÷N.

(1)

其中：p為門扇受到的壓強，0.05 MPa；L1為門扇的寬度，4 100 mm；H1為門扇的高度，3 800 mm；N為閉鎖頭數量，8個。

將相關參數代入公式(1)計算可得：Fh=175 275 N。

閉鎖主梁板材料采用Q345，閉鎖主梁板閉鎖孔邊所受剪應力pv(MPa)計算公式如下：

(2)

其中：S1為閉鎖主梁板孔受力截面積，mm2。

區間單扇防護密閉門閉鎖主梁板孔受力截面如圖2所示，S1=36.5×20=730 mm2。

圖2 區間單扇防護密閉門閉鎖主梁板孔受力截面

將相關參數代入公式(2)可得到閉鎖主梁板孔所受剪應力pv=240 MPa<243 MPa。因此，通過理論計算得出，區間單扇防護密閉門閉鎖主梁板強度滿足受力要求。

1.3 有限元模擬

首先利用SolidWorks建立區間單扇防護密閉門門框閉鎖梁三維圖，如圖3所示。接下來利用ANSYS Workbench對區間單扇防護密閉門閉鎖主梁板進行有限元分析，每個閉鎖孔大約承受175 275 N的力，有限元分析結果見圖4和圖5。

圖3 區間單扇防護密閉門門框閉鎖梁三維圖

圖4 閉鎖梁變形云圖

圖5 閉鎖梁應力云圖

由圖4、圖5可知:閉鎖梁最大變形發生在上下兩端閉鎖孔外側中間部位，最大變形量為0.133 mm;最大應力約為235.48 MPa，發生在閉鎖孔外側的直角彎部位，小于243 MPa。理論計算和有限元模擬結果接近，均說明區間單扇防護密閉門閉鎖梁強度滿足要求。

2 區間防護密閉門門扇活面板受力分析

2.1 理論計算

首先，計算區間單扇防護密閉門活面板上螺栓和螺栓孔距離面板邊緣部分哪個能承受更大剪切力。

活面板材料為Q345,根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》可知，Q345剪切強度為180 MPa。螺栓為普通螺栓，根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》可知，螺栓等級為4.8級，材料Q235時,剪切強度為140 MPa。

對于核六級區間單扇防護密閉門，活面板厚度為4 mm，螺栓孔直徑為Φ9 mm，距離面板邊緣最小距離18 mm，可計算出最小截面為54 mm2。螺栓為普通螺栓，規格為M8×20，可計算出螺栓截面積為50.265 mm2。

最大剪切力計算公式如下：

F=fv×S.

(3)

其中：fv為剪切強度，MPa；S為剪切受力面積，mm2。

通過將活面板螺栓孔距離面板邊緣部分與螺栓的參數代入公式(3)可計算出，單個活面板螺栓孔距離面板邊緣部分可承受最大剪切力為9 180 N，單個M8×20螺栓可承受最大剪切力為7 037 N。因此，活面板螺栓孔距離面板邊緣部分比螺栓能夠承受更大剪切力。

選取區間單扇防護密閉門中門扇最大的活面板尺寸為632 mm×571 mm，如圖6所示，螺栓個數為16個。

圖6 區間單扇防護密閉門最大活面板尺寸

2.2 有限元分析

通過計算活面板所受應力大小，來判斷螺栓的抗剪強度是否滿足要求，并通過有限元法計算活面板的變形情況。利用ANSYS Workbench建立活面板的有限元模型如圖7所示。按照實際情況，在活面板下四周放置了簡化的支撐板。活面板通過M8螺栓與支撐板連接。接下來對活面板和螺栓進行有限元分析，得到的結果如圖8～圖10所示。

圖7 活面板有限元模型

由圖8可知，活面板的最大變形為3.46 mm。而活面板四周螺栓孔位置的變形很小，且活面板上螺栓孔與螺栓的間隙為1 mm，因此可以推出活面板上螺栓的受力較小。

圖8 活面板變形云圖

由圖9可知，活面板最大應力為248.71 MPa，小于活面板的屈服強度345 MPa，滿足強度要求。

圖9 活面板應力云圖

由圖10可知，活面板上螺栓所受的最大應力為16.619 MPa，小于其許用最大剪切應力140 MPa，因此螺栓強度滿足要求。根據前面理論計算得出活面板孔邊緣強度大于螺栓強度。因此，活面板螺栓孔邊緣部分也能夠滿足受力要求。

圖10 螺栓應力云圖

3 結論

針對區間單扇防護密閉門中門框的薄弱環節閉鎖梁以及門扇中活面板可能存在強度不夠的安全隱患，進行了理論計算校核以及有限元分析。結果顯示區間防護密閉門門框閉鎖梁以及門扇活面板受力滿足要求，該研究對后期區間單扇防護密閉門的優化具有參考意義。