軌道交通市域地鐵線路的站臺門結構設計方案

姜 翼

（廣州新科佳都科技有限公司，廣州 510230）

隨著粵港澳大灣區(qū)經濟的發(fā)展，打造城市互聯(lián)互通的跨城市生活圈，對軌道交通發(fā)展提出了迫切需求。廣州地鐵順勢而為穩(wěn)步發(fā)展，規(guī)劃了廣州地鐵18號線，實現(xiàn)了南沙區(qū)和天河區(qū)的軌道快速連通。廣州地鐵18號線起始于南沙萬頃沙樞紐，止于天河廣州東站，全長61.3 km。它均為地下線，采用8輛編組（6動2拖）的市域列車，設計最高時速為160 km·h-1。站臺門系統(tǒng)采用全自動運行模式。

1 站臺門設計方案

地鐵列車速度的提高，會導致隧道內活塞風載的增大。普通時速的地鐵隧道內活塞風載在1 000～1 500 Pa。廣州地鐵18號線采用高速的市域列車，隧道內活塞風載達到2 400 Pa，對站臺門的結構設計提出了更高的要求。

1.1 站臺門結構

站臺門設置在車站站臺邊緣，上部安裝與站臺頂梁結構連接，站臺兩端與邊墻連接，在站臺公共區(qū)的布置形成一道連續(xù)密閉的屏障。整體站臺門系統(tǒng)由機械和電氣兩部分組成。機械部分包括門體結構和門機傳動系統(tǒng)。電氣部分包括供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

現(xiàn)根據(jù)站臺門的載荷條件和車型布局，進行樣機單元結構設計，以驗證樣機承受載荷后是否滿足國家標準《城市軌道交通站臺屏蔽門》（CJ/T 236—2006）的變形量要求。主要設計包括門體高度≤4 000 mm和最接近列車動態(tài)包絡線的構件最大變形量≤15 mm[1]。廣州地鐵18號線站臺門的載荷條件見表1。

表1 站臺門載荷條件

1.2 門體結構

門體結構由承重結構、門檻、頂箱、滑動門、固定門、應急門和端門等組成。門體結構通常以每道滑動門為一單元進行劃分，在每單元滑動門的門楣上有門編號。樣機單元結構設計包含承重結構、1道滑動門、3扇應急門、2扇固定門和端門單元，如圖1所示。

圖1 樣機單元結構示意圖

1.2.1 承重結構

承重結構由上部連接部件（含伸縮裝置）、底部支撐結構、立柱以及門楣梁等組成。承重結構能承受站臺門的重力荷載、列車行駛活塞風與環(huán)控系統(tǒng)風機風壓共同作用形成的荷載壓力、乘客擠壓力和地震等外界負荷，結構強度和剛度需滿足使用要求。

上部連接部件設計。立柱上部連接部件材料采用Q235B結構鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理。連接螺桿的規(guī)格為M16，螺桿精度等級≥8.8級，表面采用達克羅防腐工藝進行防銹。考慮土建施工誤差，上部連接部件可以通過伸縮桿和長槽孔實現(xiàn)X、Y、Z方向上的調節(jié)，如圖2所示。

圖2 上部連接部件結構示意圖

底部支撐結構設計。底座采用焊接形式，以保證整體結構強度。底座材料采用Q235B結構鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理。底座連接螺桿規(guī)格為M16，螺桿等級≥8.8級，表面采用達克羅防腐工藝進行防銹。底座可通過本體的長槽孔和調節(jié)墊片實現(xiàn)調節(jié)，如圖3所示。

圖3 底部支撐結構示意圖

立柱結構設計。立柱采用Q235B結構鋼，表面采用熱浸鍍鋅防銹處理，外觀裝飾板采用發(fā)紋不銹鋼。由于廣州地鐵十八號線站臺門的最大活塞風載為±2 400 Pa，比以往地鐵項目的風載增加較多，重點對立柱規(guī)格尺寸進行計算和有限元分析校核，確保滿足最大變形量要求。

1.2.2 門檻

門檻分為站臺側門檻和軌道側門檻。門檻底板材料采用Q235B結構鋼，表面采用熱浸鍍鋅處理防銹。外包裝飾板采用2 mm不銹鋼板，不銹鋼板表面采用沖壓工藝形成高低交錯紋路，以便增大摩擦力，防止行人滑倒。門檻通過螺栓固定在立柱底板上，門檻之間設置導向槽。滑動門門體的導靴在導向槽內做往復直線滑動。

1.2.3 頂箱

頂箱前蓋板采用鋁合金擠壓型材，可保證蓋板的平整性和一致性。后蓋板采用發(fā)紋不銹鋼板折彎成形。蓋板的長度尺寸根據(jù)立柱之間的間距，做幾種不同長度尺寸標準，便于統(tǒng)一規(guī)格和方便拼接安裝。

1.2.4 滑動門

滑動門由不銹鋼門框、玻璃、硅酮結構膠、手動解鎖裝置和門掛件等組成。滑動門關閉時，可作為車站站臺公共區(qū)與隧道區(qū)域的屏障；滑動門打開時，為乘客提供上、下列車的通道，也可作為車站隧道區(qū)域發(fā)生火災或故障時乘客的疏散通道。門框采用不銹鋼管焊接的方式制作。門扇玻璃采用單層鋼化玻璃。鋼化玻璃與不銹鋼門框通過硅酮結構膠粘接形成滑動門。

1.2.5 固定門

固定門由門框、玻璃研究硅酮結構膠等組成，位于不同單元的滑動門與滑動門之間或滑動門與端門之間，在站臺公共區(qū)與隧道區(qū)域之間起屏蔽作用。固定門與頂箱門楣和底部門檻之間通過螺栓固定連接。

1.2.6 應急門

應急門由門框、玻璃、硅酮結構膠、應急門推桿鎖和限位器等組成。正常運營狀態(tài)時，應急門要保證關閉并鎖緊。作為站臺公共區(qū)與隧道區(qū)間的屏障，當列車進站無法對準滑動門時，應急門可作為乘客的應急疏散通道。

1.2.7 端門單元

站臺門端門單元是隔離站臺公共區(qū)與設備區(qū)之間的設施，包括端門單元承重結構、頂箱、端門活動門（含玻璃、門框等）、固定門（含玻璃、門框等）、端門的門鎖及解鎖機構、門檻及底部安裝件、密封絕緣、端門指示燈以及閉門器等部件。

端門活動門是列車在隧道內發(fā)生火災或故障時的乘客疏散通道，也是車站人員進出隧道區(qū)間的通道。正常運營狀態(tài)時，端門關閉并鎖緊，不會因隧道風載而導致端門解鎖打開而造成設備損害和人員傷害。

2 站臺門載荷計算

根據(jù)廣州地鐵18號線站臺門樣機單元結構規(guī)格尺寸校核立柱強度，并對樣機單元典型模塊進行有限元分析，驗證廣州地鐵18號線站臺門結構設計的合理性。

2.1 立柱受力計算

固定門立柱受到的壓力作用包括固定門玻璃風壓、滑動門玻璃風壓、固定蓋板風壓、活動蓋板風壓以及乘客擠壓力等，需要按最危險情況計算，校核固定門立柱是否合格。根據(jù)站臺門樣機單元典型模塊進行計算[2]，如圖4所示。

圖4 樣機單元典型模塊示意圖

2.1.1 風壓荷載作用

站臺門風壓面積S、風壓產生的荷載F1、立柱荷載q1依次為[3]：

立柱的最大彎矩按簡支梁計算，即：

式中：Mmax為最大彎矩；q1為均布載荷，單位為N·cm-1；L為梁跨度。帶入數(shù)據(jù)，可得M1max=1 373 400 N·cm-1。

2.1.2 人群擠壓荷載的作用

擠壓荷載大小q2=1 000 N·m-1，則有設計荷載F2為1540 N（換算為作用在立柱的集中荷載）。

立柱的最大彎矩為[4]：

式中：Mmax為最大彎矩；P為集中載荷，單位N；L為梁跨度；a、b為集中載荷受力點跨距。帶入數(shù)據(jù)，可得M2max=107 286.67 N·cm-1。

2.1.3 地震荷載的作用

設計荷載F3為0.25g，其中g=g1+g2=4 600 N。g1為雙扇滑動門的左、右門扇的重量，有g1為1 600 N；g2為雙扇滑動門的左、右門扇的頂箱重量，有g2為3 000 N。

地震荷載F3為：

地震荷載在立柱上分布，有：

立柱的最大彎矩，為：

立柱的最大彎矩總和：

2.1.4 立柱的抗彎截面積計算

立柱的許用彎曲應力（材料 Q235B）[σ]=23 500 N·cm-2，則立柱的抗彎截面模量為：

2.1.5 立柱的安全系數(shù)

通過查《機械設計手冊》第3版，矩形管的抗彎截面模量公式為[5]：

式中：Wy為抗彎截面模量；B為矩形管截面短邊長度；H為矩形管截面長邊長度；B1=短邊長度-（厚度×2）；H1=長邊長度-（厚度×2）；安全系數(shù)為Wy和W的比值；選用立柱規(guī)格為120 mm×80 mm×8 mm。

根據(jù)抗彎截面模量公式，立柱矩形鋼管截面模量Wy為92.01 cm3，安全系數(shù)為1.42。

2.2 立柱撓度計算

由站臺門結構可知，立柱受到上、下兩點固定作用，其受力形式按簡支梁計算。立柱受到的均布荷載總和q為：

通過查《機械設計手冊》第3版，立柱慣性矩公式為：

式中：I為截面慣性矩；B為矩形管截面短邊長度；H為矩形管截面長邊長度；B1=短邊長度-（厚度×2）；H1=長邊長度-（厚度×2）；選用立柱規(guī)格為120 mm×80 mm×8 mm。

根據(jù)慣性矩公式，立柱矩形鋼管的截面慣性矩I為：

立柱材料為Q235B，彈性模量E=2.06×1011N·m-2。

通過查《機械設計手冊》第3版，均布荷載撓度公式Y1max為：

式中：Y1max為最大撓度；q為均布載荷，單位為N·m-1；L為梁跨度；E為彈性模量；I為截面慣性矩。帶入數(shù)據(jù)，有Y1max=11.7 mm。

通過查《機械設計手冊》第3版，集中荷載撓度Y2max公式為：

式中：Y2max為最大撓度；P為集中載荷，單位為N；a、b為集中載荷受力點跨距；E為彈性模量；I為截面慣性矩；L為梁跨度。帶入數(shù)據(jù)，有Y2max=0.004 mm。

立柱的最大撓度總和Ymax為：

通過理論計算得知：立柱選用120 mm×80 mm×8 mm矩形鋼管，其強度和最大變形量滿足相關規(guī)范要求。

2.3 有限元分析

通過對廣州地鐵18號線站臺門樣機單元典型模塊進行有限元分析，進一步驗證整體結構的強度。在最大活塞風載、乘客擠壓力和地震作用的受力情況下，采用ABAQUS有限元分析軟件對樣機單元典型模塊的應力和位移進行分析，結果如圖5和圖6所示。

圖5 立柱等效應力圖

由圖5和圖6可知，在該工況受力作用下，立柱最大應力為89.66 MPa，最大位移為2.48 mm，立柱未發(fā)生塑性變形，分析結果如表2所示。可見，樣機整體結構的強度滿足規(guī)范要求。

圖6 立柱位移云圖

表2 立柱應力、位移結果匯總

3 結語

針對廣州地鐵18號線市域列車高速運行時，最大活塞風載達到2 400 Pa的工況特點，對站臺門結構進行了重新設計，并通過理論計算和有限元分析驗證了整體機械結構的可行性。該樣機已安排生產并通過了第三方結構強度測試，最大變形量滿足要求，可應用在實際城市軌道交通建設項目中。