轨道交通隧道防淹门系统及门扇受力分析计算

傅 华,龚 飞

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院)

摘 要:针对轨道交通隧道防淹门系统的设计,介绍了该系统的结构和工作原理,应用Ansys 软件建立防淹门门扇的结构模型,并对其进行有限元分析。通过门扇的应力分析及变形分析来进行门扇的结构设计,确保门扇的制造经济性和使用可靠性。

关键词:轨道交通隧道;防淹门;门扇;结构模型;有限元分析 位于水域下的轨道交通隧道在施工及正常运营过程中,若恰逢在汛期高潮位,而又因爆炸、地震、战争或其他突发事故而受到破坏时,江(河)水即可通过受破坏的区间隧道迅速倒灌至城区内,危及人民的生命财产。为了避免这种在特殊状况下隧道作为进水通道而导致城区被淹的风险,必须在水下区间隧道两端车站(工作井)内设置防淹门,以便一旦发生紧急情况,能够迅速关闭,阻止江(河)水的侵入,确保城区安全;同时,也便于灾后轨道交通的快速恢复。因此,过江(河)隧道防淹门对提高城市和轨道交通的防洪安全有着重要意义。1 防淹门系统简介1.1 防淹门系统功能介绍1.1.1 防淹门主要结构(见图

1)

1.启闭机

2.门扇

3.搁门装置

4.门槽

图1 防淹门主要结构图

1.1.2 防淹门系统工作原理

每扇防淹门配置1台启闭机和2台电动同步锁定装置,由防淹门监控系统控制。轨道交通隧道正常时,防淹门呈开启状态,由锁定装置锁定于设备室内,3套水位传感器设在区间隧道废水泵房内,水位信息按3取2方式自动确认。一级报警水位线为轨道底面以下100mm;二级报警水位线为轨道顶面以上60mm (此时,车辆设备尚未被淹)。从一级报警水位起,报警信号发送至车站控制室,通过B AS 网络至运营控制中心(OCC ),有关人员应处于戒备状

态,评估灾情及发展趋势,并采取必要的措施。如防淹门监控系统计算水位上升速率超过设定值,或区间水位达到二级报警水位,则立即向车站控制室、OCC 等发出危险报警信号。车站控制室人员确认险情后向信号系统(ATC )发出关门解锁请求,ATC 采取疏散车辆等必要措施,然后给电力监控系统(SC ADA )发出车辆触网用电终了信号。SCADA 执行触网断电操作后,向ATC 发送断电信号,由ATC 将综合信号(即关闭解锁信号)发送给防淹门系统,防淹门系统即刻解锁并在收到关门许可的人工确认指令后,实施操作关闭防淹门。1.1.3 防淹门系统监控功能

防淹门系统具有三级监视和两级控制功能;即就地、车站及OCC(或ATC )的闸门状态三级监视和就地、车站两级控制;防淹门关闭应经过系统解锁、人工确认,以实现车站或就地两级控制。

(1)车站级控制从车控室操作盘(BP)上通过B AS 协议接口数据总线控制防淹门开关,防淹门及锁定装置响应 一键 程序控制关/开门指令。而车站级紧急控制从车控室防淹门紧急控制盘(I BP)通

过硬线回路直接控制防淹门关闭。操作人员在站长或其它有关负责人的授权下,可解除防淹门!ATC !SCADA 联锁,将防淹门强行关闭。此紧急控制功能仅用于高度紧急状态。

(2)就地控制级具有 一键 程序、检修(含单步操作功能)、模拟、手动操作等4种模式。在 一键 程序关门模式下,启闭机将防淹门升起50mm 后其

两侧的锁定装置自动打开,防淹门向下运行,直至关

2 防淹门门扇结构与有限元(FEM)分析

2.1 门扇结构的尺寸和设计参数

防淹门门扇设计采用箱形梁板门结构,既减轻重量又可满足使用的强度和刚度要求。门扇总高4700mm,总宽4590mm。门扇一侧是具有一定厚度的面板,它直接承受来自隧道的水压力;另一侧采用钢板焊接成的 ∃形钢按照 井字形布置并焊接在面板上。横向有6根,间距908mm,为主横梁;纵向有6根,其中两边为边梁,中间4根为小纵梁,间距均为858mm。梁与面板的材料选用16M n钢,其相关参数是:

屈服点 s=345N/mm2;

强度设计值f=0.92f y;

安全系数[s]=1.44;

抗拉、抗压和抗弯允许压力[ ]=240N/mm2;

弹性摸量E=2.06105N/mm2;

剪切摸量G=0.794105N/mm2;

泊松比 =0.3;

材料密度=7900kg/m3;

最大位移w=1/400=4290/400=10.7mm。2.2 门扇结构有限元模型的建立和分析

2.2.1 建立门扇结构的有限元模型

Ansys是集结构、热、流体、电磁场和声学于一体的大型通用有限元分析软件。它的前处理包括设置单元类型、实常数,定义材料属性,创建模型和划分网格等5个步骤。通过前处理,分别对面板和梁结构建立模型。

首先,建立面板的有限元模型。根据轨道交通隧道的截面,选定面板的设计尺寸为4590mm% 4700mm,其厚度由下式计算:

!=a KP

∀[ ](1)式中:!!!!面板厚度;

b、a!!!面板计算区格的长、短边长度(从面板与主次梁的连接焊缝算起);

∀!!!弹塑性调整系数;

K!!!弹性薄板支承长边中点弯应力系数(按照比值b/a在∀水工钢闸门设计#图4-3中查取)。

根据防淹门的结构布置,面板的计算数据如下: a=85.8c m、b=90.8c m,得到b/a=90.8/85.8=

1.058<3,取=1.5查得K=0.32;[ ]=2135kg/

c m2;解得面板厚度!=1.12c m,单元类型选用Shel,l在材料属性定义中添加16M n钢的弹性模量E=2.06%105N/mm2和泊松比0.3。取面板的厚度为12mm添加到实常数,然后通过M eshA ttribute 将单元类型和材料属性赋于面板模型,并对面板模型进行网格划分。

再次创建梁结构的有限元模型。梁与面板的材料属性相同。梁结构的单元类型选用具有非线形结构的bea m188,以便准确描述梁的大变形和大应变。主横梁、边梁和纵梁的截面通过前处理模块下的Secti o n定义,因为主横梁承受的弯曲应力较大,所以其腹板比纵梁和边梁厚,各个梁的截面选择如图2所示。在面板模型的基础上建立梁结构的模型,并把单元类型bea m188、截面尺寸和材料类型通过M eshA ttri b

ute赋于梁结构的有限元模型,最后对梁结构划分网格。面板和梁结构的模型建立完成后,才能确定防淹门门扇的有限元分析模型。

图2 各个梁的截面图

2.2.2 门扇有限元模型的几何及载荷约束

在门扇有限元模型应力分析中,必须进行几何及载荷约束。根据轨道交通防淹门的总布置形式,防淹门是通过布置在边梁上的滑槽沿Y方向作上下运动。因此,门扇边梁的X、Z方向的位移自由度均被,上下运动的Y方向为自由状态。整个面板所受载荷全部传递到梁结构上,由面板和梁结构共同承担。假定防淹门的水头设计高度为18m,那么门扇承受的平均水压力P=1.1%15.616/10=0.17M Pa。

2.2.3 门扇有限元模型的后处理

在后处理中可观察和分析有限元的计算结果。在观察结果前,把计算结果文件输入数据库中,以等

(下转第62页)

2.3.3 强弱电用房布置

由于车站内环控设备采用分散布置,没有集中用电负荷,而车站管理(车控室)和弱电设备基本集中设在南侧地面站厅的上下区域,因此,把供电设备用房也放置在南侧站厅地面的位置,便于管理和监控。3 带敞开轨道区风口地下一层车站设计的技术难点 轨道上排风孔对站厅布置有一定,站厅只能化整为零分散布置(在地面层两端,或在站台层两侧),相对于一般地下二层车站,管理不方便;同时,站厅位置往往会和地面规划或地下管线有冲突。因此,需要在造价和综合效益之间进行平衡,如有条件,地面站厅与周边建筑合建更好。

从设计角度看,轨道上排风孔需要相当大的通

风面积,风口要设置在远离人群以及不影响建筑和城市景观的地段。一般采用低风井形式布置在绿化带内,需要占用相当大的地面面积,对场地选择有一定难度。此外,轨道风口下方需做好防水措施,地面部分也要有防淹措施。4 结语

带敞开轨道风口地下一层车站的选用是建立在对线路、地形、设备系统比选和工程造价进行技术经济综合比较基础之上的。自2007年年底6号线通车后,高清路站等其他几个带敞开轨道区风口地下一层车站运营正常、情况良好。我们将在总结经验的基础上,不断加以完善,为今后类似的轨道交通车站提供更合理、经济的设计。

(收稿日期:2008-03-16)

(上接第59页)

值线的形式显示模型。在图形窗口中生成连续的经过整个模型的应力等值线和位移等值线,它可以描绘应力和位移在模型中变化的情况(见图3、图4),从而可以较为迅速地确定模型中的危险区域,以及

节点位移的情况。

图3 门扇有限元模型的位移变化图

门扇有限元模型的位移和应力分析结果为:最大应力 =200M Pa ,最大位移w =5.14mm 。3 结语

根据有限元模型分析的结果,门扇最大应力 =200MPa<[ ]=240M Pa ,分别出现在主横梁上和面板中间部位;最大位移w =5.14mm <[W ]=10.7mm,也出现在门扇的中间部位。即防淹门的中间部

位是危险区域,但均符合设计要求。故该门扇结构满图4 门扇有限元模型的应力变化图

足轨道交通隧道防淹门的设计要求。同时,通过材料力学的简化计算方式,证明设计是合理的;在随后进行的防淹门实体样品试制和进行的各项承载实验中也证明了有限元分析门扇结果的正确性。

参

考

文

献

[1] 叶德安.钢结构工程技术手册[M ].武汉:华中理工大

学出版社,1995.

[2] 张如三.材料力学[M ].北京:中国建筑工业出版社,

1993.

[3] 姜勇,张波.A nsy s7.0实例精解[M ].北京:清华大学

出版社,2004.

[4] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M ].北

京:水利电力出版社.

[5] 孙增田.广州地铁2号线防淹门系统的设计分析[J].

都市快轨交通.2004,(17).

(收稿日期:2007-10-14)

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W ang Q iang The style o f auxiliary structure a t specia l loca tion trends t o be d ive rs ifica tion.The a rtic l e br i e fly in troduces t he de sign charac t er istics o f t he f ounda tion o f g round aux ilia ry structure above t he subway e ntrance and the re la tionsh ip be t w een the tunne l top slab and the unde rg round aux ilia ry structure on i,t and so m e de sign po in ts as w e l.l

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(38)En ergy saving L ighting Design for R ail T ransit Depot H e H u il an

W it h regard to t he h igh e l e ctrica l load o f ligh ting syst em f o r ra il transit depo,t so lutions a re g iven from the design as pect o f the li g h ting mode,illum inant se lecti o n,and contro lm ode.A nd it d iscusse s t he mean ing o f LPD lm i ited va lue,and how t o enhance t he lighting e ffic i e ncy.

(41)E xper i m en t and S tudy on Un load i ng R ebound Contro l of Foundation Pit above M etro T unne l

L i u X iaoj i an,Jia J i an …………………………………………………………………………………………………………

Thro ugh labora tory so il t e st and ana lysis o f t e st da t a,the un load i n g rebound charact e ristics o f so ft so il f o unda tion p it above m e tro tunne l are d iscussed and the m easure s f o r rebound contro l a re put f o r wa rd so as t o ensure the sa f e t y o fm e t ro operation in t he lower so il laye r o f the f oundation p i.t

(45)M e tro Protection in the Design of Shanghai Renm i n Stree t Underpass

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Qu Y i ng,Ch en Ch angq,i X iang X i an ghong Construction o f some excava ti o n p its may in fluence its ne i g hbor ing me tro station o r interna l t unne.l I n t he de si g n o f Shangha i Renm in S tree t Unde rpass p ro jec,t a ser i e s o f t echn ica l measures a re considered to p ro t ec t the ne ighbo ring m e t ro,con tro l tunne l de f o r ma tion,and ensure me tro ope ra tion safe ly.

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(47)App licati on of Spray Polyurea E lasto m er(SP UA)in Subway Stati on for W aterproofing X iong Shan

Sp ray Po lyurea E last ome r(SPUA)is wor l d w ide ly used f or its good mechan is m pe rf o r mance,anti ag ing,quick con so lida tion,and easy construction.The reac tion mechan is m,sp ray me chanis m and pe rf o r mance o f SPUA a re in troduced. Sp ray construction and sp raying equ ipmen t a re specifi e d.And t he app li c ation o f SPUA f or t he wa t e rp roo fing i n S i P ing Road S tation o f Shangha i Ra il Trans it L ine8,and Tong ji Un iversit y station o f Shangha i Ra il Transit L ine10has ach i e ved good e ffec.t

(49)Developmen t of M ach i n i n g E quipmen t for She ll B ody of E xtra l arge TB M used

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in Shanghai Yangtze R iver T unn el L iu Z h i hu i

A specia l t u rn ing bo ring m illi n g m ach ine is deve loped to so lve the d ifficu lties in m ach in ing o f t he she ll body o f the ex tra large TBM,wh ich is used f or Shanghai Y angtze R ive r Tunne.l The article introd uce s t h is mach ine from it s deve lopmen t requ irem en,t design scheme,structure o fma in componen,t precision contro lmeasures in manufacture and insta lla tion and p ractica l e ffec.t The succe ssful deve lopme nt o f th is mach ine p rovides t he large mach in ing equ i p men t for na tiona l industr i a l iza tion o f sh ie ld mach ine.

(52)Dyna m ic R is k M anagemen t i n Rep air of Shanghai Ra il T ransit L ine4G uo L i ang,T ang J i ng

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The article presen t s t he f o r m ation,conten t s and framew ork o f dynam i c risk m anagemen.t Comb ined w ith the extra deep excava tion p it for t he repairing eng ineer i n g o f Shangha i Ra il T ransit L ine4,through comb ina tion o f risk m anagemen t and p ro j e ctm anagemen,t measures of dynam ic r isk m anagemen twe re regu lated and app li e d in t he engineer ing p ractice. The succe ssfu l comp letion o f the p ro ject proves the e ff ective o f dyna m ic risk managem ent in risk con tro.l

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(55)Analysis of In ternal Force of P latform Screen Door Zhu P i ng

The pape r stud i e s t he load and l o ad comb ina tion o f p l a tf orm screen door.F rom the aspects o f the load,w ind p res sure and te m pe ra ture,the in t e rna l force o f p l a tf o r m screen door a re ana l y zed.Seve ra l m ode s a re in troduced i n de t a i,l w h i c h are used t o check the lm i iting st a t e s o f bea ring capacit y o f p la tfor m door.

(58)Rail T ran sit F l ood G ate Syste m and Its I n ternal Force Analysis and Calculation

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Fu H ua,G ong Fe i Accord i n g to t he design o f ra il transit flood ga t e syst em,the gate struct u re and wo rking p rincip l e are introduced.An sys so ft ware was used t o estab lish a structura l mode l o f door l e a f and m ake fi n it e e l e m ent ana lysis to t he stress and de for m a tion,ensu ring t he door lea fs'p roducing economy and usage re liab ilit y.

(60)Arch itec ture Layou t of Underground L eve l1S tation w ith A ir Ven t in O pen Rail Area

G uo J i an

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The st a tion s in seve ra l sec tions o f Shangha i Ra il Transit L ine6are designed as unde rg round leve l1st a ti o n w it h a ir vent in open ra il area.Co m b ined w ith the a rch it ecture design cases o f so m e st a ti o n,the a rti c l e p resen ts the l a youts o f p la tfor m and concou rse a t d iff e ren t leve,l and the cha ract e ristics and app lica tion o f l a yout o f a ir ve nt in t he ra il area. (63)De sign and Realization of AT S Em ulation Syste m O perati on Fra m ework for R ail T ransit

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Dong Junq i Based on t he ana lysis of t he charac t e ristics o f ra il transit ATS syst em,an ob ject orien t ed mode li n g framewo rk and l o g ic con tro l framew ork are se lect ed to de fine t he tm i e contro l and ob ject con tro l for A TS em u l a ti o n syst em acco rd ing to the ope ra tion o f ra il transi.t Such a de finiti o n ove rco m es the de f e ct s in the trad itiona l em u l a ti o n con tro l log ic w hich dive rges i n p rocess code o f de scrip tion mode.l Th is pape r p rovides a new idea and sche m e f o r ATS em u l a ti o n system design.