基于高强不锈钢的城际铁路超大防护密闭隔断门设计研究

基于高强不锈钢的城际铁路超大防护密闭隔断门设计研究

吴 鹏1，徐建涛1，陈 丹1，张阳2

1中铁工程设计咨询集团有限公司，  2中国电子工程设计院股份有限公司

摘要：城际铁路与城市地铁在多方面有明显不同，城际铁路在防护密闭隔断门的设计选型、尺寸确定等方面需特别考虑。为了解决城际铁路超大防护密闭隔断门的难题，通过材料比选、样品门的设计计算、试制和试验检测，提出采用基于高强不锈钢的城际铁路超大防护密闭隔断门能够满足各项战术技术要求和城际铁路防护单元建设需求，可填补城际铁路设防领域的空白，并较好地发挥其战备效益、社会效益和经济效益。

关键词：城际铁路；高强不锈钢；超大；防护密闭隔断门

基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重大课题(2014G004‐C，2017G007-A，2017G007-B))

第一作者简介：陈丹（1978—），女，河南上蔡人，2006年毕业于北京交通大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，高级工程师，现从事地下工程设计与研究工作。E-mail：42263182@qq.com。

1概述

早年，随着城市发展，为了平衡城市各板块的差距，解决交通堵塞，发达城市陆续开始修建城市地铁。地铁需兼顾人防，按一座地下车站加一相连的地下区间划分为一个防护单元，防护单元之间设置一道双向受力的防护密闭隔断门，平时打开，保证运营，战时关闭。地铁列车速度慢，防护密闭隔断门门洞尺寸受限界控制，一般为4.2m(宽)*4.5m（高），面积为18.9m2，重量约12吨，主要采用普通Q235、Q345等钢材，这方面研究较多[1]-[5]，在工程中也广泛使用。但地下潮湿环境下，钢材质门易锈蚀，平均1年要全面维护一次，维护难度大。

近年来，随着我国综合国力的大幅增强，各大城市间开始大规模修建城际铁路，以加强城市间的联系。为了综合利用地下空间，集约化利用土地，倡导绿色环保的理念，城际铁路越来越多的修建地下车站和区间，地下车站和区间也需兼顾人防。城际铁路列车速度快，防护密闭隔断门门洞尺寸，主要由列车设计速度对应的轨面以上横断面面积[6]控制。由于城际铁路发展时间短，对城际铁路防护密闭隔断门的研究较少。

为对城际铁路防护单元有效设防，做好新建城际铁路的平战综合利用，更好地发挥其社会效益、经济效益和战备效益，对城际铁路防护密闭隔断门进行研究很有必要。

2工程背景

某城际铁路项目，“一环一射”总体布局，列车设计时速160km/h。进入城市内的线路地下敷设，设置11座地下车站，按6级设防。大部分地下区间采用单洞双线大断面形式。

根据断面形式，结合相关专业的需求，防护密闭隔断门门洞尺寸定为9.5m（宽）*7.0m（高），面积66.5m2。

3超大城际铁路防护密闭隔断门设计研究

3.1 主要战技要求

双向等效静载0.05MPa[7]，荷载按不同时作用。

最大漏气量ΔQ12.2m3/h（设计值）。

3.2 材料的选定

此防护密闭隔断门面积是普通地铁隔断门的3.5倍，为降低运输、安装过程中安全风险，保证机构运转的灵活性，并考虑工程所在地区的含盐高湿高温环境对门体材料耐腐蚀性能的要求，通过对多种材料比选后，采用节镍高强度不锈钢QN1701（屈服强度达450MPa以上，抗拉强度达760MPa，延伸率达55.5%，耐锈蚀能力高于常用不锈钢430），能满足高强、轻质、耐腐蚀、便于加工的要求。

3.3 总体方案

采用单扇门立转启闭、竖向承载的总体方案，主要由门扇、门框、闭锁、铰页、密封梁、胶条等组成，见图1。

图1城际铁路单洞双线防护密闭隔断门简图

Figure1Sketch of airtight blast partition door

方案充分利用下部两侧及双线间的空间，在底部道床两侧及中部设置三个钢筋混凝土承载平台，作为门体竖向承载的基础，见图2。

图2　承载平台示意图

Figure2Diagram of bearing plummer

3.4 承载体系计算分析

采用某商用有限元计算软件。

门扇采用梁板结构，上下纵向支承，型钢骨架与内外面板共同受力。内部及四周采用型钢。其中纵向中间型钢为工字钢，横向中间及四周为槽钢。反向荷载由上下边锁头承担。

3.4.1材料参数

型钢和钢板均采用QN1701钢，采用理想弹塑性模型，弹性模量196GPa，泊松比0.3，屈服极限450MPa，强度极限760MPa，延伸率50%。

3.4.2 模型建立和网格划分

隔断门纵向型钢为主受力方向，型钢保持整体性。横向型钢在纵向型钢之间间隔布置。

因门扇对称，采用1/2模型进行计算。为了方便计算，在建模过程中忽略了一些细节，重点考虑在爆炸荷载作用下的应力和变形情况。门扇按承载在上下边的固定门框上计算，上下两边简支。整体计算模型，见图3。

图3　计算模型

Figure3Calculation model

3.4.3 正向承载计算

外面板施加0.05MPa的均布荷载，此时门体承载于上边门框

墙及下边承载平台上。

门扇应力云图，见图4。由图可知，最大应力为579MPa，发生于型钢与面板接触处，整体应力均匀。满足强度、刚度要求。

图4　门扇应力云图

Figure4stress nephogram of door

门扇位移云图，见图5。图中红色区为位移较大的区域，与“跨中挠度最大”的常识相符。由图可知，门扇变形以单向板的弯曲变形为主，位移最大值发生在中部，最大值为61mm，其余各处法向位移也较为合理。满足设计要求。

图5　门扇位移云图

Figure5Displacement nephogram of door

3.4.4 反向承载计算

内面板施加0.05MPa的均布荷载，此时门体承载于上下边的锁头上。为简化计算，锁头端面圆柱面固定约束。

门扇及闭锁头应力云图，见图6、图7。由图可知，最大应力发生于中部锁头尖点处，为应力集中所致。门扇整体应力均匀，总体上应力在300MPa以下。整体满足强度、刚度要求。锁头应力最大是因为固定约束了锁头端面，与实际有一定差距，实际应力小于计算结果。

图6　门扇应力云图

Figure6stress nephogram of lock head

图7  闭锁头应力云图

Figure7Displacement nephogram of door

门扇位移云图，见图8。由图可知，位移最大值发生在中部，最大值为37.4mm，其余各处法向位移也较为合理。满足设计要求。

图8　门扇位移云图

Figure8Displacement nephogram of door

3.4.5 胶条反力作用计算

施加胶条反力计算了门体变形。胶条反力按2000N/m计，作用于四周的槽钢面上。锁头四个面固定约束，变形情况见图9。由图可知，最大变形为纵向槽钢边中部，为0.46mm。满足设计要求。

图9 变形图

Figure9  Displacement nephogram of door

根据计算结果，在正向荷载、反向荷载、胶条反力分别作用下，门扇变形均匀，结构主体应力小于材料屈服极限，且有较大裕量。可认为门扇强度、刚度满足设计要求。

4 样品门试制和第三方检测结果

根据设计图纸，进行了样品门试制。在进行了试安装和试运转后，邀请具备资质的第三方检测机构对样品门进行检测，各项检测结果均合格。手动开门时间平均11秒，手动关门时间平均16秒。部分功能性测试数据及判定结果摘录见下表。

检测结果表

5 结语

通过设计研究、计算分析、样品门试制及第三方检测，该超大城际铁路防护密闭隔断门满足各项战术技术要求，结构简单、合理，功能可靠，便于维护，平战转换简便快捷。

目前国内城市地铁项目审批建设节奏逐步放缓，城际铁路作为安全、快速、低碳、绿色的交通工具,已成为城市群内部融通发展的骨干支撑[8]。基于新型高强度不锈钢的城际铁路超大防护密闭隔断门，设计成果具有先进性和创新性，能够满足城际铁路防护单元建设需求，填补了城际铁路设防领域的空白，达到国内领先水平，具有很好的战备效益、社会效益和经济效益。研究成果具有广泛的推广应用价值。

参考文献（References）：

[1]国家人民防空办公室. 国家人防行业标准图集·人民防 空工程防护设备选用图集（RFJ0I - 2008）［M］. 北京：中国计划出版社，2008.

[2]郭士博, 徐胜. 地铁区间新型人防设备设计要点[J]. 城市轨道交通研究，2016（2）：50.

[3]卢绪智，黄静华，杨洁，刘首，张晓辰.地铁单洞双线隧道双扇防护密闭隔断门研制.城市轨道交通，2019，22（1）：155.

[4]方秦，谷波，张亚栋.钢结构防护门结构优化的数值分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2006,7（6）：557.

[5]孟凡茂，徐 迎，龚华栋，等.防护门设计研究[J].四 川 兵 工 学 报，2015,36（10）：161.

[6]城际铁路设计规范：TB10623-2014[S]. 北京：中国铁道出版社有限公司，2015.

[7]轨道交通工程人民防空设计规范：RFJ02-2009[S].北京：中国计划出版社，2009.

[8]杨斌，阳博，徐旭辉.粤港澳大湾区城际铁路融合发展策略研究[J].铁道标准设计，2023，67（9）：7.