鐵路隧道新型防護(hù)門門框及門框墻抗爆安全性研究

王志偉 馬偉斌

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路隧道防護(hù)門作為重要防火隔斷設(shè)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(gè)或者多個(gè)防火分區(qū)，可以有效阻止隧道火災(zāi)產(chǎn)生的對(duì)流熱、輻射熱、有害氣體向其他分區(qū)蔓延，在防災(zāi)避難、保護(hù)設(shè)備設(shè)施安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1-4］。

既有鐵路隧道防護(hù)門多為鋼制復(fù)合防爆板防護(hù)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(qiáng)復(fù)合材料制成的新型鐵路隧道防護(hù)門不僅能滿足抗爆防火的要求，同時(shí)還具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐銹蝕、耐候性好、造型美觀等優(yōu)勢(shì)，可取代復(fù)合防爆板防護(hù)門［6］。

防護(hù)門設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮抗爆安全性［7］。對(duì)于防護(hù)門的整體抗爆性能，TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］和TB 10063—2016《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［9］均明文規(guī)定：客貨共線鐵路隧道防護(hù)門的抗爆荷載不應(yīng)小于0.10 MPa，高速鐵路、城際鐵路隧道防護(hù)門的抗爆荷載不應(yīng)小于0.05 MPa。

當(dāng)前對(duì)于鐵路隧道防護(hù)門的安裝方式研究較少。如何將防護(hù)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(hù)門安裝使用前研究的重點(diǎn)。

1 門框與門框墻連接方式

鐵路隧道防護(hù)門的門框與門框墻連接，門體采用特種鉸頁(yè)與門框連接。新型玻璃鋼隧道防護(hù)門門框與門框墻的連接方式有預(yù)埋式和錨固式2種。其中預(yù)埋式門框適用于新建隧道，隧道施工時(shí)在門框墻內(nèi)預(yù)埋門框的固定件，后期安裝防護(hù)門時(shí)將門框與預(yù)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(xué)錨栓將門框直接錨固至門框墻上。

1.1 預(yù)埋式門框安裝方式

預(yù)埋式門框是先將門框上的錨固鉤與門框墻內(nèi)的鋼筋焊接，再與鋼筋網(wǎng)一起澆筑，形成整體。預(yù)埋式門框的主框架是由2 個(gè)角鐵互搭成型焊接，在門框的下表面（靠近混凝土側(cè)）的內(nèi)側(cè)焊接錨固鉤，二者之間滿焊連接，成對(duì)排布，鉤頭與鉤頭相對(duì)，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(duì)錨固鉤間距不超過200 mm。

圖1 預(yù)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(jīng)澆筑完成的情況下，通過高強(qiáng)化學(xué)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(cè)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(zhǎng) 型，貼合在門框墻的直角邊上，并且在L 型支架的2 個(gè)邊上均設(shè)置化學(xué)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(yè)位置錨固支架應(yīng)較其他地方更密集。

圖2 錨固式門框連接效果

2 爆炸動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)的均布等效靜荷載計(jì)算

爆炸動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)的均布等效靜荷載可根據(jù)GB 50038—2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］計(jì)算。

空氣沖擊波直接作用在外墻上的爆炸動(dòng)荷載最大值P計(jì)算公式為

式中：Ce為荷載均布化系數(shù)；?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(guī)武器地面爆炸空氣沖擊波最大超壓，N/mm2。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，已知防護(hù)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(shù)為0.930。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］，防護(hù)門門框墻在爆炸動(dòng)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(jiǎn)化的無(wú)升壓時(shí)間的三角形波等效作用時(shí)間t0計(jì)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(diǎn)的距離，一般鐵路隧道防護(hù)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(dāng)常規(guī)武器地面爆炸動(dòng)荷載波形簡(jiǎn)化為無(wú)升壓時(shí)間的三角形時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件動(dòng)力系數(shù)K的計(jì)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的允許延性比，對(duì)于鐵路防護(hù)門門框墻［β］可取1.2。

式中：Ω為矩形板的自振圓頻率系數(shù)；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(zhì)量，kg/m2。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，防護(hù)門門框墻寬8 m，高6 m。假定墻體豎向和水平兩對(duì)邊固定，參考GB 50038—2005可得Ω=19.51。

式中：ψ為剛度折減系數(shù)，參考 GB 50038—2005 鋼筋混凝土構(gòu)件ψ=0.60；d為墻體厚度，對(duì)于防護(hù)門門框墻d=0.3 m；υ為材料泊松比，對(duì)于鋼筋混凝土υ=0.2；Ed為動(dòng)荷載作用下材料的彈性模量，kN/m2。動(dòng)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(guī)武器地面爆炸動(dòng)荷載作用下，門框墻外表面的均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值q計(jì)算公式為

經(jīng)計(jì)算，在極限峰值為0.1 MPa 爆炸動(dòng)荷載作用下K=0.057 3，P=255.75 kPa，q=14.65 kPa。

3 抗爆安全性計(jì)算與分析

確定防護(hù)門門框與門框墻的連接方式前，須進(jìn)行不同安裝方式條件下抗爆性能安全性驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)根據(jù)Q/CR 700—2019《隧道防護(hù)門》［12］選用面積最大的FSP-3642-Ⅰ型防護(hù)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(jì)算

門框安裝如圖3所示。預(yù)埋式門框錨鉤的規(guī)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(jié)構(gòu)，且與混凝土中的鋼筋連接，計(jì)算時(shí)門框與墻體設(shè)置為剛性連接。錨固式門框則采用規(guī)格為M20 的化學(xué)錨栓，錨固間距不大于200 mm，與門框墻連接在一起?；瘜W(xué)錨栓采用垂直分布式門框連接板固定，計(jì)算時(shí)門框與墻體同樣設(shè)置為剛性連接。

圖3 門框安裝示意

鐵路隧道防護(hù)門門框?yàn)樘间換235B 材料，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。由于防護(hù)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(shè)置為全局結(jié)合接觸。

對(duì)于預(yù)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(shè)定錨鉤末端為固定約束。錨固式門框通過化學(xué)錨栓與墻體傳遞作用力，化學(xué)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(gè)性能來(lái)抵抗荷載。由化學(xué)錨栓性能可知，單個(gè)M20 化學(xué)錨栓的抗拉強(qiáng)度不小于120 kN，抗剪強(qiáng)度不小于75 kN，因此1 組垂直交叉分布的化學(xué)錨栓的承載力為195 kN，爆炸總荷載為221 kN，其錨固強(qiáng)度遠(yuǎn)大于爆炸荷載，故設(shè)定化學(xué)錨栓連接位置為固定約束。

防護(hù)門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為14.65 kPa，爆炸沖擊波作用力垂直門扇由正線側(cè)指向疏散側(cè)或洞室側(cè)。整個(gè)防護(hù)門受到的爆炸作用力F1計(jì)算公式為

其中：A為受力面積，m2。

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

防護(hù)門門扇通過鉸頁(yè)機(jī)構(gòu)和閉鎖機(jī)構(gòu)與門框連接，當(dāng)防護(hù)門門扇受到爆炸動(dòng)荷載時(shí)，門扇通過鉸頁(yè)機(jī)構(gòu)和閉鎖機(jī)構(gòu)將荷載傳遞到門框上。在6個(gè)鉸頁(yè)面添加總計(jì)110.754 kN 的荷載，同時(shí)在4 個(gè)閉鎖機(jī)構(gòu)添加總計(jì)110.754 kN的荷載，如圖4所示。

圖4 6 個(gè)鉸頁(yè)和4 個(gè)閉鎖機(jī)構(gòu)同時(shí)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(jì)算軟件中進(jìn)行分析。2種門框在爆炸動(dòng)荷載作用下應(yīng)力云圖見圖5?？芍? 種門框的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在閉鎖孔位置，預(yù)埋式門框、錨固式門框的最大應(yīng)力分別為30.86，25.84 MPa。

圖5 2種門框在爆炸動(dòng)荷載作用下應(yīng)力云圖

由于Q235B 鋼材的屈服強(qiáng)度為235 MPa，在極限峰值為0.1 MPa 的爆炸動(dòng)荷載作用下預(yù)埋式門框、錨固式門框的最小安全系數(shù)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(dòng)荷載作用下位移云圖見圖6。

圖6 2種門框在爆炸動(dòng)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(xiàn)于鉸頁(yè)處，預(yù)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(duì)防護(hù)門的混凝土墻體作了下述要求：門框所連接的墻體應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與洞室襯砌可靠連接，墻體混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于C35，墻體厚度不應(yīng)小于0.3 m；墻體應(yīng)采用雙層配筋，鋼筋直徑不應(yīng)小于16 mm，間距不應(yīng)大于200 mm。

3.2.1 門框墻承受荷載計(jì)算

隧道內(nèi)防護(hù)門為常閉狀態(tài)，由于防護(hù)門與門框墻剛性連接，因此防護(hù)門與門框墻共同承受爆炸動(dòng)荷載。忽略防護(hù)門韌性對(duì)荷載的緩沖作用，按照最不利情況考慮，將防護(hù)門視為均質(zhì)剛性實(shí)體。門框墻為C35 混凝土材料，采用各向同性D?P 彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，彈性模量為37.8 GPa，泊松比為0.2，并對(duì)防護(hù)門處實(shí)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(shí)墻體底部基礎(chǔ)與混凝土交叉連接在一起，因此底部也設(shè)置為固定約束。

防護(hù)門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為14.65 kPa，爆炸動(dòng)荷載垂直門扇指向遠(yuǎn)離隧道側(cè)。故在防護(hù)門和防護(hù)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(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)隧道門框墻（含防護(hù)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(jì)算軟件中進(jìn)行計(jì)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(yīng)力和位移云圖見圖8?？芍?，門框墻頂部最大應(yīng)力為22.45 MPa，由于C35 混凝土極限抗壓強(qiáng)度為44.22 MPa，因此門框墻最小安全系數(shù)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(yīng)力和位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

以FSP-3642-Ⅰ型防護(hù)門為研究對(duì)象，對(duì)極限峰值為0.1 MPa的爆炸動(dòng)荷載作用下鐵路隧道新型防護(hù)門門框與墻體抗爆安全性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）給出了爆炸動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)的均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法。在極限峰值為0.1 MPa的爆炸動(dòng)荷載作用下防護(hù)門及門框墻外表面所受均布等效靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為14.65 kPa。

2）預(yù)埋式門框整個(gè)門框的最大應(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)于閉鎖孔位置，最大應(yīng)力為30.86 MPa，對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)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(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)于閉鎖孔位置，最大應(yīng)力為25.84 MPa，對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)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(yīng)力為22.45 MPa，對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)為1.97，最大位移為0.066 mm，滿足安全要求。