地鐵車站屏蔽門風(fēng)壓特性試驗(yàn)研究

曾令偉,易富民,王漢封,*,黎良橋

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長沙 410075;2.成都軌道交通集團(tuán)有限公司,成都 610041)

0 引 言

地鐵站臺的屏蔽門(Platform Screen Door,PSD)是地鐵系統(tǒng)的重要組成部分之一。它將站臺與列車運(yùn)行區(qū)域分開，維持站內(nèi)環(huán)境，確保乘客安全[1-4]。通常，屏蔽門設(shè)計需要考慮人員荷載、風(fēng)壓荷載、沖擊荷載以及地震荷載等影響[5]，這些荷載均是從靜力或等效靜力角度考慮屏蔽門所受的側(cè)向荷載，即垂直于屏蔽門的荷載。隨著地鐵列車運(yùn)營速度的提高及發(fā)車頻次的增大，列車在隧道中行駛時產(chǎn)生的風(fēng)壓荷載不僅會影響屏蔽門結(jié)構(gòu)安全，還可能影響其正常開閉，進(jìn)而影響整個地鐵線路的正常運(yùn)營[6]。但在中國現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計規(guī)范》[7]中，尚未涉及屏蔽門開閉過程中所受的側(cè)向荷載值。

已有大量文獻(xiàn)對隧道內(nèi)的空氣動力學(xué)問題進(jìn)行了研究[8-17]。當(dāng)列車進(jìn)入隧道時，由于空間突然受限，車頭前方產(chǎn)生壓縮波并在隧道中以聲速傳播[17-19]。當(dāng)壓縮波到達(dá)隧道出口時，會以微壓波形式向外釋放[20]；同時，在出口形成的膨脹波反射回隧道內(nèi)。值得注意的是，當(dāng)列車經(jīng)過隧道中的區(qū)間泄壓井時，由于泄壓井壁面限制了空氣的橫向流動，空氣受到壓縮而壓力升高，也會在隧道中產(chǎn)生壓縮波[21-23]。

為研究列車過站對屏蔽門風(fēng)壓響應(yīng)的影響，Chun等[10]采用數(shù)值模擬方法研究了列車以不同速度過站時的屏蔽門風(fēng)壓，討論了站內(nèi)泄壓井開閉狀態(tài)對屏蔽門風(fēng)壓的影響。Kim[13]通過現(xiàn)場實(shí)測研究了列車以不同速度過站、站內(nèi)會車等工況下的全封閉屏蔽門風(fēng)壓荷載，發(fā)現(xiàn)列車交會將顯著增大屏蔽門風(fēng)壓，且各測點(diǎn)風(fēng)壓極大值均出現(xiàn)于車頭經(jīng)過該測點(diǎn)時，列車經(jīng)過后風(fēng)壓迅速變?yōu)樨?fù)值；值得注意的是，在列車距離站臺尚有500 m左右時，屏蔽門風(fēng)壓即開始逐漸增大。Zhou等[14]通過1∶20的模型彈射試驗(yàn)研究了單車過站、會車對車身表面及屏蔽門風(fēng)壓的影響，結(jié)果表明，屏蔽門風(fēng)壓受壓力波與列車風(fēng)的共同影響，其極值沿行車方向逐漸減小。Luo等[15]采用數(shù)值模擬方法分析了高速列車過站時的屏蔽門瞬時壓力特性，發(fā)現(xiàn)列車過站過程中屏蔽門所受的正壓極值遠(yuǎn)大于負(fù)壓極值。

列車過站時的屏蔽門風(fēng)壓極值與行車速度、阻塞度、車頭形狀、泄壓井以及列車與屏蔽門的間隙等因素相關(guān)。相關(guān)研究表明：屏蔽門風(fēng)壓與車速大致呈二次方關(guān)系[10,24-26]；屏蔽門風(fēng)壓極值隨阻塞度增大而增大，兩者近似為線性關(guān)系[23,25]；車頭形狀會影響風(fēng)壓變化趨勢，但對風(fēng)壓極值影響很小[24,27]；站臺兩端設(shè)置泄壓井可顯著降低屏蔽門風(fēng)壓極值，最大降幅可達(dá)30%左右[22,25,28]；列車與屏蔽門的間隙由130 mm增加至425 mm后，列車過站時的屏蔽門風(fēng)壓極值可降低約53%[26]。

列車過站時的屏蔽門風(fēng)壓極值對屏蔽門的強(qiáng)度設(shè)計提出了要求；但此時屏蔽門不需開閉。通常，只有當(dāng)列車?？空九_時才需開閉屏蔽門，此時車速為零，無列車風(fēng)效應(yīng)。在列車?？空九_時，曾發(fā)生屏蔽門無法正常開閉的情況，對其原因目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識。本文采用彈射試驗(yàn)的方法，研究列車車速與泄壓井對隧道內(nèi)壓力的影響規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)對比研究屏蔽門風(fēng)壓變化規(guī)律。采用輕質(zhì)泡沫模型模擬站內(nèi)?？寇囕v，研究后方來車對屏蔽門風(fēng)壓的影響規(guī)律(本文稱為“跟隨工況”，Tracing case)，分析高頻次發(fā)車條件下屏蔽門無法正常開閉的原因。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b置

1.1 試驗(yàn)裝置

本文彈射試驗(yàn)在中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動模型彈射系統(tǒng)上進(jìn)行。該系統(tǒng)總長164 m(加速部分57 m、試驗(yàn)部分50 m、制動部分57 m)，最高彈射速度500 km/h[14,26]。彈射試驗(yàn)開始時，列車模型與彈射試驗(yàn)裝置相連接，列車在彈射裝置上獲得一個初始速度并勻速駛向客站。詳情請參考文獻(xiàn)[14,26]。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測點(diǎn)布置

全隧道模型、列車模型和站臺模型如圖1所示，模型縮尺比為1∶20。圖1(a)為全隧道模型，作為隧道-站臺模型(列車過站工況)的對比參照。隧道總長51.6 m，內(nèi)徑360 mm，截面積約0.1165 m2。圖1(b)為8節(jié)編組的A+型標(biāo)準(zhǔn)地鐵列車模型，總長9253 mm，寬150 mm，高207 mm。圖1(c)為站臺模型，長11.6 m，寬1.4 m，站臺兩端隧道部分截面尺寸為0.40 m×0.24 m。列車在隧道中的阻塞度為26.67%，在站內(nèi)行駛時阻塞度為32.38%，這2種阻塞度與地鐵列車實(shí)際運(yùn)行時一致。

圖1 動模型試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Photograph of the moving model

圖2為全隧道模型和隧道-站臺模型的測壓點(diǎn)布置示意圖。其中，模型中段11.6 m(與站臺模型等長)以亞克力透明材料制作，兩端各20.0 m以非透明PVC材料制作。如圖2(a)所示，全隧道模型共布置24個壓力傳感器(打孔安裝于隧道內(nèi)壁)，依次為1～24號測點(diǎn)。兩端非透明段分別布置9個壓力傳感器(測點(diǎn)1～9、16～24)，間距均為2500 mm。透明段中部有一個正方形截面的區(qū)間泄壓井，泄壓井截面尺寸250 mm×250 mm，高90 cm，與隧道軸線垂直，最底端與隧道正上方內(nèi)壁面平齊。泄壓井處壓力變化較大，對測點(diǎn)適當(dāng)加密，其中心處布置1個測點(diǎn)(測點(diǎn)13)、前方(以圖中右方列車行駛方向?yàn)榍胺?布置2個測點(diǎn)(14、15號測點(diǎn))、后方布置3個測點(diǎn)(10、11和12號測點(diǎn))。壓力傳感器量程為-3 kPa～+3 kPa，采樣頻率2 kHz，精度為0.5%；彈射試驗(yàn)系統(tǒng)精度也是0.5%。此外，在隧道入口和出口各布置一個光電門傳感器，以監(jiān)測列車位置，其與屏蔽門的相對位置如圖2所示。

隧道-站臺模型由入口隧道、站臺、出口隧道組成，長度分別為20.0、11.6和20.0 m。出入口隧道部分各設(shè)一泄壓井，尺寸分別為225 mm×343 mm和370 m×195 mm。進(jìn)站端設(shè)有通風(fēng)井(關(guān)閉狀態(tài))，尺寸為275 mm×150 mm。圖2(b)中的淺綠色矩形表示屏蔽門，其左右兩端面為屏蔽門端門，在進(jìn)站端門處布置1號測點(diǎn)，出站端門處布置5號測點(diǎn)，屏蔽門的側(cè)門沿列車行駛方向依次布置2、3、4號測點(diǎn)(屏蔽門上的測點(diǎn)均布置于靠近列車一側(cè)，高度均為100 mm，即屏蔽門高度中心位置處)。在跟隨工況下，對進(jìn)站端壓力測點(diǎn)進(jìn)行了加密，增加了6～13號測點(diǎn)，如圖2(b)所示。

圖2 測壓點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Arrangement of pressure measurements

2 結(jié)果與討論

本文討論單列車經(jīng)過全隧道模型或隧道-站臺模型時的壓力波、隧道壁面及屏蔽門上的瞬變壓力；隧道-站臺模型下列車跟隨對屏蔽門上瞬變壓力的影響；分析車速、泄壓井開/閉對屏蔽門上瞬變壓力的影響。為方便起見，t=0對應(yīng)列車前端進(jìn)入隧道的瞬間，T1、T2、T3分別對應(yīng)列車車頭進(jìn)入站臺、出站臺、出隧道等典型位置的時刻，如圖3(a)所示。為保證試驗(yàn)結(jié)果正確，所有工況均重復(fù)3次。

2.1 過隧道工況

使用全隧道模型開展過隧道工況試驗(yàn)。圖3(a)為列車以120 km/h的速度過隧道時壓縮波與膨脹波在隧道出入口相互轉(zhuǎn)化的過程(隧道距離為0處，即為隧道入口位置)。圖中，紅線表示車頭位置；藍(lán)線表示車尾位置；黑實(shí)線表示壓縮波；黑虛線表示膨脹波。圖3(b)為隧道中間測點(diǎn)13的壓力變化曲線。A點(diǎn)為車頭進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波傳至測點(diǎn)的時刻，此時壓力開始迅速升高。B點(diǎn)為該壓縮波在隧道出口轉(zhuǎn)化為膨脹波反射回來到達(dá)測點(diǎn)的時刻，此時壓力開始降低。C點(diǎn)為車尾進(jìn)入隧道所產(chǎn)生的膨脹波傳至測點(diǎn)的時刻，壓力進(jìn)一步降低。這些微壓波在隧道入口和出口反射，強(qiáng)度明顯減弱。D時刻為車尾產(chǎn)生的膨脹波在隧道出口轉(zhuǎn)化為壓縮波反射回來經(jīng)過測點(diǎn)的時刻，此時壓力略有增加。D時刻至車頭到達(dá)測點(diǎn)的E時刻，壓力基本不變。E時刻后，車頭經(jīng)過測點(diǎn)，壓力急劇減小，這與文獻(xiàn)[10,26]給出的規(guī)律一致。F點(diǎn)為車尾經(jīng)過測點(diǎn)的時刻，壓力出現(xiàn)極小值。列車通過測點(diǎn)后，壓力逐漸恢復(fù)為零。

圖3 列車以120 km/h速度過隧道Fig.3 Train passing through a tunnel at a speed of 120 km/h

圖3(c)、(d)分別為隧道中部泄壓井關(guān)閉和開啟時、列車以120 km/h速度過全隧道模型的各測點(diǎn)壓力變化曲線。當(dāng)泄壓井關(guān)閉時，各測點(diǎn)的風(fēng)壓變化規(guī)律與圖3(b)一致。當(dāng)泄壓井開啟時，各測點(diǎn)的壓力極值顯著降低；此外，車頭過泄壓井時，在隧道中產(chǎn)生一新的壓縮波，其傳播規(guī)律與列車進(jìn)入隧道時所產(chǎn)生的壓縮波一致，但壓力極值略小于后者，如圖3(d)所示。

為分析車速與泄壓井對隧道風(fēng)壓極值的影響，圖4給出了不同車速下各測點(diǎn)的壓力極值。由圖4(a)可知，當(dāng)泄壓井關(guān)閉時，隨著車速增大，隧道壓力極大值增大，且均發(fā)生在列車全車剛好完全進(jìn)入隧道時(通過計算可知，壓力極大值出現(xiàn)的時刻剛好對應(yīng)列車完全進(jìn)入隧道的時刻)。當(dāng)車速為140 km/h時，正壓力極值為1337 Pa。由圖3(c)可知，當(dāng)測點(diǎn)出現(xiàn)極值時，車頭尚未到達(dá)該測點(diǎn)，該極值為隧道入口壓縮波所致。當(dāng)泄壓井開啟時，其附近壓力極值明顯減小。

圖4 全隧道模型隧道內(nèi)各測點(diǎn)壓力極值Fig.4 The extreme values of the pressure along the tunnel

2.2 過站臺工況

使用隧道-站臺模型開展過站臺工況試驗(yàn)。圖5(a)～(c)為站內(nèi)泄壓井開啟狀態(tài)下、列車以不同速度過站時屏蔽門各測點(diǎn)的壓力變化。隨著車速增大，屏蔽門風(fēng)壓極值呈明顯增大趨勢，與文獻(xiàn)[10,24-26]規(guī)律一致。值得注意的是，車速為120 km/h時，屏蔽門各點(diǎn)壓力在t=0時就會突增，在0.3 s左右達(dá)到極大值285 Pa，該壓力極值為壓縮波傳播到達(dá)所致。1～5號測點(diǎn)極值遞減，這是因?yàn)閴嚎s波傳播逐漸衰減[4,29]。從圖5(c)可以看出，壓縮波在屏蔽門上引起的風(fēng)壓會持續(xù)一段時間(壓力維持在150～220 Pa左右)，直至車頭經(jīng)過屏蔽門時出現(xiàn)另一壓力極值(383 Pa，2號測點(diǎn))。圖5(c)中測點(diǎn)的第一個極值由壓縮波決定，而第二個極值由壓縮波和列車風(fēng)共同決定。

當(dāng)站內(nèi)泄壓井關(guān)閉時(車速120 km/h)，如圖5(d)所示，壓縮波在進(jìn)站端門上引起的壓力顯著增強(qiáng)，最大值為555 Pa，與泄壓井開啟時端門上的壓力相比，增幅約44.9%；此時，屏蔽門側(cè)門上的壓力極值為516 Pa，增幅約34.7%。值得注意的是：當(dāng)列車以120 km/h車速過站、站內(nèi)泄壓井開啟時，屏蔽門上壓力極小值為-292 Pa，屏蔽門上壓力極值的變化幅值為675 Pa；而當(dāng)泄壓井關(guān)閉時，壓力極值變化幅值增加到1050 Pa(壓力極小值為-495 Pa)，該工況對屏蔽門強(qiáng)度和疲勞更為不利。

圖5 屏蔽門壓力Fig.5 Pressure on the PSD

2.3 跟隨工況

使用隧道-站臺模型開展跟隨工況試驗(yàn)。隨著發(fā)車頻次增大，跟隨工況在地鐵運(yùn)營中越來越常見，而屏蔽門開閉故障也多發(fā)生于此工況。本文跟隨工況主要針對站內(nèi)?？恳惠v列車、屏蔽門無法正常開閉、而跟隨車輛正向站內(nèi)行駛的情況。以輕質(zhì)泡沫板制作了與列車縮尺模型外形尺寸相同的簡化列車模型，將該模型中點(diǎn)對準(zhǔn)站內(nèi)中心位置(即13號測點(diǎn)位置)固定，列車靠近站臺的側(cè)面與屏蔽門側(cè)門的距離為45 mm，用于模擬站內(nèi)?？寇囕v的阻塞效應(yīng)。跟隨車輛仍以120 km/h的速度進(jìn)入隧道，與泡沫列車模型相撞后繼續(xù)向前駛離站臺。利用光電傳感器可確定跟隨列車位置，僅提取跟隨列車駛?cè)胨淼乐僚鲎睬暗牟糠诌M(jìn)行分析。

圖6為跟隨工況下、站內(nèi)泄壓井開啟時屏蔽門上各測點(diǎn)壓力的變化曲線。該圖截止時刻為跟隨列車到達(dá)進(jìn)站端門的時刻(即兩車發(fā)生碰撞的時刻，非真實(shí)運(yùn)營狀況)?？梢钥闯?，在大約t=0.35 s時刻，進(jìn)站端門壓力極大值為365 Pa，側(cè)門壓力極大值為345 Pa，側(cè)門不同位置的壓力極值隨著與進(jìn)站端門距離的增大而減小。極大值之后，列車過區(qū)間泄壓井時產(chǎn)生的壓縮波傳遞至屏蔽門，屏蔽門端門風(fēng)壓降至300 Pa左右，側(cè)門風(fēng)壓降至約270～160 Pa(沿站臺方向逐漸降低)，且該壓力會持續(xù)約5 s(按1∶20折算的真實(shí)時間)。這一持續(xù)風(fēng)壓很可能是站內(nèi)停靠車輛時屏蔽門無法正常開閉的主要原因。當(dāng)兩車極其接近時，屏蔽門風(fēng)壓會再次迅速增大，但這一情況在現(xiàn)實(shí)中不會發(fā)生。

圖6 跟隨工況下的屏蔽門壓力Fig.6 Pressures on the PSD for tracing case

圖7橫坐標(biāo)表示屏蔽門上的壓力測點(diǎn)與進(jìn)站端門的距離，橫軸最左端對應(yīng)測點(diǎn)1位置(即進(jìn)站端門位置)，橫軸最右端對應(yīng)測點(diǎn)5位置(即出站端門位置)；圖中黑色方形表示跟隨工況下的風(fēng)壓極值，黑色圓形表示列車過站工況下的風(fēng)壓極值。從圖中可以看到，屏蔽門風(fēng)壓極值沿行車方向逐漸減小。對比跟隨工況與過站臺工況，可以看出兩者的屏蔽門壓力極值變化規(guī)律非常相似；在跟隨工況下，站內(nèi)有車?？?，阻塞度增大，屏蔽門風(fēng)壓極值有所增大。

圖7 跟隨工況、過站臺工況下屏蔽門風(fēng)壓極值沿站臺變化規(guī)律Fig.7 The extreme pressure along the PSD for tracing and passing platform cases

3 結(jié) 論

通過動模型彈射試驗(yàn)研究了列車過隧道、過站臺以及跟隨工況下隧道內(nèi)風(fēng)壓與屏蔽門風(fēng)壓的變化規(guī)律，對比了不同行車速度、泄壓井開閉狀態(tài)對風(fēng)壓極值的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 列車過隧道工況下(全隧道模型)，隧道內(nèi)壁面風(fēng)壓隨車速的增加而增大。區(qū)間泄壓井開啟時，其附近的風(fēng)壓極值顯著降低。列車通過區(qū)間泄壓井時也會產(chǎn)生一壓縮波，其特性與列車進(jìn)隧道時所產(chǎn)生的壓縮波類似，但風(fēng)壓極值略小。

(2) 列車以120 km/h速度過站臺時，屏蔽門風(fēng)壓會出現(xiàn)一個明顯的由壓縮波引起的峰值，且由于壓縮波的影響，屏蔽門上的風(fēng)壓響應(yīng)會在150～220 Pa維持一段時間，其在屏蔽門上引起的風(fēng)壓最大值約383 Pa。泄壓井關(guān)閉時，屏蔽門風(fēng)壓最大值為555 Pa，增幅約44.9%。

(3) 列車過區(qū)間泄壓井時產(chǎn)生的壓縮波傳遞至屏蔽門后，壓力極值將會保持在300 Pa左右并持續(xù)約5 s，這一側(cè)向壓力是導(dǎo)致屏蔽門無法正常開閉的主要原因；無論是列車過站還是列車跟隨，壓縮波引起的屏蔽門上的風(fēng)壓響應(yīng)均沿行車方向逐漸減小。