城際鐵路風致效應仿真與試驗研究

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1引言：

站臺門系統作為保障旅客安全出行的關鍵設施，廣泛應用于國內多條城際鐵路中，在城際鐵路的安全運營中發揮著至關重要的作用，而站臺門自身結構的安全性也受到業界的廣泛關注。為規范和指引行業發展，國家鐵路局已于2020年12月正式頒布行業標準TB/T3559-2020《城際鐵路站臺門系統》，該標準對城際鐵路站臺門機械性能做出明確規定：門體結構最大載荷下的彈性變摘要：針對城際鐵路列車高速通過地下車站時，站臺門在列車氣動載荷的作用下產生結構變形，且難以在運營線路上進行實時監測的問題，文章提出一種將計算流體力學、有限元分析和線路試驗相結合的分析方法。該方法采用流體力學仿真技術計算出城際鐵路列車過站風壓，并通過模擬列車過站時的氣動載荷，對站臺門結構變形開展有限元分析，最后在具備列車160km/h高速過站工況的線路上進行試驗驗證。將試驗與仿真數據進行對比可得，有限元分析和線路試驗兩者得出的應力變化趨勢基本一致，且最大的標準差不超過0.43，從而驗證城際鐵路地下站站臺門有限元模型加載方法的可行性，為進一步研究站臺門在城際鐵路以及高速鐵路中的應用提供依據。關鍵詞：城際鐵路列車；站臺門；氣動載荷；有限元分析；建模仿真；線路試驗中圖分類號：U231形量不應大于20mm。作為典型的機電一體化設備，站臺門系統由機械結構和電氣系統共同構成，其機械結構的強度會受到多種因素影響，其中最重要的當屬列車風致效應。由于列車長期高速通過站臺，導致站臺門的結構強度會逐漸減弱，當站臺門結構強度減弱到一定程度時會對系統安全造成嚴重影響，但受限于目前的行業發展水平，尚無法在運行過程中對站臺門結構形變進行長期監測，再加之諸多不確定的外界因素，如何確定站臺門結構性能和安全性已是目前亟待解決的問題。有限元分析是近幾年迅速發展起來的一種現代化結構力學分析方法，已廣泛應用于材料加工、機械制造、土木建筑等方面。基于有限元分析算法編制的軟件能仿真計算機械、氣動、液壓、電磁等多學科交叉領域。目前，采用有限元法分析工程問題的重點和難點并不在于方法本身，而在于如何根據所分析問題的特點合理選擇計算模型和參數，并對計算結果進行判斷分析。本文針對國內城際鐵路地下站站臺門系統受列車高速通過時風載荷大的特點，提出一種用于城際鐵路地下站站臺門的有限元載荷分析方法。該方法采用前期仿真計算、后期試驗驗證的方式，將試驗數據和仿真結果進行對比，通過比對結果對所采用方法的有效性進行驗證，同時也為城際鐵路站臺門設計方案提供參考和建議。

2仿真分析

2.1仿真分析條件

城際鐵路地下線路往往采用隧道型式進行建設，建成后的地下車站在加裝站臺門時，往往采用全封閉型站臺門，將站臺候車區和軌行區完全隔離，在保障旅客候車安全的同時，降低列車風壓和氣動噪聲對候車乘客的影響，提升出行體驗。相較于非完全封閉的工況，列車在通過全封閉型站臺門時產生的風致效應更大，對該工況下的相關情況展開研究更具實際意義。本文中仿真工況根據線路實際情況設定，以復興號某型列車160km/h速度通過裝有全高式站臺門的地下側式站臺作為仿真計算條件，進行相對應的氣動效應仿真及站臺門結構仿真計算。

2.2站臺門有限元分析

建立站臺門機械結構的3D模型并對其進行網格劃分，是對站臺門進行有限元分析的基礎。本文采用PATRAN進行站臺門有限元建模，該軟件是目前世界上使用最廣泛的有限元分析前/后處理軟件，能夠提供非常豐富的實體模型、網格劃分、分析設置和后處理，恰好適用于對站臺門進行有限元建模和分析。本實驗所構建模型由1組滑動門、2扇固定門、1組應急門以及配套的立柱和門機梁等部件構成，其中鋼結構采用Q235材料、門框采用304L、門體采用鋼化玻璃，各材料的力學性能如表1所示。

2.3理論分析與數據計算

當運營線路存在列車高速過站工況時，列車高速運行時產生的氣流壓力對列車行駛安全及站臺周圍環境造成的影響極其嚴重，這也是城際鐵路車站在加裝站臺門時，其設計過程所必須考慮的關鍵問題。當列車高速駛入車站時，其周圍流場邊界會產生突變，類似活塞效應的氣動現象會出現在列車和車站頂棚之間。本文構建對應的理論模型，并對不同速度列車過站情況下產生的風壓進行計算。根據站臺門門體結構特點，施加相應約束后，通過有限元分析方法對門體在列車風壓下的變形情況進行研究。

2.3.1理論分析

城際鐵路中列車的運行速度通常在150～220km/h當前研究的車站站臺為地下車站，且相對應的馬赫數滿足理想空氣的要求。經研究分析，在大多數情況下列車附近的空氣處于完全的湍流狀態，所以本文選用湍流模型進行列車周圍空氣流動的數值模擬。本試驗采用標準k-ε湍流模型，其表達型式如下：

2.3.2數據計算

本文采用三維數字建模軟件建立列車和車站模型。由于列車外形極其復雜，若要求所建模型對列車實現1:1完全復刻，既需耗費大量時間和人力，又對仿真設備的計算能力提出極高要求，故在建模過程中對列車外形結構進行一定程度的簡化，在模型能夠反應列車空氣動力學特征的前提下，精簡建模工作量，提高計算分析效率。采用有限元計算軟件ANSYS中的網格劃分模塊（ICEM）對管道和列車表面進行網格劃分時,為兼顧仿真精度和仿真效率，經研究將網格的最大尺寸設定為500mm，最小尺寸設定為100mm，將網格總數控制在2×106～5×106個之間。采用有限元軟件ANSYS中Fluent（流體計算模塊）求解非定常不可壓縮流動RANS和k-ε兩方程湍流模型，近壁區域采用標準壁面函數法，對過站列車風進行數值模擬。設定時間步長為0.005s，根據不同運動速度選擇相應的迭代步數，每個時間步長最大迭代計算步數為20步，模擬列車從站臺一端出發到通過整個站臺的過程，仿真計算設置如圖1所示。在完成上述模型和設定后，需要對列車高速過站時產生的風壓進行仿真計算，本文選用有限元軟件ANSYS中流體計算模塊（Fluent）進行該項工作。仿真計算結果如圖2所示。由圖2可知，在阻塞比不變的前提下，列車運行至車站入口時對站臺門施加正向風壓，其峰值為921Pa；在列車駛出車站時，產生負向風壓，峰值為-982Pa。

2.4站臺門結構分析與仿真計算

2.4.1載荷和約束

站臺門一般設置在站臺邊緣，與列車軌道大致平行，所以在建模過程中，將列車運行時產生的風壓，按照均布載荷的形式施加至站臺門與軌道平行的門體平面。站臺門在安裝完成后，固定在站臺結構中，其橫向垂直和平行軌道的2個方向均被完全約束，同時也需約束站臺門縱向的轉動

2.4.2有限元計算結果

對列車以160km/h運行速度通過車站時產生的列車風對站臺門的影響程度進行有限元分析，其分析結果如圖3所示。由分析結果可見，固定門的最大變形量出現在固定門玻璃中心處，滑動門的最大變形量出現在滑動門接縫中上部靠近中心處，應急門的最大變形量同樣出現在中上部靠近應急門接縫中心處。

2.5有限元仿真結果分析

通過有限元仿真分析，能夠得出列車在160km/h高速過站工況下，站臺門上布設的11個測點的應力值。對數據進行統計后的結果如表2所示。通過對表2中仿真結果的分析可以發現，在設定的工況下，站臺門結構變形符合TB/T3559-2020中關于城際鐵路站臺門機械性能的相關要求。

3試驗驗證

3.1線路試驗

3.1.1試驗條件

本試驗車站條件為城際車站中的地下側式車站，上下行加裝全高式站臺門，復興號某型列車以160km/h通過該站臺，車站工況與前文所述仿真條件一致。

3.1.2試驗方案

在完成站臺門仿真研究后，即可得知站臺門承受的風壓，對應仿真過程中的設定條件，在實際運營線路中對站臺門承受的風壓和風速的變化規律以及風壓荷載作用下站臺門的變形規律展開測試和研究，并將測試結果與仿真計算數據進行對比分析，所得分析結果可以為城際鐵路站臺安全防護提供數據基礎和技術支撐，為城際鐵路站臺門的設置方式、位置、工作條件等因素提供參考。現場試驗的具體方案和裝置實物圖如圖4所示

3.1.3試驗步驟

（1）測試斷面選擇。根據研究需求以及仿真計算的相關結論，選定不同的測試斷面位置或者氣動效應最明顯的位置進行測點的布設（2）測點選擇。所選測點可使有限元分析的結果能夠清楚呈現站臺門結構載荷的分布特點，以及各個區域站臺門結構在不同工況下承受風載荷時的變形量。如圖5所示，若對列車過站時站臺門的最大結構變形位置開展分析，需在諸如滑動門、固定門等關鍵部位布設測點，得以檢測其結構變形情況。（3）數據采集儀器設置。根據采集儀的采集特點、列車過站間隔以及數據需求對試驗基本參數、采樣頻率、采樣通道等進行設置。根據選定的傳感器型號和需要測定的物理量確定采樣通道的標定值。

3.1.4試驗數據處理

現場布設的傳感器輸出的是電壓信號，通過公式（4）可將采集到的電壓信號換算為站臺門的應變量ε：

3.2線路試驗結果分析

表3為列車以160km/h速度通過站臺中部時，根據現場測試得出的站臺門不同測點門體結構變形量數據。通過分析現場實測數據可以發現，不同測點位置對應不同幅度的變形值，同時與仿真數據對比得出兩者之間變化幅度相似，說明測試所選用的傳感器靈敏度滿足當前測試場景的精度需求。從表2和表3中可知站臺門變形最大值均出現在在測點2，分別為9.89mm和8.87mm，表明仿真結果和測試數據的一致性，同時說明選定的城際鐵路站臺門結構符合TB/T3559-2020中關于城際鐵路站臺門機械性能的相關要求，變形量的最大標準差都能控制在0.43以內。對比2個表格中的數據可知，對應測點處的試驗值均大于預測值，主要是因為線路試驗過程中難免受到隧道中自然風、列車運行引起的振動等外部環境的影響，屬于測試過站中發生的正常現象。

4結論

針對城際鐵路地下站站臺門結構的材料特性，本文提出一套適用于城際鐵路站臺門結構變形研究的仿真模擬計算方法，并通過在門體結構的關鍵位置粘貼傳感器，對列車以160km/h速度通過站臺中部時站臺門各個部位的形變量進行測試。對比仿真結果和試驗數據可知，各個測點的測量值標準差均控制在0.43以內，且應力變化趨勢基本相同，由此證明有限元分析方法的可行性和列車與站臺門模型的有效性。通過數據仿真預演和線路測試驗證相互結合、相互印證的方法，為城際鐵路站臺門系統的設計方案提供重要的數據基礎和參考依據，對于促進城際鐵路站臺門行業的發展，具有積極的推動作用。

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作者:周梅 毛良 單位:廣東省鐵路建設投資集團有限公司 廣東珠三角城際軌道交通有限公司