城际铁路风致效应仿真与试验研究

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1引言：

站台门系统作为保障旅客安全出行的关键设施，广泛应用于国内多条城际铁路中，在城际铁路的安全运营中发挥着至关重要的作用，而站台门自身结构的安全性也受到业界的广泛关注。为规范和指引行业发展，国家铁路局已于2020年12月正式颁布行业标准TB/T3559-2020《城际铁路站台门系统》，该标准对城际铁路站台门机械性能做出明确规定：门体结构最大载荷下的弹性变摘要：针对城际铁路列车高速通过地下车站时，站台门在列车气动载荷的作用下产生结构变形，且难以在运营线路上进行实时监测的问题，文章提出一种将计算流体力学、有限元分析和线路试验相结合的分析方法。该方法采用流体力学仿真技术计算出城际铁路列车过站风压，并通过模拟列车过站时的气动载荷，对站台门结构变形开展有限元分析，最后在具备列车160km/h高速过站工况的线路上进行试验验证。将试验与仿真数据进行对比可得，有限元分析和线路试验两者得出的应力变化趋势基本一致，且最大的标准差不超过0.43，从而验证城际铁路地下站站台门有限元模型加载方法的可行性，为进一步研究站台门在城际铁路以及高速铁路中的应用提供依据。关键词：城际铁路列车；站台门；气动载荷；有限元分析；建模仿真；线路试验中图分类号：U231形量不应大于20mm。作为典型的机电一体化设备，站台门系统由机械结构和电气系统共同构成，其机械结构的强度会受到多种因素影响，其中最重要的当属列车风致效应。由于列车长期高速通过站台，导致站台门的结构强度会逐渐减弱，当站台门结构强度减弱到一定程度时会对系统安全造成严重影响，但受限于目前的行业发展水平，尚无法在运行过程中对站台门结构形变进行长期监测，再加之诸多不确定的外界因素，如何确定站台门结构性能和安全性已是目前亟待解决的问题。有限元分析是近几年迅速发展起来的一种现代化结构力学分析方法，已广泛应用于材料加工、机械制造、土木建筑等方面。基于有限元分析算法编制的软件能仿真计算机械、气动、液压、电磁等多学科交叉领域。目前，采用有限元法分析工程问题的重点和难点并不在于方法本身，而在于如何根据所分析问题的特点合理选择计算模型和参数，并对计算结果进行判断分析。本文针对国内城际铁路地下站站台门系统受列车高速通过时风载荷大的特点，提出一种用于城际铁路地下站站台门的有限元载荷分析方法。该方法采用前期仿真计算、后期试验验证的方式，将试验数据和仿真结果进行对比，通过比对结果对所采用方法的有效性进行验证，同时也为城际铁路站台门设计方案提供参考和建议。

2仿真分析

2.1仿真分析条件

城际铁路地下线路往往采用隧道型式进行建设，建成后的地下车站在加装站台门时，往往采用全封闭型站台门，将站台候车区和轨行区完全隔离，在保障旅客候车安全的同时，降低列车风压和气动噪声对候车乘客的影响，提升出行体验。相较于非完全封闭的工况，列车在通过全封闭型站台门时产生的风致效应更大，对该工况下的相关情况展开研究更具实际意义。本文中仿真工况根据线路实际情况设定，以复兴号某型列车160km/h速度通过装有全高式站台门的地下侧式站台作为仿真计算条件，进行相对应的气动效应仿真及站台门结构仿真计算。

2.2站台门有限元分析

建立站台门机械结构的3D模型并对其进行网格划分，是对站台门进行有限元分析的基础。本文采用PATRAN进行站台门有限元建模，该软件是目前世界上使用最广泛的有限元分析前/后处理软件，能够提供非常丰富的实体模型、网格划分、分析设置和后处理，恰好适用于对站台门进行有限元建模和分析。本实验所构建模型由1组滑动门、2扇固定门、1组应急门以及配套的立柱和门机梁等部件构成，其中钢结构采用Q235材料、门框采用304L、门体采用钢化玻璃，各材料的力学性能如表1所示。

2.3理论分析与数据计算

当运营线路存在列车高速过站工况时，列车高速运行时产生的气流压力对列车行驶安全及站台周围环境造成的影响极其严重，这也是城际铁路车站在加装站台门时，其设计过程所必须考虑的关键问题。当列车高速驶入车站时，其周围流场边界会产生突变，类似活塞效应的气动现象会出现在列车和车站顶棚之间。本文构建对应的理论模型，并对不同速度列车过站情况下产生的风压进行计算。根据站台门门体结构特点，施加相应约束后，通过有限元分析方法对门体在列车风压下的变形情况进行研究。

2.3.1理论分析

城际铁路中列车的运行速度通常在150～220km/h当前研究的车站站台为地下车站，且相对应的马赫数满足理想空气的要求。经研究分析，在大多数情况下列车附近的空气处于完全的湍流状态，所以本文选用湍流模型进行列车周围空气流动的数值模拟。本试验采用标准k-ε湍流模型，其表达型式如下：

2.3.2数据计算

本文采用三维数字建模软件建立列车和车站模型。由于列车外形极其复杂，若要求所建模型对列车实现1:1完全复刻，既需耗费大量时间和人力，又对仿真设备的计算能力提出极高要求，故在建模过程中对列车外形结构进行一定程度的简化，在模型能够反应列车空气动力学特征的前提下，精简建模工作量，提高计算分析效率。采用有限元计算软件ANSYS中的网格划分模块（ICEM）对管道和列车表面进行网格划分时,为兼顾仿真精度和仿真效率，经研究将网格的最大尺寸设定为500mm，最小尺寸设定为100mm，将网格总数控制在2×106～5×106个之间。采用有限元软件ANSYS中Fluent（流体计算模块）求解非定常不可压缩流动RANS和k-ε两方程湍流模型，近壁区域采用标准壁面函数法，对过站列车风进行数值模拟。设定时间步长为0.005s，根据不同运动速度选择相应的迭代步数，每个时间步长最大迭代计算步数为20步，模拟列车从站台一端出发到通过整个站台的过程，仿真计算设置如图1所示。在完成上述模型和设定后，需要对列车高速过站时产生的风压进行仿真计算，本文选用有限元软件ANSYS中流体计算模块（Fluent）进行该项工作。仿真计算结果如图2所示。由图2可知，在阻塞比不变的前提下，列车运行至车站入口时对站台门施加正向风压，其峰值为921Pa；在列车驶出车站时，产生负向风压，峰值为-982Pa。

2.4站台门结构分析与仿真计算

2.4.1载荷和约束

站台门一般设置在站台边缘，与列车轨道大致平行，所以在建模过程中，将列车运行时产生的风压，按照均布载荷的形式施加至站台门与轨道平行的门体平面。站台门在安装完成后，固定在站台结构中，其横向垂直和平行轨道的2个方向均被完全约束，同时也需约束站台门纵向的转动

2.4.2有限元计算结果

对列车以160km/h运行速度通过车站时产生的列车风对站台门的影响程度进行有限元分析，其分析结果如图3所示。由分析结果可见，固定门的最大变形量出现在固定门玻璃中心处，滑动门的最大变形量出现在滑动门接缝中上部靠近中心处，应急门的最大变形量同样出现在中上部靠近应急门接缝中心处。

2.5有限元仿真结果分析

通过有限元仿真分析，能够得出列车在160km/h高速过站工况下，站台门上布设的11个测点的应力值。对数据进行统计后的结果如表2所示。通过对表2中仿真结果的分析可以发现，在设定的工况下，站台门结构变形符合TB/T3559-2020中关于城际铁路站台门机械性能的相关要求。

3试验验证

3.1线路试验

3.1.1试验条件

本试验车站条件为城际车站中的地下侧式车站，上下行加装全高式站台门，复兴号某型列车以160km/h通过该站台，车站工况与前文所述仿真条件一致。

3.1.2试验方案

在完成站台门仿真研究后，即可得知站台门承受的风压，对应仿真过程中的设定条件，在实际运营线路中对站台门承受的风压和风速的变化规律以及风压荷载作用下站台门的变形规律展开测试和研究，并将测试结果与仿真计算数据进行对比分析，所得分析结果可以为城际铁路站台安全防护提供数据基础和技术支撑，为城际铁路站台门的设置方式、位置、工作条件等因素提供参考。现场试验的具体方案和装置实物图如图4所示

3.1.3试验步骤

（1）测试断面选择。根据研究需求以及仿真计算的相关结论，选定不同的测试断面位置或者气动效应最明显的位置进行测点的布设（2）测点选择。所选测点可使有限元分析的结果能够清楚呈现站台门结构载荷的分布特点，以及各个区域站台门结构在不同工况下承受风载荷时的变形量。如图5所示，若对列车过站时站台门的最大结构变形位置开展分析，需在诸如滑动门、固定门等关键部位布设测点，得以检测其结构变形情况。（3）数据采集仪器设置。根据采集仪的采集特点、列车过站间隔以及数据需求对试验基本参数、采样频率、采样通道等进行设置。根据选定的传感器型号和需要测定的物理量确定采样通道的标定值。

3.1.4试验数据处理

现场布设的传感器输出的是电压信号，通过公式（4）可将采集到的电压信号换算为站台门的应变量ε：

3.2线路试验结果分析

表3为列车以160km/h速度通过站台中部时，根据现场测试得出的站台门不同测点门体结构变形量数据。通过分析现场实测数据可以发现，不同测点位置对应不同幅度的变形值，同时与仿真数据对比得出两者之间变化幅度相似，说明测试所选用的传感器灵敏度满足当前测试场景的精度需求。从表2和表3中可知站台门变形最大值均出现在在测点2，分别为9.89mm和8.87mm，表明仿真结果和测试数据的一致性，同时说明选定的城际铁路站台门结构符合TB/T3559-2020中关于城际铁路站台门机械性能的相关要求，变形量的最大标准差都能控制在0.43以内。对比2个表格中的数据可知，对应测点处的试验值均大于预测值，主要是因为线路试验过程中难免受到隧道中自然风、列车运行引起的振动等外部环境的影响，属于测试过站中发生的正常现象。

4结论

针对城际铁路地下站站台门结构的材料特性，本文提出一套适用于城际铁路站台门结构变形研究的仿真模拟计算方法，并通过在门体结构的关键位置粘贴传感器，对列车以160km/h速度通过站台中部时站台门各个部位的形变量进行测试。对比仿真结果和试验数据可知，各个测点的测量值标准差均控制在0.43以内，且应力变化趋势基本相同，由此证明有限元分析方法的可行性和列车与站台门模型的有效性。通过数据仿真预演和线路测试验证相互结合、相互印证的方法，为城际铁路站台门系统的设计方案提供重要的数据基础和参考依据，对于促进城际铁路站台门行业的发展，具有积极的推动作用。

参考文献

[1]TB/T3559-2020城际铁路站台门系统[S].2020.

[2]李强.某重型载货车车架有限元静态及其试验研究[D].安徽合肥：合肥工业大学，2009.

[3]温洁明.某重型载货汽车车架有限元及试验研究[J].机械设计与制造，2012（7）：116-118.

[4]马丽娜，黄小毛，宋正河，等.基于载荷特性的玉米收获机车架有限元分析与试验[J].农业机械学报，2018，49（1）：289-294.

[5]宋二祥，娄鹏，陆新征，等.某特深基坑支护的非线性三维有限元分析[J].岩土力学，2004，25（4）：539-543.

[6]王冬勇，陈曦，吕彦楠，等.基于二阶锥规划理论的有限元强度折减法及应用[J].岩土力学，2019，41（3）：458-464.

[7]王雯静，余跃庆.基于有限元法的柔顺机构动力学分析[J].机械工程学报，2006，46（9）：79-85.

[8]梁新华，朱平，林忠软.基于有限元法和边界元法的轻量化车身声学分析[J].上海交通大学学报，2006，40（1）：177-180.

[10]于鑫，夏德春，王志飞，等．城市轨道交通站台门控制系统关键技术[J].中国铁道科学，2015，36（3）：138-143.

作者:周梅 毛良 单位:广东省铁路建设投资集团有限公司 广东珠三角城际轨道交通有限公司