钢纤维混凝土-钢板组合结构防淹门的试验研究与分析.pdf

黼 潮 鞴 毒 锵 簿 钢纤维混凝土一 钢板组合结构防淹门 的试验研究与分析 卫中营 李 治 安危 辛佐先 ( 1 上海地空防护设备有限公司， 2 0 0 0 0 2 ， 上海； 2 上海市地下空间设计研究总院有限公司， 2 0 0 0 2 0 ， 上海第一作者， 工程师) 摘要新研制的防淹门结构采用钢纤维混凝土和钢板的 复合结构形式。采用预制梁载荷试验和三维有限元模拟分 析， 分别对该复合结构的承载力及变形进行了校核。结果表 明， 钢纤维混凝土一 钢板 门扇结构设计合理， 可同时满足人防 荷载和水压力荷载要求， 具有较高的经济效益。 关键词城市轨道交通；防淹门；钢纤维混凝土一 钢板复合 结构；有限元分析 中图分类号T U 9 6 5 On F l o o d g a t e wi t h C o mp o u n d S t r u c t u r e o f S t e e l - f i b e r - c o n c r e t e a nd St e e l Pl a t e W e i Zh o n g y i n g ，L i Zh i ，An W e i ，X i n Zu o x i a n Ab s t r a c t Th e n e wl y d e v e l o p e d f l o o d g a t e a p p l i e d t o u r b a n r a i l t r a n s i t s y s t e m a d o p t s a c o mp o u n d s t r u c t u r e o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e a n d s t e e l p l a t e Th e c a p a c i t y a n d d e f o r m a t i o n o f t h e s t r u c t u r e i s c h e c k e d t h r o u g h t h e l o a d t e s t s o f t h e p r e c a s t b e a m a n d t h r e e - -d i me n s i o n a l f i ni t e e l e me n t a n a l o g a n a l - y s i s ，t h e e x p e r i me n t r e s u l t s h o ws t h a t t h e c o mp o u n d s t r u c t u r e o f s t e e l - f i b e r - c o n c r e t e a n d s t e e l p l a t e i s r a t i o n a l i n d e - - s i g n，i t c o u l d me e t b o t h t h e l o a d r e q u i r e me n t s f o r c i v i l a i r d e f e n s e a n d f o r wa t e r p r e s s u r e wi t h r e m a r k a b l e e c o n o mi c be n e f i t s Ke y wo r d s u r b a n r a i l t r a n s i t ； f l o o d g a t e； a c o mp o u n d s t r u c t u r e o f s t e e 1 f i be r c o n c r e t e a n d s t e e l p l a t e ；f i n i t e e l e me n t a n a l o g a n a l y s i s F i r s t - a u t h o r S a d d r e s s S h a n g h a i U n d e r g r o u n d S p a c e Pr o t e c t i n g E q u i p me n t Co ， Lt d ， 2 0 0 0 0 2 ， S h a n g h a i ， Ch i n a 随着 上海城 市轨道 交通 建设 的不 断推进 ， 大 量区问隧道工程 需穿越 江河 。由于黄 浦江 、 吴 淞 江等江河 的水位 可能高 于市 区地 面 ， 为 防止 突发 灾害发生 时江河 水通过 区 问隧道倒灌 入 市 区， 需 在穿越江河水域的区间隧道两端适 当位置 设置 防 淹 门。同时， 根据 轨道交通工程人 民防空设计规 【 1 范 要求 ， 过江( 河) 段两端 的防淹 门宜与正线上 的 防护密闭隔断门合并设置， 合并后的隔断门应进 行人防荷载组合 和水压力荷 载作 用两种工况 的结 构计算分析 。人防荷 载组合包 括空气 冲击波超 压 荷载与水压力荷载组合工况， 同时需考虑人防组 合 的材料强度提高 。水压力荷载工况按材 料的容 许应力为控制因素进行结构计算。最终按两种工 况的包络结果进行设计 。 目前市场上 的防淹门产品采用 钢结构门体， 门 体的厚度较大， 地下二层的标准车站的门体厚度约 为 6 0 0 mm， 地下 三 层 车 站 的 门体 厚 度 达 到 8 0 ( ) mm， 且门体 的人防防护功能较差。若能在 不增加 门体的 自身造价和启 闭质量的前提下 ， 大 幅减少 门 体的厚度， 将对车站的土建造价、 车站站台层和站厅 层的设备、 管线布置等带来较大便利 。为此 ， 经过反 复论证 ， 选用 了高强钢纤维混凝土和钢板的复合结 构型式门体， 将地下二层车站和地下三层车站的防 淹门门体厚度分别降至 2 5 0 mm和 3 0 0 mm。同时， 其防护密闭功能也得到了很大的提升。 由于缺少相关 的规范规程 ， 此种超薄高强复合 结构是否可以承受实 际的大荷 载情况 的受力 、 变形 分析， 尤其是两种材料的协同变形 、 接触面的剪力的 传递等， 是研究的重点。本文采用有限元分析和试 验验证两种手段进行分析验证 。 1 门体结构形式与设计参数 为了满足人 防荷载和水压力荷载组合工况， 新 型研制的防淹门结构采用钢纤维混凝土和钢板 的复 合结构形式 ， 通过拉结钢筋与钢板焊接保证混凝土 和钢板共同工作l 1 ， 钢板既作为模板 ， 又作为受力 钢筋 ， 可以抵抗板任意方 向的主拉应力 。该结构形 式既减轻了质量又满足了使用要求。 溺 鞴 酒 溷 囊 u T * 11 1 1 1 1 D T S T 1 1 1 1 S t t i c R e s u l t ， L 0 一 S o l i d P 3 ) 图6混凝土最大压应力图 3 试 验概 况 3 I 试件概况 在有 限元分析 的基础上， 为检验校核这种复合 结构的承载力及变形特性 ， 采用预制梁进行载荷试 验。预制试 验梁 结构 形式 与 防淹 门相 同， 长度 为 4 4 m， 厚度为 2 5 0 mm， 宽度取 0 5 m。预制试验 梁结构及钢筋布置见图 7 。 尺寸单位 ： mm 图 7 预制梁纵剖面图 3 2 试验目的 本次试验的主要 目的为检验防淹门构件承载力 是否满足工程设计要求， 同时测试挠度一 荷载变化曲 线 ， 以及钢板 、 拉结钢筋 、 钢纤维混凝土等的变形特 性 。试验采用静载荷试验方法。 3 3 加载与量测 根据防淹门正面受水荷载作用 ， 最大水头为 2 ( ) m。试验梁设计按均布荷载考虑 ， 荷 载强度取防淹 门底缘水压力强度 ， 即 2 0 0 k N m 。试验梁宽度为 0 5 IT I 。因此 ， 试验梁设计荷载简 图如 图 8所示 。 q =1 0 0k N m 图8 试验梁设计荷载简图 在试验过程中， 按照荷载效应等效原则 ， 采用两 5 2 点集中力加载， 加载点位于 1 4跨度和 3 4跨度处 ( 见图 9 ) 。按照跨 中截面设计弯矩的 1 6倍 ， 计算 集 中荷载 P， P的大小见图 9 。 1 O 0 1 0 5 0 2 l O 0 1 05 0 l 0 0 尺寸单位 ： mm 图9 等效荷载简图 为了检验试验梁的承载力及变形特性 ， 试验过程 中拉结钢筋 、 钢板、 钢纤维混凝土的变形采用应变片 测量。加载过程中梁的挠度采用位移传感器测量。 3 4 试验现象与分析 试验结果如 图 1 0 1 3所示 。由图 1 0可见 ， 试 验梁跨 中底缘钢板应变 随荷载呈线性 变化。由图 1 1可见 ， 跨中截面混凝土应变受压 区呈线性变化 ； 受拉区因受到钢板的约束作用 ， 在设计荷载下呈 明 显 的非线性 ， 在最大加 载下， 由于混凝土受拉 区开 裂 ， 钢板约束减小 ， 应变非线性减小 。由图 1 2可见 ， 试验梁跨中顶部混凝土受压应变随荷载的增加而线 性增加 ， 即在试验荷载下 ， 受压区混凝 土基本完好。 图 1 3显示 出试验梁各级荷载下的挠度分布。 8 0 0 7 o o 6 0 0 Z 5 0 0 蒜4 0 0 枢 3 0 0 2 0 0 l O 0 l 幄 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 0 1 6 0 0 应变 ， 1 图 1 0 试验梁底缘钢板应变一 荷载曲线 图 1 1 跨中截面混凝土应变分布图 嘲 嘲 雕 互 框 图 1 2 试验梁跨中顶面荷载一 应变曲线 0 ， l O 星1 5 趣2 。 2 5 3 0 3 5 4 0 梁跨 m l 2 3 4 5 图 1 3 试验梁各级荷载 下挠 度分布曲线 试验结果和有限元结果比较如表 2所示 。由表 2可以看到， 试验结果和有限元计算结果非常接近 ， 且都满足设计值要求。考虑到有限元计算采用整体 模型， 刚度较大， 且考虑了侧边的橡胶约束和底边约 束， 其计算扰度和钢板最大拉应力略小， 而混凝土承 ( 上接 第 2 3页 ) 可靠性 、 制定相关 的应急处置预案 、 优化行车和客运 组织工作等提供重要的辅助分析工具 。 鉴于轨道交通的故障处置过程非常复杂， 故障 种类数量巨大且互相影响 ， 实际的故障处置往往要 面对多种类别故障同时发生 时产生 的综合效应 ， 远 比列车救援情况要复杂 。因此 ， 本文所作 的工作 只 是一个基础， 下一步应重点研究多种故障综合影响 下的多列车追踪运行仿真技术， 使系统满足实际使 用的需要 。 参考文献 1 B a r t e r W M A p p l i c a t i o n o f c o mp u t e r s i m u l a t i o n t o r a i l c a p a c i t y p l a n n i n g C P r int i n g s o f t h e 9 9 8 6 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e on Co mp u t e r Ai d e d De s i g n， M a n u f a c t u r e an d 受压应力略大些 。 表 2 试验结果和有限元结果比较 4 结语 对构件试验梁进行荷载试验和有限元分析， 结 果表明： 在设计荷载范围内， 试验梁跨中底缘钢板应 变与荷载呈线性变化 ， 即钢板处于弹性变形阶段 ； 跨 中截面混凝土应变受压区为线性分布 ， 受拉 区明显 受到钢板约束 ， 呈非线性分布 ； 试验梁顶部混凝土受 压应变随荷载呈线性变化 ， 在设计荷载范围内， 受压 区混凝土完好 。证明钢纤维混凝土一 钢板 门扇结构 设计是合理的 ， 可以同时满足人 防荷载和水压力荷 载要求， 具有较高的经济效益。 参考文献 1 吴丽丽， 聂建国 四边简支钢一 混凝土组合版的弹性局部剪切屈 曲分析r J 工程力学 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 2 2 韦灼彬 ， 张小鹏 ， 王铁成 新 型钢一 混凝 土组合板 的力学性 能研 究 J 海军工程大学学报 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 2 7 E 3 王解军， 肖景新 钢纤维混凝土与钢结合梁桥面板等效板单元 模型及其应用 J 中南公路工程， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 1 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 1 4 ) Op e r a t i o n i n t h e Ra i l wa y a n d Ot h e r Ad v anc e d Ma s s T r a n s i t S y s t e ms As h u r s t ， Un i t e d Ki n g d o m ：Co mp u t a t i o n a l Me c h a n i c s P u N ， 1 9 9 8： 1 9 92 1 4 Nas h A ， Hu e r l i m a n n DRa i l r o a d s i mu l a t i o n u s i n g o p e n t r a c k C Ni n t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o mp u t e r s i n Rai l wa ys ， COM P RAI L I X Dr e s d e n： W I T P r e s s ， 2 0 0 4 4 55 4 B u c k l e n E P S i m u l a t i o n o f r a i l h a u l a g e s y s t e m s J T r a n s S o c Mi n i n g En g AI ME， 1 97 1， 2 5 0( 2) ： 1 5 7 刘剑锋， 丁勇， 刘海东， 等 城市轨道交通多列车运行模拟系统 研究 J 交通运输系统工程与信息， 2 0 0 5 。 5 ( 1 ) ： 2 5 刘海东， 毛保华， 何天健， 等 不同闭塞方式下城轨列车追踪运 行过程及其仿真系统的研究 J 铁道学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 2 0 石红国， 彭其渊， 郭寒英 城市轨道交通牵引计算模型 J 交通 运输 工程 学报， 2 0 0 5 ， 5 ( 4 ) ： 2 0 王志强 移动闭塞下城轨交通多列车追踪运行仿真分析I t 中国交通研究 与探索 2 0 0 9 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9： 1 7 1 ( 收稿日期： 2 0 1 1 0 6 0 5 ) 5 3 舳 加 ： 加 踟 鹌 ： N 一 一 一 一 一 ： 一