铁路隧道新型防护门门框及门框墙抗爆安全性研究

王志伟 马伟斌

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

铁路隧道防护门作为重要防火隔断设备，将隧道和横通道、避难所、紧急出口、竖井、斜井等洞室划分为2 个或者多个防火分区，可以有效阻止隧道火灾产生的对流热、辐射热、有害气体向其他分区蔓延，在防灾避难、保护设备设施安全方面发挥着至关重要的作用［1-4］。

既有铁路隧道防护门多为钢制复合防爆板防护门，其易腐蚀、耐久性和耐火性差、使用寿命短［5］。采用玻璃纤维增强复合材料制成的新型铁路隧道防护门不仅能满足抗爆防火的要求，同时还具有轻质、高强、耐锈蚀、耐候性好、造型美观等优势，可取代复合防爆板防护门［6］。

防护门设计时需要考虑抗爆安全性［7］。对于防护门的整体抗爆性能，TB 10020—2017《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》［8］和TB 10063—2016《铁路工程设计防火规范》［9］均明文规定：客货共线铁路隧道防护门的抗爆荷载不应小于0.10 MPa，高速铁路、城际铁路隧道防护门的抗爆荷载不应小于0.05 MPa。

当前对于铁路隧道防护门的安装方式研究较少。如何将防护门牢固安装在门框墙上，满足抗爆性能要求，成为新型隧道防护门安装使用前研究的重点。

1 门框与门框墙连接方式

铁路隧道防护门的门框与门框墙连接，门体采用特种铰页与门框连接。新型玻璃钢隧道防护门门框与门框墙的连接方式有预埋式和锚固式2种。其中预埋式门框适用于新建隧道，隧道施工时在门框墙内预埋门框的固定件，后期安装防护门时将门框与预埋件固定；锚固式门框适用于新建铁路隧道和既有铁路隧道，利用化学锚栓将门框直接锚固至门框墙上。

1.1 预埋式门框安装方式

预埋式门框是先将门框上的锚固钩与门框墙内的钢筋焊接，再与钢筋网一起浇筑，形成整体。预埋式门框的主框架是由2 个角铁互搭成型焊接，在门框的下表面（靠近混凝土侧）的内侧焊接锚固钩，二者之间满焊连接，成对排布，钩头与钩头相对，通过锚固钩将门框与门框墙牢固连接，如图1 所示。相邻的2 对锚固钩间距不超过200 mm。

图1 预埋式门框连接效果

1.2 锚固式门框安装方式

锚固式门框是在门框墙已经浇筑完成的情况下，通过高强化学锚栓，将门框直接锚固到门框墙上。锚固式门框主体是由角钢组装焊接围成的方形框，在钢框靠近混凝土墙体的一侧分布有一圈锚固支架，锚固支架与门框主体焊接在一起。锚固支架组合为L 型，贴合在门框墙的直角边上，并且在L 型支架的2 个边上均设置化学锚栓的锚孔，如图2 所示。锚固支架在门框上的分布间距不大于200 mm，在铰页位置锚固支架应较其他地方更密集。

图2 锚固式门框连接效果

2 爆炸动荷载对应的均布等效静荷载计算

爆炸动荷载对应的均布等效静荷载可根据GB 50038—2005《人民防空地下室设计规范》［10］计算。

空气冲击波直接作用在外墙上的爆炸动荷载最大值P计算公式为

式中：Ce为荷载均布化系数；∆Pcm1为门框墙外平面处入射空气冲击波最大超压，N/mm2；∆Pcm为常规武器地面爆炸空气冲击波最大超压，N/mm2。

根据实地调研，已知防护门门框墙最大断面总高度为6 m，参考GB 50038—2005 可得荷载均布化系数为0.930。根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［11］，防护门门框墙在爆炸动荷载条件下最大超压为0.1 MPa，其物理意义等同于GB 50038—2005 中的∆Pcm，因此取∆Pcm=0.1 MPa。

∆Pcm及按等冲量简化的无升压时间的三角形波等效作用时间t0计算公式分别为

式中：C为等效三硝基甲苯（TNT）装药量，kg；R为爆心至作用点的距离，一般铁路隧道防护门门框墙距离隧道正线的最小距离为3.5 m，故R取3.5 m。

当常规武器地面爆炸动荷载波形简化为无升压时间的三角形时，结构构件动力系数K的计算公式为

式中：ω为门框墙的自振圆频率，Hz；［β］为钢筋混凝土结构构件的允许延性比，对于铁路防护门门框墙［β］可取1.2。

式中：Ω为矩形板的自振圆频率系数；b为门框墙高度，m；D为门框墙的抗弯刚度，kN·m；m为门框墙的单位面积质量，kg/m2。

根据实地调研，防护门门框墙宽8 m，高6 m。假定墙体竖向和水平两对边固定，参考GB 50038—2005可得Ω=19.51。

式中：ψ为刚度折减系数，参考 GB 50038—2005 钢筋混凝土构件ψ=0.60；d为墙体厚度，对于防护门门框墙d=0.3 m；υ为材料泊松比，对于钢筋混凝土υ=0.2；Ed为动荷载作用下材料的弹性模量，kN/m2。动荷载作用下钢筋弹性模量与静荷载作用下相同，混凝土和砌体弹性模量是静荷载作用下的1.2倍。

式中：γ为材料重度，kN/m3；g为重力加速度。

在常规武器地面爆炸动荷载作用下，门框墙外表面的均布等效静荷载标准值q计算公式为

经计算，在极限峰值为0.1 MPa 爆炸动荷载作用下K=0.057 3，P=255.75 kPa，q=14.65 kPa。

3 抗爆安全性计算与分析

确定防护门门框与门框墙的连接方式前，须进行不同安装方式条件下抗爆性能安全性验算。计算时根据Q/CR 700—2019《隧道防护门》［12］选用面积最大的FSP-3642-Ⅰ型防护门，门扇尺寸为3.6 m×4.2 m。

3.1 门框安全性分析

3.1.1 门框承受的荷载计算

门框安装如图3所示。预埋式门框锚钩的规格为φ12，分布在门框四周且间距不大于200 mm。由于锚钩端部为钩性结构，且与混凝土中的钢筋连接，计算时门框与墙体设置为刚性连接。锚固式门框则采用规格为M20 的化学锚栓，锚固间距不大于200 mm，与门框墙连接在一起。化学锚栓采用垂直分布式门框连接板固定，计算时门框与墙体同样设置为刚性连接。

图3 门框安装示意

铁路隧道防护门门框为碳钢Q235B 材料，其弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。由于防护门门框整体采用焊接的方式连接，因此将门框的接触条件设置为全局结合接触。

对于预埋式门框，门框通过锚钩与墙体传递作用力，锚钩与门框墙中的钢筋焊接且锚钩末端能抓住混凝土，故设定锚钩末端为固定约束。锚固式门框通过化学锚栓与墙体传递作用力，化学锚栓在门框墙中呈垂直交叉分布，分别通过抗拉和抗剪2 个性能来抵抗荷载。由化学锚栓性能可知，单个M20 化学锚栓的抗拉强度不小于120 kN，抗剪强度不小于75 kN，因此1 组垂直交叉分布的化学锚栓的承载力为195 kN，爆炸总荷载为221 kN，其锚固强度远大于爆炸荷载，故设定化学锚栓连接位置为固定约束。

防护门及门框墙外表面所受均布等效静荷载标准值为14.65 kPa，爆炸冲击波作用力垂直门扇由正线侧指向疏散侧或洞室侧。整个防护门受到的爆炸作用力F1计算公式为

其中：A为受力面积，m2。

FSP-3642-Ⅰ型防护门的门扇尺寸为3.6 m×4.2 m。通过计算可得F1=221.508 kN。

防护门门扇通过铰页机构和闭锁机构与门框连接，当防护门门扇受到爆炸动荷载时，门扇通过铰页机构和闭锁机构将荷载传递到门框上。在6个铰页面添加总计110.754 kN 的荷载，同时在4 个闭锁机构添加总计110.754 kN的荷载，如图4所示。

图4 6 个铰页和4 个闭锁机构同时施加荷载

3.1.2 门框受力安全性分析

将图4受力模式代入有限元计算软件中进行分析。2种门框在爆炸动荷载作用下应力云图见图5。可知：2 种门框的最大应力均出现在闭锁孔位置，预埋式门框、锚固式门框的最大应力分别为30.86，25.84 MPa。

图5 2种门框在爆炸动荷载作用下应力云图

由于Q235B 钢材的屈服强度为235 MPa，在极限峰值为0.1 MPa 的爆炸动荷载作用下预埋式门框、锚固式门框的最小安全系数分别为7.62，9.09，可见2种门框与门框墙的连接均牢固可靠。

2种门框在爆炸动荷载作用下位移云图见图6。

图6 2种门框在爆炸动荷载作用下位移云图

由图6 可知：2 种门框最大位移均出现于铰页处，预埋式门框、锚固式门框最大位移分别为0.066，0.028 mm，位移均小于0.1 mm，满足要求。

3.2 门框墙安全性分析

Q/CR 700—2019 中对防护门的混凝土墙体作了下述要求：门框所连接的墙体应采用钢筋混凝土结构与洞室衬砌可靠连接，墙体混凝土强度不应低于C35，墙体厚度不应小于0.3 m；墙体应采用双层配筋，钢筋直径不应小于16 mm，间距不应大于200 mm。

3.2.1 门框墙承受荷载计算

隧道内防护门为常闭状态，由于防护门与门框墙刚性连接，因此防护门与门框墙共同承受爆炸动荷载。忽略防护门韧性对荷载的缓冲作用，按照最不利情况考虑，将防护门视为均质刚性实体。门框墙为C35 混凝土材料，采用各向同性D⁃P 弹塑性本构模型进行模拟，弹性模量为37.8 GPa，泊松比为0.2，并对防护门处实体添加刚体属性。由于门框墙与衬砌是通过钢筋或植筋的方式连接在一起，因此钢筋连接处为固定约束。仅保留垂直墙体方向的自由度。施工时墙体底部基础与混凝土交叉连接在一起，因此底部也设置为固定约束。

防护门及门框墙外表面所受均布等效静荷载标准值为14.65 kPa，爆炸动荷载垂直门扇指向远离隧道侧。故在防护门和防护门门框墙的受力面添加此荷载。墙体连接处的固定约束与受力面荷载如图7 所示。经调研，国内隧道门框墙（含防护门）最大面积不超过50 m2。按最不利情况考虑，门框墙面积取50 m2，在有限元计算软件中进行计算。

图7 墙体连接处的固定约束与受力面荷载

3.2.2 门框墙受力安全性分析

门框墙应力和位移云图见图8。可知，门框墙顶部最大应力为22.45 MPa，由于C35 混凝土极限抗压强度为44.22 MPa，因此门框墙最小安全系数为1.97，满足安全要求。门框墙中部最大位移为0.066 mm，小于0.1 mm，满足位移要求。

图8 门框墙应力和位移云图

4 结语

以FSP-3642-Ⅰ型防护门为研究对象，对极限峰值为0.1 MPa的爆炸动荷载作用下铁路隧道新型防护门门框与墙体抗爆安全性进行分析，得出以下结论：

1）给出了爆炸动荷载对应的均布等效静荷载标准值计算方法。在极限峰值为0.1 MPa的爆炸动荷载作用下防护门及门框墙外表面所受均布等效静荷载标准值为14.65 kPa。

2）预埋式门框整个门框的最大应力和最大位移均出现于闭锁孔位置，最大应力为30.86 MPa，对应的最小安全系数为7.62，最大位移为0.066 mm，满足安全要求。

3）锚固式门框最大应力和最大位移均出现于闭锁孔位置，最大应力为25.84 MPa，对应的最小安全系数9.09，最大位移0.028 mm，满足安全要求。

4）门框墙承受的最大应力为22.45 MPa，对应的最小安全系数为1.97，最大位移为0.066 mm，满足安全要求。