西安地鐵一號(hào)線車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)架構(gòu)探討論文
前言
目前，國(guó)內(nèi)很多城市已經(jīng)建設(shè)或正在籌劃建設(shè)地鐵，地鐵車(chē)輛市場(chǎng)前景非常有潛力。其中不銹鋼地鐵車(chē)輛已成為當(dāng)今地鐵車(chē)輛中的主流產(chǎn)品。
不銹鋼車(chē)體相對(duì)于其它種類車(chē)體具有以下優(yōu)點(diǎn)：車(chē)體重量輕、耐腐蝕性能強(qiáng)、防火性能高、維護(hù)成本低、全壽命周期（30年）成本底、車(chē)體表面無(wú)需涂裝。
1 西安地鐵一號(hào)線車(chē)輛主要參數(shù)（單位：mm）
車(chē)體長(zhǎng)度 Tc： 19500
T，M，Mp： 19000
車(chē)輛高度（不含受電弓）： 3800
車(chē)體寬度： 2800
地板面距軌面高度： 1100
兩轉(zhuǎn)向架中心距： 12600
車(chē)輛編組： +Tc–Mp-M-T–Mp–Tc+
2 結(jié)構(gòu)方案
車(chē)體結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN12663-2000 《鐵道車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)要求》，類型歸屬于其中P-Ⅲ，即地下快速軌道交通車(chē)輛。
車(chē)體結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻、頂棚和司機(jī)室（僅Tc車(chē)有）等構(gòu)成的薄壁筒型整體承載焊接結(jié)構(gòu)（如圖1），能夠承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)、自重、載重、牽引力、橫向力、制動(dòng)力等動(dòng)、靜載荷及作用力，使用期限30年內(nèi)能承受正常載荷的作用而不產(chǎn)生永久變形和疲勞損傷，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，滿足維修和糾正脫軌等要求，車(chē)體可承受的縱向壓縮和拉伸靜載荷分別不低于800kN和640kN。
圖1 Tc車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)
2.1 頂棚
頂棚鋼結(jié)構(gòu)是由兩根上弦梁、數(shù)根彎梁、空調(diào)機(jī)組平臺(tái)、受電弓平臺(tái)（僅Mp車(chē)）、側(cè)頂板、波紋頂板等組焊在一起（如圖2）。波紋頂板采用縫焊，其余板梁間均采用點(diǎn)焊。在車(chē)頂組件內(nèi)側(cè)設(shè)有剛性連接梁及吊座裝配，用于安裝車(chē)內(nèi)頂板、燈具、扶手和空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)道等部件，安裝牢固可靠。
空調(diào)機(jī)組平臺(tái)、受電弓平臺(tái)（僅Mp車(chē)）采用模塊化設(shè)計(jì)，整體與車(chē)頂邊梁組焊，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度，保證平整，確保設(shè)備的正常使用。車(chē)頂能承受所支撐的負(fù)載及設(shè)備保養(yǎng)人員。
圖2 頂棚結(jié)構(gòu)
2.2 底架
底架組件由邊梁、橫梁、波紋地板和端底架組件焊接而成（如圖3）。底架骨架由兩根通長(zhǎng)的冷彎滾軋不銹鋼邊梁與不銹鋼橫梁及端底架組焊成，骨架上面鋪設(shè)不銹鋼波紋地板。牽引梁是承受和傳遞牽引力、制動(dòng)力與沖擊力的主要部件，它由上下蓋板、立板、腹板焊接成箱形結(jié)構(gòu)。枕梁是轉(zhuǎn)向架和車(chē)體的連接機(jī)構(gòu)，由上蓋板、下蓋板、立板及加強(qiáng)板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，枕梁與轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧安裝座相連。枕梁和牽引梁均采用耐候鋼材料。底架邊梁為通長(zhǎng)的HT級(jí)不銹鋼冷彎型鋼，邊梁與橫梁之間用高強(qiáng)度不銹鋼連接板連接成框架結(jié)構(gòu)，連接板與不銹鋼梁之間采用點(diǎn)焊焊接。所有橫梁均采用不銹鋼壓型槽鋼，梁上開(kāi)長(zhǎng)圓孔，用來(lái)安裝電線管和制動(dòng)管。端部底架的枕梁、牽引梁和內(nèi)層邊梁、內(nèi)層端梁均采用耐候結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)襯碳鋼與外部不銹鋼采用塞焊焊接。枕梁、牽引梁和內(nèi)層邊梁及內(nèi)層端梁采用高耐候鋼，確保30年不用挖補(bǔ)修理。
圖3 底架結(jié)構(gòu)
2.3 側(cè)墻
側(cè)墻主要由側(cè)墻骨架、墻板、門(mén)框、門(mén)上梁裝配等組成（如圖4）。側(cè)墻板采用裝飾性的BG拉絲板，不帶波紋和壓筋，側(cè)墻骨架梁柱以高強(qiáng)度不銹鋼材料為主，梁柱斷面選用盆形，與外墻板點(diǎn)焊后形成箱形，從而加大斷面矩提高抗彎剛度。為防止在門(mén)區(qū)及端部出現(xiàn)蒙皮外板褶皺現(xiàn)象，增加內(nèi)襯補(bǔ)強(qiáng)板與梁柱、蒙皮點(diǎn)焊一體。
側(cè)墻門(mén)角和窗角為應(yīng)力集中區(qū)，再在窗角區(qū)域采用高強(qiáng)度級(jí)板補(bǔ)強(qiáng)。保證車(chē)體在縱向、垂向、扭轉(zhuǎn)等載荷作用下，強(qiáng)度、剛度滿足要求，門(mén)開(kāi)、關(guān)運(yùn)動(dòng)自如。
圖4 側(cè)墻結(jié)構(gòu)
2.4 端墻
端墻由不銹鋼外板、立柱、橫梁和貫通道加強(qiáng)梁組成（如圖5），蒙皮與鋼結(jié)構(gòu)骨架焊接方式采用點(diǎn)焊方式連接，整個(gè)框架能夠滿足列車(chē)連掛載荷和能量吸收的要求。端墻和底架、側(cè)墻、頂棚組焊為一體后，有效地防止列車(chē)相撞時(shí)客室的受損變形，保證乘客安全。
圖5 端墻結(jié)構(gòu)
2.5 司機(jī)室
司機(jī)室玻璃鋼外罩內(nèi)預(yù)埋鋼骨架，玻璃鋼與鋼骨架組成整體結(jié)構(gòu)。司機(jī)室采用螺栓及焊接方式與車(chē)體連接;司機(jī)室前端底架上設(shè)有吸能區(qū)，可以吸收列車(chē)沖撞過(guò)程中的巨大沖擊能量，保護(hù)客室部分不損壞。玻璃鋼罩板需加強(qiáng)的部位預(yù)埋鋼板，整體玻璃鋼罩既有利于流線型司機(jī)室的實(shí)現(xiàn)，也有效地減輕了車(chē)重。
2.6 結(jié)構(gòu)連接
司機(jī)室后端梁通過(guò)連接螺栓與側(cè)墻、底架連接好，后端梁的頂部再與頂棚進(jìn)行塞焊連接;端墻與頂棚、側(cè)墻采用點(diǎn)焊焊接，端墻外蒙皮與底架采用塞焊焊接;側(cè)墻與底架邊梁采用點(diǎn)焊焊接;頂棚的側(cè)頂板與側(cè)墻采用點(diǎn)焊焊接。焊接前在相應(yīng)位置均勻涂抹導(dǎo)電密封膠。
（a）司機(jī)室與頂棚連接 （b）端墻與頂棚連接
�。╟）端墻與側(cè)墻連接 （d）端墻與底架連接
�。╡）底架與側(cè)墻連接 （f）頂棚與側(cè)墻連接
圖6 結(jié)構(gòu)連接圖
3 有限元分析
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否該合理，按照EN12663標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元分析法對(duì)西安地鐵一號(hào)線車(chē)體進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度分析。
3.1 有限元計(jì)算模型
基于有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh對(duì)車(chē)體進(jìn)行有限元離散，并采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)車(chē)體進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度分析。
根據(jù)車(chē)體結(jié)構(gòu)，建立車(chē)體相應(yīng)結(jié)構(gòu)和型材的中面線框并通過(guò)三維建模方法建立與之對(duì)應(yīng)的'有限元分析所需的車(chē)體三維中面模型;
根據(jù)車(chē)體部件之間的焊接關(guān)系圖紙，在車(chē)體三維中面模型中，創(chuàng)建“鉚點(diǎn)”�！般T點(diǎn)”轉(zhuǎn)化為單元結(jié)點(diǎn)，為點(diǎn)焊的“點(diǎn)對(duì)”準(zhǔn)確位置的確定創(chuàng)造了條件;
根據(jù)車(chē)體部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將車(chē)體三維中面模型全部離散，由于“鉚點(diǎn)”的存在，點(diǎn)焊的點(diǎn)對(duì)隨之生成，車(chē)體有限元模型則以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。
圖7 車(chē)體結(jié)構(gòu)有限元模型
3.2 計(jì)算工況
其中：整備狀態(tài)下的車(chē)輛自重m1，轉(zhuǎn)向架重量m2，超員AW3。
3.3 計(jì)算結(jié)果
車(chē)體的剛度和靜強(qiáng)度分析結(jié)果：垂直靜載荷超員負(fù)載條件下，車(chē)體中心線上邊梁的垂向位移為11.6mm，Mp車(chē)體中心線上邊梁的垂向位移為10.3mm。根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)體在超員負(fù)載（AW3）條件下，車(chē)體中心線上邊梁的靜態(tài)撓度不應(yīng)超過(guò)車(chē)輛兩轉(zhuǎn)向架中心距的千分之一，即12.6mm。根據(jù)計(jì)算應(yīng)力，車(chē)體在垂直載荷、縱向壓縮工況、縱向拉伸工況、救援工況、吊裝工況及扭轉(zhuǎn)載荷工況作用下，車(chē)體各部件的最大應(yīng)力均未大于車(chē)體該部位所用材料的許用應(yīng)力，車(chē)輛設(shè)計(jì)滿足要求。
4 車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)
2012年5月，由青島四方車(chē)輛研究所，按JIS E7105-2006《鐵道車(chē)輛車(chē)體的靜載荷試驗(yàn)方法》和EN12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)行垂向載荷試驗(yàn)、車(chē)端壓縮載荷試驗(yàn)、車(chē)端拉伸載荷試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、三點(diǎn)支承試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足要求，并且與計(jì)算結(jié)果基本相符。
5 結(jié)束語(yǔ)
目前，西安地鐵一號(hào)線地鐵已正式運(yùn)營(yíng)，再次證明了車(chē)輛指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，西安地鐵一號(hào)線項(xiàng)目的順利進(jìn)行為我司不銹鋼車(chē)輛生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外城市軌道交通和地鐵車(chē)輛市場(chǎng)的需求，不銹鋼車(chē)體的車(chē)輛將會(huì)被廣泛應(yīng)用。
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