（机械制造及其自动化专业论文）升降式防护密闭装置研究与设计.pdf

冈席争六学 硕士研究生学位论文摘要 摘要 地下人防工程在国外是基于国家战时防护需要而兴起的一项重要工程。在我国，由于经 济及战略地位的要求，于九十年代末提出了这一构思。在战时利用防护密闭装置将地铁、隧 道等地下防护工程空间隔断，形成特殊的专业人防工程，从而保障战时人员和设备的安全， 提高整个城市的综合防空能力，因而具有重要的战备效益和经济效益。 本论文是以“基于某地高速公路山体段隧道人防工程防护密闭装置研究与设计”这一科 研项目为背景来论证的。 论文首先介绍了国内外目前的常用防护密闭装置设计方案；然后运用系统分析理论，将 防护密闭装置划分成不同功能模块，研究每一模块特性并作出评价，对不同功能模块进行最 佳结构设计，形成功能模块库。通过将不同功能模块进行组合，并结合某地高速公路山体段 隧道人防工程具体防护要求，综合起来进行系统整体的设计，最终提出满足要求的防护密闭 装置总体设计方案。论文重点对升降式防护密闭装置的升降机构、复位机构产生原因、功能 实现进行了分析与研究，并对其设计方案进行了探讨；同时本研究采用多系数分析后用单一 安全系数表达的容许应力设计法，对作为防护密闭装置的直接受力件一门扇进行了设计计 算：并借助先进的有限元分析软件a n s y s ，对门扇的大应变、大变形及震动模态进行了计算 分析和结构优化处理，在保证结构强度的同时降低了门扇重量。所提出的升降式防护密闭装 置设计方案在某地高速公路山体段隧道人防工程中被采用。 【关键词】人防工程防护密闭装置升降复位门扇系统分析有限元分析a n s y s 冈胁六号 硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u b t e r r a n e a nh u m a np r o t e c t i o n e n g i n e e r i n gp r o j e c ta b r o a ds t e m sf r o mt h er e q u i r e m e n t o fs t a t ep r o t e c t i o ni nw a r t i m e i no u rc o u n t r y , i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f e c o n o m ya n dt h e s t r a t e g ys t a t u s ，t h ep l a nw a sp r o p o s e da tt h ee n do f19 9 0 s i nw a r t i m et h ep r o t e c t i v ec l o s u r e o b s t r u c t i o nv a l v ew i l lm a k et h es u b t e r r a n e a n e n g i n e e r i n gc h a n g e i n t ot h e p r o f e s s i o n a l h u m a n p r o t e c t i o n ，t h i sw i l le n s u r et h es a f e t yo fo u rp e o p l ea n de q u i p m e n t , i m p r o v et h ec i t y s a b i l i t yo fa e r i a ld e f e n s e s ot h ep l a nh o l d st h ei m p o r t a n tb e n e f i to fc o m b a tr e a d i n e s sa n d e c o n o m y t h ep a p e rp r e s e n t st h ec o m m o ns o l u t i o n so ft h ep r o t e c t i v ec l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v et h a ta r e o f t e nu s e da th o m ea n da b r o a d t h e nt h r o u g ht h et h e o r yo fs y s t e m sa n a l y s i s ，t h ep r o t e c t i v ec l o s u r e o b s t r u c t i o nv a l v ei sc o m p a r t m e n t a l i z e dt h ed i f f e r e n tf u n c t i o n a lm o d e lb l o c k s e a c hm o d e lb l o c k s c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e da n dt h es t r u c t u r ei sd e s i g n e d i n t e g r a t i n gt h ee x p e c t a t i o n so fat u n n e l h u m a np r o t e c t i o n - e n g i n e e r i n ga n dt h ed i f f e r e n tm o d e lb l o c k s ，t h eg e n e r a ls y s t e m ss o l u t i o n so ft h e p r o t e c t i v ec l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v ea lep u tf o r w a r dt h r o u g ht h es y s t e md e s i g n a tl a s tt h ep a p e r p r e s e n t si nd e t a i lt h ea s c e n d i n g - d r o p p i n gs t r u c t u r ea n dt h er e s t o r a t i o ns t r u c t u r eo ft h ep r o t e c t i v e c l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v e t h ev a l v e sw i n gi se x c i t e dd i r e c t l yb yt h es h o c kw a v ea n do t h e r r a n d o md i s t u r b a n c es o u r c e s t oe n h a n c et h ev a l v e ss t a b i l i t y , t h es t r e s s ，t h et r a n s m u t a t i o na n dt h e m o d eo fv i b r a t i o no ft h ew i n ga r ea n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n s y si n t h i sp a p e r t h es o l u t i o no ft h ep r o t e c t i v ec l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v ew h o s es t r u c t u r ea n dw e i g h th a s b e e no p t i m i z e du s i n ga n s y si sb e t a k e ni nat u n n e lh u m a n p r o t e c t i o n a l t h o u g ht h ep r o t e c t i v ec l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v eh a sm a n yv i r t u e sa n di n n o v a t i o n s ，i ti sn o t p r e f e c ti nm a n ya s p e c t sa n di t sr e a le f f e c tn e e db et e s t e di nw a r k e y w o r d s ：h u m a n p r o t e c t i o n p r o t e c t i v ec l o s u r eo b s t r u c t i o nv a l v e r e s t o r a t i o ns t r u c t u r e a s c e n d i n g - d r o p p i n gs t r u c t u r ew i n gs y s t e m sa n a l y s i s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n s y s i i 冈群争云学 硕士研究生学位论文l 绪论 1绪论 中华民族是热爱和平的民族，我们希望有一个相对长的和平时期来加速我国现代化的建 设，但是世界各地的局部战争从未停止过，国际上的敌对势力也从来没有放弃对我国的武力 威胁，因此我们必须时刻保持高度的警惕，特别是最容易受到攻击的地区城市，平时就 应该提高市民的国防意识，加强防护工程的建设，防范于未然。 1 1 城市防空工程 随着空袭兵器的飞速发展，高科技在军事上广泛应用，未来的空袭对城市造成的破坏和 对居民的伤害将愈益增大。因此，在现代高科技战争条件下，加强城市人民防空建设，积极 做好反袭击准备，不仅已成为国家整体防空系统中的重要组成部分，而且在保卫国家安全、 国民经济建设中，具有十分重要的战略意义，这些意义主要有以下几个方面： 1 有效的防至有利于保障人民生命财产的安全，减少空袭对城市建设造成的损害 旱在第二次世界大战中，德国拥有5 0 多万人口的斯图加特市，曾经遭到盟军持续不断 的空袭，但由于该市防空准备充分，建有大量的防空掩蔽部和地下室，据统计在5 3 次空袭 中，虽遭到2 5 万吨炸弹的猛烈轰炸，仅死亡了4 0 0 0 余人，死亡率只占总人口的0 8 。然 而同样是德国的普福尔茨姆市，人口只有8 万多人，由于缺乏必要的人防措施，在仅有的一 次约1 6 0 0 吨炸弹的空袭下，就死亡了1 7 万入，死亡率竟高达2 2 ，相当于斯图加特市的 2 6 倍。可见，采取并落实必要的防空措施，对于减少空袭袭击损失具有重大意义。 2 有效的防空有助于保存战争潜力，夺取反侵略战争的胜利 所谓战争潜力，既包括可能用于战争的物力、财力，又包括军力、人力和精神力量，这 是国家或地厂赖以进行战争的潜在能力。战争的胜负主要取决于有这些因素构成的潜在能 力。苏德战争期间。尽管前苏联的莫斯科和列宁格勒分别遭到长达半年和三年零一个月的大 规模的持续的空袭，期间德军空袭莫斯科1 4 0 余次，空袭列宁格勒2 7 0 余次，但由于这两个 城市，通过积极的抗击和人防系统动员数十万居民采取多种措施，实行了有效的对空防护， 因而保存了充足的后备兵员，并在战争爆发的最初几个月内，向东部地区转移了大批军工企 业。随后又陆续新建和恢复了数千个战争所需的工业企业，保证了苏军对武器装备和军需物 质的供应，尽管在遭受大规模空袭的艰苦条件下，仍保持了赖以支持战争的潜力，从而为粉 碎德军的空袭计划，为实施战略反攻、最后战胜法西斯创造了条件。 3 有效的防空有利于激发民心增强国威，造成遏止战争的威慑力量 和平时期国家拥有强固的国防，在一定程度上可通过强化威慑力量来遏止可能发生的战 冈厢卜云学 硕士研究生学位论文l 绪论 争。当今世界的城市民防系统，亦称人防系统，其防空袭的潜在能力，往往是国防综合实力 的重要体现，建立和完善以防空袭为重点的人防体系和实力，平时作好充分的准备，不但能 激发人民群众“忧患兴邦”的凝聚力，强化人民群众对国家兴衰和民族安危的责任感和强烈 的国防意识，而且在一定程度上能对敌造成心理上的巨大压力，阻止敌人不敢轻易动用武力。 这对构成国防实力的整体威慑力量，都具有极其重要的战略意义。因此，现在不但一些中、 小国家，即使像美国、俄罗斯等一些军事大国，对城市、尤其重要的大中城市的民防建设都 是十分重视的。 1 2 地下防护工程 1 2 1 地下防护工程在城市人防工程中作用 我国人民防空工作的方针是“长期坚持，重点建设，平战结合”，大量的人防工作必须 在平时完成，其中最主要工作就是：结合城市建设，在平时修筑和建筑居民防护大规模杀伤 性武器作用的防护工程。这是一切防护工作的基础和前提条件。随着城市经济的发展，诸如 地铁、隧道、地下人行通道、地下商场、地下仓库之类的地下工程建设越来越广，作为城市 人防工程中重要组成部分的地下防护工程在未来的城市防护中将起到至关重要的作用。 地下工程没于地下，本身就具备一定的防护能力。如果建设时兼顾人民防空的需要， 统一规划、设计、建设，并对关键部位、重要设施搞好重点防护，就可以使其在战时作为人 员和设备的掩蔽部使用，使预计的核武器、化学武器、常规武器袭击时和袭击后的城市次生 灾害减小，保障人员和设备的安全，从而提高整个城市的综合防空能力。上海民防管理处和 同济大学地下空间中心联合组，在1 9 9 8 年对上海地铁i 号线的战备潜力进行了初步研究， 通过对地铁主体结构平战荷载比较得到，当地面超压为0 3 5 0 k g c m 2 时，地铁区间段和车 站主体结构可认为是安全的。在对用钢量比较后得到，按车站主体结构平时的荷载设计，已 具备了o 5k g c m 2 的冲击波超压潜能，并不需要另外增加用钢量，对遭常规武器袭击毁伤 分析表明，地铁主体结构能承受毁伤的建筑物倒塌荷载。通过对地铁i 号线的战备潜力研究， 可以相信，一般平时使用的地铁系统，即使按平时使用要求进行设计，已具备了相当大的战 备潜力。所以，建设地下工程时，兼顾战争的需要，投入增加不多，战时却可作为人防工程 使用，发挥巨大作用。 1 2 2 地下防护工程的防护原则 1 核武器杀伤因素的一般特征 在所有武器中，核武器的威力是最大的，因而其破坏力也是最大的。核武器在空气中 2 i 习，务大学 硕士研究生学位论文l 绪论 爆炸时的破坏杀伤作用主要有：空气冲击波、热辐射、早期核辐射、放射性污染以及坑效应 和爆炸震动等。 ( 1 ) 空气冲击波 核爆炸时，爆炸中心压力急剧升高并向外扩张，冲击和压缩邻近的空气，形成空气冲击 波向外围传播。对地面建筑造成极大的破坏。空气冲击波经过土壤传至地下结构的波引起的 载荷将导致整个地下结构物的运动及结构物的变形。 ( 2 ) 热辐射 核爆炸时的爆源温度高达几千万度，发射出强烈的光和热，称为热辐射。热辐射以光速 传播，使物体温度迅速升高而发生火灾。大型火灾是造成房屋破坏和人员死亡的一个主要原 因。 ( 3 ) 核辐射 核辐射又称贯穿性辐射，这种辐射在核爆炸最初的1 5 秒内产生，主要包括7 射线和中 子流。y 射线是最危险的，因为它的贯穿力强、作用半径大、而且能在空气中扩散。核辐射 能损害生物组织，造成人员伤害。此外，核爆炸产生一系列带有放射性的放射性微粒，随风 飘洒到市区各地，在一个较长的时期内不断放出射线和其他射线，危害生物和人员，造成所 谓放射性污染。 ( 4 ) 成坑效应和爆炸震动 核武器接近地表爆炸时，会抛掷起大量岩土，形成巨大的弹坑。仅2 万t 当量的核爆炸 就会产生深度超过2 0 m 直径接近1 0 0 的弹坑。在弹坑外还有更大范围的破裂区和塑性变形区。 同时，爆炸能量直接输入地面以及通过很高压力的空气冲击波撞击地面使爆源附近的地下工 事受到很大的压力并遭受到强烈的震动，地震所引起的巨大加速度能杀伤地下防护工程内部 人员并破坏内部设施。 2 地下防护工程的防护原则 ( 1 ) 核爆冲击波的防护 核爆冲击波对地下防护工程的破坏途径主要有：破坏出入口和通风口附近的地面建筑物 或挡土墙，使得防护工程口部堵塞：直接进入防护工程的各种孔口，破坏口部通道及孔口防 护设备，杀伤内部人员；压缩地表面产生土中压缩波，通过压缩波破坏地下防护工程的结构。 根据上述破坏途径，地下防护工程的出入口和通风口应避开地面建筑物的倒塌范围，出 入口露出地面部分宣做成破坏后易于清除的轻型结构。一定要设置两个以上的出入口，并保 持不同朝向和间隔一定的距离，避免同期遭受破坏。出入口、通风口的防护装置，排水系统 3 冈，静击学 硕士研究生学位论文l 绪论 及电力通信系统管道等口部设备必须有足够的防爆能力。 ( 2 ) 热辐射和早期核辐射的防护 热辐射对地下防护工程本身并没有破坏作用，但对地面建筑物可能引起大面积的持续火 灾，长时间的高温能降低覆土较薄的地下工程的强度，并使其内部温度升高以至断绝外部新 鲜空气的供给。防护门、防爆活门等应该避开热辐射的直接照射，门外的电缆应埋入地下， 防止被烧坏。 早期核辐射对于地下防护工程本身没有破坏作用，地下防护工程有一定的埋深，一般不 必考虑早期核辐射透过土壤覆盖层进入内部的危害。为了减少从出入口进入并穿透通道防空 墙和防护门到达室内的核辐射，各道防护门、密闭门加起来要有一定的总厚度，而增加通道 拐弯数对削弱来自口部的辐射最为有效。 ( 3 ) 对放射性污染和化学生物武器的防护 放射性尘粒和毒剂，细菌虽然性质不同，但都从孔口进入防护工程的内部，在工程防护 上有其共同点，主要方法是采取密闭措施，将防护工程与外界隔绝起来，所有的孔口均应配 备密闭装置，对于外界被污染时仍需进风的防护工程，进风系统应设置除尘滤毒设备。 1 3 防护密闭装置 1 3 1 防护密闭装置重要意义 从地下工程的破坏形式和防护原则看。地下工程本身已经具备一定的强度和抵抗力， 其薄弱环节是在人防工程出入地面的口部。在遭受核武攻击时，口部是最易遭受攻击的部位， 也是最容易损害的部位，因此，地下工程在临战前要想转化成专业人防工程，必须在口部增 加防护装置( 如防护门、防护密闭门、密闭门、防爆破活门、隔断门) ；同时，对于像地铁之 类的地下交通工程，设防后是由许多车站通过隧道连接而成的大型人防工程，为保证战时一 个车站人防功能的丧失不影响其它车站防护功能的发挥，也必须在车站之间的隧道中及其口 部设置能够双向分别承受冲击波载荷的防护密闭隔断装置。由此可见，防护密闭装置是地下 工程转化为专业人防工程的关键，是人防工程不可缺少的设备，其效果直接关系到人防工程 整体功能的发挥。 1 3 2 升降式防护密闭装置简述 在现有的人防工程中，防护密闭装置基本上都是采用电动推拉式或者液压推拉式的，需 要藏门间，土建工程量大，造价昂贵，战时电源还可能得不到保证，停电后手动关闭费时费 4 冈群卜六学 硕士研究生学位论文 1 绪论 力，平战转换时间较长，使用很不方便。而新的地下工程使用所需的孔口类型多、数量大、 转化较为困难。新的人防工程战术技术要求又提出了平战转移时限要求，要在这么短的时间 内安装这么多防护装置、密闭装置是不可能的，因此对地下工程1 3 部设备的设防还有待进 步研究。基于它在人防工程中的重要性，其转化方案和技术措施越来越受到重视，目前已被 列为专题进行研究。 升降式钢结构防护密闭装置和其它形式防密装置相比，这种防护装置除不设地面门槛和 藏门间以外，堑具有蚕瞄辕缸垩移等赞鏖，操作简便，启f f 过程- if h 单人完成，平战转 化快，整个过程时间不超过l o 分钟。其主要有门框、门扇、铰页、立轴、升降机构、闭锁 机构、复位机构、安全机构、手动机构等部分组成。通过升降机构巧妙的解决了门扇的升 、气= 7 。- 降问题并能实现手动控常l j f - j 扇的升降；通过复位机构解决了门扇双自由度导致运动不确定问 题，使得关闭门扇省时省力；其闭锁机构隐藏在门扇内，使门扇表面美观，闭锁机构配有钥 匙，为平时的使用管理带来方便。在平时使用时铺设盖板，门扇不需降落，开关自如，轻便 、- _ - r _ _ p m _ “、一一 灵活，可作隔断装置使用，战时使用时只需掀开地沟盖板，将门扇降下去，锁紧闭锁即能满 足防护密闭功能要求。这种装置优点突出，作为一种新型防护密闭装置正越来越广泛被使用。 1 4 论文研究的主要内容 本文在结合某市高速公路山体隧道出入口的结构特点和防护工程功能要求的基础上，查 阅大量国内外地铁、隧道区间及其它地下防护工程人防密闭隔断装置的资料，对现行防护密 闭装置的结构特点、使用过程中的优、缺点进行详细分析，提出了某市高速公路山体隧道防 护工程出入口隔断装置的设计方案，采用j s f m 6 0 5 0 升降式钢结构防护密闭装置，并对该种 防护装置设计方案中存在的主要技术难点进行了详细分析，如：对该装置的升降机构、复位 机构关键部位进行研究分析和方案可行性探讨：运用大型有限元分析软件a n s y s 对承受冲 击载荷的门扇的梁架结构进行设计、对门扇的大应变、大变形进行了分析。 ( 1 ) 分析各种防护密闭装置设计方案。了解和熟悉各种设计方案的结构特点、优缺点以 及相应应用场合为某地防护密闭装置总体设计方案确定提供参考。 ( 2 ) 以升降式钢结构防护密闭装置为具体研究对象，分析和研究其特点和组成部分。运 用系统设计方法，从系统整体优化出发，结合某地山体高速公路隧道防护工程特点和要求， 提出了升降式钢结构防护密闭装置总体设计方案。并对构成防护密闭装置的不同功能模块进 行了论述。 ( 3 ) 分析门扇的升降机构。论文从常用的门扇升降方法出发，对防护密闭装置升降功能 5 冈降云学 硕士研究生学位论文 i 绪论 模块进行了详细分析，并提出了实现门扇升降功能的具体方案。 ( 4 ) 分析研究复位机构。论文从采用复位机构的原因出发，论述了复位机构在整个装置 中的作用，并针对这一模块功能的实现，提出了复位机构的设计方案。 ( 5 ) 分析研究门扇。论文结合传统的容许应力设计方法，采用了多系数分析后用单一安 全系数表达的容许应力设计法对门扇钢结构进行设计，并借助先进的有限元分析软件a n s y s 对门扇的结构、门扇的应力、变形进行分析计算，并进而对门扇结构进行优化，最终提出合 理的门扇模型。 ( 6 ) 分析防护密闭装置的门框、铰页机构、闭锁机构等其它常用机构。结合具体的 j s f m 6 0 5 0 防护密闭装置，对它的门框形状、铰页形式、闭锁机构进行分析设计。 目前，防护密闭装置的门扇大多采用钢结构制作，属于建筑学科，但同时门扇、闭锁、 升降、复位等机构的设计又要用到机械知识。因而，对防护密闭装置的研究属于跨学科的边 缘领域。国内外对这一领域研究较少，值得我们去探索。本研究希望能对防护密闭装置的设 计和产品的进一步应用提供现实指导意义。 图1 i 论文研究流程图 6 冈狰云学 硕士研究生学位论文2 防护密闭装置研究分析 2 防护密闭装置研究分析 地下工程作为城市人防工程使用，在国外已有很长历史，在实战中也体现了很好的效果。 作为地下工程口部防护设备的防护密闭装置，由于它在人防工程中的特殊作用，越来越受 到人们重视， 更多形式新颖的防护密闭装置被应用到现实人防工程中去。这些防护密闭装 置分类方法很多，根据门扇材料分为钢结构门扇和混凝土结构门扇：根据作用分为防护装 置、防火装置、密闭装置等；根据门扇关闭过程中运动方式可将防护密闭隔断装置分为： 2 1 立转式防护密闭装置 此类门定型最早，已被广泛选用，其特点是结构简单，运行可靠，维护方便，适用于 各类人防工程的出入口。根据门洞的大小可将门扇做成单扇或双扇，此类门主要有门框、门 扇、铰页、立轴、闭锁等部分组成，如图2 1 所示。 图2 1 立转式防护密闭装置 。 鼍 稿 = - l 别专j 早期的该类防护密闭装置为了门扇密封，在路面设置固定门槛，和平时期有碍人员和车 辆的通行，对人员和车辆出入频繁的防护工程，已较少采用，而改用相应尺寸和载荷等级的 活门槛门或降落式门。 ( 1 ) 活门槛防护密闭装置 此类装置的特点是平时不安装门槛，地面平整，便于人员和车辆通行。临战时快速安 装门槛，以满足防护和密闭要求迅速地实现平战功能转换。适用于人员和车辆出入频繁的 平战结合的地下隧道、商场、医院、仓库、地下停车库等人防工程的出入口。 7 国库笋大学 硕士研究生学位论文 2 防护密闭装置研究分析 ( 2 ) 降落式防护密闭装置 此类装置的特点是无门槛。平时门槛槽铺设盖板，地面平整，便于人员和车辆通行， 门扇升起后可当普通门使用：战时门扇通过立转、降落、平移三个动作实现关闭门扇并压缩 密封胶条达到防护密闭要求。此类装置是一种新型的防护密闭装置，在地下隧道、商场、 医院、仓库、地下停车库等人防工程的出入口运用非常广泛。 2 2 翻转式防护密闭装置 这是一种从立转式结构演变过来的防护密闭装置，同样采用铰轴转动，主要有门框、门 扇、铰轴、闭锁机构和动力机构组成平时门扇处于开启位置，如图2 2 ( a ) 所示，门扇可作 为通行的路面，供人员、车辆行走；战时门扇处于关闭位置时，见图2 2 ( b ) ，使用动力机构， 通常采用液压缸驱动，通过动、定滑轮上的钢丝绳带动门扇绕转轴翻转。 ( a ) 开启状态( b ) 关闭状态 图2 2 翻转式防护罾闭装置 翻转式防护密闭装置开启状态时，门扇可作为供车辆行驶的路面，为不影响车辆行驶， 钢丝绳必须安装在门扇的边缘。由于门扇采用全钢结构或钢筋混凝土结构制作，重量很大， 因而门扇的启、闭必须依靠驱动机构，为不影响美观，把驱动机构的液压缸安装在墙体内。 这种装置的优点是可采用电动控制，轻便平稳，自动化程度较高，但缺点也很明显，当战争 中遇到断电等不可控因素时，依靠手动开启费时费力，另) f f - j 扇作为路面使用，地面的潮气、 车辆的尾气对门扇的腐蚀很大，这对门扇的防腐性能提出了更高的要求。 2 3 平移式防护密闭装置 平移式防护密闭装置在现行防护工程中应用比较广泛，和立转式门扇相比，它主要有门 框、门扇、闭锁机构、传动装置、动力机构、导向轮和行走轮等部分组成。根据其运行方式， 可分为： 8 i 刁厢 云学 硕士研究生学位论文2 防护密闭装置研究分析 ( 1 ) 推拉式防护密闭装置 ；_ ；j o j ： 由由 ， 争 l i j 嗣i i 中 ii 刍 i 。 i 瞻 ， 目 ：每l _ 一一一j 十i 八 吨 甲泓 避甲止 、- ：。+ ：一- i i 一“4 。 j _ _ 翻 内 i t o 王：；? i ：；i 一j j ： 亨蕤擎黝翼。黔刮 图2 3 推拉式防护密闭装置 如图2 3 所示：推拉式防护密闭装置启闭时，通过动力机构拉动钢丝绳，带动门扇通过 行走轮沿导轨运行，运行过程中，依靠导向轮保持平衡，在运动到闭锁位置时，导向轮依靠 楔形块，产生纵向位移，使门扇压紧密封条。这种装置同样可采用电动控制，自动化程度高， 但门扇开启时，需要很大的藏门间，增加了土建位置h 寸，造价昂贵，断电时手动关闭困难， 费时费力，造成平战转化时间长。 ( 2 ) 上下平移防护密闭装置 见图2 4 ，上下平移式防护密闭装置类似 于水工闸门，其组成部分与推拉式相同。关闭 门扇时，依靠门扇自身的重力，通过定滑轮和 导向轮沿轨道下移，在即将关闭到位时，在重 力作用下，导向轮沿楔形块运动，门扇产生水 平位移，致使门扇压紧密封条。只是开启时。 则需完全依靠动力机构，手动开启门扇比较困 难。在和平时期，门扇处于开启状态时，门扇 需要被完全吊起在空中，钢丝绳受力较大。同 9 i般 互 j 乒 工 建 蟾 图2 4 上下平移式防护密闭装置 l 习朦争云学 硕士研究生学位论文2 防护密闭装置研究分析 时门扇被起吊时，需要较大的藏门间，土建工程量大，隧道到地面需要一定的距离，在现行 防护工程中运用不是很广。 ( 3 ) 水平双向移动防护密闭装置 水平双向移动式防护密闭装置既是一种不同于立转式的防护装置，它不需要铰页；又是 一种不完全类周推拉式的防护装置，它在水平的两个方向上都有移动。如图2 5 所示，在目 前防护工程应用中，是一种非常新颖的设计方案。所谓双向移动，其中一个移动方向沿着通 道的纵向；另一个移动方向沿通道的横向运动。这种水平双向移动式防护密闭装置在开启状 态时，门扇沿纵向轨道紧靠在门洞侧面，很好地解决了推拉式防护装置需要很大藏门间的问 题，减少了土建工程量，但这种设计方案的防护密 闭装置在门扇关闭过程中，存在许多新的问题，如： 门扇在关闭过程中，怎样解决门扇的运动平衡问题； 怎样施加门扇的关闭牵引力、怎样控制牵引力的方 向；门扇上的定滑轮需要沿两个方向运动，需要保 持合理的运动轨迹，怎样解决定滑轮运动不一致时 可能存在的运动卡死问题，等等这些问题，都值得 我们作为新的课题去研究。 2 4 平移立转式防护密闭装置 平移立转式防护密闭装置设计方案见 图2 6 所示，其工作原理如下：门扇开启 时，门扇处于位置l ，紧贴于通道的一侧： 关闭门扇时，首先推动门扇沿横向滑道运 动至位置2 ，处于通道中间；再使门扇绕 立轴转动至闭锁位置3 。这种设计方案同 样解决了推拉式需要藏门间的问题，但这 种方案的防护密闭装置在关闭过程中，门 扇需要做两种形式运动，关闭门扇时间过 长。 图2 5 水平双向移动防护密闭装置 、滑道 、 、 l 位置3 、 、 门扇 r ：孕 二 ： + 通道 ： 图2 6 平移立转式防护密闭隔断装置 防护密闭装置各种设计方案很多，随着科学技术的发展，各种新工艺、新材料、新装备、 新方法都被越来越多的应用到实践中去。考虑到其在战时城市防空中发挥的重要作用以及战 i o 冈厢笋大爹 硕= l z e t 究生学位论文 2 防护密闭装置研究分析 争中一些不可预测因素，因而不论何种方案的防护密闭装置都要求简单、实用、可靠，因此， 在设计上力求本着“结构简单，维修方便，安全可靠，经济实用”十六字原则。现代战争要 求防护工程的平战转换时间短，般要求控制在十分钟以内，对于各种形式的防护密闭装置 都要求结构简单、操作方便，对于自动化程度较高的电动门，要考虑到战时一些不可控因素， 要保证断电时，工作人员能够手动开启门扇。另外，在设计具体防护密闭门时，还要考虑人 防工程的性能、防护等级、功能要求、人防工程地理位置、门洞具体形状。根据以上各种方 案分析，在某地高速公路隧道人防工程防护密闭装置设计中，综合比较各种设计方案，最终 考虑采用升降式双扇立转防护密闭装置设计方案。 冈浯云学 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 3 升降式防护密闭装置研究与分析 3 1 概述 防护密闭装置设计要求简单、实用、可靠，而结构简单的往往实用、可靠，从这方面考 虑，防护密闭装置宜采用立转式和推拉式的，保证断电时可手动关闭门扇。推拉式防护密闭 装置开启时需要一个很大的藏门间，土建工程量大，造价较高；另一方面，战时发生断电， 手动操作费时费力，平战转化时间长，在洞口截面大的人防工程中已较少采用。立转式防护 密闭装置，手动、电动控制都很方便，但为了门扇下端的密封，过去往往采用固定门槛或活 门槛，如果在地铁、隧道、地下停车库等人防工程出、入口处安装固定门槛，平时不便人员 和车辆通行；如采用活门槛，战时安装时间较长，增加平战转换时间，这与现代防护工程要 求平战结合时间短、开启快速的原则相违背。升降式立转防护密闭装置作为一种新型的防护 密闭装置，吸收了其它形式门的优点，很好地解决了上述问题，在现代人防工程中应用越来 一一_ h 一一_ 一一 越广。该类装置除不设置地面门槛和不需要藏门间外，还具有升降、立转、平移等特点，其 _ _ _ p 闭锁机构可隐藏在门扇内部，使门扇表面美观，在平时使用时铺设盖板，门扇不须降落，开 关自如，轻便灵活，闭锁机构配有钥匙，为平时的使用管理带来方便，战时使用时只需掀开 地沟盖板，将门扇降下去，锁紧闭锁即能满足防护密闭功能要求。在为某市高速公路山体段 隧道人防工程设计防护密闭装置时，查阅大量相关资料并结合山体隧道出入口的结构特点， 运用系统设计方法，将防护密闭装置各功能模块放到整个系统中去考虑，通过模块整合，做 到周密、合理，设计出了升降式立转防护密闭装置，该装置以尽可能少的投资获得了尽可能 大的效益，使系统运行效能达到最佳，在使用中获得了良好评价。 3 2 某地人防工程背景参数和设计原则 3 2 1 背景参数 某市高速公路山体段隧道兼顾建设成人防工程，隧道出入口的公路有一定的坡度，该人 防护工程功能要求和有关设计要求如下： 1 防护等级：5 级抗力等级： 2 设计载荷：门正反两面等效静载荷标准值6 0 0 k n n 1 2 ； 3 门洞尺寸：门洞宽6 0 0 0 r a m ，门洞高5 0 0 0 m m ； 4 防护可靠，但允许少量漏气，技术指标：超压1 0 0 p a 时，最大允许漏气量a q = 2 6 8 m 3 h ： 1 2 冈席 大爹 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 5 设计方案应简单可靠，维修方便，并应采取可靠的防锈措施： 6 平战功能转换时间：1 0 分钟( 指战时完成隔断任务所需时间，门扇在平时即安装到位) 。 3 2 2 设计原则 根据人防要求，在设计防护密闭装置时一般应遵循以下设计原则： 1 人防工程要求具备一定抗力等级，该市高速公路山体隧道人防工程防护等级要求达到五 级抗力等级： 2 人防防护设备应尽量与土建工程同步实施，将战前平战转换工作量减少到最低限度； 3 人防防护单元以一个区间隧道段为一个防护单元，设置防护密闭装置； 4 一般在人防工程出入口部设置防护密闭装置： 5 考虑到与隧道孔口的相容原则； 6 创新原n - 要求在总结国内、外人防装置的基础上有所创新，有所改进，设计出的防护 密闭装置应具有“结构简单、维修方便、安全可靠、经济实用”的特点。 3 3 升降式立转防护密闭装置总体设计方案拟定路线 设计是革新，是创造。人类社会文明发展史中，充满了一次又一次的革新和发明创造， 在各种情况下，人类总是创造出某些前所未有的东西，他们总是先有某种需要，而后产生一 种怎样才能满足这种需要的思想，最后经过百折不回的努力将其变成现实，人们把这样一个 过程和称之为设计。设计所要追求的目标是要在给定的条件下实现最优化设计。 传统的设计方法以改善零部件的特性为重点，对零部件的设计考虑得很仔细，至于各零 部件之间、外部系统与内部系统之间的相互作用和影响则考虑得较少。零部件的设计固然应 该给予足够的重视，但全部用好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济未必能实现良 好的统一，因此，在进行防护密闭装置设计时，可将整个防护密闭装置看成一个系统，不仅 要关心系统各组成部分的工作状态和性能，更重要考虑整个系统的运行状态和性能。 运用系统设计方法：系统设计的侧重点是系统，是系统作为一个整体所表现出的性能和 运行状态，见图3 1 。 ( 1 ) 确定求解的问题，即明确设计目的和要求。 根据防护工程要求，门扇要具有一定强度，达到一定防护等级：5 级抗力等级，因而应 具备防护功能。 根据防护工程的技术指标：超压1 0 0 p a 时，最大允许漏气量aq - 2 6 8 m 3 h ，因而应具 备密闭功能。 1 3 l 习静灰爹 硕士研究生学位论文 3 升降式防护密闭装置研究与分析 由 计 划 阶 段 综合评价 图3 1 系统设计的过程 ( 2 ) 因素分析 对与被描述问题有关的因素进行分析，确定因素的类型：可控的、不可控的、质的属性。 系统的最优化就是对量的可控因素优化确定的过程。在防护密闭装置设计时，应对如下因素 进行分析： 门扇运动方式分析 门扇控制方式分析 门框相关因素分析 门扇结构分析 铰页、铰轴机构相关因素分析 密闭方式、闭锁机构分析 门扇开启力、复位机构分析 安全机构、防腐、防锈措施分析 ( 3 ) 模型的建立 根据防护密闭装置简单、实用、可靠的设计原则，宣采用立转式和推拉式的，便于人 工控制，但由于该门洞尺寸较大，宽6 米、高5 米，如采用推拉式防护密闭装置，门扇需要 一个很大的藏门间，土建工程量大，造价较高；另一方面，隧道出入口处，地面有一个坡度， 为了门扇密闭和推拉方便，在出口处势必设计一个平台，这样造成路面不平整，出现台阶， 不便于平时车辆、人员的通行，因此，该隧道防护工程防护密闭装置适合采用立转式结构。 对于立转式防密装置，为了便于门扇下端的密封，孔口处须安装门槛，考虑到高速 1 4 冈厢争云爹 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 公路隧道平时车辆通行较多，这里不便于使用固定式门槛，而适合采用活门槛，但该工程出 口处路面有一定坡度，如采用活门槛，战时不便安装，安装时间较长，这与现代防护工程要 求平战结合时间短、开启快速的原则相违背。综合考虑，该人防工程采用升降式防护密闭装 置比较合适。在门扇关闭位置开一个升降槽，关闭到位时，将门扇降到槽里，且可保证门扇 下端密闭：门扇开启时，用一盖板将升降槽盖住，便于平时车辆通行，而不影响行驶速度。 当门扇仅起隔断作用时，而不用于防护、密闭作用时，槽子盖板不必揭开，直接转动门扇而 不会影响门扇的关闭。 由系统分析理论，将防护密闭装置划分成不同功能模块，见图3 2 ，研究不同模块 特性并作出评价，对不同功能模块进行最佳结构设计，形成功能模块库，将不同功能模块进 行组合，综合起来进行系统整体的设计，最终制订出满足要求的防护密闭装置总体方案。 图3 2 方案流程图 ( 4 ) 综合评价 从系统的整体优化出发，采用各种工具和方法，从系统的可靠性、响应性、稳定性、适 应性、可维修性、经济性和对环境的影响，对总体设计方案进行定性和定量分析，并且作出 评价，为选择最优系统方案提供主要依据。例如：对总体方案的功能和可靠性等进行审查， 1 s 国厢笋女学 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 确定最初预想的性能是否满足；对各个功能模块的设计结果进行审查，确认达到目的后，再 向下一阶段进行。如果结果不能满足，就要对该功能模块设计进行修正，当审查仍不满意时， 则应毫不犹豫地逐段向上追究。一般情况下，方案经过数次修正后，系统的特性总能得到逐 步改善。对于无法改善的系统，则应考虑重新进行方案设计。 3 4 升降式立转防护密闭装置总体设计方案 综上所述，在查阅大量国内外地铁、隧道区间人防隔断装置的资料后，根据某市高速公 路山体段隧道的结构特点和防护功能要求，提出了设计方案并对设计方案做了大量论证工作 后，最后拟定采用“升降式立转钢结构防护密闭装置”设计方案，即j s f m 6 0 5 0 ( 5 ) 。这种 防护装置的特点前面已经论述过，不在重复，主要对防护密闭装置总体设计方案的主要组成 部分进行论述，简述如下： 图3 3 总体方案组成部分 l 。门框 门框的种类，工程上常用的有钢制门框和钢筋砼预制门框两种，考虑到运输和安装过程 中的吊装载荷，钢筋混凝土预制门框内必须配置必要的钢筋，以保证门框在吊装时不致造成 破坏。钢门框在运输和安装过程中出现的残余变形较小，所以防护密闭装置通常都采用钢制 门框。 防护密闭装置的门框设计主要是根据隧道门洞的截面尺寸、。形状和设备界限来确定的， 1 6 l 习席争呋学 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 总的原则是“相容原则”，即：在不对隧道结构进行任何变动并且不影响其运行前提下设计 隧道防护密闭装置门框部分，故隧道防护密闭装置门框形状与隧道截面形状相同，隧道口截 面为6 r e x 5 m 的长方形，门框相应也为长方形。荷载主要由门框的四周来承受，对于正向载 荷，门框承受压力并传递到隧道结构，对于反向载荷，门框靠锚固钩的拉力来承受。由于门 框要承受来自门扇传递来的压力，所以必须保证具有足够的强度，同时还必须具有足够的连 接强度，使门框在冲击波负压作用下，不至于与门框墙脱离，从而造成门扇的破坏和整个防 护隔断装置的失效。 3 4 门框方案确定 2 门扇 防护密闭装置门扇主要采用梁板门结构，由于隧道孔洞形状的限制，门扇呈四边形。门 扇总体采用全钢结构，采用工字钢焊接成井字梁结构，内外再各焊接一块面板，以承受内外 两侧的载荷，同时减轻门扇的总体重量。这种结构的防护密闭装置适用于跨度较大的大、中 型防护门，制造时可将梁、板分开制作，然后进行装配。防护装置门扇的设计详见第6 章。 图3 5 门扇方案确定 1 7 舟厢争云爹 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 3 铰页 防护密闭装置铰页主要采用门轴式铰页( 分通轴式和半轴式) 结构，它既对门扇的运动 起导向作用，同时又承受门扇的自重。在铰页设计时，要保证门扇受到冲击波正压作用时， 铰页不承受正压作用，而由与门框接触的门扇四周承担；对于反向冲击波，而由门扇上、下 端的闭锁头承担，以免铰页、铰页轴产生较大塑性变形不能正常开关而影响车辆、人员出入。 铰页的设计应保i 正t - j 扇启闭灵活、轻便，因此采用滑动轴承和滚动轴承相结合的结构形式用 于承受径向和轴向的力以减小摩擦力。 4 手动机构 防护密闭装置必须设置手动机构，以免断电影响防护装置的正常开关，手动机构通常采 用蜗轮蜗杆传动机构，主要考虑到手动的省力。 5 闭锁机构 防护密闭装置闭锁机构部分主要由销轴部分和传动机构部分组成，由动力源一一手动机 构推动闭锁传动机构来控制销轴的进出。销轴的锁头设计成由两个斜面组成，便于轻松地插 入锁孔。门扇反向承受载荷时，销轴要承受一半的载荷，因此闭锁必须具备一定的强度。此 外，闭锁机构自身必须采取密封措施，保证门扇气密要求；闭锁还应有定位装置，必须通过 人工操作，其自身不能自行开锁和关锁。 6 升降机构 该隧道防护工程出口处路面有一定的坡度，为了平时便于通车，在防护工程口部不能设 置地面门槛。为了保证门扇下端密封和门扇转动顺利，在闭锁位置开设地槽。平时为了通 图3 6 升降方案确定 1 8 i 习胳六学 硕士研究生学位论文3 升降式防护密闭装置研究与分析 车方便，在上面铺设盖板，门扇不需降落，开关自如，轻便灵活，可起到隔断门作用。战时 使用时只需掀开地沟盖板，通过升降机构将门扇降下去，锁紧闭锁即能满足密闭功能要求。 为了实现人工手动控制门扇的升降，可在门