西安地铁一号线车体钢结构设计架构探讨

　0 前言
　　目前，国内很多城市已经建设或正在筹划建设地铁，地铁车辆市场前景非常有潜力。其中不锈钢地铁车辆已成为当今地铁车辆中的主流产品。
　　不锈钢车体相对于其它种类车体具有以下优点：车体重量轻、耐腐蚀性能强、防火性能高、维护成本低、全寿命周期（30年）成本底、车体表面无需涂装。
　　1 西安地铁一号线车辆主要参数（单位：mm）
　　车体长度                                   Tc： 19500
　　T，M，Mp： 19000
　　车辆高度（不含受电弓）：                3800
　　车体宽度：                                 2800
　　地板面距轨面高度：                     1100
　　两转向架中心距：                        12600
　　车辆编组：                                 +Tc–Mp-M-T–Mp–Tc+
　　2 结构方案
　　车体结构符合标准EN12663-2000 《铁道车辆车体结构要求》，类型归属于其中P-Ⅲ，即地下快速轨道交通车辆。
　　车体结构由底架、侧墙、端墙、顶棚和司机室（仅Tc车有）等构成的薄壁筒型整体承载焊接结构（如图1），能够承受垂直、纵向、扭转、自重、载重、牵引力、横向力、制动力等动、静载荷及作用力，使用期限30年内能承受正常载荷的作用而不产生永久变形和疲劳损伤，具有足够的刚度和强度，满足维修和纠正脱轨等要求，车体可承受的纵向压缩和拉伸静载荷分别不低于800kN和640kN。
　　图1 Tc车体钢结构
　　2.1 顶棚
　　顶棚钢结构是由两根上弦梁、数根弯梁、空调机组平台、受电弓平台（仅Mp车）、侧顶板、波纹顶板等组焊在一起（如图2）。波纹顶板采用缝焊，其余板梁间均采用点焊。在车顶组件内侧设有刚性连接梁及吊座装配，用于安装车内顶板、灯具、扶手和空调系统的送风道等部件，安装牢固可靠。
　　空调机组平台、受电弓平台（仅Mp车）采用模块化设计，整体与车顶边梁组焊，设计时充分考虑到平台的强度和刚度，保证平整，确保设备的正常使用。车顶能承受所支撑的负载及设备保养人员。
　　图2 顶棚结构
　　2.2 底架
　　底架组件由边梁、横梁、波纹地板和端底架组件焊接而成（如图3）。底架骨架由两根通长的冷弯滚轧不锈钢边梁与不锈钢横梁及端底架组焊成，骨架上面铺设不锈钢波纹地板。牵引梁是承受和传递牵引力、制动力与冲击力的主要部件，它由上下盖板、立板、腹板焊接成箱形结构。枕梁是转向架和车体的连接机构，由上盖板、下盖板、立板及加强板焊接成箱形结构，枕梁与转向架上的空气弹簧安装座相连。枕梁和牵引梁均采用耐候钢材料。底架边梁为通长的HT级不锈钢冷弯型钢，边梁与横梁之间用高强度不锈钢连接板连接成框架结构，连接板与不锈钢梁之间采用点焊焊接。所有横梁均采用不锈钢压型槽钢，梁上开长圆孔，用来安装电线管和制动管。端部底架的枕梁、牵引梁和内层边梁、内层端梁均采用耐候结构钢，内衬碳钢与外部不锈钢采用塞焊焊接。枕梁、牵引梁和内层边梁及内层端梁采用高耐候钢，确保30年不用挖补修理。
　　图3 底架结构
　　2.3 侧墙
　　侧墙主要由侧墙骨架、墙板、门框、门上梁装配等组成（如图4）。侧墙板采用装饰性的BG拉丝板，不带波纹和压筋，侧墙骨架梁柱以高强度不锈钢材料为主，梁柱断面选用盆形，与外墙板点焊后形成箱形，从而加大断面矩提高抗弯刚度。为防止在门区及端部出现蒙皮外板褶皱现象，增加内衬补强板与梁柱、蒙皮点焊一体。
　　侧墙门角和窗角为应力集中区，再在窗角区域采用高强度级板补强。保证车体在纵向、垂向、扭转等载荷作用下，强度、刚度满足要求，门开、关运动自如。
　　图4 侧墙结构
　　2.4 端墙
　　端墙由不锈钢外板、立柱、横梁和贯通道加强梁组成（如图5），蒙皮与钢结构骨架焊接方式采用点焊方式连接，整个框架能够满足列车连挂载荷和能量吸收的要求。端墙和底架、侧墙、顶棚组焊为一体后，有效地防止列车相撞时客室的受损变形，保证乘客安全。
　　图5 端墙结构
　　2.5 司机室
　　司机室玻璃钢外罩内预埋钢骨架，玻璃钢与钢骨架组成整体结构。司机室采用螺栓及焊接方式与车体连接;司机室前端底架上设有吸能区，可以吸收列车冲撞过程中的巨大冲击能量，保护客室部分不损坏。玻璃钢罩板需加强的部位预埋钢板，整体玻璃钢罩既有利于流线型司机室的实现，也有效地减轻了车重。
2.6 结构连接
　　司机室后端梁通过连接螺栓与侧墙、底架连接好，后端梁的顶部再与顶棚进行塞焊连接;端墙与顶棚、侧墙采用点焊焊接，端墙外蒙皮与底架采用塞焊焊接;侧墙与底架边梁采用点焊焊接;顶棚的侧顶板与侧墙采用点焊焊接。焊接前在相应位置均匀涂抹导电密封胶。
　　 （a）司机室与顶棚连接               （b）端墙与顶棚连接
　　 （c）端墙与侧墙连接                   （d）端墙与底架连接
　　（e）底架与侧墙连接                      （f）顶棚与侧墙连接
　　图6 结构连接图
　　3 有限元分析
　　为验证设计是否该合理，按照EN12663标准，采用有限元分析法对西安地铁一号线车体进行静强度、刚度分析。
　　3.1 有限元计算模型
　　基于有限元网格划分软件HyperMesh对车体进行有限元离散，并采用有限元分析软件ANSYS对车体进行静强度、刚度分析。
　　根据车体结构，建立车体相应结构和型材的中面线框并通过三维建模方法建立与之对应的有限元分析所需的车体三维中面模型;
　　根据车体部件之间的焊接关系图纸，在车体三维中面模型中，创建“铆点”。“铆点”转化为单元结点，为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件;
　　根据车体部件的设计数据，将车体三维中面模型全部离散，由于“铆点”的存在，点焊的点对随之生成，车体有限元模型则以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅。
　　图7 车体结构有限元模型
　　3.2 计算工况
　　其中：整备状态下的车辆自重m1，转向架重量m2，超员AW3。
　　3.3 计算结果
　　车体的刚度和静强度分析结果：垂直静载荷超员负载条件下，车体中心线上边梁的垂向位移为11.6mm，Mp车体中心线上边梁的垂向位移为10.3mm。根据EN12663标准。车体在超员负载（AW3）条件下，车体中心线上边梁的静态挠度不应超过车辆两转向架中心距的千分之一，即12.6mm。根据计算应力，车体在垂直载荷、纵向压缩工况、纵向拉伸工况、救援工况、吊装工况及扭转载荷工况作用下，车体各部件的最大应力均未大于车体该部位所用材料的许用应力，车辆设计满足要求。
　　4 车体静强度试验
　　2012年5月，由青岛四方车辆研究所，按JIS E7105-2006《铁道车辆车体的静载荷试验方法》和EN12663标准对车体钢结构，进行垂向载荷试验、车端压缩载荷试验、车端拉伸载荷试验、扭转试验、三点支承试验。试验结果表明车体结构设计均满足要求，并且与计算结果基本相符。
　　5 结束语
　　目前，西安地铁一号线地铁已正式运营，再次证明了车辆指标达到标准，西安地铁一号线项目的顺利进行为我司不锈钢车辆生产奠定了基础。根据目前国内外城市轨道交通和地铁车辆市场的需求，不锈钢车体的车辆将会被广泛应用。