包洪涛

(北京国建标工程设备科技有限公司，北京 101500)

0 引 言

人防工程防护设备是人民防空工程战时发挥预定防护功能的根本保证，它主要是指口部的防护设备，用以阻挡或削弱武器的破坏效应进入到工程内部。防护设备最基本的功能是防冲击波和化学毒剂，防护设备根据其所具有的主要防护功能可分为抗力型和密闭性防护设备[1]。出入口防护设备包括防护门、防护密闭门、密闭门、封堵板。出入口防护设备战时需提前处于关闭状态，才能发挥其防护功能。

钢结构人防门的门扇、门框均为钢结构件，钢结构双扇防护密闭门为钢梁板结构，门扇各有三边搭接在门框上，一边自由，上下两侧为主受力方向，钢结构双扇防护密闭门由门扇、门框、闭锁、铰页闭锁和密封胶条组成。

人防工程防护设备施工现场安装完成后，有时会出现门扇自开自关的现象，我们通常称之为“走扇”，这是一种常见的人防工程防护设备安装调试问题。基于万有引力作用下的物体会向下坠落，静止的物体在失去外力支撑作用时会垂直于地面做自由落体运动的思路，通过限元分析方法对人防工程防护设备的门扇的分析，得出门扇在自身重力的作用下，也会向重心偏离方向的一边倾倒，提出一些有效解决措施，对于人防设备安装避免出现走扇现象具有一定的参考意义。

1 走扇问题

人防工程防护设备的人防门主要由门框、门扇、铰页、闭锁、密封装置等几个部分组成，门扇由上、中(人防门也有一部分只有上、下两个铰页)、下平移铰页，承重臂、连接座、上下同心管、轴等组成的铰页系统与门框连接起来，同时，门扇通过闭锁装置与门框实现启闭等使用功能。当一樘人防门安装完成时，通过调试可以实现门扇的水平度和垂直度达到检验标准，表1所列为钢结构人防门安装检验标准。

检验方法：

(1) 门框垂直度检验采用磁力线坠检查。

(2) 门扇与门框贴合面允许间隙用塞尺检查。悬摆板与门扇、门扇与门框间隙检验：关闭悬摆板或门扇，用塞尺沿结合面检验悬摆板与门扇间隙；闭锁锁紧后，用塞尺检验门扇与门框间隙。

(3) 门扇、闭锁手动启闭力用弹簧拉力秤检查。

在防护设备门扇关闭时，由于铰页系统和闭锁装置的作用，门扇能够稳定地与门框贴合处于一个固定的位置上，在这里，铰页系统和闭锁装置共同对门扇起到了使之水平、垂直的限制作用;当门扇开启时，保证门扇水平、垂直的限制装置只有铰页系统，因此在排除外力干扰的情况下，上、中连接座和承重臂的位置及门扇的自重对于门扇是否能够稳定地处于一个平面位置上，起到了至关重要的作用。

表1 钢结构人防门安装检验标准[2]

正常情况下，在铰页座的同心管或轴垂直于水平面(地面)的情况下，没有外力作用的情况下与铰页系统连接在一起的门扇其重力完全由铰页系统支撑承受，不存在重心偏移，因此，不会出现门扇的自开自关，也就是不会出现“走扇”现象。

如果铰页座的同心管或轴不垂直，那么，我们以上连接座的轴孔中心点垂直于水平面的铅垂线与实际中心线将形成一个夹角，也就形成了与水平面形成一个角度的平面，斜边就是门扇实际的轴线。所以，在这种情况下，门扇开启后，由于门扇与水平面之间形成了一定的角度，就会出现门扇在重力作用下产生一定的力矩使门扇沿轴线旋转，出现自开自关的现象，直至门扇与水平面垂直为止。

2 受力分析

文中使用某种型号的人防门为例，人防门扇使用三个铰页链接的方式。平开式人防门采用三个铰页，受力分析情况比较复杂[3-4]。门扇高度H=4 300 mm； 宽度B=2 625 mm。

门扇上连接座安装位置距门扇底边距离X1=4 100 mm， 门扇中连接座安装位置距门扇底边距离X2=2 400 mm，门扇承重臂安装位置距门扇底边距离X3=200 mm，门扇重量G=27 900 N。

对门扇结构进行简化如图1所示。这里属于超静定结构，做出受力分析图，如图2所示。从图中所示的情况分析，上连接座受拉力，承重臂受压力作用，中间连接座受压力作用。

图1 钢质人防门扇简化图

图2 浮力分析图

如图3所示，承受荷载F=G=27.9 kN，1，2，3各处由同一材料制成。

(1) 静力平衡条件

该支架在力作用下，可以判断：AB受拉、AD、AC受压，受力图如图2所示：

∑FX=0

Fn1cos 56°-Fn2cos10°-Fn2cos 45°=0

∑FY=0

Fn1sin 56°+Fn2sin 10°+Fn2sin 45°-F=0

以中间铰页为力矩平衡点，力矩平衡条件：

Fn1sin 50°×y+Fn2sin 45°×(H-2X-Y)-

M=0

(1)

(2) 变形几何相容条件

(2)

(3) 物理关系

由胡克定律：

(3)

联立方程式(1)、(2)、(3)得出:

Fn1=10.79 kN

Fn2=4.34 kN

Fn3=13.97 kN

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

建立门扇的有限元模型，在这里，将门框墙考虑成刚体，约束住X,Y,Z三个方向的位移[5]。

上连接座和承重臂为主要受力部件，材质均为Q345低合金钢。屈服强度为345 MPa，材料密度为7.85 g/cm3，弹性模量为2e11，泊松比为0.3。

3.2 有限元分析

3.2.1 连接座有限元分析

在Pro/E中建立上连接座三维模型如图3所示，单击“ansys File-Import-IGES”将模型导入到有限元分析软件中[6]，然后在软件中进行相应的设置模型材料性质、选择单元、网格划分、添加约束和载荷，网格划分如图4所示[7]。

图3 连接座模型 图4 连接座网格划分

施加约束和载荷 根据实际情况，确定模型约束条件为在螺栓孔位置施加全约束，在底板位置施加全约束[8]。连接座插入上轴位置施加均布载荷。

计算结果分析：从图中可以看出，由于载荷是水平Y方向的，故其变形和位移也是以水平Y方向为主。由图5中可以看出最大变形为2.212 74 mm，变形量还是比较大的。

图5 连接座变形图

绘制位移云图，如图6所示为上连接座位移分布等值线图，可以看出上连接座变形量分布情况。

图6 连接座变形云图

绘制应力分布云图，如图7显示为上连接座应力分布等值线图，可以看出上连接座应力分布情况。

图7 连接座应力云图

3.2.2 承重臂有限元分析

由以上受力分析可知承重臂受力最大。建立上连接座三维模型如图8所示，在ANSYS中进行网格划分如图9所示。定义模型的单元属性，定义主要部件材料属性。

图8 承重臂模型 图9 承重臂网格划分

3.2.3 施加约束和载荷

根据实际情况，确定模型约束条件为在螺栓孔位置施加全约束，在底板位置施加全约束。承重臂插入下轴位置施加均布载荷，承重臂与下轴轴肩接触处施加均布载荷。

计算结果分析:从图中可以看出，由于承重臂所受载荷比较复杂，故其变形和位移也是比较复杂的。由图10可以看出承重臂的变形情况。

绘制位移云图，如图11所示为承重臂位移分布等值线图，可以看出承重臂变形量分布情况。

绘制承重臂应力云图，如图12所示为承重臂应力分布等值线图，可以看出承重臂应力分布情况。

4 解决措施

首先要解决生产过程中的问题。如门框洞口尺寸、对角线尺寸、铰页尺寸都要保证在图纸要求范围内，门扇扭翘变形等。这些生产制作过程中出现的问题，都将直接影响安装调试质量的好坏。

图10 承重臂变形图

图11 承重臂变形云图

图12 承重臂应力云图

其次门框安装调试符合规范，达到验收标准，是人防门整体安装调试的基础[9]。立框调试后，如果支撑没有固定牢靠，有松动间隙，在浇筑混凝土时也会导致门框安装贴合面与内侧面出现垂直度偏差超出允许的偏差范围，如图13所示。

图13 人防门框浇筑前支撑示意图1.人防门框 2.斜向支撑杆件 3.水平支撑杆件 4.横向支撑杆件 5.双向调节螺栓 5.立框支撑件 7.人防防护段结构底板8.后浇施工槽 9.下槛梁钢筋

门扇安装前必须对门框垂直度和洞口尺寸、对角线尺寸各几何尺寸进行复检测量，掌握立框质量的具体状况[10]，尽可能达到必要的挂扇条件。

通过以上的分析模拟可以看出门扇出现走扇的一些影响因素。即使门框、门扇生产质量都合格，门框安装质量也合格，安装的时候能够保证垂直度，铰页组件也不可避免的出现变形的影响。那么，当门扇安装完成后，如果出现了门扇“走扇”的现象。

当上、下连接座轴孔不同心导致同心管和连接轴不垂直就会出现“走扇”。由于门扇自重的影响，有的比较大型的区间单扇门宽度能够达到4 500 mm，高度达到4 000 mm，自重能够达到8 t。

一般情况下，把门扇停在开启45°、开启90°、关闭三种状况，使用磁力线坠等检测工具量测门扇中缝侧面和贴合面的垂线偏差[11]。

如果门扇在关闭位置时，门扇贴合面上部向门框倾斜，中缝侧面上部向中心线倾斜，上铰页座适当的增加垫片或者下铰页座减少垫片，同时增加上铰页底板的限位块垫片将上铰座向门框的铰页方向移动、或者增加下铰页底板的限位块垫片将下铰座向门框的中心方向移动，尽可能使门扇侧面和贴合面呈铅垂状，反之亦然[12]。

挂扇后，如果出现门扇自开自关现象，必须检查测量门框的上下铰页底板的垂直度、平面度以及上中连接座和承重臂轴孔中心线的同轴度、垂直度，充分利用调整垫片和限位块，对门扇立转轴线进行铅垂度调整，使门扇与水平面垂直，这样就可以避免出现走扇现象。

5 结 语

使用力学分析和有限元分析方法，分析了钢质人防门门扇受力情况。结果表明，排除其他因素的影响，人防门在自重情况下对连接座、承重臂也会产生变形，造成人防门重心偏移，出现走扇现象。

在保证生产质量和门框安装质量的前提下，使用调整手段使门扇充分利用调整垫片和限位块，对门扇立转轴线进行铅垂度调整，使门扇与水平面垂直，就可以避免出现走扇现象。