抗震電梯對重裝置抗震能力的分析

周宗金

（蒂升電梯（中國）有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

21世紀(jì)以來，地震是一種嚴重危害人類生存和發(fā)展的自然災(zāi)難。我國先后出現(xiàn)了許多嚴重的地震，2008年發(fā)生在四川汶川5.12大地震和2010年青海玉樹4.4大地震。隨著我國社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的新的次生災(zāi)難。電梯在地震中發(fā)生的事故不僅給當(dāng)?shù)厝嗣竦墓ぷ骱腿粘９ぷ鲙砗艽蟮牟槐?，而且對電梯的安全性特別是其抗震性提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。

1 地震災(zāi)害后電梯對重系統(tǒng)損壞情況分析

廣東、上海、江蘇、天津等地在四川發(fā)生5.12大地震后，對10390部電梯進行檢查。其中1008部電梯明顯損壞，損毀概率為9.70%[2]。

根據(jù)電梯在地震中的損壞情況，從最大到最小。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表1可以看出，在這次地震中，對重系統(tǒng)損壞的電梯共有816部，其損壞概率為7.85%，占全部事故中的80.95%；在這些損傷中，最常見的是對重導(dǎo)靴脫落（對重支架脫軌），最嚴重的是對重塊的掉落與轎廂碰撞[3]。

從表1、表2的地震資料可知，在地震中，損壞比例是最大的是電梯對重裝置，而“對重導(dǎo)軌支架”、“對重導(dǎo)靴脫”以及“對重塊裝載”等都存在極大的缺陷。這些缺陷和隱患暴露出的電梯對重系統(tǒng)存在的不足，亟需改善。

表2 9.12和10.22地震后電梯損壞情況統(tǒng)計表

2 地震災(zāi)害后電梯對重系統(tǒng)損壞情況探討

圖1為電梯容易損壞部件的結(jié)構(gòu)圖。電梯在受到地震災(zāi)害的破壞時，對重系統(tǒng)都會受到不同程度的損壞：1）地震導(dǎo)致建筑物形變和材料失效。當(dāng)發(fā)生地震時，由于夾層結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)較大的彈性形變和永久的變形，因此有關(guān)的結(jié)構(gòu)零件脫落[4]，例如對重導(dǎo)軌的變形使對重導(dǎo)靴與導(dǎo)軌分離等。由于地震力的作用，使電梯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂、剝落，進而使電梯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，對電梯產(chǎn)生間接破壞。例如對重導(dǎo)靴斷裂，對重導(dǎo)軌支撐架的固螺栓從墻上脫落等。2）對重架脫軌。在地震中，對重架的破壞最常見，對重架在脫軌時撞擊轎廂，造成轎廂的變形，而對重架繼續(xù)運行時，會對電梯造成新的損傷[5]。根據(jù)震動在不同方位引起的對重脫軌，其成因有以下幾種：在對重物沿著軌道連接線的方向振動時，對重物沖擊到工作面的前部，沖擊力通過與重物接觸的導(dǎo)靴傳遞到導(dǎo)向件上，造成導(dǎo)向件的彎曲和變形。當(dāng)導(dǎo)軌的彎矩較大時，導(dǎo)靴的接合面與導(dǎo)引表面分離，使對重框架與導(dǎo)軌分離。在對重物與導(dǎo)軌的橫向方向發(fā)生強烈震動時，對重物會在導(dǎo)軌的側(cè)向上產(chǎn)生橫向作用力，對重物會撞到導(dǎo)靴和導(dǎo)軌上，從而引起導(dǎo)軌扭轉(zhuǎn)損壞，導(dǎo)軌支架變形，最終導(dǎo)致對重架與導(dǎo)軌脫離。3）對重塊墜落。置于對重架內(nèi)的對重塊是一種固體的鑄鐵（或固體礦物塊體），對重塊受到水平加速度和豎向加速度的影響，使其發(fā)生碰撞，因此對重體脫離對重架。該情況將對井道中工作人員和乘客的生命構(gòu)成威脅。在地震中，最常見的是中間位置的對重塊脫落。其主要原因是在使用新的對重塊固定方法后，上部對重塊的鎖定僅能使下部對重塊的限制變得更小，而地震引起的豎向加速度減少了對重塊的摩擦力，對重塊在中間受力變?nèi)?，出現(xiàn)松動，甚至掉落[6]。而用傳統(tǒng)方式進行固定的對重塊，在地震中沒有發(fā)生松動脫落現(xiàn)象。

圖1 電梯容易損壞的部件結(jié)構(gòu)圖

3 電梯對重導(dǎo)軌抗震計算

在地震中，對重系統(tǒng)的破壞是最顯著的，在對重系統(tǒng)的破壞中，最主要的是對重導(dǎo)軌（圖2）被碰撞后發(fā)生的對重框架脫軌，導(dǎo)致對重支架損毀，對重塊的掉落等后果[7]。在發(fā)生地震問題時，多數(shù)對承重裝置均為空心導(dǎo)軌，兩對重支架之間的間隔通常在2.5 m左右。

圖2 實心、空心導(dǎo)軌截面圖

由該軌道的受力建立空間坐標(biāo)系計算可知，對重導(dǎo)軌沒有受力，可以視為：Fy=0、Fz1=0、Fz2=0。

在常規(guī)工況下，對重導(dǎo)軌受到的作用力較小。由于對重裝置和轎廂的結(jié)構(gòu)不一樣，它的分配負載是均勻的，所以沒有偏載問題。因此，很多廠家都會選用更便宜的空心導(dǎo)軌來做對重導(dǎo)軌，從而降低生產(chǎn)成本。

然而，一旦發(fā)生地震，這種受力解析就會徹底改變，如圖3所示。外力作用在對重裝置上，其大小可用公式（1）計算。

圖3 導(dǎo)軌受力分析圖

式中：Fy為導(dǎo)軌在y軸的受力，N；對重的自重是Q，kg；gn為重力加速度，m/s2。

這個作用力對導(dǎo)軌會產(chǎn)生形變影響，造成導(dǎo)軌脫離。在導(dǎo)軌上的作用力，可以簡化為簡支梁的模式，根據(jù)材料的力學(xué)解析，在2個導(dǎo)軌的中間位置上施加一個作用力時，導(dǎo)軌會產(chǎn)生最大程度的彎曲變形，其數(shù)值用公式（2）來量化。

式中：fy（max）為導(dǎo)軌的最大形變量，mm；l為導(dǎo)軌支架之間的垂直距離，mm；E為導(dǎo)軌材料的彈性模量，GPa；IYY為導(dǎo)軌橫截面對Y-Y軸的慣性距，cm4。

在該條件下，用數(shù)值的方法可以求出最大變形量?？招膶?dǎo)軌和實心導(dǎo)軌的實例計算如下。

根據(jù)一般電梯的設(shè)計參數(shù)可得：l=2.5m；E為導(dǎo)軌材料的彈性模量，GPa，查表得1157 GPa。

為導(dǎo)軌橫截面對Y-Y軸的慣性距，cm4，電梯空心導(dǎo)軌型號為TK3，如圖2（a）所示，查表得12.20 cm4。

將數(shù)據(jù)帶入公式，求得：

與圖2 （a）所示導(dǎo)軌的橫斷面尺寸進行對比，很明顯，如果不考慮地震情況，由對重裝置產(chǎn)生的動量以及2根導(dǎo)軌同時受力，上述對重導(dǎo)軌的最大變形是64 mm，超過了TK3空心的高度（55 mm）。因此，在發(fā)生地震的情況下，大部分使用空心導(dǎo)軌的配重設(shè)備都會產(chǎn)生導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌的問題。

同理，在使用如圖2（b）中T90實心導(dǎo)軌（=52.00cm4），并且規(guī)定當(dāng)導(dǎo)軌支架安裝間隔不超過2.0 m時，計算數(shù)據(jù)如下。

最大對重導(dǎo)軌的變形量為7.7 mm，比T90的實心導(dǎo)軌高度（75mm）小得多。因此，如果采用相同的對重設(shè)備，用實心導(dǎo)軌替換空心導(dǎo)軌，并且確保導(dǎo)軌之間的間隔不超出設(shè)計要求，將極大地改善電梯的抗震性能[8]。

3 電梯對重系統(tǒng)抗?fàn)幇踩夹g(shù)要求

在總結(jié)和剖析四川5.12大地震中的電梯損壞形態(tài)及特征后，結(jié)合技術(shù)分析和抗震計算分析，對電梯對重裝置抗震技術(shù)，提出以下5點建議。1）在計算對重導(dǎo)軌強度與剛度時，必須充分考慮到其他構(gòu)件在地震作用下受橫向力的作用，從而保證導(dǎo)軌不會發(fā)生塑性變形。2）當(dāng)前我國對重式導(dǎo)軌的長度為5 m，常用的對重式導(dǎo)軌托架的跨度為2.5 m，應(yīng)該采取縮短導(dǎo)軌托架的跨距來提高其耐塑性的承載力，減少碰撞時的變形。3）在結(jié)構(gòu)上，實心導(dǎo)軌比空心導(dǎo)軌有更好的剛性和強度，因此，在地震中，空心導(dǎo)軌很可能因碰撞而發(fā)生變形，從而導(dǎo)致對重架脫軌，因此，在地震頻發(fā)地區(qū)，應(yīng)采取實心導(dǎo)軌來取代空心導(dǎo)軌。4）在設(shè)計對重導(dǎo)軌支架和連接機構(gòu)時，必須在結(jié)構(gòu)強度和剛度設(shè)計方面充分考慮到對重式導(dǎo)軌托架和連接桿受橫向力的影響。并采用了一些行之有效的方法來保證對重導(dǎo)軌具有充分的抗拉強度，保證其不出現(xiàn)過大的位移。例如將剛性連結(jié)桿安裝在對重導(dǎo)軌支架上。 5）建議使用傳統(tǒng)的方法，由1根剛性連接桿將每塊對重塊串接在一起，然后在頂部用螺母緊固，從而將對重塊與對重架緊密結(jié)合在一起，從而有效地避免對重塊的松散和掉落。

4 結(jié)語

在抗震設(shè)計中，如何保證電梯在地震中的安全性，已經(jīng)成了人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點。在緊急情況下，電梯的安全性是大家最關(guān)注的問題。目前，國內(nèi)已有相應(yīng)的法規(guī)，但對電梯在地震中的安全性規(guī)定尚不夠嚴格，因此，在地震后，有必要根據(jù)實際情況，盡快地改進國內(nèi)的電梯防震技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，將空心導(dǎo)軌更換成實心導(dǎo)軌，以期減少地震期間使用電梯時造成的災(zāi)難。