地震工況下自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)分析研究*

楊天玲,林 森,陳義東

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,浙江 杭州 310053;2.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司,浙江 杭州 310052;3.杭州領(lǐng)學(xué)科創(chuàng)教育科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

自動(dòng)扶梯的現(xiàn)有設(shè)計(jì)或抗震設(shè)計(jì)是否可以抵抗地震災(zāi)害,是否可以達(dá)到小震不壞、大震不倒的基本要求,現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否需要完善,都是非常值得持續(xù)研究的課題,對(duì)行業(yè)的發(fā)展也是非常有意義的。

自動(dòng)扶梯的金屬桁架是整個(gè)扶梯最重要的支撐結(jié)構(gòu),在任何工況載荷下都應(yīng)該保持良好的承重狀態(tài),才能滿足自動(dòng)扶梯的使用。全球各地自動(dòng)扶梯實(shí)際使用工況中,抗震要求是非常常見的。

GB16899-2011標(biāo)準(zhǔn)[1]中對(duì)自動(dòng)扶梯在地震工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有做相應(yīng)要求。EN115-1:2017[2]附錄M描述了抗震設(shè)計(jì)要求和自動(dòng)扶梯金屬桁架簡(jiǎn)要計(jì)算流程,但對(duì)實(shí)際工作指導(dǎo)性不強(qiáng)。

GB50011-2010中對(duì)自動(dòng)扶梯桁架的抗震設(shè)計(jì)提出以下目標(biāo)[3]:(1)小震不壞,桁架結(jié)構(gòu)未受損或不需修理繼續(xù)可以使用;(2)中震可修,桁架結(jié)構(gòu)略損壞,經(jīng)一般修理或不修理仍可使用;(3)大震不倒,遭遇罕見地震時(shí),桁架結(jié)構(gòu)不倒塌或發(fā)生嚴(yán)重破壞。

EN 1998-1:2004+A1:2013[4]提供了水平和豎直方向地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線,地震需求合同可按照高地震活動(dòng)區(qū)地震加速度4.8m/s2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

GB18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[5]給出了中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖技術(shù)要素、基本規(guī)定和地震動(dòng)參數(shù)確定方法,適用于一般建設(shè)工程的抗震設(shè)防。

GB50017-2017[6]33-58、DIN18800-T1[7]、DIN18800-T2[8]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)類似鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算給出了經(jīng)驗(yàn)性的理論計(jì)算方法,但未涉及地震工況。

ASMEA17.1[9]中對(duì)按照加速度范圍對(duì)地震級(jí)別進(jìn)行了劃分,并對(duì)地震保護(hù)裝置做了要求,但沒有涉及實(shí)際案例。

李駿[10]采用等效靜力法和時(shí)程分析方法分析了北京順義西站自動(dòng)扶梯不會(huì)發(fā)生永久變形,符合抗震要求,但僅是針對(duì)個(gè)例。

王智超[11]研究了地震工況下,滑動(dòng)端土建搭接量設(shè)置為2倍層間相對(duì)水平位移,保證有足夠的冗余量。周緒紅[12]提出了水平地震作用下交錯(cuò)桁架鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法,達(dá)到了結(jié)構(gòu)“強(qiáng)腹桿弱弦桿”和“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。劉冬梅[13]梳理了自動(dòng)扶梯抗震技術(shù)發(fā)展路線,對(duì)由于地震產(chǎn)生的3種變形,即縱向移位、橫向移位以及上下振動(dòng)、撓曲進(jìn)行了詳細(xì)闡述。KONO K[14]研究了大地震中自動(dòng)扶梯的響應(yīng)特性。LI X P[15]對(duì)考慮位移和應(yīng)力約束的非平穩(wěn)隨機(jī)地震激勵(lì)下桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。以上學(xué)者對(duì)自動(dòng)扶梯地震工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,但大多數(shù)的研究是理論性的分析,對(duì)不同地震加速度情況下桁架方案沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究。在地震工況下,土建如何處理也未提及。為了滿足企業(yè)實(shí)際需求,迫切需要對(duì)以上問題進(jìn)行系統(tǒng)分析。

針對(duì)自動(dòng)扶梯桁架在地震工況下所受載荷特征,筆者利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(以下簡(jiǎn)稱APDL語言)建模、約束、施加其他載荷和地震載荷,求解最大撓度和各種不同工況下的最大應(yīng)力,校核各種工況下整體及受壓桿件的穩(wěn)定性,對(duì)其薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其滿足使用要求;同時(shí),對(duì)地震工況下,土建如何處理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 地震理論基礎(chǔ)

自動(dòng)扶梯依托自身桁架橫跨建筑物的不同樓層,大多數(shù)情況下,不考慮地震載荷的影響。但局部區(qū)域,越來越多的合同有地震要求,需要將地震載荷也考慮其中。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),從地震震源產(chǎn)生的縱波和橫波向地球表面?zhèn)鞑16],再經(jīng)過建筑物將這些隨機(jī)的地震能量傳遞到扶梯上,由此,自動(dòng)扶梯上所有構(gòu)件都將承載地震載荷。其中,作為自動(dòng)扶梯承力構(gòu)件的桁架起到最為重要的作用,分析自動(dòng)扶梯抗震性能也就是對(duì)桁架進(jìn)行地震載荷工況的分析,確保桁架結(jié)構(gòu)擁有足夠的抗震性能,保證大震不倒,自動(dòng)扶梯不會(huì)從建筑物支撐位置墜落。

全球各地對(duì)自動(dòng)扶梯地震設(shè)計(jì)略有不同,筆者對(duì)應(yīng)用比較廣泛的兩種標(biāo)準(zhǔn)采用的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。

ASME 17.1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)地震載荷公式,以及EN 1998-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)地震載荷公式如下:

1.2×dw+0.25×P+PGA×(1.2×dwH+0.25×PH)

(1)

1.0×dw+0.4×P+PGA×(1.0×dwH+0.4×PH)

(2)

式中：dw—自動(dòng)扶梯自重，N；P—乘客載荷，5 000 N/m2；PGA—地震加速度，g—重力加速度，g=9.8 m/s2；dwH—橫向自動(dòng)扶梯自重，N；PH—橫向乘客載荷，5 000 N/m2。

2 自動(dòng)扶梯結(jié)構(gòu)

2.1 自動(dòng)扶梯桁架構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)桁架是承載自動(dòng)扶梯所有載荷的部件,桁架桿件之間使用焊接方式,采用BEAM189單元模擬梁?jiǎn)卧g位移、剪切、扭轉(zhuǎn),以此計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)的受力情況。

對(duì)常規(guī)載荷的計(jì)算,文獻(xiàn)[17]中已做了詳細(xì)說明。筆者重點(diǎn)研究地震載荷時(shí)桁架加強(qiáng)方案,并對(duì)土建的處理方式做分析闡述。

2.2 地震載荷約束

無地震載荷時(shí),自動(dòng)扶梯桁架與建筑物土建支撐位置僅是搭接關(guān)系,也就是桁架放置在土建支撐位置,相當(dāng)于豎直方向位移為0。對(duì)于考慮地震載荷時(shí),桁架在建筑物中的約束與無地震載荷時(shí)不同。因?yàn)榭紤]到橫向和縱向地震波的影響,不是將桁架搭在建筑物土建支撐點(diǎn),而是必須將桁架的一個(gè)支撐點(diǎn)固定在建筑物上。

地震工況下,無支撐桁架上頭部固定約束,下頭部滑動(dòng)支撐,約束簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 無支撐桁架地震工況約束簡(jiǎn)圖

2.3 載荷工況

自動(dòng)扶梯桁架無地震工況的載荷都是豎直方向,與重力方向相同。地震工況下,不僅有豎直方向載荷,還增加了地震波橫向的載荷,也就是圖1中dz方向。

組合工況及其用途如表1所示。

表1 組合工況及其用途

其中:DM—?jiǎng)討B(tài)載荷,N;其他參數(shù)同公式(1,2)。

采用APDL語言編寫程序,增加地震組合工況。例如地震工況約束:

……

DK,N3,UX,0,,0,UY,UZ

DK,N3+OFFSNUM,UX,0,,0,UY,UZ

DK,1,UY,0,,0

DK,1+OFFSNUM,UY,0,,0,UZ

……

部分地震波橫向加載程序:

……

*DO,J,1,NL0-1

*GET,LENG_PR,LINE,J,LENG

*GET,LENG_BK,LINE,J+1,LENG

*SET,SP1,(LENG_PR+LENG_BK)*(STEP+TRACK)/4000

*DO,I,0,1

FK,201+I*OFFSNUM+J,FY,-SP1

FK,201+I*OFFSNUM+J,FZ,-SP1

*ENDDO

*ENDDO

……

組合工況加載程序:

……

LCASE,1

LCOPER,ADD,2

LCOPER,ADD,3

LCOPER,ADD,4

LCOPER,ADD,5

LCOPER,ADD,6

LCOPER,ADD,7

LCWRITE,10

……

2.4 模擬計(jì)算結(jié)果

一臺(tái)自動(dòng)扶梯基本參數(shù):提升高度H=5 300 mm,水平跨距DBE=15 000 mm,傾斜角度30°,無中間支撐,地震加速度PGA=0.05 g。桁架所用材料為Q235B,材料許用應(yīng)力σs=235 MPa[18]。

基本參數(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 基本參數(shù)示意圖

根據(jù)組合工況,桁架撓度與應(yīng)力都是正常工況計(jì)算,組合工況1計(jì)算桁架撓度,組合工況2計(jì)算桁架應(yīng)力,組合工況3、4是地震載荷不同標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)力情況。

首先,每種工況計(jì)算得到最大應(yīng)力要小于材料許用應(yīng)力;

其次,在各種工況下,受壓應(yīng)力的上弦桿必須要驗(yàn)算其穩(wěn)定性。

構(gòu)件受壓、扭轉(zhuǎn)屈曲狀態(tài)時(shí),根據(jù)如下公式進(jìn)行驗(yàn)算[6]35:

(3)

式中：N—最大軸向力，kN；A—材料截面積，mm2；f—材料許用抗彎強(qiáng)度，N/mm2；Mx，My—x、y向彎矩，kN·m；rx，ry—截面塑性發(fā)展系數(shù)，封閉截面取1.05；Mplx，Mply—材料繞x軸、y軸許用彎矩，kN·m。

筆者采用ANSYS軟件APDL語言編程計(jì)算得到各種工況下應(yīng)力、軸向力、兩個(gè)方向彎矩后,對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行核算。

當(dāng)PGA=0.05 g時(shí),計(jì)算得到各組合工況的數(shù)值如表2所示。

表2 組合工況應(yīng)力

從表2可以看出:各種組合工況都可以滿足材料許用應(yīng)力要求,即計(jì)算得到的應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力σs。組合工況2軸向力最大,力矩較小;地震組合工況3、4因?yàn)榈卣饳M向載荷的影響彎矩變大,但穩(wěn)定性也滿足要求。

對(duì)此例PGA=0.05 g的桁架,幾種組合工況應(yīng)力和穩(wěn)定性都滿足需求。

2.5 地震PGA取值范圍

《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中地震峰值加速度與烈度對(duì)照表,局部地區(qū)地震加速度會(huì)考慮到0.5 g,因此對(duì)不同地震加速度進(jìn)行了模擬計(jì)算。

對(duì)自動(dòng)扶梯單跨跨度小于15 m的情況,筆者對(duì)主要承力桿件規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得出不同地震加速度時(shí)自動(dòng)扶梯桁架型材的加強(qiáng)方案,如表3所示。

表3 不同地震加速度(PGA)時(shí)桁架型材規(guī)格

從表3可以看出:對(duì)自動(dòng)扶梯單跨跨度小于15 m的情況:PGA<0.24 g時(shí)桁架型材規(guī)格不變;當(dāng)PGA>0.24 g時(shí),桁架型材進(jìn)行了加強(qiáng),這樣才能滿足受壓桿件穩(wěn)定的要求。

當(dāng)遇到客戶定義的地震加速度正好是0.24 g時(shí),建議桁架方案選擇PGA>0.24 g的方案。

3 土建處理方案

3.1 頭部固定方案

地震工況時(shí),建筑物自身需要根據(jù)抗震烈度要求按照建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。依附于建筑物上的自動(dòng)扶梯需要滿足的基本要求是:大震不倒、小震不壞,必須在自動(dòng)扶梯和建筑物接口的處理上嚴(yán)格保證達(dá)到該要求。

自動(dòng)扶梯需要將一端固定在建筑土建上,土建深度和預(yù)埋件都需要建筑設(shè)計(jì)之初雙方溝通確認(rèn)并落實(shí)到施工圖紙上。頭部固定方案是將支反力較大的上頭部與建筑物做固定處理,其他支撐常規(guī)滑動(dòng)處理。

頭部支撐固定處理方式如圖3所示。

圖3 頭部固定處理方式示意圖(單位：mm)

3.2 中間支撐固定方案

對(duì)于有中間支撐的自動(dòng)扶梯,固定中間支撐位置也是比較好的選擇,土建施工時(shí)比頭部固定更容易實(shí)現(xiàn),但對(duì)建筑空間會(huì)有一定影響,這需要建筑設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮,將必須的土建預(yù)埋零件設(shè)置好。采用中間支撐固定方案時(shí),其他支撐按常規(guī)處理。

中間支撐固定處理方式如圖4所示。

圖4 中間支撐固定處理方式示意圖

3.3 土建延伸處理

地震發(fā)生時(shí),建筑物下方的地基發(fā)生搖晃,建筑跟著前后、左右搖晃。要使架設(shè)在建筑中的自動(dòng)扶梯不掉下來,除了頭部固定方案或中間支撐固定方案外,在其他支撐位置處桁架必須有相應(yīng)的延伸量。也就是自動(dòng)扶梯桁架和土建要設(shè)置一定的延伸量,這些自由滑動(dòng)空間讓自動(dòng)扶梯能夠釋放地震波帶來的移動(dòng),從而不會(huì)從建筑支撐處掉落。

對(duì)自動(dòng)扶梯單跨跨度小于15 m的情況,桁架和土建延伸量設(shè)置如表4所示。

表4 不同提升高度桁架和土建延伸量設(shè)置

桁架延伸處理時(shí),考慮到端部大角鋼的強(qiáng)度問題,建議上弦桿做延伸,延伸量與大角鋼延伸量一致。

桁架和土建延伸處理示意圖如圖5所示。

圖5 桁架和土建延伸處理示意圖

4 結(jié)束語

筆者采用ANSYS軟件,在常規(guī)工況強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,采用有限元方法重點(diǎn)對(duì)地震載荷工況進(jìn)行了分析,針對(duì)土建處理做了詳細(xì)闡述。

研究結(jié)果表明:

(1)地震加速度PGA在0～0.5 g時(shí),根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷調(diào)整桁架型材規(guī)格,得出合適的桁架加強(qiáng)方案;

(2)地震工況時(shí),要保證自動(dòng)扶梯不會(huì)從支撐處掉落,必須有一個(gè)支撐點(diǎn)是固定在土建上,桁架頭部滑動(dòng)支撐處和土建也都要做相應(yīng)的延伸處理。筆者對(duì)頭部支撐固定和中間支撐的固定方式做了描述,對(duì)不同提升高度桁架和土建延伸量設(shè)置提出了參考量值,具有實(shí)際借鑒意義。

在下一階段,筆者將繼續(xù)深入研究自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)安全問題,考慮多中間支撐桁架、大跨度無支撐桁架結(jié)構(gòu)如何加強(qiáng)并優(yōu)化,將實(shí)際生產(chǎn)中遇到的非標(biāo)問題逐步標(biāo)準(zhǔn)化,以提高生產(chǎn)效率,降低成本。