淺析歐洲標(biāo)準(zhǔn)對自動扶梯和自動人行道的防地震設(shè)計(jì)要求

付春平

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

自動扶梯和自動人行道作為一種常用的交通工具，已被廣泛應(yīng)用于商場、機(jī)場、地鐵、醫(yī)院、火車站等公共場所，目前中國已經(jīng)成為世界上最大的自動扶梯生產(chǎn)制造國和最大的自動扶梯使用國[1]。中國最新版本的自動扶梯生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》[2]是2011年發(fā)布的，而歐洲最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)EN 115-1：2017 于2017 年發(fā)布。一直以來，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容及章節(jié)布局上都基本一致，但仍有些區(qū)別。這次歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 115-1：2017 較以前的版本，區(qū)別較大，其中對于自動扶梯或自動人行道產(chǎn)品的防地震要求有了明確的要求，而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011 卻未提出防地震方面的具體要求。也許接下來的GB 16899 升級換版時(shí)將加入防地震方面的要求。無論如何，有必要分析研究歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 115-1：2017 關(guān)于自動扶梯或自動人行道的防地震設(shè)計(jì)要求。

1 EN 115-1：2017 對安裝于地震環(huán)境的自動扶梯和自動人行道的相關(guān)規(guī)定

根據(jù)EN 115-1：2017 中附錄M 的規(guī)定，安裝于地震環(huán)境的自動扶梯和自動人行道應(yīng)符合EN 1998-1：2004 的特殊規(guī)定及安全規(guī)程，其所受地震作用的影響應(yīng)根據(jù)EN 1998-1：2013 的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[3]。

EN 1998-1：2013 條款4.3.5 中給出了建筑物中非結(jié)構(gòu)性部件（包含自動扶梯和自動人行道）的設(shè)計(jì)驗(yàn)證公式，其中指出地震作用的影響可定義為作用于非結(jié)構(gòu)性部件的一個(gè)水平力，計(jì)算方式如下：

式（1）中：Fa為水平地震力；Sa為地震系數(shù)；Wa為自動扶梯質(zhì)量；γa為重要性系數(shù)，根據(jù)EN 115-1：2017中M.3.4，選值0.85；qa為特性系數(shù)。

地震系數(shù)Sa通過下列公式計(jì)算：

式（2）中：α為A 類地面等級的設(shè)計(jì)對地加速度ag與重力加速度g的比值；S為土壤因素；Z為非結(jié)構(gòu)性部件超出地震作用層（剛性地基）的高度；H為從地基開始測量的建筑物高度；Ta為非結(jié)構(gòu)性部件基本振動周期；T1為在相關(guān)方向上的建筑物基本振動周期。

上述數(shù)據(jù)中，根據(jù)EN 115-1：2017 中附錄M 中規(guī)定，對地加速度ag需要由建筑物設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)或由客戶約定給出，特性系數(shù)qa則可根據(jù)對地加速度進(jìn)行選擇。

同時(shí)，土壤因素、建筑物基本振動周期以及建筑物高度等因素都會隨項(xiàng)目的不同而不同，需由自動扶梯和自動人行道安裝建筑物設(shè)計(jì)方或自動扶梯和自動人行道的具體用戶提供。

2 自動扶梯和自動人行道的常見抗地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 桁架與建筑物間的支撐結(jié)構(gòu)及滿足樓層漂移量的設(shè)計(jì)

根據(jù)EN 115-1：2017 中M.2.2 的規(guī)定，自動扶梯和自動人行道與建筑之間的支撐條件應(yīng)確保在地震作用下自動扶梯和自動人行道不受限制。其中一個(gè)支撐應(yīng)設(shè)計(jì)為固定支撐，其他支撐應(yīng)在水平方向是可移動的。自動扶梯和自動人行道應(yīng)通過適當(dāng)措施垂直固定到支撐上，以防其在地震作用下從支撐上掉落。同時(shí)，根據(jù)EN 115-1：2017 中M.2.3 的規(guī)定，自動扶梯和自動人行道的可移動支撐的最小允許補(bǔ)償長度須為建筑物的最大允許樓層漂移量。

因此，根據(jù)上述要求，為了應(yīng)對地震情況下的固定支撐和可移動支撐，并針對需要滿足的漂移量的不同，設(shè)計(jì)了2 種不同的可移動支撐，具體如下。

2.1.1 端部支撐的設(shè)計(jì)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，需要有一個(gè)固定支撐，在無中間支撐情況下，一般將自動扶梯或自動人行道上端進(jìn)行固定。將此固定支撐定義為A 類支撐，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中件3 和件4 通過螺栓（件5）與大角鋼（件2）連接，現(xiàn)場安裝時(shí)，將件1 和件3 進(jìn)行焊接，以使得自動扶梯或自動人行道與土建處于完全焊接固定狀態(tài)。

圖1 A 類端部支撐（單位：mm）

另一個(gè)端部支撐則需要在水平方向上可以移動，根據(jù)地震時(shí)對樓層的漂移量大小的不同，這里設(shè)計(jì)了2種可移動支撐方式，一般情況下，樓層漂移量的多少應(yīng)該由客戶提供。當(dāng)客戶給定最大漂移量不大于40 mm 時(shí)，選擇圖2 所示支撐，將此類支撐定義為B類支撐。其中件4 與件5 連接在一起，件6 與件7 連接在一起，相對運(yùn)動發(fā)生在2 塊尼龍板（件5、6）之間。圖2 中x代表樓板漂移量（由客戶給出），考慮到慣性作用，自動扶梯可以有最大2x的相對位移。

圖2 B 類端部支撐（單位：mm）

而當(dāng)最大漂移量大于40 mm 時(shí)，則需采用C 類支撐，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。桁架連接在件6 鋼板上，而相對運(yùn)動發(fā)生在件4 與件6 之間。同樣的，圖3 中x代表樓板漂移量，自動扶梯可以有最大2x的相對位移。

圖3 C 類端部支撐（單位：mm）

2.1.2 中間支撐的設(shè)計(jì)

當(dāng)土建需要有中間支撐時(shí)，情況會發(fā)生變化。設(shè)計(jì)了一種將桁架與土建完全固定起來的中間支撐結(jié)構(gòu)，如圖4 所示[4]。該中間支撐結(jié)構(gòu)焊接在桁架上，同時(shí)將支撐結(jié)構(gòu)用螺栓固定于預(yù)埋鋼板上，從而達(dá)到完全固定，當(dāng)然也可以采用焊接的形式。

綜上所述，在采用防地震設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)樓板的最大漂移量以及是否采用中支結(jié)構(gòu)，將上下端部支撐的選用情況進(jìn)行如下總結(jié)，具體如表1 所示。

表1 防地震端部支撐處理

2.2 自動扶梯和自動人行道與建筑物連接處的加強(qiáng)設(shè)計(jì)

2.2.1 金屬骨架的加強(qiáng)設(shè)計(jì)

用于地震條件下的自動扶梯和自動人行道，在金屬骨架上、下水平段的端面，焊接2 根交叉放置的角鋼，并且將兩角鋼的相交處也進(jìn)行焊接固定，如圖5所示，以此來加固整個(gè)金屬骨架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，防止金屬骨架結(jié)構(gòu)在受到橫向扭曲時(shí)發(fā)生變形。

圖5 端部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

同時(shí)，為了防止自動扶梯或自動人行道在水平方向上左右擺動，在土建的預(yù)埋鋼板上，另焊有豎直的鋼板（最小厚度不低于20 mm），用于限制金屬骨架的橫向移動。此豎直的鋼板與金屬骨架之間貼有橡膠板，能起到減震和緩沖作用，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，圖6中示例為兩臺梯平行排列的情況。

圖6 預(yù)埋鋼板結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.2.2 預(yù)埋鋼板上豎直鋼板的強(qiáng)度計(jì)算

對于預(yù)埋鋼板上焊接的豎直鋼板，可以將其簡化為如圖7 所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。將地震發(fā)生時(shí)大角鋼對單側(cè)鋼板的作用力定義為F，根據(jù)自動扶梯或自動人行道金屬骨架端部的實(shí)際結(jié)構(gòu)，可以確定該作用力的作用點(diǎn)距離為90 mm 位置，則鋼板上所受最大彎矩Mmax=F×L=0.09F。

圖7 預(yù)埋鋼板受力與彎矩圖

豎直鋼板材料為Q235，其極限強(qiáng)度σs=235 MPa，則鋼板所受最大應(yīng)力，其中，W為抗彎截面系數(shù)，3.33×10-5m3。

由上述可求得F=87 kN，即預(yù)埋鋼板上焊接的豎板在厚度為20 mm 時(shí)，能承受自動扶梯單側(cè)最大87 kN 的擺動力而不發(fā)生變形，從而確保自動扶梯和自動人行道不發(fā)生水平方向的左右擺動。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，可以在土建布置圖中進(jìn)行標(biāo)注，此處可采用20 mm 鋼板，水平支反力不小于85 kN。

3 地震作用力的具體實(shí)例計(jì)算

假設(shè)現(xiàn)有一臺自動人行道產(chǎn)品，傾斜角度12°，踏板寬度1 000 mm，提升高度為4 580 mm，跨距24 524 mm，帶有一個(gè)中間支撐。另外根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可大致估出設(shè)備質(zhì)量約為10 580 kg。

同時(shí)，該自動人行道所安裝地點(diǎn)的土壤環(huán)境、地震條件、建筑物因素的參數(shù)分別為：對地加速度ag=1.32 m/s2；重力加速度g=9.8 m/s2；土壤因素S=1.6；Ta/T1假設(shè)為最差情況，取值1；從地基開始測量的建筑物高度H=10.61 m。

可計(jì)算出地震系數(shù)：

根據(jù)對地加速度ag=1.32，可知特性系數(shù)qa≤2，此處取2，則：

即地震作用對自動人行道的影響可定義為一個(gè)水平方向的36 kN 的作用力。

而根據(jù)2.2 中的計(jì)算，已有設(shè)計(jì)中，在土建預(yù)埋鋼板上焊接的豎直鋼板（20 mm）能承受自動扶梯或自動人行道單側(cè)最大87 kN 的擺動力而不發(fā)生變形，因此完全能滿足要求。

4 結(jié)論

4.1 支撐結(jié)構(gòu)的選擇

作為自動扶梯或自動人行道產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)出應(yīng)對地震情況下的固定支撐和可移動支撐，并針對需要滿足的漂移量的不同，提供2 種不同的可移動支撐結(jié)構(gòu)?？蛻舾鶕?jù)所需要的不同漂移量，以及是否需要中間支撐等，對照表1，可選擇出合適的支撐組合。

4.2 地震作用力的驗(yàn)證

在具體進(jìn)行防地震計(jì)算時(shí)，請客戶提供自動扶梯或自動人行道安裝的對地加速度、重力加速度、土壤因素、在相關(guān)方向上的建筑物基本振動周期以及從地基開始測量的建筑物高度等參數(shù)。同時(shí)，結(jié)合設(shè)備本身的質(zhì)量、提升高度等參數(shù)，計(jì)算出該設(shè)備所受的水平地震力。再與上文計(jì)算出的87 kN 進(jìn)行對比，看是否能夠滿足強(qiáng)度要求。如若不能，則可增加土建預(yù)埋鋼板上焊接的豎板的厚度。