呂風(fēng)英朱 彤萬 會

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司 承德 068350)

（2. 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 大連 116024）

電梯對重—導(dǎo)軌系統(tǒng)的抗震措施試驗(yàn)研究及分析

呂風(fēng)英1朱 彤2萬 會2

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司 承德 068350)

（2. 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 大連 116024）

地震時(shí)，電梯對重脫軌主要由于導(dǎo)軌動力響應(yīng)過大造成。為了解地震時(shí)電梯導(dǎo)軌在有無保持裝置時(shí)的動力響應(yīng)差異，對一段帶有對重和導(dǎo)軌的局部足尺模型進(jìn)行了振動試驗(yàn)，并利用有限元軟件ANSYS對試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明了所建有限元模型的正確性；同方向同幅值地震激勵時(shí)，安裝保持裝置的導(dǎo)軌動力響應(yīng)比無保持裝置的小，且保持裝置使導(dǎo)軌動力響應(yīng)有均化趨勢，這些都會有效地防止實(shí)際地震時(shí)電梯對重脫軌。

對重脫軌 保持裝置 足尺模型 振動試驗(yàn) 數(shù)值模擬

電梯在地震中的安全性能對建筑物中的人員以及財(cái)產(chǎn)的安全都非常重要，開展電梯結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)研究對于保障國家生產(chǎn)的正常發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。地震時(shí)，高層建筑的電梯會受到不同程度和不同形式的損害，多次震后數(shù)據(jù)[1-2]統(tǒng)計(jì)表明，電梯對重脫軌是比例最高的破壞形式，脫軌的對重和轎廂往復(fù)碰撞，會帶來二次傷害，造成更大的人員傷亡和財(cái)物損失。

國外由于高層建筑發(fā)展較早，對電梯的抗震研究較早且較多[3-5]。Mahendra P. Singh[5]采用Lagrange方程建立了對重—導(dǎo)軌體系的耦合振動方程，將地震激勵以樓層慣性力施加在對重系統(tǒng)上；Yang T.Y，Kullegowda H等[3]同時(shí)做了對重—導(dǎo)軌體系的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并對兩者結(jié)果進(jìn)行對比，但其模型是縮尺模型。國內(nèi)也有人做了相關(guān)的研究[6-8]，但與國外研究方法一樣，偏于現(xiàn)象總結(jié)和理論解析推導(dǎo)。他們通過理論解析推導(dǎo)出電梯在地震波激勵下的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律并提出一些抗震和防脫軌的措施，在一些措施中，提高構(gòu)件強(qiáng)度和接觸部位的柔性對抗震效果是顯然的；多數(shù)文獻(xiàn)提到防對重脫軌裝置，但未對其進(jìn)行試驗(yàn)或是數(shù)值驗(yàn)證。國內(nèi)在2015年編寫的《地震情況下的電梯要求》[9]提到了保持裝置(一種防脫軌裝置)。本文基于此，用試驗(yàn)和數(shù)值模擬去探究保持裝置的作用。

試驗(yàn)可以得到模型在地震激勵下有無保持裝置的定量結(jié)果，數(shù)據(jù)對比具有一定的說服力。此次試驗(yàn)為增加結(jié)果的可靠性，采用足尺模型，分有無保持裝置的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌较?、不同級別的實(shí)測地震波下進(jìn)行地震激勵試驗(yàn)。最后用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，以達(dá)到數(shù)值和試驗(yàn)相互驗(yàn)證的目的。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_定

電梯的導(dǎo)軌—支架可看作帶有彈性支撐的連續(xù)梁，連續(xù)梁上的碰撞力或是位移激勵有一定的影響范圍。計(jì)算表明，當(dāng)連續(xù)梁超過三跨后，荷載對連續(xù)梁產(chǎn)生的作用效果基本一致，所以在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x擇三跨導(dǎo)軌會產(chǎn)生最好的結(jié)果，局限于試驗(yàn)環(huán)境和條件，并且兩跨和三跨連續(xù)梁在動荷載下的響應(yīng)效果差別也不是太大，所以選擇兩跨導(dǎo)軌。

把導(dǎo)軌—支架體系焊接于一鋼性框架上，并將對重通過鋼索懸掛于外框架的頂梁上，那么試驗(yàn)外框架相當(dāng)于建筑物，地震作用通過振動臺面?zhèn)鹘o外框架后，外框架通過支架將振動傳遞到導(dǎo)軌上，從而使導(dǎo)軌和對重相互撞擊，這樣的地震響應(yīng)試驗(yàn)與實(shí)際有一定差異，但振動傳遞規(guī)律和實(shí)際一致，所以得到的導(dǎo)軌反應(yīng)規(guī)律也將相似于實(shí)際地震時(shí)對重—導(dǎo)軌耦合振動效果。

多數(shù)電梯廠家在對重側(cè)使用固定滑動導(dǎo)靴和空心導(dǎo)軌以達(dá)到節(jié)省成本的目的，這也是對重在地震中容易脫軌的主要原因。所以本次試驗(yàn)中采用TK5A型空心導(dǎo)軌和固定滑動導(dǎo)靴。

圖1為本試驗(yàn)的重要構(gòu)件—保持裝置，保持裝置類似于導(dǎo)靴上的擋板，位置處于對重塊中部。電梯正常運(yùn)行時(shí)，保持裝置與導(dǎo)軌沒有接觸，地震激勵時(shí)，對重和導(dǎo)軌相互撞擊，保持裝置發(fā)揮作用。

圖1 保持裝置

試驗(yàn)外框架(2.5×2.5×6m)采用Q235鋼；對重所用材料為53個(gè)鑄鐵塊，總重2014kg；鋼絲繩、繩頭組合以及導(dǎo)軌等均采用原結(jié)構(gòu)材料。模型外框架底部焊接在20mm厚鋼板制成的底座上，再通過高強(qiáng)螺栓與振動臺相連接。圖2為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼w照片。

圖2 振動試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院抗震實(shí)驗(yàn)室的振動臺上進(jìn)行。圖3為試驗(yàn)測試系統(tǒng)組成的示意圖，試驗(yàn)中采用MTS振動控制系統(tǒng)輸入地震動激勵；采用MDR加速度測量分析系統(tǒng)采集加速度信號；NI-PXI應(yīng)變測試儀采集應(yīng)變；非接觸視頻測量系統(tǒng)采集位移。

試驗(yàn)包括白噪聲掃頻和地震波激勵試驗(yàn)，掃頻研究模型在有無保持裝置下的基頻變化；地震波激勵試驗(yàn)研究模型在有無保持裝置下的加速度響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)以及導(dǎo)軌變形響應(yīng)的變化。掃頻用小振幅白噪聲信號驅(qū)動振動臺，進(jìn)行頻率掃描；汶川地震中電梯大量受損，所以地震激勵試驗(yàn)采用2008年汶川地震于茂縣實(shí)測的地震波，圖4為此地震波的加速度時(shí)程曲線，由于試驗(yàn)采用足尺模型，所以地震波不用相似轉(zhuǎn)換。

圖3 試驗(yàn)示意圖

圖4 輸入的茂縣波時(shí)程曲線

試驗(yàn)中將地震波加速度峰值調(diào)整為0.3g、0.4g、0.5g；定義垂直于對重面方向?yàn)閄，平行于對重面方向?yàn)閅(見圖2)，分別沿X、Y兩個(gè)方向輸入地震波。表1為試驗(yàn)工況。

表1 試驗(yàn)工況

1.3 測點(diǎn)布置

●1.3.1 加速度測點(diǎn)布置

為方便對不同工況下的加速度響應(yīng)進(jìn)行對比，所有工況加速度傳感器布置方案一樣，圖5給出加速度傳感器布置示意圖。1~7號傳感器均勻布于整個(gè)導(dǎo)軌，由于結(jié)構(gòu)和激勵輸入方向的對稱性，只布置其中一個(gè)導(dǎo)軌；8號傳感器位于外框架頂梁，以測定外框架的動力響應(yīng)；9號傳感器位于對重重心位置，測定對重的動力特性；10號傳感器布置在振動臺面上以檢測地震激勵輸入的正確性。

圖5 加速度傳感器布置圖

●1.3.2 應(yīng)變測點(diǎn)布置

應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在左、右導(dǎo)軌的上、中、下支架以及保持裝置附近，考慮到地震輸入時(shí)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以受彎變形為主，因此，各應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在導(dǎo)軌的兩翼以及腹面上，以盡量保證可以測試到結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的最大應(yīng)變。結(jié)構(gòu)模型應(yīng)變測點(diǎn)布置圖以及局部詳圖見圖6。

●1.3.3 位移測點(diǎn)布置

采用英國Imetrum有限公司生產(chǎn)的GigE.117fp非接觸式視頻位移測量分析系統(tǒng)對處于下跨導(dǎo)軌上的編號為4~7的四個(gè)加速度傳感器位置及下跨導(dǎo)軌的中部位置共5個(gè)點(diǎn)(見圖5)進(jìn)行位移實(shí)時(shí)測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模型卓越頻率分析

向振動臺輸入白噪聲波，并對結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)加速度時(shí)程做傅里葉變換可以得到該點(diǎn)所屬結(jié)構(gòu)的卓越頻率，由于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槎鄠€(gè)構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)，所以不同構(gòu)件上的加速度測點(diǎn)將得到不同的頻率信息。

所有加速度測點(diǎn)做傅里葉變換得到三個(gè)主要的結(jié)構(gòu)卓越頻率，通過輸入這三個(gè)頻率的小幅度正弦波，確定三個(gè)頻率分別屬于對重、外框架和導(dǎo)軌，并且有無保持裝置下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腦向和Y向掃頻結(jié)果基本一樣，說明保持裝置對模型結(jié)構(gòu)影響很小且結(jié)構(gòu)對稱性較好，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖吭筋l率

2.2 導(dǎo)軌加速度響應(yīng)

定義加速度放大系數(shù)為某測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線峰值與臺面加速度峰值的比值。圖7為兩個(gè)方向上，導(dǎo)軌上加速度測點(diǎn)放大系數(shù)沿高度的分布。

由圖7可以得到如下結(jié)論：

1）導(dǎo)軌與支架(測點(diǎn)高度0.5m，3m，5.5m)結(jié)合部位測點(diǎn)加速度響應(yīng)較小，每跨導(dǎo)軌中部位反應(yīng)較大；同樣峰值的激勵，同位置測點(diǎn)反應(yīng)Y向大于X向。

2）同樣幅值地震波激勵下，不管是X向還是Y向，有保持裝置測點(diǎn)反應(yīng)均小于無保持測點(diǎn)反應(yīng)，所以，加裝保持裝置對抑制導(dǎo)軌振動有一定的作用。

表3列出兩個(gè)方向各級別地震激勵下最大的加速度放大系數(shù)減小百分比。

表3 加速度放大系數(shù)對比

由表3可以看出，加速度放大系數(shù)減小百分比最多的測點(diǎn)大部分為7號測點(diǎn)，7號測點(diǎn)為下支架位置，說明保持裝置對抑制導(dǎo)軌下部振動的作用更為明顯；每個(gè)方向下，加速度放大系數(shù)減小百分比有增大趨勢，說明強(qiáng)震時(shí)，保持裝置的抑制作用可能更為明顯。

2.3 導(dǎo)軌應(yīng)變響應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，X向輸入激勵時(shí)，導(dǎo)軌翼緣應(yīng)變大于腹面應(yīng)變；Y向激勵時(shí)，腹面應(yīng)變略大于翼緣應(yīng)變；導(dǎo)軌支架上應(yīng)變很小。圖8給出導(dǎo)軌上測點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)峰值沿高度變化，其中X向由導(dǎo)軌上奇數(shù)號測點(diǎn)結(jié)果組成，Y向由導(dǎo)軌上偶數(shù)號測點(diǎn)結(jié)果組成。

圖8 應(yīng)變峰值沿導(dǎo)軌分布

由圖8可以看出：

1）兩個(gè)方向上導(dǎo)軌動應(yīng)變響應(yīng)分布規(guī)律不同，X向時(shí)下支架部位反應(yīng)較大，Y向時(shí)上導(dǎo)靴位置較大；當(dāng)基礎(chǔ)輸入同等幅度的地震波時(shí)，沿X向激勵產(chǎn)生的動應(yīng)變幅值大于沿Y向激勵產(chǎn)生的動應(yīng)變幅值。

2）保持裝置對動應(yīng)變響應(yīng)有影響，同方向同幅值激勵時(shí)，最大應(yīng)變測點(diǎn)幅值降低明顯，雖然保持裝置附近點(diǎn)應(yīng)變由于保持裝置的撞擊而增大，但它卻使整體導(dǎo)軌動應(yīng)變響應(yīng)有均化的趨勢。

表4列出激勵幅值為0.5g時(shí)，兩個(gè)方向各測點(diǎn)應(yīng)變峰值增大或者減小百分比。

由表4可以看出，有保持裝置相對于無保持裝置的動應(yīng)變峰值有增大也有減小，但是減小幅度小于增大幅度，且保持裝置位置的測點(diǎn)由于保持裝置的撞擊而增大，但整體上導(dǎo)軌應(yīng)變有減小趨勢。

表4 應(yīng)變響應(yīng)對比

2.4 導(dǎo)軌變形響應(yīng)

非接觸視頻測量儀器測得的位移為空間絕對位移，以7號加速度測點(diǎn)(下支架)為基點(diǎn)求其他位移測點(diǎn)的相對位移，即導(dǎo)軌變形。圖9為有無保持裝置下導(dǎo)軌變形。

圖9 導(dǎo)軌變形

由圖9可以得到：

X向激勵時(shí)，導(dǎo)軌變形在1.75m處較大；而Y向激勵時(shí)變形分布比較均化。

加裝保持后，臺面輸入幅值相同激勵時(shí)，保持裝置測點(diǎn)(距離臺面2.167m)變形相對無保持狀況略有升高，但其他測點(diǎn)變形普高減小，此現(xiàn)象在X向振動時(shí)更為顯著，最大減小11.7%，說明保持裝置可以降低導(dǎo)軌的動力變形。

3 有限元模擬分析

ANSYS是一套基于有限元方法的數(shù)值模擬軟件。數(shù)值模擬中涉及到導(dǎo)軌和對重導(dǎo)靴、保持裝置的接觸碰撞非線性，針對非線性分析，ANSYS能選擇合適荷載增量和收斂準(zhǔn)則。

3.1 有限元模型的建立

外框架上構(gòu)件的連接采用剛結(jié)，導(dǎo)軌和支架的連接通過節(jié)點(diǎn)耦合自由度達(dá)到鉸結(jié)，外框架和導(dǎo)軌均采用BEAM44單元；懸掛對重的繩索采用LINK10單元，開啟受拉模式，并帶有預(yù)應(yīng)力；將對重和對重架簡化為一均質(zhì)連續(xù)體，采用SOLID45單元，彈性模量適當(dāng)擴(kuò)大以使對重近似剛體運(yùn)動。

合理碰撞模型的建立是分析碰撞動力響應(yīng)的的前提，Jankowski[10,11]在一系列碰撞研究中指出碰撞模型剛度和阻尼取值合理的情況下，Kelvin模型得出的數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合，所以采用接觸單元法中的Kelvin模型模擬對重導(dǎo)靴、保持裝置和對重的碰撞。ANSYS中可以采用COMBIN40單元來代表Kelvin模型。

圖10 應(yīng)變時(shí)程對比

COMBIN40單元的彈簧剛度和阻尼采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[12]得到估計(jì)值，通過剛度和阻尼參數(shù)的調(diào)整，當(dāng)彈簧剛度取值1×105N/m，阻尼取1446 N·s/m時(shí)，數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。見圖10，圖10為0.3gY向茂縣地震波激勵下，導(dǎo)軌4號測點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線的數(shù)值解和試驗(yàn)值的對比，曲線下凸是由于Y向地震響應(yīng)時(shí)，對重對導(dǎo)軌的撞擊為單向。

3.2 卓越頻率的對比

有限元中，用彈簧單元代替碰撞接觸點(diǎn)，非線性模態(tài)可以求解，試驗(yàn)值和數(shù)值解對比見表5。

表 5 卓越頻率對比

由表5可知，除Y向?qū)к夘l率有差異，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的其他卓越頻率頻率吻合較好。Y向?qū)к夘l率差異較大可能是因?yàn)閷?shí)際模型中導(dǎo)軌在Y向非形心受彎，而數(shù)值模擬中將導(dǎo)軌形心受彎考慮。

3.3 地震動響應(yīng)結(jié)果對比

數(shù)值模擬考慮0.3gY向地震動輸入，并對試驗(yàn)值和數(shù)值解的導(dǎo)軌加速度、應(yīng)變進(jìn)行對比。見圖11和圖12。由圖11、圖12可以看出，導(dǎo)軌絕對加速度響應(yīng)、導(dǎo)軌應(yīng)變響應(yīng)的試驗(yàn)值和數(shù)值解在大部分測點(diǎn)比較吻合；在上導(dǎo)靴的位置差異比較大，無保持裝置情況下的吻合程度要高于有保持裝置。

圖11 應(yīng)變峰值對比

圖12 加速度峰值對比

4 結(jié)論

通過電梯局部對重結(jié)構(gòu)的足尺動力模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，可得到以下結(jié)論：

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶χ?、外框架和?dǎo)軌等結(jié)構(gòu)在X、Y兩個(gè)方向的振動周期比較接近，模型的對稱性較好，前幾階模態(tài)以平動為主，試驗(yàn)中試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀闯霈F(xiàn)明顯扭轉(zhuǎn)；保持裝置的有無對結(jié)構(gòu)基頻沒有影響。

X與Y向的動力響應(yīng)有差別，加速度響應(yīng)Y向明顯大于X向；動應(yīng)變響應(yīng)X向下部較大，Y向上部較大。

加速度響應(yīng)在保持裝置的作用下均有減?。粦?yīng)變和變形響應(yīng)沒有因?yàn)楸３盅b置的存在而整體減小，但最大測點(diǎn)峰值減小明顯，且整體有均化趨勢，這都說明保持裝置對地震下電梯導(dǎo)軌的動力響應(yīng)、動應(yīng)變以及變形的降低有重要貢獻(xiàn)和作用。

數(shù)值解和試驗(yàn)值吻合響度較好，證明了Kelvin模型在接觸碰撞分析中的實(shí)用性。

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Experimental Research and Analysis on Aseismic Measure of Counterweight-rail System in Elevator

Lv Fengying1Zhu Tong2Wan Hui2
(1. Hebei Fengning Pumped Storage Co., Ltd. Chengde 068350)
(2. Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology Dalian 116024)

During the earthquake, the derailment of counter-weight is mainly caused by excessive dynamic response of guide-rails. In order to know the difference of dynamic response of the guide-rail during the earthquake, we make the vibration experiment on a full-scale model with a counter-weight and guide-rails, we also make the numerical simulation in ANSYS. Test results show that the experiment and numerical simulation results are in good agreement; When the same direction and the same amplitude earthquake excitation, the dynamic response of the rail with keeping devices is smaller than the rail without, and the keeping device homogenize the dynamic response, all these can effectively prevent the derailment of the counter-weight during the earthquake.

Derailment of counter-weight Keeping device Full-scale model Vibration experiment Numerical simulation

X941

B

1673-257X(2016)11-0023-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.006

呂風(fēng)英(1988～)，男，碩士，從事結(jié)構(gòu)抗震及健康檢測工作。

2016-04-28）