李 駿 郭旭紅

1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇蘇州 215006 2.蘇州江南嘉捷電梯有限公司 江蘇蘇州 215122

1 分析背景

近年來軌道交通迅猛發(fā)展,自動(dòng)扶梯作為附屬設(shè)備,已廣泛應(yīng)用于高鐵、地鐵、輕軌、有軌電車站點(diǎn)。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中并沒有對(duì)電梯和自動(dòng)扶梯提出抗震方面的要求[1],美國和德國對(duì)自動(dòng)扶梯的抗震要求也僅限于靜力法,將地震動(dòng)作用下的慣性力等效為靜力,作用于自動(dòng)扶梯的桁架上[2]。筆者以美國西雅圖軌道交通東線貝爾維尤站自動(dòng)扶梯為研究對(duì)象,建立有限元模型,利用時(shí)程法分析自動(dòng)扶梯在地震作用下的響應(yīng)情況,為提高國內(nèi)自動(dòng)扶梯的抗震性能提供技術(shù)參考。

2 有限元模型

貝爾維尤站為西雅圖軌道交通東線的交通中心,使用場合為輕軌,采用重載公共交通型自動(dòng)扶梯。自動(dòng)扶梯桁架基本參數(shù)見表1,桁架材料選用Q345B鋼,性能見表2。

表1 自動(dòng)扶梯桁架基本參數(shù)

表2 桁架材料性能

應(yīng)用ANSYS軟件參數(shù)化語言,建立自動(dòng)扶梯桁架的有限元模型,對(duì)上下弦桿、豎撐、斜撐、支撐大角鋼、橫梁等采用BEAM 189梁單元模擬,對(duì)主驅(qū)動(dòng)豎板、封頭板、封底板采用SHELL 63殼單元模擬[3-4]。自動(dòng)扶梯桁架模型如圖1所示,網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

▲圖1 自動(dòng)扶梯桁架模型▲圖2 自動(dòng)扶梯桁架模型網(wǎng)格劃分

設(shè)定重力加速度,ANSYS軟件參數(shù)化語言自行計(jì)算自動(dòng)扶梯桁架的重力。扶手裝置、梯級(jí)、梯級(jí)鏈、導(dǎo)軌、圍裙、外裝飾等零部件的載荷較為分散,受力分配復(fù)雜,很難掌握真實(shí)的桁架受力情況。為了簡化計(jì)算,各系統(tǒng)零部件載荷和乘客載荷以分布載荷形式施加于桁架上,驅(qū)動(dòng)主機(jī)、主驅(qū)動(dòng)、扶手驅(qū)動(dòng)、張緊裝置、上下控制柜等以集中載荷形式施加在桁架上[5]。

自動(dòng)扶梯的中間支撐距下臺(tái)口為12 910 mm,限制該處作用點(diǎn)的所有自由度,同時(shí)因自動(dòng)扶梯采取下端固定、上端自由滑動(dòng)的形式,將下端作為固定端全約束,上端自由端只約束Y方向。

3 時(shí)程分析法分析

采用時(shí)程分析法時(shí),為防止地震動(dòng)記錄離散性造成求解結(jié)果離散性過大,記錄樣本數(shù)量不宜過少[6]。ASCE/SEI 7-10《建筑物和其它結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計(jì)荷載》規(guī)定,場地類別不確定時(shí),采用D類場地[7]。工程項(xiàng)目地點(diǎn)為西雅圖貝爾維尤,可以得到短周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜系數(shù)為8.163 4 m/s2,1 s周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜系數(shù)為4.9 m/s2,最大周期為6 s。通過以上三個(gè)參數(shù),可以在地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫中篩選出與抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相近的地震動(dòng)記錄[8],記錄序號(hào)分別為888、1113、5831。地震動(dòng)記錄選擇集見表3,VS30為30 m深度土層的剪切速度,D5-75、D5-95分別為達(dá)到5%～75%、5%～95%Arias地震強(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間。每組地震動(dòng)記錄分別由豎直斷裂帶的水平向地震波、平行斷裂帶的水平向和豎直向地震波組成,經(jīng)過調(diào)整后,可用于自動(dòng)扶梯桁架抗震的時(shí)程分析。

表3 地震動(dòng)記錄選擇集

為了驗(yàn)證自動(dòng)扶梯桁架的抗震安全性,需要對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。在三組地震波的作用下,自動(dòng)扶梯桁架最大應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3所示,最大應(yīng)力峰值及出現(xiàn)的時(shí)間見表4。由圖表可知,在地震動(dòng)最初和地震動(dòng)活躍期,自動(dòng)扶梯桁架的應(yīng)力較大。當(dāng)然,自動(dòng)扶梯桁架的最大應(yīng)力峰值只有27.0 MPa,遠(yuǎn)小于Q345B鋼的屈服應(yīng)力345 MPa,自動(dòng)扶梯桁架處于彈性工作狀態(tài)。分析表明,自動(dòng)扶梯桁架不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不足而被破壞,其抗震性能是安全可靠的。

▲圖3 自動(dòng)扶梯桁架最大應(yīng)力時(shí)程曲線

表4 自動(dòng)扶梯桁架最大應(yīng)力峰值與時(shí)間

在三組地震波作用下,自動(dòng)扶梯桁架最大變形時(shí)程曲線如圖4所示,最大變形峰值及出現(xiàn)的時(shí)間見表5。自動(dòng)扶梯桁架的最大變形值為11.0 mm,相對(duì)于桁架總體而言,變形量還是較小,即使在地震動(dòng)作用下,也可滿足撓度1/1 000的要求。

▲圖4 自動(dòng)扶梯桁架最大變形時(shí)程曲線

表5 自動(dòng)扶梯桁架最大變形峰值與時(shí)間

4 時(shí)程分析法和靜力法對(duì)比

ASME A17.1—2016《電梯和自動(dòng)扶梯安全規(guī)范》對(duì)2級(jí)及以上地震危險(xiǎn)區(qū)域的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道提出了具體安全要求:自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道金屬骨架及其支撐件在承受沿水平和豎直方向分開的地震慣性力作用時(shí),能夠承受自身質(zhì)量的慣性效應(yīng),而不發(fā)生永久變形[9]。

為進(jìn)行對(duì)比參照,依據(jù)ASME A17.1—2016對(duì)本項(xiàng)目自動(dòng)扶梯桁架抗震進(jìn)行靜力分析,分別施加水平地震力和豎直地震力,等效應(yīng)力圖如圖5所示。時(shí)程分析法應(yīng)力最大和變形最大時(shí)的等效應(yīng)力圖如圖6所示。靜力法和時(shí)程分析法的求解結(jié)果見表6,可見所得結(jié)果基本一致。

▲圖5 施加地震力等效應(yīng)力圖

▲圖6 時(shí)程分析法等效應(yīng)力圖

表6 求解結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

筆者對(duì)西雅圖軌道交通東線自動(dòng)扶梯進(jìn)行抗震分析,由時(shí)程分析法得到的自動(dòng)扶梯桁架最大應(yīng)力比靜力法略小,由時(shí)程分析法得到的自動(dòng)扶梯桁架最大變形比靜力法略大,因?yàn)殍旒艿闹c(diǎn)間距較小,所以結(jié)果基本一致。在自動(dòng)扶梯大跨距或者無中支時(shí),除了按ASME A17.1—2016進(jìn)行靜力分析,還應(yīng)通過時(shí)程分析加以驗(yàn)證,提高自動(dòng)扶梯桁架的抗震性能。

通過兩種分析方法的模擬和求解,確認(rèn)自動(dòng)扶梯桁架滿足美國抗震設(shè)計(jì)要求,并具有較高的安全因數(shù)。