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(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道作為一種常用的交通工具，已被廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、地鐵、醫(yī)院、火車(chē)站等公共場(chǎng)所，目前中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的自動(dòng)扶梯生產(chǎn)制造國(guó)和最大的自動(dòng)扶梯使用國(guó)[1]。中國(guó)最新版本的自動(dòng)扶梯生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)GB 16899—2011《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)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(lái)，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(duì)于自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道產(chǎn)品的防地震要求有了明確的要求，而國(guó)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(lái)的GB 16899 升級(jí)換版時(shí)將加入防地震方面的要求。無(wú)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(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道的防地震設(shè)計(jì)要求。

1 EN 115-1：2017 對(duì)安裝于地震環(huán)境的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)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(guò)下列公式計(jì)算：

式（2）中：α為A 類(lèi)地面等級(jí)的設(shè)計(jì)對(duì)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(kāi)始測(cè)量的建筑物高度；Ta為非結(jié)構(gòu)性部件基本振動(dòng)周期；T1為在相關(guān)方向上的建筑物基本振動(dòng)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(duì)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(duì)地加速度進(jìn)行選擇。

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

2 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的常見(jiàn)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)的。自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道應(yīng)通過(guò)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(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的可移動(dòng)支撐的最小允許補(bǔ)償長(zhǎng)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(duì)地震情況下的固定支撐和可移動(dòng)支撐，并針對(duì)需要滿足的漂移量的不同，設(shè)計(jì)了2 種不同的可移動(dòng)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(wú)中間支撐情況下，一般將自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道上端進(jìn)行固定。將此固定支撐定義為A 類(lèi)支撐，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中件3 和件4 通過(guò)螺栓（件5）與大角鋼（件2）連接，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，將件1 和件3 進(jìn)行焊接，以使得自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道與土建處于完全焊接固定狀態(tài)。

圖1 A 類(lèi)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(dòng)，根據(jù)地震時(shí)對(duì)樓層的漂移量大小的不同，這里設(shè)計(jì)了2種可移動(dòng)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(lèi)支撐定義為B類(lèi)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)扶梯可以有最大2x的相對(duì)位移。

圖2 B 類(lèi)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(lèi)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)扶梯可以有最大2x的相對(duì)位移。

圖3 C 類(lèi)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(huì)發(fā)生變化。設(shè)計(jì)了一種將桁架與土建完全固定起來(lái)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(dòng)扶梯和自動(dòng)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(lái)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(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道在水平方向上左右擺動(dòng)，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(dòng)。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(tái)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(duì)于預(yù)埋鋼板上焊接的豎直鋼板，可以將其簡(jiǎn)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(duì)單側(cè)鋼板的作用力定義為F，根據(jù)自動(dòng)扶梯或自動(dòng)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(dòng)扶梯單側(cè)最大87 kN 的擺動(dòng)力而不發(fā)生變形，從而確保自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道不發(fā)生水平方向的左右擺動(dòng)。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(tái)自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(kāi)始測(cè)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(duì)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(duì)自動(dòng)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(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道單側(cè)最大87 kN 的擺動(dòng)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(dòng)扶梯或自動(dòng)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(duì)地震情況下的固定支撐和可移動(dòng)支撐，并針對(duì)需要滿足的漂移量的不同，提供2 種不同的可移動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)。客戶根據(jù)所需要的不同漂移量，以及是否需要中間支撐等，對(duì)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(qǐng)客戶提供自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道安裝的對(duì)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(dòng)周期以及從地基開(kāi)始測(cè)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(duì)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。