電梯對重系統(tǒng)抗震技術(shù)探討

摘 要：匯總與分析四川5.12地震和世界范圍內(nèi)其它地震中電梯損壞形式與特點(diǎn)，在對損壞率較高的對重系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析和對重導(dǎo)軌抗震計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，提出電梯對重系統(tǒng)抗震安全技術(shù)要求建議。

關(guān)鍵詞：電梯 重系統(tǒng) 抗震技術(shù)

中圖分類號：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0086-03

2013年4月20日8時02分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級地震，成都、重慶及陜西的寶雞、漢中、安康等地均有較強(qiáng)震感。這是繼四川汶川“5.12”地震后的又一次強(qiáng)烈地震。據(jù)家質(zhì)檢總局統(tǒng)計(jì)，“4·20”地震發(fā)生后，雅安地震災(zāi)區(qū)422臺電梯通過排查，其中恢復(fù)啟用303臺，79臺電梯存在安全隱患需要整改，震損率達(dá)26.1%。作為高層建筑附屬交通運(yùn)輸工具的電梯，其總體抗地震能力不如建筑物。唐山大地震以來，建筑、交通、電力、燃?xì)庠O(shè)施等領(lǐng)域均出臺了相關(guān)的抗震法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，局限于當(dāng)時的電梯數(shù)量極少，電梯抗震研究未引起足夠的重視。我國現(xiàn)行的電梯標(biāo)準(zhǔn)基本上是照搬歐洲標(biāo)準(zhǔn)，缺少抗震方面的內(nèi)容，致使電梯行業(yè)中產(chǎn)品的抗震性能無章所循。四川汶川“5.12”地震后，相關(guān)單位開展了四川5.12地震中電梯技術(shù)狀況與電梯抗震技術(shù)分析研究。

1 地震后電梯對重系統(tǒng)受損狀況

四川5.12地震后，廣東、上海、江蘇和天津特種設(shè)備抗震救災(zāi)技術(shù)服務(wù)隊(duì)排查檢驗(yàn)電梯10390臺。其中，明顯損壞的電梯有1008臺，受損概率為9.70%。

按地震中電梯受損的表現(xiàn)形式，將占比超過1%的故障由高到低依次排序，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。可見，地震中對重系統(tǒng)受損電梯共計(jì)816臺，受損概率7.85%，占所有受損案例的80.95%；其中，最多的損壞形式為對重導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌（對重架脫軌），最危險(xiǎn)的損壞形式為對重塊墜落和轎廂與對重在運(yùn)行中相撞。

1971年2月在美國加利福尼亞的San Fernando發(fā)生的里克特6.6級地震造成1510臺電梯明顯損壞，其中對重導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌674臺、對重導(dǎo)軌支架損壞174臺，對重系統(tǒng)受損共848臺，占所有受損案例的56.16%。1995年1月17日在日本兵庫縣南部發(fā)生的7.2級地震造成2762臺電梯受損，其中對重導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌280臺、對重脫落38臺、對重導(dǎo)軌變形79臺、對重導(dǎo)軌支架損壞73臺、對重導(dǎo)靴變形202臺，對重系統(tǒng)受損電梯共計(jì)672臺，占所有受損案例的24.33%。1999年，我國臺灣地區(qū)接連發(fā)生了兩次大地震：9月21日的集集7.3級地震和10月22日的民雄6.4級地震。通過對5個主要電梯服務(wù)公司的調(diào)查，9.21地震中電梯受損291臺，10.22地震中電梯受損285臺，主要受損形式的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。可見，兩次地震中對重系統(tǒng)受損分別占所有受損案例的49.5%和76.8%。

通過對以上各次地震中電梯受損情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知地震中電梯對重系統(tǒng)受損所占比例最高，在“對重導(dǎo)軌及支架設(shè)計(jì)”、“對重導(dǎo)軌靴結(jié)構(gòu)”、“對重塊壓緊”等方面存在一個或多個明顯的缺陷。地震中暴露出來的電梯對重系統(tǒng)缺陷亟待改進(jìn)。而日本兵庫縣地震中電梯震損率最低，故日本在電梯抗震性能的研究方面一定有值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2 地震后電梯對重系統(tǒng)受損技術(shù)分析

2.1 地震力造成建筑物層間變形與材料失效

地震力作用下建筑物的層間變形，使電梯結(jié)構(gòu)件發(fā)生明顯彈性或永久性變形，導(dǎo)致相關(guān)連接部件發(fā)生脫落。例如：對重導(dǎo)軌變形導(dǎo)致對重導(dǎo)靴從導(dǎo)軌上脫離出來等。地震力導(dǎo)致電梯結(jié)構(gòu)件斷裂、剝落，從而造成電梯結(jié)構(gòu)失效，對電梯造成直接損壞甚至二次損壞。例如：對重導(dǎo)靴斷裂、對重導(dǎo)軌支架地腳螺栓從墻體內(nèi)脫離出來等。

材料失效是在地震裂度較大情況下，由于建筑物層間變形，造成電梯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平和垂直加速度，在導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架、結(jié)構(gòu)梁、安裝用螺栓、地腳螺栓等部位產(chǎn)生較大的附加載荷，從而發(fā)生強(qiáng)度失效或剛度失效。材料失效的主要原因有以下幾點(diǎn)。

（1）在電梯設(shè)計(jì)時沒有考慮地震力的影響。

（2）實(shí)際的地震力超出設(shè)計(jì)時的抗震等級。

（3）部分結(jié)構(gòu)存在制造、安裝缺陷。

2.2 對重導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌原因分析

（1）針對不同方向的震動導(dǎo)致對重脫軌的原因分別表述如下。

①當(dāng)對重沿導(dǎo)軌連接線方向震動時：對重撞擊導(dǎo)軌工作面的正面，撞擊力經(jīng)與對重相接處的導(dǎo)靴傳遞給導(dǎo)軌，致使導(dǎo)軌彎曲或變形。在導(dǎo)軌彎曲度過大時，導(dǎo)靴嚙合面脫離導(dǎo)軌導(dǎo)向面，對重架脫離導(dǎo)軌。

②當(dāng)對重垂直于導(dǎo)軌連接線方向震動時：對重在導(dǎo)軌工作面的側(cè)面方向受到地震力，側(cè)面方向的慣性力推動對重，同時經(jīng)對重傳遞至導(dǎo)靴和導(dǎo)軌，致使導(dǎo)靴產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞并使導(dǎo)軌或?qū)к壷Ъ茏冃危M(jìn)而導(dǎo)致對重架脫離導(dǎo)軌。

（2）總之，在以上水平方向力的作用下，導(dǎo)向系統(tǒng)會發(fā)生如下?lián)p壞。

①導(dǎo)軌本身強(qiáng)度不夠，對重導(dǎo)軌損壞。由于地震過程中對重的水平方向沖擊造成導(dǎo)軌本身塑性變形，導(dǎo)軌間距加大從而使導(dǎo)靴脫出導(dǎo)軌。而現(xiàn)今普遍采用的對重空心導(dǎo)軌由于沒有充分考慮水平?jīng)_擊力的影響，本身強(qiáng)度不能承受較大的水平方向力。

②對重導(dǎo)靴損壞。由于對重導(dǎo)靴或其支架在設(shè)計(jì)時沒有充分考慮水平?jīng)_擊力的影響，其強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

③對重導(dǎo)軌支架變形、損壞。也是由于在設(shè)計(jì)時沒有充分考慮水平?jīng)_擊力的影響造成的。

④空心導(dǎo)軌的接頭處損壞。由于空心導(dǎo)軌的接頭不夠精密，對重導(dǎo)靴與空心導(dǎo)軌之間的空隙也比實(shí)心導(dǎo)軌大，所以其變形的可能性大大高于同規(guī)格的實(shí)心導(dǎo)軌。

2.3 對重塊脫離對重架原因分析

傳統(tǒng)上電梯的對重塊采用鑄鐵制作，安裝固定時在每塊對重塊上鉆孔后并用剛性連接桿串接，再在頂端用螺母固定，使對重塊與對重架牢固相連成為一個整體。但近10年來，由于市場競爭，制造廠家為降低成本，常常采用鐵礦渣等與水泥混合澆鑄對重塊，安裝固定時僅將頂部的對重塊壓緊。

在地震中，位于對重架中部高度的對重塊脫離對重架最為多見。造成這種情形的原因是由于采用新的對重塊固定方式后，頂部對重塊的鎖緊只能給下部對重塊產(chǎn)生較小的約束，再加上地震產(chǎn)生的垂直加速度減少了對重塊之間的摩擦力，導(dǎo)致對重架中部對重塊的緊固力較小，易造成對重塊松動甚至墜落。而采用傳統(tǒng)方法安裝固定的對重塊在地震中則未發(fā)生松動、脫落情況。

3 電梯對重導(dǎo)軌抗震計(jì)算分析

地震中電梯對重系統(tǒng)損壞是最突出的問題，而所有對重系統(tǒng)損壞中最嚴(yán)重的表現(xiàn)的形式，則是對重導(dǎo)軌受撞擊變形后對重架脫軌，從而引起對重支架損壞、對重塊脫落等問題。地震中出現(xiàn)問題的對重裝置大多采用空心導(dǎo)軌，且兩對重導(dǎo)軌支架的間距多為2.5 m左右。

GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中對電梯導(dǎo)軌計(jì)算的規(guī)定，只考慮了“正常使用”和“安全裝置作用”兩種工況，據(jù)此選用的對重導(dǎo)軌在地震中損壞率很高。

從導(dǎo)軌的受力分析可以看出，理想情況下，對重導(dǎo)軌是不受力的，可以視為：

即使在正常的運(yùn)行情況下，對重導(dǎo)軌受力也是很小的。因?yàn)閷χ匮b置與轎廂不同，其分布載荷是均勻的，不存在偏載的問題。所以，大多數(shù)制造企業(yè)為了節(jié)約成本，選擇價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)的空心導(dǎo)軌作為對重導(dǎo)軌。

但是，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，這個受力分析就完全改變了。見圖1導(dǎo)軌受力分析圖。對重裝置受到外力的因素，對對重導(dǎo)軌產(chǎn)生了一個作用力，這個作用力的大小可以用以下的公式計(jì)算：

其中：

為導(dǎo)軌在y軸的受力（N）；

為對重的自重（kg）；

為重力加速度（m/s2）；

為由于外力引起對重裝置重心偏離的一個參數(shù)，可以取經(jīng)驗(yàn)公式=，b為對重的寬度（mm）；

為對重裝置兩導(dǎo)靴中心位置的垂直間距（mm）。

這個力作用在導(dǎo)軌上，使導(dǎo)軌出現(xiàn)形變，從而出現(xiàn)脫軌的現(xiàn)象。當(dāng)作用在導(dǎo)軌上的時候，可以簡化成簡支梁的形式，由材料力學(xué)分析，當(dāng)力作用在兩導(dǎo)軌支架的中點(diǎn)時，產(chǎn)生的導(dǎo)軌彎曲變形最大，其數(shù)值可以用以下公式計(jì)算：

其中：

為導(dǎo)軌的最大形變數(shù)據(jù)（mm）；

為兩導(dǎo)軌支架之間的垂直距離（m）；

為導(dǎo)軌材料的彈性模量（GPa）；

為導(dǎo)軌橫截面對Y-Y軸的慣性距（cm4）。

在這種情況下，對重導(dǎo)軌出現(xiàn)的最大形變值可以代入數(shù)據(jù)計(jì)算出來。以下分別以TK3空心導(dǎo)軌和T90實(shí)心導(dǎo)軌為例計(jì)算：

根據(jù)電梯設(shè)計(jì)的一般參數(shù)，可以得：

=1500（kg）

=9.8（m/s2）

=，b=710（mm）

=3450（mm）

=2.5（m）

為導(dǎo)軌材料的彈性模量（GPa），查表得：157（GPa）；

為導(dǎo)軌橫截面對Y-Y軸的慣性距（cm4），電梯空心導(dǎo)軌型號為TK3，查表得：12.20（cm4）。

將數(shù)據(jù)代入公式，求得：

=378N

計(jì)算出來的數(shù)值與圖2導(dǎo)軌的截面尺寸比較，顯然，在沒有考慮地震時對重裝置產(chǎn)生的動量和兩條導(dǎo)軌同時受力的情況下，上面計(jì)算出來的對重導(dǎo)軌最大變形值為64 mm，已經(jīng)大于TK3空心導(dǎo)軌的整個高度（55 mm）。所以當(dāng)?shù)卣鸬臅r候，大多數(shù)采用空心導(dǎo)軌的對重裝置都會出現(xiàn)導(dǎo)靴脫離導(dǎo)軌問題。

同理，當(dāng)采用T90實(shí)心導(dǎo)軌（=52.00cm4），并且要求導(dǎo)軌支架安裝間距不得大于2.0m時，計(jì)算出來的數(shù)據(jù)為：

對重導(dǎo)軌最大變形值為7.7 mm，遠(yuǎn)小于T90實(shí)心導(dǎo)軌的高度（75 mm）。所以，對于同樣的對重裝置，把空心導(dǎo)軌更換為實(shí)心導(dǎo)軌，并保證導(dǎo)軌支架間距不超過設(shè)計(jì)值，將非常有助于提高電梯對重系統(tǒng)的抗震性能。

4 電梯對重系統(tǒng)抗震安全技術(shù)要求建議

通過匯總與分析四川5.12地震及世界范圍內(nèi)其它地震中電梯損壞形式與特點(diǎn)，在對損壞率較高的對重系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析和對重導(dǎo)軌抗震計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，提出以下電梯對重系統(tǒng)抗震安全技術(shù)要求建議。

（1）在進(jìn)行對重導(dǎo)軌（包括導(dǎo)軌接口板等相關(guān)部件）強(qiáng)度與剛度計(jì)算時，應(yīng)充分考慮地震情況下對重等其他部件的水平力沖擊所產(chǎn)生的影響，以確保導(dǎo)軌不出現(xiàn)塑性變形。

（2）目前國內(nèi)的對重導(dǎo)軌長度每根為 5 m，慣用的對重導(dǎo)軌支架跨度為2.5 m，應(yīng)通過縮短導(dǎo)軌支架的跨度增強(qiáng)其抗塑性變形的承載力，減小受到?jīng)_擊時產(chǎn)生的變形。

（3）由于空心對重導(dǎo)軌在剛度與強(qiáng)度方面較實(shí)心導(dǎo)軌小，地震中空心導(dǎo)軌受到撞擊時容易彎曲變形而導(dǎo)致對重架脫軌，建議在地震多發(fā)地帶尤其是重要場所使用的電梯抗震設(shè)計(jì)中采用實(shí)心導(dǎo)軌全面代替空心導(dǎo)軌。同時適當(dāng)加強(qiáng)兩根導(dǎo)軌之間的連接板，以有效增強(qiáng)導(dǎo)軌承收沖擊的能力。

（4）在進(jìn)行對重導(dǎo)軌支架及其連接件設(shè)計(jì)時，應(yīng)在結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)上充分考慮地震情況下對重等其他部件的水平力沖擊所產(chǎn)生的影響。同時應(yīng)采取有效措施保障對重導(dǎo)軌有足夠的抗變形能力，以確保導(dǎo)軌不出現(xiàn)較大位移。例如：在對重導(dǎo)軌支架上裝設(shè)剛性連接桿。

（5）在進(jìn)行對重導(dǎo)靴強(qiáng)度設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮地震所產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力的影響，以確保導(dǎo)靴、導(dǎo)靴支架及其連接件不出現(xiàn)塑性變形。

（6）應(yīng)在運(yùn)動部件上適當(dāng)設(shè)置具有足夠強(qiáng)度的剛性保護(hù)件，例如：在對重導(dǎo)軌與對重架之間增設(shè)防脫軌裝置，防脫軌裝置能在地震力沖擊致使導(dǎo)軌及對重框架彎曲時，依靠其與導(dǎo)軌的接觸，以防止對重架脫軌。

（7）在進(jìn)行對重導(dǎo)靴或者防脫落裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，為確保由于水平力沖擊導(dǎo)軌產(chǎn)生允許的彈性變形時導(dǎo)靴不會脫出導(dǎo)軌，對重導(dǎo)靴或者防脫落裝置與對重導(dǎo)軌之間的搭接尺寸應(yīng)符合特定要求。

（8）建議采用傳統(tǒng)的對重塊固定方法，將每一塊對重塊鉆孔并以剛性連接桿串接，再在頂端用螺母固定，使所有對重塊與對重框架牢固連接成為一個整體，以有效地防止對重塊的松動和脫落。

5 結(jié)語

在匯總與分析四川5.12地震對電梯損壞形式與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對損壞率較高的對重系統(tǒng)等方面的抗震技術(shù)措施進(jìn)行研究后，相關(guān)部門借鑒相應(yīng)的國外標(biāo)準(zhǔn)，首次編寫了《地震情況下的電梯與自動扶梯要求》與《地震情況下的電梯與自動扶梯要求—— 匯編報(bào)告》，并列入國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目。這兩部標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，對提高我國電梯的總體抗震能力具有十分重要的意義。

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