淺析歐洲標準對自動扶梯和自動人行道的防地震設計要求

付春平

（蘇州市職業大學機電工程學院，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，已被廣泛應用于商場、機場、地鐵、醫院、火車站等公共場所，目前中國已經成為世界上最大的自動扶梯生產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制造標準GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》[2]是2011年發布的，而歐洲最新的相關標準EN 115-1：2017 于2017 年發布。一直以來，2 個標準在內容及章節布局上都基本一致，但仍有些區別。這次歐洲標準EN 115-1：2017 較以前的版本，區別較大，其中對于自動扶梯或自動人行道產品的防地震要求有了明確的要求，而國內標準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準EN 115-1：2017 關于自動扶梯或自動人行道的防地震設計要求。

1 EN 115-1：2017 對安裝于地震環境的自動扶梯和自動人行道的相關規定

根據EN 115-1：2017 中附錄M 的規定，安裝于地震環境的自動扶梯和自動人行道應符合EN 1998-1：2004 的特殊規定及安全規程，其所受地震作用的影響應根據EN 1998-1：2013 的規定進行計算[3]。

EN 1998-1：2013 條款4.3.5 中給出了建筑物中非結構性部件（包含自動扶梯和自動人行道）的設計驗證公式，其中指出地震作用的影響可定義為作用于非結構性部件的一個水平力，計算方式如下：

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

地震系數Sa通過下列公式計算：

式（2）中：α為A 類地面等級的設計對地加速度ag與重力加速度g的比值；S為土壤因素；Z為非結構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為非結構性部件基本振動周期；T1為在相關方向上的建筑物基本振動周期。

上述數據中，根據EN 115-1：2017 中附錄M 中規定，對地加速度ag需要由建筑物設計方設計或由客戶約定給出，特性系數qa則可根據對地加速度進行選擇。

同時，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計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構設計

2.1 桁架與建筑物間的支撐結構及滿足樓層漂移量的設計

根據EN 115-1：2017 中M.2.2 的規定，自動扶梯和自動人行道與建筑之間的支撐條件應確保在地震作用下自動扶梯和自動人行道不受限制。其中一個支撐應設計為固定支撐，其他支撐應在水平方向是可移動的。自動扶梯和自動人行道應通過適當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，根據EN 115-1：2017 中M.2.3 的規定，自動扶梯和自動人行道的可移動支撐的最小允許補償長度須為建筑物的最大允許樓層漂移量。

因此，根據上述要求，為了應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，設計了2 種不同的可移動支撐，具體如下。

2.1.1 端部支撐的設計

按照標準要求，需要有一個固定支撐，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行固定。將此固定支撐定義為A 類支撐，具體結構如圖1 所示。其中件3 和件4 通過螺栓（件5）與大角鋼（件2）連接，現場安裝時，將件1 和件3 進行焊接，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。

圖1 A 類端部支撐（單位：mm）

另一個端部支撐則需要在水平方向上可以移動，根據地震時對樓層的漂移量大小的不同，這里設計了2種可移動支撐方式，一般情況下，樓層漂移量的多少應該由客戶提供。當客戶給定最大漂移量不大于40 mm 時，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，相對運動發生在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）

而當最大漂移量大于40 mm 時，則需采用C 類支撐，具體結構如圖3 所示。桁架連接在件6 鋼板上，而相對運動發生在件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 中間支撐的設計

當土建需要有中間支撐時，情況會發生變化。設計了一種將桁架與土建完全固定起來的中間支撐結構，如圖4 所示[4]。該中間支撐結構焊接在桁架上，同時將支撐結構用螺栓固定于預埋鋼板上，從而達到完全固定，當然也可以采用焊接的形式。

綜上所述，在采用防地震設計時，根據樓板的最大漂移量以及是否采用中支結構，將上下端部支撐的選用情況進行如下總結，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設計

2.2.1 金屬骨架的加強設計

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行焊接固定，如圖5所示，以此來加固整個金屬骨架的強度和穩定性，防止金屬骨架結構在受到橫向扭曲時發生變形。

圖5 端部加強結構示意圖（單位：mm）

同時，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，具體結構如圖6 所示，圖6中示例為兩臺梯平行排列的情況。

圖6 預埋鋼板結構示意圖（單位：mm）

2.2.2 預埋鋼板上豎直鋼板的強度計算

對于預埋鋼板上焊接的豎直鋼板，可以將其簡化為如圖7 所示的懸臂梁結構進行強度校核。將地震發生時大角鋼對單側鋼板的作用力定義為F，根據自動扶梯或自動人行道金屬骨架端部的實際結構，可以確定該作用力的作用點距離為90 mm 位置，則鋼板上所受最大彎矩Mmax=F×L=0.09F。

圖7 預埋鋼板受力與彎矩圖

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

由上述可求得F=87 kN，即預埋鋼板上焊接的豎板在厚度為20 mm 時，能承受自動扶梯單側最大87 kN 的擺動力而不發生變形，從而確保自動扶梯和自動人行道不發生水平方向的左右擺動。在實際執行時，可以在土建布置圖中進行標注，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例計算

假設現有一臺自動人行道產品，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，帶有一個中間支撐。另外根據以上數據，可大致估出設備質量約為10 580 kg。

同時，該自動人行道所安裝地點的土壤環境、地震條件、建筑物因素的參數分別為：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。

可計算出地震系數：

根據對地加速度ag=1.32，可知特性系數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水平方向的36 kN 的作用力。

而根據2.2 中的計算，已有設計中，在土建預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最大87 kN 的擺動力而不發生變形，因此完全能滿足要求。

4 結論

4.1 支撐結構的選擇

作為自動扶梯或自動人行道產品的生產廠家，可以根據標準要求，設計出應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構。客戶根據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 地震作用力的驗證

在具體進行防地震計算時，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。同時，結合設備本身的質量、提升高度等參數，計算出該設備所受的水平地震力。再與上文計算出的87 kN 進行對比，看是否能夠滿足強度要求。如若不能，則可增加土建預埋鋼板上焊接的豎板的厚度。