抗震電梯對重裝置抗震能力的分析

周宗金

（蒂升電梯（中國）有限公司，廣東 中山 528400）

0 引言

21世紀以來，地震是一種嚴重危害人類生存和發展的自然災難。我國先后出現了許多嚴重的地震，2008年發生在四川汶川5.12大地震和2010年青海玉樹4.4大地震。隨著我國社會生產力的不斷發展，我國經濟快速發展，出現了大量的新的次生災難。電梯在地震中發生的事故不僅給當地人民的工作和日常工作帶來很大的不便，而且對電梯的安全性特別是其抗震性提出了更高標準的要求[1]。

1 地震災害后電梯對重系統損壞情況分析

廣東、上海、江蘇、天津等地在四川發生5.12大地震后，對10390部電梯進行檢查。其中1008部電梯明顯損壞，損毀概率為9.70%[2]。

根據電梯在地震中的損壞情況，從最大到最小。根據數據統計表1可以看出，在這次地震中，對重系統損壞的電梯共有816部，其損壞概率為7.85%，占全部事故中的80.95%；在這些損傷中，最常見的是對重導靴脫落（對重支架脫軌），最嚴重的是對重塊的掉落與轎廂碰撞[3]。

從表1、表2的地震資料可知，在地震中，損壞比例是最大的是電梯對重裝置，而“對重導軌支架”、“對重導靴脫”以及“對重塊裝載”等都存在極大的缺陷。這些缺陷和隱患暴露出的電梯對重系統存在的不足，亟需改善。

表2 9.12和10.22地震后電梯損壞情況統計表

2 地震災害后電梯對重系統損壞情況探討

圖1為電梯容易損壞部件的結構圖。電梯在受到地震災害的破壞時，對重系統都會受到不同程度的損壞：1）地震導致建筑物形變和材料失效。當發生地震時，由于夾層結構容易出現較大的彈性形變和永久的變形，因此有關的結構零件脫落[4]，例如對重導軌的變形使對重導靴與導軌分離等。由于地震力的作用，使電梯結構出現斷裂、剝落，進而使電梯結構出現故障，對電梯產生間接破壞。例如對重導靴斷裂，對重導軌支撐架的固螺栓從墻上脫落等。2）對重架脫軌。在地震中，對重架的破壞最常見，對重架在脫軌時撞擊轎廂，造成轎廂的變形，而對重架繼續運行時，會對電梯造成新的損傷[5]。根據震動在不同方位引起的對重脫軌，其成因有以下幾種：在對重物沿著軌道連接線的方向振動時，對重物沖擊到工作面的前部，沖擊力通過與重物接觸的導靴傳遞到導向件上，造成導向件的彎曲和變形。當導軌的彎矩較大時，導靴的接合面與導引表面分離，使對重框架與導軌分離。在對重物與導軌的橫向方向發生強烈震動時，對重物會在導軌的側向上產生橫向作用力，對重物會撞到導靴和導軌上，從而引起導軌扭轉損壞，導軌支架變形，最終導致對重架與導軌脫離。3）對重塊墜落。置于對重架內的對重塊是一種固體的鑄鐵（或固體礦物塊體），對重塊受到水平加速度和豎向加速度的影響，使其發生碰撞，因此對重體脫離對重架。該情況將對井道中工作人員和乘客的生命構成威脅。在地震中，最常見的是中間位置的對重塊脫落。其主要原因是在使用新的對重塊固定方法后，上部對重塊的鎖定僅能使下部對重塊的限制變得更小，而地震引起的豎向加速度減少了對重塊的摩擦力，對重塊在中間受力變弱，出現松動，甚至掉落[6]。而用傳統方式進行固定的對重塊，在地震中沒有發生松動脫落現象。

圖1 電梯容易損壞的部件結構圖

3 電梯對重導軌抗震計算

在地震中，對重系統的破壞是最顯著的，在對重系統的破壞中，最主要的是對重導軌（圖2）被碰撞后發生的對重框架脫軌，導致對重支架損毀，對重塊的掉落等后果[7]。在發生地震問題時，多數對承重裝置均為空心導軌，兩對重支架之間的間隔通常在2.5 m左右。

圖2 實心、空心導軌截面圖

由該軌道的受力建立空間坐標系計算可知，對重導軌沒有受力，可以視為：Fy=0、Fz1=0、Fz2=0。

在常規工況下，對重導軌受到的作用力較小。由于對重裝置和轎廂的結構不一樣，它的分配負載是均勻的，所以沒有偏載問題。因此，很多廠家都會選用更便宜的空心導軌來做對重導軌，從而降低生產成本。

然而，一旦發生地震，這種受力解析就會徹底改變，如圖3所示。外力作用在對重裝置上，其大小可用公式（1）計算。

圖3 導軌受力分析圖

式中：Fy為導軌在y軸的受力，N；對重的自重是Q，kg；gn為重力加速度，m/s2。

這個作用力對導軌會產生形變影響，造成導軌脫離。在導軌上的作用力，可以簡化為簡支梁的模式，根據材料的力學解析，在2個導軌的中間位置上施加一個作用力時，導軌會產生最大程度的彎曲變形，其數值用公式（2）來量化。

式中：fy（max）為導軌的最大形變量，mm；l為導軌支架之間的垂直距離，mm；E為導軌材料的彈性模量，GPa；IYY為導軌橫截面對Y-Y軸的慣性距，cm4。

在該條件下，用數值的方法可以求出最大變形量。空心導軌和實心導軌的實例計算如下。

根據一般電梯的設計參數可得：l=2.5m；E為導軌材料的彈性模量，GPa，查表得1157 GPa。

為導軌橫截面對Y-Y軸的慣性距，cm4，電梯空心導軌型號為TK3，如圖2（a）所示，查表得12.20 cm4。

將數據帶入公式，求得：

與圖2 （a）所示導軌的橫斷面尺寸進行對比，很明顯，如果不考慮地震情況，由對重裝置產生的動量以及2根導軌同時受力，上述對重導軌的最大變形是64 mm，超過了TK3空心的高度（55 mm）。因此，在發生地震的情況下，大部分使用空心導軌的配重設備都會產生導靴脫離導軌的問題。

同理，在使用如圖2（b）中T90實心導軌（=52.00cm4），并且規定當導軌支架安裝間隔不超過2.0 m時，計算數據如下。

最大對重導軌的變形量為7.7 mm，比T90的實心導軌高度（75mm）小得多。因此，如果采用相同的對重設備，用實心導軌替換空心導軌，并且確保導軌之間的間隔不超出設計要求，將極大地改善電梯的抗震性能[8]。

3 電梯對重系統抗爭安全技術要求

在總結和剖析四川5.12大地震中的電梯損壞形態及特征后，結合技術分析和抗震計算分析，對電梯對重裝置抗震技術，提出以下5點建議。1）在計算對重導軌強度與剛度時，必須充分考慮到其他構件在地震作用下受橫向力的作用，從而保證導軌不會發生塑性變形。2）當前我國對重式導軌的長度為5 m，常用的對重式導軌托架的跨度為2.5 m，應該采取縮短導軌托架的跨距來提高其耐塑性的承載力，減少碰撞時的變形。3）在結構上，實心導軌比空心導軌有更好的剛性和強度，因此，在地震中，空心導軌很可能因碰撞而發生變形，從而導致對重架脫軌，因此，在地震頻發地區，應采取實心導軌來取代空心導軌。4）在設計對重導軌支架和連接機構時，必須在結構強度和剛度設計方面充分考慮到對重式導軌托架和連接桿受橫向力的影響。并采用了一些行之有效的方法來保證對重導軌具有充分的抗拉強度，保證其不出現過大的位移。例如將剛性連結桿安裝在對重導軌支架上。 5）建議使用傳統的方法，由1根剛性連接桿將每塊對重塊串接在一起，然后在頂部用螺母緊固，從而將對重塊與對重架緊密結合在一起，從而有效地避免對重塊的松散和掉落。

4 結語

在抗震設計中，如何保證電梯在地震中的安全性，已經成了人們日益關注的焦點。在緊急情況下，電梯的安全性是大家最關注的問題。目前，國內已有相應的法規，但對電梯在地震中的安全性規定尚不夠嚴格，因此，在地震后，有必要根據實際情況，盡快地改進國內的電梯防震技術和標準，將空心導軌更換成實心導軌，以期減少地震期間使用電梯時造成的災難。