地震工況下自動扶梯桁架結構分析研究*

楊天玲,林 森,陳義東

(1.浙江機電職業技術學院 智能制造學院,浙江 杭州 310053;2.中國聯合工程有限公司,浙江 杭州 310052;3.杭州領學科創教育科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

自動扶梯的現有設計或抗震設計是否可以抵抗地震災害,是否可以達到小震不壞、大震不倒的基本要求,現有抗震設計標準是否需要完善,都是非常值得持續研究的課題,對行業的發展也是非常有意義的。

自動扶梯的金屬桁架是整個扶梯最重要的支撐結構,在任何工況載荷下都應該保持良好的承重狀態,才能滿足自動扶梯的使用。全球各地自動扶梯實際使用工況中,抗震要求是非常常見的。

GB16899-2011標準[1]中對自動扶梯在地震工況下結構強度沒有做相應要求。EN115-1:2017[2]附錄M描述了抗震設計要求和自動扶梯金屬桁架簡要計算流程,但對實際工作指導性不強。

GB50011-2010中對自動扶梯桁架的抗震設計提出以下目標[3]:(1)小震不壞,桁架結構未受損或不需修理繼續可以使用;(2)中震可修,桁架結構略損壞,經一般修理或不修理仍可使用;(3)大震不倒,遭遇罕見地震時,桁架結構不倒塌或發生嚴重破壞。

EN 1998-1:2004+A1:2013[4]提供了水平和豎直方向地震設計反應譜曲線,地震需求合同可按照高地震活動區地震加速度4.8m/s2進行設計。

GB18306-2015《中國地震動參數區劃圖》[5]給出了中國地震動參數區劃圖技術要素、基本規定和地震動參數確定方法,適用于一般建設工程的抗震設防。

GB50017-2017[6]33-58、DIN18800-T1[7]、DIN18800-T2[8]標準中對類似鋼結構計算給出了經驗性的理論計算方法,但未涉及地震工況。

ASMEA17.1[9]中對按照加速度范圍對地震級別進行了劃分,并對地震保護裝置做了要求,但沒有涉及實際案例。

李駿[10]采用等效靜力法和時程分析方法分析了北京順義西站自動扶梯不會發生永久變形,符合抗震要求,但僅是針對個例。

王智超[11]研究了地震工況下,滑動端土建搭接量設置為2倍層間相對水平位移,保證有足夠的冗余量。周緒紅[12]提出了水平地震作用下交錯桁架鋼框架結構抗震設計方法,達到了結構“強腹桿弱弦桿”和“大震不倒”的抗震設計目標。劉冬梅[13]梳理了自動扶梯抗震技術發展路線,對由于地震產生的3種變形,即縱向移位、橫向移位以及上下振動、撓曲進行了詳細闡述。KONO K[14]研究了大地震中自動扶梯的響應特性。LI X P[15]對考慮位移和應力約束的非平穩隨機地震激勵下桁架結構進行了拓撲優化。以上學者對自動扶梯地震工況下結構設計方法及響應特性進行了分析,但大多數的研究是理論性的分析,對不同地震加速度情況下桁架方案沒有進行系統研究。在地震工況下,土建如何處理也未提及。為了滿足企業實際需求,迫切需要對以上問題進行系統分析。

針對自動扶梯桁架在地震工況下所受載荷特征,筆者利用ANSYS參數化設計語言(以下簡稱APDL語言)建模、約束、施加其他載荷和地震載荷,求解最大撓度和各種不同工況下的最大應力,校核各種工況下整體及受壓桿件的穩定性,對其薄弱部位進行優化設計,使其滿足使用要求;同時,對地震工況下,土建如何處理進行詳細闡述。

1 地震理論基礎

自動扶梯依托自身桁架橫跨建筑物的不同樓層,大多數情況下,不考慮地震載荷的影響。但局部區域,越來越多的合同有地震要求,需要將地震載荷也考慮其中。

當地震發生時,從地震震源產生的縱波和橫波向地球表面傳播[16],再經過建筑物將這些隨機的地震能量傳遞到扶梯上,由此,自動扶梯上所有構件都將承載地震載荷。其中,作為自動扶梯承力構件的桁架起到最為重要的作用,分析自動扶梯抗震性能也就是對桁架進行地震載荷工況的分析,確保桁架結構擁有足夠的抗震性能,保證大震不倒,自動扶梯不會從建筑物支撐位置墜落。

全球各地對自動扶梯地震設計略有不同,筆者對應用比較廣泛的兩種標準采用的計算方法進行對比。

ASME 17.1標準對鋼結構地震載荷公式,以及EN 1998-1標準對建筑鋼結構地震載荷公式如下:

1.2×dw+0.25×P+PGA×(1.2×dwH+0.25×PH)

(1)

1.0×dw+0.4×P+PGA×(1.0×dwH+0.4×PH)

(2)

式中：dw—自動扶梯自重，N；P—乘客載荷，5 000 N/m2；PGA—地震加速度，g—重力加速度，g=9.8 m/s2；dwH—橫向自動扶梯自重，N；PH—橫向乘客載荷，5 000 N/m2。

2 自動扶梯結構

2.1 自動扶梯桁架構造

鋼結構桁架是承載自動扶梯所有載荷的部件,桁架桿件之間使用焊接方式,采用BEAM189單元模擬梁單元之間位移、剪切、扭轉,以此計算桁架結構的受力情況。

對常規載荷的計算,文獻[17]中已做了詳細說明。筆者重點研究地震載荷時桁架加強方案,并對土建的處理方式做分析闡述。

2.2 地震載荷約束

無地震載荷時,自動扶梯桁架與建筑物土建支撐位置僅是搭接關系,也就是桁架放置在土建支撐位置,相當于豎直方向位移為0。對于考慮地震載荷時,桁架在建筑物中的約束與無地震載荷時不同。因為考慮到橫向和縱向地震波的影響,不是將桁架搭在建筑物土建支撐點,而是必須將桁架的一個支撐點固定在建筑物上。

地震工況下,無支撐桁架上頭部固定約束,下頭部滑動支撐,約束簡圖如圖1所示。

圖1 無支撐桁架地震工況約束簡圖

2.3 載荷工況

自動扶梯桁架無地震工況的載荷都是豎直方向,與重力方向相同。地震工況下,不僅有豎直方向載荷,還增加了地震波橫向的載荷,也就是圖1中dz方向。

組合工況及其用途如表1所示。

表1 組合工況及其用途

其中:DM—動態載荷,N;其他參數同公式(1,2)。

采用APDL語言編寫程序,增加地震組合工況。例如地震工況約束:

……

DK,N3,UX,0,,0,UY,UZ

DK,N3+OFFSNUM,UX,0,,0,UY,UZ

DK,1,UY,0,,0

DK,1+OFFSNUM,UY,0,,0,UZ

……

部分地震波橫向加載程序:

……

*DO,J,1,NL0-1

*GET,LENG_PR,LINE,J,LENG

*GET,LENG_BK,LINE,J+1,LENG

*SET,SP1,(LENG_PR+LENG_BK)*(STEP+TRACK)/4000

*DO,I,0,1

FK,201+I*OFFSNUM+J,FY,-SP1

FK,201+I*OFFSNUM+J,FZ,-SP1

*ENDDO

*ENDDO

……

組合工況加載程序:

……

LCASE,1

LCOPER,ADD,2

LCOPER,ADD,3

LCOPER,ADD,4

LCOPER,ADD,5

LCOPER,ADD,6

LCOPER,ADD,7

LCWRITE,10

……

2.4 模擬計算結果

一臺自動扶梯基本參數:提升高度H=5 300 mm,水平跨距DBE=15 000 mm,傾斜角度30°,無中間支撐,地震加速度PGA=0.05 g。桁架所用材料為Q235B,材料許用應力σs=235 MPa[18]。

基本參數示意圖如圖2所示。

圖2 基本參數示意圖

根據組合工況,桁架撓度與應力都是正常工況計算,組合工況1計算桁架撓度,組合工況2計算桁架應力,組合工況3、4是地震載荷不同標準下應力情況。

首先,每種工況計算得到最大應力要小于材料許用應力;

其次,在各種工況下,受壓應力的上弦桿必須要驗算其穩定性。

構件受壓、扭轉屈曲狀態時,根據如下公式進行驗算[6]35:

(3)

式中：N—最大軸向力，kN；A—材料截面積，mm2；f—材料許用抗彎強度，N/mm2；Mx，My—x、y向彎矩，kN·m；rx，ry—截面塑性發展系數，封閉截面取1.05；Mplx，Mply—材料繞x軸、y軸許用彎矩，kN·m。

筆者采用ANSYS軟件APDL語言編程計算得到各種工況下應力、軸向力、兩個方向彎矩后,對其穩定性進行核算。

當PGA=0.05 g時,計算得到各組合工況的數值如表2所示。

表2 組合工況應力

從表2可以看出:各種組合工況都可以滿足材料許用應力要求,即計算得到的應力小于材料許用應力σs。組合工況2軸向力最大,力矩較小;地震組合工況3、4因為地震橫向載荷的影響彎矩變大,但穩定性也滿足要求。

對此例PGA=0.05 g的桁架,幾種組合工況應力和穩定性都滿足需求。

2.5 地震PGA取值范圍

《中國地震動參數區劃圖》中地震峰值加速度與烈度對照表,局部地區地震加速度會考慮到0.5 g,因此對不同地震加速度進行了模擬計算。

對自動扶梯單跨跨度小于15 m的情況,筆者對主要承力桿件規格進行優化設計,得出不同地震加速度時自動扶梯桁架型材的加強方案,如表3所示。

表3 不同地震加速度(PGA)時桁架型材規格

從表3可以看出:對自動扶梯單跨跨度小于15 m的情況:PGA<0.24 g時桁架型材規格不變;當PGA>0.24 g時,桁架型材進行了加強,這樣才能滿足受壓桿件穩定的要求。

當遇到客戶定義的地震加速度正好是0.24 g時,建議桁架方案選擇PGA>0.24 g的方案。

3 土建處理方案

3.1 頭部固定方案

地震工況時,建筑物自身需要根據抗震烈度要求按照建筑標準進行加強設計。依附于建筑物上的自動扶梯需要滿足的基本要求是:大震不倒、小震不壞,必須在自動扶梯和建筑物接口的處理上嚴格保證達到該要求。

自動扶梯需要將一端固定在建筑土建上,土建深度和預埋件都需要建筑設計之初雙方溝通確認并落實到施工圖紙上。頭部固定方案是將支反力較大的上頭部與建筑物做固定處理,其他支撐常規滑動處理。

頭部支撐固定處理方式如圖3所示。

圖3 頭部固定處理方式示意圖(單位：mm)

3.2 中間支撐固定方案

對于有中間支撐的自動扶梯,固定中間支撐位置也是比較好的選擇,土建施工時比頭部固定更容易實現,但對建筑空間會有一定影響,這需要建筑設計時綜合考慮,將必須的土建預埋零件設置好。采用中間支撐固定方案時,其他支撐按常規處理。

中間支撐固定處理方式如圖4所示。

圖4 中間支撐固定處理方式示意圖

3.3 土建延伸處理

地震發生時,建筑物下方的地基發生搖晃,建筑跟著前后、左右搖晃。要使架設在建筑中的自動扶梯不掉下來,除了頭部固定方案或中間支撐固定方案外,在其他支撐位置處桁架必須有相應的延伸量。也就是自動扶梯桁架和土建要設置一定的延伸量,這些自由滑動空間讓自動扶梯能夠釋放地震波帶來的移動,從而不會從建筑支撐處掉落。

對自動扶梯單跨跨度小于15 m的情況,桁架和土建延伸量設置如表4所示。

表4 不同提升高度桁架和土建延伸量設置

桁架延伸處理時,考慮到端部大角鋼的強度問題,建議上弦桿做延伸,延伸量與大角鋼延伸量一致。

桁架和土建延伸處理示意圖如圖5所示。

圖5 桁架和土建延伸處理示意圖

4 結束語

筆者采用ANSYS軟件,在常規工況強度分析的基礎上,采用有限元方法重點對地震載荷工況進行了分析,針對土建處理做了詳細闡述。

研究結果表明:

(1)地震加速度PGA在0～0.5 g時,根據計算結果不斷調整桁架型材規格,得出合適的桁架加強方案;

(2)地震工況時,要保證自動扶梯不會從支撐處掉落,必須有一個支撐點是固定在土建上,桁架頭部滑動支撐處和土建也都要做相應的延伸處理。筆者對頭部支撐固定和中間支撐的固定方式做了描述,對不同提升高度桁架和土建延伸量設置提出了參考量值,具有實際借鑒意義。

在下一階段,筆者將繼續深入研究自動扶梯桁架結構安全問題,考慮多中間支撐桁架、大跨度無支撐桁架結構如何加強并優化,將實際生產中遇到的非標問題逐步標準化,以提高生產效率,降低成本。