电梯地震数值分析

符合 EN 81-77 的地震条件下 MRL 电梯行为的 FEA 建模

作者：Pascal Rebillard 博士和 Frédéric Grimault

每年，在世界范围内，记录的地震次数在 500,000 到 1 万之间。 不幸的是，它们的后果是众所周知的。 建筑物倒塌可能会导致人员死亡或重伤，当地经济会遭受业务损失以及财产损失和维修费用带来的收入减少。

根据历史数据，亚洲——尤其是日本——一直是受地震灾害影响最严重的大陆，尽管美国也是一个高度地震的地区。 尽管如此，欧洲不应被列入危险地震区名单。 其大部分地震活动发生在其南部地区（希腊、意大利、罗马尼亚等），该地区最易受到非洲和欧亚地壳板块对峙的影响。 例如，2009 年意大利的天鹰座地震造成 300 人死亡，数千人被迫离开该地区。

在欧洲，地震学随着时间的推移不断改进。 得益于传感器、电子设备和计算机技术，它在过去 30 年中取得了重大进展。 这些使科学家能够创建更好的模拟并增强预测。 尽管如此，2011 年日本福岛核事故提醒欧洲国家，法国等拥有众多核电站的国家发生地震可能带来的灾难性后果。

2000 年代在欧洲发起的一项计划创建了一个代码，旨在帮助电梯公司和建筑师考虑地震影响。 该标准称为 EN 81-77：电梯的构造和安装安全规则——客梯和货梯的特殊应用——第 77 部分：承受地震条件的电梯.

欧洲对符合 EN 81-77 标准的电梯系统的需求正在增长，即使行业客户仍不了解这一新规范。 

从“水平加速度（a_d)”类别，如 EN 81-77 附录 A 中定义的那样，本技术论文介绍了一种原始的有限元分析 (FEA) 方法，可以验证电梯系统在地震条件下的结构行为。

地震产生的能量由建筑物传递到电梯。 所有电梯部件共同参与以消散这种能量。 在井道中正常使用时垂直移动的所有质量（全部驾驶室重量和配重 [CWT]）在承受水平加速度时将在导轨上施加重要的力。 整个安装的完整性主要由支撑驾驶室和 CWT 导轨的导轨支架 (GRB) 来保证。 必须考虑主要部件（驾驶室、CWT、导轨和 GRB）之间的所有相互作用以及电梯各部分的结构灵活性。

完整的数值模型可以分析导轨和 GRB 的行为。 与 EN 81-77 提出的方法相比，这种方法改进了导轨和 GRB 的结果，其中驾驶室、CWT 和 GRB 被认为是刚性的（图 1）。 这在无机房 (MRL) 电梯安装中尤为重要，因为每个导轨上都施加了重要的压缩力。 在这些安装中，整个系统由导轨支撑，因为机器和末端挂钩固定在导轨的上端。 但是，车架、CWT和机台是分别计算的，好像它们分别参与了能量耗散。 做出这一选择是为了对完整的数值模型进行收敛性考虑，其中车架和 CWT 得到了极大的简化。

目前，FEA 方法用于评估电梯的结构行为，主要是在垂直载荷下。 施加在结构上的加速度只是垂直方向上的重力或速度变化。 只要没有其他应力方向（由地震等事件引起），那么在结构设计中必须考虑水平加速度时，这适用。

根据地震的严重程度，水平加速度的大小（a_d) 可能会有很大差异。 该加速度的值是 FEA 分析中要考虑的主要输入。 EN 81-77 中给出了取决于该加速度值的四种地震电梯类别。

第 1 章：机械子系统的计算

车架

驾驶室不被视为结构部件。 仅计算和分析支撑驾驶室的车架（图 3-6）。 考虑了该系列中最重的驾驶室，因此车架模型中包含代表最重面板的附加集中质量，以具有正确的驾驶室质量和重心。

另一个代表最大负载 40% 的附加质量位于地板上方 1 m 处，大约是人体重心的位置。 模型的所有质量在加速度的作用下产生力； 因此，Von Mises 应力是在车架的所有钢部件上计算的。 还分析了连杆（螺栓、铆钉、焊缝和铆接点）中的力。

机台

对于 MRL 电梯，机器底板固定在导轨的上端（图 7 和图 8）。 在模型中应考虑导轨的最后一部分和刚好在机器底板下方的 GRB 的第一层，因为它们的行为会影响机器底板。 固定在机器底板上的机器和皮带施加在机器滑轮上的力也被实现

CWT

CWT 的功能是尽可能平衡电梯装置的质量（图 9 和 10）。 为了实现这一功能，无论施加在结构框架上的力如何，填料都必须保持在 CWT 中。 在这种模型中，对所有填料进行建模很重要，因为水平地震加速度会引起填料滑动，并且每个填料施加在 CWT 立柱上的力大小不同。 立柱应力的精度取决于这些力。 主要风险是填料在 CWT 框架后溢出 

变形。 因此，对 CWT 的每个部分的应力进行分析，使其不超过钢的屈服应力。 只有弹性变形才会出现。 这种变形不足以引起任何填料逸出。

第 2 章：整个电梯安装的计算

整个电梯装置的完整性尤其取决于引导功能。 GRB固定在井道壁上，保证导轨的直线度和垂直度。 它们还确保所有导轨（用于驾驶室和 CWT）之间的间距合适。

导轨（包括 GRB）的重大变形会导致导靴相对于导轨的排气。 在这种情况下，将不再保证引导功能。 因此，控制对于防止导轨在负载下的位移超过可能危及导向功能的临界值是必不可少的。 另一方面，GRB 的永久变形会影响导轨的完美线性度。 驾驶室和 CWT 引导的质量将下降。

单独考虑每个组件无法有效分析所有这些要求，因此我们决定构建一个完整的模型（包括 GRB、导轨、驾驶室和 CWT）以考虑所有相互作用。 在这个模型中，车架和 CWT 被简化了（所有部件都粘在一起）。 它们仅用于将水平力传递到导向系统。 该模型能够预测：

• GRB 上的应力

• GRB 中的力与墙相连

• 导轨的偏转

• 安装每个点的位移

• 导靴与导轨相对位移评估导引风险

分析实例

在以下示例和图 11 中，井道中每 3 m 有一个 GRB 的第一次分析表明，2.5-ms^-2 当驾驶室导靴位于两个 GRB 之间时，地震加速度会引起三个问题：

1. GRB 中的牵引力与墙壁相连，超出了可接受的限度
2. 一个驾驶室导轨的挠度超过 5 毫米（允许的最大值）
3. Von Mises 应力超过 GRB 中的屈服应力

解决方案是添加中间 GRB（每 1.5 m 至少一个，而不是每 3 m）。 数值结果如图 11 和 12 所示。

最后，GRB 间隔为 1.5 m 而不是 3 m：

• 连接到墙壁的牵引力变得可以接受

• 导轨的挠度除以二

• GRB 中的应力变得可以接受

如图所示，有必要保持 GRB 间隔 1.5 m 的配置并对其进行加固以保持正确的安全系数。 CWT 导轨挠度在 CWT 下横梁附近约 4 毫米（图 13）。 

即使 GRB 间隔为 3 m，引导行为也是可以接受的。 的确，我们可以看到驾驶室下导靴与驾驶室导轨的相对位移约为11.5 mm（图14），但驾驶室导靴在驾驶室导轨上的标称重叠量为28 mm，因此它仍然是尽管发生地震变形，但仍有 16.5 毫米的重叠。

结语

已经描述了一种用于验证电梯系统在 EN 81-77 中指示的地震条件下的结构行为的 FEA 方法。 这种原始方法的好处是可以预测整个电梯系统的地震行为，同时考虑到主要子系统（驾驶室、CWT、GRB 和导轨）之间的机械相互作用。

Pascal Rebillard 博士 是 Otis 系统分析与建模部门的经理，也是支持 Otis 全球开发团队的电梯系统研究员。 他于 1991 年加入奥的斯，并在法国吉恩开始了他的职业生涯，担任研究工程师，负责创建一个声学实验室并解决所有与噪声和振动相关的问题。 同时，作为 FAIS（法国电梯公司联合会）任务的一部分，他与法国住房部密切合作，并领导一个工作组来定义法国现已实施的新电梯声学法规。 他还在 Otis Gen2® 产品系列的开发过程中担任项目经理。 Rebillard 拥有法国勒芒缅因大学的物理学博士学位。

弗雷德里克·格里莫 自 2007 年以来，他一直在法国奥的斯 Gien 研发中心的有限元分析与建模部门负责电梯结构的数值验证。 Grimault 的职业生涯始于汽车行业。 他于 1993 年在法国里昂的国家应用科学学院获得工程学位。