抗震设计中受迫位移的扶梯桁架评估

详细介绍了抗震设计的准确分析方法。

作者：关口健太郎、堀江则隆和宇都宫博文

该论文发表于  马德里 2016，垂直运输技术国际大会，并首次发表在 IAEE 书中 电梯技术21，由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载   （网站：www.elevcon.com）。

11年2011月200日，日本发生严重地震，自动扶梯倒塌。 这是由建筑物的层间位移（称为“楼层漂移”）引起的，从而导致自动扶梯的跨度波动。 强加在自动扶梯桁架上的强制位移可能导致其遭受重大损坏。 因此，日立通过模拟评估了其在强制位移下的强度。 此外，模拟是根据实际尺寸进行的。 根据仿真结果，即使在强制位移XNUMXmm的情况下，扶梯桁架也没有倒塌。 此外，我们还建立了用于抗震设计的扶梯桁架的强度分析方法。

介绍

日本地震发生的频率有所增加。 日本自动扶梯的地震标准是在兵库南部地震（Mj7.2，1995 年 2009 月）之后引入的，并在电梯技术标准评论（XNUMX 年版）中标准化。^[1]

然而，自动扶梯倒塌的现象^[2] 仍然发生在东日本大地震期间（Mj9.0，2011 年 2014 月）。 怀疑自动扶梯倒塌的原因是建筑物的楼层偏移。 因此，作为行业标准的自动扶梯的抗震设计标准于 XNUMX 年由《建筑标准法》强制执行。^[3] 当层间位移大于间隙时，由于结构梁的强制位移，扶梯框架会受到压缩。 压缩对自动扶梯框架的影响尚不清楚。 当间隙较小时，需要证明扶梯框架的变形不影响其安全。

本文阐述了日立自动扶梯在适应新的抗震设计标准后的施工思路。 此外，它还描述了由于间隙不足而导致的自动扶梯桁架上的强制位移的评估。 目的是通过对已安装的自动扶梯进行局部改造以符合抗震准则。

发展背景及目标

日本抗震设计标准

自动扶梯的框架包括桁架及其两端的支撑角钢。 自动扶梯通过相应的支撑角度悬挂在顶层和底层的结构梁上。 当建筑物发生层间位移时，安装的自动扶梯的跨度会发生波动。 建筑细长的纵横比影响了扶梯跨度的变化。

图 1 显示了典型自动扶梯的侧视图和支撑角的放大图。 跨度 (K) 由于故事漂移而从其初始尺寸 (K0) 波动。 支撑角的间隙（支撑角与结构梁垂直面之间的距离）和重叠长度（水平面中支撑角在结构梁上的总长度）在地震期间发生变化。

《建筑标准法》强制执行的抗震设计标准规定，楼层变形角的大小必须为自动扶梯高度的 1/24。 这是曾经的行业常规标准1/100的楼层变形角度的四倍多。

当层间位移（γH）值大于净空时，由于结构梁受迫位移，扶梯框架受到压缩。

新型自动扶梯对应结构

日立考虑了重叠长度和净空，以响应新地震标准中层位移的变化。 在单侧固定结构的情况下，一侧固定，另一侧不固定，只能在不固定的一侧提供足够的间隙。 此外，如果一侧的间隙变大，则支撑角的力臂增加，导致应力条件变得严重。 另一方面，可以在非固定结构的两端分配必要的间隙。 在这种情况下，两端的间隙变短，从而使支撑角处产生的应力减小。 因此，新的自动扶梯采用两端不固定的结构。 自动扶梯的横向运动通过使用平行限流器（横向安全锁）来限制。

考虑到非大地震引起的建筑物摇晃时，一侧的支座应半固定[4]。 半固定支撑角钢是为规模不大的地震而建造的，并且是一种在大地震期间框架内发生实质性损坏之前变得不固定的结构。 这充当了地震的“保险丝”。 （图 2 显示了半固定侧的侧视图。）

半固定端是通过将半固定销等零件添加到未固定端来创建的。 利用这项创新，日立旨在增加人性化自动扶梯和电梯的产品销量。 [5]

 已安装自动扶梯的问题

新扶梯和现有扶梯在发生地震时都会受到地震破坏。 预计安装的自动扶梯在应用抗震改造后能够符合最新的抗震设计标准。 实现这一点后，已安装的自动扶梯可达到与新自动扶梯相同的安全水平。

对于目前正在运行的自动扶梯，必须缩短其极端长度以增加间隙，以防止地震期间的压缩。 然而，在其安装位置更换这种自动扶梯可能很困难，从而阻碍了任何形式的抗震改造。 因此，必须对已经运行的自动扶梯进行强度分析。

本文介绍了电梯强度分析，该分析使用弹塑性分析来获得与建筑标准法进行的实际尺寸测试所产生的结果类似的结果。

还确定了框架在受到结构梁强制位移时的变形状态和剩余强度。

根据《建筑标准法》进行了实际尺寸测试，其中对高度为 200 米的框架施加了 3 毫米的强制位移。 [6] 将分析产生的水平反力位移曲线与上述试验结果进行比较，分析方法在下一节中详细说明。

强度分析

测试条件

施加在自动扶梯上的强制位移为200 mm，与实际尺寸测试中使用的试验机行程相同。 在上升 3 米的情况下，地震准则中基于楼层变形角的 1/24 的最大压缩值仅为 125 毫米。 但是，模拟分析中使用了 200 毫米的强制位移来复制实际尺寸测试的条件以进行比较。

模型形状

考虑了两种类型的框架。 第一个是桁架框架（模式 A），而第二个是将 H 型轧钢材料挤压形成梁的框架（模式 B）。 为了与实际尺寸测试比较，自动扶梯的上升设置为3 m（与实际尺寸测试相同）。 每个框架的外部尺寸如图3所示。此外，还对框架为5米的自动扶梯进行了另一次模拟，以检查200毫米的强制位移对更高的自动扶梯的影响。

仿真分析条件

自动扶梯是使用承受其重量所必需的框架和支撑角度来建模的。 分析模型是使用主要元素壳创建的，其中包含积分元素，并为每个元素提供了一个集中的点质量。 每个乘客、台阶、移动扶手、栏杆部分和内部设备的质量作为垂直点载荷输入。 载荷施加到框架结构上部的纵梁上。

对于边界条件，上支撑角是固定的，而下支撑角被赋予水平强制位移。 较低的支撑角放置在刚性墙上，模拟结构梁。 该刚性墙同时接触支撑角钢的水平和垂直表面，并在刚性墙水平位移时使框架产生强制位移。

图 4 显示了施加强制位移后框架的状况。 模拟结果表明结构梁之间的位移差为 5 mm。 由于梁不太可能被均匀压缩，因此这种位移差异被认为是可以接受的。

 在模拟中，应用了高达 200 毫米的压缩位移。 在 0-0.15 秒时引入活荷载和设备重量。 作为初始条件，而在 0.15-0.5 s 时引入强制位移。 整个模型被简化，材料的弹塑性属性用两条直线近似（图 5）。

为了与实际尺寸测试进行准确比较，对各个框架给出了以下材料特性： 桁架框架形状 A = 598 MPa 的断裂应力； 梁结构形状 B = 555 MPa 的断裂应力。 使用的分析求解器是 LS/DYNA（由 Livermore Software Technology Corp.）。

仿真结果

图 6 显示了在两个框架上施加 200 mm 强制位移时框架变形的侧视图，而图 7 显示了前视图。 框架的变形在下部比上部更严重。 弯曲点位于框架的下部长度； 随着变形的增加，弯曲角度也随之增加。

比较正视图的变形，桁架框架 A 经历了比梁结构框架 B 更大的变化。这可能是由于各个框架组成构件的刚度不同所致。

图 8 显示了四个部分的尺寸变化，即：

1. 上横断面
2. 中间渐变
3. 下横断面
4. 支撑角之间的距离。

它是初始状态和变形状态的比较。 下水平截面桁架A的变形较大，而梁框架B的弯曲角增加较大。 因此，证实了上述趋势。

通过分析得到下弯曲点周围的应力。 这些值低于材料的断裂应力。 对于桁架框架 A，获得的应力值为 536 MPa（断裂应力安全系数为 1.11）。 梁结构框架 B 获得的应力值为 368 MPa（断裂应力安全系数为 1.50）。

强度分析与实际尺寸测试的比较

图 9 和图 10 显示了纵向水平力与施加在桁架框架 A 和梁结构框架 B 上的受迫位移之间的关系。实测数据用虚线表示。 细实线表示上升 3 米的分析结果，粗实线表示上升 5 米的分析结果。 从图 9 和图 10 中可以看出，模拟分析的图形表示类似于实际尺寸测试的结果。 通过强度分析和实际尺寸测试获得的结果在形状上是相似的。

对比3米和5米高程强度分析结果，高程变化影响不大。 总体而言，无论是模拟还是实际尺寸的测试，水平反作用力仍然存在，甚至到强制位移为 200 mm 的点。

确认了框架不会因强制位移而倒塌。 如果分析得到的水平反作用力降为零，则表示扶梯框架不能再得到支撑，意味着扶梯在200mm的强制位移下会倒塌。 由于模拟结果表明水平力没有减少到零，因此可以确认框架没有因受迫位移而脱落。 因此，日立可以通过模拟进行评估。

另一方面，在实际尺寸检查期间，没有检测到框架内的任何结构构件或焊缝的破损。 而且，在模拟分​​析过程中，在受迫位移下框架A和框架B的材料中发现的应力没有达到材料的屈服强度。 因此，可以得出结论，当对扶梯框架施加强制位移时，分析表明扶梯不会倒塌。

结语

本文描述了日立对为适应日本新地震标准而创建的新自动扶梯设计所采用的思维方式。 对于安装了自动扶梯的情况，对框架进行了强度分析，所得信息总结如下。

在实际尺寸测试和模拟分析中，受迫位移导致框架发生塑性变形，但作用在框架上的水平反作用力仍然存在，从而确认扶梯仍能得到支撑。 对于大于 200 毫米的强制位移，必须进行更多的模拟来确定自动扶梯框架是否会倒塌。 实际尺寸测试没有显示自动扶梯构件失效的迹象，而模拟分析也表明没有材料失效的迹象。 因此，可以得出结论，使用这种分析方法可以预测实际尺寸测试的结果。 因此，当自动扶梯桁架受到强制位移时，这种抗震设计分析方法可以准确地证明自动扶梯不会倒塌。

案例
[1] 日本建筑设备和电梯中心基金会，日本电梯协会。 “2009 年版电梯技术标准评论”，第 167-182 页（2009 年）。
[2] 国土交通省。 《关于《自动扶梯防坠落措施暂行方案》征求意见稿的参考》（2012）。
[3] 日本建筑设备和电梯中心基金会，日本电梯协会。 “2014 年版电梯技术标准评论”，第 1.3.115-1.3.126 页（2014 年）。
[4] Horie, N.、Sekiguchi, K. 和 Utsunomiya, H.“半固定结构中桁架的强度分析”，日本机械工程师学会 2014 年年会（2014 年）。
[5] Fukuda, T.、Sakaue, M. 和 Ise, Y.“对人类和环境友好的自动扶梯”，ELEVCON，第 21 届国际垂直运输技术大会（2010 年）。
[6] 东京电机大学。 《2014年建筑标准法维修促进业务报告，调查编号：P8，职权范围：关于自动扶梯安全措施方式的审查》（2014年）。