浅析电梯抗震性能分析方法

2022-09-11

地震动是一种随机性很强的地面运动, 预测结构地震反应的理想方法应是于概率条件特性的随机振动方法。但目前随机振动理论自身发展还不够完善, 人们对地震的认识也不全面, 对于实际的结构, 要想完全根据其结构形式、材料特性等建立比较准确的、符合实际的力学模型, 并应用随机振动理论来准确预测其地震反应还存在许多困难。因此, 在进行结构的地震反应分析时, 多采用确定性的分析方法。

用确定性方法进行地震分析时必须解决好两个关键性的问题:一是选择合适的地震动记录和地震波输入模式;二是建立合理正确的导轨力学计算模型及相应的振动方程。两者具有同等重要的地位, 如果地震波输入不合理, 再精确的力学模型和计算方法, 所得结论也是没有价值的;相反, 如果计算模型不能反映结构的主要力学性能, 往往会导致错误甚至荒谬的分析结果, 也是没有意义的。

电梯作为附属建筑结构的复杂设备, 在地震作用下将与建筑结构一同产生动力响应。考虑到电梯系统对建筑结构的反应影响微小, 两者可以独立进行计算:选择合理的地震波并计算建筑结构的动力响应, 将其做为电梯系统的地震输入。随着计算理论的提高和计算工具的极大改进, 使得基于祸合振动理论的电梯地震反应分析成为可能。

1 地震反应求解方法

地震反应分析方法有三类:静力法;反应谱法;时程分析法。静力法是最早的抗震设计方法, 其思想是将地震产生的惯性力施加在结构上以考虑地震的破坏作用, 并将该力量化为结构重量乘以一个地震系数, 显然该方法并未考虑到结构的动力效应。考虑到不同地区地震强度的差别, 设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分区给出。

根据结构动力学的观点, 地震作用下结构的动力效应, 即结构上质点的地震反应加速度不同于地面运动加速度, 而是与结构自振周期和阻尼比有关。采用动力学的方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。以地震加速度反应为纵坐标, 以体系的自振周期为横坐标, 所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱, 以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理, 即为反应谱法。对于多自由度体系, 可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。以上两种方法仅适用于线性结构, 前者考虑了地震动的幅值, 后者还同时考虑到了频谱特性的影响。对于非线性体系, 由于其不存在固定的周期, 叠加原理也不再成立, 这些方法也将失效。

时程分析方法直接由振动方程出发, 利用数值方法求解其动力响应。作为精确的分析方法, 即能考虑体系的各种非线性因素, 同时也能反应地震动幅值、频谱特性及持时的影响, 可以准确、完整地反映结构在地震作用下反应的全过程状况。按照《规范》对非结构构件的抗震设计方法的规定, 除曳引机可采用楼板反应谱法外, 对于多点支撑的导轨、以及通过导靴与导轨相接触的轿厢和对重的抗震设计并未给出具体说明。由于电梯祸合振动的高度非线性, 采用时程分析方法最能反映出各种动力特性, 是评价其抗震能力和提高抗震设计水平的重要措施。

建筑-电梯为一整体结构, 在地震作用下亦应进行整体分析。整体分析虽然精确可靠, 但计算工作量大;当进行电梯抗震设计或参数分析时问题尤为突出。根据《规范》, 由于电梯系统质量远远小于结构质量, 可认为电梯系统对结构地震反应无影响。因此, 在实际分析时, 仅计算结构在输入地震波下的地震反应, 并将电梯导轨支架处的地震反应作为电梯系统的地震输入, 继而进行电梯系统的地震反应分析。在改变某一电梯参数后, 地震输入并不受影响, 无须对结构重新分析, 只需要对电梯系统完成一次新的分析即可。显然, 分离计算方式可以显著降低工作量, 工程应用较整体分析方便高效。

2 地震输入的确定

地震动输入是对结构进行地震反应分析的重要依据, 采用的地震波不同, 结构的地震反应差别很大, 甚至会相差数倍。地震地面运动特性中, 对结构反应起控制作用的主要影响因素为地震动强度、频谱特性和持时, 因此, 在选择输入地震波时, 必须把握住这三个特征, 即加速度峰值的大小、波形和持续时间。

由于时变祸合系统的高度非线性, 一般采用时程分析的方法求解, 因此计算时输入的地震波应为时域形式, 既可以是实际的强震记录, 也可以是人工地震波。人工地震波是根据随机振动理论产生的符合所需统计特征 (加速度峰值、频谱特性、持续时间) 的地震加速度时程, 可以是以规范设计反应谱为目标拟合而成, 也可以是根据场地地震危险性分析给出的基岩反应谱而合成的基岩人工地震波, 然后进行工程场地的地震反应分析, 得到的该场地不同深度上的地震波。

实际地震波直接反映了地面在特定地震中的真实运动波形, 用它来进行结构的动力响应分析, 能较好地再现结构在地震时的状态。由于不同的结构所在的场地条件不同, 应尽量选择代表各类场地条件的地震波以反映实际结构所在的场地特性, 同时应采用多个实际地震波对同一结构进行动力分析, 以反映地震波这种随机作用下结构响应的统计特性。用于时程反应分析的地震波必须是地震记录完整、波形清楚、数据准确、场地情况清楚且具有代表意义的强震记录。

3 电梯抗震性能评价指标

电梯系统在地震作用下的动力反应包括水平方向、竖直方向。由于破坏主要由水平反应特别是平面内的水平反应引起, 同时假定竖向振动与水平振动、平面内振动与平面外振动藕合较弱, 可以独立进行分析, 本文着重分析电梯系统的平面内水平地震反应。地震作用下电梯系统动力反应分析作为轿厢、对重与导轨间的过渡元件, 导靴的导轮是靠弹簧的初始压力与导轨相接触的。在地震作用下, 反应强烈时, 将导致导靴与一侧导轨间的距离增大, 以至脱离开来;此时若有平面外的微弱扰动, 轿厢或对重将会滑出所在平面即脱轨。脱轨造成电梯无法继续运行, 且导致轿厢与对重发生碰撞, 发生严重的伤亡事故。为确保不发脱轨现象, 必须准确计算出地震作用下导靴与导轨间的最大脱离量, 以便调整参数或加强构造措施。

导轨及支架是导向系统中最为主要的一部分, 不仅为轿厢和对重在垂直方向运动时导向, 而且在安全钳动作时还作为被夹持的支承件以支撑轿厢或对重, 同时还能防止由于轿厢的偏载而产生的倾斜。显然, 导轨的屈服或是支架的屈服都将导致电梯无法继续正常工作。因此, 地震响应分析时, 必须计算出整个响应历程中导轨截面的最大弯曲应力以及支架中的最大应力, 以便调整参数, 防止其超过屈服应力。

综上, 根据其地震破坏形式及其原因, 将导靴与导轨间的脱离量、导轨截面最大内力、支架最大内力作为电梯抗震性能评价指标。

摘要：电梯抗震性能的理论研究对我国电梯行业是一项新的课题。多少年来我们在电梯科研、设计开发和制造工作中, 很少考虑这方面的因素, 而且我国所执行的欧共体国际电梯标准和现行的国家有关电梯标准、法规中也未明确规定对电梯抗震性能的强制性条款。这次四川汶川8级大地震给我们敲响了警钟, 地震给灾区造成了如此巨大的人员伤亡和经济损失, 同时灾区的电梯设备也遭到了严重的损坏, 令人十分痛心。

关键词：电梯,抗震性能,分析方法