呂風英朱 彤萬 會

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司 承德 068350)

（2. 大連理工大學 建設工程學部 大連 116024）

電梯對重—導軌系統(tǒng)的抗震措施試驗研究及分析

呂風英1朱 彤2萬 會2

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司 承德 068350)

（2. 大連理工大學 建設工程學部 大連 116024）

地震時，電梯對重脫軌主要由于導軌動力響應過大造成。為了解地震時電梯導軌在有無保持裝置時的動力響應差異，對一段帶有對重和導軌的局部足尺模型進行了振動試驗，并利用有限元軟件ANSYS對試驗進行數(shù)值模擬。結果表明，有限元結果和試驗結果吻合較好,證明了所建有限元模型的正確性；同方向同幅值地震激勵時，安裝保持裝置的導軌動力響應比無保持裝置的小，且保持裝置使導軌動力響應有均化趨勢，這些都會有效地防止實際地震時電梯對重脫軌。

對重脫軌 保持裝置 足尺模型 振動試驗 數(shù)值模擬

電梯在地震中的安全性能對建筑物中的人員以及財產(chǎn)的安全都非常重要，開展電梯結構的抗震性能試驗研究對于保障國家生產(chǎn)的正常發(fā)展和人民的生命財產(chǎn)安全有著重要的意義。地震時，高層建筑的電梯會受到不同程度和不同形式的損害，多次震后數(shù)據(jù)[1-2]統(tǒng)計表明，電梯對重脫軌是比例最高的破壞形式，脫軌的對重和轎廂往復碰撞，會帶來二次傷害，造成更大的人員傷亡和財物損失。

國外由于高層建筑發(fā)展較早，對電梯的抗震研究較早且較多[3-5]。Mahendra P. Singh[5]采用Lagrange方程建立了對重—導軌體系的耦合振動方程，將地震激勵以樓層慣性力施加在對重系統(tǒng)上；Yang T.Y，Kullegowda H等[3]同時做了對重—導軌體系的模型試驗和數(shù)值模擬，并對兩者結果進行對比，但其模型是縮尺模型。國內也有人做了相關的研究[6-8]，但與國外研究方法一樣，偏于現(xiàn)象總結和理論解析推導。他們通過理論解析推導出電梯在地震波激勵下的動態(tài)響應規(guī)律并提出一些抗震和防脫軌的措施，在一些措施中，提高構件強度和接觸部位的柔性對抗震效果是顯然的；多數(shù)文獻提到防對重脫軌裝置，但未對其進行試驗或是數(shù)值驗證。國內在2015年編寫的《地震情況下的電梯要求》[9]提到了保持裝置(一種防脫軌裝置)。本文基于此，用試驗和數(shù)值模擬去探究保持裝置的作用。

試驗可以得到模型在地震激勵下有無保持裝置的定量結果，數(shù)據(jù)對比具有一定的說服力。此次試驗為增加結果的可靠性，采用足尺模型，分有無保持裝置的試驗模型在不同方向、不同級別的實測地震波下進行地震激勵試驗。最后用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬，以達到數(shù)值和試驗相互驗證的目的。

1 試驗概況

1.1 試驗模型的確定

電梯的導軌—支架可看作帶有彈性支撐的連續(xù)梁，連續(xù)梁上的碰撞力或是位移激勵有一定的影響范圍。計算表明，當連續(xù)梁超過三跨后，荷載對連續(xù)梁產(chǎn)生的作用效果基本一致，所以在試驗模型中選擇三跨導軌會產(chǎn)生最好的結果，局限于試驗環(huán)境和條件，并且兩跨和三跨連續(xù)梁在動荷載下的響應效果差別也不是太大，所以選擇兩跨導軌。

把導軌—支架體系焊接于一鋼性框架上，并將對重通過鋼索懸掛于外框架的頂梁上，那么試驗外框架相當于建筑物，地震作用通過振動臺面?zhèn)鹘o外框架后，外框架通過支架將振動傳遞到導軌上，從而使導軌和對重相互撞擊，這樣的地震響應試驗與實際有一定差異，但振動傳遞規(guī)律和實際一致，所以得到的導軌反應規(guī)律也將相似于實際地震時對重—導軌耦合振動效果。

多數(shù)電梯廠家在對重側使用固定滑動導靴和空心導軌以達到節(jié)省成本的目的，這也是對重在地震中容易脫軌的主要原因。所以本次試驗中采用TK5A型空心導軌和固定滑動導靴。

圖1為本試驗的重要構件—保持裝置，保持裝置類似于導靴上的擋板，位置處于對重塊中部。電梯正常運行時，保持裝置與導軌沒有接觸，地震激勵時，對重和導軌相互撞擊，保持裝置發(fā)揮作用。

圖1 保持裝置

試驗外框架(2.5×2.5×6m)采用Q235鋼；對重所用材料為53個鑄鐵塊，總重2014kg；鋼絲繩、繩頭組合以及導軌等均采用原結構材料。模型外框架底部焊接在20mm厚鋼板制成的底座上，再通過高強螺栓與振動臺相連接。圖2為試驗模型的整體照片。

圖2 振動試驗模型

1.2 試驗設計

試驗在大連理工大學水利工程學院抗震實驗室的振動臺上進行。圖3為試驗測試系統(tǒng)組成的示意圖，試驗中采用MTS振動控制系統(tǒng)輸入地震動激勵；采用MDR加速度測量分析系統(tǒng)采集加速度信號；NI-PXI應變測試儀采集應變；非接觸視頻測量系統(tǒng)采集位移。

試驗包括白噪聲掃頻和地震波激勵試驗，掃頻研究模型在有無保持裝置下的基頻變化；地震波激勵試驗研究模型在有無保持裝置下的加速度響應、應變響應以及導軌變形響應的變化。掃頻用小振幅白噪聲信號驅動振動臺，進行頻率掃描；汶川地震中電梯大量受損，所以地震激勵試驗采用2008年汶川地震于茂縣實測的地震波，圖4為此地震波的加速度時程曲線，由于試驗采用足尺模型，所以地震波不用相似轉換。

圖3 試驗示意圖

圖4 輸入的茂縣波時程曲線

試驗中將地震波加速度峰值調整為0.3g、0.4g、0.5g；定義垂直于對重面方向為X，平行于對重面方向為Y(見圖2)，分別沿X、Y兩個方向輸入地震波。表1為試驗工況。

表1 試驗工況

1.3 測點布置

●1.3.1 加速度測點布置

為方便對不同工況下的加速度響應進行對比，所有工況加速度傳感器布置方案一樣，圖5給出加速度傳感器布置示意圖。1~7號傳感器均勻布于整個導軌，由于結構和激勵輸入方向的對稱性，只布置其中一個導軌；8號傳感器位于外框架頂梁，以測定外框架的動力響應；9號傳感器位于對重重心位置，測定對重的動力特性；10號傳感器布置在振動臺面上以檢測地震激勵輸入的正確性。

圖5 加速度傳感器布置圖

●1.3.2 應變測點布置

應變測點主要布置在左、右導軌的上、中、下支架以及保持裝置附近，考慮到地震輸入時導軌結構的響應以受彎變形為主，因此，各應變測點主要布置在導軌的兩翼以及腹面上，以盡量保證可以測試到結構振動產(chǎn)生的最大應變。結構模型應變測點布置圖以及局部詳圖見圖6。

●1.3.3 位移測點布置

采用英國Imetrum有限公司生產(chǎn)的GigE.117fp非接觸式視頻位移測量分析系統(tǒng)對處于下跨導軌上的編號為4~7的四個加速度傳感器位置及下跨導軌的中部位置共5個點(見圖5)進行位移實時測量。

2 試驗結果分析

2.1 模型卓越頻率分析

向振動臺輸入白噪聲波，并對結構上某點加速度時程做傅里葉變換可以得到該點所屬結構的卓越頻率，由于本試驗模型為多個構件的組合結構，所以不同構件上的加速度測點將得到不同的頻率信息。

所有加速度測點做傅里葉變換得到三個主要的結構卓越頻率，通過輸入這三個頻率的小幅度正弦波，確定三個頻率分別屬于對重、外框架和導軌，并且有無保持裝置下，試驗模型的X向和Y向掃頻結果基本一樣，說明保持裝置對模型結構影響很小且結構對稱性較好，結果見表2。

表2 試驗模型的卓越頻率

2.2 導軌加速度響應

定義加速度放大系數(shù)為某測點加速度時程曲線峰值與臺面加速度峰值的比值。圖7為兩個方向上，導軌上加速度測點放大系數(shù)沿高度的分布。

由圖7可以得到如下結論：

1）導軌與支架(測點高度0.5m，3m，5.5m)結合部位測點加速度響應較小，每跨導軌中部位反應較大；同樣峰值的激勵，同位置測點反應Y向大于X向。

2）同樣幅值地震波激勵下，不管是X向還是Y向，有保持裝置測點反應均小于無保持測點反應，所以，加裝保持裝置對抑制導軌振動有一定的作用。

表3列出兩個方向各級別地震激勵下最大的加速度放大系數(shù)減小百分比。

表3 加速度放大系數(shù)對比

由表3可以看出，加速度放大系數(shù)減小百分比最多的測點大部分為7號測點，7號測點為下支架位置，說明保持裝置對抑制導軌下部振動的作用更為明顯；每個方向下，加速度放大系數(shù)減小百分比有增大趨勢，說明強震時，保持裝置的抑制作用可能更為明顯。

2.3 導軌應變響應

試驗結果表明，X向輸入激勵時，導軌翼緣應變大于腹面應變；Y向激勵時，腹面應變略大于翼緣應變；導軌支架上應變很小。圖8給出導軌上測點應變響應峰值沿高度變化，其中X向由導軌上奇數(shù)號測點結果組成，Y向由導軌上偶數(shù)號測點結果組成。

圖8 應變峰值沿導軌分布

由圖8可以看出：

1）兩個方向上導軌動應變響應分布規(guī)律不同，X向時下支架部位反應較大，Y向時上導靴位置較大；當基礎輸入同等幅度的地震波時，沿X向激勵產(chǎn)生的動應變幅值大于沿Y向激勵產(chǎn)生的動應變幅值。

2）保持裝置對動應變響應有影響，同方向同幅值激勵時，最大應變測點幅值降低明顯，雖然保持裝置附近點應變由于保持裝置的撞擊而增大，但它卻使整體導軌動應變響應有均化的趨勢。

表4列出激勵幅值為0.5g時，兩個方向各測點應變峰值增大或者減小百分比。

由表4可以看出，有保持裝置相對于無保持裝置的動應變峰值有增大也有減小，但是減小幅度小于增大幅度，且保持裝置位置的測點由于保持裝置的撞擊而增大，但整體上導軌應變有減小趨勢。

表4 應變響應對比

2.4 導軌變形響應

非接觸視頻測量儀器測得的位移為空間絕對位移，以7號加速度測點(下支架)為基點求其他位移測點的相對位移，即導軌變形。圖9為有無保持裝置下導軌變形。

圖9 導軌變形

由圖9可以得到：

X向激勵時，導軌變形在1.75m處較大；而Y向激勵時變形分布比較均化。

加裝保持后，臺面輸入幅值相同激勵時，保持裝置測點(距離臺面2.167m)變形相對無保持狀況略有升高，但其他測點變形普高減小，此現(xiàn)象在X向振動時更為顯著，最大減小11.7%，說明保持裝置可以降低導軌的動力變形。

3 有限元模擬分析

ANSYS是一套基于有限元方法的數(shù)值模擬軟件。數(shù)值模擬中涉及到導軌和對重導靴、保持裝置的接觸碰撞非線性，針對非線性分析，ANSYS能選擇合適荷載增量和收斂準則。

3.1 有限元模型的建立

外框架上構件的連接采用剛結，導軌和支架的連接通過節(jié)點耦合自由度達到鉸結，外框架和導軌均采用BEAM44單元；懸掛對重的繩索采用LINK10單元，開啟受拉模式，并帶有預應力；將對重和對重架簡化為一均質連續(xù)體，采用SOLID45單元，彈性模量適當擴大以使對重近似剛體運動。

合理碰撞模型的建立是分析碰撞動力響應的的前提，Jankowski[10,11]在一系列碰撞研究中指出碰撞模型剛度和阻尼取值合理的情況下，Kelvin模型得出的數(shù)值結果和試驗結果有較好的吻合，所以采用接觸單元法中的Kelvin模型模擬對重導靴、保持裝置和對重的碰撞。ANSYS中可以采用COMBIN40單元來代表Kelvin模型。

圖10 應變時程對比

COMBIN40單元的彈簧剛度和阻尼采用相關經(jīng)驗[12]得到估計值，通過剛度和阻尼參數(shù)的調整，當彈簧剛度取值1×105N/m，阻尼取1446 N·s/m時，數(shù)值結果和試驗結果比較吻合。見圖10，圖10為0.3gY向茂縣地震波激勵下，導軌4號測點應變時程曲線的數(shù)值解和試驗值的對比，曲線下凸是由于Y向地震響應時，對重對導軌的撞擊為單向。

3.2 卓越頻率的對比

有限元中，用彈簧單元代替碰撞接觸點，非線性模態(tài)可以求解，試驗值和數(shù)值解對比見表5。

表 5 卓越頻率對比

由表5可知，除Y向導軌頻率有差異，數(shù)值模擬和模型試驗的其他卓越頻率頻率吻合較好。Y向導軌頻率差異較大可能是因為實際模型中導軌在Y向非形心受彎，而數(shù)值模擬中將導軌形心受彎考慮。

3.3 地震動響應結果對比

數(shù)值模擬考慮0.3gY向地震動輸入，并對試驗值和數(shù)值解的導軌加速度、應變進行對比。見圖11和圖12。由圖11、圖12可以看出，導軌絕對加速度響應、導軌應變響應的試驗值和數(shù)值解在大部分測點比較吻合；在上導靴的位置差異比較大，無保持裝置情況下的吻合程度要高于有保持裝置。

圖11 應變峰值對比

圖12 加速度峰值對比

4 結論

通過電梯局部對重結構的足尺動力模型試驗和數(shù)值模擬，可得到以下結論：

試驗模型的對重、外框架和導軌等結構在X、Y兩個方向的振動周期比較接近，模型的對稱性較好，前幾階模態(tài)以平動為主，試驗中試驗模型未出現(xiàn)明顯扭轉；保持裝置的有無對結構基頻沒有影響。

X與Y向的動力響應有差別，加速度響應Y向明顯大于X向；動應變響應X向下部較大，Y向上部較大。

加速度響應在保持裝置的作用下均有減?。粦兒妥冃雾憫獩]有因為保持裝置的存在而整體減小，但最大測點峰值減小明顯，且整體有均化趨勢，這都說明保持裝置對地震下電梯導軌的動力響應、動應變以及變形的降低有重要貢獻和作用。

數(shù)值解和試驗值吻合響度較好，證明了Kelvin模型在接觸碰撞分析中的實用性。

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Experimental Research and Analysis on Aseismic Measure of Counterweight-rail System in Elevator

Lv Fengying1Zhu Tong2Wan Hui2
(1. Hebei Fengning Pumped Storage Co., Ltd. Chengde 068350)
(2. Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology Dalian 116024)

During the earthquake, the derailment of counter-weight is mainly caused by excessive dynamic response of guide-rails. In order to know the difference of dynamic response of the guide-rail during the earthquake, we make the vibration experiment on a full-scale model with a counter-weight and guide-rails, we also make the numerical simulation in ANSYS. Test results show that the experiment and numerical simulation results are in good agreement; When the same direction and the same amplitude earthquake excitation, the dynamic response of the rail with keeping devices is smaller than the rail without, and the keeping device homogenize the dynamic response, all these can effectively prevent the derailment of the counter-weight during the earthquake.

Derailment of counter-weight Keeping device Full-scale model Vibration experiment Numerical simulation

X941

B

1673-257X(2016)11-0023-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.006

呂風英(1988～)，男，碩士，從事結構抗震及健康檢測工作。

2016-04-28）