抗震电梯对重装置抗震能力的分析

周宗金

（蒂升电梯（中国）有限公司，广东 中山 528400）

0 引言

21世纪以来，地震是一种严重危害人类生存和发展的自然灾难。我国先后出现了许多严重的地震，2008年发生在四川汶川5.12大地震和2010年青海玉树4.4大地震。随着我国社会生产力的不断发展，我国经济快速发展，出现了大量的新的次生灾难。电梯在地震中发生的事故不仅给当地人民的工作和日常工作带来很大的不便，而且对电梯的安全性特别是其抗震性提出了更高标准的要求[1]。

1 地震灾害后电梯对重系统损坏情况分析

广东、上海、江苏、天津等地在四川发生5.12大地震后，对10390部电梯进行检查。其中1008部电梯明显损坏，损毁概率为9.70%[2]。

根据电梯在地震中的损坏情况，从最大到最小。根据数据统计表1可以看出，在这次地震中，对重系统损坏的电梯共有816部，其损坏概率为7.85%，占全部事故中的80.95%；在这些损伤中，最常见的是对重导靴脱落（对重支架脱轨），最严重的是对重块的掉落与轿厢碰撞[3]。

从表1、表2的地震资料可知，在地震中，损坏比例是最大的是电梯对重装置，而“对重导轨支架”、“对重导靴脱”以及“对重块装载”等都存在极大的缺陷。这些缺陷和隐患暴露出的电梯对重系统存在的不足，亟需改善。

表2 9.12和10.22地震后电梯损坏情况统计表

2 地震灾害后电梯对重系统损坏情况探讨

图1为电梯容易损坏部件的结构图。电梯在受到地震灾害的破坏时，对重系统都会受到不同程度的损坏：1）地震导致建筑物形变和材料失效。当发生地震时，由于夹层结构容易出现较大的弹性形变和永久的变形，因此有关的结构零件脱落[4]，例如对重导轨的变形使对重导靴与导轨分离等。由于地震力的作用，使电梯结构出现断裂、剥落，进而使电梯结构出现故障，对电梯产生间接破坏。例如对重导靴断裂，对重导轨支撑架的固螺栓从墙上脱落等。2）对重架脱轨。在地震中，对重架的破坏最常见，对重架在脱轨时撞击轿厢，造成轿厢的变形，而对重架继续运行时，会对电梯造成新的损伤[5]。根据震动在不同方位引起的对重脱轨，其成因有以下几种：在对重物沿着轨道连接线的方向振动时，对重物冲击到工作面的前部，冲击力通过与重物接触的导靴传递到导向件上，造成导向件的弯曲和变形。当导轨的弯矩较大时，导靴的接合面与导引表面分离，使对重框架与导轨分离。在对重物与导轨的横向方向发生强烈震动时，对重物会在导轨的侧向上产生横向作用力，对重物会撞到导靴和导轨上，从而引起导轨扭转损坏，导轨支架变形，最终导致对重架与导轨脱离。3）对重块坠落。置于对重架内的对重块是一种固体的铸铁（或固体矿物块体），对重块受到水平加速度和竖向加速度的影响，使其发生碰撞，因此对重体脱离对重架。该情况将对井道中工作人员和乘客的生命构成威胁。在地震中，最常见的是中间位置的对重块脱落。其主要原因是在使用新的对重块固定方法后，上部对重块的锁定仅能使下部对重块的限制变得更小，而地震引起的竖向加速度减少了对重块的摩擦力，对重块在中间受力变弱，出现松动，甚至掉落[6]。而用传统方式进行固定的对重块，在地震中没有发生松动脱落现象。

图1 电梯容易损坏的部件结构图

3 电梯对重导轨抗震计算

在地震中，对重系统的破坏是最显著的，在对重系统的破坏中，最主要的是对重导轨（图2）被碰撞后发生的对重框架脱轨，导致对重支架损毁，对重块的掉落等后果[7]。在发生地震问题时，多数对承重装置均为空心导轨，两对重支架之间的间隔通常在2.5 m左右。

图2 实心、空心导轨截面图

由该轨道的受力建立空间坐标系计算可知，对重导轨没有受力，可以视为：Fy=0、Fz1=0、Fz2=0。

在常规工况下，对重导轨受到的作用力较小。由于对重装置和轿厢的结构不一样，它的分配负载是均匀的，所以没有偏载问题。因此，很多厂家都会选用更便宜的空心导轨来做对重导轨，从而降低生产成本。

然而，一旦发生地震，这种受力解析就会彻底改变，如图3所示。外力作用在对重装置上，其大小可用公式（1）计算。

图3 导轨受力分析图

式中：Fy为导轨在y轴的受力，N；对重的自重是Q，kg；gn为重力加速度，m/s2。

这个作用力对导轨会产生形变影响，造成导轨脱离。在导轨上的作用力，可以简化为简支梁的模式，根据材料的力学解析，在2个导轨的中间位置上施加一个作用力时，导轨会产生最大程度的弯曲变形，其数值用公式（2）来量化。

式中：fy（max）为导轨的最大形变量，mm；l为导轨支架之间的垂直距离，mm；E为导轨材料的弹性模量，GPa；IYY为导轨横截面对Y-Y轴的惯性距，cm4。

在该条件下，用数值的方法可以求出最大变形量。空心导轨和实心导轨的实例计算如下。

根据一般电梯的设计参数可得：l=2.5m；E为导轨材料的弹性模量，GPa，查表得1157 GPa。

为导轨横截面对Y-Y轴的惯性距，cm4，电梯空心导轨型号为TK3，如图2（a）所示，查表得12.20 cm4。

将数据带入公式，求得：

与图2 （a）所示导轨的横断面尺寸进行对比，很明显，如果不考虑地震情况，由对重装置产生的动量以及2根导轨同时受力，上述对重导轨的最大变形是64 mm，超过了TK3空心的高度（55 mm）。因此，在发生地震的情况下，大部分使用空心导轨的配重设备都会产生导靴脱离导轨的问题。

同理，在使用如图2（b）中T90实心导轨（=52.00cm4），并且规定当导轨支架安装间隔不超过2.0 m时，计算数据如下。

最大对重导轨的变形量为7.7 mm，比T90的实心导轨高度（75mm）小得多。因此，如果采用相同的对重设备，用实心导轨替换空心导轨，并且确保导轨之间的间隔不超出设计要求，将极大地改善电梯的抗震性能[8]。

3 电梯对重系统抗争安全技术要求

在总结和剖析四川5.12大地震中的电梯损坏形态及特征后，结合技术分析和抗震计算分析，对电梯对重装置抗震技术，提出以下5点建议。1）在计算对重导轨强度与刚度时，必须充分考虑到其他构件在地震作用下受横向力的作用，从而保证导轨不会发生塑性变形。2）当前我国对重式导轨的长度为5 m，常用的对重式导轨托架的跨度为2.5 m，应该采取缩短导轨托架的跨距来提高其耐塑性的承载力，减少碰撞时的变形。3）在结构上，实心导轨比空心导轨有更好的刚性和强度，因此，在地震中，空心导轨很可能因碰撞而发生变形，从而导致对重架脱轨，因此，在地震频发地区，应采取实心导轨来取代空心导轨。4）在设计对重导轨支架和连接机构时，必须在结构强度和刚度设计方面充分考虑到对重式导轨托架和连接杆受横向力的影响。并采用了一些行之有效的方法来保证对重导轨具有充分的抗拉强度，保证其不出现过大的位移。例如将刚性连结杆安装在对重导轨支架上。 5）建议使用传统的方法，由1根刚性连接杆将每块对重块串接在一起，然后在顶部用螺母紧固，从而将对重块与对重架紧密结合在一起，从而有效地避免对重块的松散和掉落。

4 结语

在抗震设计中，如何保证电梯在地震中的安全性，已经成了人们日益关注的焦点。在紧急情况下，电梯的安全性是大家最关注的问题。目前，国内已有相应的法规，但对电梯在地震中的安全性规定尚不够严格，因此，在地震后，有必要根据实际情况，尽快地改进国内的电梯防震技术和标准，将空心导轨更换成实心导轨，以期减少地震期间使用电梯时造成的灾难。