西雅图轨道交通东线自动扶梯抗震分析

李 骏 郭旭红

1.苏州大学 机电工程学院 江苏苏州 215006 2.苏州江南嘉捷电梯有限公司 江苏苏州 215122

1 分析背景

近年来轨道交通迅猛发展,自动扶梯作为附属设备,已广泛应用于高铁、地铁、轻轨、有轨电车站点。我国相关标准及规范中并没有对电梯和自动扶梯提出抗震方面的要求[1],美国和德国对自动扶梯的抗震要求也仅限于静力法,将地震动作用下的惯性力等效为静力,作用于自动扶梯的桁架上[2]。笔者以美国西雅图轨道交通东线贝尔维尤站自动扶梯为研究对象,建立有限元模型,利用时程法分析自动扶梯在地震作用下的响应情况,为提高国内自动扶梯的抗震性能提供技术参考。

2 有限元模型

贝尔维尤站为西雅图轨道交通东线的交通中心,使用场合为轻轨,采用重载公共交通型自动扶梯。自动扶梯桁架基本参数见表1,桁架材料选用Q345B钢,性能见表2。

表1 自动扶梯桁架基本参数

表2 桁架材料性能

应用ANSYS软件参数化语言,建立自动扶梯桁架的有限元模型,对上下弦杆、竖撑、斜撑、支撑大角钢、横梁等采用BEAM 189梁单元模拟,对主驱动竖板、封头板、封底板采用SHELL 63壳单元模拟[3-4]。自动扶梯桁架模型如图1所示,网格划分后如图2所示。

▲图1 自动扶梯桁架模型▲图2 自动扶梯桁架模型网格划分

设定重力加速度,ANSYS软件参数化语言自行计算自动扶梯桁架的重力。扶手装置、梯级、梯级链、导轨、围裙、外装饰等零部件的载荷较为分散,受力分配复杂,很难掌握真实的桁架受力情况。为了简化计算,各系统零部件载荷和乘客载荷以分布载荷形式施加于桁架上,驱动主机、主驱动、扶手驱动、张紧装置、上下控制柜等以集中载荷形式施加在桁架上[5]。

自动扶梯的中间支撑距下台口为12 910 mm,限制该处作用点的所有自由度,同时因自动扶梯采取下端固定、上端自由滑动的形式,将下端作为固定端全约束,上端自由端只约束Y方向。

3 时程分析法分析

采用时程分析法时,为防止地震动记录离散性造成求解结果离散性过大,记录样本数量不宜过少[6]。ASCE/SEI 7-10《建筑物和其它结构的最小设计荷载》规定,场地类别不确定时,采用D类场地[7]。工程项目地点为西雅图贝尔维尤,可以得到短周期设计反应谱系数为8.163 4 m/s2,1 s周期设计反应谱系数为4.9 m/s2,最大周期为6 s。通过以上三个参数,可以在地震动数据库中筛选出与抗震设计反应谱相近的地震动记录[8],记录序号分别为888、1113、5831。地震动记录选择集见表3,VS30为30 m深度土层的剪切速度,D5-75、D5-95分别为达到5%～75%、5%～95%Arias地震强度的持续时间。每组地震动记录分别由竖直断裂带的水平向地震波、平行断裂带的水平向和竖直向地震波组成,经过调整后,可用于自动扶梯桁架抗震的时程分析。

表3 地震动记录选择集

为了验证自动扶梯桁架的抗震安全性,需要对强度进行验算。在三组地震波的作用下,自动扶梯桁架最大应力时程曲线如图3所示,最大应力峰值及出现的时间见表4。由图表可知,在地震动最初和地震动活跃期,自动扶梯桁架的应力较大。当然,自动扶梯桁架的最大应力峰值只有27.0 MPa,远小于Q345B钢的屈服应力345 MPa,自动扶梯桁架处于弹性工作状态。分析表明,自动扶梯桁架不会因为强度不足而被破坏,其抗震性能是安全可靠的。

▲图3 自动扶梯桁架最大应力时程曲线

表4 自动扶梯桁架最大应力峰值与时间

在三组地震波作用下,自动扶梯桁架最大变形时程曲线如图4所示,最大变形峰值及出现的时间见表5。自动扶梯桁架的最大变形值为11.0 mm,相对于桁架总体而言,变形量还是较小,即使在地震动作用下,也可满足挠度1/1 000的要求。

▲图4 自动扶梯桁架最大变形时程曲线

表5 自动扶梯桁架最大变形峰值与时间

4 时程分析法和静力法对比

ASME A17.1—2016《电梯和自动扶梯安全规范》对2级及以上地震危险区域的自动扶梯和自动人行道提出了具体安全要求:自动扶梯和自动人行道金属骨架及其支撑件在承受沿水平和竖直方向分开的地震惯性力作用时,能够承受自身质量的惯性效应,而不发生永久变形[9]。

为进行对比参照,依据ASME A17.1—2016对本项目自动扶梯桁架抗震进行静力分析,分别施加水平地震力和竖直地震力,等效应力图如图5所示。时程分析法应力最大和变形最大时的等效应力图如图6所示。静力法和时程分析法的求解结果见表6,可见所得结果基本一致。

▲图5 施加地震力等效应力图

▲图6 时程分析法等效应力图

表6 求解结果对比

5 结束语

笔者对西雅图轨道交通东线自动扶梯进行抗震分析,由时程分析法得到的自动扶梯桁架最大应力比静力法略小,由时程分析法得到的自动扶梯桁架最大变形比静力法略大,因为桁架的支点间距较小,所以结果基本一致。在自动扶梯大跨距或者无中支时,除了按ASME A17.1—2016进行静力分析,还应通过时程分析加以验证,提高自动扶梯桁架的抗震性能。

通过两种分析方法的模拟和求解,确认自动扶梯桁架满足美国抗震设计要求,并具有较高的安全因数。