西雅圖軌道交通東線自動扶梯抗震分析

李 駿 郭旭紅

1.蘇州大學 機電工程學院 江蘇蘇州 215006 2.蘇州江南嘉捷電梯有限公司 江蘇蘇州 215122

1 分析背景

近年來軌道交通迅猛發(fā)展,自動扶梯作為附屬設(shè)備,已廣泛應(yīng)用于高鐵、地鐵、輕軌、有軌電車站點。我國相關(guān)標準及規(guī)范中并沒有對電梯和自動扶梯提出抗震方面的要求[1],美國和德國對自動扶梯的抗震要求也僅限于靜力法,將地震動作用下的慣性力等效為靜力,作用于自動扶梯的桁架上[2]。筆者以美國西雅圖軌道交通東線貝爾維尤站自動扶梯為研究對象,建立有限元模型,利用時程法分析自動扶梯在地震作用下的響應(yīng)情況,為提高國內(nèi)自動扶梯的抗震性能提供技術(shù)參考。

2 有限元模型

貝爾維尤站為西雅圖軌道交通東線的交通中心,使用場合為輕軌,采用重載公共交通型自動扶梯。自動扶梯桁架基本參數(shù)見表1,桁架材料選用Q345B鋼,性能見表2。

表1 自動扶梯桁架基本參數(shù)

表2 桁架材料性能

應(yīng)用ANSYS軟件參數(shù)化語言,建立自動扶梯桁架的有限元模型,對上下弦桿、豎撐、斜撐、支撐大角鋼、橫梁等采用BEAM 189梁單元模擬,對主驅(qū)動豎板、封頭板、封底板采用SHELL 63殼單元模擬[3-4]。自動扶梯桁架模型如圖1所示,網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

▲圖1 自動扶梯桁架模型▲圖2 自動扶梯桁架模型網(wǎng)格劃分

設(shè)定重力加速度,ANSYS軟件參數(shù)化語言自行計算自動扶梯桁架的重力。扶手裝置、梯級、梯級鏈、導軌、圍裙、外裝飾等零部件的載荷較為分散,受力分配復雜,很難掌握真實的桁架受力情況。為了簡化計算,各系統(tǒng)零部件載荷和乘客載荷以分布載荷形式施加于桁架上,驅(qū)動主機、主驅(qū)動、扶手驅(qū)動、張緊裝置、上下控制柜等以集中載荷形式施加在桁架上[5]。

自動扶梯的中間支撐距下臺口為12 910 mm,限制該處作用點的所有自由度,同時因自動扶梯采取下端固定、上端自由滑動的形式,將下端作為固定端全約束,上端自由端只約束Y方向。

3 時程分析法分析

采用時程分析法時,為防止地震動記錄離散性造成求解結(jié)果離散性過大,記錄樣本數(shù)量不宜過少[6]。ASCE/SEI 7-10《建筑物和其它結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計荷載》規(guī)定,場地類別不確定時,采用D類場地[7]。工程項目地點為西雅圖貝爾維尤,可以得到短周期設(shè)計反應(yīng)譜系數(shù)為8.163 4 m/s2,1 s周期設(shè)計反應(yīng)譜系數(shù)為4.9 m/s2,最大周期為6 s。通過以上三個參數(shù),可以在地震動數(shù)據(jù)庫中篩選出與抗震設(shè)計反應(yīng)譜相近的地震動記錄[8],記錄序號分別為888、1113、5831。地震動記錄選擇集見表3,VS30為30 m深度土層的剪切速度,D5-75、D5-95分別為達到5%～75%、5%～95%Arias地震強度的持續(xù)時間。每組地震動記錄分別由豎直斷裂帶的水平向地震波、平行斷裂帶的水平向和豎直向地震波組成,經(jīng)過調(diào)整后,可用于自動扶梯桁架抗震的時程分析。

表3 地震動記錄選擇集

為了驗證自動扶梯桁架的抗震安全性,需要對強度進行驗算。在三組地震波的作用下,自動扶梯桁架最大應(yīng)力時程曲線如圖3所示,最大應(yīng)力峰值及出現(xiàn)的時間見表4。由圖表可知,在地震動最初和地震動活躍期,自動扶梯桁架的應(yīng)力較大。當然,自動扶梯桁架的最大應(yīng)力峰值只有27.0 MPa,遠小于Q345B鋼的屈服應(yīng)力345 MPa,自動扶梯桁架處于彈性工作狀態(tài)。分析表明,自動扶梯桁架不會因為強度不足而被破壞,其抗震性能是安全可靠的。

▲圖3 自動扶梯桁架最大應(yīng)力時程曲線

表4 自動扶梯桁架最大應(yīng)力峰值與時間

在三組地震波作用下,自動扶梯桁架最大變形時程曲線如圖4所示,最大變形峰值及出現(xiàn)的時間見表5。自動扶梯桁架的最大變形值為11.0 mm,相對于桁架總體而言,變形量還是較小,即使在地震動作用下,也可滿足撓度1/1 000的要求。

▲圖4 自動扶梯桁架最大變形時程曲線

表5 自動扶梯桁架最大變形峰值與時間

4 時程分析法和靜力法對比

ASME A17.1—2016《電梯和自動扶梯安全規(guī)范》對2級及以上地震危險區(qū)域的自動扶梯和自動人行道提出了具體安全要求:自動扶梯和自動人行道金屬骨架及其支撐件在承受沿水平和豎直方向分開的地震慣性力作用時,能夠承受自身質(zhì)量的慣性效應(yīng),而不發(fā)生永久變形[9]。

為進行對比參照,依據(jù)ASME A17.1—2016對本項目自動扶梯桁架抗震進行靜力分析,分別施加水平地震力和豎直地震力,等效應(yīng)力圖如圖5所示。時程分析法應(yīng)力最大和變形最大時的等效應(yīng)力圖如圖6所示。靜力法和時程分析法的求解結(jié)果見表6,可見所得結(jié)果基本一致。

▲圖5 施加地震力等效應(yīng)力圖

▲圖6 時程分析法等效應(yīng)力圖

表6 求解結(jié)果對比

5 結(jié)束語

筆者對西雅圖軌道交通東線自動扶梯進行抗震分析,由時程分析法得到的自動扶梯桁架最大應(yīng)力比靜力法略小,由時程分析法得到的自動扶梯桁架最大變形比靜力法略大,因為桁架的支點間距較小,所以結(jié)果基本一致。在自動扶梯大跨距或者無中支時,除了按ASME A17.1—2016進行靜力分析,還應(yīng)通過時程分析加以驗證,提高自動扶梯桁架的抗震性能。

通過兩種分析方法的模擬和求解,確認自動扶梯桁架滿足美國抗震設(shè)計要求,并具有較高的安全因數(shù)。