电梯对重系统抗震技术探讨

电梯对重系统抗震技术探讨作者：杨辉来源：《科技资讯》2013年第20期摘要：汇总与分析四川5.12地震和世界范围内其它地震中电梯损坏形式与特点，在对损坏率较高的对重系统进行技术分析和对重导轨抗震计算分析的基础上，提出电梯对重系统抗震安全技术要求建议。

关键词：电梯重系统抗震技术中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0086-032013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，成都、重庆及陕西的宝鸡、汉中、安康等地均有较强震感。

这是继四川汶川“5.12”地震后的又一次强烈地震。

据家质检总局统计，“4·20”地震发生后，雅安地震灾区422台电梯通过排查，其中恢复启用303台，79台电梯存在安全隐患需要整改，震损率达26.1%。

作为高层建筑附属交通运输工具的电梯，其总体抗地震能力不如建筑物。

唐山大地震以来，建筑、交通、电力、燃气设施等领域均出台了相关的抗震法规、标准，局限于当时的电梯数量极少，电梯抗震研究未引起足够的重视。

我国现行的电梯标准基本上是照搬欧洲标准，缺少抗震方面的内容，致使电梯行业中产品的抗震性能无章所循。

四川汶川“5.12”地震后，相关单位开展了四川5.12地震中电梯技术状况与电梯抗震技术分析研究。

1 地震后电梯对重系统受损状况四川5.12地震后，广东、上海、江苏和天津特种设备抗震救灾技术服务队排查检验电梯10390台。

其中，明显损坏的电梯有1008台，受损概率为9.70%。

按地震中电梯受损的表现形式，将占比超过1%的故障由高到低依次排序，统计数据见表1。

可见，地震中对重系统受损电梯共计816台，受损概率7.85%，占所有受损案例的80.95%；其中，最多的损坏形式为对重导靴脱离导轨（对重架脱轨），最危险的损坏形式为对重块坠落和轿厢与对重在运行中相撞。

1971年2月在美国加利福尼亚的San Fernando发生的里克特6.6级地震造成1510台电梯明显损坏，其中对重导靴脱离导轨674台、对重导轨支架损坏174台，对重系统受损共848台，占所有受损案例的56.16%。

1995年1月17日在日本兵库县南部发生的7.2级地震造成2762台电梯受损，其中对重导靴脱离导轨280台、对重脱落38台、对重导轨变形79台、对重导轨支架损坏73台、对重导靴变形202台，对重系统受损电梯共计672台，占所有受损案例的24.33%。

1999年，我国台湾地区接连发生了两次大地震：9月21日的集集7.3级地震和10月22日的民雄6.4级地震。

通过对5个主要电梯服务公司的调查，9.21地震中电梯受损291台，10.22地震中电梯受损285台，主要受损形式的统计数据见表2。

可见，两次地震中对重系统受损分别占所有受损案例的49.5%和76.8%。

通过对以上各次地震中电梯受损情况的统计数据进行分析，可知地震中电梯对重系统受损所占比例最高，在“对重导轨及支架设计”、“对重导轨靴结构”、“对重块压紧”等方面存在一个或多个明显的缺陷。

地震中暴露出来的电梯对重系统缺陷亟待改进。

而日本兵库县地震中电梯震损率最低，故日本在电梯抗震性能的研究方面一定有值得我们学习和借鉴的经验。

2 地震后电梯对重系统受损技术分析2.1 地震力造成建筑物层间变形与材料失效地震力作用下建筑物的层间变形，使电梯结构件发生明显弹性或永久性变形，导致相关连接部件发生脱落。

例如：对重导轨变形导致对重导靴从导轨上脱离出来等。

地震力导致电梯结构件断裂、剥落，从而造成电梯结构失效，对电梯造成直接损坏甚至二次损坏。

例如：对重导靴断裂、对重导轨支架地脚螺栓从墙体内脱离出来等。

材料失效是在地震裂度较大情况下，由于建筑物层间变形，造成电梯结构产生较大的水平和垂直加速度，在导轨、导轨支架、结构梁、安装用螺栓、地脚螺栓等部位产生较大的附加载荷，从而发生强度失效或刚度失效。

材料失效的主要原因有以下几点。

（1）在电梯设计时没有考虑地震力的影响。

（2）实际的地震力超出设计时的抗震等级。

（3）部分结构存在制造、安装缺陷。

2.2 对重导靴脱离导轨原因分析（1）针对不同方向的震动导致对重脱轨的原因分别表述如下。

①当对重沿导轨连接线方向震动时：对重撞击导轨工作面的正面，撞击力经与对重相接处的导靴传递给导轨，致使导轨弯曲或变形。

在导轨弯曲度过大时，导靴啮合面脱离导轨导向面，对重架脱离导轨。

②当对重垂直于导轨连接线方向震动时：对重在导轨工作面的侧面方向受到地震力，侧面方向的惯性力推动对重，同时经对重传递至导靴和导轨，致使导靴产生扭转破坏并使导轨或导轨支架变形，进而导致对重架脱离导轨。

（2）总之，在以上水平方向力的作用下，导向系统会发生如下损坏。

①导轨本身强度不够，对重导轨损坏。

由于地震过程中对重的水平方向冲击造成导轨本身塑性变形，导轨间距加大从而使导靴脱出导轨。

而现今普遍采用的对重空心导轨由于没有充分考虑水平冲击力的影响，本身强度不能承受较大的水平方向力。

②对重导靴损坏。

由于对重导靴或其支架在设计时没有充分考虑水平冲击力的影响，其强度和刚度远远不足。

③对重导轨支架变形、损坏。

也是由于在设计时没有充分考虑水平冲击力的影响造成的。

④空心导轨的接头处损坏。

由于空心导轨的接头不够精密，对重导靴与空心导轨之间的空隙也比实心导轨大，所以其变形的可能性大大高于同规格的实心导轨。

2.3 对重块脱离对重架原因分析传统上电梯的对重块采用铸铁制作，安装固定时在每块对重块上钻孔后并用刚性连接杆串接，再在顶端用螺母固定，使对重块与对重架牢固相连成为一个整体。

但近10年来，由于市场竞争，制造厂家为降低成本，常常采用铁矿渣等与水泥混合浇铸对重块，安装固定时仅将顶部的对重块压紧。

在地震中，位于对重架中部高度的对重块脱离对重架最为多见。

造成这种情形的原因是由于采用新的对重块固定方式后，顶部对重块的锁紧只能给下部对重块产生较小的约束，再加上地震产生的垂直加速度减少了对重块之间的摩擦力，导致对重架中部对重块的紧固力较小，易造成对重块松动甚至坠落。

而采用传统方法安装固定的对重块在地震中则未发生松动、脱落情况。

3 电梯对重导轨抗震计算分析地震中电梯对重系统损坏是最突出的问题，而所有对重系统损坏中最严重的表现的形式，则是对重导轨受撞击变形后对重架脱轨，从而引起对重支架损坏、对重块脱落等问题。

地震中出现问题的对重装置大多采用空心导轨，且两对重导轨支架的间距多为2.5 m左右。

GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》中对电梯导轨计算的规定，只考虑了“正常使用”和“安全装置作用”两种工况，据此选用的对重导轨在地震中损坏率很高。

从导轨的受力分析可以看出，理想情况下，对重导轨是不受力的，可以视为：即使在正常的运行情况下，对重导轨受力也是很小的。

因为对重装置与轿厢不同，其分布载荷是均匀的，不存在偏载的问题。

所以，大多数制造企业为了节约成本，选择价格较为经济的空心导轨作为对重导轨。

但是，当地震发生时，这个受力分析就完全改变了。

见图1导轨受力分析图。

对重装置受到外力的因素，对对重导轨产生了一个作用力，这个作用力的大小可以用以下的公式计算：其中：为导轨在y轴的受力（N）；为对重的自重（kg）；为重力加速度（m/s2）；为由于外力引起对重装置重心偏离的一个参数，可以取经验公式=，b为对重的宽度（mm）；为对重装置两导靴中心位置的垂直间距（mm）。

这个力作用在导轨上，使导轨出现形变，从而出现脱轨的现象。

当作用在导轨上的时候，可以简化成简支梁的形式，由材料力学分析，当力作用在两导轨支架的中点时，产生的导轨弯曲变形最大，其数值可以用以下公式计算：其中：为导轨的最大形变数据（mm）；为两导轨支架之间的垂直距离（m）；为导轨材料的弹性模量（GPa）；为导轨横截面对Y-Y轴的惯性距（cm4）。

在这种情况下，对重导轨出现的最大形变值可以代入数据计算出来。

以下分别以TK3空心导轨和T90实心导轨为例计算：根据电梯设计的一般参数，可以得：=1500（kg）=9.8（m/s2）=，b=710（mm）=3450（mm）=2.5（m）为导轨材料的弹性模量（GPa），查表得：157（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，查表得：12.20（cm4）。

将数据代入公式，求得：=378N计算出来的数值与图2导轨的截面尺寸比较，显然，在没有考虑地震时对重装置产生的动量和两条导轨同时受力的情况下，上面计算出来的对重导轨最大变形值为64 mm，已经大于TK3空心导轨的整个高度（55 mm）。

所以当地震的时候，大多数采用空心导轨的对重装置都会出现导靴脱离导轨问题。

同理，当采用T90实心导轨（=52.00cm4），并且要求导轨支架安装间距不得大于2.0m 时，计算出来的数据为：对重导轨最大变形值为7.7 mm，远小于T90实心导轨的高度（75 mm）。

所以，对于同样的对重装置，把空心导轨更换为实心导轨，并保证导轨支架间距不超过设计值，将非常有助于提高电梯对重系统的抗震性能。

4 电梯对重系统抗震安全技术要求建议通过汇总与分析四川5.12地震及世界范围内其它地震中电梯损坏形式与特点，在对损坏率较高的对重系统进行技术分析和对重导轨抗震计算分析的基础上，提出以下电梯对重系统抗震安全技术要求建议。

（1）在进行对重导轨（包括导轨接口板等相关部件）强度与刚度计算时，应充分考虑地震情况下对重等其他部件的水平力冲击所产生的影响，以确保导轨不出现塑性变形。

（2）目前国内的对重导轨长度每根为 5 m，惯用的对重导轨支架跨度为2.5 m，应通过缩短导轨支架的跨度增强其抗塑性变形的承载力，减小受到冲击时产生的变形。

（3）由于空心对重导轨在刚度与强度方面较实心导轨小，地震中空心导轨受到撞击时容易弯曲变形而导致对重架脱轨，建议在地震多发地带尤其是重要场所使用的电梯抗震设计中采用实心导轨全面代替空心导轨。

同时适当加强两根导轨之间的连接板，以有效增强导轨承收冲击的能力。

（4）在进行对重导轨支架及其连接件设计时，应在结构与强度、刚度设计上充分考虑地震情况下对重等其他部件的水平力冲击所产生的影响。

同时应采取有效措施保障对重导轨有足够的抗变形能力，以确保导轨不出现较大位移。

例如：在对重导轨支架上装设刚性连接杆。

（5）在进行对重导靴强度设计时，应充分考虑地震所产生的水平冲击力的影响，以确保导靴、导靴支架及其连接件不出现塑性变形。

（6）应在运动部件上适当设置具有足够强度的刚性保护件，例如：在对重导轨与对重架之间增设防脱轨装置，防脱轨装置能在地震力冲击致使导轨及对重框架弯曲时，依靠其与导轨的接触，以防止对重架脱轨。

（7）在进行对重导靴或者防脱落装置结构设计时，为确保由于水平力冲击导轨产生允许的弹性变形时导靴不会脱出导轨，对重导靴或者防脱落装置与对重导轨之间的搭接尺寸应符合特定要求。