基于紧急疏散的公共交通型自动扶梯设计参数优化与分析.doc

西安理工大学基于紧急疏散的公共交通型自动扶梯设计参数优化与分析 学 号 1313051446姓 名 刘宇学 科 设计学导 师 高 瞩 教授2015年研究生学术年会基于紧急疏散的公共交通型自动扶梯设计参数优化与分析刘宇1，高瞩（西安理工大学 陕西 西安 710054）摘要：本文基于公共交通型自动扶梯在紧急疏散中的作用，分析了紧急疏散情形下自动扶梯的运行方式，运用实验法、软件模拟法、理论法等，对自动扶梯运行速度、倾斜角、水平梯级数量、梯级名义宽度、上下导轨转弯半径五个扶梯参数，进行分析与深入的研究，得到相应的数据与量化关系图，对紧急疏散状态下公共交通性自动扶梯设计参数的优化设计提出建议。关键词：公共交通型自动扶梯；紧急疏散；扶梯参数；优化设计 Based on the emergency evacuation of the public traffic type escalator design parameter optimization and analysisLIU Yu1,GAO Zhu (Xian University of technology , Xian China, 710054)Abstract: This article is based on the role of public traffic type escalator in emergency evacuation, emergency evacuation are analyzed case escalator running way, using experimental method, the software simulation method, theoretical method, etc., on escalators operation speed, slope Angle, horizontal cascade number, name of the cascade, width, upper and lower guide rail turning radius five escalator parameters, analysis and in-depth research, quantitative and get the corresponding data diagram, public transportation under the state of emergency evacuation sex escalator design parameter optimization design are also proposed.Key words: Publictraffic escalator; Emergency evacuation; Escalator parameter; optimization design1. 引言随着中国城市化建设的飞速发展，越来越多的公共建筑应运而生，自动扶梯作为建筑物内部层与层之间重要的交通设施已得到了推广和普及，与此同时行人在公共建筑内部交通安全问题也日益突出，各类突发事件引发的群伤事故屡见不鲜，严重损害了国家的形象和群众的切身利益，并给社会造成了巨大的精神恐慌。如图1、图2所示。公共交通型扶梯是由一台链式输送机和两台胶带输送机所组成，一般用在客流量大、人员混杂、使用环境比较差的场所，例如车站、地铁站、露天场所等。作为公共交通系统出口和入口处的组成部分，它具有使用强度高，任何3h的间隔内，100%制动载荷的持续时间不少于0.5h等特点。公共交通型自动扶梯相比于楼梯具有很多的优点，虽然现行相关规定中自动扶梯没有作为疏散楼梯，但国内外学者就自动扶梯作为辅助疏散通道的课题1已进行了大量的研究。一般地，人们是将自动扶梯作为地下建筑的进出口，当遭遇到紧急状况时，习惯于按原路线作为逃生路线，一旦自动扶梯被停用即会造成行人流在楼梯处发生拥堵甚至恐慌，直接延误到人员疏散时间。因此基于紧急情况，如何快速、安全地将人员疏散至安全区域成为公共建筑安全的关键2。安全疏散所涉及到的因素众多，其中硬件设备的设计参数的不合理乃重要因素之一，亟待对其进行优化。 图1 公共交通型自动扶梯 图2公共交通型自动扶梯基本结构2、紧急疏散时自动扶梯的运行方式自动扶梯日常使用是根据乘客数量及乘坐方向等因素来调整自动扶梯的运行方式，可能全部向上或全部向下或有上有下。公共交通型自动扶梯的紧急疏散方案完全取决于其使用环境。本文以苏州乐桥站为例（如图3），该站设有四座自动扶梯，他们的组合方式为3类,如表1所示。按照地铁站台公共交通型自动扶梯高峰疏散应用研究3结论可知,紧急疏散时扶梯采用组合方式2即全部上行方式。图3苏州乐桥站台平面图表1自动扶梯组合方式运行方式场景自动扶梯1自动扶梯2自动扶梯3自动扶梯41停运停运停运停运2上行上行上行上行3上行停运上行停运3、自动扶梯设计参数分析目前我国的自动扶梯设计是按照GB 16899-2011自动扶梯和自动人行道的制造与安装规范4。主要参数有运行速度、梯级名义宽度、倾斜角、梯级数量以及上下导轨转弯半径等。3.1 运行速度自动扶梯的运行速度是指在空载状况下的运行速度，是制造厂商所设计确定并实际运行的速度。自动扶梯运行速度的大小，会对乘客在自动扶梯上的停留时间产生直接的影响。如果速度太快，会影响乘客顺利乘梯，降低自动扶梯的满载系数。反之，当运行速度太慢时，就会增加乘客在自动扶梯上不必要的停留时间。所以，自动扶梯运行速度的正确选择是十分重要的。研究表明：自动扶梯的运行速度与自动扶梯的满载率是有直接关系的，运行速度与满载率的关系为： （1）式中为自动扶梯的满载率，为自动扶梯的运行速度。将式（1）代入自动扶梯理论输送能力计算公式如式（2），可得自动扶梯理论的实际输送能力计算式如式3： （2） （3）在国家的相关规定中，自动扶梯的运行速度一般分为0.5m/s、0.65m/s和0.75m/s三类。且自动扶梯的运行速度与倾斜角密切相关，具体关系如下：当自动扶梯的倾斜角度小于等于30时，自动扶梯的运行速度不应超过0.75m/s；当倾角大于30小于等于35时，自动扶梯运行速度不应超过0.5m/s。3.2梯级名义宽度梯级名义宽度是梯级宽度的公称尺寸，一般范围为580mm-1100mm，如图4所示。图4梯级名义宽度目前我国所采用的梯级名义宽度与提升高度有一定的关系，当自动扶梯提升高度较小时，单人的梯级名义宽度一般为0.6m，双人的一般为1.0m。对于中大提升高度的自动扶梯来说，双人的为1.0m。除了国家标准规定的0.6m及1.0m两种规格之外，仍然规定了0.8m一种规格。3.3自动扶梯倾斜角自动扶梯倾斜角是指梯级、踏板或胶带运行方向与水平面构成的最大角度，如图5所示。图5自动扶梯倾斜角自动扶梯的倾斜角一般采用30。对于30这个角度的选择主要是考虑自动扶梯的安全性及便于结构尺寸的处理和加工，但是，有时为了适应建筑物的特别需要，减少自动扶梯的占地空间，例如商场、医院等地要求节省地方，可采用35的倾斜角。为了与建筑物内部的普通楼梯的梯级尺寸比例16:31相配合，这时自动扶梯也可以采用27.3的倾斜角度。这样就可以在普通楼梯的旁边同时的并列安装自动扶梯。国家的相关规定对自动扶梯的倾斜角也作出相关规定：自动扶梯的倾斜角度应不超过30；但提升高度若不超过6m，运行速度小于等于0.5m/s时，自动扶梯倾斜角最大可增加到35。3.4水平梯级自动扶梯的水平梯级一般是指：在自动扶梯的上下出入口处，梯级尚未处于台阶状态下的几个梯级，如图6所示。图6自动扶梯水平梯级在自动扶梯水平梯级数量的相关国家规定中，地铁设计规范对公共交通性自动扶梯水平梯级的相关规定以及自动扶梯和自动人行道的制造和安装安全规范对自动扶梯水平梯级的规定是一致的。当自动扶梯的速度为0.65m/s时，上下两端水平梯级的数量不应少于3块。水平段是行人进入和离开自动扶梯的过渡段，增加水平体积的数量，可有效的提高乘客登上和离开自动扶梯的平稳性。3.5上、下导轨的转弯半径上、下导轨的转弯半径是指上、下水平段与倾斜段之间的曲率半径，如图7所示。当梯级通过这段转弯轨道时，由水平运动变为倾斜运动或相反，这种转变会造成离心力或向心力。离心力和向心力的产生会造成行人的失稳，发生事故，所以导轨的转弯半径不应太小。 图7上下导轨转弯处在自动扶梯和自动人行道的制造和安装安全规范中规定：自动扶梯运行速度不小于0.5m/s的自动扶梯，上下导轨的转弯半径不应分别低于1.5m和1m，如表3所示。对于客流量较大，重载运行的自动扶梯来说，增加上下导轨的转弯半径是非常有必要的。表3转弯半径技术参数提升高度（m）1010上导轨转弯半径（mm）26003600下导轨转弯半径（mm）20002000增加上下导轨的转弯半径能够有效的提高乘客乘梯的平稳性，所以当自动扶梯在提升高度10m时，上、下导轨的转弯半径不应分别低于2600mm和2000mm，在提升高度10m时，上下导轨的转弯半径不应分别低于3600mm和2000mm。4 自动扶梯参数的优化4.1扶梯运行速度优化对于自动扶梯运行速度的研究主要是研究自动扶梯输送能力与运行速度之间的关系，由式（2）和式（3）可知，自动扶梯的理论输送能力和实际输送能力是不相符的，为了对比两者的区别，利用matlab软件对式（2）和式（3）进行编程，绘制两者的曲线图。如图8、图9所示。 图8 matlab程序 图9理论与实际输送能力对比由公式（2）和图9可知自动扶梯运行速度与自动扶梯理论输送能力呈线性关系，自动扶梯运行速度与实际输送能力呈非线性关系。图9中实际输送能力C2是由式（3）获得，通过观察图9曲线C2特点，我们可将曲线分作两部分进行分析。当时，实际输送能力与速度近似于线性关系，当时，实际输送能力C2的曲线近似于抛物线。这说明当速度达到0.9m/s时，自动扶梯的实际输送能力不但不增反而减小。经实验证明，当自动扶梯的速度为0.45-0.5m/s时是比较适合乘坐的速度，同时该区间内实际输送能力与速度也呈线性关系。所以在大多数场合之中，自动扶梯的速度大多在此区间内选择。而在人流量相对较大的场合为提高输送能力会在0.65-0.75m/s的速度区间内选择。由图9我们可以看出当速度为0.9m/s左右时，输送能力最大，但是当速度超过0.75m/s时行人在乘坐自动扶梯时会出现失稳的情况。所以在紧急事件下自动扶梯运行速度应当在0.65-0.75m/s区间内选择，但是该速度区间并不是适合所有的场合。考虑到使用场所的不同以及节能方面的原因，可在自动扶梯的设计上加入速度调频器。自动扶梯加入速度调频器的运行特点如下：（1）自动扶梯空载时，可将自动扶梯运行速度降为额定速度的1/5节能状态作用下运行；（2）有人搭载自动扶梯时，自动扶梯可按额定速度运行；（3）当紧急疏散时，自动扶梯运行速度可调节到0.65-0.75速度区间内运行。4.2梯级名义宽度优化在自动扶梯的设计中，自动扶梯的名义宽度一般分为0.6m、0.8m、1.0m三种。但是在动扶梯在使用过程中会出现“空梯级现象”6，即使在乘梯人员比较多的情况下自动扶梯也无法达到满载的状态，经分析可知，这主要是由于人的心理距离造成。乘客所需空间如图10所示。按照中国成年人人体尺寸标准可知，第99百分位的人体胸厚为261mm，最大肩宽486mm，正常情况下衣服余量为两臂内外各13mm，身体两侧13mm，共计肩宽方向余量78mm；身体前后衣服余量各13mm，共计胸厚方向余量26mm。一般情况下，乘客的心理需求量为100-200mm，设乘客身体宽度为W0，身体厚度为D0，则可得： 图10乘客空间图所以在满足客流要求下，为节能环保，降低占地和运营成本，规模较小，人流量相对较小的使用场所紧急疏散状况下自动扶梯的梯级宽度可选择0.6m或0.8m的自动扶梯，在规模较大，人流量相对较大的使用场所自动扶梯梯级宽度可选择1.0m或1.1m的自动扶梯。为了进一步验证自动扶梯梯级名义宽度对疏散的影响，根据我国人员特征，人员尺寸取0.4-0.5m之间分布，自动扶梯梯级名义宽度分别取0.6m、0.8m、1.0m及1.1m。然后利用Anylogic模拟200人的疏散情况，结果见表4和图8所示。表4中的疏散时间100人进入电梯口处的时间，平均流量是1s内进入自动扶梯入口处的人数。表4自动扶梯入口处模拟结果梯级名义宽度（m）疏散时间（s）平均流量（人/s）0.6 482.080.8412.441.0392.561.1333.03 （a）梯级名义宽度0.6m (b)梯级名义宽度0.8m （c）梯级名义宽度1.0m （d）梯级名义宽度1.1m图11软件模拟展示图由表4可以看出，随着梯级名义宽度的增加平均流量呈增加趋势，由图11可以看出，梯级名义宽度较低时疏散人群呈不同程度的拥挤状态，随着梯级名义宽度的增加，疏散人群呈有序的疏散状态。自动扶梯梯级名义宽度是影响自动扶梯疏散能力的因素之一，所以增加自动扶梯的梯级名义宽度可以有效的增加自动扶梯的输送能力。由人机工程学的理论计算，自动扶梯设计的相关国家规定以及软件模拟我们可以得出：规模较小，人流量相对较小的使用场所紧急疏散状况下自动扶梯的梯级宽度可选择0.8m的自动扶梯；规模较大，人流量相对较大的使用场所自动扶梯梯级宽度可选择1.1m。4.3自动扶梯倾斜角度优化关于自动扶梯倾斜角的研究，欧洲的标准规定：自动扶梯的倾斜角度不能超过30，对于运行速度不超过0.5m/s、提升高度不超过6m的自动扶梯允许增至35。但是由于自动扶梯倾斜角度不同，自动扶梯金属结构内力会发生变化，所以在自动扶梯倾斜角的分析研究中应当考虑对结构内力的影响。自动扶梯的结构内力是由作用在导轨上的乘客载荷和自重载荷两部分组成，如图12所示。由于紧急疏散时乘客的满载率较高，所以在研究中我们只考虑乘客载荷的影响。 图12桁架式金属结构计算简图由乘客载荷所形成的内力：张力： （4）上曲线区段转向力： （5）摩擦力： (6)式中：为金属结构倾斜区段的投影长度（m）；为乘客载荷，我国的国标规定为5000（N/m2）；B为自动扶梯的梯级名义宽度（m）；为自动扶梯的倾斜角；为自动扶梯进出端导轨的水平长度（m）；为摩擦系数。利用matlab编程作出张力、上曲线段转向力、摩擦力与倾斜角度的关系图，如图15所示。为了方便研究，我们假设自动扶梯的提升高度为8000mm、梯级名义宽度为1000mm、导轨水平长度为2700mm、为0.3。图13张力、转向力、摩擦力与倾斜角关系图由图13我们可以看出，张力、上曲线段转向力、摩擦力随自动扶梯的倾斜角增加而增加，所以关于自动扶梯倾斜角的选择应当越小越好。由国家相关规定，以及房屋建筑学相关原理我们可得：对于流量较大，不考虑占地空间的使用场所，如地铁站、天桥等应选择27.3倾斜角自动扶梯；流量较小，考虑占地空间的使用场所，如商场、医院等应选择30倾斜角自动扶梯。4.4水平梯级数量优化在水平梯级数量相关规定中，当自动扶梯的速度为0.65m/s时，上下两端水平梯级的数量不应少于3块。经过调研可知现使用的自动扶梯90%以上都是3块水平梯级，通过对自动扶梯安全事故的研究,发现对于运行速度为0.65m/s的自动扶梯来说，水平梯级数量为3块是不够的，极易发生行人的失稳。由基于安全保障的公共交通型自动扶梯人机分析与研究7结论可知，自动扶梯水平梯级数量不足的情况很容易造成老年人、儿童和携带大量行李者失稳摔倒。由于我国现在正步入老龄化社会，老年人的比重变大。所以基于紧急疏散自动扶梯水平梯级数量的设计，避免摔倒等次级事故的发生，应当增加水平梯级数量，提高行人进入和离开自动扶梯的平稳性。关于自动扶梯水平梯级数量研究，广州地铁自动扶梯的运行速度为0.65m/s，水平梯级数量设计为了4块，多于标准规定一块。在使用的十多年中从未因乘客失稳发生事故，所以基于紧急疏散的自动扶梯的水平梯级数量应不少于4块，这样可以有效的提高乘客的平稳性，避免二次事故的发生。4.5上、下导轨转弯半径优化自动扶梯的导轨系统是由若干段组成。这些区段分别由直线区段、曲线区段及转向区段所组成8、9。上下导轨的转弯半径的研究主要是由梯级主轮轮压确定。自动扶梯运行时，梯级主轮所受轮压为牵引链条张力和导轨张力两张力之和，如图14所示。图14主轮轮压图在本课题的研究中主要是考虑紧急疏散时自动扶梯满载率较高的情况下，分析上下导轨的转弯半径对梯级主轮轮压的影响，我们找出导轨各区段的连接点，然后利用逐点法计算各点张力，如图15所示。图15导轨系统的逐点计算在导轨各点张力的初步计算时，第5点的张力S5可取如下值：小提升高度自动扶梯：S5=5000N、中提升高度自动扶梯：S5=8000N、大提升高度自动扶梯：S5=10000N。自动扶梯上升时各点张力计算公式： 自动扶梯下降时各点张力计算公式： 为分析上下导轨的转弯半径，我们只取上下导轨转弯处各点张力分析梯级主轮轮压，经过分析我们可得到上下导轨的转弯半径，如表6所示。表6上下导轨的转弯半径扶梯类型上导轨转弯半径（m）下导轨转弯半径（m）小提升高度自动扶梯2-31.5-2.5中提升高度自动扶梯5-82.5-4.5大提升高度自动扶梯9-154.5-6.55. 结论自动扶梯设计参数优化如下：紧急疏散条件下，自动扶梯的速度应在0.65-0.75m/s的区间内选择；规模较小，人流量相对较小的使用场所紧急疏散状