扶梯桁架静应力计算分析应用研究.docx

doi: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2014. 06. 008扶梯桁架静应力计算分析应用研究梁剑（广州奥的斯电梯有限公司， 广东广州510425）摘要：通过应用有限元分析软件对扶梯桁架进行计算分析，以扶梯标准 en115 的载荷要求进行分析计算，成功解决客户对于钢结构安全系数的要求，从而设计出满足客户需求的扶梯产品。关键词：有限元分析；扶梯桁架；静应力计算；安全系数中图分类号：th123文献标识码：a文章编号：10099492 ( 2014 ) 06002903study of fea static analysis application on the calculation ofescalator trussliang jian（guangzhou otis elevator company，guangzhou510425，china）abstract: through the study of fea software application on calculation of truss analysis，which can solve successfully the requirement of customer about the safety factor of steel structure with the load of escalator standard (en115). finally it provide the escalator product to match the requirement of customer.key words: finite element analysis(fea)；truss；static stress calculation；safety factor0 前言扶梯桁架是一种常见的普通钢结构，它是扶 梯关键的承载受力部件，在选择设计方案时应必 须确保其具有足够的强度和安全性。自动扶梯桁 架，包括上平层桁架、固定连接于所述的上平层 桁架的下侧的中间桁架、固定连接于所述的中部 桁架的下侧的下平层桁架，所述的中间桁架的下 边缘部具有下弦管，所述的下弦管的上端部与上 平层桁架通过立柱和斜撑相固定连接，下弦管的 下端部与下平层桁架之间连接有过渡杆。中间桁 架的压力转移到过渡杆分别与下弦管、中间桁架 上平层相连接的两个连接处，增强了自动扶梯桁 架的稳固性。本文将通过对扶梯桁架进行静应力 分析计算及验证，确保桁架有足够的材料强度和 满足客户对于钢结构产品关于安全系数的严格要 求。1 fea 软件介绍一 般 的 有 限 元 分 析 软 件 包 括 ansys， rfem等。本文采用德国 dlulbal 公司 refem 进行桁架计算分析。rfem 采用以分析由平板、型材、墙 壁等构成的 2d 和 3d 结构中变形、内应力、支撑 力和接触面压强的 fem 程序。此 fea 软件已广泛 应用于建筑结构及相关桁架钢结构厂房领域的设 计计算 （如图 1）。图 1rfem 软件界面收稿日期：20140329制造业信息化2 应用有限元分析软件 rfem 计算桁架强度的研究桁架是自动扶梯的关键受力部件，起到承重 和支撑作用 （如图 2）。3 计算3.1 模型处理rfem 计算的有限元分析模型由与 rfem 有 相 对 应 数 据 接 口 的 cad 等 3d 辅 助 绘 图 软 件 得 到，数据经过处理后将 dxf 文件导入 rfem 系统 所要求的接口中去生成相应的计算模型，之后可 在 rfem 中经过网格处理生成有限元模型，定义 材料，支点及作用力等。桁架是一种比较常见的 工程钢结构系统，它由点(nodes)，线(lines)，直的 杆件 （members） 及 5mm 底板(surfaces)组成，这些 杆件在端点处主要通过螺栓和焊接连接在一起形 成相应的有限元模型。本文以提升高度为 5.2 m 的扶梯作为分析研 究对象，扶梯倾角为 30，桁架宽为 1 510 mm，上 下 弦 管 为 方 管 120mm60mm4mm， 横 梁 为 槽 钢63mm48mm4.8mm，斜撑和立柱为槽钢 63mm48mm4.8mm。3.2 材料参数桁架材料为 q345-b(16mn) 和 q235-a，各参 数如表 1 所示。表 1材料性能参数图 2桁架模型图扶梯标准主要有：自动扶梯制造与安装安全规范 gb16899-2011(中国标准) 1，en115-1:2008+ a1:2010 （欧洲标准） 2，asme a17.1-2007(北美 标准)等。 自动扶梯须校核在设计提升高度、倾斜 角确定的条件下，桁架钢结构的静应力强度和挠 度是否符合国标的规范设计安全要求。 扶梯桁架 要求的载荷包括自重载荷以及 5 000 n/m2 的乘客 负载，根据乘客负载来计算自动扶梯桁架钢结构 的静应力强度和挠度，按自重和乘客规范要求的 负载计算自动扶梯桁架钢结构的静应力强度和挠 度。扶梯桁架的挠度要求： 对于普通型自动扶梯 (即商用扶梯)，根据乘客标准载荷计算或实测的最 大挠度，不应该超过扶梯桁架两端支撑距离的 1/750。 而 对 于 公 共 交 通 型 自 动 扶 梯 和 自 动 人 行 道，此类梯型一般应用于人流量较多，负载模式 较集中的地铁及火车枢纽站等场所，根据乘客标 准负载来计算或实测的最大挠度，不应该超过扶 梯桁架两端支撑距离的 1/1 000。静应力强度：分 析计算金属结构的在自重和 5 000 n/m2 的乘客载 荷下的最大应力，通过与材料的极限破断应力对 比计算，其结果应符合一定的安全系数要求。扶 梯桁架钢结构的静应力强度和挠度测量分析，可 将桁架加载相应重量的砝码后进行测量，使用有 限元分析方法计算出挠度数据和最大应力数据4。材料弹性模量 / mpa密度 / （kg/m3）泊松比q345-b210 0007 8000.3q235-a210 0007 8000.283.3 载荷处理自动扶梯桁架钢结构计算中的乘客负载以整 体扶梯的水平投影面作为基准的负载，扶梯设计 规范要求的乘客负载为 5 000 n/m2。扶梯其他子系 统部件如扶手带、玻璃扶栏、梯级、梯级链及外 装饰板等重量则根据以下的载荷分布进行计算并 转化成线载荷加载到桁架的计算模型中。另外涨 紧架、主驱动、主机、控制柜、扶手驱动等扶梯 子系统部件的重量为点载荷，根据实际加载在相 应部位的作用点上。其主要的均布载荷见表 2。4 计算结果与分析桁架 rfem 有限元分析计算输出结果为：各 方向的杆件内力、各方向的弯矩；x、y、z 轴向 的变形、偏心距；约束节点所受外力；模型受力 梁 各 项 的 最 大 应 力 与 材 料 极 限 应 力 的 百 分 率 等30机电工程技术 2014 年第 43 卷第 06 期制造业信息化梁剑：扶梯桁架静应力计算分析应用研究en115-2008 规定：对于公共交通型自动扶梯和自动人行道，此梯型可应用于地铁项目，以单独的 乘客负载进行计算或测得的最大挠度不得超过两 支 点 之 间 距 离 d 的 1/1 000。 对 于 此 扶 梯 计 算 模 型，计算所允许的挠度为 13.31/16 384 =1/1 231 1/1 000，所以挠度能够满足扶梯规范的设计要求。4.2 桁架连接接头的强度分析在 fea 软件 rfem 中计算可知，下弦管应力 最大。以 p 点为支点，设桁架下弦管受的张力为 f，力臂为 l，靠近下弦管连接部位的高强度螺栓m20 8.8 级对应的张力分别为 f1、f2、f3，其力臂l1、 l2、 l3。 根 据 力 矩 平 衡 公 式 可 知 f l = f1 表 2扶梯各子系统均布载荷扶梯子设备系统分布载荷1000 型单位梯级和梯级链1.250.670.790.081.070.750.203.944.063.35kn/mkn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m上平层下平层 斜段导轨玻璃扶栏装饰板 其他上平层下平层 斜段总计l1 +f2 l2 +f3 l3而 且 桁 架 的 连 接 螺 栓 m20 8.83级 所 受 的 张 力 与 受 力 点 到 支 点 p 的 距 离 成 正比，即：fa =(6 5006235)/(932+846+779)=5 516张力 f1 对应的拉应力为最大，其值为：=fa /a=5 516/(3.14/4)x22)=1 756 kg/cm2 5。 通过计算结果可以看出，理论计算能够满足桁架钢结构大于 5 倍以上安全系数的客户要求， 因此采用此材料规格参数所设计的桁架是安全可 靠的。自动扶梯包括乘客载重是靠桁架两端大角钢 架在两端层面楼板的底坑来支撑的，楼板混凝土 处所承受的集中载荷由钢筋及预埋钢梁等进行受 力加强。在 rfem 中可直接计算出上下两端大角 钢部位支点所承受的支反力数据，此计算中上端 部 的 支 反 力 为 ： 75 200 n； 下 端 部 的 支 反 力 为 ：62 800 n。与此同时把此支反力数据提供给土建 方及设备安装人员进行验算建筑物的受力安全性 并采用合理的吊装起重设备。此扶梯的载荷承载面积的计算如下：a=扶梯名义宽度支撑点间距=1.00416.384=16.45(m2)。 则乘客负载为规范标准所要求的乘客载荷 p（5 000 n/ m2） 乘以扶梯的实际投影面积 s(m2)：pa=5 00016.45=82 247(n)。由 此 可 以 计 算 出 单 独 乘 客