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翻译：李 宁（江苏省特种设备安全监督检验研究院苏州分院）
孙立新（天津市特种设备检验研究院）
［编者按］
四川汶川大地震对灾区特种设备安全造成了一定影响。为给抗震救灾和灾后重建工作提供科学有益的技术支持，日前，我协会紧急组织电梯专家搜集、研究了台湾1999年921和1022两次大地震后电梯出现问题的状况、特点及数据统计资料，并对主要损坏模式、损坏程度进行了分析、记述，形成了《地震后电梯状况分析研究》一文，希望能够对地震灾区电梯检验和修复工作起到帮助和指导作用。
我们希望全行业更多的各类专家都像本文作者一样，积极行动起来，充分发挥各家之长，为支援灾区、建设灾区献计、献策、献谋、献智，共同担当起特种设备安全管理行业抗震救灾的重大责任！
［摘 要］
1999年台湾地区发生了2次大地震，即921地震和1022地震，震中都靠近人口稠密区。这些地震的发生，除了造成建筑结构损坏，也使得建筑物内部设备受损。在这些受损设备中，电梯较大地影响了建筑物的正常运作。本文主要针对深受两次地震影响的嘉义市的电梯进行研究。除了访问嘉义市的电梯维修公司，还对勘察所得的电梯损坏资料进行了分析。现场调查表明，不恰当的现行设计规范及施工方法是造成损坏的主要原因。在电梯的损坏模式中，对重脱轨所占比例最大，其次为限速绳的缠结。本文分析了引起电梯破坏的原因，提出了有关电梯抗震的改进措施。
一、引言
1964年美国阿拉斯加发生地震之后，电梯抗震能力不足的问题得到了关注。虽然提出了一些增进地震中电梯安全性的措施，但这些措施很少被采用。1971年，洛杉矶北部的San Fernando 发生了地震，9000台电梯中有7000台遭受损坏，其中700台电梯的对重从导轨上脱出。人们开始认识到这一问题的严重性，并提出改进技术措施，修订公共建筑中电梯的相关标准。1987年，Whittier Narrows发生了自1971年San Fernando地震以来的第一次大地震，在这次地震中，地震保护装置有效地减少了损坏和人员伤害，尽管其作用和性能未完全达到预期要求。其后发生的两次大地震——1989年的Loma Prieta和1995年的Northridge地震——中，医院电梯系统体现出良好的性能，人们普遍将其归功于1973年后相关标准针对医院电梯系统的修改。
对地震中电梯行为的研究工作开展得很少，其中大部分集中于对重装置的动力学研究。一些试图从系统辨识的角度进行调查研究，一些试图通过有限元的方法来模拟对重装置的时间响应特性。然而，检验其准确性的试验数据尚嫌不足。
1999年，台湾地区发生了两次大地震：921的集集地震（7.3级）和1022的民雄地震（6.4级）。灾区的电梯大部分损坏，由于建筑物的上部层楼难以接近，许多重要组织机构的震后工作受到了阻碍。在医院，病者出入层楼的垂直输送被耽搁。由于这一问题，震后救援工作的负担大大加重。
嘉义市人口为260000人，距离921地震震中55km，距离1022地震震中10km，见图1。由于该市较大，电梯较为集中，且地面的运动尚未造成较大的结构破坏，故将该市作为本次电梯损坏研究的对象。因此，在研究嘉义市电梯在地震条件下的状况时，将不考虑严重的结构损坏影响。本研究分析了嘉义市的电梯损坏数据，并调查了造成损坏的可能原因。
二、地震后乘客电梯的状况
我们对5个主要的电梯服务公司进行了调查，并在921地震后4个月内对损坏的电梯进行了现场查访。大部分查访中都与维修保养负责人进行了交谈。对于他们的有关损坏电梯的意见和印象，都进行了仔细的核查；本研究报告中选择了一些他们共同的观点。搜集了向这5个电梯维修公司发放的有关不同损坏模式的评估调查表。八种主要损坏形式的最终统计见表1。
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损坏模式
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占921地震中总损坏数的 |
占1022地震中总损坏数的 |
|
1.对重导靴损坏 |
7.9 |
7.7 |
|
2.对重导轨损坏 |
1.4 |
2.8 |
|
3.对重架脱轨 |
40.2 |
66.3 |
|
4.控制电缆纠缠 |
5.2 |
0.0 |
|
5.限速绳纠结 |
18.2 |
7.7 |
|
6.限速器损坏 |
2.1 |
1.1 |
|
7.井道内凸出装置的损坏 |
8.6 |
4.2 |
|
8.补偿链损坏 |
2.1 |
0.0 |
|
电梯损坏总数 |
291 |
285 |
图2 损坏电梯建筑物基本周期的分布
图3 两次地震中CH047地点的时间－傅里叶频谱特性T
嘉义市大部分建筑物低于20层。最高的建筑物是21层。城市建筑规则对建筑物的高度有限制，住宅区为21m，商业区为36m。建筑物高度也不能大于街道宽度的1.5倍加上6m。假如符合一些规定，也可有例外。因此，在城市规划区内，这些规则使得大部分建筑物要么为7层，要么为12层。这也是大部分损坏的电梯属于一些特定建筑物高度的部分原因。
三、电梯损坏数据的分析
（一）概述
由嘉义市中央气象局记录的地表运动见表2。值得注意的是在城市边界之内的两次地震的PGA值（地震波峰值加速度）极为不同。921地震产生的PGA比1022地震的小。然而，两次地震中损坏的电梯数量却几乎相同。以下两个原因或许能解释这一现象：
表2 嘉义市的地面峰值加速度（gal）
|
位置
|
921地震 |
1022地震 |
||
|
南北 |
东西 |
南北 |
东西 |
|
|
CHY |
145 |
NA |
314 |
430 |
|
CHY003 |
74 |
54 |
114 |
134 |
|
CHY009 |
NA |
NA |
188 |
327 |
|
CHY046 |
186 |
142 |
257 |
308 |
|
CHY047 |
177 |
165 |
510 |
352 |
1. 921地震后，在维修人员赶到现场进行检查之前，电梯就被使用，这是许多电梯损坏的主要原因。这样，当轿厢运动时，一些如电缆故障、补偿链和限速器绳等方面的小问题就加剧为大的损坏。在1022地震中，人们从922地震吸取了教训，在获得维修人员的批准前不再使用电梯。因此，上述那些小问题很容易地得到解决，不会导致损坏。这在表1中得到了反映，与电缆故障有关的损坏形式在1022地震中减少了。只有那些与对重装置的撞击相关的损坏形式增加了，这种损坏适于地震的强度直接相关的。
2. 一些在921地震中损坏的电梯未经任何电梯公司进行例行保养。921地震后，重新进行的电梯保养增强了这些电梯的性能。结果，它们在其后发生的1022地震中表现较好。
由表1可见，两种与对重导轨相关的损坏形式——形式2和形式3——明显增加了。这表明1022地震PGA的增大直接导致对重导轨的损坏。然而，损坏电梯的数量并不与PGA的增大成正比。也许这与1022地震所包含的高频成分比921地震多有关，如图3所示。1022地震数据中，超过10Hz的频率成分较多。弹性较好的对重系统具有较低的自然频率，没有被1022地震中的高频成分所导致的较高的PGA值所放大。
由表2可得出嘉义市的921和1022地震PGA等高线图。建筑物的位置以及电梯的各类损坏形式也在同一图形中标出以便比较，见表5和表6。由于921地震的PGA比1022地震的小，通过对921地震等高线图（图5）的分析，可以识别出由较小的PGA所产生的不同形式的电梯损坏。921地震中，每处的东西PGA都比南北PGA小，因此通过在图5中插入南北PGA，可以将产生对重装置脱轨的最小PGA估计为接近75gal。采用同样的分析方法，可知产生限速绳损坏的最小PGA大致为115gal。
图4 对重导轨尺寸比较
图5 921地震的PGA等高线图及损坏的电梯
图6 1022地震的PGA等高线图及损坏的电梯
（二）电梯的主要机构损坏
依据表1以及最后部分的讨论，可发现几个保持电梯功能的主要部件在地震中容易受到破坏。这种弱点以及损坏机构的原因，在以后基于调查以及与各家维修公司的讨论结果来进行分析。图7显示了电梯井道中的大部分易损坏部件。
图7 容易损坏的电梯部件
1. 对重架脱轨
至少有2家医院在921地震中遭受了这种损坏，以及脱轨的对重架砸到了轿厢，使得轿厢产生部分变形。幸运的是无人受伤——发生在夜晚。大部分的对重架脱轨发生在5kg/m的导轨上。在此类脱轨中有两种形式的机械损坏：
（1）对重架的平面内振动导致其与导轨撞击，使导轨变形。结果对重架从其轨道上脱逸，在井道内自由摆动。此类机械损坏约占对重脱轨损坏的60％。发生这种损坏后，需要更换变形的导轨，有时还要更换导轨支架，电梯才能恢复运行。新导轨的安装和调整可能需要几天才能完成。
（2）平面外的惯性力将对重架推向导轨表面，迫使导靴沿其连接端旋转。由于导靴的每一边仅采用两个螺栓来紧固，导靴就像半刚性连接般运动。当这种推动力导致导靴大幅度旋转时，脱轨发生。此类机械损坏约占对重脱轨损坏的40％。如果导轨未发生永久变形，维修工作大约需要一个小时，否则更换导轨将需要几天。对重脱轨的主要问题涉及导轨的横截面。低行程住宅电梯使用的导轨最为常见的是5kg/m型号的，见图4，这种导轨用钢板制成（空心导轨？）。发生脱轨的事件中，有95％是这种导轨形式。通常因载荷要求而需较高等级的导轨时，上一级别的导轨为8kg/m，此种导轨为热轧T型钢制成。在硬度和强度上，5kg/m导轨比实心的热轧导轨差。5kg/m导轨在连接处的直线度也较差，因此要求导靴有较大的公差。增大的尺寸也增加了地震时脱轨的可能性。
2. 对重块从对重架上脱离
放置在对重架中的对重块为实心铁块，用来产生必须的平衡轿厢的重量。传统上所有对重块上都有两个钻孔，一根连接杆穿过所有每个孔，将所有对重块固紧在对重架上。连接杆的两端有螺纹，用锁紧螺帽拉紧，将所有对重块压在一起。然而，由于市场竞争，在过去十年间，大部分较为廉价的公寓和办公楼电梯已不采用上述方法。目前的常见做法是用一根铁块置于对重块的顶部，仅仅将顶部的对重块压紧。
根据损坏调查，大部分脱出的对重块是安装在对重架的中部高度位置上。地震时，对重架被位于中部的对重块撞击而产生严重变形，以致对重块从架中跳出。造成这种情形的原因是由于采用新的固定方式，由于顶部铁块的锁定只能给下部对重块产生较小的约束，再加上地震时的垂直加速度减少了防止中间对重块自由运动的摩擦作用，对重架中间部分的紧固力较小。如采用传统的贯通式连接杆，所有对重块将如一个整体，对重块就不会从对重架中脱逸而对乘客构成严重的威胁。在这两次地震中，采用传统的对重紧固方式的电梯未发生对重块脱逸。
3. 控制电缆和限速绳的纠结
控制电缆和限速绳能在井道中自由摆动。地震时，它们很容易就纠缠到井道中的突出元件上，如导轨、层站开关等。
仅发生这种情况不会导致严重的损坏，除非轿厢继续运动，或者恢复供电后轿厢运动，然后纠缠的绳索或电缆会被拉开，导致严重故障。这种现象在921地震后在许多电梯上的确发生，导致电缆和限速绳破裂。
控制电缆的形状似乎在减少电缆的振动方面起着重要作用。依据电梯维修公司的内部统计，圆形电缆的损坏率比扁电缆高。
4. 层站开关和极限开关的损坏
层站开关和极限开关是凸入井道的器件，用来控制轿厢停层，防止轿厢超越井道的顶部和底部。为达此目的，这些器件伸出的臂被用来获得轿厢位置的信号。在地震中，这些伸出的臂很容易接触到轿厢而变形或偏离正确位置。这样轿厢就不能识别到正确位置而停止。这种损坏的另一个可能的原因是纠缠的电缆或限速绳拉扯这些突出的器件并使其变形。
5. 控制屏失效
电梯控制屏有两种失效形式：
（1）由于电脉冲而导致的集成电路板失效
有几起集成电路板烧毁而导致电梯停梯并无法再启动的报告。与电梯维修公司研讨后得出这样的结论：应急发电机产生的不稳定电压会导致这种情况发生。地震中正常供电中断时，应急发电机启动，向电梯提供必需的电力。然而在第一分钟，电流是不稳定的，并且高压电流可能会烧毁精密的集成电路板。如果电梯的程序设计能延迟启动时间，使得电压稳定后再启动，可能不会产生集成电路板烧毁这一问题。
（2）控制屏倾覆
控制屏通常被楼面上的混凝土块掩埋。如果在安装初始阶段就采取锚固措施，那么在地震中控制屏一般是安全的。然而，由于控制屏未能与基础牢固固定，发生了几起控制屏倾覆事件。其中一起是在砖堆下发现了倾覆的控制屏，表明这些砖块是用来使控制屏保持水平，在地震发生时这些砖块与基础的连接十分薄弱。
6. 不适当的地震标准条款
过去17年中，台湾地区的主要乘客电梯设计标准是CNS 10594。在其地震设计部分，设定的水平载荷是其自重的20％。与1998台湾建筑标准相比较，台湾中部建筑结构的设计地表加速度峰值是0.23G到0.33G。显然，针对电梯的设计地震力被低估了。如果考虑到上部楼层的放大系数，在屋顶时该值可达4，则CNS 10594标准中的地震载荷远小于建筑标准中的有关规定。
在921地震中，大量出现的对重架脱轨和顶层极限开关被撞击损坏，反映出所设计的抗震能力太低。由于许多建筑物中的电梯系统是这样设计的，即没有服务要求时轿厢在一层待命，因此当921地震来临时许多对重装置位于顶层，结果导致大部分对重装置的损坏发生在最高楼层。
四、结论
本文对921和1022地震中嘉义市范围内的电梯损坏数据进行了分析。通过与电梯维修人员的探讨以及现场查访，电梯的主要损坏模式已经确定。通过统计分析，讨论了初步的损坏水平。下述为主要结论：
（一）CNS标准中有关地震载荷的设计不足，这些条款应当修订，以增加台湾地区电梯的整体抗震能力。
（二）根据两次地震的统计数据，引起对重架脱轨和限速绳纠缠的最小PGA值为75至115gal。此值对于设定合适的地震检测开关的触发值是很有用的。
（三）应当将对重块从对重架上脱逸视为对人员产生最严重危险的损坏形式。电梯安全部门应当采纳相关防范措施，如全贯通的对重块拉紧杆、地震检测开关及其他有效措施等，以防止出现这种损坏。
（四）应当寻找其他有关增强电梯的整体安全性的措施，以增加电梯的抗震能力，特别是对于那些在大地震后承担特殊任务的建筑物中（如医院）的电梯。
