CN109540454B - 一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置及其方法 - Google Patents

一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置及其方法，该装置包括：电梯试验台架、固定装置和电梯门机系统，电梯试验台架包括电梯厅门、电梯厅门门框、电梯轿门、电梯轿门门框、挡板和斜导流板，电梯厅门外侧设有外侧测压孔，电梯厅门内侧测压孔设在内测压贴片上，均通过测压管连接电子压力扫描阀；该试验方法为：实验室风速递增，采集电梯厅门各测压点的风压；将各测压点的风压差时程进行计算处理，获得电梯门系统的临界承压阈值；改变电梯厅门的开闭力矩，获得不同参数下电梯门系统的临界承压阈值。本发明利用风压模拟烟囱效应，获得了电梯门系统的临界承压阈值，为提高电梯机电产品的性能与优化设计提供了科学依据。

Description

一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置及其方法
技术领域
本发明涉及电梯机电产品和建筑技术科学领域，具体涉及一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置及其方法。
背景技术
超高层建筑的“烟囱效应”是指由于建筑室内外温差造成的空气密度差导致的热压作用，使室外空气透过幕墙门窗等缝隙向室内渗入，并沿建筑内部电梯井等垂直井道发生上升或下降，形成影响程度不等的空气渗透现象。特别是冬季，室内外温差过大导致强烈的烟囱效应使得渗入空气通过电梯井由底层被抽到顶层的过程中，形成强大的对流，造成底层或顶层电梯厅门内、外压差过大，超过电梯门机的关闭力矩，导致电梯厅门关闭故障以致整个电梯系统无法正常运行。
烟囱效应强弱主要取决于室内外温差及高度差这两个主要因素，如式(1)所示：
其中：ΔPs-烟囱效应作用下的压差，单位Pa；
ρo-室外空气密度，单位kg/m3；
Ti、TO-室内外绝对温度，单位K；
HNPL-中和面高度，单位m；
H-计算高度，单位m；
g-重力加速度，取9.8m/s2。
因此，越是高纬度地区的超高层建筑烟囱效应越显著(由于冬季室内采暖、室内外温差大导致)，即使亚热带的超高层建筑由于电梯井高达数百米，冬季室内温度相对较低时也容易发生烟囱效应导致电梯运行故障。电梯作为超高层建筑的垂直生命通道，其重要性不言而喻。
由于烟囱效应是只在建成的实际超高层建筑中、在特定的季节发生的一种非受控空气渗透现象，并且由于热压作用的相似性条件在实验室环境下难以满足，因此几乎无法采用试验方法直接模拟这一特殊效应，导致人们对这一问题的认识和研究都非常欠缺，表现在目前国外内有关电梯产品以及超高层建筑的设计标准还很不完善，导致当前很多耗费巨资建成的地标性现代化摩天大楼，建成后均出现意想不到的严重的烟囱效应，严重影响建筑正常使用功能。
发明内容
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置，包括
电梯试验台架、固定装置和电梯门机系统，
所述电梯试验台架包括电梯厅门、电梯厅门门框、电梯轿门、电梯轿门门框、挡板和斜导流板，
所述电梯厅门安装在电梯厅门门框上，所述电梯轿门安装在电梯轿门门框上，所述电梯厅门门框和电梯轿门门框连接，所述挡板固定安装在电梯厅门左右两侧，所述斜导流板固定安装在电梯试验台架正前方，
所述电梯厅门外侧设有外侧测压孔，电梯厅门内侧设有内测压贴片，内侧压贴片设有内侧测压孔，所述外侧测压孔和内侧测压孔均通过测压管连接电子压力扫描阀，
所述固定装置用于将电梯试验台架固定在风洞实验室，
所述电梯门机系统用于控制电梯厅门和电梯轿门的开闭。
作为优先的技术方案，所述固定装置包括悬臂钢板和台架导轨，
所述悬臂钢板一端与电梯厅门门框相连，所述挡板上设有螺栓限位孔，悬臂钢板通过螺栓与挡板上的螺栓限位孔相连，
所述台架导轨位于电梯试验台架下部，并通过螺栓固定于风洞实验室地面上。
作为优先的技术方案，所述外侧测压孔与内侧测压孔位置一一对应，外侧测压孔的表面与测压管端部处于同一平面。
作为优先的技术方案，所述内侧测压贴片包括多个片式方块和钢管，内侧测压孔设于片式方块上，内侧测压孔与钢管相连，钢管通过测压管与电子压力扫描阀连接。
作为优先的技术方案，所述电子压力扫描阀有多个测压通道，将测压管与电子压力扫描阀的测压通道按照编号一一对应连接。
作为优先的技术方案，所述外侧测压孔根据预期的风压分布进行设置，设置方式为：靠近电梯厅门的门缝部位和上下部位密集、中间区域稀疏。
作为优先的技术方案，所述外侧测压孔的设置方式具体为：
电梯厅门上下边缘到门中间，相邻排外侧测压孔间距逐层按等间距递增，靠近门缝位置到远离门缝位置，相邻列外侧测压孔间距先递增后递减，电梯厅门外侧测压孔至少设置两列。
本发明还提供一种模拟高层建筑烟囱效应的试验方法，包括如下步骤：
S1：电梯门机系统通电，电梯门正常开闭运动状态下，风洞的风速从0m/s开始以1m/s连续增加风洞的风速，直至电梯厅门由于风压超过电梯门机系统的最大闭合力矩而出现开闭故障，通过电子压力扫描阀采集风洞风速递增过程中的电梯厅门各测压点的风压；
S2：将不同风速条件下电梯厅门内、外侧对应的各测压点的时程相减，得到各测压点的风压差时程；然后将各测压点的风压差时程进行算术平均处理和积分计算，获得风速、电梯厅门面板承受的压力和电梯门机开闭力矩的定量关系，获得电梯门系统的临界承压阈值；
S3：改变电梯门机系统的控制参数，增大输入电流改变电梯厅门的开闭力矩，重复步骤S1和S2，获得不同输入电流下电梯门系统的临界承压阈值；
S4：对电梯门机系统从机械角度进行优化，改变电梯厅门的开闭力矩，重复步骤S1、S2和S3，测试对产品进行优化设计后的电梯厅门系统的临界承压阈值。
作为优先的技术方案，所述算术平均处理和积分计算具体步骤如下式所示：
Pi(t)外-Pi(t)内＝ΔPi(t)
其中，i表示第i个测压点，t总表示电子压力扫描阀采压的总时长，F总为电梯门板承受的总压力，Pi(t)外表示电梯厅门外侧压力值，Pi(t)内表示电梯厅门内侧压力值，△Si(t)表示电梯厅门门板上i单元的面积。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供一种风压模拟电梯门机系统承受的热压作用效应的新方法和试验装置，利用模拟高层建筑烟囱效应的试验装置在大型边界层风洞实验室中模拟由于强烟囱效应导致的电梯门开闭故障现象，获得了以往设计中难以定量确定的电梯门系统的临界承压阈值，为提高电梯机电产品的性能与优化设计提供了科学依据，解决了长久以来困扰电梯机电产品抗压设计的技术难题。
(2)本发明利用模拟高层建筑烟囱效应的试验装置收集数据，在电梯门运动的工况下，可收集到电梯门正常工作直至电梯门无法闭合时的风压分布数据。
(3)本发明利用模拟高层建筑烟囱效应的试验装置，在电梯门静止的工况下，通过改变两扇厅门间的缝隙大小，可收集到电梯门在不同缝隙时的风压分布数据。
附图说明
图1为本实施例模拟高层建筑烟囱效应的试验装置的结构示意图；
图2为本实施例在风洞实验室示意图；
图3为电梯厅门外侧测压孔布置图；
图4为电梯厅门外侧测压孔布置俯视图。
其中，1-电梯厅门门框；2-电梯轿门门框；3-挡板；4-悬臂钢板；5-台架导轨；6-螺栓限位孔；7-厅门；8-斜导流板；9-风洞导轨。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，一种用于模拟高层建筑烟囱效应的新型试验方法，包括一个电梯试验台架，将厅门7安装至电梯厅门门框1上，将轿门安装至电梯轿门门框2上，沿着台架导轨5将电梯厅门门框1和电梯轿门门框2合并，使得厅门和轿门的间距符合实际情况；电梯厅门门框1左右两侧分别有与其相接的两个悬臂钢板4，该悬臂钢板4通过螺栓与挡板3上的螺栓限位孔6相连，用以固定挡板；在电梯试验台架的正前方设置与台架衔接的斜导流板8，挡板3和斜导流板8对电梯门在开闭过程中形成一定的遮挡和保护，并且能尽量使得作用在电梯门系统上的风力均匀。所述电梯厅门外侧设有外侧测压孔，电梯厅门内侧设有内测压贴片，内侧压贴片设有内侧测压孔，所述外侧测压孔和内侧测压孔均通过测压管连接电子压力扫描阀，电子压力扫描阀通过把风压力转换成电信号传递至电脑，并通过信号采集软件进行数据采集。所述电子压力扫描阀可同时测量不同风力作用下电梯厅门上多点的风压力，将电子压力扫描阀测出的内、外两侧测压孔压力值相减即可得到作用在电梯厅门上的压差值。
本实施例中，为了获得电梯厅门7的正反面压差，在安装前期将两个厅门板7钻出如图3所示的外侧测压孔，直接将测压管穿过外侧测压孔，并与外侧测压孔粘合且保证测压管端部和厅门外表面属于同一平面。在厅门内表面的粘贴有内测压贴片，内侧压贴片设有内侧测压孔，并接上测压管，最终再将所有的测压管道与电子扫描阀相连。所述电梯厅门的内外两侧测压孔位置一一对应，电梯厅门外侧测压孔的表面与测压管端部处于同一平面。所述内侧测压贴片包括多个片式方块和钢管，片式方块设有内侧测压孔，内侧测压孔与钢管相连，钢管通过测压管与电子压力扫描阀连接，电子压力扫描阀有64个测压通道，将测压管与电子压力扫描阀的测压通道按照编号一一对应连接。
在本实施例中，电梯厅门的外侧测压孔根据预期的风压分布进行设置，设置方式为：靠近电梯厅门的门缝部位和上下部位密集、中间区域稀疏。按照这些规律开孔，能使风压测量更加精准，测试环境更能符合实际风压风布的实际情况。假设电梯门1.2m(宽)*2.1m(高)，最上排和最下排外侧测压孔布置于离门上下边缘50mm位置处，从电梯门上下边缘到门中间，相邻排外侧测压孔间距逐层递增，符合首项为100mm，公差为50mm的等差数列规律；靠近两门门缝的第一列外侧测压孔布置于离门缝边缘10mm位置处，从靠近门缝位置到远离门缝位置，相邻列外侧测压孔间距从15mm开始先递增后递减，前四列测点间距符合首项为15mm，公差为5mm的等差数列规律；电梯厅门外侧测压孔至少布置两列，且间距为20mm，靠近门板边缘的外侧测压孔距离门板边缘为10mm。
在本实施例中，外侧测压孔具体排布方式如图3和图4所示：电梯(单扇)门板选用的尺寸为2100mm×465mm(高×宽)，其上共布置11排13列风压测点，从上至下各排测压点之间的间距分别是100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、300mm、250mm、200mm、150mm、100mm，且第一排测压点和最后一排测压点离最近的门板边沿的距离均为50mm；两厅门门板间的侧边共布间距为20mm的两列风压测点，每列风压测点距离最近的门板边沿为10mm，单扇电梯门板迎风面共布置11列风压测点，以右电梯厅门为例，各列风压测点的间距分别为15mm、20mm、25mm、35mm、40mm、50mm、60mm、90mm、35mm、55mm(靠近门框的一侧测点布置较为稀疏)，且第一列测压点和最后一列测压点离最近的门板边沿的距离分别为10mm、30mm。
本实施例在风洞试验中使用时，将试验台架下方的台架导轨5通过螺栓固定于风洞地面上，试验台架上方通过螺栓与风洞导轨9连接，在试验台架背后亦有三角支撑固定于风洞地面，这三者的共同作用保证电梯台架在风压作用下保持稳定。并将连接测压管的电子扫描阀放至挡板背后，用于收集风压测点的风压数据。根据风洞试验需要，在电梯门运动的工况下，可收集到电梯门正常工作直至电梯门无法闭合时的风压分布数据；在电梯门静止的工况下，通过改变两扇厅门间的缝隙大小，可收集到电梯门在不同缝隙时的风压分布数据。
本实施例还提供一种模拟高层建筑烟囱效应的试验方法，包括如下步骤：
S1：电梯门机系统通电，电梯门正常开闭运动状态下，风洞的风速从0m/s连续增加风洞的风速，直至电梯厅门由于风压超过电梯门机系统的最大闭合力矩而出现开闭故障，通过电子压力扫描阀采集风洞风速递增过程中的电梯厅门各测压点的风压；
S2：将不同风速条件下电梯厅门内、外侧对应的各测压点的时程相减，得到各测压点的风压差时程；然后将各测压点的风压差时程进行算术平均处理和积分计算，获得风速、电梯厅门面板承受的压力和电梯门机开闭力矩的定量关系，获得电梯门系统的临界承压阈值；
所述算术平均处理和积分计算具体步骤如下式所示：
Pi(t)外-Pi(t)内＝ΔPi(t)
其中，i表示第i个测压点，t总表示电子压力扫描阀采压的总时长，F总为电梯门板承受的总压力，Pi(t)外表示电梯厅门外侧压力值，Pi(t)内表示电梯厅门内侧压力值，△Si(t)表示电梯门板上i单元的面积(该面积上各处的压差可认为与i测点的压差相同)。
S3：改变电梯门机系统的控制参数，增大输入电流以增大开闭力矩，重复步骤S1和S2，可以获得不同输入电流下电梯门系统的临界承压阈值；
S4：对电梯门机系统从机械角度进行优化，例如更换不同的门机弹簧装置、增加额外的重锤装置等以增加电梯厅门的关闭力矩，重复步骤S1、S2和S3，测试对产品进行优化设计后的电梯门系统的临界承压阈值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟高层建筑烟囱效应的试验装置，其特征在于，包括
电梯试验台架、固定装置和电梯门机系统，
所述电梯试验台架包括电梯厅门、电梯厅门门框、电梯轿门、电梯轿门门框、挡板和斜导流板，
所述电梯厅门安装在电梯厅门门框上，所述电梯轿门安装在电梯轿门门框上，所述电梯厅门门框和电梯轿门门框连接，所述挡板固定安装在电梯厅门左右两侧，所述斜导流板固定安装在电梯试验台架正前方，
所述电梯厅门外侧设有外侧测压孔，电梯厅门内侧设有内侧测压贴片，内侧测压贴片设有内侧测压孔，所述外侧测压孔和内侧测压孔均通过测压管连接电子压力扫描阀，所述外侧测压孔与内侧测压孔位置一一对应，外侧测压孔的表面与测压管端部处于同一平面；所述外侧测压孔根据预期的风压分布进行设置，设置方式为：靠近电梯厅门的门缝部位和上下部位密集、中间区域稀疏；所述外侧测压孔的设置方式具体为：电梯厅门上下边缘到门中间，相邻排外侧测压孔间距逐层按等间距递增，靠近门缝位置到远离门缝位置，相邻列外侧测压孔间距先递增后递减，电梯厅门外侧测压孔至少设置两列；
所述固定装置用于将电梯试验台架固定在风洞实验室，所述固定装置包括悬臂钢板和台架导轨，所述悬臂钢板一端与电梯厅门门框相连，所述挡板上设有螺栓限位孔，悬臂钢板通过螺栓与挡板上的螺栓限位孔相连，所述台架导轨位于电梯试验台架下部，并通过螺栓固定于风洞实验室地面上；
所述电梯门机系统用于控制电梯厅门和电梯轿门的开闭。
2.根据权利要求1所述的模拟高层建筑烟囱效应的试验装置，其特征在于，所述内侧测压贴片包括多个片式方块和钢管，内侧测压孔设于片式方块上，内侧测压孔与钢管相连，钢管通过测压管与电子压力扫描阀连接。
3.根据权利要求1所述的模拟高层建筑烟囱效应的试验装置，其特征在于，所述电子压力扫描阀有多个测压通道，将测压管与电子压力扫描阀的测压通道按照编号一一对应连接。
4.一种基于权利要求1-3中任一项所述模拟高层建筑烟囱效应的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：电梯门机系统通电，电梯门正常开闭运动状态下，风洞的风速从0m/s开始以1m/s连续增加风洞的风速，直至电梯厅门由于风压超过电梯门机系统的最大闭合力矩而出现开闭故障，通过电子压力扫描阀采集风洞风速递增过程中的电梯厅门各测压点的风压；
S2：将不同风速条件下电梯厅门内、外侧对应的各测压点的时程相减，得到各测压点的风压差时程；然后将各测压点的风压差时程进行算术平均处理和积分计算，获得风速、电梯厅门面板承受的压力和电梯门机开闭力矩的定量关系，获得电梯厅门系统的临界承压阈值；
S3：改变电梯门机系统的控制参数，增大输入电流改变电梯厅门的开闭力矩，重复步骤S1和S2，获得不同输入电流下电梯厅门系统的临界承压阈值；
S4：对电梯门机系统从机械角度进行优化，改变电梯厅门的开闭力矩，重复步骤S1、S2和S3，测试对产品进行优化设计后的电梯厅门系统的临界承压阈值。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述算术平均处理和积分计算具体步骤如下式所示：
；
其中，i表示第i个测压点，t总表示电子压力扫描阀采压的总时长，F总为电梯门板承受的总压力，Pi（t）外表示电梯厅门外侧压力值，Pi（t）内表示电梯厅门内侧压力值，△Si(t)表示电梯厅门门板上i单元的面积。
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