既有建筑加装电梯对结构部分构件的影响

周万清 陈 尧 门梦飞

(三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

随着居民生活水平不断提高,对居住的要求也随之提高,部分20世纪八、九十年代的无电梯建筑已经无法满足居民的居住需求,既有建筑加装工程的适时出现极大程度上解决了此类问题.但对于加装电梯后,电梯对原结构的影响、原结构中需加强或加固部位的选择,仍被不少人所忽视,本文将通过对某工程项目的模拟具体说明.

1 电梯井结构与整体结构的连接

既有建筑加装电梯的形式分为内置电梯和外置电梯.内置电梯是在建筑物的内部布置电梯,需要将原有的内部楼梯拆除,在原有楼梯位置经设计计算安置电梯;外置电梯则相反,在保持建筑原有的结构不变的同时在其外侧加装电梯,两种方式各有各自的优劣[1-2].本项目为外置电梯.

结构外加构件与主体结构的连接方式分为用于受力简单的直接植筋连接法和受力复杂的“焊、锚、胶”多重连接法.

若采用以往的直接植筋连接方法,须在原有梁截面的上缘或下缘植入较多的钢筋,不可避免地使植筋钢筋位于梁受拉区,在复合应力情况下,受拉区混凝土提前开裂而退出工作,致使植筋带胶过早的与混凝土发生滑移,产生粘结锚固破坏.因此,传统的直接植筋连接,不论对于复杂应力状态下的原有混凝土结构还是对植筋钢筋,都是不利的、不安全的[3].

“焊、锚、胶多重连接法”融合了焊接、锚接(植入粘结锚栓)、胶接(粘钢)等多种加固补工艺,较好地加强了植筋锚固区混凝土的横向约束,既是对原结构的加固,也保证了粘结锚栓(植筋)锚固性能的充分发挥,与直接植筋相比更加安全可靠,特别适用于承受偏心振动荷载的电梯构件的连接加固[4].

电梯加装至既有建筑主体部分的本质是电梯部分的荷载施加在电梯框架上,之后通过电梯框架将力传导至原有主体结构,对结构的影响在很大程度上与构件之间、单元之间的连接组合有关.在结构分析中,这种构件之间、单元之间的关系有以下几种:一是通过节点直接连接;二是通过单元连接,本质上也算通过节点连接;三是通过限制方程连接,如耦合、接触等[3].

2 SAP2000所具有的荷载施加系统

同传统的有限元程序如ANSYS、ABAQUS等相似,SAP2000中也具有框架单元、壳单元、实体单元、连接单元等元素,这些单元组合起来模拟复杂的结构.与类似ANSYS的程序中只能通过节点自由度耦合来实现铰接不同,SAP2000是通过释放节点的6个自由度之中的某个或某几个来实现,而且,在分析之前只需通过激活分析选项中的自由度,并施加荷载.

根据上述理论将额外的结构,即加装电梯加装到原有的结构上模拟,调整SAP2000中某些节点的参数,使之具有一些加装构件节点所具有的特性;根据规范[5]中的荷载组合,利用SAP2000中的反应谱工况来导入地震作用,即可以较为方便的模拟平面、框架受力问题.

3 案例分析

文章所涉及的案例为湖北省宜昌地区某小区旧楼加装电梯改造项目中的一栋七层的框架结构住宅楼,地上7层,无地下室,场地类别Ⅱ类,地震基本加速度0.05g.混凝土选取C35,梁中纵筋为HHRB335,柱中纵筋为HRB335,箍筋为HPB335,电梯井框架为GB-HW200×200×8×12的H型钢.根据下列步骤对建筑进行重新建模.

1)根据原建筑、结构图纸(如图1所示),以及既有公寓楼的现实情况,利用SAP2000对其进行重新建模,其标准层模型如图2所示,电梯井的立面图和平面图如图3～4所示.

2)根据建筑物中每个隔间的用途将荷载模式分为 DEAD(恒荷载)、LIVE(活荷载)、QUAKE 和WIND.

3)根据各个荷载的作用机理,对每种荷载分配其工况,其中DEAD和LIVE依其性质设置为Linear Static(线性),QUAKE和 WIND设置为Response Spectrum(反应谱).

4)对建筑的每个区域依照其用途或者构造分配荷载.

5)运行分析.

根据前文所述,电梯与主体的连接方法,本案例中选择更适用于承受偏心振动荷载的“焊、锚、胶”多重连接法,电梯井与主体结构连接详图如图5所示.

图1 原结构标准层平面图

图2 标准层结构图

图3 电梯井立面图

图4 电梯井平面图

图5 电梯井与主体结构连接详图

用SAP2000对电梯井进行建模,将电梯井与电梯周围的连接构件看作一个整体,根据前文所述,只需将内部的轿箱、对重等电梯构件,按照项目所提供的电梯规格和结构的数据,即将满员情况下的电梯看作是一个以电梯最大荷载为12 k N的周期性的荷载,再将此荷载施加在电梯间顶部梁上.

4 整体结构受力分析

在实例中,假定主体框架结构和加装电梯的钢结构与地面成刚性连接.SAP2000中关于结构整体稳定性参数的提取与一些例如PKPM之类的商业软件不同,它无法将数据具体的列在表中,将这部分结构稳定性参数经整理后列出.

4.1 周期比

根据规范[6],结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比,加装电梯前的周期数值提取出来进行计算后可得:加装电梯前的周期比为0.938/1.109=0.845;加装电梯后的周期比为0.915/1.107=0.827.

结构的周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的关系,其目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理.本案例中结构的周期比略有减小,说明增设电梯后,结构的抗侧能力因电梯基础的支撑作用略有增加.

4.2 位移比

位移比控制结构平面的规则性,避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应,根据位移比=该楼层层间位移最大值/该楼层层间位移的平均值[6].

加装电梯前,结构X方向上的位移比为1.423,Y方向上的位移比为0.31;加装电梯后,结构的X方向上的位移比为1.359,Y方向上的位移比为0.379.结构的两个方向上的位移比增加或减小的幅度很小.结构在X方向上,扭转的抵抗能力略有增大,在Y方向上,扭转的抵抗力略有减小.

4.3 剪重比

为控制结构总水平地震剪力及各楼层最小水平地震剪力,也为保证结构的稳定,合理控制剪重比也是结构抗震的一个重要体现.剪重比变化幅度最大的构件出现在加装电梯一侧所对的构件内.

最大剪重比在第一层为0.076,与0.08相差误差较小,在5%内可以接受.其上各层剪重比均大于0.08;加装电梯后的同一平面的数据与加装电梯前相差较小,最小剪重比也在第一层,为0.073,其原因为SAP2000对结构进行计算时,程序默认其连接地面时为刚接,同时又有电梯作支撑.

5 结构构件受力分析

从SAP2000中提取出的运算数据中,通过分析某些在电梯附近的“敏感”部位,得出此构件在结构中的最大应力变化幅度,再根据此位置,得出需要加固杆件的位置.

此两类构件在加装电梯前后,均是根据规范[7]中,1.35×恒荷载+1.4×0.7×活荷载的荷载组合,利用反应谱工况分析整体结构所得,并且,加载在构件上的荷载是相同的.

5.1 梁中应力的变化

梁中应力变化幅度与所在位置距电梯的距离成反比,由于两部分建筑的结构相同,本文只列出对一部分结构分析的结果.

将与电梯井连接的部分框架梁按图6进行编号,从SAP2000中提取出已标注的梁在加装电梯前后梁中的应力变化情况,列于表1中.

图6 部分结构平面图梁编号

表1 加装电梯前后梁内应力变化比例 (单位:%)

由表1可得,梁中应力增加的幅度普遍随距电梯井距离的增加而减小,尤其是电梯井正对着的梁,梁②和梁⑨,其应力的变化数值在建筑的底层中出现负数,说明电梯在某种意义上起着支撑结构的有利作用.从竖直平面来看,梁中应力随着楼层的增加,其变化幅度也增加,尤其是与电梯井接触的梁①②③,变化的幅度较大,梁⑤⑥随楼层的增加,其应力变化幅度较小,其余构件的变化幅度很小.

5.2 柱中应力的变化

将与电梯井连接的部分框架柱按图7进行编号,从SAP2000中提取出已编号的柱在加装电梯前后柱中应力变化情况,列于表2中.

图7 部分结构平面图柱编号

表2 加装电梯前后柱内应力变化比例 (单位:%)

由表2可得,柱中应力的增加幅度随距电梯井距离的增加而减小,电梯井正对着的柱,柱②和柱③中应力的变化幅度较大,使部分柱增加的幅度变为负值,即电梯井承担了部分楼的荷载,使柱承受的荷载减少.

从竖直平面来看,柱中应力随着楼层的增加变化幅度也增加,尤其是与电梯井接触的柱②③,与和柱②③间接接触的柱⑥⑦,变化的幅度较大,其余柱构件随楼层的增加,其应力变化幅度较小,甚至有不少柱如柱⑤⑧,柱中应力随楼层的增加,电梯承担的支撑作用导致柱中的应力减小.

6 结 语

通过SAP2000对加装电梯前后,整体结构以及内部构件手里的分析,得到上部结构中,部分受影响的结构构件内应力发生变化,得到结论如下:

1)加设电梯后对结构横向的抗震性能会有微小的增加,而纵向的抗震性能会略微的减小;

2)直接连接的构件受加装电梯与否的影响远大于其他构件,纵向梁的最大应力变化幅度均大于横向梁的变化幅度;

3)与直接连接电梯井的构件相比,在加装电梯后,某些间接连接电梯井的构件应力发生变化的幅度会小很多;

4)无论是直接连接构件还是间接连接构件,其构件内部的最大应力的变化幅度都是随着楼层的增高而增加的;

5)相比于靠近结构边缘的构件,加装电梯对距离较远的构件影响会越来越小,对构件的影响忽略不计;

6)与电梯井相连倒T形区域中的梁和与梁相连的柱宜加固,其余构件的原有强度足以承担加装电梯后增加的荷载不需要加固.

[1] 何爱勇.既有多层住宅加装电梯工程实例分析[J].中国住宅设施,2015(Z2):28-33.

[2] 罗 钢,王中梁.老旧住宅加装电梯的实践与感悟[J].城市住宅,2011(7):113-115.

[3] 北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京:人民交通出版社,2012.

[4] 谭方兰.既有建筑物增设电梯的连接设计[J].建筑结构,2007(S1):169-172.

[5] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范(2016年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[6] JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7] GB 50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.