既有建筑加裝電梯對結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的影響

周萬清 陳 堯 門夢飛

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

隨著居民生活水平不斷提高,對居住的要求也隨之提高,部分20世紀(jì)八、九十年代的無電梯建筑已經(jīng)無法滿足居民的居住需求,既有建筑加裝工程的適時出現(xiàn)極大程度上解決了此類問題.但對于加裝電梯后,電梯對原結(jié)構(gòu)的影響、原結(jié)構(gòu)中需加強或加固部位的選擇,仍被不少人所忽視,本文將通過對某工程項目的模擬具體說明.

1 電梯井結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)的連接

既有建筑加裝電梯的形式分為內(nèi)置電梯和外置電梯.內(nèi)置電梯是在建筑物的內(nèi)部布置電梯,需要將原有的內(nèi)部樓梯拆除,在原有樓梯位置經(jīng)設(shè)計計算安置電梯;外置電梯則相反,在保持建筑原有的結(jié)構(gòu)不變的同時在其外側(cè)加裝電梯,兩種方式各有各自的優(yōu)劣[1-2].本項目為外置電梯.

結(jié)構(gòu)外加構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接方式分為用于受力簡單的直接植筋連接法和受力復(fù)雜的“焊、錨、膠”多重連接法.

若采用以往的直接植筋連接方法,須在原有梁截面的上緣或下緣植入較多的鋼筋,不可避免地使植筋鋼筋位于梁受拉區(qū),在復(fù)合應(yīng)力情況下,受拉區(qū)混凝土提前開裂而退出工作,致使植筋帶膠過早的與混凝土發(fā)生滑移,產(chǎn)生粘結(jié)錨固破壞.因此,傳統(tǒng)的直接植筋連接,不論對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的原有混凝土結(jié)構(gòu)還是對植筋鋼筋,都是不利的、不安全的[3].

“焊、錨、膠多重連接法”融合了焊接、錨接(植入粘結(jié)錨栓)、膠接(粘鋼)等多種加固補工藝,較好地加強了植筋錨固區(qū)混凝土的橫向約束,既是對原結(jié)構(gòu)的加固,也保證了粘結(jié)錨栓(植筋)錨固性能的充分發(fā)揮,與直接植筋相比更加安全可靠,特別適用于承受偏心振動荷載的電梯構(gòu)件的連接加固[4].

電梯加裝至既有建筑主體部分的本質(zhì)是電梯部分的荷載施加在電梯框架上,之后通過電梯框架將力傳導(dǎo)至原有主體結(jié)構(gòu),對結(jié)構(gòu)的影響在很大程度上與構(gòu)件之間、單元之間的連接組合有關(guān).在結(jié)構(gòu)分析中,這種構(gòu)件之間、單元之間的關(guān)系有以下幾種:一是通過節(jié)點直接連接;二是通過單元連接,本質(zhì)上也算通過節(jié)點連接;三是通過限制方程連接,如耦合、接觸等[3].

2 SAP2000所具有的荷載施加系統(tǒng)

同傳統(tǒng)的有限元程序如ANSYS、ABAQUS等相似,SAP2000中也具有框架單元、殼單元、實體單元、連接單元等元素,這些單元組合起來模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu).與類似ANSYS的程序中只能通過節(jié)點自由度耦合來實現(xiàn)鉸接不同,SAP2000是通過釋放節(jié)點的6個自由度之中的某個或某幾個來實現(xiàn),而且,在分析之前只需通過激活分析選項中的自由度,并施加荷載.

根據(jù)上述理論將額外的結(jié)構(gòu),即加裝電梯加裝到原有的結(jié)構(gòu)上模擬,調(diào)整SAP2000中某些節(jié)點的參數(shù),使之具有一些加裝構(gòu)件節(jié)點所具有的特性;根據(jù)規(guī)范[5]中的荷載組合,利用SAP2000中的反應(yīng)譜工況來導(dǎo)入地震作用,即可以較為方便的模擬平面、框架受力問題.

3 案例分析

文章所涉及的案例為湖北省宜昌地區(qū)某小區(qū)舊樓加裝電梯改造項目中的一棟七層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓,地上7層,無地下室,場地類別Ⅱ類,地震基本加速度0.05g.混凝土選取C35,梁中縱筋為HHRB335,柱中縱筋為HRB335,箍筋為HPB335,電梯井框架為GB-HW200×200×8×12的H型鋼.根據(jù)下列步驟對建筑進(jìn)行重新建模.

1)根據(jù)原建筑、結(jié)構(gòu)圖紙(如圖1所示),以及既有公寓樓的現(xiàn)實情況,利用SAP2000對其進(jìn)行重新建模,其標(biāo)準(zhǔn)層模型如圖2所示,電梯井的立面圖和平面圖如圖3～4所示.

2)根據(jù)建筑物中每個隔間的用途將荷載模式分為 DEAD(恒荷載)、LIVE(活荷載)、QUAKE 和WIND.

3)根據(jù)各個荷載的作用機理,對每種荷載分配其工況,其中DEAD和LIVE依其性質(zhì)設(shè)置為Linear Static(線性),QUAKE和 WIND設(shè)置為Response Spectrum(反應(yīng)譜).

4)對建筑的每個區(qū)域依照其用途或者構(gòu)造分配荷載.

5)運行分析.

根據(jù)前文所述,電梯與主體的連接方法,本案例中選擇更適用于承受偏心振動荷載的“焊、錨、膠”多重連接法,電梯井與主體結(jié)構(gòu)連接詳圖如圖5所示.

圖1 原結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)圖

圖3 電梯井立面圖

圖4 電梯井平面圖

圖5 電梯井與主體結(jié)構(gòu)連接詳圖

用SAP2000對電梯井進(jìn)行建模,將電梯井與電梯周圍的連接構(gòu)件看作一個整體,根據(jù)前文所述,只需將內(nèi)部的轎箱、對重等電梯構(gòu)件,按照項目所提供的電梯規(guī)格和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),即將滿員情況下的電梯看作是一個以電梯最大荷載為12 k N的周期性的荷載,再將此荷載施加在電梯間頂部梁上.

4 整體結(jié)構(gòu)受力分析

在實例中,假定主體框架結(jié)構(gòu)和加裝電梯的鋼結(jié)構(gòu)與地面成剛性連接.SAP2000中關(guān)于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性參數(shù)的提取與一些例如PKPM之類的商業(yè)軟件不同,它無法將數(shù)據(jù)具體的列在表中,將這部分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)經(jīng)整理后列出.

4.1 周期比

根據(jù)規(guī)范[6],結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比,加裝電梯前的周期數(shù)值提取出來進(jìn)行計算后可得:加裝電梯前的周期比為0.938/1.109=0.845;加裝電梯后的周期比為0.915/1.107=0.827.

結(jié)構(gòu)的周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的關(guān)系,其目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理.本案例中結(jié)構(gòu)的周期比略有減小,說明增設(shè)電梯后,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力因電梯基礎(chǔ)的支撐作用略有增加.

4.2 位移比

位移比控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性,避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),根據(jù)位移比=該樓層層間位移最大值/該樓層層間位移的平均值[6].

加裝電梯前,結(jié)構(gòu)X方向上的位移比為1.423,Y方向上的位移比為0.31;加裝電梯后,結(jié)構(gòu)的X方向上的位移比為1.359,Y方向上的位移比為0.379.結(jié)構(gòu)的兩個方向上的位移比增加或減小的幅度很小.結(jié)構(gòu)在X方向上,扭轉(zhuǎn)的抵抗能力略有增大,在Y方向上,扭轉(zhuǎn)的抵抗力略有減小.

4.3 剪重比

為控制結(jié)構(gòu)總水平地震剪力及各樓層最小水平地震剪力,也為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,合理控制剪重比也是結(jié)構(gòu)抗震的一個重要體現(xiàn).剪重比變化幅度最大的構(gòu)件出現(xiàn)在加裝電梯一側(cè)所對的構(gòu)件內(nèi).

最大剪重比在第一層為0.076,與0.08相差誤差較小,在5%內(nèi)可以接受.其上各層剪重比均大于0.08;加裝電梯后的同一平面的數(shù)據(jù)與加裝電梯前相差較小,最小剪重比也在第一層,為0.073,其原因為SAP2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算時,程序默認(rèn)其連接地面時為剛接,同時又有電梯作支撐.

5 結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力分析

從SAP2000中提取出的運算數(shù)據(jù)中,通過分析某些在電梯附近的“敏感”部位,得出此構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力變化幅度,再根據(jù)此位置,得出需要加固桿件的位置.

此兩類構(gòu)件在加裝電梯前后,均是根據(jù)規(guī)范[7]中,1.35×恒荷載+1.4×0.7×活荷載的荷載組合,利用反應(yīng)譜工況分析整體結(jié)構(gòu)所得,并且,加載在構(gòu)件上的荷載是相同的.

5.1 梁中應(yīng)力的變化

梁中應(yīng)力變化幅度與所在位置距電梯的距離成反比,由于兩部分建筑的結(jié)構(gòu)相同,本文只列出對一部分結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果.

將與電梯井連接的部分框架梁按圖6進(jìn)行編號,從SAP2000中提取出已標(biāo)注的梁在加裝電梯前后梁中的應(yīng)力變化情況,列于表1中.

圖6 部分結(jié)構(gòu)平面圖梁編號

表1 加裝電梯前后梁內(nèi)應(yīng)力變化比例 (單位:%)

由表1可得,梁中應(yīng)力增加的幅度普遍隨距電梯井距離的增加而減小,尤其是電梯井正對著的梁,梁②和梁⑨,其應(yīng)力的變化數(shù)值在建筑的底層中出現(xiàn)負(fù)數(shù),說明電梯在某種意義上起著支撐結(jié)構(gòu)的有利作用.從豎直平面來看,梁中應(yīng)力隨著樓層的增加,其變化幅度也增加,尤其是與電梯井接觸的梁①②③,變化的幅度較大,梁⑤⑥隨樓層的增加,其應(yīng)力變化幅度較小,其余構(gòu)件的變化幅度很小.

5.2 柱中應(yīng)力的變化

將與電梯井連接的部分框架柱按圖7進(jìn)行編號,從SAP2000中提取出已編號的柱在加裝電梯前后柱中應(yīng)力變化情況,列于表2中.

圖7 部分結(jié)構(gòu)平面圖柱編號

表2 加裝電梯前后柱內(nèi)應(yīng)力變化比例 (單位:%)

由表2可得,柱中應(yīng)力的增加幅度隨距電梯井距離的增加而減小,電梯井正對著的柱,柱②和柱③中應(yīng)力的變化幅度較大,使部分柱增加的幅度變?yōu)樨?fù)值,即電梯井承擔(dān)了部分樓的荷載,使柱承受的荷載減少.

從豎直平面來看,柱中應(yīng)力隨著樓層的增加變化幅度也增加,尤其是與電梯井接觸的柱②③,與和柱②③間接接觸的柱⑥⑦,變化的幅度較大,其余柱構(gòu)件隨樓層的增加,其應(yīng)力變化幅度較小,甚至有不少柱如柱⑤⑧,柱中應(yīng)力隨樓層的增加,電梯承擔(dān)的支撐作用導(dǎo)致柱中的應(yīng)力減小.

6 結(jié) 語

通過SAP2000對加裝電梯前后,整體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部構(gòu)件手里的分析,得到上部結(jié)構(gòu)中,部分受影響的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化,得到結(jié)論如下:

1)加設(shè)電梯后對結(jié)構(gòu)橫向的抗震性能會有微小的增加,而縱向的抗震性能會略微的減小;

2)直接連接的構(gòu)件受加裝電梯與否的影響遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件,縱向梁的最大應(yīng)力變化幅度均大于橫向梁的變化幅度;

3)與直接連接電梯井的構(gòu)件相比,在加裝電梯后,某些間接連接電梯井的構(gòu)件應(yīng)力發(fā)生變化的幅度會小很多;

4)無論是直接連接構(gòu)件還是間接連接構(gòu)件,其構(gòu)件內(nèi)部的最大應(yīng)力的變化幅度都是隨著樓層的增高而增加的;

5)相比于靠近結(jié)構(gòu)邊緣的構(gòu)件,加裝電梯對距離較遠(yuǎn)的構(gòu)件影響會越來越小,對構(gòu)件的影響忽略不計;

6)與電梯井相連倒T形區(qū)域中的梁和與梁相連的柱宜加固,其余構(gòu)件的原有強度足以承擔(dān)加裝電梯后增加的荷載不需要加固.

[1] 何愛勇.既有多層住宅加裝電梯工程實例分析[J].中國住宅設(shè)施,2015(Z2):28-33.

[2] 羅 鋼,王中梁.老舊住宅加裝電梯的實踐與感悟[J].城市住宅,2011(7):113-115.

[3] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京:人民交通出版社,2012.

[4] 譚方蘭.既有建筑物增設(shè)電梯的連接設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu),2007(S1):169-172.

[5] GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[6] JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[7] GB 50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.