車站無障礙透明井道電梯鋼結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計方法

摘 ?要：電梯是車站乘客首選的無障礙乘降重要工具。文章從分析電梯鋼結(jié)構(gòu)受力影響因素出發(fā)，創(chuàng)新性采用參數(shù)化的有限元計算方法，通過訪問SAP2000 COM接口，運用.net平臺開發(fā)了一種車站新型電梯鋼結(jié)構(gòu)計算校核軟件。通過使用該軟件，并通過識別不同運行工況，快速輸出車站電梯鋼結(jié)構(gòu)工藝布置圖紙，大幅提高車站電梯設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：透明井道電梯鋼結(jié)構(gòu);有限元分析;SAP2000

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0091-04

Auxiliary Design Method for Steel Structure of Station Barrier Free Transparent Shaft Elevator

WEI Xuan

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd， Wuhan ?430063， China）

Abstract： Elevator is the preferred important tool for station passengers to get on and off without obstacles. Starting from the analysis of the stress influencing factors of elevator steel structure， this paper innovatively adopts the parameterized finite element calculation method， and uses the. net platform to develop a new type of software for calculating and checking elevator steel structure in stations by visiting the SAP2000 COM interface. By using the software and identifying different operating conditions， the process layout drawings of station elevator steel structure can be quickly output， which greatly improves the design efficiency of station elevator.

Keywords： transparent shaft elevator steel structure; finite element analysis; SAP2000

0 ?引 ?言

電梯作為提升旅客服務(wù)質(zhì)量，電梯是乘客首選的無障礙乘降工具，電梯是乘客首選的無障礙升降工具，是車站提升旅客服務(wù)質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。電梯井道形式容易隨著車站建筑方案發(fā)生變化。同時，鋼結(jié)構(gòu)井道電梯是電梯井道工藝布置的其中一種。

車站電梯主要由電梯設(shè)備、電梯井架及玻璃幕墻等組成。電梯設(shè)備主要由主機、控制柜、牽引裝置、轎廂、對重裝置、導(dǎo)軌、門系統(tǒng)及各種安全裝置等主要部件組成。電梯井架主要由井架立柱、橫梁焊接而成，玻璃幕墻通過五金掛件安裝在井架上。電梯部件承載力以及外界物理受力均加載至鋼結(jié)構(gòu)上。鋼結(jié)構(gòu)選型及受力分析至關(guān)重要。

本文分析了電梯鋼結(jié)構(gòu)受力分析影響因素，采用參數(shù)化的有限元計算方法，通過SAP2000 COM，運用.net平臺開發(fā)了一種鐵路車站新型電梯鋼結(jié)構(gòu)計算校核軟件。

1 ?電梯鋼結(jié)構(gòu)受力分析影響因素

1.1 ?鋼結(jié)構(gòu)分類

車站電梯作為無障礙通行的重要設(shè)備，由于受到景觀、用地界、換乘方式等多方面影響，與土建接口位置均不同，導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)約束類型、受力模型受到巨大影響。

電梯安裝位置主要分為站內(nèi)、出入口等，根據(jù)安裝位置及支撐形式的不同，電梯鋼井架主要有以下幾種類型，如圖1所示。

上述幾種類型的安裝形式一般布置在：

（1）底部+中部支撐：該類電梯一般安裝在高架站廳-站臺層或出入口處。

（2）底部+頂部支撐：該類電梯一般安裝在地下站廳-站臺層。

（3）底部支撐：該類電梯一般安裝在物業(yè)、出入口處。

（4）底部+中部+頂部支撐：該類電梯一般安裝在地下站廳-站臺層。

1.2 ?材料形式

GB50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第3.3.3條指出：“承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。”在焊接結(jié)構(gòu)中，建筑鋼的焊接性能主要取決于碳含量，碳的合適含量宜控制在0.12%～0.2%之間，超出該范圍的幅度愈多，焊接性能變差的程度愈大。因此，對焊接承重結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。A級鋼在保證鋼材力學(xué)性能符合GB/T700《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定情況下，碳、硅、錳含量不作為交貨條件，各牌號A級鋼的冷彎試驗在需方有要求時才進(jìn)行，A級鋼不進(jìn)行夏比（V型缺口）沖擊試驗，因此，A級鋼不宜用于焊接結(jié)構(gòu)。因此電梯鋼井架龍骨的焊接型材采宜用Q345B級鋼。

1.3 ?型式形狀及尺寸

目前市面上常見的方管型號如表1所示。

方管的型號根據(jù)受力計算的結(jié)果選取，地鐵電梯常用上中后6種。

1.4 ?電梯鋼結(jié)構(gòu)受力類型

由于車站透明井道電梯一般處于室內(nèi)環(huán)境，故本次暫不考慮雪壓，鋼結(jié)構(gòu)主要承受以下載荷：

（1）電梯運行載荷：

1）重力。如圖2所示，電梯鋼結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)主機、整個轎廂、乘客、導(dǎo)軌以及平衡對重的重量，在模型中將此載荷當(dāng)作靜載處理。

2）動載荷。因轎廂、乘客與配重重量不均衡導(dǎo)致的動載荷。

（2）玻璃幕墻及井架重力：鋼結(jié)構(gòu)及幕墻自身重力載荷。井架鋼結(jié)構(gòu)重力載荷在設(shè)計時根據(jù)鋼材選型進(jìn)行計算。按照J(rèn)GJ102《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，夾膠玻璃的密度約為25.6 kN/m3，10 mm+10 mm的夾膠玻璃自重約為1 kN/m2。

幕墻的自重按照GB50009《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表A.1可按自重的120%～130%取值，即1.3 kN/m2，亦在表中所示的1.0～1.5 kN/m2之間。

（3）地震：鋼井架地震作用參照現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010，按照區(qū)域劃分進(jìn)行地震載荷的選取。在鋼井架模型中，通過施加最不利作用方向的慣性力來模擬地震載荷。根據(jù)電梯所在地區(qū)的設(shè)防烈度等級及地震加速度，依據(jù)JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，確定水平地震影響系數(shù)最大值αmax。依據(jù)JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，5.3.4條款要求確定動力放大系數(shù)βE。

分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

qEAk=αmax×βE×（Gk/A）/1 000

其中，Gk/A為幕墻單位面積自重=1.3 kN/m2。

（4）風(fēng)載荷：對于布置在站內(nèi)的鋼井架，一般不考慮風(fēng)載荷。對于出入口或高架站車站站廳至站臺的透明井道電梯，需要考慮風(fēng)載荷的因素。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》選取風(fēng)載荷值和基本風(fēng)壓。

GB50009《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，對垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時應(yīng)按下式計算：

Wk=βzμsμzW0

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，N/m2;βz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);W0為基本風(fēng)壓，N/m2。

（5）組合載荷：根據(jù)電梯安裝形式，結(jié)合鋼井架預(yù)埋件設(shè)置位置及固定形式，確定鋼井架力學(xué)模型。根據(jù)確定的鋼井架力學(xué)模型，輸入力學(xué)參數(shù)及約束情況，計算鋼井架受力。此過程一般通過軟件完成。

JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：荷載和作用所產(chǎn)生的應(yīng)力或內(nèi)力設(shè)計值的常用組合如表2所示。

2 ?總體設(shè)計思路

電梯鋼井架由立柱、橫梁構(gòu)成，電梯所受的載荷主要通過導(dǎo)軌傳遞到鋼井架的橫梁及立柱上，再傳遞到土建結(jié)構(gòu)上。故橫梁及立柱的幾何尺寸及分布影響著電梯-鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)體系，同時也是電梯安裝工藝施工圖不可或缺的一部分。

SAP2000于1996年問世，它是SAP產(chǎn)品系列中第一個以Windows視窗為操作平臺的程序，擁有強大的可視界面和便捷的人機交互功能，其集成了多種通用結(jié)構(gòu)設(shè)計功能，包含了鋼框架、水泥等多種型材的建模、設(shè)計和分析，在今天的市場上SAP2000已經(jīng)被證實是最具集成化、高效率和實用的通用結(jié)構(gòu)軟件。

同時，SAP2000具有COM接口，主程序內(nèi)嵌API插件，可使用C#調(diào)用SAP2000的內(nèi)部函數(shù)完成鋼結(jié)構(gòu)的受力模型的快速建模，同時，其可導(dǎo)入AutoCad模型，方便其在線編輯使用。本次通過COM接口操作SAP2000，快速建立力學(xué)模型，并將分析計算結(jié)果作為Autocad COM接口的輸入單元，即可完成車站無障礙透明井道電梯工藝圖紙的快速輸出。

整體技術(shù)路線如圖3所示。

3 ?電梯鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

3.1 ?力學(xué)模型建立

電梯鋼結(jié)構(gòu)主要由立柱和橫梁構(gòu)成，其主要為薄管狀截面，只需定義寬度、深度以及厚度即可。立柱通常在現(xiàn)實安裝過程為4根，而橫梁位置則主要通過玻璃安裝位置、樓層數(shù)量、門洞高度等參數(shù)來確定。根據(jù)電梯安裝規(guī)范要求，橫梁間距不應(yīng)大于2 500 m，則可通過圖4中的方法實現(xiàn)橫梁的自適應(yīng)建模。

實現(xiàn)代碼為：

For（int i = 0; i < TJParam.DT_Ceng_Num; i++）

{

//添加第一根梁

ret = SapModel.FrameObj.AddByCoord（0， 0， TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000， 0， TJParam.DT_JDK， TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000， ref temp_string2， “Beam”， “1”， “Global”）;

//添加第二根梁

……

//判讀間距是否大于2500

if（（TJParam.DT_Ceng_G[i + 1] * 1000 - TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000 >= TJParam.DT_MD_H + 2500））

{

Do something…..

}

}

3.2 ?組合載荷的添加以及最大位移校核

3.2.1 ?組合載荷的添加

鋼結(jié)構(gòu)在受力計算時需要考慮重力載荷、風(fēng)載荷以及地震載荷，由于車站位置通常不會受到雪載荷的干擾，故為了建模方便，只需考慮地震載荷以及重力載荷，根據(jù)規(guī)范定義共有兩種工況需要考慮：重力、重力+地震，同時根據(jù)權(quán)值系數(shù)，又分為如表3所示的3種工況。

實現(xiàn)代碼為：

ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB1”， 0）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB1”， 0， “dead”， 1.2）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB1”， 0， “qk”， 0.65）;

ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB2”， 0）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB2”， 0， “dead”， 1.2）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB2”， 0， “qk”， 0.5）;

ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB3”， 0）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB3”， 0， “dead”， 1.35）;

ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB3”， 0， “qk”， 0.65）;

…….

3.2.2 ?最大位移校核

運行RunAnalysis（）分析函數(shù)，通過Results.JointDispl獲取到節(jié)點受力，通過分析COM1、COM2、COM3三種工況下的位移得出最大位移，運行結(jié)果如圖5所示。

4 ?結(jié) ?論

本文重點介紹了利用SAP2000 API實現(xiàn)了車站無障礙透明井道電梯鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模、加載、施加約束及荷載的思路和方法，從而參數(shù)化實現(xiàn)電梯鋼結(jié)構(gòu)工藝圖紙的快速輸出。其生成的受力模型結(jié)果可以直接進(jìn)行有限元分析，提高電梯鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計效率。

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作者簡介：魏璇（1990—），男，漢族，工程師，碩士研究生，主要研究方向：車站智能車站設(shè)備工藝研究。