既有建筑增加鋼框架電梯井道的設(shè)計(jì)探析

劉同焰 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

在我國目前存在著大量的建筑，由于建設(shè)時(shí)的客觀經(jīng)濟(jì)條件約束，以及其他原因沒有設(shè)置電梯，隨著社會(huì)的發(fā)展，這些建筑增設(shè)電梯勢(shì)在必行。本文就此問題從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行一些技術(shù)探析。

1 增設(shè)電梯的原因

①功能改變的需要，由于時(shí)代的發(fā)展，建筑功能發(fā)生改變的現(xiàn)象已經(jīng)很普遍，譬如在老城區(qū)將一座使用時(shí)間不太長(zhǎng)的規(guī)模較小的商業(yè)建筑，改造為酒店或者辦公樓，按照現(xiàn)行使用要求或者規(guī)范規(guī)定需要增加垂直電梯。

②業(yè)主主觀需要，譬如大量的建于2000年之前的多層住宅建筑，根據(jù)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范以及開發(fā)商為了節(jié)省成本沒有設(shè)計(jì)電梯，現(xiàn)在因?yàn)閲艺吖膭?lì)和業(yè)主要求增設(shè)電梯。

③客觀使用需要，譬如某一建筑，在建設(shè)時(shí)已經(jīng)設(shè)計(jì)有電梯，滿足當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范以及使用需求，但隨著形勢(shì)的發(fā)展，已有電梯數(shù)量不夠，需要增設(shè)電梯。

2 增設(shè)電梯的方案

2.1 在既有建筑內(nèi)部增設(shè)電梯

一般做法是建筑師在滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下和建設(shè)單位協(xié)商后，在建筑內(nèi)部找出合適的位置布置電梯，結(jié)構(gòu)工程師按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行加固改造設(shè)計(jì)。

2.2 在原有建筑外部增設(shè)電梯

考慮施工的可行性及對(duì)環(huán)境的影響，一般情況下此類增加電梯的井道多數(shù)采用鋼結(jié)構(gòu)，而原建筑的結(jié)構(gòu)材料一般為混凝土結(jié)構(gòu)或者磚混結(jié)構(gòu)，新增鋼結(jié)構(gòu)與原主體結(jié)構(gòu)分為連在一起和完全脫開的兩種形式，本文主要探討新增鋼結(jié)構(gòu)與原主體結(jié)構(gòu)連在一起的設(shè)計(jì)方法。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 結(jié)構(gòu)體系的確定

由于新增電梯井道為鋼結(jié)構(gòu)，而既有建筑的結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)或者磚混結(jié)構(gòu)，當(dāng)新增鋼結(jié)構(gòu)與原主體結(jié)構(gòu)連在一起時(shí)，一幢建筑出現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)體系，新增結(jié)構(gòu)阻尼比與原結(jié)構(gòu)的阻尼比不一樣，抗震計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)體系怎么認(rèn)定，作者根據(jù)多個(gè)工程實(shí)例計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)無論結(jié)構(gòu)剛度、自震周期、地震反應(yīng)，新增鋼結(jié)構(gòu)對(duì)原主體結(jié)構(gòu)影響都很小，一般不超過2%。所以作者認(rèn)為即使新增鋼框架與原結(jié)構(gòu)連在一起，但整體結(jié)構(gòu)體系沒有發(fā)生根本性變化，仍然為原結(jié)構(gòu)體系。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：新增鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的鋼柱一般要和原主體結(jié)構(gòu)保持一定的距離，這樣新增部分的基礎(chǔ)才有可能實(shí)施。新增基礎(chǔ)類型原則上同原主體基礎(chǔ)類型，并經(jīng)過沉降分析，確保沉降差和沉降量在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

②上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：豎向荷載作用時(shí)，除了考慮新增鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連在一起計(jì)算外，還要進(jìn)行不考慮新增鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連在一起的計(jì)算，即單獨(dú)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)自身在豎向荷載作用下的安全性。水平荷載作用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行整體受力分析，按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）計(jì)算，原主體結(jié)構(gòu)如果存在不滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）的要求，應(yīng)告知建設(shè)單位，是否加固改造，根據(jù)具體情況而定。

③連接設(shè)計(jì)：為確保新增鋼結(jié)構(gòu)能夠和原主體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，新增鋼結(jié)構(gòu)和原主體結(jié)構(gòu)需有效連接。新增結(jié)構(gòu)樓板建議為波紋鋼板加混凝土，鋼筋通過植筋植入原結(jié)構(gòu)梁柱板內(nèi)。在原結(jié)構(gòu)梁柱內(nèi)植入化學(xué)錨栓，布置后置錨板，鋼梁和后置錨板焊接。計(jì)算化學(xué)錨栓數(shù)量時(shí)，應(yīng)有足夠的富余。

4 具體案例

某醫(yī)院住院部大樓建設(shè)于2008年，地上19層，1層地下室，總建筑面積30600m，500張床位，共設(shè)置8臺(tái)電梯。運(yùn)營初期，由于病床數(shù)量按照設(shè)計(jì)數(shù)字控制，電梯運(yùn)營良好。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)科室病床數(shù)量大量增加，上午探視高峰期電梯數(shù)量不夠問題凸顯。醫(yī)院決定在主體建筑外增設(shè)2臺(tái)電梯，詳見圖1所示。

圖1 平面布置圖

4.1 新增結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

新增鋼梯井道采用框架支撐結(jié)構(gòu)，鋼材為 Q355級(jí)，鋼柱 H20×400×400×26型鋼，鋼梁采用H20×400×300×26型鋼，支撐□120×6方管。樓板采用1.0㎜波紋鋼板加120厚C30級(jí)混凝土，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值3.5kN/㎡。

4.2 結(jié)構(gòu)分析

豎向荷載作用下單獨(dú)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，鋼柱最大穩(wěn)定應(yīng)力比0.56。水平荷載作用時(shí)，考慮整體受力，即新增鋼框架與原主體共同受力分析?？紤]到原主體正在使用無法加固改造，故計(jì)算時(shí)恒載分項(xiàng)系數(shù)仍然取1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4，仍然按照7度進(jìn)行抗震計(jì)算，8度采取抗震措施。原主體結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，新增鋼框架阻尼比取0.03，經(jīng)計(jì)算原一層剛度為RJX1=4.9651E+07(kN/m)RJY1=5.5935E+07(kN/m)，增加鋼框架后變?yōu)镽JX1=4.9695E+07(kN/m)RJY1=5.6148E+07(kN/m)，剛度增量不到1%，其余樓層類似。層剛度比幾乎無影響。原有建筑第一振型周期2.3198s，第三振型周期1.8754s（扭轉(zhuǎn)系數(shù) 0.82），周期比0.808。增加鋼框架后第一振型周期2.1178s，第三振型周期1.7256 s（扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.85），周期比 0.815，整體抗扭性能略微變差，但仍然比較好地處在規(guī)范允許值范圍。從周期結(jié)果可以看出，以扭轉(zhuǎn)周期為主的振型仍然是第三振型，說明結(jié)構(gòu)整體抗震性能幾乎沒有改變。結(jié)構(gòu)位移見圖2。

圖2 增加鋼框架后位移圖

從圖2可以看出，頂層因?yàn)槭菢?gòu)架層，位移相對(duì)大點(diǎn)，增加鋼框架后整體位移雖然有微弱減小，但位移特征仍然為框剪結(jié)構(gòu)特征。底層規(guī)定水平力框架柱及短肢墻地震傾覆力矩百分比 (抗規(guī))為X向柱28.12%，Y向柱20.61%；所以可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)體系仍然為框剪體系，沒有變化。沉降計(jì)算，新增鋼結(jié)構(gòu)采用和主體同樣基礎(chǔ)形式，即人工挖孔樁，800mm樁徑，擴(kuò)大頭1200mm。樁端持力層為④層強(qiáng)風(fēng)化砂巖，單樁承載力特征值為3500kN，鋼框架最大沉降量為2.3mm，原主體建筑沉降基本穩(wěn)定，沉降差通過設(shè)后澆帶的方法解決。為保證新增鋼框架與原主體能形成一體共同受力，連接設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。本工程鋼梁與混凝土框架柱梁采用剛性連接，在彎剪拉力共同作用下，后置化學(xué)錨栓及鋼板做法，見圖3所示。新增樓板鋼筋采用植筋方法植入原混凝土梁內(nèi)，見圖4所示。

圖3 后置化學(xué)錨栓及鋼板做法

圖4 植筋方法

5 設(shè)計(jì)建議

對(duì)于多層建筑室外新增鋼框架電梯井，如果現(xiàn)場(chǎng)條件允許，在其自身高寬比滿足規(guī)范規(guī)定的情況下，建議與原主體結(jié)構(gòu)分開，新增鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與原主體建筑抗震縫距離滿足規(guī)范要求；對(duì)于高層建筑，一般情況下鋼結(jié)構(gòu)自身高寬比無法滿足規(guī)范規(guī)定，應(yīng)和主體連在一起，確保結(jié)構(gòu)整體安全。