弱連接鋼井道受力性能分析*

張憲江 ， 謝瑞峰

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

20世紀(jì)中后期，我國建造了大量的4～7層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓。限于當(dāng)時條件，這些住宅多未裝設(shè)電梯。隨著我國老齡人口比例的逐年上升，對既有住宅增設(shè)電梯的社會呼聲逐年提高，國家也發(fā)布了一系列鼓勵和推進老舊小區(qū)改造和既有住宅增設(shè)電梯的相關(guān)政策[1][2] [3]。2019年，總理在《政府工作報告》中提出：城鎮(zhèn)老舊小區(qū)量大面廣，要大力進行改造提升，支持增設(shè)電梯和無障礙環(huán)境建設(shè)。

現(xiàn)階段，既有住宅增設(shè)電梯處于起步階段。電梯井道是確保電梯安全平穩(wěn)運行的重要設(shè)施，被稱為電梯的“第九大系統(tǒng)”[4]113-116。加裝電梯一般采用鋼井道。就目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平而言，在技術(shù)上確保鋼井道自身安全并不困難。比較復(fù)雜、難以處理的是鋼井道與既有住宅之間的連接問題。當(dāng)兩者之間采用剛性連接時，必然存在較大的相互作用。通常應(yīng)對既有住宅進行鑒定與加固，并在井道結(jié)構(gòu)設(shè)計時將兩者整體建模，進行協(xié)同受力分析，但其工程應(yīng)用十分復(fù)雜。另一種做法是設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，將兩者脫開，但因存在通行連廊，事實上兩者是不可能完全相互獨立的[5]4-5 [6]9-10。比較恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄊ遣捎谩叭踹B接”，將鋼井道與既有住宅連接[7]4-9 [8]3-4。弱連接是指鋼井道以鉸接或兩端鉸接、鉸接帶滑動支座與既有住宅相連[8]3-4。

弱連接除連接節(jié)點局部范圍外，增設(shè)的鋼井道對既有住宅的影響相對較小，但既有住宅對鋼井道的影響卻不容忽視[9]10-13 [10]46-48。采用弱連接的鋼井道，其結(jié)構(gòu)計算可以獨立進行，但作用效應(yīng)需放大1.05倍[8]3-4。就目前而言，既有住宅對鋼井道影響的相關(guān)研究尚不充分。本文結(jié)合量大面廣的磚混結(jié)構(gòu)住宅特點，深入研究弱連接鋼井道的受力特性，得出安全經(jīng)濟的鋼井道結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)，為鋼井道的設(shè)計、施工提供技術(shù)支撐，助推既有住宅增設(shè)電梯這項惠民政策的落地與推廣。這對增強群眾獲得感、幸福感，促進全面建成小康社會具有重要的現(xiàn)實意義。

一、鋼井道結(jié)構(gòu)方案

目前，既有住宅增設(shè)的電梯大多選用額定載重量為630 kg的無機房電梯，鋼井道平面尺寸取2 250 mm×2 050 mm[11]13-14；多層砌體房屋的層數(shù)和總高度不超過7層和21 m[12]74?？紤]一般情況，層高取2 900 mm；同時考慮曳引機擱置層高度為1 550 mm，則鋼井道總高度約為20.4 m<24 m。其屬于多層鋼結(jié)構(gòu)范疇[13]2。

通常，加裝電梯的停靠站設(shè)置在層間樓梯休息平臺處(半層入戶方式)。在該處設(shè)置兩端鉸接的鋼連梁(以下簡稱LL)，使鋼井道與既有住宅連接。電梯門梁高度為2 200 mm。鋼井道的初步結(jié)構(gòu)方案如圖所示(參見圖1)。

圖1 鋼井道的初步結(jié)構(gòu)方案圖示

二、獨立鋼井道結(jié)構(gòu)設(shè)計

(一)設(shè)計參數(shù)

1.設(shè)防烈度與抗震等級 考慮一般情況，鋼井道抗震設(shè)防烈度取7度(0.15 g)，抗震等級為4級[12]75。設(shè)計地震分組按第一組考慮，場地類別?、箢?，場地特征周期取0.45 s。

2.恒荷載與活荷載 (1)恒荷載(DEAD)：①外立面恒載：對屋面GL取0.25 kN/m，對其他層GL取0.45 kN/m。②內(nèi)立面恒載：內(nèi)立面(電梯門一側(cè))GL上的恒載取0.35 kN/m。③鋼井道屋面恒載取0.35 kN/m2，連廊樓面恒載取0.70 kN/m2。④電梯自重：參照630型無機房電梯技術(shù)參數(shù)，取R1=32.5 kN、R2=22.0 kN、R3=R4=9.05 kN(參見圖1)。(2)活荷載(LIVE)[14]14：①屋面活載取0.5 kN/m2，連廊樓面活載取2.0 kN/m2。②基本風(fēng)壓取0.50 kN/m2，基本雪壓取0.50 kN/m2。

(二)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

1.分析工況 按照上述設(shè)計參數(shù)，利用通用有限元軟件SAP 2000，對獨立鋼井道進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。設(shè)計規(guī)范選用Chinese 2018，采用默認設(shè)計組合[15]176-182。

2.分析條件 依據(jù)重力二階效應(yīng)，采用二階P-△彈性分析方法，考慮雙向結(jié)構(gòu)整體初始缺陷[16]3-9。鋼井道一般位于建筑物一側(cè)，風(fēng)荷載體型系數(shù)取值如圖所示(內(nèi)立面不考慮風(fēng)荷載作用)(參見圖2)。依據(jù)順風(fēng)向風(fēng)振影響，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02[14]18。地面粗糙度按B類考慮。地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.4[12]75。質(zhì)量源采用荷載模式(1.0 DEAD+0.5 LIVE)，考慮X、Y方向的地震作用，模態(tài)組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法[16]3-9。

3.分析結(jié)果 由模態(tài)分析結(jié)果顯示，鋼井道前3階振型分別為：沿Y向為主的平動振型、沿X向為主的平動振型及繞Z向為主的扭轉(zhuǎn)振型(參見表1)。位移分析結(jié)果如圖所示(參見圖3)。可見，在X向風(fēng)荷載作用下，鋼井道頂面的位移最大(W-Xmax=30.861 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大，θex，max=1/499<1/400，位移指標(biāo)滿足規(guī)范要求[17]29-34。鋼梁、鋼柱的最大應(yīng)力比出現(xiàn)在鋼井道底層。故，獨立鋼井道主要指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

表1 獨立鋼井道模態(tài)分析結(jié)果(前3階振型)

圖3 獨立鋼井道變形圖示

三、弱連接鋼井道受力分析

LL長度對鋼井道的影響較大，因此分別取LL長度L0為0 mm、150 mm、500 mm、1 200 mm。LL兩端按鉸接考慮，并與鋼井道整體建模后進行分析。

(一)基本假定

本研究的基本假定有兩點：①砌體結(jié)構(gòu)住宅一般按剛性方案考慮，側(cè)向位移較小，因此可將其視作鋼井道的剛性支承[18]22-23。②忽略鋼井道與既有住宅之間的沉降差，僅考慮在水平作用下鋼井道的響應(yīng)。

(二)L0=0 mm時的鋼井道受力分析

1.分析模型 當(dāng)L0=0 mm時，井道與既有住宅通過固定鉸支座連接。其他分析條件與獨立鋼井道相同。

2.分析結(jié)果 模態(tài)分析結(jié)果顯示，與獨立鋼井道相比，鋼井道以局部振動為主，前2階振型的轉(zhuǎn)動方向因子R*Z較大(參見表2)。這說明扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較強，且最大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)出現(xiàn)在鋼井道的擱機梁標(biāo)高處(最大扭轉(zhuǎn)角θmax≈0.02 °)。鋼井道X向的最大位移由地震作用引起(E-Xmax=0.694 1 mm)，Y向的最大位移由風(fēng)荷載引起(W-Ymax=0.052 8mm)?？梢姡摼朗艿搅溯^強的約束，側(cè)向剛度增強，側(cè)向位移縮小(參見圖4)。

表2 L0=0 mm時的模態(tài)分析結(jié)果(前3階振型)

圖4 鋼井道變形圖示(L0=0 mm)

考慮最不利荷載組合后，最大應(yīng)力比出現(xiàn)在支撐擱機梁的鋼梁中。與既有住宅相連接的各層支座反力，其頂部支座反力最大。其中，Z向反力對既有住宅的影響較為顯著，其他層Y向支座反力為負，這是由鋼井道扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。

分析結(jié)果表明，當(dāng)采用鉸鏈直接將鋼井道與既有住宅相連接時，鋼井道的變形狀態(tài)和受力特性相對獨立鋼井道而言發(fā)生了較大變化，且頂部節(jié)點對既有住宅產(chǎn)生了較大的作用力。故，工程應(yīng)用時，應(yīng)對頂層混凝土TL進行進一步的受力分析，并采取有效措施以確保安全。

(三)L0=150 mm時的鋼井道受力分析

1.分析模型 LL兩端鉸接，并與鋼井道整體建模。其他分析條件與獨立鋼井道相同。

2.分析結(jié)果 模態(tài)分析結(jié)果顯示，鋼井道第1階振型為沿X向為主的平動振型，第2階振型為局部振動振型，第3階振型為繞Z向為主的扭轉(zhuǎn)振型。位移分析結(jié)果顯示，鋼井道Y向變形極其微小，X向變形與獨立鋼井道基本一致，鋼井道頂面位移最大(W-Xmax=31.775 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大(θex，max=1/482<1/400)。

鋼梁、鋼柱中的最大應(yīng)力比出現(xiàn)在鋼井道底層。與L0=0 mm時的支座反力相比，頂部X向、Z向的支座反力僅為1%～3%，Y向的支座反力約為60%左右?？梢?，設(shè)置LL并采用弱連接措施后，支座反力顯著下降，這說明對既有住宅的影響明顯減弱。

(四)L0=500 mm時的鋼井道受力分析

除LL長度不同外，分析模型、分析條件與L0=150 mm時相同。

模態(tài)分析結(jié)果顯示，鋼井道第1階振型為以沿X向為主的平動振型，第2、3階振型以局部振動為主。位移分析結(jié)果顯示，鋼井道Y向變形極其微小，X向變形與獨立鋼井道基本一致，鋼井道頂面位移最大(W-Xmax=33.998 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大(θex，max=1/450<1/400)。

鋼梁、鋼柱中的最大應(yīng)力比出現(xiàn)在鋼井道底層。與L0=0 mm時的支座反力相比，頂部X向、Z向的支座反力僅為2%～4%，其他層X向、Z向的支座反力約為14%～19%，Y向的支座反力約為55%左右。

(五)L0=1 200 mm時的鋼井道受力分析

除LL長度不同外，分析模型、分析條件與L0=150 mm時相同。由模態(tài)分析結(jié)果顯示，鋼井道第1階振型為以沿X向為主的平動振型，第2、3階振型以局部振動為主。

鋼梁、鋼柱中的最大應(yīng)力比出現(xiàn)在鋼井道底層。與L0=500 mm時的支座反力相比，X向、Z向的支座反力增大約1倍，Y向的支座反力基本相同，但絕對值并不大(約為1～5 kN)。

由位移分析結(jié)果可見(參見圖5)，Y向變形極其微小，在風(fēng)荷載作用下鋼井道頂面X向的最大位移W-Xmax=38.258 mm，較獨立鋼井道增大約24%；底部二層的彈性層間位移角最大，θex，max=1/398>1/400，這說明鋼井道彈性層間位移角超限，已不能滿足規(guī)范要求。

圖5 鋼井道變形圖示(L0=1 200 mm)

分析結(jié)果說明，隨著LL的增長，連廊圍覆面增加，由此增大了風(fēng)荷載的作用，這對風(fēng)荷載比較敏感的鋼井道產(chǎn)生了較大影響。當(dāng)L0超過1 200 mm時，鋼井道彈性層間的位移角已不能滿足規(guī)范要求。由此可見，LL跨度對鋼井道的影響不容忽視，設(shè)計時應(yīng)將兩者進行整體建模分析，以確保設(shè)計指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

四、結(jié) 語

針對鋼井道與既有住宅之間“弱連接”的特點，考慮LL長度，借助通用有限元軟件SAP 2000，對弱連接鋼井道的受力特性進行分析，從而得出如下結(jié)論：(1)弱連接鋼井道屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，鋼井道的主要位移指標(biāo)一般由風(fēng)荷載控制。(2)當(dāng)將鋼井道以鉸接的方式直接與既有住宅相連接時，其鋼井道變形狀態(tài)及受力特性相對獨立鋼井道而言發(fā)生了較大變化，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，且頂部鉸支座對既有住宅產(chǎn)生了較大的作用力。因此，在工程中應(yīng)慎重采用。(3)當(dāng)兩端鉸接的LL長度在500 mm左右時，可以有效弱化鋼井道與既有住宅之間的相互作用；當(dāng)LL長度大于1 000 mm時，對鋼井道變形的影響較大，甚至?xí)鹞灰浦笜?biāo)超限。此時，應(yīng)對鋼井道與連廊的整體建模進行分析與設(shè)計，以確保弱連接鋼井道設(shè)計指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。(4)LL兩端的相對水平位移較大，應(yīng)充分保證LL兩端鉸接節(jié)點的水平轉(zhuǎn)動能力。否則，過大的相對水平位移會對連接節(jié)點造成破壞。