既有建筑加裝電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

俞希濤

摘 要：在對既有建筑增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)建筑物的用途類型，科學(xué)設(shè)計電梯設(shè)備，確保電梯的加裝，不會對原有建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，還要保證電梯結(jié)構(gòu)的順利運行。當前，市場上應(yīng)用比較廣泛的是既有多層住宅增設(shè)外掛電梯。這種電梯設(shè)計主要作用于老舊住宅中，還可以在商業(yè)住宅和別墅中增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)。老舊住宅建筑中的電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于民生工程建設(shè)，已經(jīng)得到了地方政府的大力扶持。但是，當前在電梯設(shè)計和施工中還存在一些不足之處。基于此，文章就既有建筑加裝電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了相關(guān)分析和探討。

關(guān)鍵詞：既有建筑;加裝電梯結(jié)構(gòu);設(shè)計;分析探討

中圖分類號：TU8文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2022）03-007-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.003

在我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，既有建筑增設(shè)電梯項目的建設(shè)數(shù)量正在不斷增多。既有建筑電梯項目的建設(shè)，與新建工程項目的施工存在共性，也存在一定的差異。

新增的電梯結(jié)構(gòu)會受到原有建筑物建設(shè)情況的影響和制約，為保證電梯結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時更加安全穩(wěn)定，要根據(jù)原有建筑結(jié)構(gòu)體系，對新增結(jié)構(gòu)進行科學(xué)規(guī)劃設(shè)計。要從整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造角度，明確設(shè)計工作的開展重點和難點，從根本上提高設(shè)計工作的開展質(zhì)量和效率[1]。

1 既有建筑加裝電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計開展的要點

1.1 建立健全結(jié)構(gòu)體系

在原有的結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)，會受到建筑物功能的制約。為減少對原有結(jié)構(gòu)的影響，通常要將新增的電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計在主體結(jié)構(gòu)的外側(cè)區(qū)域，極少情況下要在建筑物內(nèi)部進行電梯結(jié)構(gòu)建設(shè)。新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)與原有主體結(jié)構(gòu)存在連接關(guān)系。設(shè)計新增電梯結(jié)構(gòu)時，可以采用獨立設(shè)計方式，也可以連接原有主體結(jié)構(gòu)。

獨立設(shè)計時要與原有主體結(jié)構(gòu)脫開設(shè)縫，充分考慮結(jié)構(gòu)的最大高寬比和水平荷載情況，新增設(shè)的電梯井道一般在2.2 m左右。獨立設(shè)置電梯結(jié)構(gòu)時，整體建設(shè)高度不能大于9 m。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計與新建結(jié)構(gòu)設(shè)計并無太大差別。如果采用連接設(shè)置形式，新增設(shè)的電梯平面尺寸要比原結(jié)構(gòu)更小，新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)高寬比不會對工程建設(shè)產(chǎn)生限制。在與原主體結(jié)構(gòu)連接設(shè)置，新增設(shè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用穩(wěn)定性更強，還可以降低變形問題的發(fā)生概率。要反復(fù)檢查連接構(gòu)件的使用安全性，如果連接構(gòu)件在使用過程中無法滿足整體承載力的要求，就要對墻柱等構(gòu)件進行加固處理[2]。

設(shè)計新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)可以選用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)建設(shè)形式，也可選用鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要存在框架、框架—剪力墻、剪力墻等結(jié)構(gòu)建設(shè)形式，因為剛度比較大，耐久性能更強，因此這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自重比較大，基礎(chǔ)設(shè)計存在一定難度?，F(xiàn)場施工涉及內(nèi)容比較多，且建設(shè)周期更長，無法保證原有建筑物的正常使用。

鋼結(jié)構(gòu)的自重比較輕，不會對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，施工時可以先在工廠預(yù)制構(gòu)件，運輸?shù)浆F(xiàn)場吊裝。因此，施工速度更快，不會對建筑物的正常使用產(chǎn)生不良影響。但這種結(jié)構(gòu)在使用過程中剛度比較小，耐久性能較差，后期維護管理工作開展時成本更高。如果設(shè)計人員選用了新增電梯結(jié)構(gòu)與原建筑結(jié)構(gòu)相連的設(shè)計方式，大多數(shù)采用鋼框架結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式[3]。

設(shè)計電梯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)時，要根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)情況開展針對性的設(shè)計工作。要在滿足結(jié)構(gòu)整體承載力的基礎(chǔ)上，減少對原有結(jié)構(gòu)的影響。如果新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)建設(shè)位置不存在地下室，可以選用新增樁基礎(chǔ)的設(shè)計形式。要綜合考慮施工現(xiàn)場的環(huán)境條件以及工程建設(shè)成本。

一般情況下，要選用鉆孔灌注樁的建設(shè)形式，如果區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件比較好，也可以選用天然基礎(chǔ)。要反復(fù)核實新舊結(jié)構(gòu)之間的沉降差，確保數(shù)值滿足設(shè)計要求，不會對新增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)的正常應(yīng)用產(chǎn)生影響。

如果在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)下部區(qū)域存在原有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，就可以采用新增轉(zhuǎn)換構(gòu)件的處理形式。設(shè)計人員要保證傳力路徑更加清晰可靠，還要嚴格檢查所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載情況。在開展基礎(chǔ)設(shè)計工作時，不僅要全面了解基礎(chǔ)強度，而且要預(yù)測和解決地基可能出現(xiàn)的變形問題，盡可能避免發(fā)生新舊結(jié)構(gòu)不均勻沉降問題，避免連接部位的構(gòu)件受到破壞進而出現(xiàn)開裂等問題[4]。

1.2 加強結(jié)構(gòu)計算管理

開展結(jié)構(gòu)計算工作時，要建立模型，對新增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)與原有建筑結(jié)構(gòu)進行整體性分析。要嚴格按照行業(yè)規(guī)范，選取和設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^新增設(shè)結(jié)構(gòu)前后整體指標的對比分析，明確新增設(shè)結(jié)構(gòu)的建設(shè)是否會對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，對比和分析新增設(shè)結(jié)構(gòu)中一些比較重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及相連構(gòu)件的內(nèi)力配筋是否發(fā)生改變。如果發(fā)現(xiàn)新增設(shè)結(jié)構(gòu)對原建筑結(jié)構(gòu)存在較大影響，就要進行優(yōu)化完善，并對其進行加固處理[5]。

1.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造

設(shè)計新增電梯結(jié)構(gòu)時，如果選用了混凝土結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式，連接樓層處的梁、板與原結(jié)構(gòu)時，可以通過鋼筋植筋錨入原結(jié)構(gòu)中，施工時要滿足錨固的建設(shè)要求。如果選用了鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式，可以通過化學(xué)錨栓將鋼梁與原結(jié)構(gòu)連接，按照實際建設(shè)情況采用多節(jié)點的連接方式，確保整體結(jié)構(gòu)具有更強的連接性。

在電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計時，如果選用了新增的基礎(chǔ)，特別是天然基礎(chǔ)時，錨栓孔可以設(shè)計成長圓孔的形式，確保新增設(shè)的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)存在不均勻的變形余度，避免后期出現(xiàn)變形等問題。在開展計算工作時，模型的建設(shè)形式要與實際施工行為基本保持一致。如果選用了鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)形式，前室平臺可以設(shè)計為壓型鋼板混凝土組合樓板，板鋼筋和原結(jié)構(gòu)可以選用植筋錨固的處理形式，增強整體性能。如果要降低結(jié)構(gòu)自重，可以根據(jù)實際建設(shè)情況選用花紋鋼板樓板，在其表面鋪設(shè)裝飾面層。如果建筑物的樓層數(shù)比較高，在進行樓層間設(shè)計時，可以根據(jù)軌道的安裝要求在層間設(shè)置鋼梁，并且縮短小鋼柱的計算長度，同時可以增加結(jié)構(gòu)的剛度[6]。

在對原有建筑物進行加裝電梯設(shè)計時，主要存在內(nèi)置結(jié)構(gòu)與外置結(jié)構(gòu)兩種形式。內(nèi)置結(jié)構(gòu)是在建筑物內(nèi)部設(shè)置電梯結(jié)構(gòu)，拆除所有樓梯后，在原有樓梯位置安裝電梯結(jié)構(gòu)并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。外置結(jié)構(gòu)是在保持建筑物原有結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，在外側(cè)區(qū)域進行電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計。兩種設(shè)計方式都存在一定的優(yōu)點和缺點，要根據(jù)工程建設(shè)要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置形式。0196B4B3-0396-4F43-9EE0-F9EAC59EAC16

如果選擇外置結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式，外加構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的連接方式主要存在焊接、錨接、鉸接等連接方式。這幾種連接方法在使用時，受力比較復(fù)雜。為選用受力更加簡單的直接連接法，可以通過植筋的連接處理各個結(jié)構(gòu)。在使用直接植筋連接方法時，要在原有梁截面的上緣區(qū)域或下緣區(qū)域，植入比較多的鋼筋材料。

但是，因為植入的鋼筋會處于梁的受拉區(qū)，在復(fù)合應(yīng)力影響下，受拉區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)裂縫等問題，無法滿足工程的建設(shè)要求。植筋帶膠過早，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移等問題，進而引發(fā)粘結(jié)錨固的破壞。傳統(tǒng)的直接植筋連接方式在應(yīng)用時，無法處理復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的原有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋材料，這就導(dǎo)致電梯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用安全性會不斷降低。

應(yīng)用復(fù)雜受力連接方式時，融合了焊接、錨接、鉸接等多種工藝，這種工藝在實施時具備更多的優(yōu)勢?？梢赃m當加強植筋錨固區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)橫向約束力，并加固原有結(jié)構(gòu)，提高錨栓錨固性能，確保這一結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時更加安全穩(wěn)定。應(yīng)用這種連接方式建設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)，可以承受更多的偏心振動荷載，連接現(xiàn)有電梯構(gòu)件并進行加固處理。

加裝電梯結(jié)構(gòu)時，建筑物主體結(jié)構(gòu)的部分荷載會施加在電梯框架區(qū)域，電梯框架要將力傳導(dǎo)到原有的主體結(jié)構(gòu)中，因此受力影響主要產(chǎn)生在構(gòu)件之間和單元之間的連接構(gòu)件上。分析結(jié)構(gòu)時，要深入分析和了解各個構(gòu)件和單元之間的關(guān)系。一般情況下，構(gòu)件和單元是通過節(jié)點直接連接的。如果采用了單元連接方式，也可以將其算作節(jié)點的連接。連接控制方程時，主要存在接觸和耦合等連接形式[7]。

設(shè)計電梯結(jié)構(gòu)的荷載施加系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的有限元程序中各個程序存在一定的相似之處。一般情況下，有限元程序由實體單元、框架單元和連接單元等元素組合而成。這些單元組合的模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)與類似的程序，要通過節(jié)點的自由度耦合，實現(xiàn)不同的鉸接。設(shè)計加裝的電梯結(jié)構(gòu)時，屬于額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要適當調(diào)整某些節(jié)點的參數(shù)，確保這些加裝的構(gòu)件節(jié)點符合工程建設(shè)的特性，通過平面模擬，明確框架的受力問題。設(shè)計結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員還要明確加裝結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的關(guān)系[8]。

制定設(shè)計方案要分離加裝結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)，在這兩個結(jié)構(gòu)之間設(shè)置抗震縫，確保加裝的電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。設(shè)計抗震縫要將新增的電梯井道設(shè)置為獨立結(jié)構(gòu)。分析和計算結(jié)構(gòu)的受力時，可以通過構(gòu)建模型，明確受力路徑，避免加裝的電梯結(jié)構(gòu)對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。采用這種設(shè)計方式，不需要對加裝的結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定，也可以減少加固處理的次數(shù)。

但是，因為電梯井道的寬度比較小、高度過高，導(dǎo)致井道結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性比較差，且抗震性能無法滿足相應(yīng)的要求。

因此，必須彌補這一結(jié)構(gòu)的缺陷，才能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的效用。如果采用了加裝結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)相連的設(shè)計方式，要保證新增結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)連為整體，才能滿足結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某辦公樓選用了18層鋼筋混凝土框架剪力墻的結(jié)構(gòu)建設(shè)形式，采用了現(xiàn)澆式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行樓蓋建設(shè)，基礎(chǔ)形式為樁基承臺。此辦公樓結(jié)構(gòu)存在一層地下室，層高4.5 m，主體結(jié)構(gòu)高度為62.7 m。因為建筑物內(nèi)部原有的兩臺電梯設(shè)備，運行時無法滿足業(yè)主的需求，需要在原主樓北側(cè)區(qū)域增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)。

2.2 選取合理的結(jié)構(gòu)體系

設(shè)計電梯結(jié)構(gòu)時，為減少對原建筑結(jié)構(gòu)的影響，將其設(shè)計在整體結(jié)構(gòu)的北側(cè)區(qū)域，靠近原結(jié)構(gòu)井筒的位置。為滿足運行需求，設(shè)計的電梯結(jié)構(gòu)高度在62.5 m左右。因為單獨設(shè)置的形式，無法滿足變形要求。因此，要連接新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)與原有主體結(jié)構(gòu)，降低對原主體結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的影響。在建設(shè)過程中，要選用自重比較輕的鋼框架結(jié)構(gòu)，改造裙房結(jié)構(gòu)時，鋼結(jié)構(gòu)貫穿于裙房結(jié)構(gòu)，并在側(cè)面區(qū)域與其進行連接。

2.3 結(jié)構(gòu)計算工作的開展情況

在對結(jié)構(gòu)進行計算時，采用建模計算方式，按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)置了相應(yīng)的計算參數(shù)。對結(jié)構(gòu)進行檢測和鑒定后可以發(fā)現(xiàn)，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用都能滿足設(shè)計要求。在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和參數(shù)進行計算時，要按照設(shè)計要求開展相關(guān)工作。經(jīng)過計算對比后，可以發(fā)現(xiàn)新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)，前后的周期比和位移比等指標未發(fā)生明顯改變并滿足限定要求，原結(jié)構(gòu)的構(gòu)件配筋也能滿足承載力的要求。

2.4 關(guān)鍵節(jié)點及結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

開展設(shè)計工作時，因為新增設(shè)的電梯結(jié)構(gòu)投影范圍為地下室結(jié)構(gòu)，因此基礎(chǔ)設(shè)計難度比較大。在對其反復(fù)計算復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，支撐地下室的底板時，配筋無法滿足承載力要求，也無法對其進行加固處理。因此，要在頂板區(qū)域新增轉(zhuǎn)換梁，對井筒鋼柱進行支撐。

轉(zhuǎn)換梁支撐于原混凝土墻，設(shè)計方案的應(yīng)用可行性更高。要通過化學(xué)錨栓，實現(xiàn)鋼梁與原結(jié)構(gòu)墻的連接，在計算模型中要對連接節(jié)點進行計算。為了減少鋼柱的計算長度，確保軌道安裝作業(yè)在開展時更加便利，要適當增加結(jié)構(gòu)的剛度?？梢酝ㄟ^層間設(shè)置鋼梁的建設(shè)形式，滿足施工要求。因為混凝土樓板自重比較大，因此僅在電梯屋面以及機房層設(shè)置鋼筋混凝土板。

3 結(jié)語

綜上所述，設(shè)計人員在對既有建筑物進行新增電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)位置與原有結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，建立健全結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。還要從基礎(chǔ)選取角度，對各方面影響因素進行綜合考慮，要嚴格按照電梯結(jié)構(gòu)增設(shè)原則開展相關(guān)工作。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可以構(gòu)建建設(shè)模型，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行科學(xué)計算，還要明確關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計的重點和難點。設(shè)計人員要對原有的工作理念進行更新，還要對現(xiàn)有的設(shè)計手段進行優(yōu)化，確保設(shè)計水平得到進一步提升，從而促進新增電梯結(jié)構(gòu)建設(shè)工作的順利開展。

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