地震作用下既有框架結(jié)構(gòu)房屋與增設(shè)電梯的連接部位受力分析

王錦濤，王紹杰

（華北理工大學(xué)，河北 唐山 063009）

1 研究背景

由于規(guī)范的局限性以及改革開(kāi)放初期經(jīng)濟(jì)還不發(fā)達(dá)的國(guó)情，為解決人們住房極度短缺的情況，中國(guó)興建了一大批6～8層的無(wú)電梯住宅，如今，這些建筑還沒(méi)有達(dá)到使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有老舊小區(qū)約15.9萬(wàn)個(gè)，建筑面積近35億m2，涉及居民4 213萬(wàn)戶，400多萬(wàn)棟建筑無(wú)電梯[1]。但是中國(guó)人口老齡化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，由于老年人行動(dòng)不便，上下樓梯比較困難，所以提出了對(duì)老舊小區(qū)加裝電梯的需求。這就對(duì)加裝電梯的可行性以及技術(shù)條件提出了要求。

向容等[2]通過(guò)對(duì)6層砌體結(jié)構(gòu)建筑加裝電梯的不同連接方式進(jìn)行抗震性能分析，闡述了電梯井道與既有建筑連接方式的不同分別對(duì)原建筑和加裝的電梯井道的影響。周萬(wàn)清等[3]對(duì)一棟7層框架結(jié)構(gòu)住宅加裝電梯進(jìn)行反應(yīng)譜工況分析，討論了既有框架結(jié)構(gòu)加裝電梯井道一側(cè)梁與柱的受力情況，指出這些構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力隨樓層的增加而增大，這些構(gòu)件距電梯井的距離增大而減小。池祥[4]以一棟15層框剪結(jié)構(gòu)行政辦公樓為例進(jìn)行pushover分析，提出新加裝電梯在小震和大震作用下對(duì)原結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力影響不大，但是節(jié)點(diǎn)部位要保證可靠性。王祥[5]總結(jié)了甘肅地區(qū)的既有建筑加裝電梯的施工圖審查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，指出鋼連梁根據(jù)既有建筑與加裝電梯井道的沉降差來(lái)設(shè)置兩端的連接方式是兩端鉸接還是一端固接一端鉸接。姜健[6]通過(guò)對(duì)比既有建筑加裝電梯的不同方案的抗震性能，討論了電梯布置對(duì)電梯結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

本文采用SAP2000有限元軟件，建立了一棟6層混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅分別增設(shè)2組抗側(cè)移剛度不同的鋼結(jié)構(gòu)電梯井道結(jié)構(gòu)，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)連接部位的受力進(jìn)行對(duì)比，分析其沿樓層高度的變化趨勢(shì)和受力特點(diǎn)。

2 有限元分析

2.1 模型概況

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（下面稱既有建筑）為6層住宅樓，層高3 m?？蚣苤叽鐬?50 mm×450 mm；框架梁截面尺寸為250 mm×500 mm，頂層樓板厚120 mm，其他層樓板厚100 mm。梁、板與柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，鋼筋均采用HRB400。荷載按實(shí)際情況取值。抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），地震分組為一組，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，阻尼比為0.05，特征周期為0.35 s。

新增電梯井道結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，與既有建筑錯(cuò)半層連接，連接部位在樓梯間休息平臺(tái)的平臺(tái)梁處，設(shè)置為鉸接。首層高度4 500 mm，2—4層層高3 000 mm，5層層高4 500 mm。井道鋼柱、鋼梁均采用矩形型鋼，鋼材均采用Q235。

采用2個(gè)構(gòu)件尺寸不同的電梯井道分別與既有建筑結(jié)構(gòu)相連，組成模型A和模型B，且模型B比模型A的抗側(cè)移剛度大，電梯井道尺寸如表1所示。框架結(jié)構(gòu)加裝電梯平面布置圖和模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)加裝電梯平面布置圖（單位：mm）

圖2 框架結(jié)構(gòu)加裝電梯模型

表1 各個(gè)模型電梯井架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件尺寸

2.2 時(shí)程分析結(jié)果分析

依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的規(guī)定選取3條地震波，分別是2條天然波Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3304（以下簡(jiǎn)稱天然波1）與Point Mugu_NO_97（以下簡(jiǎn)稱天然波2）和1條人工波。

2.2.1 模態(tài)分析

對(duì)模型A和模型B的進(jìn)行模態(tài)分析，分別取前三階主要振型，前三階振型分別是Y方向平動(dòng)振型、X方向平動(dòng)振型和扭轉(zhuǎn)振型。模型A和模型B模態(tài)分析數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，加裝電梯后對(duì)既有建筑的周期影響均小于1.2%，說(shuō)明剛度和質(zhì)量的比值變化不大，加裝的電梯井道結(jié)構(gòu)對(duì)既有建筑影響十分有限，因?yàn)榧扔薪ㄖ馁|(zhì)量和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電梯井道結(jié)構(gòu)，加裝電梯后的建筑整體上的周期大小主要還是由原有框架結(jié)構(gòu)建筑決定。

表2 模型A模態(tài)分析數(shù)據(jù)

2.2.2 最大位移和最大層間位移角

因電梯井道與既有建筑為錯(cuò)層連接，所以對(duì)電梯井道結(jié)構(gòu)和原有建筑的最大位移和最大層間位移角分別進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，分別如表3和表4所示。

表3 原有建筑部分樓層罕遇地震作用下最大位移和最大層間位移角

表4 電梯井道部分樓層罕遇地震作用下最大位移和最大層間位移角

由表3可得出如下結(jié)論：①罕遇地震作用下最大層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50即0.02的要求；②既有框架結(jié)構(gòu)加裝電梯之后，模型A與模型B的Y方向的最大位移和最大層間位移角均增大，說(shuō)明加裝電梯對(duì)既有建筑的Y方向抗震性能不利，但是因?yàn)閿?shù)值變化不大，所以影響十分有限；③模型A既有建筑部分的X方向最大位移比原框架結(jié)構(gòu)略有減少，模型B既有建筑部分的X方向最大位移比原框架結(jié)構(gòu)增加，說(shuō)明加裝的電梯井道結(jié)構(gòu)在一定抗側(cè)移剛度的范圍內(nèi)有利于既有建筑X方向抗震，可以減少既有框架結(jié)構(gòu)X方向的最大位移，但是因?yàn)閿?shù)值變化不大，所以作用也十分有限。

由表4可得出如下結(jié)論：①罕遇地震作用下最大層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50即0.02的要求；②因?yàn)閄方向上電梯井道外側(cè)沒(méi)有受到水平方向約束且電梯井道結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)移剛度比既有建筑小，所以變形較既有建筑部分的最大位移還大；③由于模型B的電梯井道部分抗側(cè)移剛度比模型A的大，所以模型B電梯井道部分的X方向最大位移和最大層間位移角比模型A的小，說(shuō)明增大電梯井道的抗側(cè)移剛度可以減小模型電梯井道部分X方向的變形，有利于抗震；④在Y方向上電梯井道結(jié)構(gòu)與既有建筑相連，兩者最大位移和最大層間位移角數(shù)值上基本相等，所以電梯井道的Y向變形主要受到既有建筑的影響。

2.2.3 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用如表5和圖3所示。

表5 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用最大值及其出現(xiàn)樓層

從表5和圖3可得如下結(jié)論：①模型B連接部位的軸力和剪力整體上比模型A大，所以電梯井道結(jié)構(gòu)在抗側(cè)移剛度增大后會(huì)使連接部位的相互作用力增加。②電梯井道結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度對(duì)軸力和水平剪力的沿樓層高度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)影響較大。模型A的連接部位軸力的最大值出現(xiàn)在頂層，模型B的連接部位軸力最大值出現(xiàn)在第四層或第三層。但是，水平剪力在數(shù)值上較小最大值不到0.2 kN，因此作用有限。③模型A和模型B的豎向剪力沿樓層高度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)比較平緩，頂層和底層數(shù)值較大，最大值出現(xiàn)在底層。

圖3 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

2.2.4 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用及最大值分別如圖4和表6所示。

圖4 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

由圖4和表6可得如下結(jié)論：①模型B連接部位的軸力和剪力整體上比模型A大，所以電梯井道結(jié)構(gòu)在抗側(cè)移剛度增大一定程度上會(huì)使連接部位的相互作用力增加。②電梯井道結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度對(duì)軸力和水平剪力的沿樓層高度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)影響較大。模型A的連接部位軸力的最大值出現(xiàn)在底層，模型B的連接部位軸力最大值出現(xiàn)在第四層。但是水平剪力在數(shù)值上較小，最大值不到0.4 kN，作用比較有限。③模型A和模型B的豎向剪力沿樓層高度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)比較平緩，最大值出現(xiàn)在底層，整體上呈現(xiàn)底層大沿樓層高度向上逐漸變小，最大值出現(xiàn)在底層。

表6 （續(xù)）

表6 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用最大值

3 結(jié)論

本文以一棟6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅加裝電梯為例，研究連接部位的相互作用沿樓層高度的變化趨勢(shì)和受力特點(diǎn)，主要結(jié)論如下：①本文中的既有建筑加裝電梯后，整體結(jié)構(gòu)的彈塑性位移變形在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。因?yàn)榧扔薪ㄖ馁|(zhì)量和整體剛度比電梯井道結(jié)構(gòu)的大，所以新增電梯結(jié)構(gòu)對(duì)既有建筑在罕遇地震作用下的變形影響很小。②加大電梯井道結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度有利于提高電梯井道X方向的抗震性能。③既有建筑與加裝電梯井道結(jié)構(gòu)的連接部位的相互作用（包括軸力、剪力）整體上隨著電梯井道結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度增加而增加。④既有建筑與加裝電梯井道結(jié)構(gòu)的連接部位的軸力和水平剪力沿樓層高度范圍的變化趨勢(shì)受電梯井道結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度變化的影響比較明顯。最大值的位置在抗側(cè)移剛度較低時(shí)出現(xiàn)在頂層或底層，抗側(cè)移剛度增大后，最大值會(huì)出現(xiàn)在中間層即三層或四層。水平剪力在數(shù)值上較小，作用比較有限。⑤既有建筑與加裝電梯井道結(jié)構(gòu)的連接部位的豎向剪力沿樓層高度方向的變化趨勢(shì)受抗電梯井道結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度的改變所帶來(lái)的影響較小，最大值出現(xiàn)在底層。