既有建筑加裝電梯的井道變形與強度分析

曹 靖

(安徽富煌鋼構股份有限公司,安徽 合肥 230601)

1 概述

裝配式鋼結(jié)構電梯作為一種新興的特種設備，產(chǎn)品開發(fā)需要研究的內(nèi)容涉及機械、建筑等多學科交叉。近年來的政府工作報告指出“城鎮(zhèn)、社區(qū)面積大范圍廣，應當加大力度進行改造提升，鼓勵支持加裝電梯”，各級政府也積極響應，全國有幾十個試點城市均出臺相應政策補貼老舊樓房的電梯加裝工程，這使得舊樓加裝電梯在未來有巨大的市場需要。

2 研究背景

城鎮(zhèn)的老舊小區(qū)由于年代久遠，大部分基礎設施已經(jīng)不能滿足人民生活需要，但是把老舊小區(qū)推倒重建又不經(jīng)濟，因此找到一種既不改變原有建筑結(jié)構又可以方便居民出行的設施成為當務之急[1]。2017年安徽省為推進既有建筑電梯增設工作，進一步改良城鎮(zhèn)老舊小區(qū)居民住房條件，政府出于對老年人出行方便的考慮，提出為老舊小區(qū)加設外部電梯的想法，把既有建筑增設電梯作為加快老舊城鎮(zhèn)改造的重要政策大力發(fā)展，經(jīng)過實際試用得到了社會上廣泛的贊同。

建筑外部加裝電梯方便了居民出行，又保留了原建筑結(jié)構。由于老舊小區(qū)的建筑結(jié)構復雜使鋼結(jié)構電梯產(chǎn)品存在與既有建筑不匹配、乘坐舒適性差等問題，解決這些問題既要結(jié)合建筑物情況，也要考慮電梯自身性能[2]。鋼結(jié)構井道作為電梯的主體部分，其剛度和強度直接關系到電梯的安全性，所以對鋼結(jié)構電梯井進行數(shù)值模擬尤為重要。

3 既有建筑增設電梯的發(fā)展現(xiàn)狀

原老舊房屋增設電梯，國外很多國家已經(jīng)開展研究。在1977年之前美國開展了對加裝電梯的研究，并逐步開始對2層以上的既有建筑進行試驗，這不僅延長了建筑物的使用壽命，也節(jié)約了社會資源[3]。

歐洲等一些國家通過廣泛征求居民的意見，收集加裝電梯的方案，積累出一套適合歐洲建筑標準。在設計研發(fā)初期把抗震作為首要考慮的問題，通過對柱腳加固、結(jié)構深化設計、選用合適鋼材等方法提高電梯的可靠度和安全性[4]。

我國既有建筑加裝電梯起步較晚，近年來由于政府財政支持才得到迅速發(fā)展，外裝電梯是改善居民居住條件最直接、最經(jīng)濟的措施。

2015年，中國建筑設計院有限公司張恒等人就外裝電梯安裝要點和注意事項等重點進行闡述，解讀了既有電梯的現(xiàn)狀和制約因素，為既有建筑加裝電梯提供了新思路[5]。

2016年，河南省特種設備研究院常嵐依據(jù)較發(fā)達城市推廣既有建筑增設電梯的方法，分析在實施過程中所面臨的困難及相應的處置措施，并對市面上各種型號的電梯進行對比分析[6]。

近年來國家政策的大力推行使得既有建筑增設電梯才成為一股新興之勢，但對于既有建筑增設電梯的重點難點突破相對較少，大多停留在基礎設計階段。在實際施工過程中仍然會出現(xiàn)阻力，比如“建造費用如何分攤”“一樓采光受到影響”等問題。

4 工程概況

某小區(qū)住宅樓為滿足居民生活需要，決定在既有建筑物外加裝鋼結(jié)構電梯。該型號鋼結(jié)構電梯采用框架結(jié)構，鋼材選用Q345，柱子采用200×8的方管，主梁和斜撐采用HN250×125和HW125×125的H型鋼，框架間用安全玻璃安裝。基本風壓為0.40 kN/m2，B類地面粗糙度。原建筑物高18.8 m，層數(shù)為5層。除首層外，其他各層均與電梯設置入戶通道。電梯橫截面和外立面如圖1，圖2所示，主要荷載參數(shù)如表1所示。

表1 主要荷載

Midas前處理：1)通過CAD構建電梯三維模型，如圖3所示。2)添加約束。本電梯所受約束為兩部分：一部分是電梯井與地面約束，另一部分是入戶通道與建筑物的約束，如圖4所示。3)荷載施加。本模型風荷載0.4 kN/m2，只考慮單側(cè)風荷載情況。本模型為傳遞風荷載，建立了容重為零、彈性模量極小的虛板，不參與模型的計算只起傳遞荷載的作用，如圖5所示。

5 風荷載計算結(jié)果及分析

位移分析：圖6為鋼結(jié)構的總位移變形云圖，根據(jù)圖6可看出鋼結(jié)構在這種工況井道頂部橫梁和第四層平臺出現(xiàn)較大位移，近似為3.83 mm。圖7為X軸方向的位移變形云圖，從圖7可以看出電梯井上部方柱變形較大，最大位移為0.415 mm。圖8為Y軸方向的位移變形云圖,最大位移出現(xiàn)在第四層平臺，近似為3.81 mm。通過圖7，圖8與圖6比較可知，電梯井總體位移數(shù)值與Y方向位移近似相等，由上可知電梯總體位移主要受Y方向力影響較大。

內(nèi)力分析：圖9為風荷載作用下電梯井道軸力圖，從圖9可看出軸力最大為33.1 kN,出現(xiàn)在柱腳位置。圖10為Y軸剪力,最大剪力為5.71 kN。圖11為Z軸剪力，最大剪力為4.13 kN。

綜上所述，該井道在0.4 kN/m2風荷載作用下不會出現(xiàn)過大位移，剛度符合要求。

6 結(jié)構優(yōu)化分析

把框架之間斜撐結(jié)構替換為交叉結(jié)構，其他條件均保持不變。

位移分析：圖12為鋼結(jié)構的總位移變形云圖，根據(jù)圖12可看出鋼結(jié)構在這種工況井道頂部橫梁，近似為3.59 mm。圖13為X軸方向的位移變形云圖，從圖13可以看出電梯井上部方柱變形較大，最大位移為0.412 mm。圖14為Y軸位移變形圖,最大位移為3.58 mm。

內(nèi)力分析：圖15為風荷載作用下電梯井道軸力圖，從圖15可看出軸力最大為33.9 kN,出現(xiàn)在柱腳位置。圖16為Y軸剪力,最大剪力為5.71 kN。圖17為Z軸剪力，最大剪力為4.16 kN。

7 結(jié)語

結(jié)合電梯工程實例，對裝配式鋼結(jié)構電梯進行變形和內(nèi)力計算得出以下結(jié)論：

1)在風荷載作用下，隨著鋼結(jié)構電梯井高度升高位移變形越大，但位移數(shù)值在允許范圍之內(nèi)。最大軸力和Y方向最大剪力都出現(xiàn)在柱腳部位，可對柱腳進行加固。

2)通過比較結(jié)構優(yōu)化前后的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，斜撐改為交叉支撐后結(jié)構位移減小，穩(wěn)定性增強，但結(jié)構自重增大，造價增多。