上海地區既有多層住宅加裝電梯若干結構問題探討

唐小輝，李承銘，方 林（華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200011）

受經濟發展水平的制約，上海地區在20世紀90年代以前建造的7層及7層以下多層住宅絕大多數都沒有設置電梯，住在3層以上的居民，特別是年紀偏大或腿腳不便的人，上下樓成了很麻煩的事情。隨著社會發展，民眾對生活質量的要求越來越高，多層住宅加裝電梯在上海地區和全國很多地方都在逐步推進。上海地區 6 層或7層的多層住宅一般是磚混結構，樓板采用預制板，也有采用底部框架上部砌體結構，底部框架為底部1層或2層，采用現澆混凝土梁板結構，上部砌體結構仍采用預制板。有些多層砌體住宅設置有圈梁和構造柱，有些只有圈梁。特別是20世紀80年代以前，上海住宅沒有抗震設防，一般都沒有構造柱。總體上，上海既有多層住宅的抗震性能普遍較差，因此在多層住宅加裝電梯之前均需要對原有結構進行房屋安全質量檢測。若原結構存在有安全隱患，則不允許加裝電梯。加裝的電梯一般與原有的樓梯間相連，電梯井道結構可采用混凝土結構或鋼結構，其中混凝土結構包含混凝土框架結構或異形柱結構，基礎結合電梯底坑采用樁筏基礎，樁基一般采用錨桿靜壓樁。本文根據近年來在上海地區既有多層住宅加裝電梯的實踐，對若干結構問題進行探討。

1 整體模型與獨立模型

整體模型的計算包含原砌體結構及新增電梯，單獨模型則僅僅包含電梯模型，不計原結構對其支撐作用。新增電梯正常情況下均與原多層砌體結構相連，由于原砌體結構的剛度及質量遠大于新增電梯結構，因此電梯對原結構整體的受力情況及變形特性影響很小。一般6或7層的砌體結構（包含純砌體結構及底框結構）的第一周期在 0.45～0.65 s 之間（底框結構周期偏長一點），剛度很大。原砌體結構與增設電梯后整體結構周期及扭轉情況對比見表1。

從表1可知原多層砌體結構在增設電梯后整體結構的周期及扭轉特性與原結構變化很小，可以忽略。

表1 原砌體結構與增設電梯后整體結構周期及扭轉情況對比表

新增電梯各層平臺一般與原有樓梯間的平臺或半平臺相連，電梯布置平面方案通常有兩種，如圖1所示。

圖1 電梯平面布置方案

從圖1 可見：方案 1 為電梯通過連廊直接通到樓梯間，結構布置只要 4 根柱即可；方案 2 為電梯前面還有一個候梯間，需要至少布置 6 根柱。

表2 針對不同電梯平面布置方案及不同的結構方案（分為鋼結構和混凝土框架結構兩種）與原有結構針對地震作用下的底層X、Y兩個水平向剪力及傾覆力矩進行對比。表2 中的數據均僅僅統計原結構范圍內的剪力和傾覆力矩，未包含新增電梯那部分的作用效應。鋼梯采用鋼柱為箱型200 mm×8 mm，鋼梁為 200 mm×200 mm×6 mm×9 mm，混凝土梯采用框架柱 300 mm×300 mm，混凝土梁為 200 mm×400 mm。不同電梯平面布置方案原結構傾覆力矩對比見表3。

表2 不同電梯平面布置方案與原結構底部剪力對比表

表3 不同電梯平面布置方案原結構傾覆力矩對比表

由表2、表3可知：采用鋼結構對原結構的影響小于混凝土結構；采用方案 1 的影響小于方案 2 ，這主要是由于混凝土框架因為框架柱邊長最小只能做到 300 mm，剛度大于鋼結構框架；方案2比方案1多2根柱，剛度較大，因此新增電梯結構剛度越大，對原結構的影響就越大。表2還表明，增設電梯均會增加原有結構水平地震作用效應，增大幅度取決于新增電梯結構布置及原有砌體結構的特性，需要通過整體建模分析來判別對原結構的影響情況。根據工程實踐經驗，一般增大幅度控制在 5% 以內可以不考慮對原結構的不利作用，否則就需要對原結構進行適當加固或調整電梯布置方案（減少電梯剛度）等措施以減少對原結構的作用。

除了整體模型計算，還應對電梯單獨進行計算分析，以保證電梯在與原結構連接失效之后仍能單獨承受水平作用。這在上海地區加裝電梯的實踐中已經達成共識。單獨的鋼梯或混凝土梯均應滿足水平作用下的位移指標，雖然單獨電梯骨架高寬比很大，但由于井道荷載很小，一般情況下均能滿足，若不滿足可把支撐電梯軌道的層間梁也考慮進去。另外，很多情況下風荷載計算下的位移大于地震作用。單獨計算還要考慮基礎的抗傾覆能力。

2 電梯基礎問題

上海地區位于長江三角洲東南前緣，大部分區域都覆蓋了巨厚的第四系松散沉積物，基巖埋深在 200～300 m，典型的土層情況從上往下依次為：第①層土，雜填土；第②層土，褐黃色黏性土；第③、第④層土，淤泥質黏性土；第⑤層土，灰色黏性土；第⑥層土，暗綠草黃色硬土層；第⑦層土，粉性土或砂土層；第⑧層土，灰色黏性土夾粉砂層；第⑨層土，灰色砂土層。

上海地區淺層范圍包含較多的填土及淤泥質土，其壓縮模量較小，在上部結構作用下會產生較大的沉降，而且沉降要持續很多年才完成。上海既有多層住宅基礎一般采用條形基礎、筏板基礎或采用微型樁筏板基礎，基礎底面落在第②層土上，雖然整體沉降較大，但經過 20～30 a 后沉降已經趨于穩定。新增電梯部分的基礎若不采用樁基礎，雖然其基礎底面落在第②層土上地基承載力可滿足要求，但累計沉降可達到 30～60 mm。由于電梯與原結構距離很近，一般在 2 m 以內，局部傾斜在 0.015～0.030，遠超規范0.004的要求，必然會把連接部位的節點拉壞，因此在上海地區加裝電梯，通常需要設置樁基。

新增電梯的基礎可結合電梯底坑的要求做成樁筏基礎，樁基一般采用錨桿靜壓樁，主要是因為多層住宅場地狹小，無法設置常規的沉樁設備，而且樁數較小，采用一般打樁設備經濟性較差。錨桿靜壓樁通過錨桿把 2～4 m的樁架和基礎底板或其他反力裝置固定，再通過液壓千斤頂把一節一節的小方樁壓入到指定標高，單節樁長通常為 1～3 m，樁邊長一般為 200 mm、250 mm、300 mm及 350 mm 等 4種，接樁方法有焊接接頭和硫磺膠泥接頭。錨桿樁底標高一般應達到第⑤2層土。

由于上海地區淺層土除了第②層土外，主要以淤泥質土為主，因此沉樁相對比較容易，壓樁力一般控制在1 000 kN 以內。上海部分地區受吳淞江等故道影響，在地表2～20 m 范圍內有第②3層粉性土、粉砂的分布，由于第②3層靜力觸探比貫入阻力Ps平均值在 2.0～3.0 MPa，且有一定厚度，樁在穿越該層時貫入阻力較大，因此碰到這種情況，樁頭一般需要換成鋼靴，且壓樁配重要足夠，否則很難穿透這一層。加裝電梯項目雖小，但每個項目都需要進行巖土工程勘察，以確保基礎設計安全。

樁基礎設計因需要滿足單獨電梯也能獨立承受水平作用，因此基礎應能夠滿足結構自身抗傾覆問題。一般將樁布置在與房屋外墻面垂直的電梯底坑側墻的兩側，能夠形成較大的抵抗傾覆力臂，確保樁基在水平作用下不受抗拔作用。一般保守計算不考慮基礎底板上覆土的有利作用。與房屋相鄰的電梯基礎底板可與原基礎通過植筋方式拉結來保證電梯的另一方向的抗傾覆。由于原基礎底面一般位于第②層土，深度為 1.5～ 2.0 m，與新增電梯承臺標高很接近，所以一般可以通過拉結把新老基礎連成一體。電梯基礎抗傾覆計算，如圖2所示。

圖2 電梯基礎抗傾覆計算示意圖

圖2 中，(FK+GK) 為在荷載效應的標準組合下，作用在承臺底面的豎向作用力（包含電梯上部結構和基礎的荷載）；MK為在荷載效應的標準組合下，作用于承臺底面，繞通過樁群形心主軸的力矩；N1和N2分別為左右兩排樁的豎向總反力。對左邊樁中心取矩，不考慮基底土反力，靜力平衡，即 ∑M1=(FK+GK)×Y－MK－N2×2Y=0。為了保證樁在最不利水平作用下仍受壓，即N2≥0，由上式得（FK+GK）×Y≥MK。滿足基礎抗傾覆最直接的方法是通過增加基礎自重（即加厚底板）或增加樁距離基礎中心的距離（即增加y）。

由于樁布置在基礎承臺的外側，所以基礎底板還需要驗算抗剪承載力及基礎底板抗彎承載力。抗剪計算可參考地基基礎規范的承臺斜截面受剪計算，抗彎計算可將基礎底板簡化為單向板且支座鉸接來計算底板配筋。

錨桿靜壓樁基礎施工，通常情況下應先施工基礎承臺，在承臺上預留喇叭形樁孔及預埋錨桿，然后再壓樁。如果承臺自重作為反力裝置還不夠，則必須增加配重，配重可直接壓在承臺上或通過型鋼傳到承臺上，不管哪種方式都必須將配重作用力對稱布置于壓樁孔四周，防止壓樁過程中受力不均而使得承臺傾斜或配重傾覆。建議承臺厚度設計得較大一些，既可以減少壓樁時的配重，又可以增大使用期間電梯結構抗傾覆能力。另外，配重一般是采用混凝土塊或鋼塊搭起，塊體之間僅靠接觸連接，一般高度不能超過 3 m，否則在壓樁過程中可能會有安全風險。建議采用鋼塊，以有效減少塊體體積。

3 電梯與主體結構的連接問題

電梯與主體結構的連接包含基礎連接及上部各層連廊的連接。電梯基礎與原多層砌體可以連接，也可以脫開，主要是根據新老基礎的距離，如兩者距離很近或部分重疊，則考慮拉結，否則脫開。基礎相連時鋼筋連接可采用植筋方式或者鑿出原有基礎的縱向鋼筋焊接接長。基礎相連整體性較好，因基礎剛度大，對控制兩者不均勻沉降有利，建議采用相連的方式。

電梯上部結構通常是通過走廊和原住宅的樓梯相連。對于雙跑樓梯的情形，一般在樓梯半平臺相連；對于一梯多戶采用 Z 型單跑樓梯的情形，則是在整層相連。電梯走道梁應與原樓梯間周邊的構造柱相連，就需要對樓梯間的構造柱、圈梁情況進行檢測，探明構造柱圈梁是否存在、位置及材料強度等情況。目前上海地區加裝電梯前均需要對原有多層砌體住宅進行檢測鑒定，但很多檢測單位按傳統砌體檢測隨機抽樣檢測，未抽取樓梯連接部位的墻體、圈梁及構造柱進行測試，這是不可取的。應在對上述區域重點檢測的基礎上再對其他區域抽樣檢測，以確保設計方可以對這些連接部位采取相應的措施。筆者參與的部分項目由于前期檢測不到位，導致后期施工時鑿除面層發現內部構造柱混凝土酥松，需要進行加固處理。一般連接區域的構造柱及周邊砌體墻建議采用鋼筋網片砂漿面層加強，鋼筋網砂漿面層加固從基礎一直到屋頂都做，豎向鋼筋網植入基礎內，砂漿采用水泥砂漿 M 10，拉筋孔洞內也采用水泥砂漿錨固。原樓梯端部構造柱及周邊砌體墻體加固，如圖3所示。

圖3 原樓梯端部構造柱及周邊砌體墻體加固詳圖

新增電梯采用樁基礎后，雖然與原結構的相對沉降很小，長期沉降差僅為 3～5 mm，但對于不同的相連方式，連接部位的剪力差別很大。電梯井道與原結構不同的連接方式，如圖4所示。

圖4 電梯井道與原結構不同的連接方式

從圖4 可見，電梯通過 GL1 與原結構有 3 種不同的連接方式。其中（a）為兩端鉸接；（b）為一端鉸接一端剛接；（c）為兩端剛接。采用整體模型計算，原結構底部支座X、Y、Z軸三向平動及轉動均約束住，而電梯底部Z向模擬沉降，其他自由度約束住。計算結果表明，不同的端部連接方式對連廊鋼梁靠近砌體墻端的剪力差別很大，具體對比數據見表4。

表4 不同的連接方式對 GL1 靠近砌體墻端的剪力對比表kN

從表4可知：對于兩端鉸接的情況，有一定的沉降差，對 GL1 梁端剪力影響較小；對于兩端剛接的情形，則隨著電梯與原結構的沉降差的增加，梁端剪力也隨之增大；對于一端剛接一端鉸接的情形，則介于兩者之間。另外，對于后兩種情況，底部剪力最大，越往上則剪力遞減。

由此可見，電梯與主體結構之間的沉降差對于鋼梁位于砌體墻體連接部位的剪力影響很大，特別對于兩端剛接情形，當沉降差達到 10 mm 時，2層連接梁端剪力已經達到107 kN，采用后植筋的連接節點，極易發生破壞。為盡量避免連接節點破壞，一般采用如下措施：①新增電梯下部采用樁基礎；②電梯鋼梁 GL1等電梯主框架結構封頂后安裝（電梯骨架封頂前需臨時結構支撐）；③GL1兩端采用鉸接形式，或者采用一端剛接一端鉸接方式，鉸接端應采用豎向腰形孔，孔豎向大小可根據沉降差來設計；④連接部位的構造柱及砌體墻體建議加固。

4 結 語

（1）加裝電梯計算既要進行整體模型計算，以分析加梯對原有結構的影響并采取合理的結構方案，又要單獨計算，保證電梯能夠獨立承受各種不利作用，以確保安全。

（2）電梯基礎應采用樁筏基礎，樁型采用錨桿靜壓樁，沉樁配重及壓樁力應根據土層情況進行判斷，特別要注意是否存在第②3層砂土層。電梯基礎設計還應驗算整體抗傾覆。

（3）電梯與原砌體連接部位的結構應進行檢測，連接方式采用鉸接連接；設計時應采取措施減少新老結構之間的沉降差，以盡量減少端部連接節點的剪力。