既有建筑增加鋼框架電梯井道的設計探析

劉同焰 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

在我國目前存在著大量的建筑，由于建設時的客觀經濟條件約束，以及其他原因沒有設置電梯，隨著社會的發展，這些建筑增設電梯勢在必行。本文就此問題從設計角度進行一些技術探析。

1 增設電梯的原因

①功能改變的需要，由于時代的發展，建筑功能發生改變的現象已經很普遍，譬如在老城區將一座使用時間不太長的規模較小的商業建筑，改造為酒店或者辦公樓，按照現行使用要求或者規范規定需要增加垂直電梯。

②業主主觀需要，譬如大量的建于2000年之前的多層住宅建筑，根據當時設計規范以及開發商為了節省成本沒有設計電梯，現在因為國家政策鼓勵和業主要求增設電梯。

③客觀使用需要，譬如某一建筑，在建設時已經設計有電梯，滿足當時的設計規范以及使用需求，但隨著形勢的發展，已有電梯數量不夠，需要增設電梯。

2 增設電梯的方案

2.1 在既有建筑內部增設電梯

一般做法是建筑師在滿足現行設計標準的情況下和建設單位協商后，在建筑內部找出合適的位置布置電梯，結構工程師按照現行設計標準對其進行加固改造設計。

2.2 在原有建筑外部增設電梯

考慮施工的可行性及對環境的影響，一般情況下此類增加電梯的井道多數采用鋼結構，而原建筑的結構材料一般為混凝土結構或者磚混結構，新增鋼結構與原主體結構分為連在一起和完全脫開的兩種形式，本文主要探討新增鋼結構與原主體結構連在一起的設計方法。

3 設計方法

3.1 結構體系的確定

由于新增電梯井道為鋼結構，而既有建筑的結構為混凝土結構或者磚混結構，當新增鋼結構與原主體結構連在一起時，一幢建筑出現了兩種結構體系，新增結構阻尼比與原結構的阻尼比不一樣，抗震計算時結構體系怎么認定，作者根據多個工程實例計算比較，發現無論結構剛度、自震周期、地震反應，新增鋼結構對原主體結構影響都很小，一般不超過2%。所以作者認為即使新增鋼框架與原結構連在一起，但整體結構體系沒有發生根本性變化，仍然為原結構體系。

3.2 結構設計

①基礎設計：新增鋼結構電梯井道的鋼柱一般要和原主體結構保持一定的距離，這樣新增部分的基礎才有可能實施。新增基礎類型原則上同原主體基礎類型，并經過沉降分析，確保沉降差和沉降量在規范允許范圍之內。

②上部結構設計：豎向荷載作用時，除了考慮新增鋼結構與主體結構連在一起計算外，還要進行不考慮新增鋼結構與主體結構連在一起的計算，即單獨計算鋼結構自身在豎向荷載作用下的安全性。水平荷載作用時，應進行整體受力分析，按照現行設計標準（規范）計算，原主體結構如果存在不滿足現行設計標準（規范）的要求，應告知建設單位，是否加固改造，根據具體情況而定。

③連接設計：為確保新增鋼結構能夠和原主體結構協同受力，新增鋼結構和原主體結構需有效連接。新增結構樓板建議為波紋鋼板加混凝土，鋼筋通過植筋植入原結構梁柱板內。在原結構梁柱內植入化學錨栓，布置后置錨板，鋼梁和后置錨板焊接。計算化學錨栓數量時，應有足夠的富余。

4 具體案例

某醫院住院部大樓建設于2008年，地上19層，1層地下室，總建筑面積30600m，500張床位，共設置8臺電梯。運營初期，由于病床數量按照設計數字控制，電梯運營良好。隨著時間的推移，每個科室病床數量大量增加，上午探視高峰期電梯數量不夠問題凸顯。醫院決定在主體建筑外增設2臺電梯，詳見圖1所示。

圖1 平面布置圖

4.1 新增結構簡介

新增鋼梯井道采用框架支撐結構，鋼材為 Q355級，鋼柱 H20×400×400×26型鋼，鋼梁采用H20×400×300×26型鋼，支撐□120×6方管。樓板采用1.0㎜波紋鋼板加120厚C30級混凝土，活荷載標準值3.5kN/㎡。

4.2 結構分析

豎向荷載作用下單獨對鋼結構進行計算時，恒載分項系數取1.3，活荷載分項系數取1.5，鋼柱最大穩定應力比0.56。水平荷載作用時，考慮整體受力，即新增鋼框架與原主體共同受力分析。考慮到原主體正在使用無法加固改造，故計算時恒載分項系數仍然取1.2，活荷載分項系數1.4，仍然按照7度進行抗震計算，8度采取抗震措施。原主體結構阻尼比取0.05，新增鋼框架阻尼比取0.03，經計算原一層剛度為RJX1=4.9651E+07(kN/m)RJY1=5.5935E+07(kN/m)，增加鋼框架后變為RJX1=4.9695E+07(kN/m)RJY1=5.6148E+07(kN/m)，剛度增量不到1%，其余樓層類似。層剛度比幾乎無影響。原有建筑第一振型周期2.3198s，第三振型周期1.8754s（扭轉系數 0.82），周期比0.808。增加鋼框架后第一振型周期2.1178s，第三振型周期1.7256 s（扭轉系數0.85），周期比 0.815，整體抗扭性能略微變差，但仍然比較好地處在規范允許值范圍。從周期結果可以看出，以扭轉周期為主的振型仍然是第三振型，說明結構整體抗震性能幾乎沒有改變。結構位移見圖2。

圖2 增加鋼框架后位移圖

從圖2可以看出，頂層因為是構架層，位移相對大點，增加鋼框架后整體位移雖然有微弱減小，但位移特征仍然為框剪結構特征。底層規定水平力框架柱及短肢墻地震傾覆力矩百分比 (抗規)為X向柱28.12%，Y向柱20.61%；所以可以認為結構體系仍然為框剪體系，沒有變化。沉降計算，新增鋼結構采用和主體同樣基礎形式，即人工挖孔樁，800mm樁徑，擴大頭1200mm。樁端持力層為④層強風化砂巖，單樁承載力特征值為3500kN，鋼框架最大沉降量為2.3mm，原主體建筑沉降基本穩定，沉降差通過設后澆帶的方法解決。為保證新增鋼框架與原主體能形成一體共同受力，連接設計是關鍵。本工程鋼梁與混凝土框架柱梁采用剛性連接，在彎剪拉力共同作用下，后置化學錨栓及鋼板做法，見圖3所示。新增樓板鋼筋采用植筋方法植入原混凝土梁內，見圖4所示。

圖3 后置化學錨栓及鋼板做法

圖4 植筋方法

5 設計建議

對于多層建筑室外新增鋼框架電梯井，如果現場條件允許，在其自身高寬比滿足規范規定的情況下，建議與原主體結構分開，新增鋼結構支撐體系，按照現行有關規范標準設計，與原主體建筑抗震縫距離滿足規范要求；對于高層建筑，一般情況下鋼結構自身高寬比無法滿足規范規定，應和主體連在一起，確保結構整體安全。