兩種鋼結構電梯井道抗震性能對比分析

曹 靖

(安徽富煌鋼構股份有限公司，安徽 巢湖 238076)

1 概述

近些年來，社會發展迅速，人民生活的水準也隨之提高。在建筑行業發展比較落后的初期，一些修建較早的老舊住宅和小區僅有步行樓梯，對于樓上尤其是3層以上居民的生活來說，不是特別方便，再者給一部分老人的上下樓帶來很多困擾。因此，為這些僅有步行樓梯的住宅加裝一部電梯變得尤為重要。1999年，在《住宅建筑設計規范》中指出，“七層(含七層)以上應設電梯”。2019年，為了加深在僅有建筑的外部增加電梯的工作，改善老舊小區的上下樓條件，更好的提高人們的生活水準，安徽省住房和城鄉建設廳、安徽省市場監管局等聯合引發了《關于城市既有住宅增設電梯工作的指導意見》的通知，明確在不破壞原來的建筑物的結構原則上，可以在主體外部加裝電梯。

加裝電梯的結構形式主要有兩種：一種是鋼結構，另一種是鋼筋混凝土。但鋼結構的自重較輕，安裝也較為方便。段柏安[1-3]通過對三種結構形式的建筑進行了模態分析等，得到了鋼結構住宅的經濟型和抗震特點。張鵬飛[4,5]采用midas/gen對某辦公樓實行了模態分析，得到其性能。林宏偉[6]以6層辦公樓研究了建筑加裝電梯后相互作用的影響，探討了兩者間的相互規律。唐柏鑒[7]用SAP2000對三層鋼框架用底部剪力法與手算進行分析，對結構進行了優化。本文通過midas/gen對直梁和弧形梁鋼框架電梯井道兩種形式的抗震特點進行了分析，最終得到了兩種形式的電梯井道的抗震特點并進行比較。

2 建立鋼結構電梯井空間計算模型

本文使用midas/gen對該兩種鋼框架電梯井道結構進行模擬分析。選取鋼材料為Q345，彈性模量為2.06×1011Pa，密度為7.85 g/cm3，泊松比0.3。直梁電梯井道結構主肢為4根200 mm×200 mm×8 mm的方管，四周橫梁采用HN250 mm×125 mm×6 mm×9 mm的H型鋼，平面示意圖如圖1所示；弧形梁主肢為4根150 mm×150 mm×5 mm的方管，側面橫梁與弧形梁均采用120 mm×80 mm×4 mm的矩形鋼管，平面示意圖如圖2所示。

兩種鋼結構電梯的安全等級為二級，重要性指數是1.0，重現期50年，使用荷載皆相同，如下，屋面恒載(不含自重)為0.7 kN/m2，活荷載為0.5 kN/m2，基本風壓0.40 kN/m2，基本雪壓0.60 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，二類場地，抗震設防烈度為8度。

使用midas/gen有限元軟件對該兩種鋼框架電梯井道結構進行建模，結構所使用的梁柱皆為梁單元形式，梁柱之間的連接方式為剛性連接。得到直梁鋼框架電梯井道計算模型如圖3所示，弧形鋼框架電梯井道模型如圖4所示。

3 兩種電梯井結構地震作用分析

在確定好此兩種電梯井的計算模型及具體信息后，對該結構在地震作用下的抗震性能進行分析。本文根據選取相同的地理位置特征周期，抗震設防烈度，對這兩種鋼結構電梯井道在X方向上和Y方向上的地震作用下的模態分析進行了研究，而后又在多遇地震Taft Lincoln School 69 Deg以及Taft Lincoln School 339 Deg下進行了時程分析。最終獲得了直梁和弧形梁電梯井道結構的抗震特點與性能。

3.1 模態分析

模態分析是常用的研究結構特性的方法之一，本文通過對該兩種鋼框架電梯井道進行模態分析，即得到這兩種電梯井道的自振頻率和振型等信息。結構重量的計算方法為1.0恒載+0.5活載，將恒載與荷載轉化為結構自重。最終確定這兩種結構的特性如表1，表2所示。并選取兩種結構前三階振型圖如圖5，圖6所示。

表1 直梁電梯井的振型參與質量與周期 %

表2 自振周期

由表1可以看出，直梁鋼框架電梯井道質量參與達到90%以上，弧形梁電梯井道質量參與達到80%以上。此外，弧形梁電梯井道每一階自振周期均比直梁電梯井道的周期要長(見表2)。再根據兩者的前三階振型圖觀察了解到，第一階為結構在X方向上的震動，第二階為結構在Y方向上的震動，第三階為結構的扭轉振型。根據相關規范，T3/T1=0.197/0.258=0.76(直梁鋼框架電梯井道的周期比)<0.85(規范規定限值)；T3/T1=0.305/0.568=0.54(弧形梁鋼框架電梯井道的周期比)<0.85(規范規定限值)，兩者均滿足要求。

3.2 時程分析

時程分析法是一種常見的研究結構抗震的方法?，F采用有限元軟件midas/gen對直梁和弧形梁鋼框架電梯井結構進行時程分析。本文采用相同的場地類別，抗震設防烈度以及阻尼比等信息，后選取Taft Lincoln School 69 Deg地震波和Taft Lincoln School 339 Deg地震波對這兩種不同的鋼框架電梯井道結構進行地震作用下的模擬分析下，從而得出兩種結構的抗震特點。Taft Lincoln School 69 Deg地震波圖如圖7所示，Taft Lincoln School 339 Deg地震波如圖8所示。

使用這兩條地震波分別對兩種鋼結構形式進行X和Y方向上的地震作用模擬分析。最終獲得了兩種鋼框架電梯井道結構在Taft Lincoln School 69 Deg地震波下的頂點位移如圖9，圖10所示；兩種鋼框架電梯井結構在Taft Lincoln School 339 Deg地震波下的頂點位移圖如圖11，圖12所示。兩種電梯井道結構在Taft Lincoln School 69 Deg地震波下的層間剪力如圖13，圖14所示，兩種電梯井道結構在Taft Lincoln School 339 Deg地震波下的層間剪力如圖15，圖16所示。

由圖9～圖12可知，在Taft Lincoln School 69 Deg地震波和Taft Lincoln School 339 Deg地震波作用下，兩種梁結構形式的鋼框架電梯井道在X和Y方向上的頂點位移大小十分接近，此外，在Taft Lincoln School 69 Deg地震波作用下，直梁鋼框架電梯井道在X方向上頂點位移較大，而弧形梁鋼框架電梯井結構形式在Y方向上的頂點位移較大。總體來說，在兩條地震波作用下，弧形梁在地震波作用下的頂點位移比直梁要長。再由圖13～圖16可以看出，兩種鋼框架電梯井結構在地震波作用下的層剪力均在底層最大隨著樓層的增高逐漸遞減，此外，直梁的層剪力要比弧形梁的層剪力大。

4 分析與結論

本文在有限元軟件midas/gen中，對兩種常見的電梯結構形式(直梁鋼框架電梯井道結構和弧形鋼框架電梯井道結構)進行了模態分析與時程分析。在模態分析中可以了解到，弧形梁結構形式電梯井道的自振周期要比直梁結構形式的自振周期長一些，每階的自振周期都較為接近，二者的周期比都小于規范中規定的限值。根據時程分析的模擬結果可以了解到，在選取的兩條地震波作用下，兩種形式的鋼框架電梯井道結構層間位移相對比較接近，直梁形式的鋼框架電梯井道結構頂點位移較小。相比之下，傳統形式的直梁電梯井道結構形式抗震性能更勝一籌，因此，在一些地震高發區建議使用直梁鋼框架電梯井道。此外，弧形梁在制作方面相比直梁也較為麻煩。