弱連接鋼井道受力性能分析*

張憲江 ， 謝瑞峰

(湖州職業技術學院 建筑工程學院， 浙江 湖州 313000)

20世紀中后期，我國建造了大量的4～7層磚混結構住宅樓。限于當時條件，這些住宅多未裝設電梯。隨著我國老齡人口比例的逐年上升，對既有住宅增設電梯的社會呼聲逐年提高，國家也發布了一系列鼓勵和推進老舊小區改造和既有住宅增設電梯的相關政策[1][2] [3]。2019年，總理在《政府工作報告》中提出：城鎮老舊小區量大面廣，要大力進行改造提升，支持增設電梯和無障礙環境建設。

現階段，既有住宅增設電梯處于起步階段。電梯井道是確保電梯安全平穩運行的重要設施，被稱為電梯的“第九大系統”[4]113-116。加裝電梯一般采用鋼井道。就目前的結構設計水平而言，在技術上確保鋼井道自身安全并不困難。比較復雜、難以處理的是鋼井道與既有住宅之間的連接問題。當兩者之間采用剛性連接時，必然存在較大的相互作用。通常應對既有住宅進行鑒定與加固，并在井道結構設計時將兩者整體建模，進行協同受力分析，但其工程應用十分復雜。另一種做法是設置結構縫，將兩者脫開，但因存在通行連廊，事實上兩者是不可能完全相互獨立的[5]4-5 [6]9-10。比較恰當的處理方法是采用“弱連接”，將鋼井道與既有住宅連接[7]4-9 [8]3-4。弱連接是指鋼井道以鉸接或兩端鉸接、鉸接帶滑動支座與既有住宅相連[8]3-4。

弱連接除連接節點局部范圍外，增設的鋼井道對既有住宅的影響相對較小，但既有住宅對鋼井道的影響卻不容忽視[9]10-13 [10]46-48。采用弱連接的鋼井道，其結構計算可以獨立進行，但作用效應需放大1.05倍[8]3-4。就目前而言，既有住宅對鋼井道影響的相關研究尚不充分。本文結合量大面廣的磚混結構住宅特點，深入研究弱連接鋼井道的受力特性，得出安全經濟的鋼井道結構技術參數，為鋼井道的設計、施工提供技術支撐，助推既有住宅增設電梯這項惠民政策的落地與推廣。這對增強群眾獲得感、幸福感，促進全面建成小康社會具有重要的現實意義。

一、鋼井道結構方案

目前，既有住宅增設的電梯大多選用額定載重量為630 kg的無機房電梯，鋼井道平面尺寸取2 250 mm×2 050 mm[11]13-14；多層砌體房屋的層數和總高度不超過7層和21 m[12]74。考慮一般情況，層高取2 900 mm；同時考慮曳引機擱置層高度為1 550 mm，則鋼井道總高度約為20.4 m<24 m。其屬于多層鋼結構范疇[13]2。

通常，加裝電梯的停靠站設置在層間樓梯休息平臺處(半層入戶方式)。在該處設置兩端鉸接的鋼連梁(以下簡稱LL)，使鋼井道與既有住宅連接。電梯門梁高度為2 200 mm。鋼井道的初步結構方案如圖所示(參見圖1)。

圖1 鋼井道的初步結構方案圖示

二、獨立鋼井道結構設計

(一)設計參數

1.設防烈度與抗震等級 考慮一般情況，鋼井道抗震設防烈度取7度(0.15 g)，抗震等級為4級[12]75。設計地震分組按第一組考慮，場地類別取Ⅲ類，場地特征周期取0.45 s。

2.恒荷載與活荷載 (1)恒荷載(DEAD)：①外立面恒載：對屋面GL取0.25 kN/m，對其他層GL取0.45 kN/m。②內立面恒載：內立面(電梯門一側)GL上的恒載取0.35 kN/m。③鋼井道屋面恒載取0.35 kN/m2，連廊樓面恒載取0.70 kN/m2。④電梯自重：參照630型無機房電梯技術參數，取R1=32.5 kN、R2=22.0 kN、R3=R4=9.05 kN(參見圖1)。(2)活荷載(LIVE)[14]14：①屋面活載取0.5 kN/m2，連廊樓面活載取2.0 kN/m2。②基本風壓取0.50 kN/m2，基本雪壓取0.50 kN/m2。

(二)結構分析與設計

1.分析工況 按照上述設計參數，利用通用有限元軟件SAP 2000，對獨立鋼井道進行結構分析與設計。設計規范選用Chinese 2018，采用默認設計組合[15]176-182。

2.分析條件 依據重力二階效應，采用二階P-△彈性分析方法，考慮雙向結構整體初始缺陷[16]3-9。鋼井道一般位于建筑物一側，風荷載體型系數取值如圖所示(內立面不考慮風荷載作用)(參見圖2)。依據順風向風振影響，結構阻尼比取0.02[14]18。地面粗糙度按B類考慮。地震作用采用振型分解反應譜法，結構阻尼比取0.4[12]75。質量源采用荷載模式(1.0 DEAD+0.5 LIVE)，考慮X、Y方向的地震作用，模態組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法[16]3-9。

3.分析結果 由模態分析結果顯示，鋼井道前3階振型分別為：沿Y向為主的平動振型、沿X向為主的平動振型及繞Z向為主的扭轉振型(參見表1)。位移分析結果如圖所示(參見圖3)。可見，在X向風荷載作用下，鋼井道頂面的位移最大(W-Xmax=30.861 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大，θex，max=1/499<1/400，位移指標滿足規范要求[17]29-34。鋼梁、鋼柱的最大應力比出現在鋼井道底層。故，獨立鋼井道主要指標符合現行規范要求。

表1 獨立鋼井道模態分析結果(前3階振型)

圖3 獨立鋼井道變形圖示

三、弱連接鋼井道受力分析

LL長度對鋼井道的影響較大，因此分別取LL長度L0為0 mm、150 mm、500 mm、1 200 mm。LL兩端按鉸接考慮，并與鋼井道整體建模后進行分析。

(一)基本假定

本研究的基本假定有兩點：①砌體結構住宅一般按剛性方案考慮，側向位移較小，因此可將其視作鋼井道的剛性支承[18]22-23。②忽略鋼井道與既有住宅之間的沉降差，僅考慮在水平作用下鋼井道的響應。

(二)L0=0 mm時的鋼井道受力分析

1.分析模型 當L0=0 mm時，井道與既有住宅通過固定鉸支座連接。其他分析條件與獨立鋼井道相同。

2.分析結果 模態分析結果顯示，與獨立鋼井道相比，鋼井道以局部振動為主，前2階振型的轉動方向因子R*Z較大(參見表2)。這說明扭轉效應較強，且最大扭轉效應出現在鋼井道的擱機梁標高處(最大扭轉角θmax≈0.02 °)。鋼井道X向的最大位移由地震作用引起(E-Xmax=0.694 1 mm)，Y向的最大位移由風荷載引起(W-Ymax=0.052 8mm)。可見，鋼井道受到了較強的約束，側向剛度增強，側向位移縮小(參見圖4)。

表2 L0=0 mm時的模態分析結果(前3階振型)

圖4 鋼井道變形圖示(L0=0 mm)

考慮最不利荷載組合后，最大應力比出現在支撐擱機梁的鋼梁中。與既有住宅相連接的各層支座反力，其頂部支座反力最大。其中，Z向反力對既有住宅的影響較為顯著，其他層Y向支座反力為負，這是由鋼井道扭轉產生的。

分析結果表明，當采用鉸鏈直接將鋼井道與既有住宅相連接時，鋼井道的變形狀態和受力特性相對獨立鋼井道而言發生了較大變化，且頂部節點對既有住宅產生了較大的作用力。故，工程應用時，應對頂層混凝土TL進行進一步的受力分析，并采取有效措施以確保安全。

(三)L0=150 mm時的鋼井道受力分析

1.分析模型 LL兩端鉸接，并與鋼井道整體建模。其他分析條件與獨立鋼井道相同。

2.分析結果 模態分析結果顯示，鋼井道第1階振型為沿X向為主的平動振型，第2階振型為局部振動振型，第3階振型為繞Z向為主的扭轉振型。位移分析結果顯示，鋼井道Y向變形極其微小，X向變形與獨立鋼井道基本一致，鋼井道頂面位移最大(W-Xmax=31.775 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大(θex，max=1/482<1/400)。

鋼梁、鋼柱中的最大應力比出現在鋼井道底層。與L0=0 mm時的支座反力相比，頂部X向、Z向的支座反力僅為1%～3%，Y向的支座反力約為60%左右。可見，設置LL并采用弱連接措施后，支座反力顯著下降，這說明對既有住宅的影響明顯減弱。

(四)L0=500 mm時的鋼井道受力分析

除LL長度不同外，分析模型、分析條件與L0=150 mm時相同。

模態分析結果顯示，鋼井道第1階振型為以沿X向為主的平動振型，第2、3階振型以局部振動為主。位移分析結果顯示，鋼井道Y向變形極其微小，X向變形與獨立鋼井道基本一致，鋼井道頂面位移最大(W-Xmax=33.998 mm)，底部二層的彈性層間位移角最大(θex，max=1/450<1/400)。

鋼梁、鋼柱中的最大應力比出現在鋼井道底層。與L0=0 mm時的支座反力相比，頂部X向、Z向的支座反力僅為2%～4%，其他層X向、Z向的支座反力約為14%～19%，Y向的支座反力約為55%左右。

(五)L0=1 200 mm時的鋼井道受力分析

除LL長度不同外，分析模型、分析條件與L0=150 mm時相同。由模態分析結果顯示，鋼井道第1階振型為以沿X向為主的平動振型，第2、3階振型以局部振動為主。

鋼梁、鋼柱中的最大應力比出現在鋼井道底層。與L0=500 mm時的支座反力相比，X向、Z向的支座反力增大約1倍，Y向的支座反力基本相同，但絕對值并不大(約為1～5 kN)。

由位移分析結果可見(參見圖5)，Y向變形極其微小，在風荷載作用下鋼井道頂面X向的最大位移W-Xmax=38.258 mm，較獨立鋼井道增大約24%；底部二層的彈性層間位移角最大，θex，max=1/398>1/400，這說明鋼井道彈性層間位移角超限，已不能滿足規范要求。

圖5 鋼井道變形圖示(L0=1 200 mm)

分析結果說明，隨著LL的增長，連廊圍覆面增加，由此增大了風荷載的作用，這對風荷載比較敏感的鋼井道產生了較大影響。當L0超過1 200 mm時，鋼井道彈性層間的位移角已不能滿足規范要求。由此可見，LL跨度對鋼井道的影響不容忽視，設計時應將兩者進行整體建模分析，以確保設計指標符合現行規范要求。

四、結 語

針對鋼井道與既有住宅之間“弱連接”的特點，考慮LL長度，借助通用有限元軟件SAP 2000，對弱連接鋼井道的受力特性進行分析，從而得出如下結論：(1)弱連接鋼井道屬于風敏感結構，鋼井道的主要位移指標一般由風荷載控制。(2)當將鋼井道以鉸接的方式直接與既有住宅相連接時，其鋼井道變形狀態及受力特性相對獨立鋼井道而言發生了較大變化，扭轉效應明顯，且頂部鉸支座對既有住宅產生了較大的作用力。因此，在工程中應慎重采用。(3)當兩端鉸接的LL長度在500 mm左右時，可以有效弱化鋼井道與既有住宅之間的相互作用；當LL長度大于1 000 mm時，對鋼井道變形的影響較大，甚至會引起位移指標超限。此時，應對鋼井道與連廊的整體建模進行分析與設計，以確保弱連接鋼井道設計指標符合現行規范要求。(4)LL兩端的相對水平位移較大，應充分保證LL兩端鉸接節點的水平轉動能力。否則，過大的相對水平位移會對連接節點造成破壞。