既有多層住宅新增電梯結構及抗震設計實踐

趙紅霞

(甘肅省建筑科學研究院(集團)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

在人口老齡化的社會背景下，改善樓內垂直交通的重要性、緊迫性更為突出，為進一步完善城市既有多層住宅使用功能，既有多層住宅增設電梯的安裝量也逐年上升。但是，既有住宅增設電梯問題并非簡單的依靠現有技術所能解決。既有多層住宅多采用砌體結構或鋼筋混凝土結構房屋，基礎形式為條形基礎、獨立基礎或樁基礎。根據國家現行規范要求，對既有建筑進行改建或擴建時，如需變動原有的結構，必須按改建或擴建后的結構狀態建立力學計算模型，進行抗震分析和安全性鑒定，并按現行蘭州市標準《建筑抗震設計規程》的要求進行抗震設計。現行規范和政策的要求對既有建筑加裝電梯的設計提出了更高的要求。

1 既有建筑增設電梯主要技術難點

既有住宅增設電梯問題并非簡單的依靠現有技術所能解決，還涉及建筑結構、技術創新、經濟分析、資金來源等問題。

1.1 電梯與主體結構連接方案選擇

1)增設電梯結構與原結構脫開。該方案指的是增設電梯與原有結構間增設防震、伸縮縫，增設電梯部分在設計時應按滿足現行規范的要求計算。這種方案的特點是增設電梯結構為獨立結構體系，與原結構完全脫開，在建模型計算時比較方便、簡單，且對原結構不產生任何影響，故對原結構無需進行相關的抗震鑒定及加固設計。依據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)，其中第6.1.5條中有明確的規定：甲、乙類建筑以及高度大于24 m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構；高度不大于24 m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。故若新增電梯與原結構脫開，新增電梯的設計高度不應超過24 m,這會大大限制新增電梯的適用范圍；若增設電梯井道采用砌體結構，電梯井道往往是高寬比較大的結構體系，使用砌體結構其抗震性能很差，通常不建議使用砌體結構體系[1]。目前常用的增設電梯井道結構采用鋼框架結構，新增電梯與原結構完全脫開，很難避免不存在單跨框架結構體系，故適用范圍受限；若完全脫開，目前只有鋼筋混凝土剪力墻結構體系的抗震性能較好，但目前剪力墻結構普遍存在造價高、濕作業較多、工期長、施工難度系數較高，對于經濟性及工期較敏感的電梯工程來說，不是很理想的推廣方案，而原主體結構的相關抗震性能沒有受到直接的影響。

2)增設電梯結構與原結構相連。目前很多地區已經實施的工程案例中，選擇較多的為新增電梯與原結構之間采用鉸接相連的方案。目前國務院辦公廳指出《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》(國辦發[2020]23號)明確了重點要支持改造2000年底前建成的老舊小區，目前該部分住宅設計時依據遵守的規范及標準已經遠遠落后于現行規范及標準。若按我們目前的常規的鑒定及加固的相關流程進行實施，需新增電梯的建筑依據現行規范及標準幾乎都需進行整體加固。目前既有建筑增設電梯項目存在最大的難題，就是籌措資金困難較大，若需考慮原建筑的檢測及加固的相關費用，既有建筑增設電梯項目將很難再推動下去。現根據多地區新增電梯的實踐經驗及結構方面專家的經驗和看法，當增設電梯井道結構體量相對于原結構很小(5%以內)時，它對原結構的影響是可以忽略不計的。因此，當新增電梯后結構的質量和剛度變化均不大時(變化值在5%以內)，并且能夠判斷新、老結構連為整體不會使整體建筑抗震性能更惡化時，應將新增電梯結構與原建筑結構連為整體[2-3]。

1.2 增設電梯后配套技術問題

既有住宅增設電梯，往往要改變房屋結構，還涉及節能、抗震、消防等新的建筑技術要求，使增設電梯困難重重。

1)結構加固。二十世紀八九十年代建造的多層住宅，建造年代較久，當時的建造標準及技術水平較低，如增設電梯后按現行規范進行驗算，則房屋必有大范圍的結構構件需要加固。目前，設計時通常將增設電梯與原住宅進行柔性連接，并在既有結構墻體作局部開洞處理，避免大范圍結構構件加固，但此時仍需對原結構局部開洞的相關部分作局部承載能力驗算。

2)節點連接。既有建筑增設電梯時，必須進行受力分析與整體穩定性分析。分析電梯井道主要豎向荷載，并進行井道在風荷載作用和水平地震作用下的受力分析，用以進行結構內力包絡設計與井道結構整體穩定分析，以確定增設電梯井道結構與原有結構的連接節點設計，使其周圍的新增構件在電梯偏心振動荷載作用下，具備足夠的穩定性且與原結構可靠連接，保證電梯運行的安全性及必要的舒適度[4]。

3)外管線分析。住宅樓前管線錯綜復雜，有天然氣管線、強弱電管線、給排水、消防及供暖管線等等。解決好管線是增設電梯的根本，不拆移管線能減少施工工序，縮短施工周期、節約資金，所以管線拆移方案十分關鍵。增設電梯前，首先要摸清管線現狀，每棟樓每個單元都不一樣，根據個體定方案，并結合小區住宅樓分布情況和樓前管線情況，最大可能躲避管線，處理好相互之間關系。

2 既有多層鋼筋混凝土框架結構住宅增設電梯典型案例抗震分析

2.1 項目概況

現以某住宅樓增設電梯為例，進行相關結構技術探討，該住宅樓原設計為9層鋼筋混凝土框架結構，約建造于1999年，平面布置呈“一”字形，住宅樓長度57.7 m，寬度為12.8 m，建筑總高度為26.4 m，1層～8層層高均為2.85 m，9層層高為3.2 m，出屋面樓梯間層高為3.0 m。該住宅樓所在地區的抗震設防烈度為8度，設計地震加速度值為0.2g，設計地震分組第三組，結構的安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類，結構的抗震等級為一級。原基礎采用人工挖孔灌注樁的基礎形式，基礎持力層為卵石層。原結構混凝土強度設計等級為：樁基及地梁采用C20；框架梁、柱采用C30，其余構件均采用C20。

出于使用功能需求，需在該住宅樓各單元樓梯間外側增設電梯。新增電梯結構體系為鋼框架結構，電梯主體高度為25.9 m，結構的安全等級為二級，鋼框架的抗震等級為三級，結構設計使用年限取值為25 a，基礎同原結構基礎形式，采用人工挖孔灌注樁基礎，主體鋼構件均采用Q235B鋼材[5]。改造方案平面布置圖見圖1。

2.2 抗震分析

運用的結構設計軟件分別為PKPM和Midas Gen相關系列軟件，建立增設電梯后的既有多層鋼筋混凝土框架結構住宅模型，并就結構安全性中最為重要的結構抗震性能進行抗震計算，從層間抗側剛度、自振特性、樓層位移以及樓層位移比4個方面分析了整體結構的抗震性能。

1)層間抗側剛度。整體結構層間剛度比計算結果列于表1。從表1中可知，PKPM與Midas Gen計算得到的各樓層層間剛度比均非常接近，表明原結構新增電梯后計算結果可靠，整體結構各樓層層間剛度比均大于1.00，滿足規范要求，明確原結構新增電梯后不存在側向剛度不規則情況。

表1 層間剛度比

2)自振特性。結構自振特性主要分析周期和振型。表2結果提供了整體結構的前3階周期及振型計算結果。從表2中可以看出，PKPM與Midas Gen計算得到的結構前3階周期非常接近，表明計算結果可靠，并且從表2中的平動及扭轉系數計算結果可知，結構的第1階振型為平動振型，第2階振型為扭轉振型，第3階振型為平動振型，滿足規范要求。

表2 周期和振型

3)樓層位移。整體結構樓層最大位移計算結果列于表3，表4給出了整體結構最大層間位移角計算結果。從表3中可知，PKPM與Midas Gen計算得到的結構樓層最大位移值非常接近，表明計算結果可靠。從表4中可以看出，PKPM與Midas Gen計算得到的結構最大層間位移角非常接近，而且最大層間位移角均表現在2層，說明該計算結果可靠，原結構X及Y方向的最大層間位移角均能滿足不大于1/550(規范限值)要求。

表3 樓層最大位移

表4 最大層間位移角

4)樓層位移比。整體結構樓層最大位移比計算結果列于表5。從表5中可知，PKPM與Midas Gen計算得到的結構樓層最大位移比較為接近，且樓層最大位移比均出現在1層，表明計算結果比較可靠，并且結構X，Y方向的樓層最大位移比均滿足規范限值(≤1.50)要求。

表5 樓層最大位移比

2.3 層數對增設電梯后整體結構抗震性能的影響

5層、7層整體結構層間剛度比計算結果分別列于表6，表7。從表6，表7中可知，無論是5層結構，還是7層結構，PKPM與Midas Gen計算得到的各樓層層間剛度比均非常接近，并且整體結構各樓層層間剛度比均大于1.00，滿足規范要求。以上結果表明，計算結果可靠，整體結構無側向剛度不規則情況，層數不影響增設電梯后整體結構的層間抗側剛度。

表6 5層結構層間剛度比

表7 7層結構層間剛度比

表8，表9分別給出了5層、7層整體結構前3階周期和振型計算結果。從表8，表9中可以看出，無論是5層結構，還是7層結構，PKPM與Midas Gen計算得到的結構前3階周期均非常接近，并且從上述兩個表中的平動及扭轉系數計算結果可知，5層、7層結構的第1階振型均為平動振型，第2階振型均為扭轉振型，第3階振型均為平動振型，滿足規范要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數不影響增設電梯后整體結構的自振特性。

表8 5層結構周期和振型

表9 7層結構周期和振型

5層、7層整體結構樓層最大位移計算結果分別列于表10，表11;表12，表13分別給出了5層、7層整體結構最大層間位移角計算結果。從表10，表11中可知，無論是5層結構，還是7層結構，PKPM與Midas Gen計算得到的結構樓層最大位移值均非常接近。從表12，表13中可以看出，無論是5層結構，還是7層結構，PKPM與Midas Gen計算得到的結構最大層間位移角均非常接近，且最大層間位移角均出現在同一樓層，同時結構X，Y方向的最大層間位移角均滿足規范限值(≤1/550)要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數不影響增設電梯后整體結構的抗變形能力，結構整體剛度滿足規范要求。

表10 5層結構樓層最大位移

表11 7層結構樓層最大位移

表12 5層結構最大層間位移角

表13 7層結構最大層間位移角

5層、7層整體結構樓層最大位移比計算結果分別列于表14，表15。從表14,表15中可以看出，無論是5層結構，還是7層結構，PKPM與Midas Gen計算得到的結構樓層最大位移比均較為接近，且樓層最大位移比均出現在同一樓層，同時結構X，Y方向的樓層最大位移比均滿足規范限值(≤1.50)要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數不影響增設電梯后整體結構的抗扭轉能力，結構扭轉效應控制在規范要求范圍內。

表14 5層結構樓層最大位移比

表15 7層結構樓層最大位移比

2.4 分析結論

對比分析結果表明，在電梯井道結構相對原有結構的剛度和質量均較小且確保實現新、舊結構之間柔性連接的前提下，既有住宅層數和戶型對增設電梯后整體結構的抗震性能沒有影響，增設電梯方案能夠適應層數及戶型的變化。

3 結語

本文通過總結增設電梯主要技術難點，在實際工程中運用結構加固、新型節點連接新技術與綜合配套技術，并使用軟件進行抗震效果分析，結果表明，采用適用技術后既有多層住宅增設電梯后，整體結構的相關主要抗震指標均能滿足現行規范的最小要求，結構抗震性能較好，增設電梯后對原結構整體抗震性能影響較小(5%以內)，它對原結構的影響是可以忽略不計的。原住宅增設電梯方案合理且可行。