張健聰，陳 東，曹 靖

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，提高了人民現(xiàn)有的生活水準(zhǔn)，但隨著人口老齡化日益嚴(yán)重，大部分修建于八九十年的樓房都是步行樓梯，給樓上住戶的出行造成了很多不便。因此，在老舊住宅外部新增電梯越來(lái)越引起人們的關(guān)注。既有的老舊住宅是安裝電梯的重點(diǎn)工程，而安裝的電梯井道的性能直接關(guān)系到后續(xù)的電梯能否安全運(yùn)行。因而對(duì)加裝電梯的性能研究顯得特別重要。鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)這兩種形式是既有建筑外部加裝電梯得到電梯井道結(jié)構(gòu)的主要形式。二者相比之下，鋼結(jié)構(gòu)的形式相對(duì)簡(jiǎn)單，且具有剛度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，此外施工便捷，不足點(diǎn)在于鋼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)相對(duì)較大。張昱等人[1，2]通過(guò)對(duì)一高層框架結(jié)構(gòu)外部增設(shè)電梯井道進(jìn)行研究，定義了4種塑性鉸的分布，就其在彈塑性情況下的破壞形式進(jìn)行對(duì)比，并給出了優(yōu)化的建議與措施。陳俊穎[3]通過(guò)一6層住宅外部加裝電梯為研究對(duì)象，對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行了靜力彈性的分析及彈塑性的分析。林宏偉[4]以某6層辦公樓加裝電梯井道為例，對(duì)其在水平荷載作用下的原有結(jié)構(gòu)與加裝電梯結(jié)構(gòu)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力之間的問(wèn)題進(jìn)行了研究。王秀娟等[5]以某7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例，在軟件中模擬分析了新增的剪力墻電梯井道的厚度對(duì)原工程的抗震能力的作用。王玉杰等[6]研究了既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部加裝電梯井結(jié)構(gòu)對(duì)原工程受力性能的影響。本文通過(guò)以實(shí)際工程為例，得出鋼框架結(jié)構(gòu)在靜力荷載和雙向地震作用下，電梯井的層間位移、層間位移角和頂點(diǎn)位移均小于規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

本文以安徽省合肥市安醫(yī)附院宿舍(6層)外部增設(shè)電梯工程為例，選取midas/gen軟件對(duì)該工程進(jìn)行模擬。此電梯井道為鋼結(jié)構(gòu)形式，4個(gè)主肢立柱為200 mm×200 mm×8 mm方管，井道框架兩側(cè)橫梁均為HN250×125×6×9H型鋼。設(shè)定該工程的安全等級(jí)是二級(jí)，重要性指數(shù)是1.0，重現(xiàn)期是50年，鋼材料選取Q345，泊松比是0.3，彈性模量是2.06×1011Pa，密度是7.85×106kg/m3。該鋼結(jié)構(gòu)電梯井的平面圖如圖1所示。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)模型的確定

荷載取值如下：屋面恒載(不含自重)為 0.7 kN/m2，活載為0.5 kN/m2，基本風(fēng)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(chǎng)地，8度區(qū)。

使用midas/gen軟件對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行建模，鋼結(jié)構(gòu)框架梁、柱都采用梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)形式，梁柱間的連接均設(shè)置為剛性連接。最終的鋼結(jié)構(gòu)電梯井道有限元計(jì)算模型如圖2所示。

3 鋼框架結(jié)構(gòu)地震作用分析

在midas/gen軟件對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行建模，依據(jù)該工程的場(chǎng)地特征，抗震設(shè)防的烈度，結(jié)構(gòu)阻尼比等條件對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道在地震作用下的抗震機(jī)能進(jìn)行研究分析。采用模態(tài)分析法獲得了鋼結(jié)構(gòu)電梯井道自振周期與陣型，對(duì)該電梯井道在X和Y水平方向上地震作用下進(jìn)行了陣型分解反應(yīng)譜分析，而后又對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力彈性時(shí)程分析。

3.1 鋼框架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本文通過(guò)特征值分析方法得到結(jié)構(gòu)的自振周期與陣型，再對(duì)此鋼結(jié)構(gòu)電梯井道做出了模態(tài)分析，自重計(jì)算方式是1.0倍的恒載加上0.5倍的活載，之后將荷載轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，得到該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的6階陣型以及質(zhì)量和周期(如表1所示)，并列出了該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的第一、第二和第三階的振型情況(如圖3所示)。

圖2 電梯井道計(jì)算模型

表1 電梯井陣型參與質(zhì)量與周期

從表1能夠看出，此鋼結(jié)構(gòu)井道的各階陣型相對(duì)比較離散，且該電梯井道結(jié)構(gòu)的六階陣型的質(zhì)量的總和參與度已達(dá)到了90%。再由結(jié)構(gòu)的前三階陣型圖(見(jiàn)圖3)可知，結(jié)構(gòu)的一階陣型是X方向平動(dòng)，它的周期是0.2575 s；結(jié)構(gòu)的二階陣型是Y方向，它的周期是0.2418 s ；結(jié)構(gòu)的三階是扭轉(zhuǎn)陣型，它的周期是0.1974 s，結(jié)構(gòu)的周期比為

T3/T1=0.1974/0.2575=0.77

小于規(guī)范中定義的周期比0.85，滿足規(guī)范要求。

3.2 鋼框架結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜分析

振型分解反應(yīng)譜法是將反應(yīng)譜方法和振型分解方法相結(jié)合的分析方法。在8度地區(qū)，用Midas/gen對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析，由于是鋼結(jié)構(gòu)框架形式，因而阻尼比設(shè)為0.02。經(jīng)過(guò)分析后，最終得到了該電梯井道在地震作用下的層剪力圖如圖4所示，層間位移圖如圖5所示。

從圖4可知，結(jié)構(gòu)在X方向上的層剪力與Y方向上的層剪力相差不多，在一層層剪力最大，二層至六層層剪力緩慢減小。由圖5知，在地震作用下，該電梯在Y方向上的層間位移大于在X方向，這是由于Y向?yàn)殡娞蓍T開(kāi)門方向，鋼材分布不同。同時(shí)樓層間的相對(duì)位移小于規(guī)范中的最大值，滿足相關(guān)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 電梯井結(jié)構(gòu)前三階陣型圖

圖4 結(jié)構(gòu)雙向?qū)蛹袅?/p>

3.3 動(dòng)力彈性時(shí)程分析

本文使用有限元軟件midas/gen對(duì)該工程的鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行時(shí)程分析。根據(jù)前面提到的工程場(chǎng)地類別、阻尼比、抗震設(shè)防的烈度等條件，采用Taft Lincoln School 69 Deg 地震波以及Taft Lincoln School 339 Deg 地震波對(duì)該鋼框架電梯井結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈性時(shí)程分析。

圖5 結(jié)構(gòu)雙向地震作用下的層間位移

使用該兩條地震波對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道在X和Y雙向地震作用下進(jìn)行時(shí)程分析。由于是鋼框架結(jié)構(gòu)，所以工程陣型的阻尼比定義為0.02，使用midas/gen對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行模擬分析后，最終獲得該電梯井道在Taft Lincoln School, 69 Deg 地震波和Taft Lincoln School, 339 Deg 地震波作用下的頂點(diǎn)位移如圖6和圖7所示，第一條地震波作用的層剪力大小情況如圖8所示，樓層間的相對(duì)位移大小與層間位移角大小如表2所示；第二條地震波作用的層剪力大小情況如圖9所示，樓層間的相對(duì)位移大小與層間位移角大小如表3所示。

圖6 Taft Lincoln School,69Deg地震波下的頂點(diǎn)位移

圖7 Taft Lincoln School,339Deg 地震波下的頂點(diǎn)位移

圖9 Taft Lincoln School, 339 Deg地震波下的層剪力

表2 Taft Lincoln School, 69 Deg 波雙向地震數(shù)據(jù)

從圖6以及圖7能到了解到，該鋼結(jié)構(gòu)電梯井結(jié)構(gòu)在兩條這地震波作用下的頂點(diǎn)位移大多數(shù)集中在2～6 mm左右，小部分在6～8 mm左右，頂點(diǎn)位移在這兩個(gè)方向上基本相差不大；由圖8及圖9知，在這兩種地震波作用下，雙向?qū)蛹袅栽诘讓幼畲?，之后樓層越高，層剪力慢慢降低。由結(jié)構(gòu)在這兩條地震波作用下的層間位移圖和層間位移角圖表可知，結(jié)構(gòu)在這兩條地震波作用下的位移在X方向上和Y方向上相差不大。且該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的層間位移及層間位移角都滿足規(guī)范的層間位移及層間位移角標(biāo)準(zhǔn)。

表3 Taft Lincoln School, 339 Deg 波雙向地震數(shù)據(jù)

4 分析與結(jié)論

本文主要對(duì)電梯井道采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式在midas/gen有限元軟件中進(jìn)行了模態(tài)分析，陣型反應(yīng)譜分析以及動(dòng)力彈性時(shí)程分析。經(jīng)過(guò)模態(tài)分析結(jié)構(gòu)可以看到，該鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的自振周期約為0.2 s，前兩階自振周期陣型是平動(dòng)陣型，第三節(jié)自振周期陣型是扭轉(zhuǎn)陣型，周期比為0.77，并且前兩階的自振周期十分接近。

由陣型反應(yīng)譜分析以及時(shí)程分析的分析結(jié)果能夠看出，鋼結(jié)構(gòu)電梯井道的層間位移角與層間位移大小均在相關(guān)規(guī)范范圍內(nèi)，該電梯井道結(jié)構(gòu)體系抗震功能良好。同時(shí)為鋼框架電梯井結(jié)構(gòu)的靜力分析做了補(bǔ)充，也為之后相似結(jié)構(gòu)的分析研究提供借鑒。