曹 靖

(安徽富煌鋼構(gòu)股份有限公司,安徽 合肥 230601)

1 概述

裝配式鋼結(jié)構(gòu)電梯作為一種新興的特種設(shè)備，產(chǎn)品開發(fā)需要研究的內(nèi)容涉及機(jī)械、建筑等多學(xué)科交叉。近年來(lái)的政府工作報(bào)告指出“城鎮(zhèn)、社區(qū)面積大范圍廣，應(yīng)當(dāng)加大力度進(jìn)行改造提升，鼓勵(lì)支持加裝電梯”，各級(jí)政府也積極響應(yīng)，全國(guó)有幾十個(gè)試點(diǎn)城市均出臺(tái)相應(yīng)政策補(bǔ)貼老舊樓房的電梯加裝工程，這使得舊樓加裝電梯在未來(lái)有巨大的市場(chǎng)需要。

2 研究背景

城鎮(zhèn)的老舊小區(qū)由于年代久遠(yuǎn)，大部分基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能滿足人民生活需要，但是把老舊小區(qū)推倒重建又不經(jīng)濟(jì)，因此找到一種既不改變?cè)薪ㄖY(jié)構(gòu)又可以方便居民出行的設(shè)施成為當(dāng)務(wù)之急[1]。2017年安徽省為推進(jìn)既有建筑電梯增設(shè)工作，進(jìn)一步改良城鎮(zhèn)老舊小區(qū)居民住房條件，政府出于對(duì)老年人出行方便的考慮，提出為老舊小區(qū)加設(shè)外部電梯的想法，把既有建筑增設(shè)電梯作為加快老舊城鎮(zhèn)改造的重要政策大力發(fā)展，經(jīng)過(guò)實(shí)際試用得到了社會(huì)上廣泛的贊同。

建筑外部加裝電梯方便了居民出行，又保留了原建筑結(jié)構(gòu)。由于老舊小區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜使鋼結(jié)構(gòu)電梯產(chǎn)品存在與既有建筑不匹配、乘坐舒適性差等問(wèn)題，解決這些問(wèn)題既要結(jié)合建筑物情況，也要考慮電梯自身性能[2]。鋼結(jié)構(gòu)井道作為電梯的主體部分，其剛度和強(qiáng)度直接關(guān)系到電梯的安全性，所以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)電梯井進(jìn)行數(shù)值模擬尤為重要。

3 既有建筑增設(shè)電梯的發(fā)展現(xiàn)狀

原老舊房屋增設(shè)電梯，國(guó)外很多國(guó)家已經(jīng)開展研究。在1977年之前美國(guó)開展了對(duì)加裝電梯的研究，并逐步開始對(duì)2層以上的既有建筑進(jìn)行試驗(yàn)，這不僅延長(zhǎng)了建筑物的使用壽命，也節(jié)約了社會(huì)資源[3]。

歐洲等一些國(guó)家通過(guò)廣泛征求居民的意見(jiàn)，收集加裝電梯的方案，積累出一套適合歐洲建筑標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)研發(fā)初期把抗震作為首要考慮的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)柱腳加固、結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、選用合適鋼材等方法提高電梯的可靠度和安全性[4]。

我國(guó)既有建筑加裝電梯起步較晚，近年來(lái)由于政府財(cái)政支持才得到迅速發(fā)展，外裝電梯是改善居民居住條件最直接、最經(jīng)濟(jì)的措施。

2015年，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司張恒等人就外裝電梯安裝要點(diǎn)和注意事項(xiàng)等重點(diǎn)進(jìn)行闡述，解讀了既有電梯的現(xiàn)狀和制約因素，為既有建筑加裝電梯提供了新思路[5]。

2016年，河南省特種設(shè)備研究院常嵐依據(jù)較發(fā)達(dá)城市推廣既有建筑增設(shè)電梯的方法，分析在實(shí)施過(guò)程中所面臨的困難及相應(yīng)的處置措施，并對(duì)市面上各種型號(hào)的電梯進(jìn)行對(duì)比分析[6]。

近年來(lái)國(guó)家政策的大力推行使得既有建筑增設(shè)電梯才成為一股新興之勢(shì)，但對(duì)于既有建筑增設(shè)電梯的重點(diǎn)難點(diǎn)突破相對(duì)較少，大多停留在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段。在實(shí)際施工過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)阻力，比如“建造費(fèi)用如何分?jǐn)偂薄耙粯遣晒馐艿接绊憽钡葐?wèn)題。

4 工程概況

某小區(qū)住宅樓為滿足居民生活需要，決定在既有建筑物外加裝鋼結(jié)構(gòu)電梯。該型號(hào)鋼結(jié)構(gòu)電梯采用框架結(jié)構(gòu)，鋼材選用Q345，柱子采用200×8的方管，主梁和斜撐采用HN250×125和HW125×125的H型鋼，框架間用安全玻璃安裝。基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2，B類地面粗糙度。原建筑物高18.8 m，層數(shù)為5層。除首層外，其他各層均與電梯設(shè)置入戶通道。電梯橫截面和外立面如圖1，圖2所示，主要荷載參數(shù)如表1所示。

表1 主要荷載

Midas前處理：1)通過(guò)CAD構(gòu)建電梯三維模型，如圖3所示。2)添加約束。本電梯所受約束為兩部分：一部分是電梯井與地面約束，另一部分是入戶通道與建筑物的約束，如圖4所示。3)荷載施加。本模型風(fēng)荷載0.4 kN/m2，只考慮單側(cè)風(fēng)荷載情況。本模型為傳遞風(fēng)荷載，建立了容重為零、彈性模量極小的虛板，不參與模型的計(jì)算只起傳遞荷載的作用，如圖5所示。

5 風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果及分析

位移分析：圖6為鋼結(jié)構(gòu)的總位移變形云圖，根據(jù)圖6可看出鋼結(jié)構(gòu)在這種工況井道頂部橫梁和第四層平臺(tái)出現(xiàn)較大位移，近似為3.83 mm。圖7為X軸方向的位移變形云圖，從圖7可以看出電梯井上部方柱變形較大，最大位移為0.415 mm。圖8為Y軸方向的位移變形云圖,最大位移出現(xiàn)在第四層平臺(tái)，近似為3.81 mm。通過(guò)圖7，圖8與圖6比較可知，電梯井總體位移數(shù)值與Y方向位移近似相等，由上可知電梯總體位移主要受Y方向力影響較大。

內(nèi)力分析：圖9為風(fēng)荷載作用下電梯井道軸力圖，從圖9可看出軸力最大為33.1 kN,出現(xiàn)在柱腳位置。圖10為Y軸剪力,最大剪力為5.71 kN。圖11為Z軸剪力，最大剪力為4.13 kN。

綜上所述，該井道在0.4 kN/m2風(fēng)荷載作用下不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大位移，剛度符合要求。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

把框架之間斜撐結(jié)構(gòu)替換為交叉結(jié)構(gòu)，其他條件均保持不變。

位移分析：圖12為鋼結(jié)構(gòu)的總位移變形云圖，根據(jù)圖12可看出鋼結(jié)構(gòu)在這種工況井道頂部橫梁，近似為3.59 mm。圖13為X軸方向的位移變形云圖，從圖13可以看出電梯井上部方柱變形較大，最大位移為0.412 mm。圖14為Y軸位移變形圖,最大位移為3.58 mm。

內(nèi)力分析：圖15為風(fēng)荷載作用下電梯井道軸力圖，從圖15可看出軸力最大為33.9 kN,出現(xiàn)在柱腳位置。圖16為Y軸剪力,最大剪力為5.71 kN。圖17為Z軸剪力，最大剪力為4.16 kN。

7 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合電梯工程實(shí)例，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)電梯進(jìn)行變形和內(nèi)力計(jì)算得出以下結(jié)論：

1)在風(fēng)荷載作用下，隨著鋼結(jié)構(gòu)電梯井高度升高位移變形越大，但位移數(shù)值在允許范圍之內(nèi)。最大軸力和Y方向最大剪力都出現(xiàn)在柱腳部位，可對(duì)柱腳進(jìn)行加固。

2)通過(guò)比較結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，斜撐改為交叉支撐后結(jié)構(gòu)位移減小，穩(wěn)定性增強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)自重增大，造價(jià)增多。