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(xiàn)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(jù)國家現(xiàn)行規(guī)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(tài)建立力學計算模型，進行抗震分析和安全性鑒定，并按現(xiàn)行蘭州市標準《建筑抗震設計規(guī)程》的要求進行抗震設計?，F(xiàn)行規(guī)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(xiàn)有技術所能解決，還涉及建筑結構、技術創(chuàng)新、經(jīng)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(xiàn)行規(guī)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(jù)GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范(2016年版)，其中第6.1.5條中有明確的規(guī)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(yè)較多、工期長、施工難度系數(shù)較高，對于經(jīng)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(qū)已經(jīng)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(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的指導意見》(國辦發(fā)[2020]23號)明確了重點要支持改造2000年底前建成的老舊小區(qū)，目前該部分住宅設計時依據(jù)遵守的規(guī)范及標準已經(jīng)遠遠落后于現(xiàn)行規(guī)范及標準。若按我們目前的常規(guī)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(jù)現(xiàn)行規(guī)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(xiàn)根據(jù)多地區(qū)新增電梯的實踐經(jīng)驗及結構方面專家的經(jīng)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(jié)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(xiàn)行規(guī)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(jié)點連接。既有建筑增設電梯時，必須進行受力分析與整體穩(wěn)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(wěn)定分析，以確定增設電梯井道結構與原有結構的連接節(jié)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(wěn)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(jié)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(xiàn)狀，每棟樓每個單元都不一樣，根據(jù)個體定方案，并結合小區(qū)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(xiàn)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(qū)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(guī)范要求，明確原結構新增電梯后不存在側向剛度不規(guī)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(shù)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(guī)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(xiàn)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(guī)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(xiàn)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(guī)范限值(≤1.50)要求。

表5 樓層最大位移比

2.3 層數(shù)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(guī)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(guī)則情況，層數(shù)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(shù)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(guī)范要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數(shù)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(xiàn)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(guī)范限值(≤1/550)要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數(shù)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(guī)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(xiàn)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(guī)范限值(≤1.50)要求。以上結果表明，計算結果可靠，層數(shù)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(guī)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(xiàn)新、舊結構之間柔性連接的前提下，既有住宅層數(shù)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(shù)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(jié)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(xiàn)行規(guī)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。