上海地区既有多层住宅加装电梯若干结构问题探讨

2018-04-03唐小辉李承铭华东建筑设计研究院有限公司上海200011

建筑科技 2018年4期

唐小辉，李承铭，方林（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）

受经济发展水平的制约，上海地区在20世纪90年代以前建造的7层及7层以下多层住宅绝大多数都没有设置电梯，住在3层以上的居民，特别是年纪偏大或腿脚不便的人，上下楼成了很麻烦的事情。随着社会发展，民众对生活质量的要求越来越高，多层住宅加装电梯在上海地区和全国很多地方都在逐步推进。上海地区 6 层或7层的多层住宅一般是砖混结构，楼板采用预制板，也有采用底部框架上部砌体结构，底部框架为底部1层或2层，采用现浇混凝土梁板结构，上部砌体结构仍采用预制板。有些多层砌体住宅设置有圈梁和构造柱，有些只有圈梁。特别是20世纪80年代以前，上海住宅没有抗震设防，一般都没有构造柱。总体上，上海既有多层住宅的抗震性能普遍较差，因此在多层住宅加装电梯之前均需要对原有结构进行房屋安全质量检测。若原结构存在有安全隐患，则不允许加装电梯。加装的电梯一般与原有的楼梯间相连，电梯井道结构可采用混凝土结构或钢结构，其中混凝土结构包含混凝土框架结构或异形柱结构，基础结合电梯底坑采用桩筏基础，桩基一般采用锚杆静压桩。本文根据近年来在上海地区既有多层住宅加装电梯的实践，对若干结构问题进行探讨。

1 整体模型与独立模型

整体模型的计算包含原砌体结构及新增电梯，单独模型则仅仅包含电梯模型，不计原结构对其支撑作用。新增电梯正常情况下均与原多层砌体结构相连，由于原砌体结构的刚度及质量远大于新增电梯结构，因此电梯对原结构整体的受力情况及变形特性影响很小。一般6或7层的砌体结构（包含纯砌体结构及底框结构）的第一周期在 0.45～0.65 s 之间（底框结构周期偏长一点），刚度很大。原砌体结构与增设电梯后整体结构周期及扭转情况对比见表1。

从表1可知原多层砌体结构在增设电梯后整体结构的周期及扭转特性与原结构变化很小，可以忽略。

表1 原砌体结构与增设电梯后整体结构周期及扭转情况对比表

新增电梯各层平台一般与原有楼梯间的平台或半平台相连，电梯布置平面方案通常有两种，如图1所示。

图1 电梯平面布置方案

从图1 可见：方案 1 为电梯通过连廊直接通到楼梯间，结构布置只要 4 根柱即可；方案 2 为电梯前面还有一个候梯间，需要至少布置 6 根柱。

表2 针对不同电梯平面布置方案及不同的结构方案（分为钢结构和混凝土框架结构两种）与原有结构针对地震作用下的底层X、Y两个水平向剪力及倾覆力矩进行对比。表2 中的数据均仅仅统计原结构范围内的剪力和倾覆力矩，未包含新增电梯那部分的作用效应。钢梯采用钢柱为箱型200 mm×8 mm，钢梁为 200 mm×200 mm×6 mm×9 mm，混凝土梯采用框架柱 300 mm×300 mm，混凝土梁为 200 mm×400 mm。不同电梯平面布置方案原结构倾覆力矩对比见表3。

表2 不同电梯平面布置方案与原结构底部剪力对比表

表3 不同电梯平面布置方案原结构倾覆力矩对比表

由表2、表3可知：采用钢结构对原结构的影响小于混凝土结构；采用方案 1 的影响小于方案 2 ，这主要是由于混凝土框架因为框架柱边长最小只能做到 300 mm，刚度大于钢结构框架；方案2比方案1多2根柱，刚度较大，因此新增电梯结构刚度越大，对原结构的影响就越大。表2还表明，增设电梯均会增加原有结构水平地震作用效应，增大幅度取决于新增电梯结构布置及原有砌体结构的特性，需要通过整体建模分析来判别对原结构的影响情况。根据工程实践经验，一般增大幅度控制在 5% 以内可以不考虑对原结构的不利作用，否则就需要对原结构进行适当加固或调整电梯布置方案（减少电梯刚度）等措施以减少对原结构的作用。

除了整体模型计算，还应对电梯单独进行计算分析，以保证电梯在与原结构连接失效之后仍能单独承受水平作用。这在上海地区加装电梯的实践中已经达成共识。单独的钢梯或混凝土梯均应满足水平作用下的位移指标，虽然单独电梯骨架高宽比很大，但由于井道荷载很小，一般情况下均能满足，若不满足可把支撑电梯轨道的层间梁也考虑进去。另外，很多情况下风荷载计算下的位移大于地震作用。单独计算还要考虑基础的抗倾覆能力。

2 电梯基础问题

上海地区位于长江三角洲东南前缘，大部分区域都覆盖了巨厚的第四系松散沉积物，基岩埋深在 200～300 m，典型的土层情况从上往下依次为：第①层土，杂填土；第②层土，褐黄色黏性土；第③、第④层土，淤泥质黏性土；第⑤层土，灰色黏性土；第⑥层土，暗绿草黄色硬土层；第⑦层土，粉性土或砂土层；第⑧层土，灰色黏性土夹粉砂层；第⑨层土，灰色砂土层。

上海地区浅层范围包含较多的填土及淤泥质土，其压缩模量较小，在上部结构作用下会产生较大的沉降，而且沉降要持续很多年才完成。上海既有多层住宅基础一般采用条形基础、筏板基础或采用微型桩筏板基础，基础底面落在第②层土上，虽然整体沉降较大，但经过 20～30 a 后沉降已经趋于稳定。新增电梯部分的基础若不采用桩基础，虽然其基础底面落在第②层土上地基承载力可满足要求，但累计沉降可达到 30～60 mm。由于电梯与原结构距离很近，一般在 2 m 以内，局部倾斜在 0.015～0.030，远超规范0.004的要求，必然会把连接部位的节点拉坏，因此在上海地区加装电梯，通常需要设置桩基。

新增电梯的基础可结合电梯底坑的要求做成桩筏基础，桩基一般采用锚杆静压桩，主要是因为多层住宅场地狭小，无法设置常规的沉桩设备，而且桩数较小，采用一般打桩设备经济性较差。锚杆静压桩通过锚杆把 2～4 m的桩架和基础底板或其他反力装置固定，再通过液压千斤顶把一节一节的小方桩压入到指定标高，单节桩长通常为 1～3 m，桩边长一般为 200 mm、250 mm、300 mm及 350 mm 等 4种，接桩方法有焊接接头和硫磺胶泥接头。锚杆桩底标高一般应达到第⑤2层土。

由于上海地区浅层土除了第②层土外，主要以淤泥质土为主，因此沉桩相对比较容易，压桩力一般控制在1 000 kN 以内。上海部分地区受吴淞江等故道影响，在地表2～20 m 范围内有第②3层粉性土、粉砂的分布，由于第②3层静力触探比贯入阻力Ps平均值在 2.0～3.0 MPa，且有一定厚度，桩在穿越该层时贯入阻力较大，因此碰到这种情况，桩头一般需要换成钢靴，且压桩配重要足够，否则很难穿透这一层。加装电梯项目虽小，但每个项目都需要进行岩土工程勘察，以确保基础设计安全。

桩基础设计因需要满足单独电梯也能独立承受水平作用，因此基础应能够满足结构自身抗倾覆问题。一般将桩布置在与房屋外墙面垂直的电梯底坑侧墙的两侧，能够形成较大的抵抗倾覆力臂，确保桩基在水平作用下不受抗拔作用。一般保守计算不考虑基础底板上覆土的有利作用。与房屋相邻的电梯基础底板可与原基础通过植筋方式拉结来保证电梯的另一方向的抗倾覆。由于原基础底面一般位于第②层土，深度为 1.5～ 2.0 m，与新增电梯承台标高很接近，所以一般可以通过拉结把新老基础连成一体。电梯基础抗倾覆计算，如图2所示。

图2 电梯基础抗倾覆计算示意图

图2 中，(FK+GK) 为在荷载效应的标准组合下，作用在承台底面的竖向作用力（包含电梯上部结构和基础的荷载）；MK为在荷载效应的标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心主轴的力矩；N1和N2分别为左右两排桩的竖向总反力。对左边桩中心取矩，不考虑基底土反力，静力平衡，即 ∑M1=(FK+GK)×Y－MK－N2×2Y=0。为了保证桩在最不利水平作用下仍受压，即N2≥0，由上式得（FK+GK）×Y≥MK。满足基础抗倾覆最直接的方法是通过增加基础自重（即加厚底板）或增加桩距离基础中心的距离（即增加y）。

由于桩布置在基础承台的外侧，所以基础底板还需要验算抗剪承载力及基础底板抗弯承载力。抗剪计算可参考地基基础规范的承台斜截面受剪计算，抗弯计算可将基础底板简化为单向板且支座铰接来计算底板配筋。

锚杆静压桩基础施工，通常情况下应先施工基础承台，在承台上预留喇叭形桩孔及预埋锚杆，然后再压桩。如果承台自重作为反力装置还不够，则必须增加配重，配重可直接压在承台上或通过型钢传到承台上，不管哪种方式都必须将配重作用力对称布置于压桩孔四周，防止压桩过程中受力不均而使得承台倾斜或配重倾覆。建议承台厚度设计得较大一些，既可以减少压桩时的配重，又可以增大使用期间电梯结构抗倾覆能力。另外，配重一般是采用混凝土块或钢块搭起，块体之间仅靠接触连接，一般高度不能超过 3 m，否则在压桩过程中可能会有安全风险。建议采用钢块，以有效减少块体体积。

3 电梯与主体结构的连接问题

电梯与主体结构的连接包含基础连接及上部各层连廊的连接。电梯基础与原多层砌体可以连接，也可以脱开，主要是根据新老基础的距离，如两者距离很近或部分重叠，则考虑拉结，否则脱开。基础相连时钢筋连接可采用植筋方式或者凿出原有基础的纵向钢筋焊接接长。基础相连整体性较好，因基础刚度大，对控制两者不均匀沉降有利，建议采用相连的方式。

电梯上部结构通常是通过走廊和原住宅的楼梯相连。对于双跑楼梯的情形，一般在楼梯半平台相连；对于一梯多户采用 Z 型单跑楼梯的情形，则是在整层相连。电梯走道梁应与原楼梯间周边的构造柱相连，就需要对楼梯间的构造柱、圈梁情况进行检测，探明构造柱圈梁是否存在、位置及材料强度等情况。目前上海地区加装电梯前均需要对原有多层砌体住宅进行检测鉴定，但很多检测单位按传统砌体检测随机抽样检测，未抽取楼梯连接部位的墙体、圈梁及构造柱进行测试，这是不可取的。应在对上述区域重点检测的基础上再对其他区域抽样检测，以确保设计方可以对这些连接部位采取相应的措施。笔者参与的部分项目由于前期检测不到位，导致后期施工时凿除面层发现内部构造柱混凝土酥松，需要进行加固处理。一般连接区域的构造柱及周边砌体墙建议采用钢筋网片砂浆面层加强，钢筋网砂浆面层加固从基础一直到屋顶都做，竖向钢筋网植入基础内，砂浆采用水泥砂浆 M 10，拉筋孔洞内也采用水泥砂浆锚固。原楼梯端部构造柱及周边砌体墙体加固，如图3所示。

图3 原楼梯端部构造柱及周边砌体墙体加固详图

新增电梯采用桩基础后，虽然与原结构的相对沉降很小，长期沉降差仅为 3～5 mm，但对于不同的相连方式，连接部位的剪力差别很大。电梯井道与原结构不同的连接方式，如图4所示。

图4 电梯井道与原结构不同的连接方式

从图4 可见，电梯通过 GL1 与原结构有 3 种不同的连接方式。其中（a）为两端铰接；（b）为一端铰接一端刚接；（c）为两端刚接。采用整体模型计算，原结构底部支座X、Y、Z轴三向平动及转动均约束住，而电梯底部Z向模拟沉降，其他自由度约束住。计算结果表明，不同的端部连接方式对连廊钢梁靠近砌体墙端的剪力差别很大，具体对比数据见表4。

表4 不同的连接方式对 GL1 靠近砌体墙端的剪力对比表kN

从表4可知：对于两端铰接的情况，有一定的沉降差，对 GL1 梁端剪力影响较小；对于两端刚接的情形，则随着电梯与原结构的沉降差的增加，梁端剪力也随之增大；对于一端刚接一端铰接的情形，则介于两者之间。另外，对于后两种情况，底部剪力最大，越往上则剪力递减。

由此可见，电梯与主体结构之间的沉降差对于钢梁位于砌体墙体连接部位的剪力影响很大，特别对于两端刚接情形，当沉降差达到 10 mm 时，2层连接梁端剪力已经达到107 kN，采用后植筋的连接节点，极易发生破坏。为尽量避免连接节点破坏，一般采用如下措施：①新增电梯下部采用桩基础；②电梯钢梁 GL1等电梯主框架结构封顶后安装（电梯骨架封顶前需临时结构支撑）；③GL1两端采用铰接形式，或者采用一端刚接一端铰接方式，铰接端应采用竖向腰形孔，孔竖向大小可根据沉降差来设计；④连接部位的构造柱及砌体墙体建议加固。