既有建筑增加钢框架电梯井道的设计探析

2021-04-02刘同焰安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230031

安徽建筑 2021年3期

关键词：振型钢结构框架

刘同焰（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031）

在我国目前存在着大量的建筑，由于建设时的客观经济条件约束，以及其他原因没有设置电梯，随着社会的发展，这些建筑增设电梯势在必行。本文就此问题从设计角度进行一些技术探析。

1 增设电梯的原因

①功能改变的需要，由于时代的发展，建筑功能发生改变的现象已经很普遍，譬如在老城区将一座使用时间不太长的规模较小的商业建筑，改造为酒店或者办公楼，按照现行使用要求或者规范规定需要增加垂直电梯。

②业主主观需要，譬如大量的建于2000年之前的多层住宅建筑，根据当时设计规范以及开发商为了节省成本没有设计电梯，现在因为国家政策鼓励和业主要求增设电梯。

③客观使用需要，譬如某一建筑，在建设时已经设计有电梯，满足当时的设计规范以及使用需求，但随着形势的发展，已有电梯数量不够，需要增设电梯。

2 增设电梯的方案

2.1 在既有建筑内部增设电梯

一般做法是建筑师在满足现行设计标准的情况下和建设单位协商后，在建筑内部找出合适的位置布置电梯，结构工程师按照现行设计标准对其进行加固改造设计。

2.2 在原有建筑外部增设电梯

考虑施工的可行性及对环境的影响，一般情况下此类增加电梯的井道多数采用钢结构，而原建筑的结构材料一般为混凝土结构或者砖混结构，新增钢结构与原主体结构分为连在一起和完全脱开的两种形式，本文主要探讨新增钢结构与原主体结构连在一起的设计方法。

3 设计方法

3.1 结构体系的确定

由于新增电梯井道为钢结构，而既有建筑的结构为混凝土结构或者砖混结构，当新增钢结构与原主体结构连在一起时，一幢建筑出现了两种结构体系，新增结构阻尼比与原结构的阻尼比不一样，抗震计算时结构体系怎么认定，作者根据多个工程实例计算比较，发现无论结构刚度、自震周期、地震反应，新增钢结构对原主体结构影响都很小，一般不超过2%。所以作者认为即使新增钢框架与原结构连在一起，但整体结构体系没有发生根本性变化，仍然为原结构体系。

3.2 结构设计

①基础设计：新增钢结构电梯井道的钢柱一般要和原主体结构保持一定的距离，这样新增部分的基础才有可能实施。新增基础类型原则上同原主体基础类型，并经过沉降分析，确保沉降差和沉降量在规范允许范围之内。

②上部结构设计：竖向荷载作用时，除了考虑新增钢结构与主体结构连在一起计算外，还要进行不考虑新增钢结构与主体结构连在一起的计算，即单独计算钢结构自身在竖向荷载作用下的安全性。水平荷载作用时，应进行整体受力分析，按照现行设计标准（规范）计算，原主体结构如果存在不满足现行设计标准（规范）的要求，应告知建设单位，是否加固改造，根据具体情况而定。

③连接设计：为确保新增钢结构能够和原主体结构协同受力，新增钢结构和原主体结构需有效连接。新增结构楼板建议为波纹钢板加混凝土，钢筋通过植筋植入原结构梁柱板内。在原结构梁柱内植入化学锚栓，布置后置锚板，钢梁和后置锚板焊接。计算化学锚栓数量时，应有足够的富余。

4 具体案例

某医院住院部大楼建设于2008年，地上19层，1层地下室，总建筑面积30600m，500张床位，共设置8台电梯。运营初期，由于病床数量按照设计数字控制，电梯运营良好。随着时间的推移，每个科室病床数量大量增加，上午探视高峰期电梯数量不够问题凸显。医院决定在主体建筑外增设2台电梯，详见图1所示。

图1 平面布置图

4.1 新增结构简介

新增钢梯井道采用框架支撑结构，钢材为 Q355级，钢柱 H20×400×400×26型钢，钢梁采用H20×400×300×26型钢，支撑□120×6方管。楼板采用1.0㎜波纹钢板加120厚C30级混凝土，活荷载标准值3.5kN/㎡。

4.2 结构分析

竖向荷载作用下单独对钢结构进行计算时，恒载分项系数取1.3，活荷载分项系数取1.5，钢柱最大稳定应力比0.56。水平荷载作用时，考虑整体受力，即新增钢框架与原主体共同受力分析。考虑到原主体正在使用无法加固改造，故计算时恒载分项系数仍然取1.2，活荷载分项系数1.4，仍然按照7度进行抗震计算，8度采取抗震措施。原主体结构阻尼比取0.05，新增钢框架阻尼比取0.03，经计算原一层刚度为RJX1=4.9651E+07(kN/m)RJY1=5.5935E+07(kN/m)，增加钢框架后变为RJX1=4.9695E+07(kN/m)RJY1=5.6148E+07(kN/m)，刚度增量不到1%，其余楼层类似。层刚度比几乎无影响。原有建筑第一振型周期2.3198s，第三振型周期1.8754s（扭转系数 0.82），周期比0.808。增加钢框架后第一振型周期2.1178s，第三振型周期1.7256 s（扭转系数0.85），周期比 0.815，整体抗扭性能略微变差，但仍然比较好地处在规范允许值范围。从周期结果可以看出，以扭转周期为主的振型仍然是第三振型，说明结构整体抗震性能几乎没有改变。结构位移见图2。

图2 增加钢框架后位移图

从图2可以看出，顶层因为是构架层，位移相对大点，增加钢框架后整体位移虽然有微弱减小，但位移特征仍然为框剪结构特征。底层规定水平力框架柱及短肢墙地震倾覆力矩百分比 (抗规)为X向柱28.12%，Y向柱20.61%；所以可以认为结构体系仍然为框剪体系，没有变化。沉降计算，新增钢结构采用和主体同样基础形式，即人工挖孔桩，800mm桩径，扩大头1200mm。桩端持力层为④层强风化砂岩，单桩承载力特征值为3500kN，钢框架最大沉降量为2.3mm，原主体建筑沉降基本稳定，沉降差通过设后浇带的方法解决。为保证新增钢框架与原主体能形成一体共同受力，连接设计是关键。本工程钢梁与混凝土框架柱梁采用刚性连接，在弯剪拉力共同作用下，后置化学锚栓及钢板做法，见图3所示。新增楼板钢筋采用植筋方法植入原混凝土梁内，见图4所示。