弱连接钢井道受力性能分析*

张宪江 ， 谢瑞峰

(湖州职业技术学院 建筑工程学院， 浙江 湖州 313000)

20世纪中后期，我国建造了大量的4～7层砖混结构住宅楼。限于当时条件，这些住宅多未装设电梯。随着我国老龄人口比例的逐年上升，对既有住宅增设电梯的社会呼声逐年提高，国家也发布了一系列鼓励和推进老旧小区改造和既有住宅增设电梯的相关政策[1][2] [3]。2019年，总理在《政府工作报告》中提出：城镇老旧小区量大面广，要大力进行改造提升，支持增设电梯和无障碍环境建设。

现阶段，既有住宅增设电梯处于起步阶段。电梯井道是确保电梯安全平稳运行的重要设施，被称为电梯的“第九大系统”[4]113-116。加装电梯一般采用钢井道。就目前的结构设计水平而言，在技术上确保钢井道自身安全并不困难。比较复杂、难以处理的是钢井道与既有住宅之间的连接问题。当两者之间采用刚性连接时，必然存在较大的相互作用。通常应对既有住宅进行鉴定与加固，并在井道结构设计时将两者整体建模，进行协同受力分析，但其工程应用十分复杂。另一种做法是设置结构缝，将两者脱开，但因存在通行连廊，事实上两者是不可能完全相互独立的[5]4-5 [6]9-10。比较恰当的处理方法是采用“弱连接”，将钢井道与既有住宅连接[7]4-9 [8]3-4。弱连接是指钢井道以铰接或两端铰接、铰接带滑动支座与既有住宅相连[8]3-4。

弱连接除连接节点局部范围外，增设的钢井道对既有住宅的影响相对较小，但既有住宅对钢井道的影响却不容忽视[9]10-13 [10]46-48。采用弱连接的钢井道，其结构计算可以独立进行，但作用效应需放大1.05倍[8]3-4。就目前而言，既有住宅对钢井道影响的相关研究尚不充分。本文结合量大面广的砖混结构住宅特点，深入研究弱连接钢井道的受力特性，得出安全经济的钢井道结构技术参数，为钢井道的设计、施工提供技术支撑，助推既有住宅增设电梯这项惠民政策的落地与推广。这对增强群众获得感、幸福感，促进全面建成小康社会具有重要的现实意义。

一、钢井道结构方案

目前，既有住宅增设的电梯大多选用额定载重量为630 kg的无机房电梯，钢井道平面尺寸取2 250 mm×2 050 mm[11]13-14；多层砌体房屋的层数和总高度不超过7层和21 m[12]74。考虑一般情况，层高取2 900 mm；同时考虑曳引机搁置层高度为1 550 mm，则钢井道总高度约为20.4 m<24 m。其属于多层钢结构范畴[13]2。

通常，加装电梯的停靠站设置在层间楼梯休息平台处(半层入户方式)。在该处设置两端铰接的钢连梁(以下简称LL)，使钢井道与既有住宅连接。电梯门梁高度为2 200 mm。钢井道的初步结构方案如图所示(参见图1)。

图1 钢井道的初步结构方案图示

二、独立钢井道结构设计

(一)设计参数

1.设防烈度与抗震等级 考虑一般情况，钢井道抗震设防烈度取7度(0.15 g)，抗震等级为4级[12]75。设计地震分组按第一组考虑，场地类别取Ⅲ类，场地特征周期取0.45 s。

2.恒荷载与活荷载 (1)恒荷载(DEAD)：①外立面恒载：对屋面GL取0.25 kN/m，对其他层GL取0.45 kN/m。②内立面恒载：内立面(电梯门一侧)GL上的恒载取0.35 kN/m。③钢井道屋面恒载取0.35 kN/m2，连廊楼面恒载取0.70 kN/m2。④电梯自重：参照630型无机房电梯技术参数，取R1=32.5 kN、R2=22.0 kN、R3=R4=9.05 kN(参见图1)。(2)活荷载(LIVE)[14]14：①屋面活载取0.5 kN/m2，连廊楼面活载取2.0 kN/m2。②基本风压取0.50 kN/m2，基本雪压取0.50 kN/m2。

(二)结构分析与设计

1.分析工况 按照上述设计参数，利用通用有限元软件SAP 2000，对独立钢井道进行结构分析与设计。设计规范选用Chinese 2018，采用默认设计组合[15]176-182。

2.分析条件 依据重力二阶效应，采用二阶P-△弹性分析方法，考虑双向结构整体初始缺陷[16]3-9。钢井道一般位于建筑物一侧，风荷载体型系数取值如图所示(内立面不考虑风荷载作用)(参见图2)。依据顺风向风振影响，结构阻尼比取0.02[14]18。地面粗糙度按B类考虑。地震作用采用振型分解反应谱法，结构阻尼比取0.4[12]75。质量源采用荷载模式(1.0 DEAD+0.5 LIVE)，考虑X、Y方向的地震作用，模态组合采用CQC法，方向组合采用SRSS法[16]3-9。

3.分析结果 由模态分析结果显示，钢井道前3阶振型分别为：沿Y向为主的平动振型、沿X向为主的平动振型及绕Z向为主的扭转振型(参见表1)。位移分析结果如图所示(参见图3)。可见，在X向风荷载作用下，钢井道顶面的位移最大(W-Xmax=30.861 mm)，底部二层的弹性层间位移角最大，θex，max=1/499<1/400，位移指标满足规范要求[17]29-34。钢梁、钢柱的最大应力比出现在钢井道底层。故，独立钢井道主要指标符合现行规范要求。

表1 独立钢井道模态分析结果(前3阶振型)

图3 独立钢井道变形图示

三、弱连接钢井道受力分析

LL长度对钢井道的影响较大，因此分别取LL长度L0为0 mm、150 mm、500 mm、1 200 mm。LL两端按铰接考虑，并与钢井道整体建模后进行分析。

(一)基本假定

本研究的基本假定有两点：①砌体结构住宅一般按刚性方案考虑，侧向位移较小，因此可将其视作钢井道的刚性支承[18]22-23。②忽略钢井道与既有住宅之间的沉降差，仅考虑在水平作用下钢井道的响应。

(二)L0=0 mm时的钢井道受力分析

1.分析模型 当L0=0 mm时，井道与既有住宅通过固定铰支座连接。其他分析条件与独立钢井道相同。

2.分析结果 模态分析结果显示，与独立钢井道相比，钢井道以局部振动为主，前2阶振型的转动方向因子R*Z较大(参见表2)。这说明扭转效应较强，且最大扭转效应出现在钢井道的搁机梁标高处(最大扭转角θmax≈0.02 °)。钢井道X向的最大位移由地震作用引起(E-Xmax=0.694 1 mm)，Y向的最大位移由风荷载引起(W-Ymax=0.052 8mm)。可见，钢井道受到了较强的约束，侧向刚度增强，侧向位移缩小(参见图4)。

表2 L0=0 mm时的模态分析结果(前3阶振型)

图4 钢井道变形图示(L0=0 mm)

考虑最不利荷载组合后，最大应力比出现在支撑搁机梁的钢梁中。与既有住宅相连接的各层支座反力，其顶部支座反力最大。其中，Z向反力对既有住宅的影响较为显著，其他层Y向支座反力为负，这是由钢井道扭转产生的。

分析结果表明，当采用铰链直接将钢井道与既有住宅相连接时，钢井道的变形状态和受力特性相对独立钢井道而言发生了较大变化，且顶部节点对既有住宅产生了较大的作用力。故，工程应用时，应对顶层混凝土TL进行进一步的受力分析，并采取有效措施以确保安全。

(三)L0=150 mm时的钢井道受力分析

1.分析模型 LL两端铰接，并与钢井道整体建模。其他分析条件与独立钢井道相同。

2.分析结果 模态分析结果显示，钢井道第1阶振型为沿X向为主的平动振型，第2阶振型为局部振动振型，第3阶振型为绕Z向为主的扭转振型。位移分析结果显示，钢井道Y向变形极其微小，X向变形与独立钢井道基本一致，钢井道顶面位移最大(W-Xmax=31.775 mm)，底部二层的弹性层间位移角最大(θex，max=1/482<1/400)。

钢梁、钢柱中的最大应力比出现在钢井道底层。与L0=0 mm时的支座反力相比，顶部X向、Z向的支座反力仅为1%～3%，Y向的支座反力约为60%左右。可见，设置LL并采用弱连接措施后，支座反力显著下降，这说明对既有住宅的影响明显减弱。

(四)L0=500 mm时的钢井道受力分析

除LL长度不同外，分析模型、分析条件与L0=150 mm时相同。

模态分析结果显示，钢井道第1阶振型为以沿X向为主的平动振型，第2、3阶振型以局部振动为主。位移分析结果显示，钢井道Y向变形极其微小，X向变形与独立钢井道基本一致，钢井道顶面位移最大(W-Xmax=33.998 mm)，底部二层的弹性层间位移角最大(θex，max=1/450<1/400)。

钢梁、钢柱中的最大应力比出现在钢井道底层。与L0=0 mm时的支座反力相比，顶部X向、Z向的支座反力仅为2%～4%，其他层X向、Z向的支座反力约为14%～19%，Y向的支座反力约为55%左右。

(五)L0=1 200 mm时的钢井道受力分析

除LL长度不同外，分析模型、分析条件与L0=150 mm时相同。由模态分析结果显示，钢井道第1阶振型为以沿X向为主的平动振型，第2、3阶振型以局部振动为主。

钢梁、钢柱中的最大应力比出现在钢井道底层。与L0=500 mm时的支座反力相比，X向、Z向的支座反力增大约1倍，Y向的支座反力基本相同，但绝对值并不大(约为1～5 kN)。

由位移分析结果可见(参见图5)，Y向变形极其微小，在风荷载作用下钢井道顶面X向的最大位移W-Xmax=38.258 mm，较独立钢井道增大约24%；底部二层的弹性层间位移角最大，θex，max=1/398>1/400，这说明钢井道弹性层间位移角超限，已不能满足规范要求。

图5 钢井道变形图示(L0=1 200 mm)

分析结果说明，随着LL的增长，连廊围覆面增加，由此增大了风荷载的作用，这对风荷载比较敏感的钢井道产生了较大影响。当L0超过1 200 mm时，钢井道弹性层间的位移角已不能满足规范要求。由此可见，LL跨度对钢井道的影响不容忽视，设计时应将两者进行整体建模分析，以确保设计指标符合现行规范要求。

四、结 语

针对钢井道与既有住宅之间“弱连接”的特点，考虑LL长度，借助通用有限元软件SAP 2000，对弱连接钢井道的受力特性进行分析，从而得出如下结论：(1)弱连接钢井道属于风敏感结构，钢井道的主要位移指标一般由风荷载控制。(2)当将钢井道以铰接的方式直接与既有住宅相连接时，其钢井道变形状态及受力特性相对独立钢井道而言发生了较大变化，扭转效应明显，且顶部铰支座对既有住宅产生了较大的作用力。因此，在工程中应慎重采用。(3)当两端铰接的LL长度在500 mm左右时，可以有效弱化钢井道与既有住宅之间的相互作用；当LL长度大于1 000 mm时，对钢井道变形的影响较大，甚至会引起位移指标超限。此时，应对钢井道与连廊的整体建模进行分析与设计，以确保弱连接钢井道设计指标符合现行规范要求。(4)LL两端的相对水平位移较大，应充分保证LL两端铰接节点的水平转动能力。否则，过大的相对水平位移会对连接节点造成破坏。