唐小輝,李承銘,方 林(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200011)
受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約,上海地區(qū)在20世紀(jì)90年代以前建造的7層及7層以下多層住宅絕大多數(shù)都沒(méi)有設(shè)置電梯,住在3層以上的居民,特別是年紀(jì)偏大或腿腳不便的人,上下樓成了很麻煩的事情。隨著社會(huì)發(fā)展,民眾對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高,多層住宅加裝電梯在上海地區(qū)和全國(guó)很多地方都在逐步推進(jìn)。上海地區(qū) 6 層或7層的多層住宅一般是磚混結(jié)構(gòu),樓板采用預(yù)制板,也有采用底部框架上部砌體結(jié)構(gòu),底部框架為底部1層或2層,采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu),上部砌體結(jié)構(gòu)仍采用預(yù)制板。有些多層砌體住宅設(shè)置有圈梁和構(gòu)造柱,有些只有圈梁。特別是20世紀(jì)80年代以前,上海住宅沒(méi)有抗震設(shè)防,一般都沒(méi)有構(gòu)造柱??傮w上,上海既有多層住宅的抗震性能普遍較差,因此在多層住宅加裝電梯之前均需要對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋安全質(zhì)量檢測(cè)。若原結(jié)構(gòu)存在有安全隱患,則不允許加裝電梯。加裝的電梯一般與原有的樓梯間相連,電梯井道結(jié)構(gòu)可采用混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu),其中混凝土結(jié)構(gòu)包含混凝土框架結(jié)構(gòu)或異形柱結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)結(jié)合電梯底坑采用樁筏基礎(chǔ),樁基一般采用錨桿靜壓樁。本文根據(jù)近年來(lái)在上海地區(qū)既有多層住宅加裝電梯的實(shí)踐,對(duì)若干結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行探討。
整體模型的計(jì)算包含原砌體結(jié)構(gòu)及新增電梯,單獨(dú)模型則僅僅包含電梯模型,不計(jì)原結(jié)構(gòu)對(duì)其支撐作用。新增電梯正常情況下均與原多層砌體結(jié)構(gòu)相連,由于原砌體結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量遠(yuǎn)大于新增電梯結(jié)構(gòu),因此電梯對(duì)原結(jié)構(gòu)整體的受力情況及變形特性影響很小。一般6或7層的砌體結(jié)構(gòu)(包含純砌體結(jié)構(gòu)及底框結(jié)構(gòu))的第一周期在 0.45~0.65 s 之間(底框結(jié)構(gòu)周期偏長(zhǎng)一點(diǎn)),剛度很大。原砌體結(jié)構(gòu)與增設(shè)電梯后整體結(jié)構(gòu)周期及扭轉(zhuǎn)情況對(duì)比見(jiàn)表1。
從表1可知原多層砌體結(jié)構(gòu)在增設(shè)電梯后整體結(jié)構(gòu)的周期及扭轉(zhuǎn)特性與原結(jié)構(gòu)變化很小,可以忽略。
表1 原砌體結(jié)構(gòu)與增設(shè)電梯后整體結(jié)構(gòu)周期及扭轉(zhuǎn)情況對(duì)比表
新增電梯各層平臺(tái)一般與原有樓梯間的平臺(tái)或半平臺(tái)相連,電梯布置平面方案通常有兩種,如圖1所示。
圖1 電梯平面布置方案
從圖1 可見(jiàn):方案 1 為電梯通過(guò)連廊直接通到樓梯間,結(jié)構(gòu)布置只要 4 根柱即可;方案 2 為電梯前面還有一個(gè)候梯間,需要至少布置 6 根柱。
表2 針對(duì)不同電梯平面布置方案及不同的結(jié)構(gòu)方案(分為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)兩種)與原有結(jié)構(gòu)針對(duì)地震作用下的底層X(jué)、Y兩個(gè)水平向剪力及傾覆力矩進(jìn)行對(duì)比。表2 中的數(shù)據(jù)均僅僅統(tǒng)計(jì)原結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的剪力和傾覆力矩,未包含新增電梯那部分的作用效應(yīng)。鋼梯采用鋼柱為箱型200 mm×8 mm,鋼梁為 200 mm×200 mm×6 mm×9 mm,混凝土梯采用框架柱 300 mm×300 mm,混凝土梁為 200 mm×400 mm。不同電梯平面布置方案原結(jié)構(gòu)傾覆力矩對(duì)比見(jiàn)表3。
表2 不同電梯平面布置方案與原結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比表
表3 不同電梯平面布置方案原結(jié)構(gòu)傾覆力矩對(duì)比表
由表2、表3可知:采用鋼結(jié)構(gòu)對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響小于混凝土結(jié)構(gòu);采用方案 1 的影響小于方案 2 ,這主要是由于混凝土框架因?yàn)榭蚣苤呴L(zhǎng)最小只能做到 300 mm,剛度大于鋼結(jié)構(gòu)框架;方案2比方案1多2根柱,剛度較大,因此新增電梯結(jié)構(gòu)剛度越大,對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響就越大。表2還表明,增設(shè)電梯均會(huì)增加原有結(jié)構(gòu)水平地震作用效應(yīng),增大幅度取決于新增電梯結(jié)構(gòu)布置及原有砌體結(jié)構(gòu)的特性,需要通過(guò)整體建模分析來(lái)判別對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響情況。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),一般增大幅度控制在 5% 以內(nèi)可以不考慮對(duì)原結(jié)構(gòu)的不利作用,否則就需要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加固或調(diào)整電梯布置方案(減少電梯剛度)等措施以減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的作用。
除了整體模型計(jì)算,還應(yīng)對(duì)電梯單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算分析,以保證電梯在與原結(jié)構(gòu)連接失效之后仍能單獨(dú)承受水平作用。這在上海地區(qū)加裝電梯的實(shí)踐中已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。單獨(dú)的鋼梯或混凝土梯均應(yīng)滿足水平作用下的位移指標(biāo),雖然單獨(dú)電梯骨架高寬比很大,但由于井道荷載很小,一般情況下均能滿足,若不滿足可把支撐電梯軌道的層間梁也考慮進(jìn)去。另外,很多情況下風(fēng)荷載計(jì)算下的位移大于地震作用。單獨(dú)計(jì)算還要考慮基礎(chǔ)的抗傾覆能力。
上海地區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲東南前緣,大部分區(qū)域都覆蓋了巨厚的第四系松散沉積物,基巖埋深在 200~300 m,典型的土層情況從上往下依次為:第①層土,雜填土;第②層土,褐黃色黏性土;第③、第④層土,淤泥質(zhì)黏性土;第⑤層土,灰色黏性土;第⑥層土,暗綠草黃色硬土層;第⑦層土,粉性土或砂土層;第⑧層土,灰色黏性土夾粉砂層;第⑨層土,灰色砂土層。
上海地區(qū)淺層范圍包含較多的填土及淤泥質(zhì)土,其壓縮模量較小,在上部結(jié)構(gòu)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的沉降,而且沉降要持續(xù)很多年才完成。上海既有多層住宅基礎(chǔ)一般采用條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)或采用微型樁筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)底面落在第②層土上,雖然整體沉降較大,但經(jīng)過(guò) 20~30 a 后沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定。新增電梯部分的基礎(chǔ)若不采用樁基礎(chǔ),雖然其基礎(chǔ)底面落在第②層土上地基承載力可滿足要求,但累計(jì)沉降可達(dá)到 30~60 mm。由于電梯與原結(jié)構(gòu)距離很近,一般在 2 m 以內(nèi),局部?jī)A斜在 0.015~0.030,遠(yuǎn)超規(guī)范0.004的要求,必然會(huì)把連接部位的節(jié)點(diǎn)拉壞,因此在上海地區(qū)加裝電梯,通常需要設(shè)置樁基。
新增電梯的基礎(chǔ)可結(jié)合電梯底坑的要求做成樁筏基礎(chǔ),樁基一般采用錨桿靜壓樁,主要是因?yàn)槎鄬幼≌瑘?chǎng)地狹小,無(wú)法設(shè)置常規(guī)的沉樁設(shè)備,而且樁數(shù)較小,采用一般打樁設(shè)備經(jīng)濟(jì)性較差。錨桿靜壓樁通過(guò)錨桿把 2~4 m的樁架和基礎(chǔ)底板或其他反力裝置固定,再通過(guò)液壓千斤頂把一節(jié)一節(jié)的小方樁壓入到指定標(biāo)高,單節(jié)樁長(zhǎng)通常為 1~3 m,樁邊長(zhǎng)一般為 200 mm、250 mm、300 mm及 350 mm 等 4種,接樁方法有焊接接頭和硫磺膠泥接頭。錨桿樁底標(biāo)高一般應(yīng)達(dá)到第⑤2層土。
由于上海地區(qū)淺層土除了第②層土外,主要以淤泥質(zhì)土為主,因此沉樁相對(duì)比較容易,壓樁力一般控制在1 000 kN 以內(nèi)。上海部分地區(qū)受吳淞江等故道影響,在地表2~20 m 范圍內(nèi)有第②3層粉性土、粉砂的分布,由于第②3層靜力觸探比貫入阻力Ps平均值在 2.0~3.0 MPa,且有一定厚度,樁在穿越該層時(shí)貫入阻力較大,因此碰到這種情況,樁頭一般需要換成鋼靴,且壓樁配重要足夠,否則很難穿透這一層。加裝電梯項(xiàng)目雖小,但每個(gè)項(xiàng)目都需要進(jìn)行巖土工程勘察,以確?;A(chǔ)設(shè)計(jì)安全。
樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)因需要滿足單獨(dú)電梯也能獨(dú)立承受水平作用,因此基礎(chǔ)應(yīng)能夠滿足結(jié)構(gòu)自身抗傾覆問(wèn)題。一般將樁布置在與房屋外墻面垂直的電梯底坑側(cè)墻的兩側(cè),能夠形成較大的抵抗傾覆力臂,確保樁基在水平作用下不受抗拔作用。一般保守計(jì)算不考慮基礎(chǔ)底板上覆土的有利作用。與房屋相鄰的電梯基礎(chǔ)底板可與原基礎(chǔ)通過(guò)植筋方式拉結(jié)來(lái)保證電梯的另一方向的抗傾覆。由于原基礎(chǔ)底面一般位于第②層土,深度為 1.5~ 2.0 m,與新增電梯承臺(tái)標(biāo)高很接近,所以一般可以通過(guò)拉結(jié)把新老基礎(chǔ)連成一體。電梯基礎(chǔ)抗傾覆計(jì)算,如圖2所示。
圖2 電梯基礎(chǔ)抗傾覆計(jì)算示意圖
圖2 中,(FK+GK) 為在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下,作用在承臺(tái)底面的豎向作用力(包含電梯上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的荷載);MK為在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下,作用于承臺(tái)底面,繞通過(guò)樁群形心主軸的力矩;N1和N2分別為左右兩排樁的豎向總反力。對(duì)左邊樁中心取矩,不考慮基底土反力,靜力平衡,即 ∑M1=(FK+GK)×Y-MK-N2×2Y=0。為了保證樁在最不利水平作用下仍受壓,即N2≥0,由上式得(FK+GK)×Y≥MK。滿足基礎(chǔ)抗傾覆最直接的方法是通過(guò)增加基礎(chǔ)自重(即加厚底板)或增加樁距離基礎(chǔ)中心的距離(即增加y)。
由于樁布置在基礎(chǔ)承臺(tái)的外側(cè),所以基礎(chǔ)底板還需要驗(yàn)算抗剪承載力及基礎(chǔ)底板抗彎承載力??辜粲?jì)算可參考地基基礎(chǔ)規(guī)范的承臺(tái)斜截面受剪計(jì)算,抗彎計(jì)算可將基礎(chǔ)底板簡(jiǎn)化為單向板且支座鉸接來(lái)計(jì)算底板配筋。
錨桿靜壓樁基礎(chǔ)施工,通常情況下應(yīng)先施工基礎(chǔ)承臺(tái),在承臺(tái)上預(yù)留喇叭形樁孔及預(yù)埋錨桿,然后再壓樁。如果承臺(tái)自重作為反力裝置還不夠,則必須增加配重,配重可直接壓在承臺(tái)上或通過(guò)型鋼傳到承臺(tái)上,不管哪種方式都必須將配重作用力對(duì)稱布置于壓樁孔四周,防止壓樁過(guò)程中受力不均而使得承臺(tái)傾斜或配重傾覆。建議承臺(tái)厚度設(shè)計(jì)得較大一些,既可以減少壓樁時(shí)的配重,又可以增大使用期間電梯結(jié)構(gòu)抗傾覆能力。另外,配重一般是采用混凝土塊或鋼塊搭起,塊體之間僅靠接觸連接,一般高度不能超過(guò) 3 m,否則在壓樁過(guò)程中可能會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。建議采用鋼塊,以有效減少塊體體積。
電梯與主體結(jié)構(gòu)的連接包含基礎(chǔ)連接及上部各層連廊的連接。電梯基礎(chǔ)與原多層砌體可以連接,也可以脫開(kāi),主要是根據(jù)新老基礎(chǔ)的距離,如兩者距離很近或部分重疊,則考慮拉結(jié),否則脫開(kāi)?;A(chǔ)相連時(shí)鋼筋連接可采用植筋方式或者鑿出原有基礎(chǔ)的縱向鋼筋焊接接長(zhǎng)?;A(chǔ)相連整體性較好,因基礎(chǔ)剛度大,對(duì)控制兩者不均勻沉降有利,建議采用相連的方式。
電梯上部結(jié)構(gòu)通常是通過(guò)走廊和原住宅的樓梯相連。對(duì)于雙跑樓梯的情形,一般在樓梯半平臺(tái)相連;對(duì)于一梯多戶采用 Z 型單跑樓梯的情形,則是在整層相連。電梯走道梁應(yīng)與原樓梯間周邊的構(gòu)造柱相連,就需要對(duì)樓梯間的構(gòu)造柱、圈梁情況進(jìn)行檢測(cè),探明構(gòu)造柱圈梁是否存在、位置及材料強(qiáng)度等情況。目前上海地區(qū)加裝電梯前均需要對(duì)原有多層砌體住宅進(jìn)行檢測(cè)鑒定,但很多檢測(cè)單位按傳統(tǒng)砌體檢測(cè)隨機(jī)抽樣檢測(cè),未抽取樓梯連接部位的墻體、圈梁及構(gòu)造柱進(jìn)行測(cè)試,這是不可取的。應(yīng)在對(duì)上述區(qū)域重點(diǎn)檢測(cè)的基礎(chǔ)上再對(duì)其他區(qū)域抽樣檢測(cè),以確保設(shè)計(jì)方可以對(duì)這些連接部位采取相應(yīng)的措施。筆者參與的部分項(xiàng)目由于前期檢測(cè)不到位,導(dǎo)致后期施工時(shí)鑿除面層發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)造柱混凝土酥松,需要進(jìn)行加固處理。一般連接區(qū)域的構(gòu)造柱及周邊砌體墻建議采用鋼筋網(wǎng)片砂漿面層加強(qiáng),鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固從基礎(chǔ)一直到屋頂都做,豎向鋼筋網(wǎng)植入基礎(chǔ)內(nèi),砂漿采用水泥砂漿 M 10,拉筋孔洞內(nèi)也采用水泥砂漿錨固。原樓梯端部構(gòu)造柱及周邊砌體墻體加固,如圖3所示。
圖3 原樓梯端部構(gòu)造柱及周邊砌體墻體加固詳圖
新增電梯采用樁基礎(chǔ)后,雖然與原結(jié)構(gòu)的相對(duì)沉降很小,長(zhǎng)期沉降差僅為 3~5 mm,但對(duì)于不同的相連方式,連接部位的剪力差別很大。電梯井道與原結(jié)構(gòu)不同的連接方式,如圖4所示。
圖4 電梯井道與原結(jié)構(gòu)不同的連接方式
從圖4 可見(jiàn),電梯通過(guò) GL1 與原結(jié)構(gòu)有 3 種不同的連接方式。其中(a)為兩端鉸接;(b)為一端鉸接一端剛接;(c)為兩端剛接。采用整體模型計(jì)算,原結(jié)構(gòu)底部支座X、Y、Z軸三向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)均約束住,而電梯底部Z向模擬沉降,其他自由度約束住。計(jì)算結(jié)果表明,不同的端部連接方式對(duì)連廊鋼梁靠近砌體墻端的剪力差別很大,具體對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
表4 不同的連接方式對(duì) GL1 靠近砌體墻端的剪力對(duì)比表kN
從表4可知:對(duì)于兩端鉸接的情況,有一定的沉降差,對(duì) GL1 梁端剪力影響較??;對(duì)于兩端剛接的情形,則隨著電梯與原結(jié)構(gòu)的沉降差的增加,梁端剪力也隨之增大;對(duì)于一端剛接一端鉸接的情形,則介于兩者之間。另外,對(duì)于后兩種情況,底部剪力最大,越往上則剪力遞減。
由此可見(jiàn),電梯與主體結(jié)構(gòu)之間的沉降差對(duì)于鋼梁位于砌體墻體連接部位的剪力影響很大,特別對(duì)于兩端剛接情形,當(dāng)沉降差達(dá)到 10 mm 時(shí),2層連接梁端剪力已經(jīng)達(dá)到107 kN,采用后植筋的連接節(jié)點(diǎn),極易發(fā)生破壞。為盡量避免連接節(jié)點(diǎn)破壞,一般采用如下措施:①新增電梯下部采用樁基礎(chǔ);②電梯鋼梁 GL1等電梯主框架結(jié)構(gòu)封頂后安裝(電梯骨架封頂前需臨時(shí)結(jié)構(gòu)支撐);③GL1兩端采用鉸接形式,或者采用一端剛接一端鉸接方式,鉸接端應(yīng)采用豎向腰形孔,孔豎向大小可根據(jù)沉降差來(lái)設(shè)計(jì);④連接部位的構(gòu)造柱及砌體墻體建議加固。
(1)加裝電梯計(jì)算既要進(jìn)行整體模型計(jì)算,以分析加梯對(duì)原有結(jié)構(gòu)的影響并采取合理的結(jié)構(gòu)方案,又要單獨(dú)計(jì)算,保證電梯能夠獨(dú)立承受各種不利作用,以確保安全。
(2)電梯基礎(chǔ)應(yīng)采用樁筏基礎(chǔ),樁型采用錨桿靜壓樁,沉樁配重及壓樁力應(yīng)根據(jù)土層情況進(jìn)行判斷,特別要注意是否存在第②3層砂土層。電梯基礎(chǔ)設(shè)計(jì)還應(yīng)驗(yàn)算整體抗傾覆。
(3)電梯與原砌體連接部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行檢測(cè),連接方式采用鉸接連接;設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施減少新老結(jié)構(gòu)之間的沉降差,以盡量減少端部連接節(jié)點(diǎn)的剪力。