鹿德瑤

摘要：為分析既有建筑增設(shè)電梯的冷彎薄壁型鋼框架電梯井道的抗震性能，采用有限元法建立電梯井的抗震分析模型，考慮結(jié)點(diǎn)初始剛度和是否增設(shè)斜撐的影響，分析在多遇地震波和罕遇地震波作用下電梯井各樓層的響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著結(jié)點(diǎn)初始剛度的減小，電梯井框架結(jié)構(gòu)各樓層位移、層間位移和自振周期逐漸增大，但基底剪力和對既有建筑的作用力降低;半剛性結(jié)點(diǎn)有一定的耗能作用，在滿足結(jié)構(gòu)抗震要求時可適當(dāng)考慮半剛性連接;適量增設(shè)斜撐可提高結(jié)構(gòu)剛度，同時框架側(cè)移和層間位移角明顯減小。

關(guān)鍵詞：

冷彎鋼; 框架結(jié)構(gòu); 電梯井; 剛度; 抗震性能

中圖分類號：TU392.1; TP391.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Seismic performance of additional elevator shaft structure

in existing building

LU Deyao

（

School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

Abstract：

To analyze the seismic performance of the cold-formed thin-walled steel frame elevator shaft which is added to the existing buildings， the seismic analysis model of the elevator shaft is built by finite element method， and then the responses of each floor of the elevator shaft under the frequently occurred and rarely occurred seismic waves are analyzed， in which the influence of jont initial stiffness and diagonal brace is considered. The results show that： the floor displacement， the floor to floor displacement and the natural vibration period of the elevator shaft frame structure increase gradually with the decrease of the joint initial stiffness， but the base shear force and the force to the existing building decrease; the semi-rigid joint has a certain energy dissipation effect， so the semi-rigid connection can be properly considered while meeting the seismic requirements of the structure; the structural stiffness can be improved by adding appropriate diagonal braces， and the frame lateral displacement and the story drift ratio can be reduced at the sametime.

Key words：

cold-formed steel; frame structure; elevator shaft; stiffness; seismic performance

0 引 言

既有建筑增設(shè)電梯大多采用冷彎型鋼框架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)自重輕、地震反應(yīng)小、裝配化程度高、施工速度快[1]，是工程設(shè)計(jì)的首選方案。

眾多學(xué)者對既有建筑增設(shè)室外電梯進(jìn)行研究，王軍芳等[2]、向容等[3]、熊海豐等[4]和池祥[5]均對新增鋼電梯與原有建筑之間的連接關(guān)系進(jìn)行探討，研究電梯井與原建筑連接時兩者之間的相互影響。劉瑋[6]和王建軍等[7]分析加裝電梯易出現(xiàn)的典型問題，并給出相應(yīng)的解決思路。譚方蘭[8]、蔣璐等[9]和劉明保等[10]研究認(rèn)為，增設(shè)電梯時對原建筑物進(jìn)行適當(dāng)加固，可以提高整體結(jié)構(gòu)的承載力和抗震能力。

雖然許多學(xué)者對既有建筑室外增設(shè)電梯的安全性展開探討，但是關(guān)于室外增設(shè)電梯結(jié)構(gòu)抗震性能的研究不多。本文針對既有建筑室外增設(shè)電梯常用的一種新型冷彎薄壁異形柱框架結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件SAP2000分析其在地震作用下的反應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)整體概況和研究參數(shù)設(shè)置

某6層既有建筑首層高度為3.5 m，其余層高度為2.8 m，建筑總高度為17.5 m。室外增設(shè)電梯采用冷彎型鋼框架結(jié)構(gòu)，選擇錯層入戶方式，通過原建筑樓梯間休息平臺與連廊進(jìn)行連接。由于1樓和2樓不需要電梯，所以只在3層以上設(shè)置候梯廳。電梯井冷彎型鋼框架由角柱、中柱和鋼梁組成2榀6層1跨結(jié)構(gòu)，橫向（x向）井道跨度為1.9 m，連廊跨度為1.7 m，縱向（y向）跨度為2.1 m。電梯井框架結(jié)構(gòu)示意見圖1。橫梁采用C型卷邊槽鋼，規(guī)格為170 mm×75 mm×30 mm×6 mm，鋼斜撐采用圓管10Φ70 mm，角柱由異形柱和等邊角鋼（140 mm×140 mm）通過高強(qiáng)螺栓連接，中柱由2個角柱通過高強(qiáng)螺栓連接。異形柱連接截面示意見圖2。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[11]和電梯設(shè)備質(zhì)量，確定結(jié)構(gòu)主要載荷的標(biāo)準(zhǔn)值：樓頂恒載為5.00 kN/m2，樓頂活載為0.50 kN/m2，屋面恒載為3.00 kN/m2，屋面活載為2.00 kN/m2，外墻恒載為0.50 kN/m2，風(fēng)載荷為0.45 kN/m2，電梯總質(zhì)量為22.8 t。在實(shí)際工程中，鋼框架構(gòu)件連接大部分處于理想剛接和鉸接狀態(tài)，為分析半剛性結(jié)點(diǎn)對鋼框架整體結(jié)構(gòu)的影響，取結(jié)點(diǎn)初始剛度為1.0×103、1.5×103、1.0×104、1.0×105kN·m·rad和剛接共5種情況進(jìn)行分析，同時考慮增設(shè)斜撐對結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2016）[12]要求，選取El-Centro波進(jìn)行8度多遇地震（加速度0.7 m/s2）和罕遇地震（加速度4.0 m/s2）進(jìn)行對比分析，阻尼比分別取0.04和0.05，反應(yīng)譜場地類別設(shè)為Ⅱ類，設(shè)計(jì)分組為第二組，特征周期為0.4 s，設(shè)防烈度為8度（0.2g）。

2 有限元模型和分析結(jié)果

通過有限元分析軟件SAP2000建立電梯井框架結(jié)構(gòu)模型，見圖3。

電梯井與原有建筑樓梯間休息平臺處通過橫梁進(jìn)行弱連接（只約束x方向位移）。

柱腳為剛接，梁和柱桿件采用FRAME單元模擬，樓板和外墻采用SHELL單元模擬，鋼斜撐為鉸接且只受拉力。結(jié)構(gòu)桿件材料選用Q235B鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.3，E=2.1×105 N/mm2?？紤]材料的非線性，鋼材簡化為各向同性材料，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用隨動強(qiáng)化模型模擬Bauschinger 效應(yīng)。

2.1 模型驗(yàn)算

為驗(yàn)證有限元模型的合理性，采用底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)剪力，只考慮第1階振型（y方向）的影響，計(jì)算結(jié)果對比見表1。兩者整體差距很小，說明有限元模型可以使用。

2.2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

使用SAP2000中的Mode工況對不同結(jié)點(diǎn)初始

剛度和不同結(jié)構(gòu)的電梯井框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，前4階模態(tài)自振周期對比見表2。

結(jié)構(gòu)剛度和自振周期是反比關(guān)系，因此結(jié)點(diǎn)剛度的提高使結(jié)構(gòu)整體剛度增加，自振周期減小。隨著結(jié)點(diǎn)剛度的提高，結(jié)構(gòu)自振周期減小的幅度越來越小，直至結(jié)點(diǎn)剛度接近于剛性連接，結(jié)構(gòu)自振周期基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)增設(shè)斜撐后，自振周期隨著結(jié)構(gòu)整體剛度的進(jìn)一步增加而減小。

2.3 反應(yīng)譜分析

對5種結(jié)點(diǎn)初始剛度的電梯井結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析，結(jié)果見圖4，其中A、B、C和D依次表示結(jié)點(diǎn)初始剛度為1.0×103、1.5×103、1.0×104和1.0×105 kN·m·rad的模型。電梯井與既有建筑連接后可限制x方向位移，因此僅分析y方向受力。

在y方向反應(yīng)譜作用下，電梯井結(jié)構(gòu)與原建筑物連接處x方向作用力隨著結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)初始剛度增大而增大。結(jié)點(diǎn)剛度越大，結(jié)構(gòu)的剛度越大，在反應(yīng)譜作用下整體反應(yīng)也越大，對原建筑物產(chǎn)生的作用力也越大。半剛性結(jié)點(diǎn)有一定的耗能作用，可以吸收一部分能量，等同于提供給結(jié)構(gòu)附加的阻尼，導(dǎo)致地震作用力減小，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基底剪力小于剛接結(jié)構(gòu)。結(jié)點(diǎn)剛度越小，框架結(jié)構(gòu)側(cè)移越大，各層最大位移和層間位移也越大。

電梯井結(jié)構(gòu)層間側(cè)移剛度見表3。在反應(yīng)譜作用下，層間側(cè)移剛度隨著層高的增加而降低。結(jié)點(diǎn)剛度越大，結(jié)構(gòu)層間側(cè)移剛度越大。這主要是因?yàn)樵黾咏Y(jié)點(diǎn)初始剛度可以提高結(jié)構(gòu)抗震性能，從而使結(jié)構(gòu)層間位移減小，層間剛度提高。

2.4 地震反應(yīng)分析

電梯井結(jié)構(gòu)增設(shè)斜撐會對結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生一定影響，因此對無斜撐、單面斜撐和三面斜撐電梯井結(jié)構(gòu)在El-Centro多遇地震波和罕遇地震波作用下的y方向響應(yīng)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖5和6。

不論是多遇地震還是罕遇地震，電梯井結(jié)構(gòu)薄弱層均為第3層，最大層間位移角分別為0.001 5和0.008 0，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2016）要求;結(jié)構(gòu)各層最大位移和層間位移角隨著斜撐的增加而減小;在罕遇地震波作用下，單面斜撐和三面斜撐結(jié)構(gòu)頂層的最大位移比無斜撐結(jié)構(gòu)分別減小24.58%和49.56%，最大層間位移角分別減小11.33%和32.07%。由此可知，斜撐增加越多，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)移剛度越大，在地震作用下產(chǎn)生的側(cè)移越小。

2.5 Pushover分析

Pushover分析本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析方法。對結(jié)構(gòu)施加載荷直至控制點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)位移，構(gòu)件逐漸屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)，從而得到結(jié)構(gòu)在橫向靜力作用下的彈塑性性能，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的破壞機(jī)制。

電梯井結(jié)構(gòu)的塑性鉸狀態(tài)見圖7，其中桿件連接處的小圓球表示塑性鉸。

電梯井結(jié)構(gòu)外側(cè)單面增設(shè)斜撐后塑性鉸明顯減少，且塑性鉸少量出現(xiàn)在柱底，主要出現(xiàn)在第3層候梯廳處，形成薄弱層，因此第3層應(yīng)該加固。三面斜撐結(jié)構(gòu)整體剛度最大，但塑性鉸較多，主要原因是在井道處增加的斜撐過多，造成在剛度和質(zhì)量上與連廊產(chǎn)生較大的差值，因此在地震作用下結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，使剛度較小一側(cè)產(chǎn)生較大的塑性變形，從而生成較多塑性鉸。由此說明，在提高結(jié)構(gòu)抗震性能時，斜撐的增加并不是越多越好，適量增設(shè)斜撐才可以使結(jié)構(gòu)整體剛度分布更均勻，同時也更符合經(jīng)濟(jì)性要求。對于本文算例的電梯井，采用單面斜撐更有利。

3 結(jié)論

采用有限元法研究既有建筑增設(shè)電梯井框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)電梯井框架結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)剛度逐漸增大時，結(jié)構(gòu)自振周期、框架側(cè)移和層間位移都有逐漸減小的趨勢，但其基底剪力和對原建筑的作用力增大。半剛性結(jié)點(diǎn)有一定的耗能作用，可以改善結(jié)構(gòu)抗震性能，在滿足結(jié)構(gòu)要求時可以適當(dāng)考慮。

（2）電梯井結(jié)構(gòu)增設(shè)斜撐后，在地震作用下各層最大位移、最大層間位移角均小于原結(jié)構(gòu)，表明電梯井結(jié)構(gòu)增設(shè)鋼斜撐可以提高抗震性能。

（3）由于電梯井結(jié)構(gòu)整體高寬比較大，在為結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時，斜撐的增設(shè)不是越多越好，適量增設(shè)斜撐才能使結(jié)構(gòu)整體剛度分布更均勻，不僅有利于結(jié)構(gòu)的抗震，同時也符合經(jīng)濟(jì)性要求。

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（編輯 武曉英）