地震作用下既有框架結構房屋與增設電梯的連接部位受力分析

王錦濤，王紹杰

（華北理工大學，河北 唐山 063009）

1 研究背景

由于規范的局限性以及改革開放初期經濟還不發達的國情，為解決人們住房極度短缺的情況，中國興建了一大批6～8層的無電梯住宅，如今，這些建筑還沒有達到使用壽命。據統計，全國共有老舊小區約15.9萬個，建筑面積近35億m2，涉及居民4 213萬戶，400多萬棟建筑無電梯[1]。但是中國人口老齡化現象越來越嚴重，由于老年人行動不便，上下樓梯比較困難，所以提出了對老舊小區加裝電梯的需求。這就對加裝電梯的可行性以及技術條件提出了要求。

向容等[2]通過對6層砌體結構建筑加裝電梯的不同連接方式進行抗震性能分析，闡述了電梯井道與既有建筑連接方式的不同分別對原建筑和加裝的電梯井道的影響。周萬清等[3]對一棟7層框架結構住宅加裝電梯進行反應譜工況分析，討論了既有框架結構加裝電梯井道一側梁與柱的受力情況，指出這些構件內部應力隨樓層的增加而增大，這些構件距電梯井的距離增大而減小。池祥[4]以一棟15層框剪結構行政辦公樓為例進行pushover分析，提出新加裝電梯在小震和大震作用下對原結構的承載能力和變形能力影響不大，但是節點部位要保證可靠性。王祥[5]總結了甘肅地區的既有建筑加裝電梯的施工圖審查中發現的問題，指出鋼連梁根據既有建筑與加裝電梯井道的沉降差來設置兩端的連接方式是兩端鉸接還是一端固接一端鉸接。姜健[6]通過對比既有建筑加裝電梯的不同方案的抗震性能，討論了電梯布置對電梯結構抗震性能的影響。

本文采用SAP2000有限元軟件，建立了一棟6層混凝土框架結構住宅分別增設2組抗側移剛度不同的鋼結構電梯井道結構，進行動力時程分析，對連接部位的受力進行對比，分析其沿樓層高度的變化趨勢和受力特點。

2 有限元分析

2.1 模型概況

鋼筋混凝土框架結構（下面稱既有建筑）為6層住宅樓，層高3 m。框架柱尺寸為450 mm×450 mm；框架梁截面尺寸為250 mm×500 mm，頂層樓板厚120 mm，其他層樓板厚100 mm。梁、板與柱的混凝土強度等級均為C30，鋼筋均采用HRB400。荷載按實際情況取值。抗震設防烈度為7度（0.1g），地震分組為一組，框架抗震等級為三級，場地類別為Ⅱ類，阻尼比為0.05，特征周期為0.35 s。

新增電梯井道結構采用鋼框架結構，與既有建筑錯半層連接，連接部位在樓梯間休息平臺的平臺梁處，設置為鉸接。首層高度4 500 mm，2—4層層高3 000 mm，5層層高4 500 mm。井道鋼柱、鋼梁均采用矩形型鋼，鋼材均采用Q235。

采用2個構件尺寸不同的電梯井道分別與既有建筑結構相連，組成模型A和模型B，且模型B比模型A的抗側移剛度大，電梯井道尺寸如表1所示。框架結構加裝電梯平面布置圖和模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 框架結構加裝電梯平面布置圖（單位：mm）

圖2 框架結構加裝電梯模型

表1 各個模型電梯井架結構部分構件尺寸

2.2 時程分析結果分析

依據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[7]的規定選取3條地震波，分別是2條天然波Chi-Chi，Taiwan-06_NO_3304（以下簡稱天然波1）與Point Mugu_NO_97（以下簡稱天然波2）和1條人工波。

2.2.1 模態分析

對模型A和模型B的進行模態分析，分別取前三階主要振型，前三階振型分別是Y方向平動振型、X方向平動振型和扭轉振型。模型A和模型B模態分析數據如表2所示。

由表2可知，加裝電梯后對既有建筑的周期影響均小于1.2%，說明剛度和質量的比值變化不大，加裝的電梯井道結構對既有建筑影響十分有限，因為既有建筑的質量和剛度遠遠大于電梯井道結構，加裝電梯后的建筑整體上的周期大小主要還是由原有框架結構建筑決定。

表2 模型A模態分析數據

2.2.2 最大位移和最大層間位移角

因電梯井道與既有建筑為錯層連接，所以對電梯井道結構和原有建筑的最大位移和最大層間位移角分別進行計算和對比，分別如表3和表4所示。

表3 原有建筑部分樓層罕遇地震作用下最大位移和最大層間位移角

表4 電梯井道部分樓層罕遇地震作用下最大位移和最大層間位移角

由表3可得出如下結論：①罕遇地震作用下最大層間位移角小于規范規定的彈塑性層間位移角限值1/50即0.02的要求；②既有框架結構加裝電梯之后，模型A與模型B的Y方向的最大位移和最大層間位移角均增大，說明加裝電梯對既有建筑的Y方向抗震性能不利，但是因為數值變化不大，所以影響十分有限；③模型A既有建筑部分的X方向最大位移比原框架結構略有減少，模型B既有建筑部分的X方向最大位移比原框架結構增加，說明加裝的電梯井道結構在一定抗側移剛度的范圍內有利于既有建筑X方向抗震，可以減少既有框架結構X方向的最大位移，但是因為數值變化不大，所以作用也十分有限。

由表4可得出如下結論：①罕遇地震作用下最大層間位移角小于規范規定的彈塑性層間位移角限值1/50即0.02的要求；②因為X方向上電梯井道外側沒有受到水平方向約束且電梯井道結構整體抗側移剛度比既有建筑小，所以變形較既有建筑部分的最大位移還大；③由于模型B的電梯井道部分抗側移剛度比模型A的大，所以模型B電梯井道部分的X方向最大位移和最大層間位移角比模型A的小，說明增大電梯井道的抗側移剛度可以減小模型電梯井道部分X方向的變形，有利于抗震；④在Y方向上電梯井道結構與既有建筑相連，兩者最大位移和最大層間位移角數值上基本相等，所以電梯井道的Y向變形主要受到既有建筑的影響。

2.2.3 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用如表5和圖3所示。

表5 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用最大值及其出現樓層

從表5和圖3可得如下結論：①模型B連接部位的軸力和剪力整體上比模型A大，所以電梯井道結構在抗側移剛度增大后會使連接部位的相互作用力增加。②電梯井道結構的抗側移剛度對軸力和水平剪力的沿樓層高度范圍內的變化趨勢影響較大。模型A的連接部位軸力的最大值出現在頂層，模型B的連接部位軸力最大值出現在第四層或第三層。但是，水平剪力在數值上較小最大值不到0.2 kN，因此作用有限。③模型A和模型B的豎向剪力沿樓層高度范圍內變化趨勢比較平緩，頂層和底層數值較大，最大值出現在底層。

圖3 橫向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

2.2.4 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用及最大值分別如圖4和表6所示。

圖4 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用

由圖4和表6可得如下結論：①模型B連接部位的軸力和剪力整體上比模型A大，所以電梯井道結構在抗側移剛度增大一定程度上會使連接部位的相互作用力增加。②電梯井道結構的抗側移剛度對軸力和水平剪力的沿樓層高度范圍內的變化趨勢影響較大。模型A的連接部位軸力的最大值出現在底層，模型B的連接部位軸力最大值出現在第四層。但是水平剪力在數值上較小，最大值不到0.4 kN，作用比較有限。③模型A和模型B的豎向剪力沿樓層高度范圍內變化趨勢比較平緩，最大值出現在底層，整體上呈現底層大沿樓層高度向上逐漸變小，最大值出現在底層。

表6 （續）

表6 縱向罕遇地震作用下的連接部位相互作用最大值

3 結論

本文以一棟6層鋼筋混凝土框架結構住宅加裝電梯為例，研究連接部位的相互作用沿樓層高度的變化趨勢和受力特點，主要結論如下：①本文中的既有建筑加裝電梯后，整體結構的彈塑性位移變形在規范規定的范圍內。因為既有建筑的質量和整體剛度比電梯井道結構的大，所以新增電梯結構對既有建筑在罕遇地震作用下的變形影響很小。②加大電梯井道結構抗側移剛度有利于提高電梯井道X方向的抗震性能。③既有建筑與加裝電梯井道結構的連接部位的相互作用（包括軸力、剪力）整體上隨著電梯井道結構的抗側移剛度增加而增加。④既有建筑與加裝電梯井道結構的連接部位的軸力和水平剪力沿樓層高度范圍的變化趨勢受電梯井道結構的抗側移剛度變化的影響比較明顯。最大值的位置在抗側移剛度較低時出現在頂層或底層，抗側移剛度增大后，最大值會出現在中間層即三層或四層。水平剪力在數值上較小，作用比較有限。⑤既有建筑與加裝電梯井道結構的連接部位的豎向剪力沿樓層高度方向的變化趨勢受抗電梯井道結構的抗側移剛度的改變所帶來的影響較小，最大值出現在底層。