钢框架电梯井结构力学性能对比分析

钢框架电梯井结构力学性能对比分析

伍忠星,陈俊颖,夏珲

西南科技大学土木工程与建筑学院（四川绵阳621010)

摘要：在老旧建筑外增设钢框架电梯工程应用逐年增多，为保证结构安全并提高经济性，通过Midas Gen有限元软件对纯钢框架和支撑-钢框架分别进行静力弹性和弹塑性的对比分析，结果表明：（1）在弹性工作阶段，纯钢框架和支撑-钢框架结构满足规范设计要求，能够抵抗风荷载和多遇地震作用；（2）在弹塑性工作阶段，两种结构均能抵抗罕遇地震作用；（3）在满足两种极限状态的前提下，支撑-钢框架电梯所用钢材仅占纯钢框架电梯井的60.35%。

关键词：钢框架电梯井；Pushover分析；抗震性能；经济性

中图分类号：TU391文献标识码：A

Abstract：The application of adding steel frame elevator to old buildings is increasing year by year. In order to ensure structural safety and improve economic efficiency, the static elasticity and elastic-plastic analysis of pure steel frame and brace-steel frame are carried out by Midas Gen finite element software. The results show that: (1) During the elastic working stage, the pure steel frame and brace-steel frame structure meet the design requirements and can resist. Wind load and frequent earthquake action; (2) Both structures can resist rare earthquake action in elastic-plastic working stage; (3) On the premise of satisfying two limit states, steel used in supporting-steel frame elevator only accounts for 60.35% of pure steel frame elevator shaft.

Keywords：Steel frame elevator shaft; Pushover analysis; seismic performance; economy

我国现存的上世纪90年代前修建的老旧建筑较多，为提高建筑的使用功能和生活便利性，加设室外电梯十分必要。轻钢框架[1]易于实现现场装配，施工速度快，扰民少，适合在老旧建筑室外加设电梯时作为结构被采用[2-3]。为提高结构及柱的稳定性，目前电梯井工程中常用方钢管柱的纯钢框架结构，截面尺寸大，虽安全但不够经济。在保证结构安全前提下，对其进行结构优化，提高结构装配效率的同时，降低造价，提高其经济性。

一、钢框架电梯结构概述

电梯与原结构间结构构件呈断开状态，即水平构件不相连，二者间预留100mm变形缝，采用拼接盖板将电梯楼层处平台与老建筑间连接，构成水平交通通道，避免电梯与老建筑变形不协调的问题。电梯采用全螺栓装配方案，构件工厂生产、现场拼装，施工快速，且最大限度地减少了现场施工带来的扰民问题。焊接工艺严格按照规范要求进行，施工过程如图1所示。瑞典、日本等国家对支撑-钢框架已开展了大量的研究，并将其应用于既有建筑增设电梯的工程中。在国内的研究也取得了系列成果：如舒兴平[4]等研究了纯框架和斜支撑节点钢框架抗连续倒塌的能力，得出斜支撑能提高结构的极限承载能力和刚度的结论；蓝华春[5]对带斜支撑的钢框架装配式施工的控制因素展开分析，通过切实可行的方案，对钢框架装配式施工进行合理控制，提升整体的工程质量；冯德安[6]等对目前老旧住宅增设电梯设计存在问题提出了详细、明确的设计方案，并通过施工过程变形监测验证了设计方案的可行性。绵阳市某7层室外增设钢框架电梯井进行结构优化，得到纯钢框架及支撑-钢框架电梯井连接构造，并采用Midas Gen有限元分析软件对两种结构的侧移、梁挠度、强度及稳定性等进行对比分析，在保证结构安全前提下，提高结构的经济性，为该类工程应用提供参考。

二、工程概况

以绵阳市某7层砖混结构为例，该结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，基本风压为0.30KN/m2，设计基本地震加速度为0.10g，Ⅱ类场地，B类地面粗糙度。为方便居民日常生活方便，该建筑增设室外电梯，新增设电梯共8层，高18.90m，见图1所示。

图1 增设电梯施工现场

三、结构设计及优化

新增设电梯采用纯钢框架体系，结构平面布置如图2所示，○B号轴线一侧紧邻既有建筑，○B号轴线一侧除底层外，与既有建筑楼层相对应的每一层均设有电梯门洞，○A号轴线一侧底层设有电梯门洞。

图2 纯框架电梯井平面布置图

通过改变构件截面及加设支撑，得到优化后的支撑-钢框架。支撑-钢框架电梯井除所采用型钢截面和结构体系与纯钢框架电梯井结构不同外，其余均相同。B轴线一侧紧邻既有建筑，①轴线和②轴线两侧从下到上连续布置单斜杆支撑。支撑-钢框架电梯井平面布置如图3所示。

图3 支撑钢框架电梯井结构平面布置图

设备荷载实际情况如表1所示，除此之外，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[7]中的规定，计算时还应分析考虑恒载、活载、风载和地震作用4种工况及相应荷载组合工况，如表2所示。

表1 无机房电梯基本参数

表2 荷载组合工况

四、结构模型及模态分析

1.结构模型

为提高钢框架的稳定性能，框架柱采用方钢管截面，截面尺寸为口200×8mm，Q235B型结构钢，结构外挂玻璃幕墙，自重为1.2KN/m2，设备荷载按实际情况和表1中的数据进行取值。采用Midas Gen有限软件建模，梁柱间连接均设为刚性连接，柱嵌固在±0.000m处，建立的有限元模型如图4所示。支撑钢框架梁、柱及吊梁均采用H型截面，支撑采用箱型截面。其中，支撑钢框架梁截面为HN200×100×5.5×8mm，支撑钢框架柱截面为HM194×150×6×9mm，吊钩梁截面为HN200×100×5.5×8mm，支撑截面为□50×4mm。外挂玻璃幕墙，自重为1.2kN/m2；井道屋面活载取0.5kN/m2；设备荷载按实际情况和表1中数据进行取值。在Midas Gen建模过程中，支撑钢框架梁柱间连接均设置为刚性连接，支撑与钢框架连接均设置为铰接，柱嵌固在±0.000m处，有限元计算模型如图5所示。

图4 纯钢框架电梯井结构    图5 支撑钢框架电梯井结构

2.模态分析

两种钢框架电梯井的振型、周期及结构振型质量参与系数如表3所示。两种电梯井结构的第1阶振型为X向平动，第2阶振型为Y向平动，第3阶振型为扭转，且周期比T3/T1分别为0.57、0.43，均满足《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015）[8]对周期比不大于0.9的规定。按我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[9]中5.2.2条说明，选取振型参与质量达到总质量90%的振型数，纯钢框架电梯井结构经验算取前6阶振型能满足要求，支撑钢框架电梯井经验算取前9阶振型能满足此要求。

表3 前3阶自振振型

五、静力弹性分析

1.层剪力与剪重比

分析得到的纯刚框架与支撑-钢框架电梯井在多遇地震作用下的层剪力如图6、7所示，可知：（1）两种框架在两个方向上变形规律一致，层剪力在竖向方向无明显突变；（2）支撑-钢框架中有支撑一侧结构的层剪力明显小于与无支撑一侧的层剪力；（3）纯刚框架电梯井的最小剪重比为3.4%，支撑-钢框架电梯井的最小剪重比为2.8%。相对于纯钢框架电梯井而言，支撑-钢框架电梯井的层剪重比相对较小，说明支撑-钢框架底层承受水平剪力的能力较弱，但均大于《规范》[9]中表5.2.5限值1.6%，满足规范要求。

图6 多遇地震作用下纯钢框架层剪力图7 多遇地震作用下支撑钢框架层剪力

2.结构侧移

《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[10]表B.2.2中规定：风载作用下多层钢结构弹性层间位移角不超过1/250。《规范》[9]表5.1.1中规定：多遇地震作用下，多高层钢结构弹性层间位移角限值为1/250。两种结构的柱顶侧移和最大层间位移角分别如表4、表5所示。结果表明：（1）两种结构的柱顶位移和层间最大位移角均满足规范要求；（2）支撑-钢框架电梯井Y向柱顶位移比纯钢框架Y向柱顶位小41.92%，支撑能明显提高结构的抗侧刚度。

表4 柱顶侧移

（μx、μy分别表示X、Y向风荷载作用下的柱顶水平位移）

表5 结构最大层间位移角

（θxmax、θymax分别表示X、Y向多遇地震作用下结构最大层间位移角）

3.挠度分析

经计算分析，在正常使用状态下，纯钢框架电梯井在15组荷载组合作用下，55号节点处梁的挠度最大，最大值为2.10mm，挠度如图8所示。支撑-钢框架电梯井在16组荷载组合作用下，53号节点处梁的挠度最大，最大值为4.98mm，挠度如图9所示。两种结构均满足《规范》[10]中梁挠度限值为L/400的设计要求。

 图8 15组荷载55号节点处梁挠度图9 16组荷载53号节点处梁挠度

4.承载力分析

选取承载能力极限状态下8和9组荷载组合工况进行验算。纯钢框架电梯井梁单元最大应力为57.58MPa，支撑-钢框架电梯井构件中，梁单元最大应力为138.1MPa，均小于钢材的设计强度215MPa，满足强度验算要求。但纯钢框架电梯井梁单元的最大应力为钢材的设计强度26.78%，远远小于钢材设计强度，材料利用率低，不经济。

六、静力弹塑性分析与经济性分析

1.静力弹塑性分析

在罕遇地震作用下，结构的加载模式为一阶振型加载，主控X方向，材料的非线性通过定义塑性铰来实现，塑性铰的骨架曲线采用三折线类型。对纯钢框架电梯井的梁构件制定弯矩M铰，对柱制定P-M-M轴力弯矩耦合铰。对于支撑-钢框架中梁铰设置为弯矩M铰，对柱铰设置为P-M-M轴力弯矩耦合铰，对支撑设置轴力P铰。经过Pushover分析，得到结构的基底剪力-顶点位移曲线如图10（a）、图11（a）所示。得到的能力谱和需求谱曲线如图10（b）、图11（b）所示。性能点处塑性铰分布分别如图12、图13所示，性能点的信息如表6、7所示。由此可得：（1）两种结构进入弹塑性工作阶段后，均具有明显的非线性，能抵抗罕遇地震作用，但支撑-钢框架电梯井的承载力降低速度较快，其承载能力较弱；（2）两种结构的塑性铰主要出现在1～5层，少部分柱端出现了塑性铰但未破坏，大部分梁饺出现塑性破坏，满足“强柱弱梁”的设计要求；（3）纯钢框架和支撑-钢框架在性能点处的层间位移角分别为1/54和 1/52，均小于规范规定弹塑性层间位移角限值（1/50）。

图10 纯钢框架电梯井

图11 支撑钢框架电梯井

图12 纯钢结构性能点处塑性铰分布图13 支撑钢结构性能点处塑性铰分布

表6 纯钢框架电梯井结构的性能点信息

表7 支撑钢框架电梯井的性能点信息

2.结构经济性对比分析

两种结构在弹性阶段和弹塑性阶段，均满足相关规范要求，且支撑能够明显提高结构的抗侧刚度。假设两种结构的基础部分、围护结构部分材料相同，并且拽引力设备的动力系统相同，则可以根据两种结构中构件截面尺寸得到总用钢量，如表8、表9所示。纯钢框架电梯井主体结构与支撑-钢框架电梯井主体结构的总用钢梁分别为6.91吨和4.17吨，后者所用钢材仅占前者的60.35%，支撑-钢框架电梯井的经济性明显较好。

表8 纯钢框架电梯井结构的总用钢量

表9 支撑-钢框架电梯井结构的总用钢量

七、结论

通过Midas Gen有限元软件对两种电梯井结构进行静载及地震作用分析，并进行经济性对比，可得以下结论：（1）在弹性工作阶段，支撑-钢框架电梯井Y向柱顶位移比纯钢框架结构Y向柱顶位小41.92%，支撑能明显提高结构的抗侧刚度；（2）进在弹塑性工作阶段，支撑-钢框架电梯井的承载力降低速度较快，承载能力较弱，但均能抵抗罕遇地震作用；（3）两种结构的塑性铰主要出现在1～5层，粱铰比柱铰先出现塑性破坏，满足“强柱弱梁”的抗震设计要求；（4）在满足各规范设计要求的前提下，支撑-钢框架电梯井所用钢材仅占纯钢框架电梯井60.35%，具有很好的经济性。

参考文献：

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[7]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[8]JGJ99-2015.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[9]GB2011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[10]GB50017-2017.钢结构设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.

【作者简介】伍忠星（2002.01-），男，汉族，四川省凉山州人，西南科技大学土木工程与建筑学院本科在读，主要研究方向：钢结构。

【基金项目】大学生创新基金项目（编号：22XCY112）。