传力架式施工电梯基础的研究与应用

刘 尚，宋千军，金学胜

（中建四局第六建筑工程有限公司，江苏 苏州 215121）

0 引言

随着时代的发展，私家车的数量在急剧增长，地下车库规模不断增大，地下空间几乎把整个建筑场地占据。作为高层建筑施工必不可少的施工电梯，其基础就无法再和以前一样，直接安装在地基基础上，而必须安装在地库顶板上。施工电梯在施工使用过程中，会对地库顶板产生一定的扰动影响，而一般地库顶板在设计过程中，不会考虑施工附加荷载，如果在施工过程中不采取一定的加固措施，极有可能造成地库开裂、渗漏等质量风险［1］，甚至可能产生地库坍塌等安全隐患。按以往的加固方式，施工电梯的钢筋混凝土基础置于地库顶板上，在地库顶板以下搭设满堂架回顶。按照此种方式加固存在以下缺点。①地库顶板上需单独施工电梯基础，电梯基础的厚度加上电梯门槛的高度会在电梯入口处形成较大高低差，需施工一条跨度较长的坡道用于材料运输，人工费时费力，施工效率较低；②满堂架加固安全系数不高，对于施工电梯标准节传递下来的集中力，满堂架并不能很好地卸载，地库顶板开裂渗漏现象时有发生。③满堂架回顶范围较大，对后续的砌筑和抹灰等工序影响较大，不利于地库施工的顺利开展。为了克服传统满堂架回顶加固施工电梯基础的弊端，研究了一种传力架式施工电梯基础，取消了地库顶板上的电梯基础以及地下室的钢管回顶架，利用 4 根型钢立柱及角钢缀材焊接形成的格构柱，将施工电梯荷载传递至地库底板，4 根立柱与施工电梯地脚螺栓对中同时和地库顶板顶紧，保证竖向荷载传递在一条直线上不发生偏心。同时，施工电梯标准节附墙采用非常规的短肢附墙，在电梯安装位置避免了单独搭设外脚手架进料平台，施工电梯的人员及货物可直接进入楼层内。地库顶板采用传力架回顶加固，结构安全系数高，卸载效果好，对原结构影响较小（见图 1），同时，施工电梯标准节附墙采用非常规的短肢附墙，在电梯安装位置避免了单独搭设外脚手架进料平台，具有较好的社会经济效益。

图1 传力架详图

1 有限元分析

1.1 力学及结构参数

传力架施工电梯安装技术的力学性能，以苏州相城万科项目为背景，利用大型有限元分析软件 ABAQUS 对该项目传力架回顶施工电梯的力学性能进行实体建模分析。

1.1.1 结构参数

X 方向梁参数：截面尺寸：400 mm×700 mm，下部纵筋：325+222，上部纵筋：822 6/2；

Y 方向梁参数：截面尺寸：400 mm×700 mm，下部纵筋：1020 3/7，上部纵筋：622/220；

柱构件参数：截面尺寸：400 mm×500 mm，角筋：420，中部筋为 220 和 214；

本工程地库顶板顶标高为-1.300 m，地库底板顶标高为-4.900 m，X 方向跨度为 5 200 mm，Y 方向跨度为5 300 mm。

1.1.2 电梯及相关荷载参数（见表 1）

表1 电梯及相关荷载参数

1.1.3 格构柱传力架相关参数（见表 2）

表2 格构柱传力架相关参数

1.1.4 荷载计算

依据工程施工图纸、施工升降机说明书、施工升降机施工与安全使用要求［2-4］，计算荷载如下。

导轨架重（共需 67 节标准节，标准节重 170 kg）：170 kg×67=11 390 kg；

施工升降机自重标准值：Pk=（（1 600×2+1 480 +0×2+0+11 390）+2 000×2）×10/1 000=200.7 kN；

施工升降机自重：p=（1.2×（1 600×2+1 480+0× 2+0+11 390）+1.4×2 000×2）×10/1 000=248.84 kN；

P=n×p=1×248.84=248.84 kN；

P=2.1×p=2.1×248.84=522.564 kN。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 钢材本构关系

ABAQUS 有限元分析时，钢材本构模型采用简化的双线性强化模型，在循环荷载作用下采用随动强化模型（Kinematic），采用 Mises 屈服准则，钢材的弹性模量取为 E=2.06×105N/mm2，泊松比 μ=0.3，其他参数如表 3 所示。

表3 钢材性能参数

1.2.2 混凝土本构关系

混凝土的材料本构选用损伤塑性模型，本构关系曲线采用丁发兴［5］等提出的适用于不同等级的混凝土单轴受力情况下的本构关系，采用 Mises 屈服准则，混凝土的弹性模量取为 E=3×104N/mm2，泊松比 μ=0.2，质量密度为 2.36×10-6kg/mm3，图 2 为本构模型关系曲线。

图2 混凝土本构曲线

模型除钢筋外所有构件均采用实体单元，为了避免因网格划分不够密而带来的沙漏问题，选用 8 节点六面体非协调单元（C3D8I），它能够在满足计算精度的条件下大大减小计算量［6］，钢筋只考虑拉压不考虑受弯，采用桁架单元。连接节点中，焊接截面均采用绑定接触（tie）连接，格构柱顶面与地库顶板底面建立有限滑移接触。格构柱及框架柱柱脚通过耦合约束所有自由度以模拟刚接，将柱底面所有自由度耦合到一点，并约束全部自由度。钢筋与混凝土之间建立 embedded 约束连接，将框架钢筋全部埋入框架混凝土，模拟钢筋混凝土之间的咬合作用。有限元模型如图 3 所示。

图3 有限元模型图

1.3 有限元分析结果

1.3.1 应力分析结果

根据有限元计算结构，框架结构钢筋应力最大的区域集中在电梯核心区域（见图 4）。钢筋应力最大值仅为15.9 MPa，远远小于钢筋屈服强度，所有的钢筋均处于弹性阶段。格构柱传力架的最大应力为 50 MPa，主要集中在角钢与立柱连接节点处（见图 5），立柱整体应力为16 MPa 左右，未到达钢材屈服强度，格构柱未出现塑性损伤。

图4 钢筋网片应力分布图

图5 格构柱传力架应力分布图

1.3.2 混凝土损伤分析结果

根据有限元计算结果，混凝土框架的最大塑性主应变、混凝土受压损伤、混凝土受拉损伤均为 0，说明混凝土框架处在弹性受力状态，未出现开裂及压溃现象（见图 6～图 8）。

图6 最大塑性主应变

图7 混凝土受压损伤

图8 混凝土受拉损伤

1.3.3 框架竖向位移分析结果

根据有限元计算结果，混凝土框架板中竖向位移最大，达到了 1.2 mm，根据位移时间曲线，整个加载过程混凝土框架中心的位移呈线性变化，未出现斜率突变现象（见图 9、图 10），说明自荷载施加至荷载达到使用荷载时，整个结构一直处于弹性状态。说明采用格构柱传力架回顶，结构的受力效果好，不会影响结构的质量和安全。

图9 混凝土竖向位移云图

图10 混凝土框架中心点竖向位移曲线

1.3.4 格构柱传力架及混凝土框架承担荷载分析结果

格构柱传力架及钢筋混凝土框架在荷载逐渐施加的过程中，均呈线性增长，整个施加过程中，所有结构均处于完全弹性状态。整个弹性加载过程中，格构柱承担荷载占总施工电梯荷载的 34 % 左右，钢筋混凝土框架承担总荷载的 66 % 左右（见图 11、图 12），主要原因是钢筋混凝土整体刚度远大于格构柱传力架，且钢筋混凝土框架始终处在弹性状态，未出现塑性损伤及刚度退化现象，大部分荷载均由钢筋混凝土框架承担。

图11 施工电梯荷载结构分担情况

图12 格构柱承担荷载占总荷载比例

2 施工工艺

2.1 施工准备

在施工准备阶段要准备好电焊机、切割机、卷尺、扳手、锤子、手推车、膨胀螺栓、电钻机以及传力架钢材等材料设备，并配备施工员 3 人。

2.2 测量定位

地库顶板模板支设完成后进行测量定位，为保证测量定位准确，所有参与测量的人员必须经过岗前培训后才能上岗。测量定位完成后应进行自检及专人复核，减少测量中的偶然误差，提高精度。

2.3 预埋传力架工字钢及施工电梯地脚螺栓

地库顶板钢筋绑扎完成之后（见图 13），根据测量定位在传力架工字钢对应的顶板底模处开出与工字钢大小相同的洞口，将传力架工字钢伸进底模，同时将施工电梯的地脚螺栓预埋（见图 14），地脚螺栓应勾住板底筋，然后将地脚螺栓与工字钢焊接。为了保证焊接节点传力可靠，焊缝长度应满足一定的要求，传力架工字钢应至少伸进混凝土顶板 8 cm。预埋完成之后，采用密封胶条密封工字钢与模板交接处缝隙，防止混凝土浇筑过程中出现漏浆。

图13 模板支设及钢筋绑扎

图14 预埋地脚螺栓

2.4 地库顶板混凝土浇筑

根据设计图纸及规范要求进行地库顶板的混凝土浇筑，浇筑完成后及时进行养护，待混凝土达到一定强度后，拆除模板（见图 15）。

图15 混凝土浇筑及模板拆除

2.5 传力架的搭设与连接

地库顶板支设时所搭设满堂架拆除后，进行传力架的搭设与连接。传力架为长方体构件，其主要组成为立柱、垫板、腹杆、角撑，垫板上预留 6 个膨胀螺栓孔。四根立柱通过水平腹杆以及斜腹杆连接成为一个整体格构式钢柱传力架，立柱采用 16 号工字钢，水平腹杆和斜腹杆采用 L 50×3，传力架安装如图 16 所示。

图16 传力架支设加工完成

立柱与腹杆之间全部采用焊接连接。垫板厚度为10 mm，焊接在四根立柱底端，焊接后的每一边皆比立杆截面长 30 mm，垫板通过 6 个膨胀螺栓与地库底板相连，连接前需用钻孔机对地库底板进行钻孔。

2.6 传力架角撑的焊接

地库顶板混凝土浇筑完成模板拆除后焊接传力架角撑。传力架角撑的主要作用是增大传力架与地库顶板接触面积，传递施工电梯荷载。角撑的一肢与立柱焊接，另一肢与地库顶板顶紧。角撑采用 L50×3，具体做法如图 16 所示。

2.7 电梯标准节安装

传力架角撑焊接完成后，进行电梯标准节的安装，首先将最底部标准节与预埋地脚螺栓连接，然后依次安装上部标准节。安装过程中应严格控制标准节垂直度，保证所有标准节及传力架形心均在同一垂线上。安装完成后的整体效果图如图 17 所示。

图17 电梯标准节安装

3 效益分析

3.1 经济效益

苏地 2013-G-40 号地块三期工程共 9 栋高层采用传力架式施工电梯基础，共减少了 9 个钢筋混凝土基础，9 个钢管支撑架回顶和 9 个的进料坡道，9 个进料平台，节约了大量人工、材料费用，共取得经济效益 36.27 万元。

3.2 社会效益

传力架式施工电梯基础施工技术，取消了地库顶板上二次施工的钢筋混凝土电梯基础，简化了施工步骤，施工效率高，地库顶板基本无裂缝渗漏等质量风险问题，质量感官效果好，社会效益显著。

3.3 绿色施工效益

该施工技术取消了电梯基础及大坡度进料平台，节约了大量建筑材料，同时避免了电梯基础的二次打凿，实现了节地、节材、环保的绿色施工要求。

4 结论

1）传力架式施工电梯基础，传力效果好，整个加载过程中，所有受力构件均处于弹性状态，施工电梯荷载对地库结构产生的影响较小，格构柱传力架承担的竖向荷载占总荷载的 34 %。

2）传力架式施工电梯基础在地下室占地面积小，对后续工序的施工影响较小。

3）传力架式施工电梯基础施工技术，取消了地库顶板上二次施工的钢筋混凝土电梯基础及进料平台，简化了施工步骤，施工效率高，节约了大量人工、材料费用，同时避免了电梯基础的二次打凿，实现了节地、节材、环保的绿色施工要求，经济社会效益显著。