两种钢结构电梯井道抗震性能对比分析

曹 靖

(安徽富煌钢构股份有限公司，安徽 巢湖 238076)

1 概述

近些年来，社会发展迅速，人民生活的水准也随之提高。在建筑行业发展比较落后的初期，一些修建较早的老旧住宅和小区仅有步行楼梯，对于楼上尤其是3层以上居民的生活来说，不是特别方便，再者给一部分老人的上下楼带来很多困扰。因此，为这些仅有步行楼梯的住宅加装一部电梯变得尤为重要。1999年，在《住宅建筑设计规范》中指出，“七层(含七层)以上应设电梯”。2019年，为了加深在仅有建筑的外部增加电梯的工作，改善老旧小区的上下楼条件，更好的提高人们的生活水准，安徽省住房和城乡建设厅、安徽省市场监管局等联合引发了《关于城市既有住宅增设电梯工作的指导意见》的通知，明确在不破坏原来的建筑物的结构原则上，可以在主体外部加装电梯。

加装电梯的结构形式主要有两种：一种是钢结构，另一种是钢筋混凝土。但钢结构的自重较轻，安装也较为方便。段柏安[1-3]通过对三种结构形式的建筑进行了模态分析等，得到了钢结构住宅的经济型和抗震特点。张鹏飞[4,5]采用midas/gen对某办公楼实行了模态分析，得到其性能。林宏伟[6]以6层办公楼研究了建筑加装电梯后相互作用的影响，探讨了两者间的相互规律。唐柏鉴[7]用SAP2000对三层钢框架用底部剪力法与手算进行分析，对结构进行了优化。本文通过midas/gen对直梁和弧形梁钢框架电梯井道两种形式的抗震特点进行了分析，最终得到了两种形式的电梯井道的抗震特点并进行比较。

2 建立钢结构电梯井空间计算模型

本文使用midas/gen对该两种钢框架电梯井道结构进行模拟分析。选取钢材料为Q345，弹性模量为2.06×1011Pa，密度为7.85 g/cm3，泊松比0.3。直梁电梯井道结构主肢为4根200 mm×200 mm×8 mm的方管，四周横梁采用HN250 mm×125 mm×6 mm×9 mm的H型钢，平面示意图如图1所示；弧形梁主肢为4根150 mm×150 mm×5 mm的方管，侧面横梁与弧形梁均采用120 mm×80 mm×4 mm的矩形钢管，平面示意图如图2所示。

两种钢结构电梯的安全等级为二级，重要性指数是1.0，重现期50年，使用荷载皆相同，如下，屋面恒载(不含自重)为0.7 kN/m2，活荷载为0.5 kN/m2，基本风压0.40 kN/m2，基本雪压0.60 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，二类场地，抗震设防烈度为8度。

使用midas/gen有限元软件对该两种钢框架电梯井道结构进行建模，结构所使用的梁柱皆为梁单元形式，梁柱之间的连接方式为刚性连接。得到直梁钢框架电梯井道计算模型如图3所示，弧形钢框架电梯井道模型如图4所示。

3 两种电梯井结构地震作用分析

在确定好此两种电梯井的计算模型及具体信息后，对该结构在地震作用下的抗震性能进行分析。本文根据选取相同的地理位置特征周期，抗震设防烈度，对这两种钢结构电梯井道在X方向上和Y方向上的地震作用下的模态分析进行了研究，而后又在多遇地震Taft Lincoln School 69 Deg以及Taft Lincoln School 339 Deg下进行了时程分析。最终获得了直梁和弧形梁电梯井道结构的抗震特点与性能。

3.1 模态分析

模态分析是常用的研究结构特性的方法之一，本文通过对该两种钢框架电梯井道进行模态分析，即得到这两种电梯井道的自振频率和振型等信息。结构重量的计算方法为1.0恒载+0.5活载，将恒载与荷载转化为结构自重。最终确定这两种结构的特性如表1，表2所示。并选取两种结构前三阶振型图如图5，图6所示。

表1 直梁电梯井的振型参与质量与周期 %

表2 自振周期

由表1可以看出，直梁钢框架电梯井道质量参与达到90%以上，弧形梁电梯井道质量参与达到80%以上。此外，弧形梁电梯井道每一阶自振周期均比直梁电梯井道的周期要长(见表2)。再根据两者的前三阶振型图观察了解到，第一阶为结构在X方向上的震动，第二阶为结构在Y方向上的震动，第三阶为结构的扭转振型。根据相关规范，T3/T1=0.197/0.258=0.76(直梁钢框架电梯井道的周期比)<0.85(规范规定限值)；T3/T1=0.305/0.568=0.54(弧形梁钢框架电梯井道的周期比)<0.85(规范规定限值)，两者均满足要求。

3.2 时程分析

时程分析法是一种常见的研究结构抗震的方法。现采用有限元软件midas/gen对直梁和弧形梁钢框架电梯井结构进行时程分析。本文采用相同的场地类别，抗震设防烈度以及阻尼比等信息，后选取Taft Lincoln School 69 Deg地震波和Taft Lincoln School 339 Deg地震波对这两种不同的钢框架电梯井道结构进行地震作用下的模拟分析下，从而得出两种结构的抗震特点。Taft Lincoln School 69 Deg地震波图如图7所示，Taft Lincoln School 339 Deg地震波如图8所示。

使用这两条地震波分别对两种钢结构形式进行X和Y方向上的地震作用模拟分析。最终获得了两种钢框架电梯井道结构在Taft Lincoln School 69 Deg地震波下的顶点位移如图9，图10所示；两种钢框架电梯井结构在Taft Lincoln School 339 Deg地震波下的顶点位移图如图11，图12所示。两种电梯井道结构在Taft Lincoln School 69 Deg地震波下的层间剪力如图13，图14所示，两种电梯井道结构在Taft Lincoln School 339 Deg地震波下的层间剪力如图15，图16所示。

由图9～图12可知，在Taft Lincoln School 69 Deg地震波和Taft Lincoln School 339 Deg地震波作用下，两种梁结构形式的钢框架电梯井道在X和Y方向上的顶点位移大小十分接近，此外，在Taft Lincoln School 69 Deg地震波作用下，直梁钢框架电梯井道在X方向上顶点位移较大，而弧形梁钢框架电梯井结构形式在Y方向上的顶点位移较大。总体来说，在两条地震波作用下，弧形梁在地震波作用下的顶点位移比直梁要长。再由图13～图16可以看出，两种钢框架电梯井结构在地震波作用下的层剪力均在底层最大随着楼层的增高逐渐递减，此外，直梁的层剪力要比弧形梁的层剪力大。

4 分析与结论

本文在有限元软件midas/gen中，对两种常见的电梯结构形式(直梁钢框架电梯井道结构和弧形钢框架电梯井道结构)进行了模态分析与时程分析。在模态分析中可以了解到，弧形梁结构形式电梯井道的自振周期要比直梁结构形式的自振周期长一些，每阶的自振周期都较为接近，二者的周期比都小于规范中规定的限值。根据时程分析的模拟结果可以了解到，在选取的两条地震波作用下，两种形式的钢框架电梯井道结构层间位移相对比较接近，直梁形式的钢框架电梯井道结构顶点位移较小。相比之下，传统形式的直梁电梯井道结构形式抗震性能更胜一筹，因此，在一些地震高发区建议使用直梁钢框架电梯井道。此外，弧形梁在制作方面相比直梁也较为麻烦。