既有多层住宅新增电梯结构及抗震设计实践

赵红霞

(甘肃省建筑科学研究院(集团)有限公司，甘肃 兰州 730070)

0 引言

在人口老龄化的社会背景下，改善楼内垂直交通的重要性、紧迫性更为突出，为进一步完善城市既有多层住宅使用功能，既有多层住宅增设电梯的安装量也逐年上升。但是，既有住宅增设电梯问题并非简单的依靠现有技术所能解决。既有多层住宅多采用砌体结构或钢筋混凝土结构房屋，基础形式为条形基础、独立基础或桩基础。根据国家现行规范要求，对既有建筑进行改建或扩建时，如需变动原有的结构，必须按改建或扩建后的结构状态建立力学计算模型，进行抗震分析和安全性鉴定，并按现行兰州市标准《建筑抗震设计规程》的要求进行抗震设计。现行规范和政策的要求对既有建筑加装电梯的设计提出了更高的要求。

1 既有建筑增设电梯主要技术难点

既有住宅增设电梯问题并非简单的依靠现有技术所能解决，还涉及建筑结构、技术创新、经济分析、资金来源等问题。

1.1 电梯与主体结构连接方案选择

1)增设电梯结构与原结构脱开。该方案指的是增设电梯与原有结构间增设防震、伸缩缝，增设电梯部分在设计时应按满足现行规范的要求计算。这种方案的特点是增设电梯结构为独立结构体系，与原结构完全脱开，在建模型计算时比较方便、简单，且对原结构不产生任何影响，故对原结构无需进行相关的抗震鉴定及加固设计。依据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)，其中第6.1.5条中有明确的规定：甲、乙类建筑以及高度大于24 m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24 m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。故若新增电梯与原结构脱开，新增电梯的设计高度不应超过24 m,这会大大限制新增电梯的适用范围；若增设电梯井道采用砌体结构，电梯井道往往是高宽比较大的结构体系，使用砌体结构其抗震性能很差，通常不建议使用砌体结构体系[1]。目前常用的增设电梯井道结构采用钢框架结构，新增电梯与原结构完全脱开，很难避免不存在单跨框架结构体系，故适用范围受限；若完全脱开，目前只有钢筋混凝土剪力墙结构体系的抗震性能较好，但目前剪力墙结构普遍存在造价高、湿作业较多、工期长、施工难度系数较高，对于经济性及工期较敏感的电梯工程来说，不是很理想的推广方案，而原主体结构的相关抗震性能没有受到直接的影响。

2)增设电梯结构与原结构相连。目前很多地区已经实施的工程案例中，选择较多的为新增电梯与原结构之间采用铰接相连的方案。目前国务院办公厅指出《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》(国办发[2020]23号)明确了重点要支持改造2000年底前建成的老旧小区，目前该部分住宅设计时依据遵守的规范及标准已经远远落后于现行规范及标准。若按我们目前的常规的鉴定及加固的相关流程进行实施，需新增电梯的建筑依据现行规范及标准几乎都需进行整体加固。目前既有建筑增设电梯项目存在最大的难题，就是筹措资金困难较大，若需考虑原建筑的检测及加固的相关费用，既有建筑增设电梯项目将很难再推动下去。现根据多地区新增电梯的实践经验及结构方面专家的经验和看法，当增设电梯井道结构体量相对于原结构很小(5%以内)时，它对原结构的影响是可以忽略不计的。因此，当新增电梯后结构的质量和刚度变化均不大时(变化值在5%以内)，并且能够判断新、老结构连为整体不会使整体建筑抗震性能更恶化时，应将新增电梯结构与原建筑结构连为整体[2-3]。

1.2 增设电梯后配套技术问题

既有住宅增设电梯，往往要改变房屋结构，还涉及节能、抗震、消防等新的建筑技术要求，使增设电梯困难重重。

1)结构加固。二十世纪八九十年代建造的多层住宅，建造年代较久，当时的建造标准及技术水平较低，如增设电梯后按现行规范进行验算，则房屋必有大范围的结构构件需要加固。目前，设计时通常将增设电梯与原住宅进行柔性连接，并在既有结构墙体作局部开洞处理，避免大范围结构构件加固，但此时仍需对原结构局部开洞的相关部分作局部承载能力验算。

2)节点连接。既有建筑增设电梯时，必须进行受力分析与整体稳定性分析。分析电梯井道主要竖向荷载，并进行井道在风荷载作用和水平地震作用下的受力分析，用以进行结构内力包络设计与井道结构整体稳定分析，以确定增设电梯井道结构与原有结构的连接节点设计，使其周围的新增构件在电梯偏心振动荷载作用下，具备足够的稳定性且与原结构可靠连接，保证电梯运行的安全性及必要的舒适度[4]。

3)外管线分析。住宅楼前管线错综复杂，有天然气管线、强弱电管线、给排水、消防及供暖管线等等。解决好管线是增设电梯的根本，不拆移管线能减少施工工序，缩短施工周期、节约资金，所以管线拆移方案十分关键。增设电梯前，首先要摸清管线现状，每栋楼每个单元都不一样，根据个体定方案，并结合小区住宅楼分布情况和楼前管线情况，最大可能躲避管线，处理好相互之间关系。

2 既有多层钢筋混凝土框架结构住宅增设电梯典型案例抗震分析

2.1 项目概况

现以某住宅楼增设电梯为例，进行相关结构技术探讨，该住宅楼原设计为9层钢筋混凝土框架结构，约建造于1999年，平面布置呈“一”字形，住宅楼长度57.7 m，宽度为12.8 m，建筑总高度为26.4 m，1层～8层层高均为2.85 m，9层层高为3.2 m，出屋面楼梯间层高为3.0 m。该住宅楼所在地区的抗震设防烈度为8度，设计地震加速度值为0.2g，设计地震分组第三组，结构的安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，结构的抗震等级为一级。原基础采用人工挖孔灌注桩的基础形式，基础持力层为卵石层。原结构混凝土强度设计等级为：桩基及地梁采用C20；框架梁、柱采用C30，其余构件均采用C20。

出于使用功能需求，需在该住宅楼各单元楼梯间外侧增设电梯。新增电梯结构体系为钢框架结构，电梯主体高度为25.9 m，结构的安全等级为二级，钢框架的抗震等级为三级，结构设计使用年限取值为25 a，基础同原结构基础形式，采用人工挖孔灌注桩基础，主体钢构件均采用Q235B钢材[5]。改造方案平面布置图见图1。

2.2 抗震分析

运用的结构设计软件分别为PKPM和Midas Gen相关系列软件，建立增设电梯后的既有多层钢筋混凝土框架结构住宅模型，并就结构安全性中最为重要的结构抗震性能进行抗震计算，从层间抗侧刚度、自振特性、楼层位移以及楼层位移比4个方面分析了整体结构的抗震性能。

1)层间抗侧刚度。整体结构层间刚度比计算结果列于表1。从表1中可知，PKPM与Midas Gen计算得到的各楼层层间刚度比均非常接近，表明原结构新增电梯后计算结果可靠，整体结构各楼层层间刚度比均大于1.00，满足规范要求，明确原结构新增电梯后不存在侧向刚度不规则情况。

表1 层间刚度比

2)自振特性。结构自振特性主要分析周期和振型。表2结果提供了整体结构的前3阶周期及振型计算结果。从表2中可以看出，PKPM与Midas Gen计算得到的结构前3阶周期非常接近，表明计算结果可靠，并且从表2中的平动及扭转系数计算结果可知，结构的第1阶振型为平动振型，第2阶振型为扭转振型，第3阶振型为平动振型，满足规范要求。

表2 周期和振型

3)楼层位移。整体结构楼层最大位移计算结果列于表3，表4给出了整体结构最大层间位移角计算结果。从表3中可知，PKPM与Midas Gen计算得到的结构楼层最大位移值非常接近，表明计算结果可靠。从表4中可以看出，PKPM与Midas Gen计算得到的结构最大层间位移角非常接近，而且最大层间位移角均表现在2层，说明该计算结果可靠，原结构X及Y方向的最大层间位移角均能满足不大于1/550(规范限值)要求。

表3 楼层最大位移

表4 最大层间位移角

4)楼层位移比。整体结构楼层最大位移比计算结果列于表5。从表5中可知，PKPM与Midas Gen计算得到的结构楼层最大位移比较为接近，且楼层最大位移比均出现在1层，表明计算结果比较可靠，并且结构X，Y方向的楼层最大位移比均满足规范限值(≤1.50)要求。

表5 楼层最大位移比

2.3 层数对增设电梯后整体结构抗震性能的影响

5层、7层整体结构层间刚度比计算结果分别列于表6，表7。从表6，表7中可知，无论是5层结构，还是7层结构，PKPM与Midas Gen计算得到的各楼层层间刚度比均非常接近，并且整体结构各楼层层间刚度比均大于1.00，满足规范要求。以上结果表明，计算结果可靠，整体结构无侧向刚度不规则情况，层数不影响增设电梯后整体结构的层间抗侧刚度。

表6 5层结构层间刚度比

表7 7层结构层间刚度比

表8，表9分别给出了5层、7层整体结构前3阶周期和振型计算结果。从表8，表9中可以看出，无论是5层结构，还是7层结构，PKPM与Midas Gen计算得到的结构前3阶周期均非常接近，并且从上述两个表中的平动及扭转系数计算结果可知，5层、7层结构的第1阶振型均为平动振型，第2阶振型均为扭转振型，第3阶振型均为平动振型，满足规范要求。以上结果表明，计算结果可靠，层数不影响增设电梯后整体结构的自振特性。

表8 5层结构周期和振型

表9 7层结构周期和振型

5层、7层整体结构楼层最大位移计算结果分别列于表10，表11;表12，表13分别给出了5层、7层整体结构最大层间位移角计算结果。从表10，表11中可知，无论是5层结构，还是7层结构，PKPM与Midas Gen计算得到的结构楼层最大位移值均非常接近。从表12，表13中可以看出，无论是5层结构，还是7层结构，PKPM与Midas Gen计算得到的结构最大层间位移角均非常接近，且最大层间位移角均出现在同一楼层，同时结构X，Y方向的最大层间位移角均满足规范限值(≤1/550)要求。以上结果表明，计算结果可靠，层数不影响增设电梯后整体结构的抗变形能力，结构整体刚度满足规范要求。

表10 5层结构楼层最大位移

表11 7层结构楼层最大位移

表12 5层结构最大层间位移角

表13 7层结构最大层间位移角

5层、7层整体结构楼层最大位移比计算结果分别列于表14，表15。从表14,表15中可以看出，无论是5层结构，还是7层结构，PKPM与Midas Gen计算得到的结构楼层最大位移比均较为接近，且楼层最大位移比均出现在同一楼层，同时结构X，Y方向的楼层最大位移比均满足规范限值(≤1.50)要求。以上结果表明，计算结果可靠，层数不影响增设电梯后整体结构的抗扭转能力，结构扭转效应控制在规范要求范围内。

表14 5层结构楼层最大位移比

表15 7层结构楼层最大位移比

2.4 分析结论

对比分析结果表明，在电梯井道结构相对原有结构的刚度和质量均较小且确保实现新、旧结构之间柔性连接的前提下，既有住宅层数和户型对增设电梯后整体结构的抗震性能没有影响，增设电梯方案能够适应层数及户型的变化。

3 结语

本文通过总结增设电梯主要技术难点，在实际工程中运用结构加固、新型节点连接新技术与综合配套技术，并使用软件进行抗震效果分析，结果表明，采用适用技术后既有多层住宅增设电梯后，整体结构的相关主要抗震指标均能满足现行规范的最小要求，结构抗震性能较好，增设电梯后对原结构整体抗震性能影响较小(5%以内)，它对原结构的影响是可以忽略不计的。原住宅增设电梯方案合理且可行。