三峡升船机观光电梯结构顶部位移控制研究

李彬　吴晓晖　李艳

摘要：由于场地受限，三峡升船机的观光电梯高宽比超过规范限值而形成细长结构，对抗风荷载不利，需采取必要措施控制钢结构电梯顶部水平位移。通过软件计算分析，确认风荷载和结构刚度对钢框架结构电梯的水平位移影响显著，提出了将观光电梯外表面漏空和加强观光电梯与排架柱连接等措施，并应用到工程实际中。实时监测结果表明：经过改造后，观光电梯结构顶部最大位移得到有效控制，满足现行规范要求。

关键词：升船机； 观光电梯； 钢结构； 顶部水平位移； 三峡工程

中图法分类号：U642

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.010

文章编号：1006-0081（2023）12-0059-04

0引言

三峡升船机观光电梯工程位于三峡大坝左岸上闸首［1］，是上闸首（高程185.00 m）到升船机顶部机房屋面（高程217.24 m）的垂直交通工具，也是观赏三峡大坝的景观平台。该工程建设地点特殊、社会影响重大［2］。然而，受场地限制，与塔柱［3］相邻的钢结构观光电梯垂直向高宽比超过规范限值，形成细长结构，导致风荷载作用下电梯顶部水平位移严重超限。在不能调整电梯平面尺寸的情况下，采取其他有效措施减小电梯结构顶部水平位移，是保证钢结构观光电梯能满足GB 50310-2016《电梯工程施工质量验收规范》位移控制要求的关键。目前，针对钢结构观光电梯的研究主要集中于电梯外观优化［4］、电梯安装［5］、在商业综合体中的应用［6］等方面。针对钢结构位移方面的研究有基于监测数据的空间钢结构位移响应估计方法［7］、钢结构位移跟踪技术等［8］，针对特定条件下钢结构位移控制的研究很少。本文采用PKPM软件进行结构建模计算及各种目标工况的对比分析，确定影响结构水平位移的关键因素；在结合工程实际的基础上，制定可行性对策，并评估位移控制效果。

1计算模型

观光电梯的平面尺寸为8.2 m×2.2 m，垂直高度为39.8 m，高宽比约为18。由于观光电梯紧临上闸首排架柱，为了评估排架柱对观光电梯风荷载的影响，建立图1所示两个计算模型，定义模型的长边为X向，短边为Y向。

模型一为观光电梯钢框架结构模型，模型二为观光电梯钢框架结构+旁边紧邻的钢筋混凝土排架柱结构模型。计算荷载取值如下：抗震设防烈度6度，设计地震加速度0.05g，基本风压0.35 kN/m²，楼梯间活载3.5 kN/m²，屋面活载0.5 kN/m²。关键计算参数如下：结构重要性系数1.1，恒荷载、活荷载分项系数分别为1.3和1.5，风荷载参与地震组合。采用PKPM软件进行结构计算，结果表明：两种计算模型的水平位移相差小于2 mm，因此该工程采用计算模型一，边界条件清晰。

经过反复计算、复核，确定电梯顶部水平位移达到99.4 mm，不能满足现行规范要求，需采取有效措施控制电梯钢结构顶部水平位移，使其降低到35 mm 以下。

2影响因素分析

影响钢框架结构水平位移的两大关键因素为水平荷载和结构自身刚度［9］。由于受场地限制，此观光电梯的轴网尺寸仅为8.2 m×2.2 m，结构Y向刚度很小。为了分析风荷载、结构Y向刚度及柱间支撑对结构顶部位移的影响程度，采用PKPM软件计算不同工况下观光电梯钢框架结构顶部的水平位移值：① 工况一：保持基本风压为0.35 kN/m²时，增大结构Y向尺寸，计算不同高宽比时结构水平位移值；② 工况二：保持结构Y向尺寸不变（高宽比为18），计算不同基本风压时结构水平位移值；③ 工况三：保持基本风压为0.35 kN/m²，结构Y向尺寸不变（高宽比为18），计算有无柱间支撑时结构水平位移值。计算结果见表1。

结果表明：风荷载和结构刚度对钢框架结构电梯的水平位移影响显著，柱间支撑对水平位移的影响较小。此外，由于观光电梯地理位置特殊，该工程不具备增加结构Y向尺寸的条件。因此，为了有效控制电梯钢结构顶部水平位移，需采取针对性措施解决风荷载大和结构刚度小这两大问题。

3对策研究

3.1降低风荷载

3.1.1基本风壓

经专家多方面论证后确定：按保证观光电梯在0.35 kN/m²风压下能正常运行（超过此风压停运）和钢结构在0.8 kN/m²风压下结构安全两种工况进行结构设计。因此，结构位移计算时，基本风压的选取符合实际情况和规范要求，取值合理，不能调整。

3.1.2结构迎风面

经过计算，观光电梯结构X向迎风面面积为338.3 m²，Y向迎风面面积为111.4 m²。由于观光电梯的Y向长度仅为2.2 m，且为单跨结构，初步判定X向迎风面面积大是造成Y向风荷载位移大的主要原因之一，在基本风压不变的情况下，可采取措施减小X向迎风面面积。

3.2增大结构刚度

为了评估长细比对结构水平位移的影响程度，建立8.2 m×2.2 m、8.2 m×3.2 m、8.2 m×42 m、8.2 m×5.2 m、8.2 m×6.2 m这5个计算模型，并进行位移计算，结果见图2。结构宽度方向（Y向）每增加1 m，结构顶部水平位移减小明显。由此可见，结构Y向长细比过大是导致结构水平位移偏大的主要原因之一，在保持结构Y向尺寸不变的情况下，可另行采取措施增大结构纵向刚度。

4实施措施及效果

由于受场地限制，观光电梯的纵横向尺寸均无法调整，因此提出将观光电梯外表面漏空和加强观光电梯与排架柱连接两个可行性措施，以解决X向迎风面面积大和结构Y向长细比过大的问题。

4.1觀光电梯外表面漏空方案

为减小迎风面，只保留电梯井道四周的玻璃幕墙，取消旁边楼梯间周围的玻璃幕墙，现场施工照片如图3所示。实施观光电梯外表面漏空方案前后结构水平位移对比如表2所示，计算结果表明：实施镂空方案后，结构整体水平位移减小了44 mm，位移控制效果非常显著，与在基本风压等基本风荷载条件一定的情况下风荷载对结构的实际作用取决于作用面积大小的特征相符。

4.2观光电梯与排架柱连接方案

上闸首排架柱紧临观光电梯，在不延误观光电梯钢结构制作安装工期和不大幅增加工程成本的前提下，采取在观光电梯和混凝土排架柱之间沿高度方向间隔加焊钢连接件，增大观光电梯结构侧向刚度。具体做法为：在图4所示方钢梁处加焊2个钢连接件，尺寸为400 mm×200 mm×14 mm；在图5位置的钢柱上加焊连接件，尺寸为500 mm×200 mm×14 mm，沿高度方向每层设置。

实施观光电梯与排架柱连接方案前后结构水平位移对比如表3所示。计算结果表明，实施观光电梯与排架柱连接方案后，结构整体水平位移减小了26.6 mm。高耸结构的侧向刚度对结构的位移响应影响很大，特别是对于该工程受场地条件限制而Y向尺寸很小的情况，通过与相邻塔柱进行连接，有效增大了观光电梯结构的侧向刚度，降低位移响应。

实施表面镂空和与排架柱连接两个方案后，观光电梯钢结构水平位移沿高度的变化曲线如图6所示，结构顶部整体水平位移由原来的99.4 mm减小为28.8 mm，满足GB 50310-2016《电梯工程施工质量验收规范》不超过35 mm的要求。

5实时监测

优化方案实施后，采用经纬仪对观光电梯结构顶部4个角点开展了3个月的连续水平位移监测，结构顶部位移选取从大到小排列的前5组数据，见表4。位移监测结果表明：监测期内，观光电梯结构顶部最大位移为15.10 mm，小于软件计算结果，满足现行规范要求，实施方案达到了预期。

6结语

三峡升船机采取将观光电梯表面镂空和在电梯与排架柱间沿高度层层增设钢连接件两种措施，减小结构迎风面面积和增大结构侧向刚度，有效减小了观光电梯结构顶部水平位移，保证了钢结构的制作安装工期，同时节约了成本，取得了显著的社会和经济效益。对策实施后，监测结果表明：观光电梯结构顶部水平位移满足现行GB 50310-2016《电梯工程施工质量验收规范》的要求，位移控制达到了预期。后续还应进一步分析将观光电梯通过钢连接件与排架柱层层相连对排架柱的影响，确保主体结构的安全。

参考文献：

［1］许进，毕金锋，罗先启.三峡升船机塔柱外观检测方案及其综合评价［J］.人民长江，2022，53（5）： 156-161，182.

［2］李艳.三峡升船机地震响应分析［J］.武汉交通职业学院学报，2016，18（1）：82-85.

［3］徐昆振，段国学，彭绍才，等.三峡升船机塔柱变形监测分析［J］.水利水电快报，2022，43（2）：57-62.

［4］张亦婧.观光电梯的整体外观优化浅谈［J］.中国电梯，2019，30（16）：65-69.

［5］彭国之.钢结构在商业综合体建筑中的应用［C］∥2020年工业建筑学术交流会论文集.北京：建筑工业出版社，2020.

［6］吉彪祉，王永博，潘卓，等.超高层观光电梯安装［J］.四川建材，2017，43（12）：119-120.

［7］刘越.基于监测数据的空间钢结构位移响应估计方法［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

［8］黄智豪.施工阶段超高层顶部钢结构位移跟踪与温度影响机理研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

［9］何昭仁.钢框架规范简化分析方法与精确分析方法的对比研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

（编辑：李慧）

Research on top displacement control of ship lift sightseeing elevator of Three Gorges Project

LI Bin WU Xiaohui LI Yan

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430019，China；

2.Waterfront Space Planning and Design Hubei Engineering Research Center，Wuhan 430010，China；

3.Changjiang Ecological Environmental Protection Group Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China；

4.Wuhan Technical College of Communications，Wuhan 430065，China）

Abstract：The sightseeing elevator of the ship lift of the Three Gorges Project has formed a slender structure due to the site limitation，and the height-width ratio exceeded the specification limit，which is unfavorable to resist the wind load.It is necessary to control the horizontal displacement of the top of the steel structure elevator.Through software calculation and analysis，it was identified that the wind load and structural stiffness had a significant impact on the horizontal displacement of steel frame elevators.The targeted measures was proposed to empty the outer surface of the sightseeing elevator and strengthen the connection between the sightseeing elevator and the bent column，which was applied in the engineering practice.The real-time monitoring results indicated that after renovation，the maximum displacement at the top of the sightseeing elevator structure was effectively controlled，which can meet the current regulatory requirements．

Key words： ship lift； sightseeing elevator； steel structure； top horizontal displacement； Three Gorges Project