现有建筑加装钢结构电梯井道的概念分析

随着人们生活水平的提高，旧楼加装电梯的工程越来越多。新增的电梯井道可以是钢筋砼结构，也可采用钢结构，以钢框架结构居多。这种井道通常与主体结构通过化学螺栓等方式拉结。这对改善结构传力路径以及井道整体稳定是很有利的。井道结构与普通结构有较多不同，也存在很多难点，本人通过工程积累的一些概念分析方面的想法，分享给大家一起探讨。抛砖引玉，不对之处望大家指正。

·井道竖向荷载分析：
竖向荷载主要是井道钢框架自重、围护结构荷载、电梯机房楼面荷载（有机房井道）、曳引设备支承荷载、井道屋面荷载等。对于较高的井道，井道与原有结构拉结节点宜作成竖向滑动支承，以释放竖向荷载作用下的井道位移，否则竖向荷载较大时将产生较大的附加内力。一般可以通过化学螺栓的端板上设滑槽孔来实现。这种方法对于减小因井道基础沉降产生的井道附加内力也十分有利。
·井道在风荷载作用下的受力特征分析：
（1） 风荷载体型系数：对于外置的电梯井道，井道多位于原有结构局部边侧或角部。因此严格来讲，井道的风荷载体型系数应该采用局部风压体型系数，如采用规范对主体结构的风荷载体型系数将导致计算结果偏于不安全。但荷载规范对于局部风压体型系数仅限于围护结构，在实际计算时可参考规范对于围护结构的局部体型系数取值。但注意2012年新版荷载规范对于局部体型系数有较大改动。
（2） 风振系数：从概念上讲，风振系数主要反映脉动风对结构的影响，如果井道结构与原有结构存在拉结，而原有结构的刚度较大，则井道的风振响应会大幅减小。且荷载规范的风振系数法只适用于竖向悬臂型结构，井道在各层侧向支承于原结构，不能作为竖向悬臂型结构。故建议按荷载规范对结构风振响应的判断方法，如原有结构可不考虑风振，则井道也可以不考虑风振，即风振系数取1.0。但需要特别注意，对于独立单体的井道结构则必须考虑风振影响，因为独立的井道结构与原结构无拉结，成为高耸结构，周期一般较大，风振响应较为明显，不考虑时偏于不安全。
（3）基本风压和风压高度变化系数均直接按荷载规范计算。

· 井道在地震作用下的受力特征分析：
（1） 井道与原有结构相互作用：对于有拉结构造的井道，在地震作用下的响应严格来讲是与主体结构相互作用问题。井道结构与原有结构相比，抗侧刚度和质量均较小，可以认为井道结构是附在原有结构外侧的抗侧刚度较弱的附属结构。因此，井道在地震作用下的响应主要是由于原有结构的变形位移引起。特别是结构的扭转藕联导致井道结构的受力更为复杂（井道一般位于原结构外侧边缘，故扭转效应更为明显）。将井道拉结节点简化为固定铰约束的方法，相当于假定原结构是完全刚性体，不能准确反映真实地震作用下的响应。要模拟这种响应，只能通过井道和原有结构整体建模来计算，但这毕竟费时费工。
（2） 包络设计：考虑到上述井道与原有结构整体建模带来的困难，从概念上对结构进行定性分析以实现内力的包络设计就十分重要。从结构上看，井道高且柔，原有结构侧向位移对井道产生的内力较小，而钢材的承载力较大，故只要设计合理，多数情况下一般不会产生超出的容许范围的应力。侧移对井道内力的影响主要在于柱脚，如将柱脚做成铰接则更有利些。因此，从概念上讲，井道设计时在满足竖向承载力及轨道变形的前提下，把井道做成柔性，更有利于井道及原有结构的抗震。而如果将井道的刚度一味加大，则地震作用下不仅拉结节点容易受损，且对原有结构都将造成极大的影响。简单地讲，井道设计时“取柔不宜取刚”。
（3） 井道层间位移限值：如果井道侧向变形过大，则容易使井道内的竖向轨道发生卡轨现象，影响电梯使用。因此，计算时建议适当控制层间位移值。但目前为止，尚未发现有规范对此有限值规定。

· 井道结构构件整体稳定计算分析
由于存在钢梁错层等现象，井道结构的整体稳定计算变得较为复杂，不能直接套用钢结构规范关于钢框架柱的计算长度系数法。但从概念上分析，井道整体平面尺寸一般较小，钢梁间距由于电梯轨道的限值要求一般不超过2.5m，钢梁间距较密，考虑结构整体稳定性，钢梁对钢柱的约束是较充分的，钢柱不容易发生失稳。因此，只要井道与原有结构有充分拉结，钢梁与钢柱可靠连接（尽量做成刚接），则井道结构的整体稳定将得到较好的保证。在计算时如仍然不放心，可考虑做一个含初始缺陷的线性屈曲分析来定量地确定临界屈曲荷载值。根据经验，屈曲荷载系数都很大，说明有拉结的井道不容易发生整体失稳现象。

通过模型计算分析发现：
(1)整体模型得到的井道构件内力应力均较固定铰模型来得大。
(2)改变井道钢柱截面(150*6增大到300*10)，随钢柱截面刚度的加大，钢柱最大内力与应力均增大，柱脚反力增大更明显。但本算例的钢柱应力比都小于100N/mm^2，富裕较多。
(3)随钢柱截面的增大，整体结构的周期变化较小，这是由于井道的刚度和体量均较原有结构小很多，井道对原有结构刚度和质量的影响很有限所致。
(4)随原有结构砼柱截面的增大，井道结构的最大应力比略有减小，变化不明显。
(5)井道柱脚刚接改铰接后，柱脚反力略有减小；但改为铰接后柱脚弯矩为零，对基础和柱脚的设计有利。
(6)独立建模的井道结构内力、应力、柱脚反力均较整体模型偏小较多，相差一倍以上。说明，独立建模的井道结构计算得到的结果偏于不安全。