旧楼加装钢结构井道电梯的安全性分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：颜振波（1990），男，广东梅州人，本科，工程师，主要研究方向为特种设备检验检测。-25-旧楼加装钢结构井道电梯的安全性分析 颜振波 广东省特种设备检测研究院梅州检测院，广东 梅州 514072 摘要：摘要：为满足旧楼功能改造的要求，文章将立足于旧楼加装钢结构井道电梯项目，在了解旧楼加装钢结构井道电梯安全隐患的基础上，对如何实现钢结构井道电梯安全提出了相应的解决措施。最后文章将从钢结构井道电梯抗震安全性的角度出发，通过创设数据模型展开对比分析，详细分析了不同钢结构井道的抗震稳定性情况，希望为满足居民对建筑物功能需求提供支持。关键词：关键词：旧楼；钢结构井道；安全性；抗震性能 中图分类号：中图分类号：TU2 0 引言 在当前社会老龄化大背景下，旧楼因为功能单一已经无法满足居民日常生活需求，而加装钢结构井道电梯则成为其中的关键，也是保障老年人生活权利的重要体现。但不容忽视的是，现阶段我国在旧楼加装钢结构井道电梯中尚未提出详细的技术规范，导致旧楼加装钢结构井道电梯中存在更多的安全隐患。为解决上述问题，应深入了解钢结构井道电梯的安全性处置问题，并严格遵照 钢结构工程施工质量验收标准GB 50205-2020 的相关标准进行质量控制，这也是本文研究的主要目的。1 旧楼加装钢结构井道电梯的安全问题分析（1）在旧楼加装钢结构井道电梯施工阶段通常使用冷弯型钢或者 H 型钢为立柱，而上述结构中应保证材料有理想的截面尺寸。例如在井道电梯中使用壁厚薄的方钢则会无法保证结构稳定性；或者当钢材截面尺寸小于等于 150mm150mm 时，也会因为长细比不达标而影响稳定性。（2）钢结构井道电梯与建筑物之间的连接节点不合理也是造成安全问题的主要原因，目前大部分钢结构井道电梯与墙体做刚性连接时，其加装结构总重量偏低，基本上不会影响建筑结构稳定性。但不容忽视的是，部分老楼存在建成时间早、技术标准不达标等问题，导致结构稳定性偏低，此时选择外部加装电梯可能会对结构性能造成严重影响1。（3）在旧楼加装钢结构井道电梯项目施工中，需在建筑结构外侧开挖 1.5m 左右深坑，其最大深度应小于等于 2.5m。但在老楼开挖基坑时可能导致基坑承载力、稳定性发生改变，甚至部分在开挖前就已经出现地基沉降等质量问题，此时若加装电梯井道则会造成更严重的沉降破坏。除上述问题外，部分旧楼在加装钢结构井道电梯中也存在应急救援通道不通畅、IC 卡设置方案不符合质量规定等；甚至在布设电梯时可能会因为业主方的意见不统一而导致层门设置不合理，一旦出现困人等安全隐患时需要经过私人区域实施救援，因此从建筑物安全性角度来看，在当前加装钢结构井道电梯中如何正确处置救援通道依然是不容忽视的问题。2 提升旧楼加装钢结构井道电梯安全性的措施 2.1 基本处置方法（1）强化综合监管。为有效消除加装钢结构井道电梯中的安全隐患，应充分发挥政府部门在安全监管、资质评估上的作用，完善监管流程。同时发挥第三方在旧楼加装钢结构井道电梯图纸审核中的作用，根据图纸审核结果展开性能评价，严禁使用存在性能缺陷的电梯，严禁无资质企业接手旧楼加装钢结构井道电梯改造工程。安排相关人员做好特种设备的性能监管，通过钢结构井道结构质量检验等方法消除潜在缺陷。（2）重视钢结构井道的结构性能管理，在结构设计阶段应综合考虑基础与结构稳定性的要求，例如在综合考虑不同构件稳定性技术规范的基础上，建议在旧楼加装钢结构井道电梯项目中选择截面尺寸大于等于 200mm200mm 的冷弯型钢，或者同等截面的方钢以及 H 型钢。同时为保证建筑物抗震性能要求，在加装中国科技期刊数据库 工业 A-26-钢结构井道电梯中可采用化学锚栓、半刚性连接等方法施工。在加强柱脚节点、相应地加大材料的前提下，也可以采用与原建筑物脱开的方式。（3）做好钢结构体系的日常维护管理。由于钢结构具有特殊性，因此在日常维修包装样应注意检测钢结构的腐蚀破坏、钢结构沉降等情况，一旦发现存在质量缺陷则应该立即采取处置措施。并且根据钢结构工程施工质量验收标准GB 50205-2020 的相关标准，对构件的质量、焊接质量、螺栓位置紧固、衔接连接等构件质量，应及时发现并采取有效的措施。（4）改进原有的钢结构井道加固方案也是提升结构稳定性的重要手段，例如可在原有钢结构井道上增设 Q235 的热轧 H 型钢。并且根据当前旧楼电梯改造的成功方案，无机房电梯是目前较为常见形式，相关工程所用电梯的开门尺寸为 2100mm800mm，总重量约为 630kg。上述设计方法可确保人员活动通道的规格满足规定，满足居民正常出入需求。2.2 应用实例分析 2.2.1 项目简介 某建筑物竣工时间为 1996 年，在早期施工阶段采用钢筋混凝土结构，建筑物的总高度约为 24 米，底层层高为 3.0m。该建筑物的安全性分级结果为二级，整个小区共设有八幢建筑物，每幢建筑物均有5个单元。近些年当地经济发展良好，且建筑物内多为退休人员，对加装电梯的意愿十分强烈，最终相关单位经过各方论证后，最终决定了采用加装钢结构井道电梯工艺。2.2.2 主要测试设备 本次项目中加装钢结构井道电梯安全性评估中需要运用专业仪器设备检查整体结构稳定性，主要包括光学测距仪、混凝土回弹仪、裂缝观测仪等，并且所有设备均要接受校对。2.2.3 检测内容 本次测试项目中准备好检测所需的各种仪器设备后，即可结合国家的相关标准对加装钢结构井道电梯的建筑物进行测试，主要测试内容如下。（1）地基基础检测。在地基基础检测中应勘察建筑物主体结构与周边区域的稳定性情况，根据案例项目现场观测结果显示，水平仪相关数据证实，在加装钢结构井道电梯后，建筑物基础部分未发现明显的不均匀沉降，整体结构的稳定性良好。自施工结束后，房屋地基基础基本正常，提示加装钢结构井道并未影响地基稳定性。（2）上部结构检测。在建筑物平面布置与主体结构质量评价中，需根据图纸资料结合建筑物内部状况逐一校核建筑物各个构件的尺寸信息。根据现场采集的信息资料与图纸展开对比后，即可综合评估加装钢结构井道电梯对建筑物平面布置结果的影响。根据本次项目的观察结果发现，施工后建筑物未发现构造断柱情况，房屋体系以及平面布设方案均符合图纸的相关参数要求2。外观质量检查。根据钢结构工程施工质量验收标准GB 50205-2020 的相关标准可知，应做好.对钢的表面质量、钢板的状态、测厚精度和焊缝的质量的检测，在案例建筑物外观质量检查中，聘请专业人员对建筑物的外观稳定性展开评估，整个检测结果显示，建筑物的外观状态良好，其中墙体与楼屋面上未见裂缝，结构柱与梁的稳定性良好，未见明显的外观结构改变。在混凝土强度检测中，根据上文提出的设备进行现场测试，提取样本构件后检测回弹值，整个测试过程严格执行回弹法检测混凝土抗压强度技术规程的相关规定。并且考虑到建筑物的建成时间久远，所有混凝土龄期大于等于 1000 天，属于长龄期混凝土材料，因此为保证数据精度，还需要用取芯法修正回弹值。而最终测试结果显示，案例项目中抽查的构件材料强度满足质量规定。2.2.4 测试结果评估 通过对案例项目的现场勘查，评估加装钢结构井道前后建筑物性能参数情况，根据本次勘察结果证明，该项目在采取上述结构改造方案后，其整体结构中未发现地基基础变形损伤破坏情况，结构的整体稳定性良好。而根据现场校对结果显示，该建筑物采用桩基础，整体结构为框架剪力墙结构，房屋体系以及平面布设方案均满足图纸规定，主要混凝土材料的强度32.5MPa，满足规定要求。因此可以认为，该项目在旧楼上加装钢结构井道后，其整体安全性较高，充分满足当地居民的日常生活要求，值得推广。3 旧楼加装钢结构井道电梯的安全性能评估方法 3.1 建立钢结构井道安全性计算模型设计方案 在本次模型设计中将采用 midas/gen 软件模拟钢中国科技期刊数据库 工业 A-27-结构井道的受力结构，在本次结构设计中所选钢结构材料的相关信息如表 1 所示。表 1 钢材料的关键信息 钢材型号 弹性模量 密度 泊松比 Q345 2.061011Pa 7.85g/cm3 0.3 在表 1 所介绍的钢材料基础上提出两种钢结构井道模式，分别为：（1）直梁电梯井道，该井道结构由 4根 200mm200mm8mm 的方管组成，四周横梁为 H 型钢，该型钢的参数为 250mm125mm6mm。（2）弧形梁电梯井道，该钢筋井道采用 150mm150mm5mm，其侧面横向弧形梁规格为 120mm80mm4mm。两种钢结构井道电梯的安全等级均为 2 级，设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 8 度，属于二类场地。基于上述参数要求，本文将使用 midas/gen 软件模型对旧楼加装钢结构井道建模，模型中梁柱均采用梁单元模式，模型中梁与柱均为钢连接。在上述模型架构基础上，本文将分别选择多遇地震 69Deg 与339Deg 进行测试。3.2 模型监测点位设定 考虑到电梯在始终保持垂直运动，为更好的判断电梯模型在地震作用下出现的相互变化情况，本文将采用下列试验确定模型检测的关键节点：（1）由于钢结构模块在电梯运行中承担着主要力，尤其是在地震施加外部力，或者电梯运行过程本身面临急停或者冲击荷载等因素影响。为确保监测点位可真实反映出电梯在不同工况下的运动变化情况，在结构受力条件监测中应将监测点位的重点集中在钢结构井道中受力较大的横梁上3。（2）根据相关学者对旧楼加装钢结构井道电梯的模拟仿真结果发现，在相同约束与荷载条件下，钢结构模块的两个横梁部位所承担的约束力与荷载力最高，并且应力云图的相关结果也证明，上述部位在应力结构分布上具有一定的特殊性。基于上述研究结果在本次研究中选择在横梁与竖梁连接位置周边的横梁部位上展开测试，是整个钢结构井道电梯的主要应力集中点。3.3 地震作用评估 在确定加装钢结构电梯井道模型后，即可模拟旧楼加装钢结构井道在地震作用下的安全性问题，在现场模拟评估阶段将采用完全相同的地理特征、抗震设防烈度要求等进行现场监测，评估两种结构在钢结构井道 X 轴与 Y 轴上的运动变化进行分析。3.3.1 模态分析结果 模态分析是评估结构性能特征的常见方法，在本次模型分析中将对上文提到的两种加装钢结构井道做模态分析，在分析中可获得井道在地震作用下出现的振动变化与自振频率变化情况。在本次分析中按照“1.0 恒载0.5 活载”的方式计算结构重量，在将其转化为结构自重后再判断其稳定性情况。本次模型模拟的统计结果显示，本次研究中的直梁框架结构的质量稳定性良好，在地震作用下的结构合格率超过 90%；而相比之下，弧形梁电梯井道在地震作用下的质量合格率则大于等于 80%。根据不同地震状态下结构的自振情况可以发现，直梁框架的自身周期变化明显低于弧形梁电梯井道结构，相关资料如表 2所示。表 2 不同模态下钢结构井道模型的自振周期情况 检测条件 直梁电梯井框架 弧形梁电梯井框架 模态号 1 0.292 0.551 模态号 2 0.331 0.692 模态号 3 0.279 0.547 模态号 4 0.261 0.466 模态号 5 0.082 0.301 模态号 6 0.165 0.521 同时根据两个模型在不同振型阶段的结构情况可以发现，两个模型在不同阶段振型变化趋势是相同的，其中第一阶为结构在 X 方向上的振动，第二阶为结构在 Y 方向上的振动，第三阶为结构的扭转振型，差别不明显。3.3.2 时程分析结果 时程分析被认为是评估结构抗震性能的主要手段，根据本次设定的有限元软件对旧楼加装钢结构井道电梯结构的评估以及两种钢框架电梯井结构的有限元分析结果，在相同实验条件下模拟钢结构井道电梯在地震外力作用下可能出现的结构损伤问题。最终经过本次实验过程可以发现，两次地震波都会对旧楼加装钢结构井道电梯结构产生影响，而根据两种结构在 Y 轴与 X 轴上的位移情况统计结果显示，两种结构在相同地震条件下所产生的变化结果相同。但在比较不同地震波对加装钢结构井道影响的情况下，在 69Deg 地震波作用下直梁钢框架电梯井在 X 轴方向的顶点位移量明显高于弧形梁电梯井框架；而在339Deg 地震波地震条件下弧形梁电梯井框架在 Y 轴上中国科技期刊数据库 工业 A-28-的位移量更大4。根据地震条件下的现场模拟结果可知，两种钢框架电梯井结构均在地震波作用下的层剪力与建筑物楼层高度存在密切关系，整体发展变化趋势为：底层最大随着楼层的增高逐渐递减。3.3.3 测试结果评价 根据本文的研究结果可知，在旧楼加装钢结构井道电梯时，无论是直梁电梯井框架还是弧形梁电梯井框架均具有可行性，但两种结构相比，直梁电梯井框架的模态分析结果更理想，因此可认为该结构可以成为未来旧楼加装钢结构井道电梯的首选方法。除此之外，弧形梁电梯井框架在加工工艺以及施工成本等方面均有一定的劣势，因此在未来建议优先选择直梁电梯井框架。结束语：在旧楼加装钢结构井道电梯是满足广大居民长期生活需求的重要组成部分，根据本文的相关研究结果可知，现有建筑工程中选择加装钢结构电梯井不会影响建筑物整体结构稳定性，并且相关技术的操作难度低、可行性高，具有推广价值。因此相关人员应在了解建筑物自身结构特性的基础上不断改进钢结构井道架构，最终寻找到一种安全性高、经济合理的新处理方案。参考文献 1 安 建 民,孙 崇 智,杨 佳,等.既 有 住 宅 加 装 电 梯 钢 结 构 井 道 竖 梁 的 设 计 与 优 化 J.建 筑 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