装配式钢筋混凝土加装电梯结构设计_马泽峰.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023装配式钢筋混凝土加装电梯结构设计马泽峰*方林 李承铭（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041）摘 要 提出可广泛适用于既有住宅加装电梯工程的装配式钢筋混凝土加装电梯结构，既适用于半层入户形式的装配式钢筋混凝土剪力墙-悬挑梁结构，又适用于平层入户的装配式钢筋混凝土异形柱框架-剪力墙结构。具体介绍了此结构的标准化预制形式及安装方式。通过对结构模型整体指标分析、底层坐浆拼接处正截面性能化设计、剪力墙水平坐浆缝抗剪强度验算等，详细论述了结构的刚度及承载能力，并指出结构应用的关键技术点，提出标准设计流程。关键词 装配式钢筋混凝土结构，加装电梯，半层入户，平层入户Design of Assembled Reinforced Concrete Adding Elevator StructureMA Zefeng*FANG Lin LI Chengming（East China Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200041，China）Abstract This paper puts forward the assembled reinforced concrete shear wall-cantilever beam structure for half floor entry and the assembled reinforced concrete shear wall-special-shaped column frame structure for level entry，which can be widely used in adding elevator of existing residential buildings.The assembled structure and its standardized installation form are introduced.Through the analysis of the overall index of the structural model，the performance-based design of the normal section of the bottom grouted joint and the checking calculation of the shear strength of the horizontal grouted joint of the shear wall，the stiffness and bearing capacity of the structure are discussed in detail.The key technical points of the structure application are pointed out，and the standard design process is suggested.Keywords assembled reinforced concrete structure，adding elevator，half floor entry，level entry0 引 言 既有住宅加装电梯可大幅提高居民出行的便利。作为改善居住环境的“民心工程”，得到了社会各界的广泛重视1-3。国家和地方政府相继出台了多部指导加装电梯工程建设的标准和导则。目前已完成的加装电梯工程绝大多数采用了钢框架结构，如图1（a）所示。其具有自重轻、强度高、抗震性能好、建造速度快、周期短、对居民影响小、符合建筑工业化绿色化的要求等诸多优势。但同时钢框架结构也存在耐久性差、耐火构造难于实施以及工程造价相对偏高的缺点。如采用现浇钢筋混凝土结构，一般为钢筋混凝土框架结构或钢筋混凝土异形柱-剪力墙结构，详见图1（b）和图1（c），虽然可以避免钢框架结构的缺点，但仍存在较多问题。例如，现浇混凝土湿作业较多，施工周期长；需要搭设脚手架，对居民生活影响较大；单层混凝土需求量小，不适合商品混凝土的购买和运输；施工模板、钢筋堆场对现场施工空间有一定要求等4。装配式钢筋混凝土加装电梯结构兼具钢框架结构及现浇钢筋混凝土结构的优点，又可以避免其缺点，有更好的应用前景。收稿日期：2021-07-29*联系作者：马泽峰（1979-），男，博士，主要从事结构抗震及加固改造研究。E-mail：zefeng_DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.012 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期1 装配式钢筋混凝土加装电梯结构根据入户方式的不同，既有住宅加装电梯可分为半层入户及平层入户两种形式。当既有住宅为双跑楼梯，加装电梯连廊与原结构楼梯半平台等高相接时，即为半层入户形式；当既有住宅为单跑楼梯，加装电梯连廊与原结构整层等高相接时，即为平层入户形式。加装电梯结构通过抗震缝与原结构分开，作为独立新建建筑满足现行设计标准要求。1.1半层入户装配式钢筋混凝土加装电梯结构半层入户形式装配式加装电梯采用钢筋混凝土剪力墙+悬挑梁结构体系。电梯井道采用剪力墙井筒，连廊部分由井筒剪力墙悬挑形成。结构的竖向及水平受力构件均为电梯剪力墙井筒。详见图2及图3。结构的预制装配式策略如下：从底至顶结构由现浇基坑、底部预制节、中间标准预制节及顶部预制节连接而成，各节高度为楼层层高；各节井道剪力墙内部钢筋仍按现行标准要求设置，并于其中预留竖向单排钢筋通孔，孔道位置上下一致，孔内竖向钢筋采用机械连接形式；安装时，结构由底部向上逐节进行，井道校准对位后，节间接触平面采用坐浆连接，并于竖向通孔内灌注砂浆，保证各节连为整体，详见图4。1.2平层入户装配式钢筋混凝土加装电梯结构平层入户形式装配式加装电梯采用钢筋混凝土异形柱框架-剪力墙结构体系。电梯井道采用剪力墙井筒，连廊部分采用“L”形柱框架。结构由异形柱框架及剪力墙井筒共同承担竖向及水平作用。详见图5及图6。图2半层入户加装电梯标准层结构及电梯井道平面图（单位：mm）Fig.2Standard floor structure and elevator shaft plan for half floor entry（Unit：mm）图3半层入户加装电梯结构中间标准预制节示意图Fig.3Schematic diagram of intermediate standard precast section for half floor entry图4半层入户加装电梯结构拼装及爆炸图Fig.4Assembly and explosion diagram of installing elevator structure suitable for half floor entry图1加装电梯工程适用结构体系Fig.1Structural systems of adding elevator project185Structural Engineers Vol.39，No.1 Study of Design Method结构的预制装配式策略如下：从底至顶结构由现浇基坑、中间标准预制节及顶部预制节连接而成，各节高度为楼层层高；各节井道剪力墙及“L”形框架柱内部钢筋仍按现行标准要求设置，并于其中预留竖向单排钢筋通孔，孔道位置上下一致，孔内竖向钢筋采用机械连接形式；安装时，结构由底部向上逐节进行，各节校准对位后，节间接触平面采用坐浆连接，并于竖向通孔内灌注砂浆，保证各节连为整体。加装电梯结构拼装示意图详见图7。以上两种形式加装电梯结构构件的典型参数详见表1。表中数据均按楼层数为7层的既有住宅考虑，总重110120 t，其他楼层数相应折减。2 结构模型计算及控制截面验算 2.1整体模型计算参数及结果指标鉴于需要加装电梯的既有住宅大多为7层以下建筑，选取上海地区典型7层半层入户加装电梯结构模型 A 及平层入户加装电梯模型 B 为案例，采用现行标准设计方法，分析结构整体受力情况。两模型的典型设计参数均按上海地方标准规定取值如表2所示。两组模型结构整体计算结果指标如表 3所示。图7平层入户加装电梯结构拼装及爆炸图Fig.7Assembly and explosion diagram of installing elevator structure for level entry图5平层入户加装电梯标准层结构平面图（单位：mm）Fig.5Standard floor structure plan for level entry（Unit：mm）图6平层入户加装电梯结构中间标准预制节示意图Fig.6Schematic diagram of intermediate standard precast section for level entry表1 加装电梯结构典型参数Table 1Typical parameters of elevator structure典型参数结构体系剪力墙厚度/mm底部、中间预制节高度/m电梯井道屋面高度/m中间标准预制节重量/t半层入户 A剪力墙1602.820.010.4平层入户 B框架-剪力墙1602.821.411.2表2 上海地区加装结构典型设计参数Table 2Typical design parameters of the structure installed in Shanghai模型计算参数建筑抗震设防类别抗震设防烈度设计地震分组设计基本地震加速度场地类别基本风压（kN/m2）地面粗糙度类别参数取值标准设防（丙）类7度第二组0.1g类0.55C类186 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期由表3可知，上海地区7层既有住宅采用装配式钢筋混凝土加装电梯结构可有以下结论：两组模型整体计算指标均满足现行国家及地方标准规定；在地震工况下，结构的基底剪力约为60 kN；在风荷载工况下，长边迎风面时结构基底剪力与地震工况相近，且风荷载略大；顶点位移及层间位移角偏小，结构刚度偏大。2.2底层坐浆拼接处正截面性能化设计加装电梯结构高度低、平面尺度小、自重轻，水平作用也相对较小。各节间内按现行标准设计，配置的钢筋均可满足构件强度要求。但坐浆连接平面间截面粘结强度则相对较低，且仅有单排钢筋连接，底层此截面强度对结构整体强度起控制性作用。同时考虑两结构自身冗余度均较小，主要依靠电梯井道剪力墙筒承载，底层坐浆拼接正截面均按较高性能水准进行强度设计，即中震弹性或大震不屈服。半层入户模型A及平层入户模型B中竖向通孔内纵筋配置为剪力墙暗柱GBZ1中322，GBZ2中522，其他竖向通孔内分布筋为14250，框架柱KZ1通孔内425，构件编号详见图2及图5。电梯井道按整体受力的剪力墙薄壁筒设计。竖向构件的性能化设计结果详见图 8图10。电梯井道及框架柱的正截面强度包络面计算时假定：构件变形前后符合平截面；忽略剪切变形影响；混凝土与钢筋充分粘结，无滑移；钢筋及混凝土的本构关系按现行 混凝土结构设计规范（GB 500102010）（2015年版）中附录 C.1及C.2取值。由图8可知，剪力墙电梯井筒及“L”形框架柱于坐浆拼接处正截面均满足中震弹性或大震不屈服的强度要求。2.3剪力墙水平坐浆缝抗剪强度验算根据 装配式混凝土建筑技术标准（GB/T 512312016）5，剪力墙水平接缝的受剪承载力设计值应按下式计算：VuE=0.6fyAsd+0.8N（1）式中：VuE为剪力墙水平接缝受剪承载力设计值；fy为垂直穿过结合面的竖向钢筋抗拉强度设计值；表3 模型整体计算指标Table 3Overall calculation index of the models计算指标结构自振周期/s周期比基底剪力(地震)/kN剪重比/%框架承担剪力(地震)框架倾覆力矩(地震)顶点位移(地震)/mm最大位移角(地震)最大位移比(地震)基底剪力(风)/kN顶点位移(风)/mm最大位移角(风)半层入户 AX向0.34(t1)、0.33(t2)、0.12(t3)0.3556.75.74-3.211/4 8061.1760.82.661/6 080Y向55.25.593.391/4 0891.0436.61.731/8 360平层入户 BX向0.39(t1)、0.36(t2)、0.13(t3)0.3360.15.8113.7%12%4.611/3 5321.1864.34.031/4 149Y向59.45.742.5%10%3.931/4 2921.0545.02.281/7 706图8半层入户模型电梯井筒底正截面承载力验算Fig.8Normal section bearing capacity of elevator shaft bottom for half floor entry model187Structural Engineers Vol.39，No.1 Study of Design MethodAsd为垂直穿过结合面的竖向钢筋面积；N为与剪力设计值V相应的垂直于结合面的轴向力设计值。定义n为剪力墙水平接缝受剪承载力比例系数，则有：n=VwjVuE（2）式中，Vwj为各工况剪力墙水平接缝剪力计算值。各荷载工况下，剪力墙水平接缝受剪承载力比例系数的计算结果如图11及图12所示。各墙肢编号情况详见图2及图5。根据模型计算结果，在现行设计标准规定的荷载组合工况下，半层入户模型A电梯井筒剪力墙的水平接缝受剪承载力比例系数 n 均小于0.16；平层入户模型 B 均小于 0.09；“L”形框架柱均小于 0.05，可满足截面水平坐浆缝抗剪强度要求。3 其他关键点处理 从设计、生产、运输及安装全过程分析，装配式钢筋混凝土加装电梯结构的应用尚应处理好以下关键技术问题6。（1）单排钢筋纵向通孔连接技术预制节间混凝土剪力墙及框架柱的竖向纵筋如采用传统的钢筋套筒连接，需要较高的制造精度，否则会造成安装困难，且难以修正。采用直径较大的纵向通孔可以相对放松对钢筋位置的限制，便于现场安装。安装时，上下两节调整对位，竖向钢筋连接完成以后，可向通孔内灌注砂浆。每节砂浆宜灌注至半节高位置，保证坐浆缝处砂浆连续灌注，增强连接整体性。（2）建筑、设备集成一体化产品装配式钢筋混凝土加装电梯应实现最大化的建筑、设备集成生产制造7，尽量减少后期现场安图9平层入户模型电梯井筒底正截面承载力验算Fig.9Normal section bearing capacity of elevator shaft bottom for level entry model图10平层入户模型角部框架柱底正截面承载力验算Fig.10Normal section bearing capacity at the bottom of corner column for level entry model图11半层入户电梯井剪力墙水平接缝受剪承载力验算Fig.11Shear bearing capacity of elevator shaft shear wall joint for half floor entry model图12平层入户电梯井剪力墙水平接缝受剪承载力验算Fig.12Shear bearing capacity of elevator shaft shear wall joint for level entry model188 设计方法与研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期装工作。集成的内容可包括建筑内外饰面、楼面面层、屋面做法、门窗副框等，电梯设备轨道埋件、电梯门预埋件、按钮预留孔等，照明线路预埋、施工平台临时支撑预埋等。（3）通用生产模具应用由于模具的设计、安装与拆卸必须考虑到整体施工过程的可行性与简便性，故标准化设计要求生产模具兼有活动块和固定块，并且分块合理。模具可适应不同尺寸电梯产品的要求8。（4）现场施工可行性因装配式钢筋混凝土加装电梯预制节尺寸较大且偏重，预实施加装电梯小区应有相对富裕的场地空间，且施工时需选用与预制节匹配的运输车辆及起吊机械9。考虑预制节的尺度、重量，大多数预制构件运输车辆可满足要求。如实际应用需求量大，可定制与之匹配的车辆，进一步优化车辆尺寸及行驶要求。制约现场施工的最大因素在于起吊机械。根据表 1 中的预制标准节计算重量，可选用50 t或80 t汽车起重机，相应支腿全伸时的宽度约为 7.1 m 或 7.8 m，最小转弯半径 1112 m。可据此判断现场是否具备施工可能。（5）经济性优势以上海地区绝大多数采用的钢框架形式的加装电梯工程为例，单部加装电梯的造价约为70万元。其中土建费用约为34万元，地上部分约为23万元。如采用装配式混凝土加装电梯结构，综合考虑桩基费用的增加，以及建筑、设备一体化预制，免脚手架、免外墙涂料、铝板等减少费用的因素，单部加装电梯土建成本可节省约4万元，约为总造价的5.7%。因此，采用装配式混凝土结构加装电梯兼具减少后期维修和保养费用的优势。4 结 论 由前文所述可知，装配式钢筋混凝土加装电梯结构，即半层入户形式采用装配式钢筋混凝土剪力墙+悬挑梁结构，平层入户形式采用装配式钢筋混凝土异形柱框架-剪力墙结构，兼具钢框架结构及现浇钢筋混凝土结构的优点，同时又可规避其缺点，广泛适用于既有住宅加装电梯工程。合理设计的装配式加装电梯结构可满足现行标准对结构刚度、强度及延性等要求。装配式钢筋混凝土加装电梯结构应用过程中，应对单排钢筋纵向通孔连接技术，建筑、设备集成一体化，通用生产模具的采用以及现场施工可行性等关键技术点予以充分重视及妥善处理，确保加装电梯工程的实施符合建筑工业化的建造理念。综合前文，既有住宅加装电梯工程采用装配式钢筋混凝土加装电梯结构时，可遵循以下步骤进行结构设计：（1）根据既有住宅现状情况及加装电梯厂家技术要求，确定电梯井道及连廊位置、尺寸、高度等参数；（2）建立电梯结构有限元计算模型，并按既有住宅所在地情况确定具体设计参数；（3）根据计算结果设计各标准预制节内钢筋及竖向通孔内钢筋；（4）设计图纸可按标准化产品采用参数化形式绘制10。参考文献1熊海丰，陈瑞生.既有多层住宅加装电梯结构设计问题分析 J.建筑结构，2020，50（S1）：848-851.Xiong Haifeng，Chen Ruisheng.Analysis on problems about structural design of elevator adding of existing multi-storied residential buildings J.Journal of Building Structure，2020，50（S1）：848-851.（in Chinese）2赵海亮，臧学轲.上海地区既有多层住宅加装电梯问题研究 J.城市建筑，2021，18（18）：131-133.Zhao Hailiang，Zang Xueke.Research on adding elevators in the existing multi-storey residential buildings in Shanghai J.Urbanism and Architecture，2021，18（18）：131-133.（in Chinese）3王建军，熊珍珍，李东彬.既有多层住宅加装电梯可行性评估研究 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S.Beijing：China Architecture and Building Press，2014（in Chinese）7丁建新.浅析既有建筑加装电梯几种入户方案的优缺点 J.中国电梯，2020，31（21）：64-66.Ding Jianxin.Analysis of the advantages and disadvantages of several schemes of passengers to enter the house for installing elevators in existing buildings J.China Elevator，2020，31（21）：64-66.（in Chinese）8夏立荣，刘靖波，李树国.浅谈北京市既有住宅加装电梯存在的问题 J.中国电梯，2020（4）：30-32.Xia Lirong，Liu Jingbo，Li Shuguo.Discussion on the problem of adding elevator in existing residential buildings of Beijing J.China Elevator，2020（4）：30-32.（in Chinese）9肖大平，吴后山，张桂竹.既有建筑加装电梯的地基基础问题与解决方案 J.中国电梯，2019，30（17）：25-28.Xiao Daping，Wu Houshan，Zhang Guizhu.Foundation problems and solutions for installation of elevator in existing buildings J.China Elevator，2019，30（17）：25-28.（in Chinese）10刘玮.既有建筑物加装电梯工程结构施工图典型问题分析 J.建筑结构，2020（S1）：852-856.Liu Wei.Analysis of typical problems in construction drawings of elevator engineering structures for existing buildingsJ.Journal of Building Structure，2020，50（S1）：852-856.（in 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