上海市既有多层住宅加装电梯结构H型钢应用分析与设计

Analysis and Design of H-Shaped Steel Application in Adding Elevator Structures for Existing Multi-Story Dwelling Buildings in Shanghai

摘要

本文针对方钢管加装电梯结构后评估过程发现的问题，对比不同体系的优缺点，研究采用H型钢加梯结构的技术可行性。通过对不同入户形式、楼层、地面粗糙度类别等多因素、多水平的模型整体指标分析，得到不同条件下H型钢结构的最优构件截面。经承载力计算及有限元分析，验证连接节点的安全性。对罕遇地震下加梯结构的受力性能、半层入户底层刚度计算方法等重点问题进行专项分析。以某实施工程为例评估H型钢加梯结构的经济性。分析结果表明：H型钢加装电梯结构具有构件连接方式简单、易于检查和维护、装配化程度高、现场施工便捷等优势；合理设计的H型钢加装电梯结构可满足现行规范的设计要求，构件变形及应力水平较低；半层入户加梯结构底层采用考虑层间梁刚度的剪弯刚度统计刚度比更为合理；构造合理的栓焊或全螺栓形式的柱连接、梁柱连接节点可满足受力要求；H型钢加装电梯结构比方钢管结构略具经济性优势。本文的研究成果可作为《既有多层住宅加装电梯结构H型钢应用分析与设计指南》编制的技术储备。

Abstract

Based on the problems found in the post-evaluation process of the square steel pipe adding elevator structure and comparing the advantages and disadvantages of different systems， the technical feasibility of adopting H-shaped steel adding elevator structure is discussed. By analyzing the overall index of the model with different entry forms， floors， ground roughness categories and other multi-factors and multi-levels， the optimal member cross section of H-shaped steel structure under different conditions is obtained. The safety of the connection joints is verified by bearing capacity calculation and finite element analysis. Special analysis is carried out on key issues such as structural performance of adding elevator structure under rare earthquake and calculation method of stiffness of the bottom floor of half-floor entry. An implementation project is used to evaluate the economy of H-shaped adding elevator structure. The analysis results show that： the H-shaped adding elevator structure has the advantages of simple connection， easy inspection and maintenance， high degree of assembly， and convenient on-site construction； the reasonably designed H-shaped adding elevator structure can meet the design requirements of the current code， and the deformation of the components and the level of stresses are low； it is more reasonable to use the shear-bending stiffness statistical stiffness ratio of the bottom floor of the half-floor entry structure with the consideration of the stiffness of the beams in the interstorey； reasonably constructed bolted-welded or fully bolted column connections and beam-column connection joints can meet bearing requirements； H-shaped adding elevator structure has a slight economic advantage over square steel tube structure. The research results of this paper can be used as the technical reserve for the preparation of design guidelines.

Graphical abstract

关键词

加装电梯 / 半层入户 / 平层入户 / 连接节点

Key words

adding elevator / half-floor entry / level entry / connection joint

0 引 言

上海作为中国最大的城市之一，其住宅区承载着庞大的人口密度，同时上海也是中国最早进入老龄化社会的城市之一。这一趋势使得既有住宅的无障碍改造变得尤为迫切，尤其是对于那些没有电梯的老式多层住宅。此类住宅主要分布在中心城区，其中居民老龄化程度较高，加装电梯的需求强烈。既有多层住宅加装电梯可大幅提高居民出行的便利，是应对人口老龄化、改善住宅垂直交通、提升居住品质的重要民生工程。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^［1］和导则。

鉴于老旧小区的建筑年限久远，多为砖混结构且材料强度低，加装电梯通常采用与原建筑分离的方案。经过近些年的实践，上海市加装电梯的研究与应用中出现过现浇混凝土井道、现场焊接钢结构井道、现场吊装成品钢结构井道等技术，工程应用实践取得了一定成果^［2］，有力地推动了加装电梯的发展^［3］，得到了政府和用户的支持。目前，上海市已完成的加装电梯项目绝大多数采用方钢管框架结构。

自2011年上海市启动既有多层住宅加装电梯工作以来，先期建造完工的电梯已使用近十年，钢结构井道和电梯设备已进入检测和维修保养周期，为准确、全面、系统地掌握加装电梯项目的使用运行安全情况，相关单位进行了后评估研究。评估研究的重要成果就是发现已完成的加装电梯中存在一些隐患问题^［4］。本文在方钢管框架加装电梯结构后评估基础上，针对其存在的固有缺陷^［5-6］，探索采用H型钢结构的可行性^［7］。通过对两种结构形式的优缺点分析，全面掌握H型钢加装电梯结构的特点。研究内容包括体系整体指标计算、构件最优截面选取、连接节点分析、重点问题解析及经济性对比等，为主管单位编制上海市《既有多层住宅加装电梯结构H型钢应用分析与设计指南》，确保H型钢加装电梯结构的推广应用提供技术储备和支撑。

1 结构体系优缺点分析

1.1　方钢管结构后评估问题

前期完成的加装电梯绝大多数采用方钢管框架结构，这种结构形式有其自身的优势，同样存在一些固有问题^［8］。方钢管结构的优势主要体现在：

（1） 方钢截面各向同性，结构无明显强弱轴区别，体系安全可靠。

（2） 构件外壁平整，便于附属墙板或设备构件的连接，同时，防火、防腐涂层施工面积小，施工便捷，无阴角，施工难度小。

方钢管结构的劣势主要包括：

（1） 方钢管内部为封闭结构，管壁内侧无防腐保护，其腐蚀、损伤情况不宜检测，也难于维护。施工中经常出现因外包柱脚施工过程缺乏保护造成钢管敞口露天的情况，易因雨水天气导致内部积水，后期亦无有效的排水措施，雨水会加速钢板腐蚀。同时，现场焊接的钢柱拼接位置也会成为渗水的薄弱环节。

（2） 方钢框架的梁、柱均采用焊接连接，焊缝长；对于需要现场焊接的情况，方形截面无法避免仰焊或竖向焊缝，对人工操作要求高，工期长，且无法保证焊接质量。

（3） 由于受力要求，方形截面连接节点构造复杂，例如梁柱节点拼接时需三角形加劲板、梁悬挑时需要加强盖板、梁端或柱顶需要盖板、悬挑雨篷梁根部需要加劲板等情况，大量的加强板均需与钢管焊接，极大增加了焊接工作量，某些构造还会对其他构件的布置产生影响。

（4） 即便采用工厂预制也无法避免现场焊接安装环节，且现阶段方钢管框架加梯结构多采用现场拼接的施工方式，结构装配化程度低，与现阶段大力提倡的绿色、低碳理念不符。

（5） 施工周期相对较长，对居民生活产生干扰。

部分方钢管加梯结构施工问题如图1所示。

1.2　 H型钢加装电梯结构优缺点分析

针对方钢管加梯结构存在的问题，有必要探索新的结构形式。考虑到单一的结构形式不利于技术的更新、升级，且现行的标准同样不局限于一种结构形式，在确保安全、力求经济、方便维保的指导方针下，H型钢加装电梯结构成为一种新的选择。相对于方钢，H型钢的优势体现在：

（1） 构件拼接方式简单，受力直接、可靠，无需过多加强构造。

（2） 所有板件均外露、可见，无构造死角，方便检查、维护。

（3） 现场安装可采用高强螺栓连接，装配化程度高，现场施工便捷，工期短，减少扰民。

与此对应的H型钢结构的劣势在于：

（1） 截面不同方向性质不同，强弱轴截面惯性矩相差明显，弱轴方向刚度差距大；

（2） 外露面不平整，防火、防腐涂层施工相对复杂，涂层面积大。

采用H型钢结构加装电梯的现场施工情况详见图2。

2 整体性能指标及最优截面分析

2.1　典型加装电梯布置形式

为尽可能覆盖H型钢加装电梯结构的应用场景，选取普遍采用的平层及半层电梯布置典型案例作为研究基础^［9］，其结构如图3所示。分析模型考虑楼层数和地面粗糙度两个关键参数，选取6层和7层以及地面粗糙度为B类和C类的两种指标水平，分别对平层及半层入户的典型加装电梯结构案例进行整体指标及最优构件截面的计算和统计。

2.2　分析前置条件设定

考虑H型钢产品采购的经济性和加装电梯结构的适用截面尺度，分析主要采用表1所列国标热轧H型钢截面。同时，为与现阶段普遍采用的方钢管截面对比，表中同时列出常见方钢管截面参数。

由表中数据可见：

（1） 相对于方钢管截面的各项同性，框架柱选用H型钢截面呈现明显强弱轴特征，所选柱截面强弱轴惯性矩比值约为3，梁截面约6（HM）或13（HN）。

（2） 梁截面宜优选GL1和GL2，一方面可与GZ1、GZ2截面尺寸更好匹配，另一方面对比GL2和GL3，GL2可以更轻的重量提供更大的截面惯性矩，同时GL1、GL2梁高相差106 mm，与钢柱GZ的拼接节点构造更为合理。

研究采用的钢梁截面以GL1、GL2为主，当建筑净高较难满足时可采用GL3截面。

适用于上海市既有多层住宅加装电梯的设计参数详见表2。

平层及半层入户典型加装电梯结构分析模型的平面布置图如图4和图5所示。

以6层平层入户模型为例，构件布置情况见表3。表中模型编号中H表示H型钢，F表示方钢管截面，6或7代表楼层数，B或C代表地面粗糙度。

计算模型的整体指标汇总详见表4。由此表可知：

（1） 6层平层入户加梯模型的总整体指标均满足现行标准的相关规定。

（2） 由周期计算结果可以看到，与方钢管截面不同，H型钢结构的基本振型是沿2跨（弱轴）方向的平动。考虑H型钢翼缘的厚度较方钢管截面大，强轴方向截面惯性矩强于方钢管，刚度更大，平动周期相应减小；同时，框架柱弱轴方向刚度减小较多，对应平动周期加长，造成两方向平动模态交换变化。

（3） 由地震及风荷载作用下楼层位移及层间位移角的计算结果可以看到，相同工况强轴方向H型钢框架楼层变形小于方钢管框架，弱轴方向大于方钢管框架，与表1中构件刚度特征一致；风荷载工况仍然为变形控制工况，H型钢框架结构的层间位移角达到1/300限值。

（4）由楼层剪力的计算结果可知，H型钢与方钢管截面结构的楼层质量、振动特性相差不大，结构挡风面积大致相同，楼层剪力基本一致。

（5） H6C优为最优构件截面方案，H型钢与方钢管截面结构的用钢量差距不大，无任一形式具备明显经济性优势。

2.3　最优构件截面选取

将上述模型整体指标分析和最优截面方案推广到7层平层、6层和7层半层入户案例，经全面的指标对比分析，H型钢加装电梯结构推荐采用表5所列构件截面。实际工程中，平面尺寸、自重、标高等不同时，应根据计算结果确定构件截面尺寸。

3 框架连接节点安全性分析

3.1　柱-柱连接节点构造及受力分析

H型钢柱宜采用现场分段拼装，通常分为三段，除首层预埋段钢柱拼接接头外，宜三层一拼接。拼接位置应位于框架梁顶面以上1.2~1.3 m处。参照《钢结构设计手册》（第四版）^［10］，等截面柱拼接节点有三种，分别是全熔透焊接拼接、栓焊拼接和全螺栓拼接。其中，加梯项目常用栓焊拼接，即翼缘采用等强全熔透焊，腹板采用高强螺栓连接。为进一步减少现场焊接作业，钢柱也可采用全螺栓拼接。钢柱吊装定位后，只需安装螺栓固定，待楼层安装完毕，对高强螺栓进行终拧，快速完成安装。该节点传力合理可靠、制造标准化、施工精度高、安装灵活便捷，适用于装配式钢结构建筑。

针对栓焊及全螺栓连接方式，采用IDEA StatiCa程序建立连接节点有限元模型，如图6所示。以截面为HW200×200×8×12的钢柱为例，其连接节点承载力验算详见表6，采用不同连接方式的节点最大主应力计算结果详见图7、图8。根据分析结果，栓焊连接节点板件局部最大主应力为291.3 MPa，全螺栓连接节点板件局部最大主应力为303.9 MPa，各构件及连接材料强度均满足要求。为保证现场拼接节点质量，要求底部框架钢柱与外包柱脚钢柱的连接采用栓焊形式；其他部位宜采用栓焊连接，可采用全螺栓连接。经验证，采用合理构造的推荐柱截面HW 250×250×9×14也可满足连接强度要求。

3.2　框架梁、柱连接节点构造及受力分析

按照《钢结构设计手册》（第四版），H型钢梁-柱刚接方式有全焊连接、栓焊连接以及梁悬臂段全焊拼接、栓焊拼接、全螺栓拼接等形式。以柱截面HW200×200×8×12、梁截面HM244×175×7×11为例，梁、柱连接节点的承载力验算如表7所示。由表可见，采用合理构造的推荐梁、柱连接节点可满足强度承载要求。

4 重点问题分析

4.1　罕遇地震工况加梯结构性能

采用SAUSAGE v2023进行模型大震非线性分析，校核结构大震性能水平。计算选用《建筑抗震设计标准》（DG/TJ 08-9—2023）中推荐的1条人工波SHW8和2条天然波SHW10、SHW11。主方向加速度为200 gal，次方向为170 gal。以H6B模型为例，由表8的计算结果可知，大震楼层最大位移角计算值均小于1/50，满足规范大震层间位移角限值要求。

图9为H6B模型在地震波SHW11罕遇地震工况下，钢材应变ε_s/屈服应变ε_y的计算结果。由图可知，大震工况结构仅底层柱脚处钢材应变发展接近屈服应变，但并未达到屈服，构件均处于弹性状态。以H7B模型在地震波SHW11的双向地震工况下的能量图为例，由图10可知，大震工况结构处于弹性状态，以阻尼耗能为主。

4.2　半层入户底层刚度计算方法

半层入户加梯结构相对于平层形式，结构刚度降低半层，约1.4 m。两者的主要差别在于半层入户加梯结构楼面需与既有住宅楼梯半平台对齐，则底层层高较高，一般约4.2 m。由于底层与上一层层高相差较大造成刚度突变软弱层。现阶段，对底层刚度计算的一般要求是需按上海抗震设计标准中规定的剪切刚度，同时计算高度取整层层高。不采取针对性措施的半层入户加梯结构的底层均会判定为侧向刚度不规则的薄弱层。为避免软弱层的产生，常见处理方式是在底层电梯井的3面（除电梯门所在面）设置支撑，详见图3。这种刚度计算方式和增加支撑的处理方式并不符合结构实际受力特征，而且缺乏规范依据，主要体现在：

（1） 加梯结构不同于一般形式，仍采用剪切刚度计算楼层刚度，完全忽略层间梁的约束作用，与结构实际受力情况不符；

（2） 增设支撑后，由于设置的不对称，刚度偏向电梯井一侧，明显增加结构扭转变形，位移比增大；

（3） 钢框架+支撑结构的楼层刚度仍按剪切刚度计算的方式缺少规范依据，对支撑在剪切刚度计算中的贡献无明确计算方式。

由图11的计算结果可以看到，在双向地震工况下，底层框架柱因层间梁的约束，柱内均出现反弯点，层间梁的刚度作用不应忽视。

为真实考察结构的破坏过程、评估性能水平，以模型H7B-CL（底层无支撑）及H7B-CC（底层设置支撑）对底层设层间梁和支撑的2组模型进行推覆PUSHOVER分析。水平荷载按规定水平力方式施加，考虑P-Delta效应，位移角达到1/5终止。

由计算结果可知：

（1） 是否设置支撑对结构在大震性能点时位移角没有影响，结构整体变形趋势一致。

（2） 结构在大震性能点时处于弹性状态，无损伤发生。

（3） 图12、图13分别为沿X、Y向推覆时，2组结构损伤开展过程。由图可知，2组模型X向推覆时构件损伤发展过程基本一致，经历连廊2层梁损伤开始→连廊梁损伤上下发展→连廊柱脚→电梯井梁→电梯井柱脚的过程；Y向推覆时模型经历2层梁损伤开始→连廊柱脚→连廊梁→电梯井柱脚→电梯井梁的过程，2组模型的区别在于底层有支撑H7B-CC模型的损伤集中在2层以上部位，而模型H7B-CL在底层区段也有开展；2组模型即便在变形较大的推覆后期，构件也均为轻微损伤，损伤程度低，构件抗震性能较好。

由上述分析可知：层间梁的刚度贡献不可忽略，结构仅考虑层间梁的刚度已可满足底层刚度需求，底层与上层刚度比的计算方式需根据实际情况调整。因支撑无法对称设置，会造成底层刚度偏心，底层位移比大于1.4。虽然按照现行标准的规定在位移角小于限值0.4倍时，位移比可放宽到1.6，但刚度偏心带来的不利影响会导致连廊侧梁柱构件的率先损伤。相对地，不设置斜撑，仅设层间梁时，位移比可控。

参考规范对不同刚度比计算方法的解释，且现阶段主流软件计算有层间梁的楼层剪切刚度时，仅考虑最下层层间梁以下的竖向构件，与实际情况不一致，则半层入户加梯结构建议采用考虑层间梁刚度的剪弯刚度比形式。

5 体系经济性对比分析

以上述宝山区某6层住宅加梯项目为例，假定除上部井道及连廊外，如原有设施拆除及迁改、打桩、电梯基坑、上部井道及连廊外饰面、楼层饰面、室外踏步、坡道、信报箱、绿化修复等各项费用均相同。H型钢框架与方钢框架截面对比如表9，钢结构部分成本对比分析见表10。

根据对比结果，综合考虑材料和施工成本后，H型钢比方钢略有经济优势。另外考虑到H型钢后期维护成本相对较低，在全生命周期过程中，H型钢能提供更低的综合成本。

6 结 论

本文通过对H型钢加装电梯结构优缺点分析、整体性能水平计算评估、最优构件截面选取、梁柱拼接节点计算、电梯建设全过程经济性对比等研究内容，全面掌握了H型钢加装电梯结构的体系特点，得出以下结论：

（1） H型钢加电梯结构具有构件拼接方式简单，受力直接、可靠，无需过多加强构造；所有板件均外露、可见，无构造死角，方便检查、维护；装配化程度高，现场施工便捷，工期短，减少扰民等优势，应作为主要选择的结构体系，鼓励推广应用。

（2） 通过对不同入户形式结构进行多因素、多水平的整体计算分析，可知正确设计的H型钢加装电梯可满足现行规范、标准三水准二阶段的设计要求，构件变形及应力水平较低；即使在罕遇地震工况，构件仍处于弹性工作范围。

（3） 仅考虑层间梁的刚度贡献已可保证底层刚度不产生突变，不对称支撑的设置会加剧结构的扭转效应；底层采用考虑层间梁刚度的剪弯刚度统计刚度比更为合理。

（4） 合理设计的栓焊或全螺栓形式的柱拼接及梁柱拼接节点可满足受力要求，符合现行规范、标准规定。

（5） 通过与目前阶段常用的方钢管截面加梯结构的经济性对比，H型钢加装电梯体系略具优势，不会增加居民的加装电梯投入。

参考文献

[1] 上海市房地产科学研究院，上海市房屋安全监察所（上海市住宅修缮工程质量检测中心）.上海市工程建设规范：既有多层住宅加装电梯技术标准：DG/TJ 08-2381—2021［S］.上海：同济大学出版社，2021.

[2] Shanghai Real-estate Science Research Institute，Shanghai Building Safety Supervision Office （Shanghai Residential Building Renovation Engineering Quality Testing Center）.Shanghai engineering construction standard：Technical standard for elevator installation in existing multi-stories dwelling building：DG/TJ 08-2381—2021［S］.Shanghai：Tongji University Press，2021.（in Chinese）

[3] 马泽峰，王平山，李承铭.通孔灌浆连接预制混凝土加装电梯结构设计方法研究［J］.结构工程师，2024，40（2）：192-201.

[4] MA Zefeng，WANG Pingshan，LI Chengming.Research on design method of precast concrete structures retrofitting with elevators using through-hole grouting connection［J］.Structural Engineers，2024，40（2）：192-201.（in Chinese）

[5] 马泽峰，方林，李承铭.装配式钢筋混凝土加装电梯结构设计［J］.结构工程师，2023，39（1）：184-190.

[6] MA Zefeng，FANG lin，LI Chengming.Design of assembled reinforced concrete adding elevator structure［J］.Structural Engineers，2023，39（1）：184-190.（in Chinese）

[7] 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.

[8] ZHAO Hailiang，ZANG Xueke.Research on adding elevators in the existing multi-storey residential buildings in Shanghai［J］.Urbanism and Architecture，2021，18（395）：131-133.（in Chinese）

[9] 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.

[10] 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）

[11] 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.

[12] LIU Wei.Analysis of typical problems in construction drawings of elevator engineering structures for existing buildings［J］.Journal of Building Structure，2020（S1）：852-856.（in Chinese）

[13] 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［J］.建筑科学，2020（5）：1-6.

[14] WANG Jianjun，XIONG Zhenzhen，LI Dongbin.Study on feasibility assessment of elevator installation in existing multi-storey residential buildings［J］.Building Science，2020（5）：1-6.（in Chinese）

[15] 黄斯拜，李伟龙，李东彬，某既有多层住宅增设电梯工程分析［J］.工程建设与设计，2020（9）：3-6.

[16] HUANG Sibai，LI Weilong，LI Dongbin，et al.Case analysis of adding elevators to an existing multi-storey residence［J］.Construction & Design For Project，2020 （9）：3-6.（in Chinese）

[17] 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.

[18] 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）

[19] 但泽义，柴昶，李国强，钢结构设计手册［M］.四版.北京：中国建筑工业出版社，2019.

[20] DAN Zeyi，CHAI Chang，LI Guoqiang.Manual of steel structure design［M］.Fourth Edition.Beijing：China Architecture & Building Press，2019.（in Chinese）