施钻钻
上海舒汀建筑设计有限公司 201600
摘 要：结合目前上海市既有多层住宅加装电梯钢结构井道实际工程情况，利用ABAQUS有限元分析软件对未设置加劲板、设置加劲板和隔板贯通式梁柱节点进行有限元分析，对比了三种节点的优缺点及受力性能；并根据实际工程受力情况对节点进行受力分析，表明未设置加劲板的梁柱节点在实际工程中拥有较大的安全储备，为实际工程设计提供了参考。
关键词： 加装电梯 有限元分析 梁柱节点 隔板贯通式节点
一 概述
近年来，上海市政府十分重视城市老龄化的问题，积极推进9073工程，落实社区老年人居家养老。截至2020年底，上海60岁及以上老年人口已经达到533.49万人，占户籍总人口的36.1%。随着人口老龄化的加剧，居家养老成为迫在眉睫的需求，然而大批2014年之前的住房，尤其是上世纪八九十年代建的大量老公房，多为六层、七层的，都没有安装电梯，给老年人的出行带来了巨大的困难。从2019年开始，上海市开始大力推广既有多层住宅加装电梯工程，并将这项工作列为政府实施项目和民心工程。相继出台了《关于进一步做好本市既有多层住宅加装电梯工作的若干意见》、《上海市既有多层住宅加装电梯技术文件编制导则（试行）》等一系列文件。截至目前，上海大约完成了1000个门洞的加装电梯工作，这些加装电梯工程绝大多数都是在既有住宅楼梯间外侧增加电梯井道和电梯厅，结构形式有钢框架结构体系，也有混凝土框架剪力墙结构。基础多采用锚杆静压桩+筏板的基础形式，外立面多采用干挂带有氟碳喷涂涂层的铝板。
在上海既有多层住宅加装电梯工程实践中，绝大多数增设的电梯采用6柱钢框架结构体系，钢梁与钢柱均采用方钢管，且钢梁与钢柱截面宽度相同，梁柱截面基本为200×200×8mm。如图1。在整体计算时采用YJK软件进行建模计算，梁柱节点均定义为刚接。为了达到梁柱刚接的目的，根据上海市目前执行的《上海市既有多层住宅加装电梯技术文件编制导则（试行）》的要求，框架梁柱应采用全熔透对接坡口焊，达到二级焊缝要求；并在梁端上下各设置两块三角形加劲板，加劲板与钢梁钢柱腹板对齐，采用坡口焊。加劲板尺寸不宜小于150mm×150mm，厚度取梁、柱板厚较小值。梁柱连接节点见图2。采用图2形式的梁柱节点可以很好的保证节点刚性，但是该节点处焊缝密集，在方钢管柱角部有重叠的熔透焊缝，实际加工的连接节点见图3。通过图3可知，实际节点大量焊缝重叠，加劲板设置位置过多，加劲板设置焊缝施焊困难，且侯梯厅位置部分区域无法设置加劲板。
由于既有多层住宅加装电梯是一项民心工程，首要保证的就是结构安全，但也应适当考虑施工的便捷性。尽量减少施工周期，以减少施工过程中对居民生活的干扰。本文在考虑上海市加装电梯工程实际的情况下，通过对实际工程情况下的节点进行受力分析，并对梁柱节点提出优化建议。
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图3 方钢管梁柱节点
二 梁柱节点受力分析
为了更好的研究既有多层住宅加装电梯钢框架梁柱节点的受力性能，采用ABAQUS有限元分析软件对200×200×8mm方钢管连接节点进行受力分析，分别建立设置加劲板和未设加劲板两个模型，见图4。有限元模型材料本构采用双线性模型，不考虑材料屈服后的强度提升，屈服强度235MPa，分析模型采用C3D8R单元。C3D8R单元为8节点六面体线性减缩积分单元，与完全积分单元相比，线性减缩积分单元仅在单元中心包含一个积分点， 线性减缩积分单元有以下优点：在弯曲荷载下不易发生剪切自锁现象；对位移的求解结果比较精确；网格存在扭曲变形时，分析的精度不会受到太大的影响。
图5为应力分析云图，通过分析可见，通过设置加劲板可以有效限制梁柱节点区域的应力发展，加劲板达到屈服后，梁柱节点区域基本还处于弹性状态。
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图6 节点分析荷载-位移曲线
目前绝大部分既有多层住宅加装电梯的楼层数为六至七层，综合选取比较有代表性的10个已完成项目，通过调取原计算结果中梁端最大包络弯矩。发现钢结构井道框架梁端最大包络弯矩为45kN*m，并考虑1.2倍的安全系数，取计算分析设计荷载54kN*m。按照实际荷载对无加劲板模型进行分析。通过图6可知，节点弯矩达到54kN*m时，未设置加劲板节点仍处于弹性状态且实际刚度与设置加劲板节点的刚度相差不大。应力分析结构见图7，最大应力仅为89MPa，节点区域绝大部分应力仅为50MPa，节点安全储备充足。
通过以上分析可知，在目前上海地区既有多层住宅加装电梯项目的工程实践中，框架梁端的弯矩均较小，在不设置节点加劲板的情况下仍可以满足安全和构造要求。同时，参考各商业综合体以及机场、高铁站在内的各种钢结构电梯井道（图8），方钢管柱和梁之间的连接节点可以不再设置加劲板。
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三 改进的梁柱节点分析
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010 2016年版）中8.3.4条要求，梁与柱的连接宜采用柱贯通型；柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时宜采用箱形截面，并在翼缘处设置隔板；箱形柱在与翼缘对应位置设置的隔板，应采用全熔透对接焊缝与壁板连接。然而由于上海市既有多层住宅加装电梯钢框架井道梁柱多采用200×200×8mm方钢管，截面尺寸较小无法在节点处设置内隔板，但可以采用隔板贯通式节点，在工厂加工梁柱节点，预留悬臂段，将拼接焊缝外移并省去节点上下加劲板。隔板贯通式节点实际工程样式见图9，详图见图10。
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通过有限元分析得到隔板贯通式节点荷载-位移曲线，见图11。通过图11可见，隔板贯通式节点刚度与未设置加劲板节点基本一致均小于设置加劲板节点，但隔板贯通式节点随荷载增加刚度降低很小，整个节点一直处于基本弹性状态。应力分析结果见图12，节点悬臂端达到大面积屈服时，节点处仅在两块隔板之间出现局部屈服，可以达到强结点弱构件的抗震要求。
通过以上分析隔板贯通式节点的刚度要小于设置加劲板的节点，但是考虑到上海地区既有多层住宅加装电梯钢结构井道自身承受的荷载一般较小，并且由于钢结构井道自重很轻，地震不起控制作用；另外隔板贯通式节点随荷载增加刚度降低很小且整体的承载力要优于不设置加劲板的节点；隔板贯通式节点也可以满足《建筑抗震设计规范》的梁柱连接构造要求，因此隔板贯通式梁柱节点完全可以应用在既有多层住宅加装电梯的工程实践中。
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四 结论
通过对既有多层住宅加装电梯钢框架节点进行有限元分析，对比了未设置加劲板节点、设置加劲板节点以及隔板贯通式节点三种节点受力性能并根据实际工程荷载进行节点分析，得到以下结论：
1、设置加劲板可以有效增加梁柱节点刚度，整个节点受力集中在上下加劲板上，节点区处于弹性状态。这种类型的节点刚接性能优异，节点承载力很大，但是焊缝重叠多，实际加劲板焊接困难。
2、综合考虑多个已完成的上海地区既有多层住宅加装电梯项目，未设置加劲板梁柱节点仍具有较大的安全储备，梁柱节点在实际荷载下可以保持弹性，在保证焊缝质量情况下可以不设置上下加劲板。
3、隔板贯通式节点可以避免焊缝集中，节点刚度随荷载增加降低很小,整体受力性能满足需求，且可以符合相关规范要求，建议在实际工程中进行实践探索。
参考文献
【1】 《上海市既有多层住宅加装电梯技术文件编制导则（试行）》
【2】 李星荣，秦斌：《钢结构连接节点设计手册》（第四版）[M]，中国建筑工业出版社，北京，2019年
【3】 何东. 加强型空间方矩管相贯节点静力性能研究[D]. 东南大学硕士学位论文，2010