摘 要：电梯是车站乘客首选的无障碍乘降重要工具。文章从分析电梯钢结构受力影响因素出发，创新性采用参数化的有限元计算方法，通过访问SAP2000 COM接口，运用.net平台开发了一种车站新型电梯钢结构计算校核软件。通过使用该软件，并通过识别不同运行工况，快速输出车站电梯钢结构工艺布置图纸，大幅提高车站电梯设计效率。
关键词：透明井道电梯钢结构;有限元分析;SAP2000
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0091-04
Auxiliary Design Method for Steel Structure of Station Barrier Free Transparent Shaft Elevator
WEI Xuan
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd， Wuhan 430063， China）
Abstract： Elevator is the preferred important tool for station passengers to get on and off without obstacles. Starting from the analysis of the stress influencing factors of elevator steel structure， this paper innovatively adopts the parameterized finite element calculation method， and uses the. net platform to develop a new type of software for calculating and checking elevator steel structure in stations by visiting the SAP2000 COM interface. By using the software and identifying different operating conditions， the process layout drawings of station elevator steel structure can be quickly output， which greatly improves the design efficiency of station elevator.
Keywords： transparent shaft elevator steel structure; finite element analysis; SAP2000
0 引 言
电梯作为提升旅客服务质量，电梯是乘客首选的无障碍乘降工具，电梯是乘客首选的无障碍升降工具，是车站提升旅客服务质量的重要标志之一。电梯井道形式容易随着车站建筑方案发生变化。同时，钢结构井道电梯是电梯井道工艺布置的其中一种。
车站电梯主要由电梯设备、电梯井架及玻璃幕墙等组成。电梯设备主要由主机、控制柜、牵引装置、轿厢、对重装置、导轨、门系统及各种安全装置等主要部件组成。电梯井架主要由井架立柱、横梁焊接而成，玻璃幕墙通过五金挂件安装在井架上。电梯部件承载力以及外界物理受力均加载至钢结构上。钢结构选型及受力分析至关重要。
本文分析了电梯钢结构受力分析影响因素，采用参数化的有限元计算方法，通过SAP2000 COM，运用.net平台开发了一种铁路车站新型电梯钢结构计算校核软件。
1 电梯钢结构受力分析影响因素
1.1 钢结构分类
车站电梯作为无障碍通行的重要设备，由于受到景观、用地界、换乘方式等多方面影响，与土建接口位置均不同，导致了钢结构约束类型、受力模型受到巨大影响。
电梯安装位置主要分为站内、出入口等，根据安装位置及支撑形式的不同，电梯钢井架主要有以下几种类型，如图1所示。
上述几种类型的安装形式一般布置在：
（1）底部+中部支撑：该类电梯一般安装在高架站厅-站台层或出入口处。
（2）底部+顶部支撑：该类电梯一般安装在地下站厅-站台层。
（3）底部支撑：该类电梯一般安装在物业、出入口处。
（4）底部+中部+顶部支撑：该类电梯一般安装在地下站厅-站台层。
1.2 材料形式
GB50017《钢结构设计规范》第3.3.3条指出：“承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。”在焊接结构中，建筑钢的焊接性能主要取决于碳含量，碳的合适含量宜控制在0.12%～0.2%之间，超出该范围的幅度愈多，焊接性能变差的程度愈大。因此，对焊接承重结构尚应具有碳含量的合格保证。A级钢在保证钢材力学性能符合GB/T700《碳素结构钢》规定情况下，碳、硅、锰含量不作为交货条件，各牌号A级钢的冷弯试验在需方有要求时才进行，A级钢不进行夏比（V型缺口）冲击试验，因此，A级钢不宜用于焊接结构。因此电梯钢井架龙骨的焊接型材采宜用Q345B级钢。
1.3 型式形状及尺寸
目前市面上常见的方管型号如表1所示。
方管的型号根据受力计算的结果选取，地铁电梯常用上中后6种。
1.4 电梯钢结构受力类型
由于车站透明井道电梯一般处于室内环境，故本次暂不考虑雪压，钢结构主要承受以下载荷：
（1）电梯运行载荷：
1）重力。如图2所示，电梯钢结构主要承担主机、整个轿厢、乘客、导轨以及平衡对重的重量，在模型中将此载荷当作静载处理。
2）动载荷。因轿厢、乘客与配重重量不均衡导致的动载荷。
（2）玻璃幕墙及井架重力：钢结构及幕墙自身重力载荷。井架钢结构重力载荷在设计时根据钢材选型进行计算。按照JGJ102《玻璃幕墙工程技术规范》，夹胶玻璃的密度约为25.6 kN/m3，10 mm+10 mm的夹胶玻璃自重约为1 kN/m2。
幕墙的自重按照GB50009《建筑结构荷载规范》表A.1可按自重的120%～130%取值，即1.3 kN/m2，亦在表中所示的1.0～1.5 kN/m2之间。
（3）地震：钢井架地震作用参照现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，按照区域划分进行地震载荷的选取。在钢井架模型中，通过施加最不利作用方向的惯性力来模拟地震载荷。根据电梯所在地区的设防烈度等级及地震加速度，依据JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》，确定水平地震影响系数最大值αmax。依据JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》，5.3.4条款要求确定动力放大系数βE。
分布水平地震作用标准值计算公式为：
qEAk=αmax×βE×（Gk/A）/1 000
其中，Gk/A为幕墙单位面积自重=1.3 kN/m2。
（4）风载荷：对于布置在站内的钢井架，一般不考虑风载荷。对于出入口或高架站车站站厅至站台的透明井道电梯，需要考虑风载荷的因素。根据《建筑结构荷载规范GB50009-2012》选取风载荷值和基本风压。
GB50009《建筑结构荷载规范》规定，对垂直于建筑物表面的风荷载标准值，当计算主要承重结构时应按下式计算：
Wk=βzμsμzW0
式中：Wk为风荷载标准值，N/m2;βz为高度z处的阵风系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;W0为基本风压，N/m2。
（5）组合载荷：根据电梯安装形式，结合钢井架预埋件设置位置及固定形式，确定钢井架力学模型。根据确定的钢井架力学模型，输入力学参数及约束情况，计算钢井架受力。此过程一般通过软件完成。
JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》规定：荷载和作用所产生的应力或内力设计值的常用组合如表2所示。
2 总体设计思路
电梯钢井架由立柱、横梁构成，电梯所受的载荷主要通过导轨传递到钢井架的横梁及立柱上，再传递到土建结构上。故横梁及立柱的几何尺寸及分布影响着电梯-钢结构力学体系，同时也是电梯安装工艺施工图不可或缺的一部分。
SAP2000于1996年问世，它是SAP产品系列中第一个以Windows视窗为操作平台的程序，拥有强大的可视界面和便捷的人机交互功能，其集成了多种通用结构设计功能，包含了钢框架、水泥等多种型材的建模、设计和分析，在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构软件。
同时，SAP2000具有COM接口，主程序内嵌API插件，可使用C#调用SAP2000的内部函数完成钢结构的受力模型的快速建模，同时，其可导入AutoCad模型，方便其在线编辑使用。本次通过COM接口操作SAP2000，快速建立力学模型，并将分析计算结果作为Autocad COM接口的输入单元，即可完成车站无障碍透明井道电梯工艺图纸的快速输出。
整体技术路线如图3所示。
3 电梯钢结构参数化建模
3.1 力学模型建立
电梯钢结构主要由立柱和横梁构成，其主要为薄管状截面，只需定义宽度、深度以及厚度即可。立柱通常在现实安装过程为4根，而横梁位置则主要通过玻璃安装位置、楼层数量、门洞高度等参数来确定。根据电梯安装规范要求，横梁间距不应大于2 500 m，则可通过图4中的方法实现横梁的自适应建模。
实现代码为：
For（int i = 0; i < TJParam.DT_Ceng_Num; i++）
{
//添加第一根梁
ret = SapModel.FrameObj.AddByCoord（0， 0， TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000， 0， TJParam.DT_JDK， TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000， ref temp_string2， “Beam”， “1”， “Global”）;
//添加第二根梁
……
//判读间距是否大于2500
if（（TJParam.DT_Ceng_G[i + 1] * 1000 - TJParam.DT_Ceng_G[i] * 1000 >= TJParam.DT_MD_H + 2500））
{
Do something…..
}
}
3.2 组合载荷的添加以及最大位移校核
3.2.1 组合载荷的添加
钢结构在受力计算时需要考虑重力载荷、风载荷以及地震载荷，由于车站位置通常不会受到雪载荷的干扰，故为了建模方便，只需考虑地震载荷以及重力载荷，根据规范定义共有两种工况需要考虑：重力、重力+地震，同时根据权值系数，又分为如表3所示的3种工况。
实现代码为：
ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB1”， 0）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB1”， 0， “dead”， 1.2）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB1”， 0， “qk”， 0.65）;
ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB2”， 0）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB2”， 0， “dead”， 1.2）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB2”， 0， “qk”， 0.5）;
ret = SapModel.RespCombo.Add（“COMB3”， 0）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB3”， 0， “dead”， 1.35）;
ret = SapModel.RespCombo.SetCaseList（“COMB3”， 0， “qk”， 0.65）;
…….
3.2.2 最大位移校核
运行RunAnalysis（）分析函数，通过Results.JointDispl获取到节点受力，通过分析COM1、COM2、COM3三种工况下的位移得出最大位移，运行结果如图5所示。
4 结 论
本文重点介绍了利用SAP2000 API实现了车站无障碍透明井道电梯钢结构参数化建模、加载、施加约束及荷载的思路和方法，从而参数化实现电梯钢结构工艺图纸的快速输出。其生成的受力模型结果可以直接进行有限元分析，提高电梯钢结构设计效率。
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作者简介：魏璇（1990—），男，汉族，工程师，硕士研究生，主要研究方向：车站智能车站设备工艺研究。
