快装式钢结构电梯设计理论与方法

随着我国人民生活水平的提高和人口老龄化问题的日益突出，为既有建筑加装电梯已经成为新时代发展的必然要求，也已经成为各级政府高度重视的重大民生问题。钢结构电梯具有相对独立于既有建筑的井道钢结构和入户平台钢结构，同时能在既有建筑内居民正常居住生活的情况下安装施工。但是，目前的钢结构电梯产品存在与既有建筑匹配不理想、制造成本高、安装程序复杂而严重扰民、安装速度慢、乘坐舒适性差、安全性和可靠性低等问题。鉴于此，本专著着重解决了快装式钢结构电梯设计理论与方法的关键问题。本书的研究工作得到西部经济隆起带和省扶贫开发重点区域引进急需紧缺人才项目“快装式钢结构电梯关键技术研究及应用”、山东省重点研发计划项目“面向旧楼加装的快装式钢结构电梯研发”和山东富士制御电梯有限公司委托项目“快装式钢结构电梯关键技术研究”与“钢结构电梯精准快捷计算关键技术研究”的资助。

本书采用理论分析、过程推导、实例验证相结合的方法，对快装式钢结构电梯的钢结构节点刚性化分析、典型结构创新设计、模块化设计、与既有建筑环境要素匹配、钢结构力学计算与分析等科学与技术问题进行了研究，主要内容包括以下8 章：

第1 章，对快装式钢结构电梯的产品特点和关键技术进行了分析，对全生命周期设计、模块化设计、创新设计、钢结构节点刚性化设计、计算机辅助钢结构力学计算与分析等设计理论与方法进行了简要概述，引出了本书主要研究内容。

第2 章，基于几何不变体系，给出了钢结构的设计原则和要求，依据钢结构节点的设计原理和方法，创新设计了电梯钢结构井道标准节梁柱半刚性化节点的三种方案，并对三种方案进行了仿真分析。

第3 章，分析钢结构电梯典型结构中的物理冲突，改进钢结构电梯的标准节及连接结构、相关活动部件的运输固定结构以及钢结构电梯基础底坑和地脚螺栓定位装置，缩短快装式钢结构电梯的安装施工时间，减少运输成本。

第4 章，针对快装式电梯的钢结构这种大型部件，应用模块化设计理论对钢结构进行模块划分、模块设计，采用模块化的管理方式对每一个电梯钢结构模块进行编码，有效提升了电梯钢结构的研发效率，降低了设计成本，并且提升了产品品质。

第5 章，探讨了电梯面向快装的机电系统零部件与钢结构模块的组合匹配方案、快装式钢结构电梯产品功能模块三层次划分方法，进而对模块进行编码，结合模块参数化设计，提出构建适合快装式钢结构电梯产品的模块化和参数化相结合的柔性产品平台，并研究了基于产品平台的产品族开发技术。

第6 章，建立了钢结构平台与既有建筑结构间螺栓连接方式和有机化学锚栓连接方式的计算模型，提出了多种平台-墙体螺栓防松的改进方法和多种钢结构井道-建筑物匹配的组合方式，并对既有建筑物和新建电梯井道沉降的原因进行了分析。

第7 章，基于有限元力学分析基本理论，利用ANSYS 软件对快装式电梯钢结构井道与钢结构平台的强度和刚度进行了优化改进分析。

第8 章，基于结构力学构建了快装式电梯整体钢结构3D3S 计算模型，开展了快装式电梯整体钢结构荷载分析，并以快装式电梯单体式钢结构和并联式钢结构为典型案例验证了模型构建和计算分析方法的正确性和有效性。

研究内容是在查询、总结现有相关领域研究成果的基础上展开的，对当前相关领域研究中存在的问题进行了探索与尝试，然而，由于所研究的内容涉及机械、建筑等多学科，且当前物理实验数据较少，因此，相关理论成果还有待于进一步验证。本书从工程应用角度出发，系统地阐述了快装式钢结构电梯相关设计理论及的研究成果，是笔者近10 年来在电梯产品设计与分析领域中科研成果和工程实践的总结。

全书第1、2、4、5 章由张青撰写，第3、6 章由张瑞军撰写，第7、8 章由刘立新撰写，全书由张青统稿，研究生张昊、贾体昌、崔瀚文、荆浩、陈晨、张鹏和刘明星为本书做了大量的图形绘制、整理工作。本书在撰写过程中借鉴了相关的国内外参考文献，参考了相关领域学者的研究内容，在此一并表示感谢。

限于笔者能力与水平，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。

著者

本书采用理论分析、过程推导、实例验证相结合的方法,对快装式钢结构电梯的钢结构节点刚性化分析、典型结构创新设计、模块化设计、与既有建筑环境匹配、钢结构力学计算与分析等科学与技术问题进行了阐述。本专著深入浅出、强化理论、注重实用,突出了新理论、新方法和新技术。

本书可供高等院校、科研机构等从事电梯和起重类机电设备设计理论和方法的研究人员及相关领域的工程技术人员参考使用,也可作为大专院校机械工程、建筑工程、机电一体化、工业自动化及其相关专业师生的参考书。

本书采用理论分析、过程推导、实例验证相结合的方法,对快装式钢结构电梯的钢结构节点刚性化分析、典型结构创新设计、模块化设计、与既有建筑环境匹配、钢结构力学计算与分析等科学与技术问题进行了阐述。本专著深入浅出、强化理论、注重实用,突出了新理论、新方法和新技术。

本书可供高等院校、科研机构等从事电梯和起重类机电设备设计理论和方法的研究人员及相关领域的工程技术人员参考使用,也可作为大专院校机械工程、建筑工程、机电一体化、工业自动化及其相关专业师生的参考书。

第1章  绪论

　1.1　快装式钢结构电梯产品分析　/ 1

　1.2　快装式钢结构电梯关键技术　/ 2

　　1.2.1　快装技术　/ 2

　　1.2.2　安全技术　/ 4

　　1.2.3　与建筑要素的匹配技术　/ 7

　1.3　快装式钢结构电梯设计综述　/ 7

　　1.3.1　全生命周期设计　/ 8

　　1.3.2　模块化设计　/ 9

　　1.3.3　创新设计　/ 10

　　1.3.4　钢结构节点刚性化设计　/ 10

　　1.3.5　计算机辅助钢结构力学计算与分析方法　/ 12

　1.4　本书主要内容　/ 16

　1.5　本章小结　/ 18

　参考文献　/ 18

第2章  快装式电梯钢结构节点刚性化分析

　2.1　快装式电梯钢结构综述　/ 20

　　2.1.1　快装式钢结构电梯的组成　/ 20

　　2.1.2　快装式电梯的钢结构组成及作用　/ 20

　　2.1.3　快装式电梯的钢结构的设计原则和要求　/ 21

　2.2　快装式电梯钢结构体系分析　/ 23

　　2.2.1　钢结构节点分析　/ 23

　　2.2.2　钢结构特点与性能　/ 24

　2.3　标准节节点刚性化结构设计方案　/ 26

　　2.3.1　节点设计原理与方法　/ 26

　　2.3.2　梁柱半刚性节点设计方案　/ 34

　　2.3.3　节点结构分析　/ 36

　2.4　标准节节点刚性化结构方案仿真与分析　/ 36

　　2.4.1　仿真方法　/ 36

　　2.4.2　仿真结果分析　/ 37

　　2.4.3　仿真结果对比分析　/ 40

　　2.4.4　分析结论　/ 42

　2.5　本章小结　/ 45

　参考文献　/ 45

第3章  快装式钢结构电梯典型结构创新设计

　3.1　概述　/ 47

　3.2　钢结构电梯主体结构创新设计　/ 48

　　3.2.1　快装式钢结构电梯片式井道标准节设计　/ 48

　　3.2.2　快装式钢结构电梯井道标准节连接结构设计　/ 50

　　3.2.3　快装式钢结构电梯用金属屋顶设计　/ 52

　　3.2.4　钢结构电梯轿厢固定结构　/ 53

　3.3　电梯工装创新设计　/ 55

　　3.3.1　快装式钢结构电梯井道标准节吊装工装设计　/ 55

　　3.3.2　快装式钢结构电梯井道标准节运输工装设计　/ 57

　　3.3.3　快装式钢结构电梯轿门与层门运输工装设计　/ 58

　　3.3.4　快装式钢结构电梯控制柜安装运输工装设计　/ 60

　3.4　电梯基础结构创新设计　/ 61

　　3.4.1　快装式钢结构电梯一体式混凝土底坑设计　/ 61

　　3.4.2　快装式钢结构电梯地脚螺栓定位装置设计　/ 63

　3.5　本章小结　/ 64

　参考文献　/ 64

第4章  电梯钢结构的结构模块化设计

　4.1　电梯钢结构模块化设计技术分析　/ 66

　　4.1.1　电梯钢结构模块化设计技术背景　/ 66

　　4.1.2　电梯钢结构模块化设计内容　/ 67

　　4.1.3　电梯钢结构模块化设计的技术优势和价值　/ 68

　4.2　电梯钢结构模块的划分　/ 70

　　4.2.1　电梯钢结构模块划分依据　/ 70

　　4.2.2　井道钢结构模块　/ 72

　　4.2.3　入户平台钢结构模块　/ 74

　　4.2.4　楼梯连接钢结构模块　/ 74

　4.3　电梯钢结构模块化设计流程　/ 75

　4.4　电梯钢结构模块的编码　/ 76

　　4.4.1　电梯钢结构模块编码的基本原则　/ 76

　　4.4.2　电梯钢结构模块编码的方案　/ 77

　4.5　电梯钢结构模块连接技术　/ 79

　　4.5.1　电梯钢结构模块连接技术分析　/ 79

　　4.5.2　电梯钢结构模块的连接方式　/ 81

　4.6　本章小结　/ 83

　参考文献　/ 83

第5章  钢结构电梯面向快装的模块化设计

　5.1　快装式钢结构电梯产品模块化设计综述　/ 85

　　5.1.1　快装式钢结构电梯产品模块化设计目的及意义　/ 85

　　5.1.2　模块化理论综述　/ 86

　　5.1.3　模块化设计概念及方法　/ 87

　5.2　快装式钢结构电梯模块的划分　/ 88

　　5.2.1　快装式钢结构电梯模块的划分方法　/ 88

　　5.2.2　快装式钢结构电梯模块的划分与配置　/ 90

　　5.2.3　快装式钢结构电梯模块划分的评价　/ 95

　5.3　快装式钢结构电梯产品模块的编码　/ 96

　　5.3.1　快装式钢结构电梯模块编码的目的与作用　/ 96

　　5.3.2　快装式钢结构电梯模块编码的原则及编码　/ 96

　　5.3.3　快装式钢结构电梯模块编码评价　/ 98

　5.4　快装式钢结构电梯产品模块化设计系统设计　/ 98

　　5.4.1　产品平台　/ 98

　　5.4.2　快装式钢结构电梯产品平台设计思路　/ 99

　　5.4.3　快装式钢结构电梯柔性产品平台　/ 100

　5.5　快装式钢结构电梯的产品族设计　/ 102

　　5.5.1　产品族概念及与产品平台的关系　/ 102

　　5.5.2　快装式钢结构电梯产品族建立与配置方法　/ 103

　5.6　本章小结　/ 105

　参考文献　/ 105

第6章  钢结构电梯与既有建筑环境匹配技术

　6.1　电梯与建筑环境匹配技术分析　/ 107

　6.2　后锚固技术分析　/ 108

　　6.2.1　后锚固连接技术　/ 108

　　6.2.2　后锚固连接方法分析　/ 111

　6.3　有机化学锚栓与膨胀螺栓实用对比分析　/ 115

　　6.3.1　锚固原理　/ 115

　　6.3.2　性能对比分析　/ 115

　　6.3.3　局限性　/ 118

　　6.3.4　应用场合　/ 119

　6.4　钢结构走廊平台与建筑物的匹配　/ 120

　　6.4.1　钢结构电梯与既有建筑物的匹配形式　/ 120

　　6.4.2　井道与楼梯连接方式及工程应用　/ 124

　6.5　电梯基础沉降控制技术与设计　/ 131

　　6.5.1　既有建筑基础沉降的原因分析及防治措施　/ 131

　　6.5.2　钢结构电梯基础沉降的原因分析及防治措施　/ 132

　　6.5.3　既有建筑加装电梯的防沉降方法　/ 133

　6.6　本章小结　/ 133

　参考文献　/ 134

第7章  快装式电梯典型钢结构部件强度刚度优化改进分析

　7.1　基于ANSYS 的典型钢结构部件力学分析概述　/ 135

　7.2　有限元力学分析理论与方法概述　/ 137

　　7.2.1　有限元法解决工程问题的步骤　/ 137

　　7.2.2　有限元法基本理论　/ 138

　　7.2.3　误差分析　/ 148

　7.3　典型案例　/ 148

　　7.3.1　基于ANSYS 的快装式钢结构电梯井道刚度强度分析　/ 148

　　7.3.2　基于ANSYS 的快装式钢结构电梯入户平台刚度强度分析　/ 159

　7.4　本章小结　/ 161

　参考文献　/ 161

第8章  快装式电梯整体钢结构力学计算与分析

　8.1　快装式电梯钢结构力学计算方法综述　/ 163

　8.2　快装式电梯钢结构3D3S 计算模型的构建　/ 166

　　8.2.1　钢结构模型构建简化和计算条件　/ 166

　　8.2.2　空间计算模型的建立　/ 166

　　8.2.3　空间结构模型的检查　/ 167

　8.3　快装式电梯钢结构荷载分析　/ 168

　　8.3.1　荷载类别　/ 168

　　8.3.2　3D3S 软件荷载编辑　/ 169

　　8.3.3　荷载组合　/ 170

　8.4　快装式电梯钢结构设计验算结果分析　/ 170

　　8.4.1　设计验算内容及原理　/ 170

　　8.4.2　基于3D3S 的设计验算过程　/ 172

　　8.4.3　设计验算结果分析　/ 173

　8.5　典型案例　/ 173

　　8.5.1　快装式电梯单体式钢结构计算及分析　/ 173

　　8.5.2　快装式电梯并联式钢结构计算及分析　/ 180

　8.6　本章小结　/ 186

　参考文献　/ 186

本书采用理论分析、过程推导、实例验证相结合的方法,对快装式钢结构电梯的钢结构节点刚性化分析、典型结构创新设计、模块化设计、与既有建筑环境匹配、钢结构力学计算与分析等科学与技术问题进行了阐述。本专著深入浅出、强化理论、注重实用,突出了新理论、新方法和新技术。

本书可供高等院校、科研机构等从事电梯和起重类机电设备设计理论和方法的研究人员及相关领域的工程技术人员参考使用,也可作为大专院校机械工程、建筑工程、机电一体化、工业自动化及其相关专业师生的参考书。

目前快装式钢结构电梯的市场需求较大，介绍相关理论的书籍却较少，本选题正是针对此开发的，主要介绍快装式钢结构电梯的设计理论与方法，全书共分8章，主要介绍电梯井道钢结构节点刚性化分析的相关内容、快装式钢结构电梯典型结构创新设计、电梯钢结构的结构模块化设计、钢结构电梯面向快装的模块化设计、钢结构电梯与既有建筑环境要素的匹配技术、快装式电梯典型钢结构部件强度刚度优化改进分析及快装式电梯整体结构力学计算与分析等。本书内容全面、逻辑性强，具有很高的实用价值。本书有以下两大特色： 

（1）内容新颖、全面，结构完整，逻辑性强：本书主要介绍快装式钢结构电梯设计理论及方法，理论新颖且结构逻辑性强； 

（2）案例丰富，实用性强：本书后两章分析了大量快装式钢结构电梯典型案例，对设计理论与方法具有很强的指导意义，实用性较强。