1、框架结构楼梯间的抗震设计初步研究摘要：通过近几年地震后的观察，发现楼梯的震害尤为突出。发生地震时，楼梯作为人员的逃生通道，其抗震设计的重要性显而易见。抗震设计不同于抵抗重力荷载及风荷载设计，地震力对结构的几何形状相对比较敏感。若设计不当，力和位移有可能集中在结构的某些没有足够承载力和延性的部位。为某一种荷载作用加强一个构件，有可能实际上增加了该构件的内力，其破坏形态可能由延性变为脆性。 中图分类号：TU318 文献标识码：A 1、前言 钢筋混凝土框架结构是应用广泛的一种结构形式。在框架结构楼梯间处，目前设计中的计算分析模型一般是不输入楼梯构件的，而是在楼梯间处楼板进行开洞，并将楼梯竖向荷载加到
2、其周边构件。然而在历次的地震中，研究人员发现，在很多主体结构无严重破坏的情况下，楼梯结构却遭到了严重破坏，丧失了其在自然灾害面前应该发挥的功能。 楼梯间整体塌落，与主体结构完全分离。在以往的钢筋混凝土框架结构计算中，通常考虑到梯板的水平刚度可补偿楼梯间“平面开洞”而造成的刚度损失，模型简化取楼梯间平面无限刚，荷载作为竖向外荷载加到主体框架结构上，再对主体结构进行整体抗震计算分析， 对楼梯也仅作竖向荷载下的静力计算。实际上，在地震作用下，楼梯实际参与了主体结构的内力分配和变形协调，梯板具有类似 K 型支撑的作用，由于钢筋混凝土框架结构的抗侧刚度较弱，楼梯参与工作对框架结构整体影响不容忽略。考虑楼
3、梯参与结构整体受力后，框架结构的整体工作性能发生了较大变化：结构的抗侧刚度增大，侧移减小；自振周期减小；振型改变；楼梯问周围构件的内力明显变化。自下而上，随着楼层的增加，楼梯受到的轴力逐步减小，表现为震害情况也逐渐减轻。 目前，在建筑结构设计中，框架结构楼梯间的设计是与主体结构分开进行的，并没有考虑地震作用对其的影响，也没有考虑其对主体结构的影响。而大量汶川地震资料显示，板式楼梯的梯段板和层间休息平台的梯梁在地震作用下破坏比较严重，尤其是在底层破坏更为严重。为此，新修订的 GB 50011-2001 建筑抗震设计规范中也明确的指出应考虑楼梯构件的影响，但目前并没有相关文献对楼梯间构件设计具体的
4、处理措施提出更有效的解决办法。 2、对考虑楼梯的钢筋混凝土框架主体结构的设计建议 目前，在建筑结构设计中，楼梯构件并没有参与主体框架设计，也没有考虑楼梯对主体结构的影响。通过本文第三章对考虑楼梯的框架结构模型的分析，我们可知，考虑楼梯与不考虑楼梯对框架主体结构影响很大。现对框架主体结构的设计提出以下几点建议： 2.1楼梯的存在，其对框架结构自振周期、层间位移、层间位移角以及结构的层间剪力等都有影响，在地震作用下，影响更加显著。建议在进行结构设计的同时，考虑楼梯对整体结构的影响。 2.2 由于楼梯的存在使得在楼梯间附近的框架构件的内力增大，在地震作用下增大更明显，而其对远离楼梯间的框架构件内力的
5、影响很小。建议在采用普通结构设计软件计算分析的基础上，适当放大与楼梯构件直接相连的框架梁柱的配筋。 2.3 支承楼梯结构的框架柱，由于层间休息平台板的约束，很可能形成短柱，西南交通大学的王国驶认为采取在框架梁上靠近框架柱处另外浇注两根柱来支撑平台梁的做法，可以确保框架柱有足够的抗剪强度及变形能力，防止其发生剪切破坏。 3、对考虑地震作用钢筋混凝土框架结构楼梯间的设计建议 楼梯间系统对于框架结构的抗震性能有着不可忽略的影响。此外，考虑地震作用与不考虑地震作用相比，楼梯系统构件的内力显著增大。所以应该采取有效措施，使得楼梯系统构件在地震作用下有足够的承载能力，使其在地震作用下能够发挥其应有的功能。
6、 当楼梯平面位置可能给结构刚度分布带来不利的影响(例如：由于偏置而增大结构的扭转效应)时，应在楼梯分系统的结构方案上采取措施，避免楼梯构件与主体结构不必要的连接，使其在水平地震作用时成为独立的自由体系，尽量消除其对主体结构的影响。北京市建筑设计研究院胡庆昌提出：框架结构中楼梯为了避免形成支撑，可采用滑动连接，楼梯段的上端节点为铰接，下端节点为滑动支承。框架结构楼梯间首层外门两侧宜设构造柱以固定门框。 本文在楼梯间考虑地震作用影响的基础上对其设计提出以下几点建议： 1休息平台处梯梁的设计宜遵循框架梁的设计原则。 2楼梯的休息平台板应采用双面双向配筋。 3梯段板应该按照偏心受拉构件对其进行计算分析
7、，其钢筋负筋应该拉通，形成双层双向钢筋配置。另外，由第三章对梯段板在地震作用下的受力性能分析可知，底层梯段板所受轴力很大，致使其所需配筋量很大，需要配置较大直径的钢筋。对此，本文建议将下部几层所受轴力比较大、所需配筋量较大的梯段板，在其中间部位断开，将其设置为悬挑形式(一般只需对结构下部几层采用此方法即可)，例如我们将底层按此方法处理，如图 51，这样可以避免梯段板因板顶底水平位移差过大而被拉断的情况发生，可以避免楼梯的支撑效应。采用此方法时应适当增加相应层休息平台梯梁箍筋的钢筋用量，以满足其承载力要求。 梯段板做悬挑处理示意图 结语： 楼梯的存在，增加了框架结构局部的抗侧刚度，减小了结构的自
8、振周期，使得结构构件的内力改变。楼梯的存在使得结构的刚度中心改变，增大了结构的扭转效应在地震作用组合下，楼梯对结构构件内力的影响在顺梯跑方向比较大，而在垂直梯跑方向相对较小。在地震作用组合下，楼梯的存在使得结构构件的内力增大，尤其是楼梯间附近的结构构件的内力改变很明显。在地震作用组合下，考虑楼梯时的侧移减小，绕 Z 轴层间位移角显著增大。地 震作用对下面几层结构构件的影响相对较大，尤其是对楼梯间构件在底层的影响特别显著。考虑楼梯参与整体计算的模型中，梯段板起到了斜撑的作用，其在平行梯板方向的地震作用下会产生非均匀分布的轴向应力，使梯段板处于偏拉状态，在底部两层的轴向应力比较大，以上各层逐层减小
9、；在垂直梯段板方向的地震作用下会也产生非均匀分布的轴向应力，梯板呈现受剪的应力状态，在底部两层的剪应力比较大，以上各层逐层减小。所以通常用简支梁简化的方法计算楼梯时偏于不安全的。本文建议梯段板应该按照偏心受拉构件对其进行计算分析，其钢筋负筋应该拉通，形成双层双向钢筋配置。另外，对于底层梯段板所受轴力很大，致使其所需配筋量很大。对于这种所需配筋量很大的梯段板，本文建议将梯段板在其中间部位断开，将其设置为悬挑形式，这样可以避免梯段板因板顶底水平位移差过大而被拉断的情况发生，并适当增加箍筋的钢筋用量，以满足其所承受的扭矩。考虑楼梯参与整体计算的模型中，休息平台的平台板在两梯段板中间位置所受轴向拉应力比较大，产生明显的应力集中，并且在底部两层的拉应力比较大，以上各层逐层减小。本文建议楼梯的休息平台板应采用双面双向配筋，并且对于休息平台处梯梁按照框架梁的设计原则进行设计。在罕遇地震作用下，考虑与不考虑楼梯对整体结构影响的两模型中，结构的最大层间位移角均能够满足结构总体弹塑性变形的要求。 参考文献 1郭继武，郭瑶房屋抗震设计M清华大学出版社2003 2王显利，孟宪强，李长风，武征宵工程结构抗震设计M科学出版社2008 3李瑞敏从汶川地震震害看如何提高框架结构抗震能力J科技资讯2009，(27) 64
