1、1楼梯对钢筋砼框架动力响应的影响分析摘要：本文首先分析了楼梯对钢筋砼框架动力响应的影响，然后对框架结构楼梯的主要震害及其抗震设计进行了探讨。 关键词：楼梯；钢筋砼框架；动力响应；抗震 中图分类号：TU756.4+7 文献标识码： A 文章编号： 一、楼梯对钢筋砼框架动力响应的影响分析 1 有限元模型的建立 本文研究主要采用 MARC 有限元软件，模型主要模拟 8 度地区大震作用下结构的动力响应，按 4 种工况计算。动力荷载选用 2 组 4 个实际地震记录。其中，ELCENTRO 波和 TARTAR 波为类场地地震波，EMC 波和CPC 波为类场地地震波。持时 30s，时间步长为 0.02s，加
2、速度峰值为4m/s2。模型底部采用固端约束，先施加重力荷载，并保持始终作用在结构上，然后沿 Y 向施加动力荷载，模型加载过程主要采用 Table 表格实现。 2 动力响应分析 通过 MARC 有限元软件的对两个模型的 4 种工况的计算结果的提取及相应的数据处理，对比分析了顶层 3395 节点加速度响应和位移响应。 2.1 加速度响应对比分析 BD1 和 BD2 两个模型顶层 3395 节点加速度响应数据对比曲线如图 1所示。从图 1 中可以看出，在 ELCENTRO 波作用下顶层加速度最大值出现2的时间不同，数值也不同。BD1 最大值在 2s 附近，值为 12.3m/s2，此时BD2 的值为
3、13.3m/s2；BD2 最大值出现在 13s 附近，值为 13.6m/s2，此时 BD2 的值为 4.62m/s2。从整个动力响应来看，在前段和后段基本一致，而中间区段 5s20s 区间 BD2 模型顶层节点加速度响应比 BD1 对应点数值要高，表明在地震波的中间段楼梯对于结构顶层节点的加速度响应起到了放大作用。在 TARTAR 波作用下 BD1 和 BD2 顶层节点的加速度响应变化基本一致，最大值均出现 9s 附近，依次是 7.49m/s2 和 7.09m/s2。从图形上来看在 11s 之后，BD2 比 BD1 顶层节点的加速度衰减略快，表明在地震波后区段楼梯对于结构顶层节点的加速度响应起
4、到了减低的作用。 图 1 地波作用下不同模型顶层加速度响应曲线 在 EMC 波和 CPC 波分别作用下两个模型顶层节点的加速度响应最大值出现基本一致，且都在 12s 后开始明显下降，表明在这两种波作用下，楼梯对于结构顶层加速度响应的降低作用较为明显。 2.2 位移响应对比分析 BD1 和 BD2 模型 4 种工况下顶层节点位移响应对比分析曲线如图 2 所示。从图 2 中可以看出，在 ELCENTRO 波作用下 图 2 地波作用下不同模型顶层节点位移响应曲线 两个模型顶层节点的位移响应差别较大，BD1 在 3s 附近出现最大值，值为 0.129m，此时 BD2 位移为 0.118m；BD2 在
5、12s 附近出现最大值，值为 0.159m，此时 BD1 的位移为 0.065m。从整个图形上来看，显然 BD2 相3比 BD1 在 4.5-19s 位移增大的较为明显，表明楼梯使 BD2 模型顶层节点位移变大。 在 TARTAR 波作用下，从整个曲线图上可以看出，BD1 和 BD2 在位移响应的前区段变化基本一致，最大值出现在 4s 附近，依次为 0.069m 和0.065m。从 12s 后 BD2 比 BD1 的顶层位移响应衰减明显加速，表明楼梯在响应的后区段起到了降低位移响应的作用。 在 EMC 波作用下 BD1 和 BD2 在位移响应的前区段变化基本一致，最大值出现在 10s 附近，值
6、依次为 0.046m 和 0.04m。从此时之后 BD2 位移响应衰减略快，表明楼梯有助于结构位移响应衰减。 而 CPC 波作用下 BD1 和 BD2 位移最大值出现在 10S 附近，值依次是0.095m 和 0.163m，在 11s 之后 BD2 的位移响应迅速下降，表明楼梯在中间段放大了结构的位移响应，在后区段加速了结构位移响应的衰减。 二、框架结构楼梯的主要震害 1 梯段板破坏 梯段板震害主要发生在楼梯施工缝(梯段板 1/3 跨)处和距离两端支座约 1/4 跨处位置，表现为水平裂缝处混凝土酥碎，梯段板面下挠，甚至断裂。分析原因有以下几点：(1)在梯段板实际配筋计算时，梯段板按单向板力学模
7、型进行配筋计算，上部负筋通常按照跨度的 1/4 长度布置，当楼梯板在考虑地震作用时，会出现失稳破坏(压弯构件)，提前退出受压工作，只能受拉(钢筋作用)；当楼梯板因地震作用受拉时(拉弯构件)，由于楼梯板面筋经常是不贯通的，故发现楼梯板在 1/3 附近出现裂缝(即出现在面筋截断处以外)，甚至钢筋拉断(楼梯掉落)。(2)上下两层楼梯4的自振频率可能略有不同，会造成上、下梯板的水平位移出现差值，有可能造成梯板断裂。(3)由于施工原因，施工缝一般留置在梯段板 1/3 跨处，即楼梯踏步的上三步或下三步的位置，施工时施工缝质量不好控制，常存在夹渣，新旧截面粘结力受到削弱，降低结构的承载能力，再加上当第二次再
8、浇筑时，新入模的砼自重及冲击力，会使刚度较低的突出部分悬空局部压碎或产生裂缝，形成隐形内伤，反而不利于构件的质量控制。 2 楼梯间框架角柱的破坏 楼梯间角柱的破坏主要表现为柱跨中部位出现钢筋屈曲，混凝土酥碎，发生剪切破坏。分析原因主要是现有的板式楼梯休息平台是通过平台梁与框架柱相连，使楼梯间框架角柱净高约为其他位置框架柱的一半，易形成短柱，楼梯间角柱将承受比其他位置框架柱更大的地震剪力，致使大震下角柱跨中发生剪切屈曲破坏。 3 梯柱的破坏 大震中支撑休息平台和梯段板的梯柱，出现梯柱柱头破损，混凝土酥碎破坏。分析原因：支撑梯段板的梯柱是双向压弯、双向剪切构件，而实际梯柱设计通常是按构造配筋，截面
9、尺寸为 200mm200mm 或240mm240mm，未考虑实际地震产生弯矩和剪力。由于休息平台的约束，易形成短柱。 4 楼梯平台梁、板的破坏 楼梯平台梁和平台板的破坏主要是在平台梁的两端和跨中出现混凝土保护层剥落、钢筋外鼓破坏。原因是梯梁(平台梁)在承受梯板传来的5竖向力和水平力时，地震时还要承受反复的地震作用，由于梯段在框架中的“斜撑”作用的存在，使平台梁、板在空间上承受弯矩、剪力和扭矩复合应力作用，受力状态变为极为复杂，导致楼梯平台梁在跨中发生剪扭破坏，梁中钢筋过早屈服，两端节点出现塑性铰。 5 非结构构件破坏 如果楼梯间或楼梯口周围的非结构构件填充墙等破坏了，将会影响震时疏散的生命通道
10、的畅通，其抗震设计的重要性显而易见。楼梯间填充墙倒塌堵塞逃生通道填充墙典型震害现象是墙体出现“X”型裂缝或倒塌。主要原因是墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。楼梯踏步与墙体连接处出现裂痕，可能是其没能与主体结构有可靠的拉接，或者连接部位没有采取必要的加强措施有关，如缺少拉接筋或是拉接筋长度不够或拉接筋的间距过大等。 三、框架结构楼梯的抗震设计 1 楼梯设计的“抗” (1)宜选用现浇钢筋混凝土楼梯。楼梯构件与主体结构整浇时，框架结构在地震作用下，梯板的斜支撑作用，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应对楼梯构件进行抗震承载力验算，楼梯
11、梁、柱的抗震等级可与所在的框架结构相同。(2)支承楼梯段的横梁应考虑楼梯段引起的推力和扭矩作用，设计时应按双向受弯扭构件并按框架梁的要求进行设计。平台板应采用双层双向配筋，梯段板上部负筋沿板通长布置。(3)避免形成短柱。楼梯间的框架柱由于休息平台板的约束可能形成短柱，6为了避免短柱剪切的破坏，应满足建筑抗震设计规范的要求：当剪跨比不大于 2 的柱、柱的净高与柱截面高度之比小于 4 的梯柱，轴压比应降低，箍筋应沿柱的全高加密，其体积配箍率不应小于 1.2%，宜采用复合螺旋箍或井字复合箍。 2 楼梯设计的“放” 从抗震概念设计上来讲， “放”的思路要优越于“抗”的思路。具体措施有以下两种：(1)对
12、楼梯敏感的结构体系，应将楼梯单元作为一个子结构体系的概念加以分析和设计，可不考虑抗震要求。在休息平台设 4根梯柱(无平台梁的折板楼梯设 2 根梯柱)，休息平台与框架柱设缝脱离，使其成为非抗侧力构件，改善楼梯系统的受力状态，尽量消除其对框架主体结构的不利影响，按钢筋混凝土框架结构进行设计。(2)现浇混凝土板式楼梯，在楼梯梯段板与平台板或楼板连接处设置滑动支承的构造，使梯段板在水平地震作用下，不产生“斜撑”的受力状态，只发生相对水平滑动，不产生拉压变形，楼梯板将由拉弯、压弯受力状态还原为受弯状态，对结构整体的抗侧刚度影响也相应降低很多。采用滑动支座的力学分析模型，楼梯设计简单。滑动支承的形式，梯段
13、上端与中间平台梁或楼(屋)面梁整体连接，下端则简支于楼(屋)面梁或中间平台梁上，且支承长度不小于踏步宽，这样可消除梯段的地震轴力，在强烈地震下仍可保持楼梯的整体性，施工也相对简单。 3 楼梯间填充墙构造 楼梯间填充墙宜优先采用轻质墙体，砂浆强度等级不应低于 M5。墙顶与框架梁和楼板密切结合，墙长大于 5m 时，墙顶与梁宜有拉结；墙长7大于层高 2 倍时，宜设置间距不大于 4m 的钢筋混凝土构造柱；墙高超过4m 时，墙体半高处(或门洞上皮)宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。与柱之间应加强拉接，采用砌体填充墙时，应采取减少对主体结构的不利影响措施，应沿框架柱全高每隔 500mm 设
14、 26 通长钢筋；并应设置间距不大于层高且大不大于 4m 的钢筋混凝土构造柱并采用钢丝网砂浆面层加强。 四、结论 通过以上楼梯对钢筋混凝土框架结构作用的分析可以得到以下结论：（1）在相同地震波作用下，在局部区段中结构的动力响应有放大现象。（2）在类场地波作用下，主要表现为加速了结构动力响应的放大；在类场地波作用下其主要表现是加速了结构动力响应的衰减。 （3）由于楼梯对结构动力响应影响的不确定性，在实际结构设计和动力计算的过程中，应该考虑楼梯对结构的影响，更符合工程实际情况。 参考文献： 1任彧。楼梯系统对于框架抗震性能的影响J 。福建建筑，2009，16（3） 。 2张风亮.浅谈楼梯的抗震分析和设计分析J.建筑结构,2010(4).
