結(jié)構(gòu)樓梯間與樓梯的震害分析及設(shè)計(jì)建議

武俊杰 梁偉杰

當(dāng)發(fā)生地震時(shí),樓梯是重要的逃生通道。但在2008年5月12日的汶川地震中,許許多多的樓梯間不但沒(méi)有起到挽救生命的作用,反而成了生命的終結(jié)地。樓梯的破壞會(huì)延誤人群的撤離及救援和搶險(xiǎn)人員的工作,從而導(dǎo)致嚴(yán)重傷亡。為解決以上問(wèn)題,結(jié)構(gòu)師必須對(duì)樓梯間與樓梯的破壞原因有深刻的理解,本文就針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析、探討。

1 震害分析

1.1 樓梯間

1.1.1 砌體結(jié)構(gòu)樓梯間

砌體結(jié)構(gòu)的樓梯間是沿房屋全高的剛性構(gòu)件,在地震作用下,其破壞主要來(lái)自于與其相連接的墻體的破壞。位于這些部位的墻體往往由于受到嵌入墻內(nèi)樓梯段的削弱,所以其破壞程度一般比其他部位的墻體更嚴(yán)重。樓梯間的本身特點(diǎn)決定了此處有大量墻體的存在,構(gòu)件集中,因而其水平方向的剛度相對(duì)較大,這樣,它分配到的水平力也就較大;而且,由于在這里的墻體沿高度方向缺乏強(qiáng)勁的支撐,所以空間的剛度較差;加上頂層休息平臺(tái)以上的外縱墻常常達(dá)一層半高,其穩(wěn)定性較差。所有這些都是造成樓梯間的震害比其他部位嚴(yán)重的原因,尤其是它的上部結(jié)構(gòu)。

1.1.2 框架結(jié)構(gòu)樓梯間

框架結(jié)構(gòu)的樓梯間墻體是填充墻,由于填充墻具有較大的剛度,并且與框架連接后形成平面內(nèi)剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件;同時(shí)由于梯段板的斜向支撐作用,會(huì)使框架結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻。在剛度較大的樓梯間,框架柱所承受的水平力較大,更易破壞。

1.2 樓梯

樓梯的結(jié)構(gòu)形式主要是板式和梁式樓梯。本文僅就一般常見(jiàn)的板式樓梯作分析。板式樓梯由梯段板、平臺(tái)板和平臺(tái)梁組成。圖1為唐山地震某約束短柱破壞,圖2～圖4分別為汶川地震中的平臺(tái)梁、梯段板及平臺(tái)板破壞形式。

1.2.1 梯段板

兩跑樓梯在1/3～1/4跨梯段板之間,出現(xiàn)一道或兩道水平可見(jiàn)裂縫;破壞較嚴(yán)重的情況梯段板水平裂縫加寬,混凝土層剝落,梯段板受力筋彎曲下?lián)?甚至出現(xiàn)梯段板斷裂坍塌的現(xiàn)象。目前大多數(shù)梯段板端負(fù)筋在1/3～1/4跨截?cái)?造成該部位受力筋的數(shù)量減少,成為受拉的薄弱環(huán)節(jié);還有部分施工單位在此留設(shè)施工縫?；炷量估芰Σ?在地震作用下,受拉梯段板的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),在薄弱部位出現(xiàn)裂縫(一般在梯段板的下部1/3跨度處),混凝土退出抗拉工作,拉力全部由受拉鋼筋承擔(dān)。鋼筋數(shù)量的減少和受拉鋼筋拉應(yīng)力突變使鋼筋很快進(jìn)入屈服狀態(tài),隨著裂縫寬度的加大,鋼筋逐漸伸長(zhǎng)。在反向地震作用下,原來(lái)受拉開(kāi)裂的梯段板混凝土的裂縫逐漸閉合并抵緊,而受拉伸的鋼筋在反向壓力作用下發(fā)生屈曲,導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落。在往復(fù)的地震作用下,有的梯段板可能斷裂。

1.2.2 平臺(tái)板和平臺(tái)梁

在兩個(gè)梯段板的往復(fù)推拉作用下,樓梯的平臺(tái)梁和平臺(tái)板由于承受空間的彎矩、剪力和扭矩的綜合作用,受力狀態(tài)非常復(fù)雜,往往平臺(tái)梁在兩端和跨中破壞,混凝土酥碎,鋼筋籠扭曲變形。與框架柱相連的平臺(tái)梁內(nèi)力較大,在地震作用下破壞尤為嚴(yán)重。

1.2.3 框架結(jié)構(gòu)中的短柱

在抗震設(shè)計(jì)中影響柱子延性的因素主要有剪跨比和軸壓比,而剪跨比是影響柱子破壞形態(tài)的主要因素。根據(jù)剪跨比λ的大小把柱分為長(zhǎng)柱、短柱和極短柱,當(dāng)λ＞2時(shí)稱為長(zhǎng)柱,當(dāng)1.5≤λ≤2時(shí)稱為短柱,當(dāng)λ＜1.5時(shí)稱為極短柱。短柱的破壞形態(tài)多為剪切破壞,極短柱的破壞形態(tài)一般為脆性的剪切斜拉破壞,它們破壞時(shí)無(wú)明顯征兆,屬于脆性破壞類型。

在框架結(jié)構(gòu)中,支撐樓梯結(jié)構(gòu)的框架柱由于平臺(tái)梁的約束可能形成短柱,短柱的線剛度較大,且延性較差,在地震作用下,短柱承擔(dān)的水平力較大,但由于其較差的變形能力,很容易突然發(fā)生破壞。嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致框架柱出現(xiàn)被“各個(gè)擊破”的情況。目前,有些設(shè)計(jì)師為了避免在樓梯間處形成短柱,在平臺(tái)靠踏步處設(shè)梁,而梁兩端設(shè)置從樓層框架梁上支承的構(gòu)造柱,平臺(tái)板外端不再設(shè)梁而梯段板外伸懸挑板。這樣雖避免了短柱問(wèn)題,但在地震作用下可能引起平臺(tái)板與框架柱之間的碰撞,造成框架柱的破壞,影響結(jié)構(gòu)整體的安全性。

在汶川地震中,框架結(jié)構(gòu)的樓梯破壞較為嚴(yán)重,在此著重分析一下?？蚣芙Y(jié)構(gòu)較柔,在地震作用下,樓梯段的支撐作用較為明顯,破壞情況比框架—剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重。由于框架結(jié)構(gòu)為剪切型結(jié)構(gòu),自下而上隨著層的增加層間位移逐漸減小,層間位移越小樓梯的破壞程度越輕,所以框架結(jié)構(gòu)的樓梯破壞程度隨著樓層的增加而逐漸減輕。

2 設(shè)計(jì)建議

1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,遇到比較復(fù)雜或重要的結(jié)構(gòu)時(shí),以面單元模擬梯段板,進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算,把面單元的內(nèi)力作為樓梯設(shè)計(jì)的外力指標(biāo);對(duì)于一般結(jié)構(gòu),把樓梯簡(jiǎn)化為支撐構(gòu)件的形式在模型中進(jìn)行計(jì)算,提取支撐構(gòu)件的內(nèi)力作為樓梯設(shè)計(jì)的外力指標(biāo)。2)樓梯間不宜布設(shè)在房屋端部的第一開(kāi)間或其轉(zhuǎn)角處,不宜凸出。在砌體結(jié)構(gòu)中,不應(yīng)開(kāi)設(shè)過(guò)大的窗洞,以免將樓層圈梁切斷。樓梯間的非承重構(gòu)件一定要有可靠的連接或錨固。3)梯段板應(yīng)適當(dāng)加厚,負(fù)筋應(yīng)當(dāng)拉通,形成雙層雙向鋼筋配置。4)樓梯平臺(tái)板是傳遞樓梯支撐作用的重要構(gòu)件,應(yīng)采用雙面雙向配筋。5)平臺(tái)梁受扭作用明顯,應(yīng)適當(dāng)加大截面,加強(qiáng)其上、下部縱向鋼筋和箍筋。6)在梯段板轉(zhuǎn)角處,應(yīng)采取構(gòu)造措施進(jìn)行局部加強(qiáng),防止梯段板在此處破壞。7)在地震區(qū),鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)避免“框架短柱”的形成,形成“框架短柱”時(shí),應(yīng)確保“框架短柱”的抗剪強(qiáng)度及變形能力,防止框架柱過(guò)早發(fā)生剪切破壞,箍筋應(yīng)沿“框架短柱”全高加密(箍筋間距不大于100 mm),或在柱身內(nèi)配置一定數(shù)量的斜向鋼筋。

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