樓梯對主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

賈洪濤 劉闖 楊柳

一、引言

在以往結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般是將樓梯部分的荷載轉(zhuǎn)化為等效荷載加到周邊構(gòu)件，梯板、平臺板、梯柱等構(gòu)件單獨(dú)計算，沒有考慮樓梯參與結(jié)構(gòu)整體的計算分析，關(guān)于樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能影響不很清楚。

以往這種將樓梯部分簡化為等效荷載的考慮方式使我們現(xiàn)在的設(shè)計中存在重大的安全隱患。樓梯是重要的逃生通道，樓梯破壞意味著逃生通道被截斷。在5.12地震中大量樓梯構(gòu)件在地震的反復(fù)作用下發(fā)生破壞，導(dǎo)致逃生人員不能順利逃離，失去了寶貴的生命，在地震中，樓梯對周圍構(gòu)件的影響主要有兩種體現(xiàn)，一種為樓梯間的整體破壞，另一種為樓梯間角柱的剪切破壞。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，我們有責(zé)任從災(zāi)難中總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，并運(yùn)用到以后設(shè)計中。

汶川地震發(fā)生后，規(guī)范編制組對《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》GB50011-2001進(jìn)行了局部修訂，在3.6.6.1條中新增了“計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響”，該條的條文說明中介紹“本次修訂，考慮到樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的整體剛度有較明顯的影響。建議在結(jié)構(gòu)計算中予以適當(dāng)考慮。”。之后規(guī)范編制組提出了《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》GB50011-20xx的征求意見稿，在6.1.5條中新增了“樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面顯著不規(guī)則，并應(yīng)對樓梯構(gòu)件進(jìn)行抗震承載力驗算”，在6.1.15條中新增了“樓梯休息板的橫梁和樓梯邊梁不宜直接支承在框架柱上，支承樓梯的框架柱應(yīng)考慮休息板的約束和可能引起的短柱”。 這也反映出樓梯做為整體結(jié)構(gòu)的一部分要參與到整體分析中的必要性和迫切性。

本文通過對典型算例的分析來探討樓梯對主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

二、模型簡介

本文研究的算例為典型的4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)宿舍樓，按樓梯位置的不同分為6種情況，其平面布置圖如圖2.1，2.2所示。算例的基本參數(shù)為：縱向7×6m，橫向6m+2.4m+6m，層高3.6m，樓板厚均為100mm，梯板140mm，樓梯休息平臺板100mm；梁、柱、板采用混凝土C30，縱向鋼筋HRB400，箍筋HRB335；場地類別Ⅲ類，抗震設(shè)防類別7度（0.15g），設(shè)計地震分組第一組，抗震等級三級。

假定所有構(gòu)件均為均質(zhì)材料，框架柱與框架梁連接簡化為固接，次梁與框架梁連接簡化為鉸接，樓板與邊梁的連接簡化為簡支。

柱、梁（包括樓梯柱、梁）采用直線桿單元模擬，直線桿單元為空間桿件單元，具有雙向彎曲、扭轉(zhuǎn)、軸向變形、雙軸剪切變形效應(yīng)。樓板采用膜單元模擬，膜單元只給結(jié)構(gòu)提供平面內(nèi)的剛度，不提供平面外的剛度，只承受面內(nèi)的力和法向彎矩。

三、在地震作用下樓梯構(gòu)件對整體結(jié)構(gòu)的影響

通過對考慮樓梯在位置1時的模型和不考慮樓梯模型兩種情況的有限元分析，將分析結(jié)果列于表3-1中，從表3-1中可知樓梯對結(jié)構(gòu)X向和Y向的剛度都有影響，對Y向的影響最大。從圖3.1可以看出層2位移角的變化最明顯，隨著層數(shù)的增加影響逐漸減少

四、樓梯布置在不同位置對框架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

1）設(shè)置兩個樓梯時，從表4-1可以看出樓梯布置在平面位置2時Y向地震下頂點(diǎn)位移、層間位移角、層間位移比最小，結(jié)構(gòu)的剛度最好，扭轉(zhuǎn)變形的影響最小。

2）只設(shè)1個樓梯時，隨著樓梯位置從樓層對稱軸向兩端改變，Y向地震下頂點(diǎn)位移、層間位移角、層間位移比等逐漸增大。層間位移比從位置6的1.03增加到位置4的1.34，說明樓梯剛度對框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形影響很大。邊柱A在Y向地震作用的軸力、彎矩和剪力在6位置比在1位置增大約37%。

3）樓梯不同布置在Y向地震作用下的計算結(jié)果比較見表4-1。

五、樓梯對樓梯間角柱的影響

以樓梯在位置1時為例，通過分析比較樓梯對樓梯間框架角柱的影響較大，對其他柱影響較小。樓梯間框架角柱和相鄰柱在Y向地震作用下軸力見表5-1。

六、結(jié)論

通過分析軟件的計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1） 樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)剛度有一定的貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)值隨樓梯布置位置的不同而變化。當(dāng)樓梯對稱布置在平面的四分之一部位（即位置2）處時，對整體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)值最大；當(dāng)樓梯對稱布置在平面的中間部位時，對整體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)值最小。

2） 樓梯間在平面布置上的不對稱，造成結(jié)構(gòu)平面剛度分布不均勻，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，設(shè)計時宜考慮樓梯間對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。對于平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，當(dāng)樓梯布置在結(jié)構(gòu)的角部時，應(yīng)將樓梯構(gòu)件進(jìn)行簡化建入模型之中，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整，才能夠更加符合實(shí)際情況，有效的降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3） 由于樓梯對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)作用，使得與樓梯相連接的框架柱軸壓力加大，軸壓比變大，當(dāng)框架柱的軸壓比接近規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)限制時應(yīng)引起注意。由于休息平臺梁與框架柱相連，使得框架柱形成短柱，造成該框架短柱的剪切破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞，這就要求設(shè)計人員必須采取可靠的構(gòu)造措施來保證短柱部分安全可靠。但是現(xiàn)在大部分軟件無法將樓梯與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，建議取消與框架柱相連的休息平臺梁，休息平臺采用懸挑樓板的方式可以切實(shí)有效的解決短柱的問題。

通過以上分析可知，樓梯構(gòu)件作為建筑物不可缺少的部分，在抗震性能方面對整體建筑有著不容忽視的影響，樓梯構(gòu)件參與整體計算以后對整體結(jié)構(gòu)周期、位移、地震力等都產(chǎn)生了一定的影響，實(shí)際設(shè)計中將樓梯簡化為荷載，輸入到模型中進(jìn)行考慮的做法是偏于不安全的。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，我們應(yīng)當(dāng)吸取經(jīng)驗，將樓梯模型與整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，并采用必要的構(gòu)造措施，做到簡化模型更加符合實(shí)際情況，更好的滿足人們生產(chǎn)、生活的使用要求。

（作者單位：機(jī)械工業(yè)部汽車工業(yè)天津規(guī)劃設(shè)計研究院）