鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓梯的震害分析及設(shè)計(jì)建議

李志剛

（新昌縣規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 新昌 312500）

1 背景

當(dāng)發(fā)生地震和火災(zāi)時(shí)，樓梯是重要的緊急逃生豎向通道。樓梯的破壞會(huì)延誤人員的撤離及救援工作，從而導(dǎo)致嚴(yán)重傷亡。為了保證樓梯的正常工作，不僅要保證樓梯結(jié)構(gòu)的整體性能，還應(yīng)避免樓梯受一些非結(jié)構(gòu)部件脫落的堵塞。然而，從汶川地震的震害分析可知，我國(guó)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的樓梯震害較嚴(yán)重，樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚需改進(jìn)。

2 汶川樓梯震害

汶川地震造成大量樓梯破壞，其中框架結(jié)構(gòu)的樓梯破壞最為嚴(yán)重，甚至造成樓梯板斷裂而使得逃生通道被切斷框架結(jié)構(gòu)樓梯震害嚴(yán)重的原因：框架抗側(cè)剛度小，而樓梯板類似斜撐，使樓梯間抗側(cè)剛度大，地震剪力也大；樓梯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳力途徑也復(fù)雜。樓梯震害主要有以下幾方面：

1.1 上下梯段板交叉處梯梁和梯梁支座剪扭破壞。當(dāng)剪扭力很大時(shí)，梯梁剪扭破壞會(huì)延伸到休息平臺(tái)板內(nèi)。如為板式樓梯無(wú)梯梁時(shí)，則休息平臺(tái)板在剪扭作用下被撕壞。

1.2 梯板受拉破壞或拉斷。在水平地震作用下，斜向梯板具有斜撐受力特點(diǎn)，即受反復(fù)拉壓力作用，在梯板施工縫薄弱部位和梯板與框架梁相交的不利受力位置易產(chǎn)生拉裂破壞，甚至拉斷，失去逃生通道功能。拉力傳至休息平臺(tái)，也會(huì)使梯梁與休息平臺(tái)之間拉裂。

1.3 休息平臺(tái)處短柱破壞。樓梯休息平臺(tái)處的框架柱和梯柱的剪跨比通常小于其他部位的框架柱，成為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的短柱，地震剪力相對(duì)較大，容易發(fā)生破壞。

3 樓梯震害分析

3.1 樓梯對(duì)框架結(jié)構(gòu)的整體影響

以8層兩側(cè)有兩樓梯間的兩單元住宅樓為算例，比較兩種情況：有梯梁梯柱和無(wú)梯梁梯柱時(shí)樓梯對(duì)框架結(jié)構(gòu)的整體影響，有梯梁梯柱時(shí)樓梯形成一個(gè)更復(fù)雜的支撐體系。1、2由表1和表2可以看出，有無(wú)梯梁梯柱的樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的整體影響不同，但都較大；有梯梁梯柱時(shí)，樓梯對(duì)框架結(jié)構(gòu)的整體影響更大。

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3.2 樓梯對(duì)相連部件的影響（以上述8層框架為例）

仍以上述8層框架為例進(jìn)行分析。

3.2.1 樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)角柱的影響：樓梯對(duì)多高層結(jié)構(gòu)的底層角柱影響較大，通過計(jì)算對(duì)比，角柱的軸力增加1.14～2.5倍，柱配筋增加40%左右。

3.2.2 樓梯對(duì)梯柱的影響：經(jīng)研究表明，7度和7度以上時(shí)梯柱最大拉力與地震作用的大小有較大的關(guān)系。實(shí)際工程中7度時(shí)梯柱最大拉力也有達(dá)到200KN，7度和7度以上時(shí)梯柱應(yīng)按最大拉力配筋。

3.2.3 樓梯對(duì)梯梁的影響：在地震作用下，考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)工作后，梯梁在梯板的拉壓力作用下承受了雙向剪力，與通常不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)工作的計(jì)算方法相比，梯梁中剪力值增加近3倍，且剪力分布也發(fā)生顯著改變。上下梯板交接處的梯梁中部和梯梁支座處均承受很大的剪力，極易發(fā)生剪扭破壞。同時(shí)在7度和7度以上地區(qū)，梯梁剪力和扭矩隨地震作用增大而增大，地震引起的剪扭起控制作用。因此，7度和7度以上時(shí)梯梁須考慮抗震計(jì)算和設(shè)計(jì)。

3.2.4 樓梯對(duì)梯板的影響：在地震作用下，樓梯實(shí)際參與了主體結(jié)構(gòu)工作，梯板具有類似斜撐的作用，地震下受到很大的拉壓軸力，尤其是底部幾層。以通過有限元對(duì)梯板的分析可知：梯板的拉、壓應(yīng)力為2.0MPa，遠(yuǎn)大于樓層樓板的拉、壓應(yīng)力0.3MPa左右的范圍，且隨著地震作用增加，地震引起的拉應(yīng)力起控制作用，梯板構(gòu)造鋼筋抵抗不了拉、壓應(yīng)力。因此，7度和7度以上時(shí)，梯板須按平均拉應(yīng)力計(jì)算板鋼筋，按恒活載計(jì)算的鋼筋可能不夠。

3.2.5 彈塑性分析表明，考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)受力后，結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制為：梯板受拉屈服→梯梁在上下梯板之間位置受剪破壞→梯柱屈服→與樓梯相連的框架柱屈服→框架柱喪失承載能力。而且，樓梯成為整個(gè)結(jié)構(gòu)首先破壞的部位，作為逃生通道的樓梯是不允許先行破壞的。因此，有必要采取其他措施，保證樓梯作為逃生通道的安全性。

4 減少地震力作用下樓梯受力的設(shè)計(jì)建議

由以上考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作后的結(jié)構(gòu)抗震分析可知，樓梯和樓梯間框架柱的內(nèi)力比不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力顯著增大，這一方面使得樓梯的設(shè)計(jì)難度增大，另一方面樓梯間會(huì)成為地震中首先發(fā)生破壞的部位。與此同時(shí)，框架部分的內(nèi)力將會(huì)比不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力有所減小，這又會(huì)使得框架部分的抗震安全性比以往不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作的設(shè)計(jì)結(jié)果有所降低。為解決這個(gè)兩難問題，減輕樓梯震害，確保樓梯在地震中安全與通暢，可采用以下兩種方法。

4.1 抗的方法。在樓梯間采取增大主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的措施，如增加剪力墻，這樣可以使得樓梯間的地震力主要由剪力墻承擔(dān)，使得樓梯構(gòu)件的受力降低，再采取加強(qiáng)樓梯的構(gòu)造措施，確保樓梯在地震中的安全和暢通，此時(shí)結(jié)構(gòu)模型成為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)或少墻框架結(jié)構(gòu)，這也會(huì)在整體上增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。但此時(shí)需注意，樓梯間依然是結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，其破壞后框架部分的地震內(nèi)力會(huì)增大，因此，建議框架部分仍按不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯然，這樣的設(shè)計(jì)造價(jià)會(huì)比以往有顯著增加。

4.2 放的方法。采取構(gòu)造措施，斷開樓梯與主體結(jié)構(gòu)的連接，使樓梯不參與整體結(jié)構(gòu)受力。這種措施不但能改善樓梯受力狀態(tài)，還可以減少由樓梯引起的結(jié)構(gòu)不規(guī)則和地震反應(yīng)的不確定性。該方法的具體措施有兩種方案，兩種方案的上跑梯板在休息平臺(tái)處均設(shè)置隔離滑動(dòng)層，與休息平臺(tái)隔離；不同之處在于，休息平臺(tái)較小時(shí)采用懸臂休息平臺(tái)，休息平臺(tái)較大時(shí)采用雙梯柱方案。隔離滑動(dòng)層處鋼筋不連通，為減少摩擦，水平縫處可采用聚四氟乙烯板，或采用柔性材料（如聚苯板）、2層油氈；也可直接將隔離滑動(dòng)層設(shè)置為施工冷縫（但這種做法摩擦力較大）。這種方法可基本消除樓梯參與整體結(jié)構(gòu)的共同工作，使樓梯本身也成為非抗側(cè)力構(gòu)件，故可不考慮抗震要求，在結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算中也不需考慮其剛度影響，可仍按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行樓梯部分的設(shè)計(jì)。

[1]胡慶昌，孫金墀，鄭琪[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]清華大學(xué)，西南交通大學(xué)，重慶大學(xué)，等.汶川地震建筑震害分析及設(shè)計(jì)對(duì)策[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)[C].

[4]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，肖從真.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.