淺析地震作用下樓梯對框架結構的影響

唐元麗

（四川省建筑設計院，四川 成都 610000）

在建筑工程中，樓梯不僅是建筑結構的重要組成部分，對于建筑結構有著一定的影響和作用，并且在地震災害發(fā)生時，樓梯在建筑中也充當人們逃生主要通道的功能角色。根據我國地震災害的實際情況，在地震作用下，一些建筑房屋工程中，樓梯間往往先于建筑房屋主體結構部分受到破壞影響，對于建筑主體結構的破壞發(fā)生有著很大的不利影響和作用，甚至有一些建筑房屋工程在地震作用影響下，還會出現(xiàn)建筑房屋主體結構部分并沒有受到破壞，僅僅只發(fā)生樓梯間結構破壞的情況。根據上述情況不難看出，樓梯間在建筑工程中對于主體結構的影響作用，尤其是在地震災害的作用影響下，樓梯間的設計對于建筑主體結構的破壞影響作用更為關鍵。本文將通過建立地震作用相關模型，在進行樓梯結構與建筑主體框架結構之間相互影響關系的分析下，以實現(xiàn)地震作用下樓梯對框架結構的影響分析。

1 地震作用下樓梯的破壞情況與原因分析

在地震災害作用下，建筑樓梯不僅是建筑的重要逃生通道，而且在建筑結構中扮演著重要的角色，通常情況下，進行建筑結構的設計，對于樓梯的防災能力設計要求要比建筑主體結構部分更高。

結合地震災害發(fā)生中，建筑樓梯的破壞情況，主要有結構破壞以及非結構破壞兩種類型。其中，建筑樓梯間的非結構破壞，通常情況下主要表現(xiàn)為，樓梯間橫墻出現(xiàn)“X”型裂縫，或者是樓梯踏步與墻體連接處出現(xiàn)裂痕，出現(xiàn)局部倒塌。這種建筑樓梯非結構破壞類型多是由于梯板斜向放置，梯板和樓梯間小柱將樓梯間填充墻分割得很零碎，而且樓梯間小柱未伸至上層梁底，或者是填充墻構造措施不到位等多方面原因造成的。此外，建筑樓梯的非結構破壞情況還包括，建筑樓梯的結構本身并沒有發(fā)生破壞，但是由于建筑中其他結構部分的破壞造成的樓梯結構發(fā)生堵塞或者無法使用等。而建筑樓梯的結構破壞情況，主要是指建筑樓梯結構本身發(fā)生的破壞情況，包括樓梯結構中的梯段板、平臺板、平臺梁和樓梯小柱等發(fā)生的破壞情況。比如，建筑樓梯梯段板斷裂、樓梯平臺梁跨中或者是平臺梁兩端部分出現(xiàn)明顯破壞等。通常情況下，造成建筑樓梯結構性破壞發(fā)生的主要原因是在地震作用下，樓梯構件對于框架結構的支撐作用發(fā)生位移變化，導致對于框架結構的支撐發(fā)生變形，支撐力矩超過樓梯構件對于框架結構的支撐設計力矩，從而造成樓梯在地震作用下發(fā)生結構性破壞情況。

2 框架結構建筑模型的建立分析

本文對于地震作用下樓梯對于框架結構的影響分析，主要是通過進行不同框架結構模型的建立，并根據所建立的框架結構模型通過地震作用實驗分析，在對于建筑樓梯對于框架結構受力性能影響分析的基礎上，實現(xiàn)對于地震作用下樓梯對于框架結構的影響分析。首先，本文中所建立的建筑框架結構模型，是以某生活小區(qū)框架結構房屋建筑為原型，在實驗分析中通過將該房屋建筑的結構高度進行擴展的情況下，實現(xiàn)的三個不同高度框架結構模型的建立實現(xiàn)。

其中，某生活小區(qū)房屋建筑工程的樓梯間設置，是以該建筑的框架結構左右對稱位置進行兩個樓梯間的設置實現(xiàn)，在該建筑工程樓梯間的施工設計中，主要是以強度等級為C30的鋼筋混凝土材料作為主要構件，并且鋼筋主筋采用的是HRB400進行施工設計應用。根據該小區(qū)房屋建筑工程結構原型進行擴展的框架結構建筑模型，主要是結構樓層分別為3層、5層以及8層，單層建筑結構高度為2.8米的建筑結構模型，并且在不同高度的建筑結構模型中，樓梯形式的設置也不相同，其中三層高度的框架結構建筑中設置的是兩邊對稱的樓梯設置形式，而5層和8層高度的建筑結構模型中，分別進行的是一邊樓梯和沒有樓梯的設置形式。根據上述對于框架結構建筑模型的建立條件，結果可以得到三組共9個不同框架結構模型。如圖1所示，為框架結構建筑模型的平面示意圖。

在根據上述模型進行地震作用下樓梯對于框架結構的受力性能影響分析實驗中，對于地震作用設置為地震強度等級為7級作用影響，而對于框架結構建筑施工設計中的抗震等級指數(shù)的設置，采用三級抗震等級指數(shù)標準進行施工設計應用，此外，對于建筑場地的地震特征周期指數(shù)設置為0.45s，在此框架結構建筑模型以及地震作用情況的設計下，使用SAP2000軟件進行計算，并進行建筑結構模型的建立實現(xiàn)，對于所建立的建筑結構模型中，建筑樓梯的結構形式統(tǒng)一采用板式樓梯形式，進行實驗分析應用。

在模型實驗中，由于模型建立是以板式結構樓梯形式為主進行建模分析的，并且樓梯房的布置是以建筑結構對稱形式進行設置實現(xiàn)，因此，在進行地震作用下樓梯對于框架結構的影響分析模型建立過程中，應以建筑樓梯房中構造柱以及樓梯板、樓梯梁等結構部分的模型建立設置為主，進行建模實驗和分析。

圖1 框架結構建筑模型平面示意圖

3 地震作用下樓梯對框架結構受力性能影響分析

根據上述所建立的地震作用下樓梯對框架結構受力影響分析模型，實現(xiàn)對于樓梯與建筑主體結構之間的非線性作用分析。首先，需要對于地震作用下，建筑結構模型的荷載情況進行分析，然后根據荷載情況進行計算分析，以實現(xiàn)對于樓梯和建筑主體結構之間非線性作用關系的分析。

圖2 地震作用實驗中地震波波形示意圖

表1三層高度模型不同樓梯形式模態(tài)實驗結果

3.1 地震作用下建筑結構模型中荷載情況分析

對于地震作用下建筑模型中的荷載情況分布進行分析，并以此對于建筑結構的質量點以及質量進行設定，就可以實現(xiàn)對于建筑結構模型狀態(tài)以及地震響應等的計算分析。首先，在針對上述建筑結構模型進行地震作用實驗時，所使用的地震波為El-Centro地震波，對于三個建筑結構模型按照兩個方面進行地震作用的施加，地震作用施加實驗中，每條地震波的間隔時間為0.02s，地震波持續(xù)時間為20s，加速度峰值為350gal。需要注意的是，在對于建筑結構模型進行地震作用的施加實驗中，根據實驗中所需的不同地震等級要求，分別進行不同加速度峰值的施加，以實現(xiàn)對于7級中等地震作用的模擬實驗實現(xiàn)，和實現(xiàn)對于7級較小、7級較大地震作用的模擬實驗，如圖2所示，為地震作用施加實驗中，地震波的波形示意圖。

3.2 地震作用下樓梯對框架結構受力性能的影響

根據上述的建筑結構地震作用荷載情況，對于建立的三組9個建筑結構模型分別進行地震作用荷載施加實驗，通過對于實驗模態(tài)的分析和地震作用實驗下建筑結構模型的位移變化比較，就可以實現(xiàn)對于地震作用下樓梯對框架結構受力性能的影響分析結果。如表1所示，為三層高度模型的三種不同樓梯形式模態(tài)實驗結果。

在表1中實驗模型1、2和3分別表示的是三層高度建筑結構模型中兩側樓梯、一側樓梯以及不考慮樓梯的形式的實驗模型。根據表1中的三層高度模型實驗模態(tài)情況，結合對于其他不同高度模型的實驗模態(tài)結果，可以知道在不同高度模型的變形模態(tài)實驗結果基本相同，而如果按照樓梯斜板結構考慮的框架結構模型計算情況，模態(tài)變形結果的減小比率在1 0%左右。因此，在框架結構建筑中，樓梯單元對于整體建筑結構的影響作用非常關鍵，建筑結構設計中，如果對于樓梯單元地震結構影響作用進行考慮設計，將會對于建筑結構的剛度實現(xiàn)一定的增加。

此外，在上述模型結構的地震作用實驗中，對于三種地震作用下的模型結構受力位移變化計算中，三層高度以及五層高度的模型實驗中，位移變化的最大情況是出現(xiàn)在不進行樓梯作用考慮的一組實驗中，而位移變化最小的是在兩側都進行樓梯設置考慮的實驗中。根據這一位移變化計算結果，可以知道樓層越低，樓梯設置對于框架結構位移變化影響越大。

結語

總之，進行地震作用下，考慮樓梯對于框架結構整體剛度的影響分析，不僅有利于提高建筑結構的設計質量水平，保證地震作用下建筑結構的安全性，減少建筑結構破壞對于地震危害性作用的增加影響，而且對于實際工程中的建筑結構設計，具有一定的指導意義。

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