樓梯系統(tǒng)對于建筑物鋼筋砼框架抗震性能的影響分析

李 銳

（黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

筆者在對汶川地震的樓梯破壞形態(tài)進(jìn)行了全面分析之后，發(fā)現(xiàn)震時樓梯破壞形式主要分為三種：扭轉(zhuǎn)型破壞、梯板剪拉型破壞、梯梁梯柱型破壞。同時，對樓梯結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了多方面考察，并進(jìn)行抗震分析之后提出了若干建議，有助于進(jìn)一步提高樓梯的建筑安全性以及抗震性能，在應(yīng)對突發(fā)型地震災(zāi)害的時候，有效保護(hù)居民生命安全。下面將對上述三種破壞形態(tài)進(jìn)行闡述并進(jìn)行抗震原因分析。

一、整體扭轉(zhuǎn)型破壞

其破壞形態(tài)主要表現(xiàn)在建筑物兩端或L形建筑物拐角處的樓梯整體垮塌。其原因主要是狹長建筑物的兩端以及L形建筑物的拐角處受力復(fù)雜扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大而極易造成樓梯整體性破壞（圖1）。

圖1 整體扭轉(zhuǎn)型破壞

二、梯板剪拉型破壞

現(xiàn)在普遍使用的樓梯板設(shè)計大多數(shù)是支座負(fù)彎矩鋼筋深入樓梯板長度約四分之一處，樓梯板的兩端支承在梯梁上（如圖2）。經(jīng)過對汶川大地震的考察分析，發(fā)現(xiàn)多起樓梯斷裂事故中的大多數(shù)斷裂部位都在樓梯梯板長度的四分之一或五分之一之間（如圖3），形成了梯板剪拉型破壞。

其斷裂原因大致有以下三種：

圖2 樓梯板設(shè)計示意圖

（1）根據(jù)樓梯板設(shè)計示意圖，可以看到梯板和樓板直接的結(jié)構(gòu)關(guān)系。首先，樓板的絕對鋼性，且地震力的傳遞不會被隔斷。其次，由于建筑物中樓梯處在一個開口的位置，相當(dāng)于一個洞口，這樣的結(jié)構(gòu)就直接對樓板的鋼性造成了相當(dāng)大的削弱，洞口處在受到外界的水平力傳遞時也受到一定程度的阻隔。接著，從圖中可以看出，兩個梯板與樓板之間形成一個K字形支撐結(jié)構(gòu)，由此樓板所承受的隔斷力就被水平的傳遞給了上下兩個梯板，因此梯板受到水平剪力。

在支座負(fù)彎矩鋼筋與樓板底部的受力鋼筋共同作用下，由于此處樓板的抗剪抗彎能力較強，因此地震對其造成的破壞機(jī)率較小。由于支座負(fù)彎矩鋼筋在梯板長度約五分之一到四分之一處，在地震時，一方面：a點處陰角梯板截面突然變小，應(yīng)力的受力面積集中，a點處陰角梯板內(nèi)力突然增大，極易造成斷裂；另一方面：樓板與梯板的交接處位于支座負(fù)彎矩鋼筋末端，突然的地震力會使得梯板剛度有所改變，因此梯板也極易在剛度變化處斷裂。

（2）由于設(shè)計中可能存在的誤差，會造成上、下兩層樓梯的自振頻率略有差別，在地震過程中，震動極易造成上、下梯板水平位移出現(xiàn)差值，這個差值會造成梯板的斷裂。在反復(fù)地震力的作用下，水平地震力會使梯板兩端的支座向中間部位產(chǎn)生彎矩和拉力，梯板中部會因為拉力的增加而導(dǎo)致直接斷裂。

（3）在實際情況中，這樣的結(jié)構(gòu)使建筑物兩端及結(jié)構(gòu)的角部外墻發(fā)生外閃的機(jī)率極大，造成對樓梯通道的阻塞，也就妨礙了人們的逃生。樓梯兩邊的橫墻在地震力沖擊下外閃，這對于框架結(jié)構(gòu)來說，會破壞水平支撐的結(jié)構(gòu)，降低樓梯側(cè)向的剛度，在水平地震力的作用下，變?yōu)槿嵝泽w系（如圖4所示）。

圖3 距支座1/5～1/4處梯板斷裂

圖4 橫墻外閃后樓梯的破壞

三、梯梁梯柱型破壞

梯梁，即平臺梁，是支撐梯板的主要構(gòu)件，它一方面承受著梯板變形產(chǎn)生的扭曲，梯梁成為受扭構(gòu)件，另一方面承受著地震中由梯板傳來的豎向力和水平力，這樣，梯梁的扭轉(zhuǎn)使混凝土破碎以及梁中鋼筋的過早屈服，使梯板的支撐變得更加薄弱，容易使樓梯破壞（圖5）。

而作為休息平臺、梯板支撐的梯柱尤其是底層梯柱的高度相對較低，易形成短柱。根據(jù)側(cè)移剛度公式可知，抗側(cè)剛度D與柱高h(yuǎn)的平方成反比，所以短柱的剛度變大；而根據(jù)地震力的分配原則，在地震力的作用下，短柱相比同層的其他梯柱分擔(dān)的地震力就會被增大，因此，短柱在地震中會比其他柱子先達(dá)到極限承載力，發(fā)生斷裂扭曲。這種情況極易造成柱先與梁而破壞，就違背了框架設(shè)計中強柱弱梁的設(shè)計原則，造成梯梁梯柱型破壞。

四、設(shè)計建議

通過對上述三種地震樓梯的破壞形態(tài)分析及其原因的總結(jié)，并結(jié)合自身的實踐經(jīng)驗特此對樓梯設(shè)計及其抗震性能的提升提出以下建議，為樓梯設(shè)計者提供相關(guān)參考并希望可以幫助更多建筑物實現(xiàn)抗震性能的提升。

（1）對于建筑物兩端的位置及L型樓房的拐角處，不宜設(shè)置樓梯。應(yīng)盡量避免將樓梯的設(shè)計位置放在上述兩個地方。

圖5 梯梁的破壞

圖6 梯柱的破壞

（2）考慮到梯板所受的剛度在地震力作用下會發(fā)生變化，應(yīng)該在設(shè)計時將支座負(fù)彎矩鋼筋貫通設(shè)置在整個梯板中，使梯板的受力剛度得到合理的平均分配，并雙層雙向配置鋼筋，提高其受力之后的延展性，可以防止樓梯發(fā)生破壞（如圖7所示）。

（3）設(shè)計樓梯時，盡可能將樓梯構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行計算，設(shè)計計算可將梯板歸類于斜梁來考慮剛度問題，并參與樓梯的整體計算，這樣在考慮其地震力的作用時比較全面而且接近實際情況。

（4）對于樓梯的側(cè)向支撐，橫墻部分，08版抗震規(guī)范也給出了修訂：頂層樓梯間橫墻和外墻應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)26通長鋼筋；7～9度時其它各層樓梯間墻體應(yīng)在休息平臺或樓層半高處設(shè)置60mm厚的鋼筋混凝土帶或配筋磚帶，其砂漿強度等級不應(yīng)低于M7.5，縱向鋼筋不應(yīng)少于2Φ10；

圖7 支座負(fù)彎矩鋼筋宜貫通設(shè)置

（5）針對梯柱梯梁型破壞，關(guān)鍵在于短柱的受力與固定問題。要解決好這個問題，要通過進(jìn)一步提高梯柱的體積配箍率來實現(xiàn)：首先，箍筋要按照柱的全高進(jìn)行加密，其次，按照實際情況具體來分析控制其剪壓比。這樣就可以適當(dāng)有效的避免混凝土短柱過早產(chǎn)生柔性，而使箍筋不能充分發(fā)揮其作用。

希望以上提出的幾點樓梯設(shè)計建議可以給今后的建筑物樓梯抗震分析和設(shè)計分析提供良好的參考與指導(dǎo)。

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