框架中樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

錢厚明

【摘要】地震震害表明傳統(tǒng)的樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)習(xí)慣存在較大缺陷。本文根據(jù)對(duì)樓梯構(gòu)件震害的破壞形態(tài)及破壞機(jī)理的分析，針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些建議。

【關(guān)鍵詞】地震震害 樓梯 框架結(jié)構(gòu)

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在涉及樓梯間時(shí)，通常采用樓梯間開孔、梁上加荷載的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這種方式即是忽略了樓梯在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中的作用。作為地震時(shí)的主要逃生通道，樓梯間的安全必須得到保證。汶川地震發(fā)生后，樓梯間的破壞成為突出問題之一。從震害照片可以看出，樓梯間破壞的形式主要提出了兩個(gè)問題：一是樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，二是結(jié)構(gòu)對(duì)樓梯的影響。

通過對(duì)樓梯震害形式及樓梯設(shè)計(jì)理論的分析，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)中樓梯，在結(jié)構(gòu)分析、概念設(shè)計(jì)上提供一些思路，在樓梯板、樓梯梁的構(gòu)造措施上提供一些建議。

2 樓梯對(duì)框架的影響分析

圖1顯示出框架柱被樓梯剪壞，從圖中可以看出，由于樓梯的存在，使得框架柱在樓梯節(jié)點(diǎn)處發(fā)生破壞。本來樓梯間部分剛度就比較大，分配的水平剪力比較大，而又在樓梯中間平臺(tái)以上部分形成短柱，使得該段柱承受的剪力是其他柱的幾倍。如果計(jì)算模型中沒有考慮樓梯的作用，只是簡單的輸入了附加荷載，地震時(shí)就很可能形成破壞。文獻(xiàn)1得出的結(jié)論表明，樓梯的存在增加了框架的剛度，減小了結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)移，使大部分構(gòu)件內(nèi)力明顯改變，樓梯間框架柱最易形成短柱破壞。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.6.6.1條規(guī)定"計(jì)算模型的建立、必要的簡化計(jì)算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況；計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。"條文說明中指出"考慮到樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度有較明顯的影響。建議在結(jié)構(gòu)計(jì)算中予以適當(dāng)考慮。"

PKPM已根據(jù)規(guī)范新要求， 給出了結(jié)構(gòu)中考慮樓梯影響的解決方案：在PMCAD的模型輸入中輸入樓梯，可在四邊形房間輸入二跑或?qū)φ鄣娜?、四跑樓梯。程序可自?dòng)將樓梯轉(zhuǎn)化成折梁，此后接力SATWE等的結(jié)構(gòu)計(jì)算即包含了樓梯構(gòu)件的影響。

3 地震作用對(duì)樓梯的影響分析

3.1梯板破壞形態(tài)及受力分析

通常，樓梯梯段斜板計(jì)算是按斜放的簡支梁計(jì)算。然而從圖3可以看出，地震發(fā)生時(shí)梯板的破壞位置并不是在跨中位置，而是在兩邊大約三分之一處?？梢妭鹘y(tǒng)的計(jì)算理論沒有考慮在地震發(fā)生時(shí)樓梯板的受力情況。

地震力作用下，梯板作為一個(gè)斜向構(gòu)件，除受彎受剪外，還受軸力作用。如果樓梯構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，當(dāng)框架層高比較大的時(shí)候，必然受到巨大的軸力作用而破壞。軸力的大小可以通過有限元軟件分析求得。目前SATWE雖然有樓梯模塊，但是在樓梯計(jì)算時(shí)還未考慮樓梯板受軸力的情況。以前標(biāo)準(zhǔn)樓梯板的配筋都是按照《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖-平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》（現(xiàn)澆混凝土板式樓梯，03G101-2）設(shè)計(jì)。

過去標(biāo)準(zhǔn)的配筋形式，板上負(fù)筋在Ln/4處截?cái)?，所以在軸力、彎矩和剪力共同作用下，在負(fù)筋截?cái)嗪蟮奶げ疥幗翘?，鋼筋和混凝土的?yīng)力都達(dá)到最大，這與震害照片顯示的位置是符合的。圖4更是極端的顯示了這種配筋形式所產(chǎn)生的破壞結(jié)果，板中間部分被完全剪斷形成孔洞。

當(dāng)樓梯參與結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，必須求得梯板所受的軸力，SATWE可以考慮樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，但還未能精確的得出梯板本身內(nèi)力的分布情況。需要通過通用有限元軟件ANSYS、MIDAS等來計(jì)算。樓梯的配筋形式應(yīng)有所改變，建議與樓面連接的梯板板厚適當(dāng)加厚，梯板上部鋼筋通長，配筋應(yīng)考慮地震力的作用。

對(duì)于樓梯與整體結(jié)構(gòu)脫開的情況，樓梯不參與整體結(jié)構(gòu)建模，對(duì)于框架柱無影響。但是實(shí)際上樓梯為連接上下兩層樓板的折形構(gòu)件，連接樓面的梯段的受力情況與樓梯參與整體分析時(shí)相同，同樣存在軸力的作用。樓梯的內(nèi)力同樣需要通過通用有限元軟件計(jì)算。如果想不考慮結(jié)構(gòu)對(duì)樓梯的影響，需要在樓梯概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造上采取一些措施，減小層間位移差對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)的影響。

圖5所示方案，通過釋放梯板一端或兩端的約束形成鉸接，只要節(jié)點(diǎn)能夠提供足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，便可以大大減小梯板中軸力的產(chǎn)生。梯板及梯梁在配筋及構(gòu)造上應(yīng)采取措施，既保證節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，又能保證梯板作為一個(gè)受彎構(gòu)件的機(jī)制。圖5是一種建議的節(jié)點(diǎn)形式。

3.2梯梁破壞形態(tài)及受力分析

目前樓梯梁的計(jì)算還是按照簡支梁計(jì)算，地震時(shí)梯梁實(shí)際是一個(gè)受剪、彎、扭構(gòu)件。

圖6顯示梁在支座和中間部位發(fā)生剪扭斷裂。軟件得出的梯梁的內(nèi)力結(jié)果作為參考，適當(dāng)增加配筋，選用較大直徑的鋼筋，梯梁箍筋全截面加密。從圖6可以看出，在剪彎扭共同作用下，梁的底部應(yīng)力是最大的，底部混凝土被剪壞脫落。如果能保證梯梁頂部混凝土不全部破壞，底部鋼筋不被剪斷，能形成正截面受彎機(jī)制，地震時(shí)可以保證樓梯結(jié)構(gòu)不至于坍塌。

4 結(jié)語

地震時(shí)，樓梯間作為逃生通道的作用毋庸置疑，所以要特別注意樓梯的安全性。研究表明，樓梯間對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響比對(duì)框剪和剪力墻結(jié)構(gòu)的影響要大得多。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，本文討論了兩種方法，一是樓梯參與整體分析，二是樓梯與結(jié)構(gòu)脫開分析。實(shí)際工程中具體采取哪種方法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。不管采取哪種方法均要注意實(shí)際構(gòu)造形成的受力機(jī)制應(yīng)與設(shè)計(jì)模型吻合。另一方面，如果樓梯參與整體結(jié)構(gòu)抵抗整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力時(shí)，需要注意此時(shí)樓梯不能按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論來設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)考慮地震力時(shí)計(jì)算的內(nèi)力來配筋和采取構(gòu)造措施。

參考文獻(xiàn)：

1 王奇.馬寶民.鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓梯對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響.建筑結(jié)構(gòu)；2002年4月. 27