樓梯對框架結(jié)構(gòu)的影響

王春龍，金文良

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶九龍坡400041；2.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州天河510600）

樓梯對框架結(jié)構(gòu)的影響

王春龍1，金文良2

（1.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶九龍坡400041；2.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州天河510600）

本文以某建筑工程為背景，通過建立二種框架結(jié)構(gòu)模型：無樓梯模型和整體現(xiàn)澆板式樓梯模型，運(yùn)用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部研制開發(fā)的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析.對比分析了二種模型框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和主要參數(shù)指標(biāo)的變化，總結(jié)出樓梯構(gòu)件在地震作用下對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響.并給出在結(jié)構(gòu)設(shè)計中樓梯應(yīng)采取的一些構(gòu)造措施.

樓梯；框架結(jié)構(gòu)；配筋；參數(shù)

汶川地震中許多框架結(jié)構(gòu)樓梯遭到嚴(yán)重破壞，造成大量的人員傷亡.作為災(zāi)難逃生通道的樓梯間并沒有起到保護(hù)人民生命的作用，而是在地震來時，樓梯間破壞坍塌，安全通道作用蕩然無存.樓梯作為建筑的豎向疏散通道，人流疏散時會產(chǎn)生較大的集中活荷載，特別在地震作用框架結(jié)構(gòu)時，致使整體現(xiàn)澆板式樓梯受力性能更加薄弱，其中一個主要原因是梯段板在順梯板方向的斜向支撐破壞，會加快樓梯間相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞[4].框架結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)的樓梯布置與設(shè)計,在目前的抗震設(shè)計中,規(guī)范中關(guān)于樓梯有如下規(guī)定：《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.1.4條要求：“抗震設(shè)計時，框架結(jié)構(gòu)的樓梯間應(yīng)符合下列規(guī)定：1、樓梯間的布置應(yīng)盡量減小其造成的結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，2、宜采用現(xiàn)澆混凝土樓梯，樓梯結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗倒塌能力，3、已采取措施減小樓梯對主體結(jié)構(gòu)的影響，4、當(dāng)鋼筋混凝土樓梯與主體結(jié)構(gòu)整體連接時，應(yīng)考慮樓梯對地震作用及其效應(yīng)的影響，并應(yīng)對樓梯構(gòu)件進(jìn)行抗震承載力計算”[1].《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.6.6條1款要求：“計算模型的建立、必要的簡化計算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響.”第6.1.15條1、2款要求：“宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯，對于框架結(jié)構(gòu)樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則；樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整體澆筑時，應(yīng)計入樓梯構(gòu)件對地震作用及其效應(yīng)的影響.”[2]規(guī)范對樓梯設(shè)計的基本要求不見適用于框架結(jié)構(gòu)，同樣也適用于其它各類結(jié)構(gòu)的樓梯，而在他各類結(jié)構(gòu)中如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)自身剛度較大，樓梯的斜撐作用對主體結(jié)構(gòu)的影響較小[3]，所以樓梯參與整體計算影響最敏感的結(jié)構(gòu)就是框架結(jié)構(gòu).

1 工程概況

本工程擬建場地位于拉薩市曲水縣，抗震設(shè)防烈度7度（0.15g），設(shè)計地震分組為第三組，建筑場地類別Ⅱ類場地土，抗震設(shè)防類別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，地上4層的多層建筑，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，樓梯間布置在W～U、8～9軸之間（平面布置如圖1所示）.框架抗震等級為三級；層高一層為4.5m，二～四層為3.3m；軸網(wǎng)尺寸7.7+5.5，6.9+7.2*2+3.6+7.2* 2+6.9，框架柱截面尺寸600x600mm，框架梁截面均為300x600mm，樓面次梁截面為200x500mm，樓板100mm厚.樓面(包括自重)恒荷4.2K N/m2，樓面活荷2.0K N/m2，屋面恒荷（包括自重）8.0K N/m2，屋面活荷0.7K N/m2；外圍框架梁線荷載9.0K N/m，其余梁線荷載10K N/m.

圖1 某框架結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位cm）

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 模型中建立樓梯的方法

與主體結(jié)構(gòu)一起澆筑的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯，設(shè)計中用于計算和分析的樓梯模型通常有兩種形式.一種為考慮樓梯構(gòu)件對框架結(jié)構(gòu)剛度的影響和樓梯的斜撐作用，樓梯參與結(jié)構(gòu)整體共同工作，在結(jié)構(gòu)模型建立時輸入樓梯；一種為忽略樓梯構(gòu)件對框架結(jié)構(gòu)的影響，在結(jié)構(gòu)模型建立時則不輸入樓梯，即結(jié)構(gòu)整體工作時不考慮樓梯構(gòu)件的作用，但施加樓梯荷載.

結(jié)構(gòu)模型中建立樓梯時，在P K P M中定義與布置樓梯后，退出P M C AD時要勾選“樓梯自動轉(zhuǎn)換為梁”選項（數(shù)據(jù)在L T目錄下），這樣程序在L T文件夾中生成樓梯模型數(shù)據(jù).轉(zhuǎn)換樓梯后的計算模型將梯間處原1個房間劃分為3個房間，且原有房間的板厚、恒載活載等信息丟失，需要用戶手工修改.此時在P M C AD梁定義中會自動生成扁梁的截面尺寸，也就是模型中采用了梁來模擬梯板的斜撐作用.結(jié)構(gòu)模型不建立樓梯時，在P K P M中不定義與布置樓梯構(gòu)件，而是把樓梯斜板部分板厚輸入為零，然后輸入樓梯的恒載和活載，這樣類似模擬樓梯的豎向荷載加到它的周邊構(gòu)件上，即未考慮樓梯的斜撐作用只是施加了樓梯荷載.

2.2 兩種模型計算結(jié)果

通過計算，得到了兩種模型結(jié)構(gòu)的平動為主的第一自振周期（T1）、平動為主的第二自振周期（T2）、扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期（T t）、X方向最大層間位移角和Y方向最大層間位移角，見表1；同時也計算了兩種結(jié)構(gòu)模型一層的樓梯間周邊及受荷面積比較大的框架梁和框架柱的配筋（通過計算可知框架結(jié)構(gòu)的底層受力最大，具體構(gòu)件位置見圖2），框架梁配筋計算結(jié)果見表2，框架柱配筋計算結(jié)果見表3.對這兩個模型進(jìn)行對比分析.

圖2 框架梁、框架柱位置圖（單位cm

從表1中可以看出，考慮樓梯的模型平動為主的第一自振周期（T1）、平動為主的第二自振周期（T2）、扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期（T t）比未考慮樓梯的模型周期短，且順梯板方向的（Y向）最大層間位移角變小.但垂直梯板方向（X向）的最大層間位移角變大.

表1 兩種模型結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)

表2 兩種模型一層框架梁配筋（單位cm2）

從表2中可以看出樓梯間周邊框架梁K L1考慮樓梯模型的頂部配筋變大，底部配筋變小.其他部位框架梁：上部配筋考慮樓梯模型的配筋比未考慮樓梯的模型的配筋均有所減小，最大減小12%（正直表示減小，負(fù)值表示增大）；底部鋼筋考慮樓梯模型的配筋比未考慮樓梯的模型有所增加，最大增加9.09%.

表3 兩種模型一層框架柱配筋（單位cm2）

從表3中可以看出考慮樓梯模型的框架柱X向、Y向配筋比未考慮樓梯模型框架柱的配筋的均有所減?。ㄕ北硎緶p小），最大可減小23%.

通過以上分析可見,樓梯對結(jié)構(gòu)剛度及承載力均有較大影響.由于樓梯的存在,考慮樓梯斜支撐作用后使得框架結(jié)構(gòu)整體剛度增大，從而對對框架結(jié)構(gòu)整體參數(shù)如自振周期、位移等有不可忽視的較大影響,建議在結(jié)構(gòu)計算中予以適當(dāng)考慮，對于周期、位移、位移比等參數(shù)的控制，按照樓梯共同作用的模型考慮.

結(jié)構(gòu)在地震的作用下，樓梯對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋均有較大的影響.對于框架梁，根據(jù)其所在位置，對梁的負(fù)彎矩區(qū)和正彎矩區(qū)配筋的影響不同.對于框架柱，考慮樓梯模型框架柱的配筋的均有所減小.由于現(xiàn)階段用于模擬樓梯的計算軟件還不夠完善，樓梯參與計算模型和實際樓梯的作用還是有很大的差別的，無法精確地把樓梯輸入模型，模擬樓梯的用作.樓梯是否有如此大的斜撐作用，尚需進(jìn)一步研究，所以在進(jìn)行內(nèi)力配筋時，樓梯的影響程度還是需要設(shè)計師自己把握和設(shè)計.為保守起見，結(jié)構(gòu)的配筋取其兩種模型的包羅值.計算分析中還發(fā)現(xiàn)，樓梯對框架結(jié)構(gòu)的影響隨著地震力的不同影響程度也不同，尚需進(jìn)一步研究.

2.3 減小樓梯構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)影響的構(gòu)造措施

在上述的基礎(chǔ)上對樓梯的設(shè)計提出了一些建議，樓梯是個斜撐有剛度貢獻(xiàn)，因此易吸收水平力.所以，框架結(jié)構(gòu)的樓梯，可以優(yōu)先采取構(gòu)造措施減小樓梯構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)剛度影響，而不是直接參與計算.如采用將樓梯平臺與主體結(jié)構(gòu)脫開的方法（或在每個梯段下端梯板與平臺或樓層之間設(shè)置水平隔離），以切斷樓梯平臺與主體結(jié)構(gòu)的水平傳力途徑，使每個樓梯平臺支撐在樓面梁上且對結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度影響降低到最低限度[3]，兩種做法，休息平臺與主體脫離或梯段板下端做滑動支座，這樣在建模時可不考慮樓梯對主體結(jié)構(gòu)的影響.樓梯平臺板與主體結(jié)構(gòu)脫開時，同時休息平臺4個梯柱按框架柱構(gòu)造并考慮適當(dāng)加強(qiáng).樓梯柱的截面尺寸宜滿足框架柱要求，柱子寬度受限而不能滿足規(guī)范要求時，應(yīng)控制不小于200，并相應(yīng)加大截面高度[5].

3 結(jié)語

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

1、設(shè)計框架結(jié)構(gòu)，考慮樓梯參與共同作用時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力配筋建議取有樓梯模型和無樓梯模型的包羅值；對于周期、位移、位移比等參數(shù)的控制，按照樓梯共同作用的模型考慮.

2、框架結(jié)構(gòu)的樓梯，優(yōu)先采取構(gòu)造措施減小樓梯構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)影響，而不是直接參與計算.

3、樓梯間的設(shè)置應(yīng)遵循均勻?qū)ΨQ的原則，避免在房屋的端部，角部設(shè)置樓梯間，避免樓梯間的設(shè)置造成結(jié)構(gòu)剛度較大的變化.避免造成結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則.

[1]建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（J G J3-2010）[S].北京；中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計規(guī)范（G B50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]朱丙寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012:199.

[4]譚小平.滑動支座板式樓梯對框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].成都：西華大學(xué),2014.

[5]朱丙寅.建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012:260.

The Inf luenceof Stairson Frame Structure

WANG C h u nlon g1,J INW enl i a n g2
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B a se d on the ba c kgr o u n d o f a const ru ction p r o j ect,by est ab lishin g t w o k in d s o f f ra me st ru ct ur emo d el:no st a i r c a semo d el a n d the w hole em b o d iment o f po ur in g sl ab st a i r smo d el,u sin g P K P MC AD C hinese En g inee r in g R ese ar ch I nstit u te o f bu i l d in g science r ese ar ch a n d d e v elopment o f m u lti-sto r e y a n d hi g h-r ise bu i l d in g sp a ce st ru ct ur e f inite element a n a l y sis a n d d esi g n so f t war e S ATW E, this p a pe r c ar r ies on the o v e ra l l a n a l y sis on the st ru ct ur e.T he ch a n g es o f the inte r n a l f o r ce a n d the m a in p ara mete r s o f t w o k in d s o f f ra me st ru ct ur emo d els ar e a n a l yz e d a n d comp ar e d.T his p a pe r s u mm ar i z es the in f l u ence o f the st a i r mem b e r on the f ra me st ru ct ur e u n d e r the e ar th quak e a n d someme a s ur es to b e t ak en in the st ru ct ura l d esi g n ar e g i v en.

S t a i r s;F ra me S t ru ct ur e;R ein f o r cement;Para mete r s

TU318+.1

A

1672-2094（2017）03-0159-03

責(zé)任編輯：張隆輝

2017-03-01

王春龍（1982-），女，吉林敦化人，中國人民解放軍后勤工程學(xué)院工程師，碩士.研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計.