板式樓梯振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

何弘泉 沈海波 岳俊超 梁兆照 魯紅權(quán)

摘要：板式樓梯因其施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用而在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的使用。本文針對(duì)板式樓梯的動(dòng)力學(xué)性能分析其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響，提出結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思路和需要注意的事項(xiàng)，結(jié)合實(shí)際工程給出一些樓梯抗震的構(gòu)造設(shè)計(jì)措施的建議，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全可靠。

關(guān)鍵詞：板式樓梯;動(dòng)力學(xué)分析;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;抗震設(shè)計(jì);構(gòu)造措施

1.引言

樓梯作為建筑結(jié)構(gòu)空間豎向聯(lián)系通道的主要部件，起著連通、引導(dǎo)人員流動(dòng)的作用，是保證建筑物正常使用不可或缺的一部分結(jié)構(gòu);另外樓梯作為災(zāi)難來臨時(shí)重要生命線，其動(dòng)力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響顯得格外的重要。因此，在考慮其造型美觀、上下通行方便、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、防火安全等作用時(shí)，以及滿足施工、經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)需要考慮動(dòng)力學(xué)條件的性能要求。

2.板式樓梯的結(jié)構(gòu)組成與受力特點(diǎn)

按結(jié)構(gòu)形式的不同可分為梁式樓梯和板式樓梯，板式樓梯由梯段板、平臺(tái)板和平臺(tái)梁組成。各個(gè)組成部分在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中功能不同，受力性能也不同。

2.1梯段板

在正常使用情況下，梯段板承受豎向荷載作用，屬于受彎構(gòu)件;若把樓梯間作為一個(gè)整體來看，樓梯板又起到了一定的斜撐作用，具有壓桿的性質(zhì)。當(dāng)梯段板受到水平力時(shí)，由于斜撐效應(yīng)，整個(gè)樓梯間吸收了很大的水平力，而樓梯間的中間空洞，抵抗水平力的作用比較薄弱。另外，梯段板通常為層高的一半，平臺(tái)和層高處存在一個(gè)水平位移差，使梯段板受拉。因此，梯段板會(huì)受到彎矩，剪力和拉、壓的作用。梯段板是主要受力部件。

2.2平臺(tái)板

平臺(tái)板位于樓梯兩端和提短板結(jié)構(gòu)連接處，由于同一樓層的兩個(gè)梯段板分別承受拉和壓的作用，其對(duì)平臺(tái)板產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，產(chǎn)生扭矩效果。

2.3平臺(tái)梁

平臺(tái)梁在正常使用下，主要以受彎為主。在水平力的作用下，由于梯段板的斜撐作用，與平臺(tái)梁相連的兩個(gè)梯段板相對(duì)于平臺(tái)梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)左右，很容易導(dǎo)致平臺(tái)梁受扭破壞。

3.板式樓梯在建筑結(jié)構(gòu)遭遇地震作用后產(chǎn)生破壞的特征

3.1梯段板的破壞

梯段板容易在1/3～1/4跨度之間產(chǎn)生水平裂縫，底部的混凝土出現(xiàn)大面積脫落，底部的受力鋼筋裸露并且出現(xiàn)彎曲下?lián)仙踔習(xí)霈F(xiàn)屈服拉斷的現(xiàn)象。

梯段板在1/4處一般存在施工縫，施工不當(dāng)，混凝土質(zhì)量受影響，促使該處形成薄弱部位，在地震作用下，破壞明顯，甚至出現(xiàn)上下兩塊板錯(cuò)位分離的現(xiàn)象。如圖1.

3.2平臺(tái)板的破壞

平臺(tái)板的板面出現(xiàn)了明顯的橫縱向裂紋。由于存在兩梯段板存在水平位移差，在兩梯段板的水平推拉作用下，平臺(tái)板和平臺(tái)梁承受空間的彎矩、剪力和扭矩的共同作用，使梯段板與平臺(tái)板的連接處容易斷裂。 如圖2。

3.3平臺(tái)梁的破壞

梯梁側(cè)面在兩個(gè)梯板之間開裂脫落部分混凝土。在地震作用下，樓梯相當(dāng)于“K”型支撐構(gòu)件。樓梯的兩個(gè)梯段在樓梯發(fā)生層間側(cè)移，交替承受外部的擠壓，平臺(tái)梁彎剪扭復(fù)合受力，平臺(tái)梁在跨中極易發(fā)生剪扭破壞。

3.4樓梯間柱子的破壞

樓梯間多采用框架梁上設(shè)小柱，小柱頂上設(shè)兩方向的梁。在地震作用下，由于柱子截面過小，在框架梁內(nèi)錨固的長(zhǎng)度不足;節(jié)點(diǎn)處澆筑的混凝土質(zhì)量太差，強(qiáng)度太低等都會(huì)造成梯間小柱柱頭破壞現(xiàn)象。

4.板式樓梯在結(jié)構(gòu)抗震方面的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)震害特征的分析，總結(jié)以下設(shè)計(jì)思路：

（1）樓梯梯段板負(fù)彎矩鋼筋通長(zhǎng)，避免在地震作用下梯段板在負(fù)彎矩鋼筋的截?cái)嗵幈焕瓟唷?/p>

梯段板的計(jì)算跨度應(yīng)以斜向長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，而不是采用水平投影長(zhǎng)度。

（2）平臺(tái)梁按照其受彎、剪、扭構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗扭箍筋沿梁通長(zhǎng)加密，提高平臺(tái)梁的抗剪和抗扭能力。

（3）梯梁按照其剪、扭構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，箍筋通長(zhǎng)加密，柱子通長(zhǎng)布置，提高其抗側(cè)移能力。

（4）設(shè)置滑動(dòng)支座，避免梯段板和平臺(tái)梁澆筑在一起。減輕在地震作用下梯段板產(chǎn)生煩人相對(duì)滑移，釋放部分地震能量并減少梯板的斜撐作用，確保了樓梯在主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞前還能夠正常使用。

（5）對(duì)于整體性較差的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中應(yīng)考慮樓梯和主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并且進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，不宜使用樓板開洞的通用算法。

5.板式樓梯在結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造措施

5.1減小地震作用對(duì)整體框架的影響

樓梯板高端均支承在梯梁上，樓梯低端帶滑動(dòng)支座支承在梯梁或梯梁的挑板上，樓梯板采用雙層雙向配筋。這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)剛度等的影響比較小，不需要參與整體結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算?；瑒?dòng)支座墊板可采用聚四氟乙烯或鋼材等起到有效滑動(dòng)的材料。

5.2增加抵抗地震作用的影響

樓梯板全部支承梯梁上，樓梯休息平臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)可整體連接2個(gè)梯柱形式或者脫開4個(gè)梯柱形式，其中休息平臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)脫開連接可避免形成短柱，樓梯板采用雙層配筋，厚度不宜小于140?mm。樓梯的支撐作用的方向不同，其中垂直于梯板方向的影響比較小，沿梯板方向的影響比較大，樓梯偏置時(shí)還需要考慮扭轉(zhuǎn)的不利影響。樓梯構(gòu)件在地震作用下受力狀態(tài)比較的復(fù)雜，梯板除了考慮常規(guī)的恒載和活載外，還需要考慮地震軸力和面內(nèi)彎矩，應(yīng)按面外拉彎、面內(nèi)壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài)受力設(shè)計(jì)。

5.3平臺(tái)梁的構(gòu)造措施

支撐樓梯踏步的梁，按拉彎剪復(fù)合受力狀態(tài)設(shè)計(jì)，且在設(shè)計(jì)折板樓梯時(shí)需在折角處進(jìn)行箍筋加密，防止折角處的混凝土提前受剪破壞。順梯板方向的梁，位于框架柱和踏步梯段板之間，直接傳遞了地震作用的拉壓軸向力，因此設(shè)計(jì)不能只考慮平臺(tái)板上荷載產(chǎn)生的彎矩。

5.4平臺(tái)板的構(gòu)造措施

平臺(tái)板上下應(yīng)雙層雙向布置通長(zhǎng)鋼筋，且鋼筋要保證足夠的強(qiáng)屈比、屈強(qiáng)比和極限應(yīng)變。概念設(shè)計(jì)時(shí)平臺(tái)板的布置應(yīng)避免框架柱形成“框架短柱”，支撐中間休息平臺(tái)梁的樓梯柱，按平臺(tái)梁的軸力作為剪力設(shè)計(jì)，柱端箍筋加密區(qū)配筋量適當(dāng)加大，防止大震情況下樓梯柱首先抗剪屈服破壞。

6.結(jié)語

現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的樓梯設(shè)計(jì)中板式樓梯占了大多數(shù)，板式樓梯在較大受力下，尤其在地震作用下會(huì)有顯著的破壞結(jié)構(gòu)特征。本文總結(jié)了板式樓梯在地震的影響下，不同部位構(gòu)件的破壞情況，并進(jìn)行了原因分析，給予了相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的構(gòu)造措施建議。綜上所述，要加強(qiáng)板式樓梯結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，在地震來臨時(shí)可為人員逃生提供安全通道。

致謝：本文受到衢州學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：202111488060）的支助，以及衢州學(xué)院開放式實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目《裝配式建筑構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試和分析》支持。

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作者簡(jiǎn)介：姓名：何弘泉，男，浙江杭州，漢族，本科，研究方向：土木工程專業(yè)路橋方向