鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓梯的震害分析及設(shè)計建議

李志剛

（新昌縣規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，浙江 新昌 312500）

1 背景

當(dāng)發(fā)生地震和火災(zāi)時，樓梯是重要的緊急逃生豎向通道。樓梯的破壞會延誤人員的撤離及救援工作，從而導(dǎo)致嚴重傷亡。為了保證樓梯的正常工作，不僅要保證樓梯結(jié)構(gòu)的整體性能，還應(yīng)避免樓梯受一些非結(jié)構(gòu)部件脫落的堵塞。然而，從汶川地震的震害分析可知，我國現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的樓梯震害較嚴重，樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計尚需改進。

2 汶川樓梯震害

汶川地震造成大量樓梯破壞，其中框架結(jié)構(gòu)的樓梯破壞最為嚴重，甚至造成樓梯板斷裂而使得逃生通道被切斷框架結(jié)構(gòu)樓梯震害嚴重的原因：框架抗側(cè)剛度小，而樓梯板類似斜撐，使樓梯間抗側(cè)剛度大，地震剪力也大；樓梯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳力途徑也復(fù)雜。樓梯震害主要有以下幾方面：

1.1 上下梯段板交叉處梯梁和梯梁支座剪扭破壞。當(dāng)剪扭力很大時，梯梁剪扭破壞會延伸到休息平臺板內(nèi)。如為板式樓梯無梯梁時，則休息平臺板在剪扭作用下被撕壞。

1.2 梯板受拉破壞或拉斷。在水平地震作用下，斜向梯板具有斜撐受力特點，即受反復(fù)拉壓力作用，在梯板施工縫薄弱部位和梯板與框架梁相交的不利受力位置易產(chǎn)生拉裂破壞，甚至拉斷，失去逃生通道功能。拉力傳至休息平臺，也會使梯梁與休息平臺之間拉裂。

1.3 休息平臺處短柱破壞。樓梯休息平臺處的框架柱和梯柱的剪跨比通常小于其他部位的框架柱，成為整個結(jié)構(gòu)中的短柱，地震剪力相對較大，容易發(fā)生破壞。

3 樓梯震害分析

3.1 樓梯對框架結(jié)構(gòu)的整體影響

以8層兩側(cè)有兩樓梯間的兩單元住宅樓為算例，比較兩種情況：有梯梁梯柱和無梯梁梯柱時樓梯對框架結(jié)構(gòu)的整體影響，有梯梁梯柱時樓梯形成一個更復(fù)雜的支撐體系。1、2由表1和表2可以看出，有無梯梁梯柱的樓梯對結(jié)構(gòu)的整體影響不同，但都較大；有梯梁梯柱時，樓梯對框架結(jié)構(gòu)的整體影響更大。

?

3.2 樓梯對相連部件的影響（以上述8層框架為例）

仍以上述8層框架為例進行分析。

3.2.1 樓梯對結(jié)構(gòu)角柱的影響：樓梯對多高層結(jié)構(gòu)的底層角柱影響較大，通過計算對比，角柱的軸力增加1.14～2.5倍，柱配筋增加40%左右。

3.2.2 樓梯對梯柱的影響：經(jīng)研究表明，7度和7度以上時梯柱最大拉力與地震作用的大小有較大的關(guān)系。實際工程中7度時梯柱最大拉力也有達到200KN，7度和7度以上時梯柱應(yīng)按最大拉力配筋。

3.2.3 樓梯對梯梁的影響：在地震作用下，考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)工作后，梯梁在梯板的拉壓力作用下承受了雙向剪力，與通常不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)工作的計算方法相比，梯梁中剪力值增加近3倍，且剪力分布也發(fā)生顯著改變。上下梯板交接處的梯梁中部和梯梁支座處均承受很大的剪力，極易發(fā)生剪扭破壞。同時在7度和7度以上地區(qū)，梯梁剪力和扭矩隨地震作用增大而增大，地震引起的剪扭起控制作用。因此，7度和7度以上時梯梁須考慮抗震計算和設(shè)計。

3.2.4 樓梯對梯板的影響：在地震作用下，樓梯實際參與了主體結(jié)構(gòu)工作，梯板具有類似斜撐的作用，地震下受到很大的拉壓軸力，尤其是底部幾層。以通過有限元對梯板的分析可知：梯板的拉、壓應(yīng)力為2.0MPa，遠大于樓層樓板的拉、壓應(yīng)力0.3MPa左右的范圍，且隨著地震作用增加，地震引起的拉應(yīng)力起控制作用，梯板構(gòu)造鋼筋抵抗不了拉、壓應(yīng)力。因此，7度和7度以上時，梯板須按平均拉應(yīng)力計算板鋼筋，按恒活載計算的鋼筋可能不夠。

3.2.5 彈塑性分析表明，考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)受力后，結(jié)構(gòu)的屈服機制為：梯板受拉屈服→梯梁在上下梯板之間位置受剪破壞→梯柱屈服→與樓梯相連的框架柱屈服→框架柱喪失承載能力。而且，樓梯成為整個結(jié)構(gòu)首先破壞的部位，作為逃生通道的樓梯是不允許先行破壞的。因此，有必要采取其他措施，保證樓梯作為逃生通道的安全性。

4 減少地震力作用下樓梯受力的設(shè)計建議

由以上考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作后的結(jié)構(gòu)抗震分析可知，樓梯和樓梯間框架柱的內(nèi)力比不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力顯著增大，這一方面使得樓梯的設(shè)計難度增大，另一方面樓梯間會成為地震中首先發(fā)生破壞的部位。與此同時，框架部分的內(nèi)力將會比不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力有所減小，這又會使得框架部分的抗震安全性比以往不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作的設(shè)計結(jié)果有所降低。為解決這個兩難問題，減輕樓梯震害，確保樓梯在地震中安全與通暢，可采用以下兩種方法。

4.1 抗的方法。在樓梯間采取增大主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的措施，如增加剪力墻，這樣可以使得樓梯間的地震力主要由剪力墻承擔(dān)，使得樓梯構(gòu)件的受力降低，再采取加強樓梯的構(gòu)造措施，確保樓梯在地震中的安全和暢通，此時結(jié)構(gòu)模型成為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)或少墻框架結(jié)構(gòu)，這也會在整體上增強結(jié)構(gòu)的抗震能力。但此時需注意，樓梯間依然是結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，其破壞后框架部分的地震內(nèi)力會增大，因此，建議框架部分仍按不考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)共同工作分析方法所得到的內(nèi)力進行設(shè)計。顯然，這樣的設(shè)計造價會比以往有顯著增加。

4.2 放的方法。采取構(gòu)造措施，斷開樓梯與主體結(jié)構(gòu)的連接，使樓梯不參與整體結(jié)構(gòu)受力。這種措施不但能改善樓梯受力狀態(tài)，還可以減少由樓梯引起的結(jié)構(gòu)不規(guī)則和地震反應(yīng)的不確定性。該方法的具體措施有兩種方案，兩種方案的上跑梯板在休息平臺處均設(shè)置隔離滑動層，與休息平臺隔離；不同之處在于，休息平臺較小時采用懸臂休息平臺，休息平臺較大時采用雙梯柱方案。隔離滑動層處鋼筋不連通，為減少摩擦，水平縫處可采用聚四氟乙烯板，或采用柔性材料（如聚苯板）、2層油氈；也可直接將隔離滑動層設(shè)置為施工冷縫（但這種做法摩擦力較大）。這種方法可基本消除樓梯參與整體結(jié)構(gòu)的共同工作，使樓梯本身也成為非抗側(cè)力構(gòu)件，故可不考慮抗震要求，在結(jié)構(gòu)抗震分析計算中也不需考慮其剛度影響，可仍按傳統(tǒng)的方法進行樓梯部分的設(shè)計。

[1]胡慶昌，孫金墀，鄭琪[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]清華大學(xué)，西南交通大學(xué)，重慶大學(xué)，等.汶川地震建筑震害分析及設(shè)計對策[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]中國有色工程設(shè)計研究總院.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊[C].

[4]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，肖從真.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.