地震作用下樓梯破壞機(jī)制研究

李 銘 孫 沖 張晏文

(1.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河南濮陽(yáng) 457000;2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，四川成都 610021;3.煙臺(tái)金建冶金科技有限公司，山東煙臺(tái) 264670)

0 引言

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、海嘯、泥石流、地震等自然災(zāi)害時(shí)，樓梯作為建筑結(jié)構(gòu)的唯一的逃生之道，其安全隱患應(yīng)引起重視。2008年汶川大地震(8.0級(jí))以及2010年的玉樹地震(7.1級(jí))震害表明，樓梯間在地震中破壞較為嚴(yán)重，致使許多人逃生受阻而死亡，并加速了樓梯間的倒塌。因此，研究樓梯在地震作用下的破壞機(jī)制并提出相應(yīng)的解決辦法是擺在當(dāng)前抗震專家面前的首要任務(wù)，作為一名行業(yè)學(xué)習(xí)者，對(duì)解決此問題應(yīng)深刻思考。

本文根據(jù)震害調(diào)查及GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［1］的設(shè)計(jì)要求，對(duì)樓梯在地震作用下的破壞機(jī)制進(jìn)行理論分析，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后建筑物樓梯的設(shè)計(jì)提出了自己的建議，避免今后大量無辜人員的傷亡。

1 地震作用下樓梯的破壞形態(tài)及原因分析

本文通過震害調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)樓梯在地震作用下的破壞形態(tài)主要有梯板的剪拉破壞、梯柱的剪切破壞以及梯梁的扭轉(zhuǎn)破壞，另外還有一些次生原因引起樓梯的破壞，如房屋整體倒塌引起樓梯的破壞、墻體的倒塌導(dǎo)致樓梯發(fā)生不同程度的破壞或阻塞。下面將對(duì)其原因進(jìn)行逐一分析。

1.1 梯板的剪拉破壞

梯板作為支撐行人安全行走的載體，在地震作用下，梯板受力極為復(fù)雜，不光受到水平地震力的作用，同時(shí)受豎向地震作用的影響也較大［2］。水平地震作用使得梯板產(chǎn)生明顯的剪力和扭矩，豎向地震作用下使得梯板在梁端支座處產(chǎn)生較大的地震剪力和拉力以及梯板跨中產(chǎn)生明顯的彎矩;同時(shí)，剛性樓板的樓梯間的突然開洞，使得地震剪力的傳遞突然間斷，而此時(shí)作為水平支撐的K形梯板分擔(dān)了剛性樓板傳來的大量地震剪力。綜合以上受力分析，地震作用下，梯板在距離其支座(平臺(tái)梁)1/5～1/4長(zhǎng)度處產(chǎn)生明顯的剪拉破壞(如圖1所示);另外，支座處負(fù)彎矩鋼筋伸入到梯板的長(zhǎng)度為梯板跨度的1/4，當(dāng)梯板在地震作用下產(chǎn)生彎矩或者拉力時(shí)，梯板中支座負(fù)彎矩鋼筋的末端處抗拉剛度發(fā)生突變，使得此處的梯板處于受拉應(yīng)力集中狀態(tài)，導(dǎo)致梯板發(fā)生受拉破壞;再者，由于功能需求，上下兩層樓梯的固有頻率可能大不相同，這樣會(huì)使得上下兩層樓梯在水平地震作用下產(chǎn)生水平位移差，導(dǎo)致梯板發(fā)生剪切破壞［3］。

1.2 梯柱(短柱)的剪切破壞

兩跑樓梯是當(dāng)今建筑樓梯設(shè)計(jì)的主流，休息平臺(tái)的設(shè)置將層高一分為二，平臺(tái)梁支撐的梯柱也設(shè)計(jì)成為了具有較大抗側(cè)剛度的短柱，根據(jù)力的按剛度分配原則，在水平地震作用下，梯柱分擔(dān)到更大的地震剪力，導(dǎo)致梯柱發(fā)生延性較小的剪切破壞(如圖2所示)，從而導(dǎo)致樓梯進(jìn)一步破壞。

圖1 梯板破壞示意圖

1.3 梯梁的扭轉(zhuǎn)破壞

梯梁作為支撐梯板的構(gòu)件，其作用類似于雨篷梁的作用，屬于典型的受扭構(gòu)件。在受力過程中，梯梁的一側(cè)需要承受梯板傳來的豎向荷載和彎矩，而另一側(cè)由于受到休息平臺(tái)板的約束而產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)(如圖3所示);另外，在豎向地震作用下，梯梁作為兩跑樓梯的連系梁，在兩梯板交界處，由于豎向剪力作用使得梯梁在此處產(chǎn)生剪切破壞(如圖4所示)。

1.4 墻體的破壞

這兩次地震過程中，均出現(xiàn)了由于墻體的倒塌導(dǎo)致樓梯發(fā)生破壞或者導(dǎo)致逃生路線的阻塞，尤其是建筑物兩端的樓梯，在地震作用下，受力較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)山墻外閃或倒塌的現(xiàn)象(如圖5所示)，這就要求在今后設(shè)計(jì)過程中，盡量將樓梯設(shè)置在受力較小的建筑物中部，建筑物兩端的防火樓梯可以混凝土框架形式或者鋼框架形式建立，不再添加填充墻。

圖2 梯柱剪切破壞

圖3 梯梁的扭轉(zhuǎn)破壞

圖4 梯梁的剪切破壞

圖5 墻體的倒塌

1.5 整體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致樓梯的破壞

震害調(diào)查表明，部分建筑物由于關(guān)鍵受力構(gòu)件(梁、柱)以及節(jié)點(diǎn)發(fā)生承載力破壞，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，造成樓梯的整體性破壞(如圖6所示)。

圖6 樓梯整體破壞

2 樓梯設(shè)計(jì)建議

之前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樓梯僅作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件單獨(dú)設(shè)計(jì)，并未考慮其抗震設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致地震作用下樓梯過早地發(fā)生破壞，危及建筑物整體結(jié)構(gòu)的安全。因此，針對(duì)樓梯在汶川地震和玉樹地震中發(fā)生的災(zāi)難性的破壞，我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》已經(jīng)新增條款:結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響，并新增加了砌體結(jié)構(gòu)樓梯間的加強(qiáng)構(gòu)造措施［4］。本文主要根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及理論分析，根據(jù)樓梯地震作用下的破壞形態(tài)，提出了樓梯設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議，供設(shè)計(jì)人員參考:

1)為了避免梯板在地震過程中過早的發(fā)生剪拉破壞，建議將梯板支座處的負(fù)彎矩鋼筋沿梯板貫通布置(如圖7所示)，以避免梯板抗拉剛度的突變現(xiàn)象，同時(shí)，也提高了梯板的抗彎性能。

圖7 建議梯板配筋示意圖

2)為了增強(qiáng)梯柱的抗剪承載力，應(yīng)沿柱高全截面采用箍筋加密設(shè)計(jì)，并建議采用螺旋箍筋。

3)適當(dāng)增加梯梁的截面尺寸，以提高梯梁在水平地震作用下產(chǎn)生的剪力和扭矩，箍筋沿梯梁的全長(zhǎng)加密設(shè)計(jì)，防止梯梁發(fā)生剪扭破壞［5］。

4)適當(dāng)增加梯板的厚度，增強(qiáng)其抗彎承載能力。

5)保證樓梯設(shè)置在建筑物的中間，建筑物兩端的防火樓梯可不設(shè)置墻體。

6)樓梯間墻體宜采用抗側(cè)剛度較大的剪力墻，地震來臨時(shí)，可作為第一道抗震防線，可避免梯板過早的發(fā)生破壞。

7)在樓梯設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，可把梯板當(dāng)做斜梁參與到整體結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算當(dāng)中［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要根據(jù)對(duì)汶川地震和玉樹地震中樓梯的震害調(diào)查，詳細(xì)分析了樓梯在地震過程中可能發(fā)生的破壞形態(tài)，并作出了詳細(xì)的原因分析，最終，基于破壞形態(tài)及現(xiàn)存規(guī)范的不明確性，提出了自己的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)建議，為今后樓梯的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］吳 勇，王周勝，張 玲.框架結(jié)構(gòu)中板式樓梯震害分析及對(duì)策探討［J］.建筑技術(shù)，2009(6):561-564.

［3］王 威，薛建陽(yáng)，羅大明，等.建筑樓梯在2008年汶川大地震中的震害分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2011，31(5):157-165.

［4］陳宗臣，張 保，張 濤.由汶川地震中樓梯破壞引發(fā)的思考［J］.工程質(zhì)量，2009，27(5):73-74.

［5］李勝軍，張世雄，王永華.框架結(jié)構(gòu)中樓梯構(gòu)件的抗震分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009(S2):242-244.

［6］張風(fēng)亮，范 娜，張晏文，等.淺談樓梯的抗震分析和設(shè)計(jì)分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010(S1):134-135.