結構抗震設計中樓梯帶來的影響

云南省昆明市東川區水利水電勘測設計隊

摘要：樓梯作為建筑結構的重要構件，在建筑工程使用中發揮著重要作用。然而根據相關研究可知樓梯能夠對建筑結構的抗震性產生嚴重影響，所以要提升建筑結構的抗震性就應當科學合理的設計樓梯。本文將以樓梯對建筑結構抗震性的影響進行分析。

關鍵詞：抗震性；樓梯；建筑結構

改革開放以來我國經濟發展迅速，建筑行業更是異軍突起成為支撐我國經濟發展的重要動力。然而在建筑行業的快速發展中，很多問題也不斷暴露出來，其中建筑質量問題成為當前影響建筑行業發展的重要障礙。特別是建筑工程的抗震性問題，在我國近幾年發生的地震災害中，由于建筑物抗震性能不優越，造成了大量的人員傷亡和經濟損失。所以提升建筑物的抗震性能成為建筑工程建設中的重要內容，這就要求設計人員提升抗震設計水平，而樓梯是影響建筑結構抗震性的重要構件，設計人員應當在設計中充分考慮樓梯對建筑結構抗震性的影響，進而有效提升建筑整體的抗震能力。

一、樓梯震害類型

根據相關統計可知，地震中建筑結構破壞最為嚴重的是樓梯間，主要有三種形式樓梯破壞：1、樓梯整體坍塌破壞，例如建筑結構梯柱容易形成短柱，形成剪切破壞；2、梯板拉壓損壞；3、梯梁中部受剪破壞。產生樓梯間破壞的主要原因是樓梯具有過大剛度，進而最先被破壞[1]。

二、計算方法

在傳統樓梯設計中設計人員僅考慮在地震中樓梯構件等效重力荷載的影響，對于整體剛度受到樓梯構件豎向剛度和平面剛度的影響、梯梁和梯柱等構件受到（根據剛度分類的）側力的影響缺乏必要的考慮。有限元利用ETABS-V9構建結構模型，通過殼單元模擬樓梯的斜板和平臺板并構建層間構件模型，不計斜板剛度和撓度受到踏步剛度的影響[2]。

三、計算模型

某工程為8層框架結構的寫字樓，開間方向（x向）柱距3.8米，為10跨，總長為39米；進深方向（y向）柱距為6，2.4，6米，為3跨，寬度和為14.4米；底層的層高為4.6米，其余每層為3.8米；柱510*510mm（C30），主梁310*510mm（C30），板厚110mm，梯梁210*410mm（C30），梯柱230*230mm（C30）；抗震設防烈度為9度0.30g，設計地震分組第3組，場地類別3類；基本風壓為0.46kN/m；恒載為2.6kN/m，活載為3kN/m，均布荷載為24kN/m；特征周期為0.4s；場地粗糙類別是B類；主體結構為鋼筋混凝土框架結構；繪制樓梯采用線拉成面，采用雙跑樓梯。運用直線桿單元進行柱、梁的模擬，用空間桿件做直線桿，具有雙軸剪切變形、軸向變形、扭轉、雙向彎曲效應，運用模單元模擬樓板[3]。依據樓梯的不同位置布置單元構建了12種模型，運用不計入和計入樓梯模擬構件。如圖1所示[4]。

圖1建筑結構平面示意圖

四、地震作用下樓梯構件對整體結構的影響

位置1（模型1）運用不計入和計入兩種樓梯情況的有限元分析，在表1中列入分析結果，分析表1可知結構x向與y向都受到樓梯一定程度的影響，y向受到的影響更大。

表1 分析結果

樓梯模型 計入樓梯不計入樓梯相差

首層剛度/（kNm）X向7982457364258.4%

Y向92456774517842.3%

頂點最大位移/mmX向18.9719.75-2.8%

Y向16.2917.78-7.6%

周期/s振型10.7274520.765587-3.7%

振型20.669780.754876-11.4%

地震剪力/kNX向401739402.5%

Y向426739148.8%

五、樓梯布置位置對建筑結構的影響

第一，在只設置一個樓梯的情況下，樓梯從中間向兩端改變，y向層間位移角、層間位移比、地震下定點的位移都逐漸增大，層間的位移比的結果是從模型5（位置5）1.33增大到模型1的1.69，如圖1。在樓梯剛度增加的過程中扭轉變形也大幅增加，可見樓梯剛度會嚴重影響結構扭轉變形。

第二，在設置兩個樓梯的情況下，根據圖1可知在平面位置3布置樓梯時，y向層間位移角、層間位移比、地震下頂點位移最小，此時結構具有最好的剛度，對于扭轉變形產生的影響最小[5]。

第三，樓梯布置位置不完全在y向地震作用下時，計算結果比較如表2.

表2 計算結果比較

位置1356811

頂點最大水平位移/mm24.4516.1917.9317.0916.6717.67

最大層間位移角1/4651/8071/6671/7921/8011/678

最大層間位移比1.461.291.172.092.052.07

柱彎矩/（kNm）336203247

柱剪力/kN166124124

柱軸力/kN383353289

六、樓梯對樓梯間角柱的影響

通過對模型6（位置6）進行分析可知，樓梯會嚴重影響樓梯間梯柱，對于其他柱的影響不大，樓梯間框架相鄰柱和框架角柱在y向地震作用下軸力為表3.

表3 樓梯間框架角柱和相鄰柱在y向地震作用下軸力

樓梯間框架角柱參與空間分析y

向地震作用下軸力/kN不參與空間分析y

向地震作用下軸力/kN相差

樓梯間框架角柱606267127%

樓梯間x向相鄰第一

根框架柱33429712.6%

樓梯間x向相鄰第二

根框架柱2732978.2%

七、討論

通過整體結構（不同的樓梯布置和結構規模）的抗震分析可知：第一，樓梯構件嚴重影響著建筑結構的抗震性，結構局部抗側剛度因樓梯的存在而大幅增加，結構自振周期因此降低。樓梯在水平地震作用之下產生的地震反應較明顯，如果將樓梯構件考慮納入到計算中，通過調整結構，小抗震要求在普通樓梯布置方法中能夠得到滿足，但是在樓梯間個數、位置、樓梯構件強度等方面具有較高要求。第二，應當給予樓梯非對稱布置情況下的扭轉效應充分的重視。第三，樓梯會嚴重影響相連框架柱，表現為強剪型受力[6]。

根據以上內容可知，作為建筑物中重要組成部分的樓梯構件，它對整體結構的抗震性能具有較大影響。樓梯參與整體結構計算中，樓梯的位移、地震作用、周期都會發生一定變化。在建筑結構設計中，設計人員應當整體性分析建筑結構和樓梯構件，并運用相應的構造措施，設計時保證模型滿足實際情況，符合業主使用需求，為人們的生命和財產安全提供保證。但并不是在整體結構計算中簡單的納入樓梯就能將問題解決，應當注意整體結構和樓梯共同發揮作用會引發相鄰框架柱和樓梯的破壞。

結語：

近年來地震災害多發，建筑工程抗震能力越來越受到人們的重視。隨著對建筑設計研究的不斷深入，樓梯對建筑結構抗震性的影響已經受到設計人員的廣泛關注。然而在具體的建筑結構抗震設計中對于樓梯的考慮還不夠，需要建筑工程設計人員全面綜合的考慮樓梯的影響，進而最大限度減小建筑結構抗震性受到樓梯的影響。

參考文獻：

[1]鄧立崧，姚瓊，劉啟強.框排架結構主廠房現澆樓梯對整體結構的影響及設計對策[J].工程建設與設計，2010，（07）：41-43.

[2]馮遠，吳小賓，李從春.現澆樓梯對框架結構的抗震影響分析與設計建議[J].土木工程學報，2010，（12）：53-62.

[3]王旋，李萍，焦振奇.汶川地震中鋼筋混凝土框架結構抗震性能的思考[J].甘肅科技，2011，（11）：115-118+109.

[4]燕鳴全.建筑樓梯對鋼筋混凝土框架結構抗震設計影響的研究[J].施工技術，2011，（06）：4-6.

[5]代紅軍，祁皚.不同寬度樓梯對鋼筋混凝土框架結構地震反應的影響分析[J].西南科技大學學報，2014，（06）：48-55.

[6]張斌，謝步瀛.框架結構抗震設計中樓梯間設置滑動支座的進一步分析[J].工程建設與設計，2012，（09）：99-101.