樓梯對結構抗震設計的影響分析

摘要：根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第6.1.4條條文說明：2008年汶川地震震害進一步表明，框架結構中的樓梯及周邊構件破壞嚴重。本次修訂增加了樓梯的抗震設計要求。抗震設計時，樓梯間為主要疏散通道，其結構應有足夠的抗倒塌能力，樓梯應作為結構構件進行設計。本文就樓梯對結構抗震設計方面的影響展開了簡要的分析。

關鍵詞：樓梯；斜撐；結構整體剛度；穩定；抗扭

一、樓梯在結構抗震中的重要性

樓梯本來能起到為受災群眾提供重要垂直疏散道路的作用，它的應用是最為普遍的救生通道，在地震到來時擔當著非常重要的角色。但是，經過許多的專家學者們親赴災區進行了大量的震害調查及分析研究，發現地震災害到來之際，樓梯并未發揮其所應有的作用，反而是人員傷亡較重的地方之一。所以建筑物結構要留有一定的安全儲備，這樣建筑物就需要存在不易嚴重破壞的區域（如樓梯間）。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第6.1.4條條文說明：2008年汶川地震震害進一步表明，框架結構中的樓梯及周邊構件破壞嚴重。本次修訂增加了樓梯的抗震設計要求。抗震設計時，樓梯間為主要疏散通道，其結構應有足夠的抗倒塌能力，樓梯應作為結構構件進行設計。框架結構中樓梯構件的組合內力設計值應包括與地震作用效應的組合，樓梯梁、柱的抗震等級應與框架結構本身相同。因此，為了保證樓梯在強烈地震作用下能夠正常工作，能形成應急疏散的安全通道，在進行結構設計時，不僅僅需要保持樓梯結構的整體抗震性能，還需要保證樓梯的一些非結構構件的脫落不會致使樓梯堵塞。保證樓梯的整體結構性能，是我們每一個結構設計工作人員必須認真對待和思考的一個問題。

二、樓梯對結構設計計算的影響

根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第3.6.6.1條：計算模型的建立、必要的簡化計算與處理，應符合結構的實際工作狀況，計算中應考慮樓梯構件的影響。

首先應以上條文要求，通過一框架結構在PKPM模型分別錄入下列四種狀況，進行計算，再對比一下這四種狀況下樓梯對結構整體剛度的影響：

狀況一：有樓梯，梯間板厚為0。

狀況二：有樓梯，梯間開洞。

狀況三：沒加樓梯，梯間開洞。

狀況四：沒加樓梯，梯間板厚為0。

以上四種狀況都有考慮到相應的荷載錄入方式。

經過計算比較看出，當模型中錄入樓梯，即是狀況一與狀況二，位移角都比較大，但整層剪重比卻可以比不輸入樓梯的情況下要高很多。所以建議在結構計算中，加入樓梯計算是很有必要的。

其次根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第3.6.6條條文說明：2008年局部修訂，注意到地震中樓梯的梯板具有斜撐的受力狀態，增加了樓梯構件的計算要求：針對具體結構的不同，“考慮”的結果，樓梯構件的可能影響很大或不大，然后區別對待，樓梯構件自身應計算抗震，但并不要求一律參與整體結構的計算。

框架結構抗側剛度較小，樓梯對框架結構具有明顯的斜撐作用，其剛度對結構的剛度影響較大。剪力墻結構抗側剛度較大，樓梯對剪力墻的剛度影響較小。所以一般情況下，在計算框架結構時會錄入樓梯，而計算剪力墻結構時不錄入樓梯。不過個人認為，樓梯間在實際情況中的剛度和其截面尺寸有關系，樓梯所吸收的地震力大小和結構整體剛度及結構平面布置有關系。所以結構模型中錄入樓梯與否，也應該結合建筑結構的實際具體情況來進行具體分析判斷。

再次根據GB50011-2010第3.6.6條條文說明：本條規定主要依據《建筑工程設計文件編制深度規定》，要求使用計算機進行結構抗震分析時，應對軟件的功能有切實的了解，計算模型的選取必須符合結構的實際工作情況，計算軟件的技術條件應符合本規范及有關標準的規定，設計時對所有計算結果應進行判別，確認其合理有效后方可在設計中應用。

在新的抗震規范要求及經驗教訓下，自PKPM08版開始給出了結構計算中考慮樓梯影響的解決方案：在PMCAD的模型輸入中輸入樓梯，可在四邊形房間輸入二跑或對折的三跑、四跑樓梯，模型輸入退出時可由用戶選擇是否將樓梯轉化為折梁到模型中，如用戶選擇此項，則程序將已建好的模型拷入工作子目錄下的lt子目錄，在此目錄模型下，樓梯參與整體結構模型計算。

但是，PKPM目前對樓梯參與整體結構模型計算方面的解決辦法還不夠完善。它所提供設計人員選擇的樓梯形式種類不多，各種的限制，雖然能體現在框架結構樓梯間建入計算影響確實很大，但有時反而覺得有些失真。本人為解決這個問題，一般做法是將樓梯轉化為寬扁梁及斜撐按實際傳力形式錄入結構模型中，把樓梯的下端做成鉸接，這樣樓梯在地震時不分擔彎矩，不易破壞；但又考慮了樓梯斜向支撐對整體結構的貢獻。還有應該分析實際樓梯的傳力形式，來適當加強周邊主體結構，采取例如框架柱箍筋加密，樓面梁箍筋加密及設置抗扭腰筋等措施。

三、建筑結構中樓梯的抗震設計措施

樓梯是沒有完整支撐的結構，一般情況下，只有它的兩端被樓面梁或者樓面板及梯梁支撐，靠墻的一側沒有支撐結構。還有樓梯間的橫墻較高，側向剛度較大，梯段平臺與樓面層存在錯層。所以樓梯在地震時最容易出現連帶性的倒塌。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第6.1.4條：抗震設計時，框架結構的樓梯間應符合下列規定：

1 樓梯間的布置應盡量減小其造成的結構平面不規則。

2 宜采用現澆鋼筋混凝土樓梯，樓梯結構應有足夠的抗倒塌能力。

3 宜采取措施減小樓梯對主體結構的影響。

4 當鋼筋混凝土樓梯與主體結構整體連接時，應考慮樓梯對地震作用及其效應的影響，并應對樓梯構件進行抗震承載力驗算。

及其條文說明：2008年汶川地震震害進一步表明，框架結構中的樓梯及周邊構件破壞嚴重。本次修訂增加了樓梯的抗震設計要求。抗震設計時，樓梯間為主要疏散通道，其結構應有足夠的抗倒塌能力，樓梯應作為結構構件進行設計。框架結構中樓梯構件的組合內力設計值應包括與地震作用效應的組合，樓梯梁、柱的抗震等級應與框架結構本身相同。

（1）樓梯與主體結構有效連接

加強樓梯及周邊構件，遵循《混凝土結構設計規范》GB50010-2010第3.6條防連續倒塌設計原則，樓梯應加強構造措施，縱向鋼筋宜采用雙排配筋通長設置（見圖1）。并應采取有效的連接、錨固措施，將整個結構連系成一個整體，是提供結構整體穩定性的有效方法之一。

圖1樓梯抗震構造一

（2）梯梁、梯柱

樓梯錄入結構計算模型計算，除了考慮樓梯剛度及傳力形式對主體結構的影響，還應考慮樓梯構件即梯梁、梯柱在計算模型中吸收的地震力所帶來的影響。不能盲目地將樓梯整體抽出，用其他計算軟件在脫離主體結構及考慮地震力的情況下進行設計計算配筋。梯梁、梯柱（按斜撐錄入）應滿足主體模型的計算指標要求。

但是，在實際設計中，通常為了滿足建筑需要，梯梁、梯柱的截面寬度一般取樓梯間砌體填充墻寬度。樓梯梁除受豎向作用外，在梯板段斜向作用下，還承受相當大的扭矩，加大截面高度對提高梯梁抗扭能力非常必要的。并且地震中有發生樓梯板錨固長度不夠、鋼筋抽出的現象，所以也應加寬及加強梯段樓面梁。再且，根據遵循防連續倒塌設計原則及強柱弱梁原則，加強及增大梯柱截面也是相當必要的。

（3）梯房

梯房在主體結構特別是高層建筑頂部，在地震力或風荷載作用下，設計應考慮鞭梢效應。所以梯房也應錄入主體結構模型計算，及加強其抗震構造措施。

參考文獻：

[1]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010

[3]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010