樓梯對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的影響分析

摘要：根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第6.1.4條條文說明：2008年汶川地震震害進(jìn)一步表明，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯及周邊構(gòu)件破壞嚴(yán)重。本次修訂增加了樓梯的抗震設(shè)計(jì)要求。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，樓梯間為主要疏散通道，其結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力，樓梯應(yīng)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文就樓梯對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面的影響展開了簡要的分析。

關(guān)鍵詞：樓梯；斜撐；結(jié)構(gòu)整體剛度；穩(wěn)定；抗扭

一、樓梯在結(jié)構(gòu)抗震中的重要性

樓梯本來能起到為受災(zāi)群眾提供重要垂直疏散道路的作用，它的應(yīng)用是最為普遍的救生通道，在地震到來時(shí)擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色。但是，經(jīng)過許多的專家學(xué)者們親赴災(zāi)區(qū)進(jìn)行了大量的震害調(diào)查及分析研究，發(fā)現(xiàn)地震災(zāi)害到來之際，樓梯并未發(fā)揮其所應(yīng)有的作用，反而是人員傷亡較重的地方之一。所以建筑物結(jié)構(gòu)要留有一定的安全儲備，這樣建筑物就需要存在不易嚴(yán)重破壞的區(qū)域（如樓梯間）。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第6.1.4條條文說明：2008年汶川地震震害進(jìn)一步表明，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯及周邊構(gòu)件破壞嚴(yán)重。本次修訂增加了樓梯的抗震設(shè)計(jì)要求。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，樓梯間為主要疏散通道，其結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力，樓梯應(yīng)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。框架結(jié)構(gòu)中樓梯構(gòu)件的組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括與地震作用效應(yīng)的組合，樓梯梁、柱的抗震等級應(yīng)與框架結(jié)構(gòu)本身相同。因此，為了保證樓梯在強(qiáng)烈地震作用下能夠正常工作，能形成應(yīng)急疏散的安全通道，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅需要保持樓梯結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，還需要保證樓梯的一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脫落不會致使樓梯堵塞。保證樓梯的整體結(jié)構(gòu)性能，是我們每一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作人員必須認(rèn)真對待和思考的一個(gè)問題。

二、樓梯對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的影響

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第3.6.6.1條：計(jì)算模型的建立、必要的簡化計(jì)算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。

首先應(yīng)以上條文要求，通過一框架結(jié)構(gòu)在PKPM模型分別錄入下列四種狀況，進(jìn)行計(jì)算，再對比一下這四種狀況下樓梯對結(jié)構(gòu)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(yīng)的荷載錄入方式。

經(jīng)過計(jì)算比較看出，當(dāng)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(jié)構(gòu)計(jì)算中，加入樓梯計(jì)算是很有必要的。

其次根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(tài)，增加了樓梯構(gòu)件的計(jì)算要求：針對具體結(jié)構(gòu)的不同，“考慮”的結(jié)果，樓梯構(gòu)件的可能影響很大或不大，然后區(qū)別對待，樓梯構(gòu)件自身應(yīng)計(jì)算抗震，但并不要求一律參與整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小，樓梯對框架結(jié)構(gòu)具有明顯的斜撐作用，其剛度對結(jié)構(gòu)的剛度影響較大。剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)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(jì)算框架結(jié)構(gòu)時(shí)會錄入樓梯，而計(jì)算剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)不錄入樓梯。不過個(gè)人認(rèn)為，樓梯間在實(shí)際情況中的剛度和其截面尺寸有關(guān)系，樓梯所吸收的地震力大小和結(jié)構(gòu)整體剛度及結(jié)構(gòu)平面布置有關(guān)系。所以結(jié)構(gòu)模型中錄入樓梯與否，也應(yīng)該結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際具體情況來進(jìn)行具體分析判斷。

再次根據(jù)GB50011-2010第3.6.6條條文說明：本條規(guī)定主要依據(jù)《建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定》，要求使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析時(shí)，應(yīng)對軟件的功能有切實(shí)的了解，計(jì)算模型的選取必須符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況，計(jì)算軟件的技術(shù)條件應(yīng)符合本規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)對所有計(jì)算結(jié)果應(yīng)進(jìn)行判別，確認(rèn)其合理有效后方可在設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

在新的抗震規(guī)范要求及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)下，自PKPM08版開始給出了結(jié)構(gòu)計(jì)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?qū)φ鄣娜堋⑺呐軜翘荩Ｐ洼斎胪顺鰰r(shí)可由用戶選擇是否將樓梯轉(zhuǎn)化為折梁到模型中，如用戶選擇此項(xiàng)，則程序?qū)⒁呀ê玫哪Ｐ涂饺牍ぷ髯幽夸浵碌膌t子目錄，在此目錄模型下，樓梯參與整體結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。

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

三、建筑結(jié)構(gòu)中樓梯的抗震設(shè)計(jì)措施

樓梯是沒有完整支撐的結(jié)構(gòu)，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(cè)沒有支撐結(jié)構(gòu)。還有樓梯間的橫墻較高，側(cè)向剛度較大，梯段平臺與樓面層存在錯(cuò)層。所以樓梯在地震時(shí)最容易出現(xiàn)連帶性的倒塌。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第6.1.4條：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的樓梯間應(yīng)符合下列規(guī)定：

1 樓梯間的布置應(yīng)盡量減小其造成的結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則。

2 宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯，樓梯結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力。

3 宜采取措施減小樓梯對主體結(jié)構(gòu)的影響。

4 當(dāng)鋼筋混凝土樓梯與主體結(jié)構(gòu)整體連接時(shí)，應(yīng)考慮樓梯對地震作用及其效應(yīng)的影響，并應(yīng)對樓梯構(gòu)件進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算。

及其條文說明：2008年汶川地震震害進(jìn)一步表明，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯及周邊構(gòu)件破壞嚴(yán)重。本次修訂增加了樓梯的抗震設(shè)計(jì)要求。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，樓梯間為主要疏散通道，其結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力，樓梯應(yīng)作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。框架結(jié)構(gòu)中樓梯構(gòu)件的組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值應(yīng)包括與地震作用效應(yīng)的組合，樓梯梁、柱的抗震等級應(yīng)與框架結(jié)構(gòu)本身相同。

（1）樓梯與主體結(jié)構(gòu)有效連接

加強(qiáng)樓梯及周邊構(gòu)件，遵循《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010第3.6條防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)原則，樓梯應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，縱向鋼筋宜采用雙排配筋通長設(shè)置（見圖1）。并應(yīng)采取有效的連接、錨固措施，將整個(gè)結(jié)構(gòu)連系成一個(gè)整體，是提供結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有效方法之一。

圖1樓梯抗震構(gòu)造一

（2）梯梁、梯柱

樓梯錄入結(jié)構(gòu)計(jì)算模型計(jì)算，除了考慮樓梯剛度及傳力形式對主體結(jié)構(gòu)的影響，還應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件即梯梁、梯柱在計(jì)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(jì)算軟件在脫離主體結(jié)構(gòu)及考慮地震力的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算配筋。梯梁、梯柱（按斜撐錄入）應(yīng)滿足主體模型的計(jì)算指標(biāo)要求。

但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)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(dāng)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(fā)生樓梯板錨固長度不夠、鋼筋抽出的現(xiàn)象，所以也應(yīng)加寬及加強(qiáng)梯段樓面梁。再且，根據(jù)遵循防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)原則及強(qiáng)柱弱梁原則，加強(qiáng)及增大梯柱截面也是相當(dāng)必要的。

（3）梯房

梯房在主體結(jié)構(gòu)特別是高層建筑頂部，在地震力或風(fēng)荷載作用下，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮鞭梢效應(yīng)。所以梯房也應(yīng)錄入主體結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，及加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010