框架結構板式樓梯抗震設計探討

劉洋

摘要：板式樓梯憑借其簡潔的形式與較小的施工難度，在框架結構建筑設計中得到了廣泛的應用。但由于其與框架結構相互作用的形式較為復雜，尤其是在抗震設計時，難以考慮其與整體結構作用力的計算關系，使得樓梯破壞成為地震對建筑的主要影響之一。樓梯的破壞主要分為梯板斷裂、樓梯間破壞和平臺破壞三類。這些破壞大都是因為對地震時結構的受力類型考慮不夠所致，因此要想強化樓梯的抗震設計，就要討論板式樓梯結構對框架抗震性能的影響因素，對不同連接方式下的設計計算方法分類討論，從而保證整體的抗震性能符合要求。

關鍵詞：框架結構；板式樓梯；抗震設計

地震災害最容易對建筑結構的樓梯間造成震害，近年來我國對框架結構板式樓梯抗震設計的相關研究工作，就是從汶川地震以后逐漸展開的。我國地域面積廣闊，跨越了環太平洋地震帶與歐亞地震帶，屬于多地震國家。由于地震發生的不可預測性，使得地震到來時必須通過建筑的結構強度來增加救援時間。而樓梯結構作為地震逃生的重要結構，其抗震設計是否達標，對提高建筑的抗震性能有著很大的影響。

1 框架結構板式樓梯抗震現狀

樓梯類型按照結構形式可以分為板式樓梯和梁式樓梯，前者外形簡潔、施工難度小，應用范圍更加廣泛。在現有的樓梯設計過程中，為了簡化計算，常常不把樓梯與整體結構統一計算，而是將樓梯的載荷進行等價后用來計算整體結構的內力參數。這樣孤立地進行設計，使得在設計過程中難以考慮到地震過程中，樓梯與樓體結構相互作用所產生的影響。地震災害中樓宇破壞狀況的事實證明，這種孤立的設計方法，在某些情況下的抗震性能是不可靠的，出現了大量樓梯構件被破壞的事例。

2 框架結構板式樓梯破壞情況及分析

2.1 樓梯梯板斷裂

根據國內外地震對樓梯破壞情況看，樓梯梯板的破壞主要形式為斷裂。樓梯梯板在地震過程中內部應力變化極大，容易在應力集中處，如施工接縫、梯板中部發生斷裂。分析其原因，一方面樓梯的施工接縫中的混凝土成分與原混凝土有所差異，在地震作用下強度下降，容易產生破壞；另一方面，梯板的受力不是完全均勻的，在地震作用下會提高梯板內部的拉應力，使得內部鋼筋發生斷裂而破壞。

2.2 樓梯間破壞

樓梯間的抗震設計歷來是有所研究的。為了防止樓梯間產生形變破壞，通常將小柱架設在鋼筋混凝土框架上起到支撐作用，而不采用磚砌結構。在地震中發現，這種小柱結構也存在缺陷：由于小柱的截面過小，強度不足，部分小柱的柱頭發生破壞，嚴重的甚至出現鋼筋被拔出的情況。

2.3 樓梯平臺破壞

在樓梯平臺的設計過程中，通常按照平臺受到彎矩來進行設計。這是因為在日常載荷下，平臺只會受到上部負載重力所產生的彎矩，因此只校核相關的正應力強度即可。但在地震時，與平臺相連接的結構件會對平臺產生額外的作用力，使得平臺梁產生超負荷的彎矩與剪力，在沒有對此類情況進行考慮時，樓梯平臺對剪力的承受能力很弱，極其容易發生破壞。

3 框架結構板式樓梯抗震設計方法

根據上述分析可以看出，要想提高板式樓梯的抗震能力，就不能按照傳統將樓梯等效為重力負載進行設計的方法，而要考慮樓梯作為構件其在地震中對樓體整體強度與剛度的影響。

3.1 樓梯對框架抗震性能的影響分析

樓梯作為樓體結構的一部分，其對樓梯的抗震能力有著相當重要的影響。尤其是在地震過程中，由于樓梯往往發揮著逃生、救援的重要作用，其抗震設計更是不容忽視。實際上，地震過程中樓體的形變極為負載，不能將樓體簡化為豎向重力載荷，而要考慮其作為斜向結構對樓體的支撐作用。為了分析樓體結構對框架抗震性能的影響，需要建立框架結構模型，并設置不同簡化形式的對照，再在仿真地震中對結構的破壞狀況進行分析。經過實驗可以得到以下結論：樓體結構對整體抗震性能的影響很大，在不考慮樓體結構式，樓梯間小柱的內力很小，承載變化狀況不大，而考慮樓梯作用時，小柱內力增加近40%，變化率高達30%；不考慮樓體時，梯間小柱所受剪力與彎矩也遠遠小于考慮樓體時，尤其在低樓層時更為明顯。因此，如果在設計過程中不考慮樓體的影響，對結構的整體強度與剛度的考慮顯然時不到位的。

3.2 考慮樓梯的支承作用對整體的影響

根據現有的《建筑抗震設計規范》，在進行實際的建筑抗震設計時，對樓梯抗震設計的考慮，可以有不同的方法。最主要的還是考慮樓梯構件對整體抗震性能的影響程度。如果樓梯構件與樓體結構是一體澆筑的，其中又沒有采取特殊的構造措施減小樓梯對整體剛度的負面影響，就應該考慮樓梯的支撐作用。在這種情況下，樓梯相當于一組對樓體的斜支撐，為了減小影響，應當將樓體進行對稱、規則布置，并考慮實際的使用與地震情況下的載荷進行驗算；樓梯板應當滿足厚度要求，一般要求最小厚度大于120mm；梯板內部的暗梁與鋼筋必須復合規范要求，并參與到整體抗震性能的驗算中。

3.3 斷開剛性連接改善受力狀態

在建筑的實際設計過程中，我們更加希望減小樓梯對整體結構承載、剛度的影響。根據《建筑抗震設計規范》，可以通過兩種措施來斷開樓梯與樓體的剛性連接，以改善受力狀態：如果樓梯與樓體并不是一體澆筑的，而是將樓體的一段視為滑動支撐作用于整體結構，這種情況下可以不考慮樓體對整體抗震性能的影響，按照正常的簡化承載進行設計即可，只需要通過正常的鋼筋加強樓體的抗拉、抗剪、抗扭性能即可；另外，如果樓梯與整體結構是一體澆筑的，但在周圍通過剪力墻、連梁進行圍合改善了整體的受力性能，在抗震設計中也可以不考慮樓梯的作用。

3.4 樓梯抗震性能的驗算要求

無論是否將樓梯計入整體框架結構，都要對樓梯構件進行單獨的承載能力計算。首先，對樓梯平臺梁的支撐柱，需要用梁的軸向力對其進行剪力計算，防止在地震中發生剪切破壞；對于梯板，需要按照偏心拉伸與壓縮的組合負載形式進行設計。對樓梯周圍的框架梁柱，如果與樓梯構件不直接相連，可以不與樓梯進行抗震性能驗算，如果存在和樓梯的剛性連接，則需要考慮與樓梯構件作用下相應的剪力與軸向力。

3.4 其它抗震設計要點

雖然在允許條件下，可以將樓梯結構與主體進行分開設計，但通過實驗分析可知，即便是非剛性連接情況下，樓梯對主體框架的抗震性能仍然是存在一定影響的。因此，在對框架結構進行抗震設計時，可以從以下方面考慮樓梯結構的影響：一方面，樓梯間會使附近框架結構的內應力明顯增大，因此應當在靠近樓梯處的位置進行配筋加強，以強化結構對拉壓、剪切破壞的承受能力；樓梯本身對框架結構的自振頻率、內應力均存在影響，需要在框架結構設計時予以考慮。在對樓梯進行設計時，也需要強化對地震影響的抵御能力。一方面，在平臺梁等易破壞處采用加強配筋的方法進行結構強化；對于非對稱、非規則的樓梯結構，要考慮到本身受偏心載荷的影響，配置強度更高的鋼筋。

結語：

總而言之，板式樓梯的存在使得建筑整體抗震設計更為復雜，不同的樓梯連接形式下，需要考慮的抗震性能有所不同。但總的思路在于盡量減小樓梯結構對整體框架結構的影響，以及盡可能全面考慮相互作用的影響來展開抗震設計。本文僅從實際地震情況下樓梯破壞狀況入手，分析了板式樓梯常見的破壞形式及原因，對抗震設計研究的深入進行具有一定的參考意義。

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