地震作用下樓梯對框架結構抗震性能的影響

張鍇

摘要：為研究地震時樓梯對框架結構的受力性能和破壞形態有怎樣的的影響，現使用有限元軟件建立鋼筋混凝土框架結構模型，研究結構的自振特性、內力變化、結構變形等。結果表明，結構在受到的水平地震作用時層間剪力和樓層變形有所增大，且對結構整體抗扭轉性能有明顯提高，即樓梯的設置對結構抗震有利。考慮樓梯的抗震表現，應對樓梯進行特殊加強以保證地震時樓梯的安全通暢。

Abstract： In order to study the influence of stairs on the mechanical behavior and failure mode of the frame structure during the earthquake， the finite element software is used to establish the reinforced concrete frame structure model， and the self-vibration characteristics， internal force changes and structural deformation of the structure are studied. The results show that the inter-layer shear force and floor deformation increase when the structure is subjected to horizontal earthquakes， and the overall anti-torsion performance of the structure is obviously improved， that is， the setting of the stairs is beneficial to the structure. Considering the seismic performance of the stairs， the stairs should be specially strengthened to ensure the safety of the stairs during the earthquake.

關鍵詞：框架結構;樓梯;自振周期;結構扭轉;抗震性能

Key words： frame structure;stair;natural vibration period;structural torsion;seismic performance

中圖分類號：TU375.4;TU352.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0231-02

0? 引言

樓梯作為建筑物主要的豎向聯系構件，地震發生時樓梯也是唯一的逃生通道，在地震時樓梯的安全性、通暢性就顯得極其重要。以往結構抗震設計中，樓梯抵抗地震的能力和樓梯與結構之間的相互的影響一般均不作考慮，往往僅考慮其自身的重力荷載。地震時，忽略樓梯與結構間的相互影響，將使結構的抗震設計不完整、計算結果趨于不準確。

目前，結構的抗震驗算僅僅是基于概念設計而布置樓梯，對于樓梯的抗震承載力較少提及。由于樓梯的空間較小、墻體較多導致其側向剛度較結構而言較大，地震時，遭受地震作用后將先于框架發生破壞。所以，在設計樓梯時要考慮樓梯的承載能力、結構安全性能，保證地震發生后有足夠的安全時間疏散人流。本設計應用SAP2000建立無樓梯和有樓梯的結構模型進行抗震驗算分析，以研究地震時樓梯對鋼筋混凝土框架有哪些影響，結構的安全性能是否有所提高。

1? 結構分析概況

位于寧夏的某實際工程采用鋼筋混凝土框架結構，各構件混凝土強度等級均為C40，整體建筑5層，首層高度為4.2m，剩余樓層高度為3.6m。結構框架柱截面尺寸為550mm×550mm;框架梁截面尺寸為250mm×650mm，僅布置橫向200mm×500mm次梁;所有板的厚度統一均為120mm。結構的梁柱布置如圖1所示，結構所在地烈度為8度，基本加速度為0.2g，地震分組為第二組，場地土承載能力良好為Ⅱ類土。

應用有限元軟件建立框架結構模型，對比分析有樓梯和無樓梯兩種模擬情況，不考慮樓梯時在樓梯原有位置直接設置樓板，按框架梁板直接考慮。

分析以下2種地震作用情況，

①地震作用1：在多遇烈度地震作用下，研究無樓梯的結構模型沿兩個主軸方向遭受水平地震作用，分析其抗震性能、彈性變形量和結構破壞情況。

②地震作用2：在多遇烈度地震作用下，研究有樓梯的結構模型沿兩個主軸方向遭受水平地震作用，分析其抗震性能、彈性變形量和結構破壞情況。考慮結構可能的扭轉作用，在建筑物左右兩端對稱布置樓梯。

2? 結構抗震性能分析

表中所注“比值”為有樓梯與無樓梯結構對應周期的比值，表2同理.

對有無樓梯兩種框架結構進行抗震驗算，前三階振型及振型對應的自振周期參數見表1。

由表中可以看出：①當結構中設置樓梯，其前三階振型的周期均減小，減小幅度均超過了10%以上，這表明樓梯的設置較大的提高了框架結構的抗側移剛度，使結構更難以變形，結構抵抗水平地震的能力有所增強。②設置樓梯對于建筑整體的抗扭剛度有較大幅度的提升，減小了建筑本身的扭轉效應，提高了建筑物的抗震承載力。

經研究對比地震作用1和地震作用1，結構的樓層的剪力、層間位移和相對位移角如表2所示。從中可以看出：

①樓梯的設置使得結構的層間剪力明顯增大，各層側構件受到的水平地震作用均有所增大，增大幅度接近20%。

②在地震作用下，由于樓梯的設置使結構的層間位移和層間位移角變大，變大的幅度約為10%。

③建筑的樓梯設置合理以后，無論有無樓梯結構的彈性層間位移角均滿足鋼筋混凝土框架結構的最大彈性變形要求。

3? 結論

通過兩種模型的對比分析，充分考慮了結構的自振周期變化、層間剪力變化和相對層間彈性位移的變化，得到以下結論：

①樓梯的設置使整個建筑在抵抗地震作用時結構內力和結構變形均有不同程度的增大。

②樓梯在結構抵抗地震作用過程中，樓梯的受力狀態復雜剛度較大受力復雜，更加容易破壞。所以，在抗震設計時應對樓梯著重加強，使其抗震性能有所提高。

③在建筑的抗震設計中，應考慮樓梯與整體結構之間的相互影響，并對該構件進行特殊加強以保證地震時樓梯的安全通暢。為提高結構抵抗扭轉的作用，減少結構剛度的偏心影響，樓梯對稱布置。

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