板式樓梯振動對建筑結構穩定性的影響

何弘泉 沈海波 岳俊超 梁兆照 魯紅權

摘要：板式樓梯因其施工簡單、經濟適用而在實際建筑結構中得到了廣泛的使用。本文針對板式樓梯的動力學性能分析其對建筑結構的穩定性的影響，提出結構抗震設計的思路和需要注意的事項，結合實際工程給出一些樓梯抗震的構造設計措施的建議，以確保結構的穩定和安全可靠。

關鍵詞：板式樓梯;動力學分析;結構穩定性;抗震設計;構造措施

1.引言

樓梯作為建筑結構空間豎向聯系通道的主要部件，起著連通、引導人員流動的作用，是保證建筑物正常使用不可或缺的一部分結構;另外樓梯作為災難來臨時重要生命線，其動力學性能對結構的穩定性影響顯得格外的重要。因此，在考慮其造型美觀、上下通行方便、結構堅固、防火安全等作用時，以及滿足施工、經濟性要求的同時需要考慮動力學條件的性能要求。

2.板式樓梯的結構組成與受力特點

按結構形式的不同可分為梁式樓梯和板式樓梯，板式樓梯由梯段板、平臺板和平臺梁組成。各個組成部分在整個建筑結構中功能不同，受力性能也不同。

2.1梯段板

在正常使用情況下，梯段板承受豎向荷載作用，屬于受彎構件;若把樓梯間作為一個整體來看，樓梯板又起到了一定的斜撐作用，具有壓桿的性質。當梯段板受到水平力時，由于斜撐效應，整個樓梯間吸收了很大的水平力，而樓梯間的中間空洞，抵抗水平力的作用比較薄弱。另外，梯段板通常為層高的一半，平臺和層高處存在一個水平位移差，使梯段板受拉。因此，梯段板會受到彎矩，剪力和拉、壓的作用。梯段板是主要受力部件。

2.2平臺板

平臺板位于樓梯兩端和提短板結構連接處，由于同一樓層的兩個梯段板分別承受拉和壓的作用，其對平臺板產生一定的扭轉效應，產生扭矩效果。

2.3平臺梁

平臺梁在正常使用下，主要以受彎為主。在水平力的作用下，由于梯段板的斜撐作用，與平臺梁相連的兩個梯段板相對于平臺梁產生扭轉左右，很容易導致平臺梁受扭破壞。

3.板式樓梯在建筑結構遭遇地震作用后產生破壞的特征

3.1梯段板的破壞

梯段板容易在1/3～1/4跨度之間產生水平裂縫，底部的混凝土出現大面積脫落，底部的受力鋼筋裸露并且出現彎曲下撓甚至會出現屈服拉斷的現象。

梯段板在1/4處一般存在施工縫，施工不當，混凝土質量受影響，促使該處形成薄弱部位，在地震作用下，破壞明顯，甚至出現上下兩塊板錯位分離的現象。如圖1.

3.2平臺板的破壞

平臺板的板面出現了明顯的橫縱向裂紋。由于存在兩梯段板存在水平位移差，在兩梯段板的水平推拉作用下，平臺板和平臺梁承受空間的彎矩、剪力和扭矩的共同作用，使梯段板與平臺板的連接處容易斷裂。 如圖2。

3.3平臺梁的破壞

梯梁側面在兩個梯板之間開裂脫落部分混凝土。在地震作用下，樓梯相當于“K”型支撐構件。樓梯的兩個梯段在樓梯發生層間側移，交替承受外部的擠壓，平臺梁彎剪扭復合受力，平臺梁在跨中極易發生剪扭破壞。

3.4樓梯間柱子的破壞

樓梯間多采用框架梁上設小柱，小柱頂上設兩方向的梁。在地震作用下，由于柱子截面過小，在框架梁內錨固的長度不足;節點處澆筑的混凝土質量太差，強度太低等都會造成梯間小柱柱頭破壞現象。

4.板式樓梯在結構抗震方面的設計思路

根據震害特征的分析，總結以下設計思路：

（1）樓梯梯段板負彎矩鋼筋通長，避免在地震作用下梯段板在負彎矩鋼筋的截斷處被拉斷。

梯段板的計算跨度應以斜向長度為基準，而不是采用水平投影長度。

（2）平臺梁按照其受彎、剪、扭構件進行設計，抗扭箍筋沿梁通長加密，提高平臺梁的抗剪和抗扭能力。

（3）梯梁按照其剪、扭構件進行設計，箍筋通長加密，柱子通長布置，提高其抗側移能力。

（4）設置滑動支座，避免梯段板和平臺梁澆筑在一起。減輕在地震作用下梯段板產生煩人相對滑移，釋放部分地震能量并減少梯板的斜撐作用，確保了樓梯在主體結構發生破壞前還能夠正常使用。

（5）對于整體性較差的結構形式，在結構計算過程中應考慮樓梯和主體結構之間的相互作用，并且進行包絡設計，不宜使用樓板開洞的通用算法。

5.板式樓梯在結構抗震的構造措施

5.1減小地震作用對整體框架的影響

樓梯板高端均支承在梯梁上，樓梯低端帶滑動支座支承在梯梁或梯梁的挑板上，樓梯板采用雙層雙向配筋。這種方法對結構剛度等的影響比較小，不需要參與整體結構抗震計算?；瑒又ё鶋|板可采用聚四氟乙烯或鋼材等起到有效滑動的材料。

5.2增加抵抗地震作用的影響

樓梯板全部支承梯梁上，樓梯休息平臺與主體結構可整體連接2個梯柱形式或者脫開4個梯柱形式，其中休息平臺與主體結構脫開連接可避免形成短柱，樓梯板采用雙層配筋，厚度不宜小于140?mm。樓梯的支撐作用的方向不同，其中垂直于梯板方向的影響比較小，沿梯板方向的影響比較大，樓梯偏置時還需要考慮扭轉的不利影響。樓梯構件在地震作用下受力狀態比較的復雜，梯板除了考慮常規的恒載和活載外，還需要考慮地震軸力和面內彎矩，應按面外拉彎、面內壓彎剪復合受力狀態受力設計。

5.3平臺梁的構造措施

支撐樓梯踏步的梁，按拉彎剪復合受力狀態設計，且在設計折板樓梯時需在折角處進行箍筋加密，防止折角處的混凝土提前受剪破壞。順梯板方向的梁，位于框架柱和踏步梯段板之間，直接傳遞了地震作用的拉壓軸向力，因此設計不能只考慮平臺板上荷載產生的彎矩。

5.4平臺板的構造措施

平臺板上下應雙層雙向布置通長鋼筋，且鋼筋要保證足夠的強屈比、屈強比和極限應變。概念設計時平臺板的布置應避免框架柱形成“框架短柱”，支撐中間休息平臺梁的樓梯柱，按平臺梁的軸力作為剪力設計，柱端箍筋加密區配筋量適當加大，防止大震情況下樓梯柱首先抗剪屈服破壞。

6.結語

現行建筑結構的樓梯設計中板式樓梯占了大多數，板式樓梯在較大受力下，尤其在地震作用下會有顯著的破壞結構特征。本文總結了板式樓梯在地震的影響下，不同部位構件的破壞情況，并進行了原因分析，給予了相應的建筑結構穩定性的構造措施建議。綜上所述，要加強板式樓梯結構的抗震設計，在地震來臨時可為人員逃生提供安全通道。

致謝：本文受到衢州學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：202111488060）的支助，以及衢州學院開放式實驗室項目《裝配式建筑構建的動力學性能測試和分析》支持。

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作者簡介：姓名：何弘泉，男，浙江杭州，漢族，本科，研究方向：土木工程專業路橋方向