楼梯系统对框架结构抗震性能影响的分析

楼梯系统对框架结构抗震性能影响的分析

邹钊

邹钊广东江门529000

摘要：在钢筋混凝土框架结构中,由于楼梯结构的存在,使得结构局部刚度增大。楼梯构件在地震作用下的受力如何,考虑楼梯的存在与不考虑楼梯的情况相比,在地震作用下,框架结构整体变形及其中梁、柱等结构构件的受力有何不同,有必要对其进行系统的分析和对比。

关键词：楼梯系统；框架结构；楼梯震害；影响分析

钢筋混凝土框架结构在建筑工程中是一种常见的结构类型，特别是随着社会的进步和发展，在一些大中型、多功能的综合建筑应用更加广泛，在工业建筑中应用也很普遍。此类建筑结构设计中应遵循质量中心和刚度中心的重合。当发生地震和火灾时，楼梯是重要的紧急逃生竖向通道。楼梯的破坏会延误人员的撤离及救援工作，从而导致严重伤亡。为了保证楼梯的正常工作，不仅要保证楼梯结构的整体性能，还应避免楼梯受一些非结构部件脱落的堵塞。本文针对某10层框架结构工程，采用ETABS－V9中文版程序建立考虑楼梯构件的精确模型，对楼梯对结构抗震设计的影响进行了阐述。

1楼梯震害类型

根据以往的震害资料看，框架结构的楼梯间破坏最为严重。楼梯的破坏主要分为3种形式:①楼梯整体倒塌破坏，如框架结构的梯柱易形成短柱，发生剪切破坏；②梯板拉压破坏；③梯梁中部受剪发生破坏。对于楼梯间的破坏主要是因为楼梯刚度过大，使其最先破坏。

2计算方法

传统的楼梯设计仅考虑楼梯构件的等效重力荷载在地震中的影响，而忽略了楼梯构件的竖向刚度和平面刚度对结构整体刚度的贡献，及按照刚度分配的侧向力对梯梁、梯柱等构件的影响。有限元采用ETABS－V9建立结构模型，用壳单元模拟楼梯的平台板和斜板建立层间构件模型，忽略踏步刚度对斜板挠度和刚度的影响。

3计算模型

此工程为6层框架结构的写字楼，开间方向(x向)柱距3．9m，共10跨，总长度39m；进深方向(y向)柱距分别为6，2．4，6m，共3跨，总宽度14．4m；底层层高4．5m，其余各层均为3．9m；柱500mm×500mm(C30)，主梁500mm×300mm(C30)，板厚100mm，梯梁400mm×200mm(C30)，梯柱240mm×240mm(C30)；抗震设防烈度8度0．20g，设计地震分组第2组，场地类别Ⅱ类；基本风压0．45kN/m2；恒载取2．5kN/m2，活载取3kN/m2，均布荷载取20kN/m2；特征周期0．4s；场地粗糙度类别为B类；主体结构采用钢筋混凝土框架体系；通过线拉伸成面的方法绘制楼梯，楼梯为双跑。柱、梁采用直线杆单元模拟，直线杆为空间杆件，具有双向弯曲、扭转、轴向变形、双轴剪切变形效应，楼板采用膜单元模拟。单元根据楼梯布置位置的不同建立了12种模型，分别采用计入与不计入楼梯对构件进行模拟。如图1所示。

图1框架结构平面布置示意

4地震作用下楼梯构件对整体结构的影响

通过对计入及不计入楼梯两种情况的有限元分析，将分析结果列入表1，从表中可看出楼梯对结构x向和y向刚度都有一定影响，对y向刚度影响最大。

表1分析结果

5楼梯布置位置对框架结构的影响

1)只设置1个楼梯时，随着楼梯位置从中间向两端改变，y向地震下顶点位移、层间位移比、层间位移角逐渐增大，层间位移比从模型5(位置5)的1．32增加到模型1(位置1)的1．68，说明楼梯的刚度对结构扭转变形影响很大。

2)设置2个楼梯时，从表2可以看出楼梯布置在平面位置3时y向地震下顶点位移、层间位移比、层间位移角最小，结构的刚度最好，扭转变形影响最小。

3)楼梯布置位置不同在y向地震作用下的计算结果比较如表2所示。

表2计算结果比较

6楼梯对楼梯间角柱的影响

以模型6(位置6)为例，通过分析比较，楼梯对楼梯间梯柱的影响较大，对其他柱影响较小，楼梯间框架角柱和相邻柱在y向地震作用下轴力如表3所示。

表3楼梯间框架角柱和相邻柱在y向地震作用下轴力

7结结语

综上所述，楼梯构件对框架结构的抗震性能有着不可忽略的影响，它的存在增大了结构局部的抗侧刚度，减小了结构的自振周期。水平地震作用下，楼梯会产生比较明显的地震反应。若在计算中考虑楼梯构件，通过结构上的调整后，普通楼梯布置方法存在满足目前的小震抗震要求的可能性。但对楼梯间位置、个数、楼梯构件强度的要求相对较高。楼梯对相连的框架柱影响很大，呈强剪型受力。通过以上分析可知，楼梯构件是建筑物不可缺少的部分，在抗震性能方面对整体结构有着不可忽视的影响，楼梯参与整体结构计算以后，周期、地震作用、位移都产生了一定的变化。应当吸取以前的教训，将楼梯构件与结构进行整体分析，并采取必要的构造措施，做到模型符合实际情况，满足人们的使用要求，保证人们生命和财产的安全。但是不是简单地将楼梯代入整体结构计算就能解决问题。楼梯与整体结构共同工作，导致楼梯及相邻框架柱破坏，建议将楼梯与整体结构脱离。

参考文献

[1]唐际辉;框架结构考虑楼梯侧向支撑作用的ANSYS分析[J];山西建筑;2010.02

[2]冯远吴小宾李从春等，现浇楼梯对框架结构的抗震影响分析与设计建议[J];土木工程学报，2010，43(10)