地震作用下楼梯对框架结构的作用探讨王海峰

地震作用下楼梯对框架结构的作用探讨王海峰

王海峰

云南省设计院集团云南昆明650000

摘要：近年来地震灾害多发，人们对建筑工程的抗震性越来越关注，需要工程建设单位采取有效措施提升工程整体的抗震能力，而这也是企业提升工程整体品质和行业竞争力的重要手段。楼梯是建筑结构重要组成部分，其地震作用下对建筑整体的作用越来越受到人们的关注，所以建筑企业应当在抗震设计中充分考虑楼梯因素，进而实现建筑结构整体抗震水平的提升。

关键词：地震作用下；框架结构；影响

传统的建筑工程框架结构抗震设计中很少将楼梯影响考虑进去，而这也是影响我国建筑工程整体抗震性能的原因。近年来随着建筑水平的提升，楼梯在框架结构抗震中的影响越来越受到人们的关注，相关实验也表明楼梯对建筑工程框架结构抗震性能会产生较大影响，同时那些将楼梯影响因素考虑到框架结构设计中的建筑工程的整体抗震性能也切实得到了提升。

一、实例计算及分析

（一）结构分析概况

某工程为框架结构，包括7层且每层高度为3.6米。主梁的规格是250毫米×450毫米、250毫米×600毫米、250毫米×650毫米；次梁的规格为200毫米×400毫米、200毫米×600毫米；平台梁的规格为200毫米×400毫米；框架柱的规格为500毫米×500毫米；梯柱的规格为250毫米×250毫米。选用120毫米厚的平台板、梯板、楼板和等级为C40的混凝土。根据图1进行结构平面布置。抗震设防烈度为7度，基本加速度为0.15g，场地类别为Ⅱ类。采用SAP2000建立两个不同的模型，一个有楼梯、另外一个没有楼梯。

分别采用以下三种工况进行结构分析，其中周围构件、楼梯间、框架结构整体抗震性能受到楼梯影响的研究通过工况1和工况2进行，楼梯构件受力性能受到水平地震作用影响的研究通过工况2和工况3实现。

工况1：分析沿横向无楼梯框架结构的反应谱和竖向荷载作用下的受力，并在抗震规范5.4.1的基础上组合各个效应。

工况2：分析沿横向楼梯框架结构的反应谱和竖向荷载作用下的受力，并在抗震对反5.4.1的基础上组合各个效应。

工况3：分析竖向荷载作用下楼梯框架结构的受力，并在荷载规范3.2.3的基础上组合各个效应。

图1结构平面图

二、结构整体抗震性能分析

通过分析无楼梯和有楼梯框架结构的模态，获得了振型质量参与系数和自振周期，如表1所示。分析表1可知：第一，有楼梯框架结构具有较小的自振周期，其结构的抗侧刚度得到了提升，尤其是通过沿结构横向布置梯段板，对横向抗侧刚度提升和自振周期的降低最为明显。第二，框架结构建筑物角部设楼梯能够使结构自身的抗扭刚度大大增强，结构自振周期降低，结构第三阶振型振动形态变为纯扭转振动。

表1结构自振周期和振型质量与参数

振型无楼梯有楼梯周期壁纸周期/sU_xU_yR_x周期/sU_xU_yR_x11.2690.000.84.0.471.0780.050.690.330.8621.1390.450.020.041.0240.680.070.030.9131.0840.410.000.310.8750.110.060.560.84

表2为有楼梯和无楼梯框架结构在工况1和2楼层剪力和层间位移，分析表格可知：第一，框架结构的抗侧刚度在楼梯的作用下增加，其自振周期减少，这进一步增加了结构地震作用。第二，楼梯框架结构在较大的抗侧刚度和楼层剪力下，那么其层间位移就会相应的增加。

表2结构层剪力与层间位移

楼层楼层剪力/kn层间位移/mm无楼梯有楼梯比率无楼梯有楼梯比率1476956741.184.655.131.202429848751.346.36.781.123374548631.356.56.741.144354643251.185.516.231.125292835561.234875.3210.56245427871.133.874.251.147145817661.322.452.671.10

三、楼梯构件受力性能分析

（一）楼梯板

表3为1#楼梯间段板在工况2和3条件下的内力，分析表3可知：第一，设计中如果只考虑竖向荷载，那么就会有较小的梯段板内力，受力需求在运用传统的构造方式和配筋的情况下能够得到满足。第二，地震情况下，梯段板存在内力，将楼梯设计为整体结构的一部分，轴力、剪力也明显增加，反复拉压力会拉断梯段板的薄弱部位[1]。

表3楼段板内力

楼层工况2工况3TB1TB2TB1TB2弯矩剪力轴力弯矩剪力轴力弯矩剪力轴力弯矩剪轴力kn·mknknkn·mknknkn·mknknkn·mknkn16140375678489985152345173755268422809734358641123381428473543376145433563511172411192143321236535218365112421132523

（二）梯梁、平台梁

表4~表5为1#楼梯间梯梁、平台梁在工况2、3情况下的内力，分析这些表能够发现：第一，平台梁和梯梁的内力在只考虑竖向荷载的设计中具有具有较小的内力。第二，地震中与斜向梯段板直接相连的梯梁TL1、TL2在楼梯与整体结构共同工作的情况下，承受的不仅是竖向荷载，还包括斜向的轴力，这样就会有相应的剪力和弯矩产生于TL1、TL2的水平方向和竖直方向，最终造成上下楼梯段板交叉处和支座处的减扭破坏，裂缝甚至会延伸至平台板内。第三，在平台梁PTL1未与楼段板相连的情况下，虽然其受到较大的剪力和弯矩，但是其受到较小的水平方向剪力、弯矩、扭矩，进而能够获得更好的保护。

表4梯梁、平台梁弯矩

编号弯矩方向工况2工况31层2层4层6层1层2层4层6层TL1竖直9192684414985水平15161273233TL2竖直363726224533水平65643232TL3竖直3741322812172123水平44330000

表5梯梁、平台梁剪力

编号弯矩方向工况2工况31层2层4层6层1层2层4层6层TL1竖直8182654215987水平13514611257161296TL2竖直424433244553水平282726153579PTL1竖直8391756827394550水平00000000

（三）梯柱表

7~表9为1#楼梯间梯柱在工况2和3中的内力，分析这些表可知：第一，梯柱在传统的只考虑竖向荷载的设计中，受到的内力更小。第二，地震时处于双向压弯剪力状态下的梯柱，其受到更大的轴力、剪力、弯矩，并且梯柱的配筋和截面尺寸不大，会严重破坏梯梁和梯柱连接处的柱头[2]。

表6梯柱剪力

编号剪力方向工况2工况31层2层4层6层1层2层4层6层TL1纵向383255175112横向5161283243TL2纵向5827231314343横向486453336987

表7梯柱弯矩

编号弯矩方向工况2工况31层2层4层6层1层2层4层6层TL1纵向474736218334横向881283243TL2纵向6143312114463横向395140255757

表8梯柱轴力

编号工况2工况31层2层4层6层1层2层4层6层1层2层4层6层1层2层4层6层TL131637929318154383431TL2482415321202136695847

根据以上内容可知，在传统的只考虑竖向荷载的楼梯设计中，梯柱、梯梁、楼梯板受到数值小、状态简单的内力，这样构件具有具有较小的尺寸和配筋量。在地震发生时，整体结构的共同工作有一部分是楼梯完成，这样就会突然增大构件内力，并且受力状态复杂，进而破坏楼梯。实际当中经常采用两种方式进行楼梯设计：一种是将滑动支座设置于楼层间的休息平台处的梯梁和上跑梯段板之间，并运用双层配筋钢板；另一种是整体连接梯段板和梯梁，在运用双层配筋梯段板的基础上，进行拉结筋、边缘约束构件的设置。笔者认为这两种方法中，方法一能够分离梯梁和梯段板，梯段板支撑的作用就会减小，在整体结构的的抗震计算中可以不考虑楼梯，楼梯受到内力较小，整体结构受到的影响和楼梯构件的破坏就会减轻。在运用第二种方法时，主体结构和楼梯相连，应当在整体结构的抗震计算中纳入楼梯部分。此时楼梯结构受到复杂的外力，虽然楼梯构件的配筋增加了，但不产生破坏的状态还是无法保证，而且还具有对整体结构产生不利影响的可能性，所以设计人员应当审慎的处理这种方法。

结语：

通过以上内容可知楼梯对于框架结构的抗震性能能够产生重大影响，为了有效提升建筑工程整体抗震水平进而实现建筑行业的健康稳定发展，建筑企业应当在建筑工程设计阶段的建筑工程框架结构抗震设计中充分考虑楼梯的作用，最大限度减小框架结构受力性能受到楼梯的影响。

参考文献：

[1]阎红霞，杨庆山，李吉涛.现浇楼板对钢筋混凝土框架结构在地震作用下破坏形式的影响[J].振动与冲击，2011，（07）：227-232.

[2]罗开海，王亚勇，左琼.地震作用下钢筋混凝土框架结构中楼梯构件的影响效果分析[J].建筑结构，2011，（11）：88-93+136.