论楼梯作为斜撑构件在高层结构设计中的影响

论楼梯作为斜撑构件在高层结构设计中的影响
摘要：随着我国房地产行业的兴盛，以及人们更高的生活质量追求，于是对住
房也有了更严格的要求。

人口向城市迁移给城市有限的土地带来较大的住房压力，在政府的引导下，高层结构住房已成为一种必然。

而在高层结构设计中，不管是
抗震作用还是安全通道设置，楼梯作为斜撑构件不可缺少。

而且在高层结构调设
计的时候，设计人员一般是分别完成楼梯的设计和框架的设计。

然而事实上，一
旦发生地震或者其他，楼梯构件最先遭到破坏，进而破坏框架结构的预期效果。

所以，在此事实基础上，本文分析不同的高层结构设计中楼梯的影响，主要研究
楼梯斜撑的作用对高层结构影响，为设计和建筑施工提供便利。

关键词：楼梯斜撑；高层结构设计；斜撑构件；影响分析
1、楼梯对不同的高层结构影响
按照不同的标准，高层建筑也可分为不同的结构设计。

通常我们按照承重体
系和材料分为两类：承重体系分类分为我们熟悉的框架结构，剪力墙结构，还有
框架-剪力墙结构，以及砌体结构；材料分为钢结构和钢筋混凝土结构，还有其混
合结构。

而在这所有高层结构建筑中，相邻楼层之间都有上下沟通的通道，比较
常见的有楼梯、电梯扶梯和坡道等。

尽管目前来说，大部分的高层建筑都会选择
电梯作为主要的上下方式，但楼梯仍然会保留。

因为楼梯除了上下通行方便外，
还给楼房的主体分担承重。

设计楼梯时候，需考虑坚固耐用，通风，防火等安全
要素。

1.1单框架结构
框架结构建筑里，框架柱是主要的抗侧构件，因而可以提供较好的延展性能
和抗震效果。

次级的抗侧构件包含楼梯及填充墙等支撑构件，软件计算时，通常
采用刚度折减的手段考虑不同的构件所提供的刚度支撑。

这些抗侧构件增强了框
架结构的刚度，缩小了框架结构水平方向上位移，提高了结构的安全保障系数，
但是仍然容易受到破坏。

在调查和分析大量的震害资料后，人们相信楼梯在框架
结构里可以抵抗地震的水平作用力，支撑楼层之间抗侧移，所以在分析框架结构
时候，不能忽视楼梯的刚度作用。

在抵抗水平震力时候，楼梯承担部分水平剪力，如果单纯依靠构造设计出的构件，是不能达到真实的承载负荷。

而楼梯承担的水
平剪力的多寡受到主体结构刚度影响。

所以，某一框架结构的本身抗侧刚度比较小，那楼梯的危害就很严重。

含有斜撑的结构发生变形，其表现类似剪力墙，呈
弯曲形，但框架结构发生变形，呈剪切型，所以由结构变形表现特点可认定，楼
梯于框架结构的意义等于弱剪力墙。

因为剪切型的层间位移，是由上而下增多，
楼梯的破坏结果直接受层间位移影响，所以，楼梯破坏同样由上而下变严重。

1.2剪力墙的结构
就剪力墙而言，当楼梯板承接在两堵墙之间时，楼梯将两面剪力墙连接一起，尤其对短肢剪力墙的结构，楼梯作用效果如同连梁，在此状况下，不可忽视楼梯
对结构的作用和影响。

1.3框架-剪力墙结构
前文分析已说到楼梯抵抗地震水平作用力的作用效果大小受到主体结构的刚
度影响，所以当建筑结构含有剪力墙为抗侧构件时，楼梯的效果随剪力墙的抗侧
刚度减小而变大。

1.4砌体结构
砌体结构具有较差的延性，所以，一旦发生地震，其结构发生的变形较小，
楼梯作为斜撑构件，在这样结构里效果不突出。

就算砌体结构具有很大的刚度，
但是楼梯先关的地震迫害并没有减少，楼梯间的墙体遭到的破坏比其他部分更加
严重，甚至会造成楼梯间全部倒塌。

所以震发地区的高层砌体结构有着很严格的
要求，如增强圈梁，加构造柱等方法加强楼梯间墙体的束缚，形成楼梯间完成独
立的结构体系，和主体的结构共同作用，增强抵抗能力。

2、模型分析楼梯斜撑对框架结构作用
采用软件构建结构模型。

参数构建：设置七度的防烈度，结构含有六层，层
间距36公分，三级框架结构。

由此可以得出，横向梁的截面30*60公分，纵向
梁25*50公分，中部柱55*55公分，边柱50*50公分，楼梯面板的厚度是10公分。

楼梯板宽度180公分，长330公分，平台梁25*45公分，梯柱30*30公分。

2.1如何影响结构的自振
利用软件模型分析，可以得出模型本身的自振周期以及刚度等多个振型的参数，进而研究楼梯斜撑如何影响结构自振特性。

而振型的大小可用有效的质量系
数表示，也就是振型的底部剪力和结构质量的数值比例。

经分析获得该模型的质
量参与的系数，将xyz三个数轴方向质量参与比值设为Ux、Uy、Uz，质量为1.第
一平动振型以及转动振型限定时，可以判断振动的形式。

如Ux+Uy>Rz，可以判断是平动振型，反之是转动振型。

在这个模型的基础上，如果Ux>Uy，则是x轴上
的振型，相反的话，是y上的振型。

另外，含有楼梯的模型，其第六阶的质量参与比值已经大于0.9，而且，x上
平动振型比没有楼梯的模型发生明显扭转，其原因是y轴上楼梯结构布置，造成
x上不对称。

因此，楼梯作为斜撑构件，会引起框架结构中刚度不均，且易造成
结构扭转。

通过模型分析可以看出，含有楼梯的结构自振周期和不含有楼梯的有很明显
的区别。

在自振周期的前三阶，含有楼梯的振幅减少0.12到0.19，但是四阶之后，含有楼梯结构振型周期就缩减了0.1到0.21。

因此，可以说楼梯斜撑增强了框架
结构刚度，使得其自振周期变小。

从基底剪力分析，x上含有楼梯的水平基底剪力比没有楼梯的多了大约13.8%。

y上含有楼梯的纵向剪力增大35.3%。

结合楼梯的布置可以得出，y上楼梯间布置
会增大该方向上的基底剪力。

因此，楼梯斜撑的支撑下，会增强框架结构的地基
抗力。

2.2如何影响结构水平位移和结构内力
框架结构在外力作用下，性能发生变化，其最为直观的表示就是水平位移以
及结构内力的变化。

因此我们可以通过分析反应谱，了解楼梯作为斜撑对结构水
平位移的影响。

依照要求，结构层间的水平最大位移不能高于层高的1/550，在x 上施加水平地震作用力，得出水平的位移。

比较可以发现，含有楼梯的最大位移
小于不含楼梯的，而且层间位移也是如此。

因此，楼梯斜撑增大了框架结构x上
的抗侧刚度。

除此之外，没有楼梯的模型x上位移几乎全部参与总位移，含有楼
梯的只有89%的参与。

可以得出，楼梯斜撑引起框架结构发生扭转，使得在y上
也发生了位移。

Y上的楼梯布置引起结构水平上的刚度不均。

结构内力：含有楼梯的框架柱，其最大轴力发生在边柱。

与不带楼梯的相比，含有楼梯的边柱轴力略大，楼梯边周的框架柱轴力有比较明显的变大。

在x上的
地震作用力，不会给剪力带来影响，没有变化，而就弯矩的分布说，含有楼梯的
框架柱发生明显的弯矩，且分布变化很明显。

所以，整体来说，楼梯斜撑对框架
结构内力在分布上有影响但不大，较大影响是对楼梯间结构的框架内力分布。

2.3如何影响框架结构的局部构件
反应谱分析中可以看出，楼梯斜撑也会影响框架结构局部构件，进而使得楼
梯结构不稳定容易遭到破坏。

在x上施加地震作用，含有楼梯的柱轴力变大3倍，柱的剪力只有略微的增大。

而且，一旦加入楼梯结构，柱底弯矩就会变小一半，
柱顶的弯矩也会减少40%。

造成这一结果，因为在柱和楼梯平台板之间作用下，
增多了框架柱的反弯点。

另外，上部平台的作用，梁会产生比较大的内力。

集中
在两端的梁上剪力，会加重地震作用的力破坏，这也就是为什么在震害中，楼梯
间会很容易就遭到破坏。

小结
高层结构设计中，楼梯作为斜撑构件，增强了结构整体的刚度，并且减弱了
结构本身的自振周期，增大了基底剪力。

与此同时还增大了结构的抗侧刚度，从
而降低了结构层间位移，增强了结构的稳定性，不易于破坏。

然而，楼梯作为斜
撑构件，会严重影响局部构件的内力分布情况，使得楼梯结构在地震中很容易被
破坏。

所以，高层结构设计时候，设计人员需要考虑楼梯和整个结构影响，梯梁
设计采用框架梁，双向双面配筋的平台板设计等措施完善楼梯结构设计，保证高
层楼梯间安全防火逃生的作用。

参考文献：
[1] 李进，刘娜；楼梯对结构整体设计影响分析；价值工作；2016年35期
[2] 袁泉，徐慧君：楼梯对框架结构刚度影响分析：工业建筑：2012年第42
期
[3] 张竹庭：地震作用下楼梯构件刚度对框架结构影响：江苏建筑：2010年
第4期
[4] 沈伟成：考虑楼梯斜撑作用对框架结构影响：建筑工程技术与设计：2015
年第22期
[5] 周昊；楼梯间梯板斜撑作用对框架结构地震响应的影响研究；华中科技大学；2013年。