钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计

发布于2011-12-05

钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计

——总工程师邓永强前言

汶川大地震被损坏的钢筋混凝土结构房屋，其中一个特点是楼梯构件的破坏，影响了逃生通道安全，造成人员伤亡。《建筑抗震设计规范》2008年修订时增加了结构计算中应考虑楼梯构件影响的要求，并在2010版《建筑抗震设计规范》中细化了各项要求。

在建设部对上海的建设工程质量历年检查中，09年5个建筑工程项目设计，由于计算中没有考虑楼梯构件的影响，无一例外被提出意见；11年保障性用房（剪力墙结构）检查被认为上海钢筋混凝土结构楼梯设计不统一。

综上所述，有必要认真研读规范的有关要求，结合目前常用软件的实际使用情况，提出切实可行的钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计方法。

一、钢筋混凝土结构楼梯间震害表现

在地震中，钢筋混凝土结构的楼梯问题与砌体结构有所不同，砌体结构由于楼梯间整体性不足，地震中墙体破坏或倒塌造成楼梯段支座失效，进而导致整个楼梯间的破坏；而在钢筋混凝土结构中（尤其是框架结构），楼梯的梯板等构件具有斜撑的受力状态，对结构的刚度及扭转作用有较为明显的影响，由于支撑效应使楼梯板承受较大的轴向力，地震时楼梯段处于交替的拉弯和压弯受力状态，当楼梯段的拉应力达到或超过混凝土材料的极限抗拉强度时，就会发生受拉破坏（见图一、图二）。而楼梯间的平台梁，则由于上下梯段的剪刀作用，产生剪切、扭转破坏（见图三、图四）。

二、现行规范的相关条款及基本要求

1、《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中相关条款

第3.6.6条利用计算机进行结构抗震分析，应符合下列要求：

1 计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况，计算中应考虑楼梯构件的影响。第6.1.8条框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中的抗震墙设置，宜符合下列要求：

2 楼梯间宜设置抗震墙，但不宜造成较大的扭转效应。

第6.1.15条楼梯间应符合下列要求：

1 宜采用现浇钢筋混凝土楼梯。

2 对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则；楼梯构件与主体结构整体现浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件抗震承载力验算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响。

3 楼梯间两侧填充墙与柱之间应加强拉结。

第13.3.4条钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，尚应符合下列要求：

5 楼梯间和人流通道的围护墙，尚应采用钢丝网砂浆面层加强。

2、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中相关条款

第6.1.4、6.1.5、8.1.7条提出了与《抗规》基本相同的要求，仅6.1.5条第4款高于《抗规》要求。

第6.1.5条抗震设计时，砌体填充墙及隔墙应具有自身稳定性，并应符合下列规定：

4 楼梯间采用砌体填充墙时，应设置间距不大于层高且不大于4m的钢筋混凝土构造柱，并应采用钢丝网砂浆面层加强。

3、现行规范的基本要求

结合条文说明理解，规范允许根据不同的具体结构，判断楼梯构件对整体的可能影响很大或不大，然后区别对待，并不要求一律参与整体结构的计算，但楼梯构件自身应计算抗震。

现行规范对钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计的基本要求可归纳为：是否参与整体抗震计算，视情况而定；楼梯构件应进行抗震设计计算；加强楼梯间填充墙与主体结构的拉结。

三、SATWE楼梯参与计算的应用情况

1、SATWE楼梯计算

目前在PKPM系列中自动生成的楼梯（2跑生成基本正常），梯柱默认采用300×300，归为支撑；梯梁默认采用200×400，归为框架梁；平台标高框梁默认采用250×500，归为框架梁；斜梯段板默认采用120厚，归为非框架梁。默认值在楼梯自动形成后可以修改，易疏忽，且易出错。

构件按各自归类形式提供内力、配筋计算结果。

SATWE使用说明明确，梁正截面受弯承载力按《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）第6.2.10~6.2.14条计算，偏心受拉构件的正截面受拉承载力按《混凝土规》第6.2.23条计算。当梯板存在拉力时，计算结果单独给出最大轴力（均为拉力、未见给出压力），配筋仍按受弯构件方式给出支座及跨中等分7个截面的正、负弯矩计算结果。根据梯板有无轴力或轴力大小对比，似乎已考虑拉力的存在，如何考虑未见交代。

2、计算对比

在研读《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）统一培训教材第九讲“框架结构楼梯设计”及由广东省建筑设计研究院、深圳市广厦软件有限公司焦柯等撰写的《楼梯参与结构整体工作的计算分析》对钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计进行计算、分析、研究的基础上，考虑单跨、多跨，对称、偏置，或在楼梯间设置长短不等的抗震墙等不同因素组合，建立不同的结构模型，采用08或10版软件计算分析对比。

其中为较明显地体现楼梯间的影响，特建立了一个单跨、楼梯偏置的框架结构模型，7开间（开间4m）、跨度7.5m、6层（层高3.6m）；恒载5kN/m2（楼梯间7 kN/m2）、活载2kN/m2（楼梯间3.5 kN/m2）、外框梁上线荷载10 kN/m。按照上海地区常规控制参数分别采用08或10版软件计算、不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响，不同版本、不同方式主要控制指标变化对比见表一。

表一：单跨框架（楼梯偏置）主要控制指标变化对比表

08版周期1 周期2 周期3

不考虑1.0884（0.00＋0.97＋

0.03）

0.8538（0.00＋0.03＋

0.97）

0.7153（1.00＋0.00＋

0.00）

考虑1.0798（0.00＋0.94＋

0.06）

0.9101（0.00＋0.06＋

0.94）

0.7270（1.00＋0.00＋

0.00）

相

差

%

-0.79 6.59 1.64 10版周期1 周期2 周期3

不考虑0.9524（0.00＋0.71＋

0.29）

0.8374（0.00＋0.29＋

0.71）

0.7060（1.00＋0.00＋

0.00）

考虑0.8821（0.00＋0.99＋

0.01）

0.8126（0.00＋0.01＋

0.99）

0.6885（1.00＋0.00＋

0.00）

相

差

%

-7.38 -2.96 -2.48

08版X向剪重

比

Y向剪重

比

X向最大层间位

移角

Y向最大层间位

移角

X向最大位

移比

Y向最大位

移比

不考虑5.80 4.62 1/1175（第2层）1/503（第3层）

1.00（第1

层）

1.33（第1

层）

考虑 6.48 6.09 1/1119（第3层）1/417（第3层）1.03（第6

层）

1.27（第1

层）

相

差

%

11.72 31.82 5.00 20.62 3.00 -4.51

10版X向剪重

比

Y向剪重

比

X向最大层间位

移角

Y向最大层间位

移角

X向最大位

移比

Y向最大位

移比

不考虑6.61 5.51 1/1194（第2层）1/502（第3层）

1.01（第6

层）

1.40（第6

层）

考虑 6.56 6.40 1/1241（第2层）1/713（第2层）1.03（第6

层）

1.11（第2

层）

相

差

%

-0.76 16.15 -3.79 -29.59 1.98 -20.71

该计算模型不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响，08版第1标准层柱配筋计算结果见图五、10版第1标准层柱配筋计算结果见图六。

对比发现楼梯构件是否参与结构整体计算，不仅影响地震作用效应的计算结果，也可能由于改变恒载、活载的传递途径而对相关构件计算产生影响。

对比发现当其他区域荷载小于楼梯间时，不考虑楼梯影响计算结果显示位移比较大，考虑楼梯刚度后刚心与质心的重合程度有所改善，位移比有所减小。

对比发现两个版本的计算结果差异很大，08版最大位移、最大层间位移底部3层出现在右端、上部3层出现在左端，10版最大位移、最大层间位移均出现在左端；是否考虑楼梯构件对结构整体的影响，08版计算结果显