钢筋混凝土框架结构楼梯抗震设计

钢筋混凝土框架结构楼梯抗震设计建议
Seismic Design Method of Stair
in Reinforced Concrete Frame Structure
李文峰 苗启松
（北京市建筑设计研究院 北京 100045）
摘 要 汶川地震中，框架结构楼梯普遍发生了严重破坏。

本文列举了一些典型的楼梯构件震害形式，通过数值方法分析了不同楼梯布置方式的抗震性能和破坏特点，并对钢筋混凝土框架结构楼梯构件布置形式的提出了设计建议。

Abstract In Wenchuan Earthquake, stairs of frame structures were severely damaged. Some typical types of seismic damage are listed in this paper. The seismic property and damage feature of different kind of stair layout is analyzed by numerical method. Advices on design method of stair in frame structure are proposed. 关键词 汶川地震，钢筋混凝土框架结构，震害调查，楼梯布置形式，设计建议
1. 引言
汶川地震震害调查中，发现大量的楼梯间破坏的情况。

其中，框架结构中的楼梯间破坏最为严重。

以往的结构设计中，一般不考虑楼梯间对结构整体抗震性能的影响，也不考虑楼梯构件的地震反应，导致楼梯构件过早破坏且破坏严重。

本文介绍了震害调查中楼梯构件的破坏情况，分析了楼梯震害发生原因及楼梯对框架结构地震反应的影响，提出了改善楼梯地震表现及减小楼梯对框架结构影响的设计建议。

2 楼梯震害调查
汶川地震中，各种结构类型中均发现存在大量的楼梯间破坏的情况。

其中，框架结构中的楼梯间破坏最为严重，图1～图4列举了常见的几种破坏形式。

图1 框架结构梯梁剪断 图2 框架结构梯板拉断
图3 框架结构楼梯坍塌 图4 框架结构楼梯梯柱端部破坏
如图1~4所示，楼梯构件典型破坏形式为框架结构梯梁剪断、梯板断裂、梯柱端部破坏或整体倒塌。

3 楼梯对主体结构影响及楼梯地震反应的数值分析
为模拟结构及楼梯构件地震反应，建立了不考虑楼梯构件的纯框架结构计算模型和考虑楼梯构件的框架结构计算模型。

图5所示为不考虑楼梯构件框架结构的平面布置。

结构基本数据为：5层，层高均为3.0m，柱截面450x450，框架梁截面350x500，梯柱截面200x300，梯梁截面200x350，楼板厚度180mm，混凝土强度等级为C30。

楼面附加恒载4.0kN/m2，楼面活载2.0kN/m2，屋面附加恒载5.0kN/m2，屋面活载0.5kN/m2。

楼梯板水平跨度3.8米，楼板宽度1.8米，双跑。

7度、二类场地、抗震等级三级、周期折减系数0.75。

受力钢筋均为三级。

采用弹性反应谱方法进行计算，计算软件采用ETABS-V9中文版。

图5 框架结构平面布置示意图 图6 楼梯间平面布置1
图7 楼梯间平面布置2 图8 楼梯间平面布置3梯板方向为Y向（结构平面的短向），主要考察Y向地震作用下构件的Y向地震响应。

考虑了三种楼梯间平面布置方式。

方式1为单个楼梯间位于平面一侧（图6），方式2为单个楼梯间位于平面中部（图7），方式3为两个楼梯间分别位于平面两侧（图8）。

楼梯构件的布置方式分为6种，分别是普通方式1、2和新方式1～4。

普通方式为休息平台板与框架柱相连的方式，新方式为休息平台板与框架柱脱开的方式。

具体设置方法见表1和图9～图12。

表1 各种楼梯布置方式中的梯柱设置方法
布置方式 梯柱根数 梯柱设置方法
普通方式1 2 上下不贯通
普通方式2 2 上下贯通
新方式1 2 上下不贯通
新方式2 4 上下不贯通
新方式3 2 上下贯通
新方式4 4 上下贯通
图* 楼梯普通布置方式1三维示意图 图* 楼梯普通布置方式2三维示意图
图9 楼梯布置新方式1三维示意图 图10 楼梯布置新方式2三维示意图
图11 楼梯布置新方式3三维示意图 图12 楼梯布置新方式4三维示意图
4 数值分析结果汇总
对多种楼梯布置方式进行对比得到下面的结论：
1．对整体抗侧刚度的影响
计算中考虑楼梯间后，整体刚度增大约15%~170%，具体影响如下表所示：楼梯平面位置 楼梯间平面布置位置1楼梯间平面布置位置2 楼梯间平面布置位置3 方向 普通方式 新方式 普通方式 新方式 普通方式 新方式
X向 30%～50% 15%～30%80%～100%35%～60%140%～170% 50%～110%
Y向 20% 15% 40%～70% 15%-20% 50%～95% 25%～55%
休息平台板与框架柱脱开后，刚度减小，最多减小约80%。

楼梯构件对两个方向的刚度均有影响，对梯板方向影响大于垂直梯板方向。

新方式中，楼梯构件越多，对刚度影响越大。

2．对整体抗扭刚度的影响
计算中考虑楼梯间后，结构扭转增大。

单个楼梯间位于平面角部的情况对扭转最为不利。

单个楼梯间位于平面中部或两个楼梯间位于两个角部时，扭转可满足要求。

3．对相连或相邻框架柱的地震内力影响
计算中考虑楼梯间后，框架柱1轴力显著增大，约增大1~6倍。

普通方式中，框架柱1剪力显著增大，约增大1~3倍，弯矩也增大约10%~100%。

与普通方式相比，休息平台板与框架柱1脱开后，框架柱1内力明显减小，约30%~50%。

几种楼梯布置新方式中，框架柱内力相差不太大。

4．对相连或相邻框架梁的地震内力影响
计算中考虑楼梯间后，框架梁弯矩有所变化，增大或减小20%左右。

框架梁剪力变化不十分明显，与弯矩变化幅度类似，未列出。

对梯柱的地震内力影响如下：梯柱采用上下贯通的混凝土柱时，地震荷载下的最大轴力约为不贯通的1.5~2.5倍。

平台板与框架柱脱开后，梯柱剪力增大，最大约80%，弯矩也有所增大，约50%。

5．对梯梁梯板的地震内力影响
梯梁弯矩和竖向剪力变化不大。

平台板与框架柱脱开后，梯梁水平剪力增大，约增大50%~150%。

休息平台板与框架梁脱开后，梯板拉/压力有一定减小，梯梁梯柱越弱，梯板地震内力越小。

6．梯柱梯梁抗震承载力验算结果
梯柱上下贯通时，轴压比超限。

如采用梯柱后浇的措施，可消除结构主体自重引起的梯柱轴力，降低轴压比约50%，大致为0.4~0.7。

后浇措施也可明显减小梯柱配筋，减小至2.5%左右。

休息平台板与框架柱脱开后，梯柱承担了原来框架柱的部分剪力，导致梯柱剪力较大。

梯柱截面加大时，剪力随之增加，有一些效果，但不十分明显，且易形成短柱。

梯梁水平剪应力水平高于竖向剪应力水平。

7．不同设防烈度的影响
根据试算，楼梯对8度区框架结构影响小于7度框架结构。

原因是8度区框架结构本身较强。

在本文8度设防的算例中，总层数3层，框架柱截面为650x650。

5 楼梯在罕遇地震下性能的定性分析
楼梯在罕遇地震下的主要性能要求是保持通行能力，落实到楼梯构件的性能上就是要求大震下楼梯梯板钢筋不被拉断、梯柱未倒塌。

根据罕遇地震性能的要求，需要设置上下贯通的梯柱，同时保证梯板钢筋在罕遇地震下不被拉断。

楼梯处的层间侧向变形主要通过梯梁剪断、梯柱两端出现塑性铰、梯板断裂为若干段来进行释放。

从概念上讲，加大梯板配筋，保证梯板钢筋抗拉能力远大于梯板混凝土抗拉能力时，梯板的裂缝是可以控制为若干个较小裂缝的。

各种楼梯构件的破坏次序有待通过进一步的弹塑性分析进行研究，从小震设计的结果来看，当采用楼梯新布置方式4并进行最佳的楼梯抗震设计时，首先会发生梯梁的剪切破坏及梯柱的压弯破坏或剪压破坏，当侧向变形进一步增大时，梯板会断裂为若干段而不坠落。

另外，为保证大震下的楼梯通行能力，对施工缝的要求也较高，水平施工缝处很容易发生滑移和钢筋剪断。

6 平台板滑动支撑于休息板的方式
汶川地震前，国内对楼梯间震害问题已进行过研究，并提出了平台板滑动支撑于休息板的方式。

本文结合实际工程中常见的楼梯形式，提出了具体的实现方法：每跑梯板的起步处滑动支撑于楼层或层间休息板处。

如图13～图16所示。

图13 平台板滑动支撑于休息板的平面布置示意图（双跑楼梯）
图14 平台板滑动支撑于休息板的剖面示意图（双跑楼梯）
图15 平台板滑动支撑于休息板的平面示意图（三跑楼梯）
图16 平台板滑动支撑于休息板的滑动节点构造
水平滑动缝处钢筋不贯通。

为减小摩擦，水平缝处可采用聚四氟乙烯板，或采用柔性材料（如聚苯板）。

直接将水平缝设置为施工的冷缝，应也可以基本消除楼梯的影响。

这种方式的优点是彻底消除了楼梯对框架结构的影响，楼梯本身也成为非抗侧力构件，可不考虑抗震要求，在结构抗震计算中也不需考虑其刚度影响。