框架结构中楼梯的抗震设计

Advanced Materials Research Vols. 368-373 (2012) pp
865-868
Online available since 2011/Oct/24 at
?(2012) Trans Tech Publications, Switzerland
doi:10.4028//AMR.368-373.865
框架结构中楼梯的抗震设计
张鹏程1, a，秦源1, b
中国厦门邮编（361005）厦门大学建筑与土木工程学院
邮箱a zpcchina@, b yuanqinforever0311@
关键词：楼梯结构，抗震设计，刚性楼梯，柔性楼梯
摘要
楼梯作为多层或高层建筑中必不可少的垂直运输设施，是非常重要的。

在08年512汶川地震中，很多楼梯（特别是近几年新建的多层框架结构中的楼梯）都遭遇严重损坏，因为在设计中出现了通病。

在多层框架中楼梯构件作为k形支撑提高了框架的刚度，显著的影响了框架的变形，引起楼梯受拉或受压，但是楼梯这种k形支撑的影响在设计中都被忽略了。

本文分析了楼梯及其震害，提出了在多层框架结构中，楼梯的可设计为刚性或柔性的解决方案。

为了改善楼梯的结构和整个建筑的功能，可以用本文建议的方法来修改已有的楼梯结构，也可以用来设计新框架建筑的楼梯结构。

介绍
当遭遇地震或火灾的时候，楼梯的破坏可能会延迟人员的疏散和救援工作[1]，中国5.12汶川地震后破坏调查显示高层混凝土框架结构中的楼梯破坏严重，然而主要结构只有小小的损坏。

[2]多层钢筋混凝土框架结构的楼梯破坏都表现出一种普遍的模式。

这表明了一些设计院框架结构的楼梯设计方法或者步骤的正确性还有待考究，特别是在现浇板式楼梯中。

楼梯结构主要由梯段板、平台板、平台梁和柱子或墙组成，上下层楼板用梯段板来连接，在半层高度的位置使用平台板。

在框架中，楼梯结构是一个重要的倾斜构件，它连接着层与层之间的楼板，与梯柱和梯梁一起简单的形成框架的一个支撑[3]。

很不幸的是，这几年这种支撑影响一直被工程师忽略，因为在框架的分析中很难考虑这种支撑影响。

如果把框架结构中斜板作为一个整体，那它就是以斜撑的形式工作的，增加了楼梯横向的抗弯刚度，因为比没有支撑的平行四边形框架刚度大，所以楼梯承受的水平力也更大，如果设计的承载能力不足，那么楼梯就会很容易的首先破坏[4]。

当地震发生时由于框架的弯曲变形，斜板作为一个支撑承受拉力或者压力。

如果斜板仅仅被当做一个垂直的弯曲构件，通常在板的边缘只有单边配钢筋，当拉力达到混凝土的抗拉强度时，混凝土退出工作，抗拉钢筋承受所有的拉力，短的加强钢筋可能会给楼梯板带来横向的裂缝，接着板马上失去抗剪能力而破坏，如图1所展示的。

只有斜板完全破坏之后，主要框架的破坏才与没有考虑楼梯的仿真模型的原始假设相一致。

但是几年来很多的项目工程都是这样的一个破坏模式，成千上万的多层混凝土框架建筑都存在这样的隐患
图1: 框架结构中楼梯梯段板受拉破坏
对框架中楼梯支撑的影响进行模拟仿真
为了模拟楼梯结构对框架地震响应的影响，本文展示了两个项目模型，并进行对比试验，一个有考虑楼梯一个没有。

结构模型都是5层的钢筋混凝土框架，它们具有相同的尺寸，相同的材料，相同的荷载条件，运行相同的地震加速度
对总体横向抗弯刚度的影响
当考虑楼梯支撑的时候，整体结构刚度增加了15% ~ 17%，楼梯和它的构件对框架的刚度产生了显著的影响。

楼梯的平面位置也影响着结构刚度中心的位置，因此质心与刚度中心的偏心给不对称结构带来了附加的扭矩，楼梯井抗弯刚度越大，对地震的整体响应增大越多。

楼梯的存在增加了框架结构的刚度，降低了结构的自振周期和侧向位移，因此使大部分构件的内力显著的增加，如表1多显示的
表1：三个自由度方向的第一自振周期的对比对层间位移的影响
表2表明，对比没有考虑楼梯的结构，沿楼梯进深方向的位移明显减小。

表3表明，对比没有楼梯的结构，垂直方向的位移变化不明显
X方向的位移
Y方向的位移
对框架结构性能的影响
对比表明楼梯板在框架中起着支撑的作用，楼梯连接梁和柱，增加了侧向刚度，改变了整体的侧向刚度分布，内力增加了很多
在现有的框架结构中，隐患主要有下面几点
（1）楼梯通常布置在半层高度的位置，如果梯梁现浇，与框架柱固接，会使框架柱的刚度放大，从地震反应中吸收的剪力增大，楼梯会很容易遭到破坏，进而导致整个框架的失效
(2)作为一个k形支撑，现浇楼梯梯段板连接两层楼板，楼梯成为框架的支撑，抗弯刚度远远大于没有支撑的框架。

当地震发生时，楼梯支撑首先承受大量的地震剪力，使楼梯框架柱轴向力远远超出设计值，设计成单向受弯构件的梯段板在偏拉或者偏压下破坏。

框架结构的楼梯抗震设计的建议
基于是要消除或者利用k字形支撑的影响，有柔性支撑和刚性支撑两种方法来解决这个问题(1)柔性支撑
柔性方法指的是从主框架结构中分离出楼梯结构，将楼梯结构作为主框架结构的附属子结构，楼梯结构不影响框架主要的侧向弯曲变形，可以基本上消除梯段板引起的支撑影响和梯柱梯梁引起的短柱影响。

一般的，很容易将平台结构从框架柱中分离出，如图2 所示，平台结构可以用四个独立的梯柱支撑，梯柱尺寸较小，支撑在平台板梁上。

这样梯段板就没有影响框架的变形，因此对框架侧向刚度的贡献就较小
(2)刚度方法
刚度方法指的是完全考虑楼梯的刚度，使相关结构构件强度增大到足以承受各种可能的行为，或者甚至增加支撑或者剪力墙来加强梯井。

刚度大的梯井将会承受大部分侧向剪力以确保在地震影响下小变形时楼梯不被破坏，如图3所示。

特别的，为了加强已经存在的框架，增加支撑是一个很好的办法
图2 柔性楼梯图3 刚性楼梯
总结
一般在中国，原始的多层砌体结构中使用的楼梯都是抵抗弯曲变形的，然而现代的框架结构相对比较灵活，盲目复制方法来设计楼梯结构而忽视梯段板的刚度贡献可能会导致钢筋混凝土钢架的严重破坏。

考虑到在多层和高层框架的设计中楼梯构件对变形的重要性影响。

基于是要消除或者利用k行支撑的影响我们提出了柔性方法和刚性方法来解决问题。

参考文献
[1] The seismic analysis and seismic design of stairs. Qingchang Hu.2005.6
[2] Buildings seismic design standard(GB50011-2001).Beijing: China Building Industry Press.2008
[3] The thinking of plate stairs design causing from wenchuan earthquake. Qiwang Su. Sichuan
building scientific research.2008
[4] The influence of short column in staircases on the seismic performance of frame structure.
Guotao Wang. Chengtu: Southwest Jiaotong University. 2008.
土木工程和建筑的创新发展10.4028//AMR.368-373
框架结构中楼梯的抗震设。