建筑结构设计建模中考虑楼梯的一些观点

建筑结构设计建模中考虑楼梯的一些观点（整理自网上）

用一个三层框架结构教学楼的midas模型，分析了建立楼梯构件(楼梯板、楼梯柱、休息平台板等)的结构

和不建楼梯构件的结构，用反应谱法计算了两者的结果。发现其差异远远超出我原先的想象！

下面是一些主要结论：

1、考虑楼梯参与结构整体受力后，结构的自振周期减小，振型改变，第1阶振型转变为扭转振型，而原先不考虑楼梯时第1阶振型为平动振型。

2、由于楼梯板在水平力作用下具有“斜撑”的受力状态，在水平地震作用下，将产生较大轴向拉压力(达

到200kN以上)；楼梯板由原先我们只考虑竖向力时的受弯构件，转变为“压弯、拉弯”构件，受力状态复杂化。

3、考虑楼梯间后，楼梯间处的水平抗侧刚度较大，结构整体的水平抗侧刚度分布将不均匀，主要集中在楼梯间处。故在水平地震作用下，楼梯间的柱分配到的水平剪力较其它处明显偏大。特别是休息平台下的楼梯梁和楼梯柱，其受力非常不利。

4、此外，从结构上说，由于楼梯间的上下楼梯板（上下直行双跑楼梯为例）沿中心线并不对称，从而造成原先对称的结构考虑了楼梯的作用后，在水平地震作用下的内力分布不对称！

得到的初步结论主要是这些。发现考虑楼梯对结构整体受力性能后，结构的自振特性、抗侧刚度分布、楼梯构件的受力状态发生惊人的变化。汶川地震中，楼梯的震害照片似乎说明了这些问题。我觉得造成这个问题的根本原因就是楼梯板的“斜撑”受力状态，加强了楼梯处的局部抗侧刚度，类似于在框架结构柱间

打上了交叉支撑。

2008修订版《建筑抗震设计规范》，结构分析一节中3.6.6条增加了楼梯的计算要求：“计算中应考虑楼梯构件的影响”。（注意：用“应”，而不用“宜”）

条文说明中指出楼梯板构件有斜撑的受力状态，对结构的整体刚度有较明显的影响。

规范的变更，说明已经有学者注意到这个问题了。

三层框架结构教学楼，现浇楼板。考虑楼梯和不考虑楼梯进行结构计算。楼梯板用板单元，楼梯梁用梁单元建模

考虑楼梯时的结构第1阶振型，以扭转为主。

不考虑楼梯作用时结构的第1阶振型，以横向平动为主。

水平地震作用下结构底层柱的剪力。采用振型分解反应谱法计算，按7度(0.1g)多遇地震水准。

楼梯间处，柱分配到的剪力明显较其它地方偏大。

楼梯板在水平地震作用下的轴力：

沿板宽方向分布不均匀，两边大，中间小；板的总轴力惊人！轴力向拉压力达到200kN以上（这还仅仅是在“小震”水准下进行的计算）。

楼梯构件在水平地震作用下的竖向位移uz：

楼梯梁、楼梯柱在水平地震作用下的弯矩：

节点处内力集中！

1. 楼梯参与整体计算影响最敏感的就是框架,砌体等抗震较弱的结构,而将楼梯作为一个梯筒形式的框架剪力墙和剪力墙结构,其影响则相应就小一些,筒体结构由于楼梯一般在大筒内部,其影响就更小,一般忽略是可以的.建议bjdtm2001将楼板采用弹性2D单元模拟,以更真实的考察楼梯对框架结构的影响.

2. 对楼梯敏感的结构体系,应将楼梯单元作为一个子结构体系的概念加以分析和设计,以突出其"安全岛"的意义.

1、框架结构本身抗侧刚度就较“柔”，考虑楼梯斜撑作用后，就好像加入了横向支撑，所以对结构刚度的影响较大，这比较好理解。

2、砌体结构的楼梯一般都是钢筋砼现浇的，楼梯梁直接承重在砖墙上；当遭遇强烈地震时，楼梯间分配到的地震力又比较大，在复杂内力状态下，这部分墙体很容易出现局部脆性破坏，从而导致楼梯梁从墙体内脱开，楼梯板塌落造成楼板逐层倒塌。

3、剪力墙结构和筒体结构的主要抗侧构件为剪力墙和筒体墙，这些构件本身的抗侧刚度就很大，而楼梯又常包含在里面；所以这类结构楼梯的影响的确是可以忽略的，这也可以理解。

4、“安全岛”的概念很好啊，我还是第一次接触（果然是高人，表示敬佩)。这是不是说将楼梯间作为安全储备来考虑呢？还是说把这部分完全独立出来？我还不太明白。

我是做结构检测鉴定工作的，经常接触那些使用年限较久的既有建筑，我想请教这么个问题：

对于新建建筑，特别是发达城市，多采用剪力墙结构，由上所述，楼梯效应就比较小，故地震作用影响也比较小。但对于既有的传统结构建筑，特别是70、80年代以前建造的大量多层砖混、多层框架结构、底框结构等(这类结构在中、小城市，乡镇量大面广)，如果地震作用下楼梯效应比较明显的话，那么对地震区这类建筑应该怎么处理？应该如何加固？如果是采用通常加固方法(增大截面、碳纤维布加固等)的话，加固后这部分的刚度加大，反而又增加了这部分分配到的地震力，反而事与愿违。不知对这类既有建筑的抗震问题该如何处理？毕竟这类建筑现阶段的数量还是相当庞大。我现在设想是不是可以尝试把楼梯间从原结构中“脱离”出来，但还想到如何实现？是不是有更好的办法？

此外，楼梯板用2D膜单元，是不是只考虑楼梯板在平面内的受力呢？

从地震逃生角度讲，楼梯的作为逃生的唯一通道，非常重要性，否则垮塌后人们本能要往外跑却逃不出去了，这将对人民生命造成危险啊。

如果单纯从结构概念角度讲，你说的楼梯先破坏以保存主体结构不倒塌是有一定道理；但是，我们设计楼房总是要给人住的，要考虑人的使用性和安全性的；如果仅仅从结构角度讲，牺牲楼梯保住主体结构似乎可行，但是，在大震中，如果楼梯先垮塌了，人们如何逃生？结构设计必须和建筑使用，人的安全性使用性结合起来考虑才行，我觉得是这样。

所以我觉得楼梯构件其抗震等级有必要在原结构的基础上提高一级考虑。

此外，我做的是多遇地震作用下的弹性分析。原因是这样的：抗震规范规定的抗震两阶段设计：在多遇地震水准下进行结构弹性分析，将地震作用计入荷载组合进行验算；在罕遇烈度水准进行结构弹塑性验算。

把模型修改了，将梯梁和主梁连接处的梁端约束释放掉；另外，考虑到楼梯板是按两端铰接板设计的，所以也把楼梯板的板端弯矩约束也释放了，这样楼梯可能会柔些，会接近实际情况些。

经计算，好像结果变化不大。结构的第1振型还是以扭转为主，具体还没做更细致的比较。由于工作比较忙，没时间考虑的很细，我把修改后的模型发给大家，欢迎大家讨论，指出问题。