结构楼梯间与楼梯的震害分析及设计建议

武俊杰 梁伟杰

当发生地震时,楼梯是重要的逃生通道。但在2008年5月12日的汶川地震中,许许多多的楼梯间不但没有起到挽救生命的作用,反而成了生命的终结地。楼梯的破坏会延误人群的撤离及救援和抢险人员的工作,从而导致严重伤亡。为解决以上问题,结构师必须对楼梯间与楼梯的破坏原因有深刻的理解,本文就针对这些问题进行分析、探讨。

1 震害分析

1.1 楼梯间

1.1.1 砌体结构楼梯间

砌体结构的楼梯间是沿房屋全高的刚性构件,在地震作用下,其破坏主要来自于与其相连接的墙体的破坏。位于这些部位的墙体往往由于受到嵌入墙内楼梯段的削弱,所以其破坏程度一般比其他部位的墙体更严重。楼梯间的本身特点决定了此处有大量墙体的存在,构件集中,因而其水平方向的刚度相对较大,这样,它分配到的水平力也就较大;而且,由于在这里的墙体沿高度方向缺乏强劲的支撑,所以空间的刚度较差;加上顶层休息平台以上的外纵墙常常达一层半高,其稳定性较差。所有这些都是造成楼梯间的震害比其他部位严重的原因,尤其是它的上部结构。

1.1.2 框架结构楼梯间

框架结构的楼梯间墙体是填充墙,由于填充墙具有较大的刚度,并且与框架连接后形成平面内刚度较大的抗侧力构件;同时由于梯段板的斜向支撑作用,会使框架结构的刚度分布不均匀。在刚度较大的楼梯间,框架柱所承受的水平力较大,更易破坏。

1.2 楼梯

楼梯的结构形式主要是板式和梁式楼梯。本文仅就一般常见的板式楼梯作分析。板式楼梯由梯段板、平台板和平台梁组成。图1为唐山地震某约束短柱破坏,图2～图4分别为汶川地震中的平台梁、梯段板及平台板破坏形式。

1.2.1 梯段板

两跑楼梯在1/3～1/4跨梯段板之间,出现一道或两道水平可见裂缝;破坏较严重的情况梯段板水平裂缝加宽,混凝土层剥落,梯段板受力筋弯曲下挠,甚至出现梯段板断裂坍塌的现象。目前大多数梯段板端负筋在1/3～1/4跨截断,造成该部位受力筋的数量减少,成为受拉的薄弱环节;还有部分施工单位在此留设施工缝。混凝土抗拉能力差,在地震作用下,受拉梯段板的拉应力达到混凝土的抗拉强度时,在薄弱部位出现裂缝(一般在梯段板的下部1/3跨度处),混凝土退出抗拉工作,拉力全部由受拉钢筋承担。钢筋数量的减少和受拉钢筋拉应力突变使钢筋很快进入屈服状态,随着裂缝宽度的加大,钢筋逐渐伸长。在反向地震作用下,原来受拉开裂的梯段板混凝土的裂缝逐渐闭合并抵紧,而受拉伸的钢筋在反向压力作用下发生屈曲,导致混凝土保护层剥落。在往复的地震作用下,有的梯段板可能断裂。

1.2.2 平台板和平台梁

在两个梯段板的往复推拉作用下,楼梯的平台梁和平台板由于承受空间的弯矩、剪力和扭矩的综合作用,受力状态非常复杂,往往平台梁在两端和跨中破坏,混凝土酥碎,钢筋笼扭曲变形。与框架柱相连的平台梁内力较大,在地震作用下破坏尤为严重。

1.2.3 框架结构中的短柱

在抗震设计中影响柱子延性的因素主要有剪跨比和轴压比,而剪跨比是影响柱子破坏形态的主要因素。根据剪跨比λ的大小把柱分为长柱、短柱和极短柱,当λ＞2时称为长柱,当1.5≤λ≤2时称为短柱,当λ＜1.5时称为极短柱。短柱的破坏形态多为剪切破坏,极短柱的破坏形态一般为脆性的剪切斜拉破坏,它们破坏时无明显征兆,属于脆性破坏类型。

在框架结构中,支撑楼梯结构的框架柱由于平台梁的约束可能形成短柱,短柱的线刚度较大,且延性较差,在地震作用下,短柱承担的水平力较大,但由于其较差的变形能力,很容易突然发生破坏。严重的会导致框架柱出现被“各个击破”的情况。目前,有些设计师为了避免在楼梯间处形成短柱,在平台靠踏步处设梁,而梁两端设置从楼层框架梁上支承的构造柱,平台板外端不再设梁而梯段板外伸悬挑板。这样虽避免了短柱问题,但在地震作用下可能引起平台板与框架柱之间的碰撞,造成框架柱的破坏,影响结构整体的安全性。

在汶川地震中,框架结构的楼梯破坏较为严重,在此着重分析一下。框架结构较柔,在地震作用下,楼梯段的支撑作用较为明显,破坏情况比框架—剪力墙结构,剪力墙结构和砌体结构的严重。由于框架结构为剪切型结构,自下而上随着层的增加层间位移逐渐减小,层间位移越小楼梯的破坏程度越轻,所以框架结构的楼梯破坏程度随着楼层的增加而逐渐减轻。

2 设计建议

1)在结构设计过程中,遇到比较复杂或重要的结构时,以面单元模拟梯段板,进行精细的结构计算,把面单元的内力作为楼梯设计的外力指标;对于一般结构,把楼梯简化为支撑构件的形式在模型中进行计算,提取支撑构件的内力作为楼梯设计的外力指标。2)楼梯间不宜布设在房屋端部的第一开间或其转角处,不宜凸出。在砌体结构中,不应开设过大的窗洞,以免将楼层圈梁切断。楼梯间的非承重构件一定要有可靠的连接或锚固。3)梯段板应适当加厚,负筋应当拉通,形成双层双向钢筋配置。4)楼梯平台板是传递楼梯支撑作用的重要构件,应采用双面双向配筋。5)平台梁受扭作用明显,应适当加大截面,加强其上、下部纵向钢筋和箍筋。6)在梯段板转角处,应采取构造措施进行局部加强,防止梯段板在此处破坏。7)在地震区,钢筋混凝土框架结构应避免“框架短柱”的形成,形成“框架短柱”时,应确保“框架短柱”的抗剪强度及变形能力,防止框架柱过早发生剪切破坏,箍筋应沿“框架短柱”全高加密(箍筋间距不大于100 mm),或在柱身内配置一定数量的斜向钢筋。

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