浅析钢筋混凝土楼梯的设计

2011-08-15贺志军

科学之友 2011年11期

贺志军，高峰

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频率高、强度大、分布广，是一个震灾严重的国家[1]。考察大量建筑物破坏的实际情况，可以发现：在地震中，破坏了的楼梯切断了人员的逃离通道，导致伤亡惨重。为了减少或避免地震中因楼梯损坏导致的伤亡事故继续发生，对楼梯的慎重设计已刻不容缓。

1 钢筋混凝土楼梯的常规设计方法

1.1 常规设计方法[2]

目前，在大部分结构设计中，在整体内力计算和配筋时，通常对楼梯采用的处理方式为：将楼梯间开洞处理，把楼梯位置的竖向荷载直接传递给楼梯周围的构件——框架梁、框架柱或剪力墙上。

钢筋混凝土楼梯的一般设计步骤为：①依据各种既有条件，确立钢筋混凝土楼梯的合理型式和布置情况；②依照建筑的使用功能和采用附属材料类别，确定钢筋混凝土楼梯的活荷载和恒荷载的标准值；③对钢筋混凝土楼梯的梯段板（踏步板）、梯段斜梁、平台梁和平台板进行内力计算和配筋；④对连接部位进行构造配筋；⑤绘制钢筋混凝土楼梯施工图。

1.2 常规设计方法的不足

钢筋混凝土楼梯的常规设计方法，仍然是单独地进行构件计算和配筋，没有整体考虑各构件之间的相互作用关系，也没有分析研究钢筋混凝土楼梯对结构整体的影响，更没有将地震作用考虑进去。而地震中钢筋混凝土楼梯破坏造成的惨重人员伤亡事故，警示设计人员必须考虑到这些常规设计方法的不足，要求设计人员对钢筋混凝土楼梯作出更科学、更安全的设计。

2 楼梯破坏的特征[3]

2.1 梯段板破坏特征

（1）在板宽方向呈现贯通裂缝，并沿板长方向均匀分布。

（2）在板宽方向断裂，其内纵筋被压弯或拉断，严重时塌落。

（3）在与墙体相连的部位开裂。

（4）在与平台梁相连部位开裂。

（5）产生斜向裂缝。

2.2 平台板破坏特征

（1）上下梯段板相交处的平台板出现裂缝。

（2）沿着平台梁边缘产生的平台板产生裂缝。

（3）在与墙体相连的部位开裂。

（4）板内出现斜向裂缝。

（5）悬挑板式平台板产生的裂缝由内向外逐渐开展并贯通悬挑板。

2.3 平台梁破坏特征

（1）在上下梯板相交处出现裂缝，严重时断裂。

（2）在端部与墙体锚固处出现开裂。

（3）在端部与构造柱节点处破坏。

（4）在剪力墙墙梁相接处断裂。

2.4 梯段斜梁破坏特征

（1）沿踏步板开裂。

（2）在与平台梁相接处开裂，严重时断裂。

2.5 楼梯间其他构件破坏特征

（1）楼梯间有的墙体开裂，有的墙体倒塌。

（2）楼梯间有的构造柱端部破坏，有的扭曲变形严重。

（3）楼梯间的框架柱在与楼梯连接处出现裂缝。

（4）楼梯间底层楼梯起步处矮墙或短柱破坏较严重。

（5）楼梯间的栏杆扶手损坏严重。

（6）楼梯间地砖脱离地面，地震时从高处掉落，到处凌乱。

3 钢筋混凝土楼梯的震害分析与设计建议

3.1 钢筋混凝土楼梯震害分析

因为楼梯间开间小，而且楼梯板具有类似斜撑的作用，所以楼梯间在水平向的相对刚度越大,其分配到的地震作用也就越大。另外，楼梯的破坏特征充分表明其在地震中受到复杂的空间作用。

地震中，层间发生剪切变形，致使梯段受到拉压交替作用，可能引发以下地震破坏：①对预制钢筋混凝土楼梯，因梯段板与平台梁连接不牢，梯段板在受到拉压作用时，很容易导致与平台梁分裂而掉落；②地震中，非常大的竖直向下及水平的剪力作用在平台梁中部，致使平台梁因抗剪不足而发生破坏；③地震产生拉力作用可能引发现浇整体式楼梯梯段板的严重开裂，产生的压力则会使梯段板内的钢筋发生弯曲现象，在存在裂缝的截面位置出现混凝土剥离；④如果梯段板内纵向受力筋在平台梁中锚固长度不够，那么该钢筋在受到地震中的拉力作用时会被拔出，可能致使梯段板严重开裂而坠落，并使平台梁损坏；⑤平台板内底部的纵向钢筋在平台梁内的锚固长度不够足的情况下，也可能会被拉出；⑥在层间发生侧向位移时，折板式钢筋混凝土楼梯的左右两梯段板分别承受拉力和压力，从而致使平台板受到扭转作用，如果楼梯间的布置位置对抵抗这种扭转作用不利时，钢筋混凝土楼梯间墙体将塌陷；⑦在施工中，施工缝常常设置在梯段板的跨中位置，因而跨中处的抗剪薄弱，所以在地震来临时，破坏时有发生；⑧钢筋混凝土楼梯的梯段板的负筋长约是该梯段板跨度的1/3，该钢筋的折断常常会导致梯段板受拉刚度的突变，该处非常容易发生断裂。

平台梁破坏的原因：①楼梯间刚度很大，楼梯间各构件（包括平台梁）吸收了很大的地震作用；②分配了很大地震作用的楼梯段对平台梁产生推力和扭矩作用；③楼梯梁的截面通常相对较小。

楼梯间的墙体在竖直方向没有强有力的侧向支撑体系，因而其空间刚度很差。这些原因造成楼梯间的震害较结构的其他位置更加严重。建筑的倒数第一层楼板和倒数第二层楼板之间的楼梯休息平台以上的外纵墙一般为层高1.5倍，其稳定性很弱，通常很容易在地震中破坏。

地震中，楼梯构件的破坏很易引起楼梯附属物（地砖、栏杆扶手等）的损坏；地砖从高处坠落，砸死逃亡的人的事故时有发生；栏杆扶手的损毁，常常会有人员通行时不慎从高处摔落，导致伤亡。

3.2 钢筋混凝土楼梯设计方面的建议

对于梯段板和平台板的破坏，由于楼梯间楼板开大洞削弱,可以加大平台板和楼梯板厚度，并提高配筋率：采用双层双向配筋，或加配斜向钢筋等措施。平台梁应考虑楼梯段引起的推力和扭矩作用，加大高度和配筋，梯梁箍筋要加密。支承楼梯结构的框架柱由于平台板的约束可能形成短柱，应提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。楼梯各构件相接部位也应该有可靠的构造措施。针对楼梯附属物，应将地砖可靠地与楼梯构件黏结，使其在地震时不会与楼梯构件剥离坠落而砸伤人；将栏杆扶手进行合理设计，使其在地震中减轻或避免损坏而不丧失安全功能。

楼梯间的结构分析应按楼梯间参与整体结构分析与自身局部分析相结合来进行，对楼梯间参加整体分析后，再单独建模进行局部分析，对楼梯间应进行中震弹性验算，按“大震可用，超震不倒”的水准控制。细化楼梯间的抗震构造,逐步研究形成有效的抗震构造做法；在楼梯间设计中引进消能减震技术[4]，在楼梯间的某些位置设置阻尼器。这样，可将楼梯间的变形和震害控制到很低。