框架结构中现浇楼梯的抗震性能分析1

刘喜平

（陕西理工学院土建学院，汉中 723001）

前言

2008年的汶川大地震给灾区人民带来了重大的损失，震中区几乎是遭受毁灭性破坏。震后震害调查显示：重灾区钢筋混凝土框架结构的房屋遭受到了不同类型的破坏，如强梁弱柱破坏、填充墙破坏、框架短柱破坏等；另外框架结构还表现出一些新的震害，即无论是在低烈度区还是高烈度区，楼梯破坏均非常严重，主要表现为梯段板折断、梯梁扭断、支撑柱的短柱效应等。我国抗震设防的目标为：“小震不坏、中震可修、大震不倒”。遭遇罕遇地震，建筑物应能够保证“不倒塌”，这一设防目标可以保证建筑物内人员生命安全，使得大震下即使建筑物发生破坏，但建筑物内的人员有逃离建筑物而获生的机会。而楼梯作为地震时唯一的垂直逃生通道和重要的救援通道，保证其在大震下的安全、畅通，是地震中人们自救和被救的重要保证。因此，在保证结构“大震不倒”的前提下，确保逃生通道畅通尤为重要，有必要对楼梯间特别是休息平台与梯板的抗震设计开展专门的研究，进一步提高楼梯作为逃生通道的功能要求。

1 楼梯的研究现状及新旧版规范中常用的设计方法（建筑结构抗震规范：GB50011-2001，GB50011-2010）

楼梯作为建筑物中主要的垂直交通设施之一，有板式和梁式之分。现浇板式楼梯是当前最常见的楼梯形式，主要由梯段板、平台板、平台梁、梯梁、梯柱组成。梯段板承受该梯段的全部荷载，并将荷载传至两端的平台梁上。梁式楼梯的梯段荷载由踏步板承受，并传给楼梯斜梁，再由斜梁传至两端的平台梁上。汶川地震前，工程中楼梯的设计常采用以下方法：对楼梯进行简化处理，不考虑水平的地震作用，将梯段板或斜梁看作一个仅承受作用在其上竖向荷载的受弯构件，也不考虑参与结构整体受力，仅以竖向荷载作用下计算而得的内力来进行配筋设计。也就是说在设计中，不考虑水平地震荷载对楼梯的作用，也不考虑楼梯对结构抗侧刚度的影响。因此，依据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）设计的梯段梁或梯段板是一个纯粹的受弯构件，而实际上在水平地震作用下，梯段板（梁）这个斜向受力构件与框架主体结构相连，变成了压弯或拉弯构件。楼梯和整体结构是不可分割的两个部分，在荷载作用下二者相互作用，彼此影响，设计中孤立地看待楼梯受力和设计的方法是不合理的，汶川地震中大量楼梯的震害充分证明了这一点。

清华大学的王奇等（王奇等，2002）通过计算，讨论了钢筋混凝土现浇楼梯对框架、框剪和剪力墙三种结构的影响，研究表明：从考虑楼梯作用对整体结构的自振周期、刚度分布及构件内力的影响程度来看，框架结构受影响最大，框剪结构次之，剪力墙结构受影响程度最小。2008年汶川地震中，大量的房屋震害调查结果统计显示，框架结构、框剪结构和砖混结构中钢筋混凝土现浇楼梯在地震中均有大量破坏，尤其以框架结构的楼梯破坏最为严重，且大量楼梯先于框架主体破坏。这一震害现状与理论研究结论的一致性充分说明：楼梯构件在地震中是参与整体结构工作的，规范中不考虑地震作用而设计楼梯的做法是不正确的，尤其是不能忽视框架结构中楼梯在地震中的受力状况。

2 楼梯在抗震中的受力分析

楼梯两个方向的梯段板和休息平台实际上组成了一个“K”形的斜撑，它通过平台梁、楼板、构造柱等与整体结构连接在一起，使得框架结构整体抗侧刚度增大，自振周期减小，进而也使整个结构上的水平地震力增大。在地震作用下，由于楼梯的抗侧刚度大于框架抗侧刚度，所以在地震力的弹性阶段，楼梯构件变成了抗震的第一道防线，吸收了大部分地震能量；当进入弹塑性阶段后，楼梯先于框架主体破坏，刚度大大衰减，而此时框架才变成抗震主力构件，逐渐承担起更多的地震力。在地震中，楼梯参与整体结构抗震工作，充当了结构抗震的第一道防线，分担了一部分的水平地震力，延缓了主体结构的破坏，这是楼梯对主体结构的贡献。在一定程度上，我们说楼梯的存在增强了结构的耗能能力，提高了整体结构的延性。然而，从另一方面看，正是由于楼梯充当了框架结构中第一道抗震防线的角色，使得本应该是作为“安全岛”（王亚勇，2008）的楼梯，却成为了很多人的“坟墓”。汶川地震震害调查发现，地震中很多楼梯间倒塌破坏，不仅埋入、砸伤了很多人，而且堵塞了疏散通道，耽误了逃生人员和救援人员的宝贵时间，造成惨重损失。因此，在抗震设计中既要保证大震下结构不能倒塌，同时还要保证作为逃生和救援出入口的楼梯间的绝对安全，这才是我们工程设计的目标。

3 框架结构中楼梯震害分析（沈靓，2010）

3.1 梯段板破坏分析

汶川地震中框架结构楼梯梯段板破坏主要表现为：梯段板在一个梯度常出现一道或多道裂缝，位置在距离两端支座约L/4跨处和跨中处，水平裂缝处混凝土被压碎，钢筋被拉断或压曲，梯板甚至断裂。产生以上震害的原因是：结构在抵御地震作用的过程中，楼梯的上下梯段板与框架楼板相连，根据楼板的刚性假定，地震力的传递在此处并不间断；同时休息平台梁和梯柱使休息平台与框架主体结构相连接，保证了水平荷载传递过程中楼梯上附加的竖向荷载的平衡，整个楼梯实质上形成了一个空间的“K”形支撑体系。但依据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）设计的楼梯，梯段板被简化为仅受竖向荷载作用，而不承受水平地震力的独立受弯构件，而实际结构中，梯段板在地震力作用下是一个拉弯或压弯构件，所以依据受弯标准而设计的梯板当受到拉力作用时板将严重开裂，在压力作用下钢筋将被压曲，导致裂缝截面附近混凝土迸裂脱落；如果梯段板配筋中使用了冷加工钢筋作为受力筋，那么在拉弯作用下将导致板的断裂。另外在施工中梯段板的负筋在跨度的1/4—1/3处被切断，负筋的切断造成了梯板受拉刚度的突变，所以受力中梯段板的断裂处刚好是负筋的截断点处。

3.2 楼梯间框架角柱的破坏分析

楼梯间角柱的破坏主要表现为角柱跨中部位发生剪切破坏，钢筋屈曲，混凝土压碎。产生此类震害的原因是：板式楼梯通过平台梁和平台板与框架柱相连，休息平台的存在使得楼梯间角柱在平台位置增加了一个约束，框架角柱净高变成了其他位置处框架柱的一半，在地震力作用下柱子由于平台板的约束由原来的长柱变成了刚度较大的短柱，承受到其它框架柱数倍的地震剪力，导致发生常见的短柱破坏。

3.3 楼梯间梯柱的破坏分析

楼梯梯柱即所谓的根据需要和抗震要求而设置的构造柱，截面较小，一般取为200mm×200mm或 240mm×240mm。大震中大量出现梯柱柱头破损，混凝土酥碎的现象，主要破坏的原因可能是：一方面梯柱截面较小，未考虑实际地震作用产生的弯矩和剪力，仅按构造要求配筋；另一方面节点核心区承受较复杂的弯剪复合受力，但节点处钢筋较为密集，混凝土浇筑难以密实，施工质量较差，强度较低。

3.4 楼梯平台梁、平台板的破坏分析

平台梯梁的震害主要出现在梁端及上下梯板相交处，而平台板震害主要表现为剪切裂缝。平台板中的剪切裂缝有两种表现：一种是平台梁处出现的剪切裂缝进一步发展成为了上下梯板相交处的平台板剪切裂缝；另一种是沿梯梁边缘产生的平台板受拉裂缝。震害严重的钢筋暴露，混凝土保护层脱落。产生该震害的主要原因为：在反复水平地震作用下，楼梯构件在框架中起了“K”形支撑的作用，作为水平支撑构件的中间层休息平台耗散了部分地震能量；而不在同一平面内的楼梯上下梯段板反复推拉，平台粱、板承受空间的弯矩、剪力和扭矩的复合作用，受力状态极为复杂，常致使平台梁在跨中发生剪扭破坏，两端节点出现塑性铰，混凝土酥碎，钢筋笼扭曲变形，平台梁跨中裂缝向平台板延伸。

3.5 楼梯梯段板施工缝处的破坏分析

根据施工缝留置的原则，一般施工缝留在构件受力较小且便于施工的部位。工程上楼梯梯段板的施工缝常留置在梯段板的1/3跨处，也有的留在楼梯踏步的上三步或下三步的位置。大震下梯段板施工缝处发生明显破坏，混凝土保护层脱落，钢筋屈曲，严重的发生断裂。产生此类震害的原因是：因施工工艺问题，缝中常存在一些残渣，导致新浇筑的混凝土和原有混凝土结台面处强度极差，在地震作用下尤其是竖向地震作用下易产生上下错动而使梯段板发生剪断破坏。

4 小结和设计建议

汶川地震震害资料是我们的同胞用生命和巨大的经济损失换来的，十分珍贵。震后的每一类破坏都应被结构人员所重视。汶川地震中大量框架结构楼梯的严重破坏，充分反映出《建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）》（中华人民共和国国家标准，2001）中关于楼梯的设计方法和构造措施等存在着严重的不足，结构人员应针对楼梯的震害状况，进一步完善楼梯设计的方法，并加强构造等措施，使楼梯在面对大震时真正发挥“安全岛”的作用。引起楼梯在地震中发生破坏的原因很多，下面给出几点建议，以供在楼梯设计和施工中借鉴。

（1）从概念设计的角度出发，框架结构中的楼梯应尽量避免布置在建筑的拐角端边处，宜布置在框架的第二跨。

（2）当楼梯的平面布置接近对称且位于整体刚度有利的位置时，应在设计中准确分析楼梯系统在地震力作用下的受力状况，并根据分析结果加大构件截面和配筋，充分发挥梯段板的斜撑作用（尹保江等，2008）。

（3）当楼梯的平面位置受限，可能给整体结构的刚度分布带来不利影响时，在设计时应弱化楼梯系统与主体结构的连接，使其在水平地震作用下成为相对独立的自由体系，可采用的措施有：切断平台板与框架柱的联系，在框架梁上另设两个梯柱支撑平台板，减少楼梯平台对框架柱的影响；或在梯段板与平台板或楼板连接处采用构造措施，设置类似于滑动支承的连接形式，使梯段板在水平地震作用下只发生相对水平滑移，不产生拉压等变形，削弱楼梯参与整体侧向受力（任彧，2009）。

（4）梯段板的施工缝不宜留置在梯段板跨中位置，应尽量留在平台板或平台梁内，且严格控制施工质量，避免隐患发生。

（5）确保地震中钢筋延性的发挥，建议不要在楼梯梯段板中使用冷加工钢筋。

（6）填充墙的存在有利于楼梯间抗震性能的提高，可减轻楼梯构件的破坏程度。因此应加强楼梯间填充墙的抗震设计，以及采取必要的抗震构造措施，提高其抗震性能。

（7）加强楼梯间的概念设计，重视《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）中楼梯设计中的构造措施（苏启旺等，2008），如：箍筋应沿“框架短柱”全高加密，梯段板上部的负筋应拉通，形成双层双向钢筋配置，楼梯休息平台处伸出墙外的雨棚等下部必须有柱支撑等。

任彧，2009．楼梯系统对于框架抗震性能的影响．福建建筑，129（3）：42—44．

沈靓，2010．汶川地震中建筑物典型震害分析与数值计算．合肥：合肥工业大学土木与水利工程学院．

苏启旺，蔡宏儒，李力等，2008．从“汶川大地震”引发对板式楼梯设计的思考．四川建筑科学研究，34（4）：165—167．

王奇，马宝民，2002．钢筋混凝土现浇楼梯对整体结构的影响. 建筑结构，32（4）：27—29．

王亚勇，2008．汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计．建筑结构学报，29（4）：20—25．

尹保江，黄世敏，程绍革等，2008．汶川地震中建筑楼梯震害原因分析．见：汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告．北京：280—284.

中华人民共和国国家标准，2001．建筑抗震设计规范（GB 50011-2001)．北京：中国建筑工业出版社.中华人民共和国国家标准，2010．建筑抗震设计规范（GB 50011-2010)．北京：中国建筑工业出版社.