钢筋混凝土框架结构楼梯的震害分析及设计建议

李志刚

（新昌县规划建筑设计院有限公司，浙江 新昌 312500）

1 背景

当发生地震和火灾时，楼梯是重要的紧急逃生竖向通道。楼梯的破坏会延误人员的撤离及救援工作，从而导致严重伤亡。为了保证楼梯的正常工作，不仅要保证楼梯结构的整体性能，还应避免楼梯受一些非结构部件脱落的堵塞。然而，从汶川地震的震害分析可知，我国现有混凝土结构的楼梯震害较严重，楼梯结构设计尚需改进。

2 汶川楼梯震害

汶川地震造成大量楼梯破坏，其中框架结构的楼梯破坏最为严重，甚至造成楼梯板断裂而使得逃生通道被切断框架结构楼梯震害严重的原因：框架抗侧刚度小，而楼梯板类似斜撑，使楼梯间抗侧刚度大，地震剪力也大；楼梯结构复杂，传力途径也复杂。楼梯震害主要有以下几方面：

1.1 上下梯段板交叉处梯梁和梯梁支座剪扭破坏。当剪扭力很大时，梯梁剪扭破坏会延伸到休息平台板内。如为板式楼梯无梯梁时，则休息平台板在剪扭作用下被撕坏。

1.2 梯板受拉破坏或拉断。在水平地震作用下，斜向梯板具有斜撑受力特点，即受反复拉压力作用，在梯板施工缝薄弱部位和梯板与框架梁相交的不利受力位置易产生拉裂破坏，甚至拉断，失去逃生通道功能。拉力传至休息平台，也会使梯梁与休息平台之间拉裂。

1.3 休息平台处短柱破坏。楼梯休息平台处的框架柱和梯柱的剪跨比通常小于其他部位的框架柱，成为整个结构中的短柱，地震剪力相对较大，容易发生破坏。

3 楼梯震害分析

3.1 楼梯对框架结构的整体影响

以8层两侧有两楼梯间的两单元住宅楼为算例，比较两种情况：有梯梁梯柱和无梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响，有梯梁梯柱时楼梯形成一个更复杂的支撑体系。1、2由表1和表2可以看出，有无梯梁梯柱的楼梯对结构的整体影响不同，但都较大；有梯梁梯柱时，楼梯对框架结构的整体影响更大。

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3.2 楼梯对相连部件的影响（以上述8层框架为例）

仍以上述8层框架为例进行分析。

3.2.1 楼梯对结构角柱的影响：楼梯对多高层结构的底层角柱影响较大，通过计算对比，角柱的轴力增加1.14～2.5倍，柱配筋增加40%左右。

3.2.2 楼梯对梯柱的影响：经研究表明，7度和7度以上时梯柱最大拉力与地震作用的大小有较大的关系。实际工程中7度时梯柱最大拉力也有达到200KN，7度和7度以上时梯柱应按最大拉力配筋。

3.2.3 楼梯对梯梁的影响：在地震作用下，考虑楼梯参与整体结构工作后，梯梁在梯板的拉压力作用下承受了双向剪力，与通常不考虑楼梯参与整体结构工作的计算方法相比，梯梁中剪力值增加近3倍，且剪力分布也发生显著改变。上下梯板交接处的梯梁中部和梯梁支座处均承受很大的剪力，极易发生剪扭破坏。同时在7度和7度以上地区，梯梁剪力和扭矩随地震作用增大而增大，地震引起的剪扭起控制作用。因此，7度和7度以上时梯梁须考虑抗震计算和设计。

3.2.4 楼梯对梯板的影响：在地震作用下，楼梯实际参与了主体结构工作，梯板具有类似斜撑的作用，地震下受到很大的拉压轴力，尤其是底部几层。以通过有限元对梯板的分析可知：梯板的拉、压应力为2.0MPa，远大于楼层楼板的拉、压应力0.3MPa左右的范围，且随着地震作用增加，地震引起的拉应力起控制作用，梯板构造钢筋抵抗不了拉、压应力。因此，7度和7度以上时，梯板须按平均拉应力计算板钢筋，按恒活载计算的钢筋可能不够。

3.2.5 弹塑性分析表明，考虑楼梯参与整体结构受力后，结构的屈服机制为：梯板受拉屈服→梯梁在上下梯板之间位置受剪破坏→梯柱屈服→与楼梯相连的框架柱屈服→框架柱丧失承载能力。而且，楼梯成为整个结构首先破坏的部位，作为逃生通道的楼梯是不允许先行破坏的。因此，有必要采取其他措施，保证楼梯作为逃生通道的安全性。

4 减少地震力作用下楼梯受力的设计建议

由以上考虑楼梯参与整体结构共同工作后的结构抗震分析可知，楼梯和楼梯间框架柱的内力比不考虑楼梯参与整体结构共同工作分析方法所得到的内力显著增大，这一方面使得楼梯的设计难度增大，另一方面楼梯间会成为地震中首先发生破坏的部位。与此同时，框架部分的内力将会比不考虑楼梯参与整体结构共同工作分析方法所得到的内力有所减小，这又会使得框架部分的抗震安全性比以往不考虑楼梯参与整体结构共同工作的设计结果有所降低。为解决这个两难问题，减轻楼梯震害，确保楼梯在地震中安全与通畅，可采用以下两种方法。

4.1 抗的方法。在楼梯间采取增大主体结构侧向刚度的措施，如增加剪力墙，这样可以使得楼梯间的地震力主要由剪力墙承担，使得楼梯构件的受力降低，再采取加强楼梯的构造措施，确保楼梯在地震中的安全和畅通，此时结构模型成为框架－剪力墙结构或少墙框架结构，这也会在整体上增强结构的抗震能力。但此时需注意，楼梯间依然是结构抗震的第一道防线，其破坏后框架部分的地震内力会增大，因此，建议框架部分仍按不考虑楼梯参与整体结构共同工作分析方法所得到的内力进行设计。显然，这样的设计造价会比以往有显著增加。

4.2 放的方法。采取构造措施，断开楼梯与主体结构的连接，使楼梯不参与整体结构受力。这种措施不但能改善楼梯受力状态，还可以减少由楼梯引起的结构不规则和地震反应的不确定性。该方法的具体措施有两种方案，两种方案的上跑梯板在休息平台处均设置隔离滑动层，与休息平台隔离；不同之处在于，休息平台较小时采用悬臂休息平台，休息平台较大时采用双梯柱方案。隔离滑动层处钢筋不连通，为减少摩擦，水平缝处可采用聚四氟乙烯板，或采用柔性材料（如聚苯板）、2层油毡；也可直接将隔离滑动层设置为施工冷缝（但这种做法摩擦力较大）。这种方法可基本消除楼梯参与整体结构的共同工作，使楼梯本身也成为非抗侧力构件，故可不考虑抗震要求，在结构抗震分析计算中也不需考虑其刚度影响，可仍按传统的方法进行楼梯部分的设计。

[1]胡庆昌，孙金墀，郑琪[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

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