地震作用下楼梯破坏机制研究

2013-07-16张晏文

山西建筑 2013年5期

李铭孙冲张晏文

(1.濮阳职业技术学院建筑工程系，河南濮阳 457000;2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，四川成都 610021;3.烟台金建冶金科技有限公司，山东烟台 264670)

0 引言

当发生火灾、海啸、泥石流、地震等自然灾害时，楼梯作为建筑结构的唯一的逃生之道，其安全隐患应引起重视。2008年汶川大地震(8.0级)以及2010年的玉树地震(7.1级)震害表明，楼梯间在地震中破坏较为严重，致使许多人逃生受阻而死亡，并加速了楼梯间的倒塌。因此，研究楼梯在地震作用下的破坏机制并提出相应的解决办法是摆在当前抗震专家面前的首要任务，作为一名行业学习者，对解决此问题应深刻思考。

本文根据震害调查及GB 50011-2010建筑抗震设计规范［1］的设计要求，对楼梯在地震作用下的破坏机制进行理论分析，并根据实践经验，对今后建筑物楼梯的设计提出了自己的建议，避免今后大量无辜人员的伤亡。

1 地震作用下楼梯的破坏形态及原因分析

本文通过震害调查分析，发现楼梯在地震作用下的破坏形态主要有梯板的剪拉破坏、梯柱的剪切破坏以及梯梁的扭转破坏，另外还有一些次生原因引起楼梯的破坏，如房屋整体倒塌引起楼梯的破坏、墙体的倒塌导致楼梯发生不同程度的破坏或阻塞。下面将对其原因进行逐一分析。

1.1 梯板的剪拉破坏

梯板作为支撑行人安全行走的载体，在地震作用下，梯板受力极为复杂，不光受到水平地震力的作用，同时受竖向地震作用的影响也较大［2］。水平地震作用使得梯板产生明显的剪力和扭矩，竖向地震作用下使得梯板在梁端支座处产生较大的地震剪力和拉力以及梯板跨中产生明显的弯矩;同时，刚性楼板的楼梯间的突然开洞，使得地震剪力的传递突然间断，而此时作为水平支撑的K形梯板分担了刚性楼板传来的大量地震剪力。综合以上受力分析，地震作用下，梯板在距离其支座(平台梁)1/5～1/4长度处产生明显的剪拉破坏(如图1所示);另外，支座处负弯矩钢筋伸入到梯板的长度为梯板跨度的1/4，当梯板在地震作用下产生弯矩或者拉力时，梯板中支座负弯矩钢筋的末端处抗拉刚度发生突变，使得此处的梯板处于受拉应力集中状态，导致梯板发生受拉破坏;再者，由于功能需求，上下两层楼梯的固有频率可能大不相同，这样会使得上下两层楼梯在水平地震作用下产生水平位移差，导致梯板发生剪切破坏［3］。

1.2 梯柱(短柱)的剪切破坏

两跑楼梯是当今建筑楼梯设计的主流，休息平台的设置将层高一分为二，平台梁支撑的梯柱也设计成为了具有较大抗侧刚度的短柱，根据力的按刚度分配原则，在水平地震作用下，梯柱分担到更大的地震剪力，导致梯柱发生延性较小的剪切破坏(如图2所示)，从而导致楼梯进一步破坏。

图1 梯板破坏示意图

1.3 梯梁的扭转破坏

梯梁作为支撑梯板的构件，其作用类似于雨篷梁的作用，属于典型的受扭构件。在受力过程中，梯梁的一侧需要承受梯板传来的竖向荷载和弯矩，而另一侧由于受到休息平台板的约束而产生明显的扭转(如图3所示);另外，在竖向地震作用下，梯梁作为两跑楼梯的连系梁，在两梯板交界处，由于竖向剪力作用使得梯梁在此处产生剪切破坏(如图4所示)。

1.4 墙体的破坏

这两次地震过程中，均出现了由于墙体的倒塌导致楼梯发生破坏或者导致逃生路线的阻塞，尤其是建筑物两端的楼梯，在地震作用下，受力较为复杂，容易出现山墙外闪或倒塌的现象(如图5所示)，这就要求在今后设计过程中，尽量将楼梯设置在受力较小的建筑物中部，建筑物两端的防火楼梯可以混凝土框架形式或者钢框架形式建立，不再添加填充墙。

图2 梯柱剪切破坏

图3 梯梁的扭转破坏

图4 梯梁的剪切破坏

图5 墙体的倒塌

1.5 整体结构破坏导致楼梯的破坏

震害调查表明，部分建筑物由于关键受力构件(梁、柱)以及节点发生承载力破坏，导致整体结构发生倒塌，造成楼梯的整体性破坏(如图6所示)。

图6 楼梯整体破坏

2 楼梯设计建议

之前的建筑结构设计中，楼梯仅作为非结构构件单独设计，并未考虑其抗震设计要求，从而导致地震作用下楼梯过早地发生破坏，危及建筑物整体结构的安全。因此，针对楼梯在汶川地震和玉树地震中发生的灾难性的破坏，我国《建筑抗震设计规范》已经新增条款:结构计算中应考虑楼梯构件的影响，并新增加了砌体结构楼梯间的加强构造措施［4］。本文主要根据设计经验及理论分析，根据楼梯地震作用下的破坏形态，提出了楼梯设计的几点建议，供设计人员参考:

1)为了避免梯板在地震过程中过早的发生剪拉破坏，建议将梯板支座处的负弯矩钢筋沿梯板贯通布置(如图7所示)，以避免梯板抗拉刚度的突变现象，同时，也提高了梯板的抗弯性能。