谈楼梯在结构设计中的问题探讨

2017-06-22刘兆莹王海涛

中华建设科技 2017年5期

刘兆莹++王海涛

【摘要】楼梯作为建筑物中层间垂直交通用的构件，在建筑使用功能上有极大的用途。工程设计中就出现设计者为加强楼梯的安全储备或者在计算楼梯梯板的挠度时对梯板加厚的情况，表面是看是增加了楼梯的抗力，本质上却忽略了结构概念设计的基本思路。因此，本人通过举例计算分析，楼梯结构设计建议采用设置滑动支座来消除其对整个结构体系的不利作用，梯板挠度计算时应考虑踏步的有利影响，仅供同行结构设计人员探讨。

【关键词】建筑楼梯；抗弯刚度；概念设计

Application of beam end restraint in structural design

Liu Zhao-ying，Wang Hai-tao

（Henan Province in the latitude and mapping planning information Engineering LimitedJiaozuoHenan454000）

【Abstract】As a component of vertical traffic between buildings， the stairs have great use in the function of the building. Designers in order to strengthen the safety stairs or in the reserves of the slab deflection calculation of stair slab thickening appeared in the engineering design， the surface is increased stairs resistance， essentially ignoring the basic ideas of structural conceptual design. Therefore， through the example of calculation and analysis， the design of the structure of the stairs suggested the use of sliding bearings to eliminate its adverse effects on the entire structure of the system， only for peer structural designers to explore.

【Key words】Building stairs；Flexural rigidity；Conceptual design

樓梯是重要的紧急逃生竖向通道，楼梯（尤其是梯板）的破坏会延误人员撤离及救援工作，从而引起更加严重的伤亡。近年来，尤其在2008年汶川地震发生以后，工程师们更加强调楼梯设计在结构设计中的重要性，特别是在抗震设计中，楼梯的布置是否会对整个结构体系产生不利影响，规范[1][2]明确要求楼梯应有足够的抗倒塌能力并应作为结构构件进行设计，楼梯梁、柱的抗震等级应与结构本身的抗震等级相同。

在以上背景下，工程设计中就出现设计者为加强楼梯的安全储备或者在计算楼梯梯板的挠度时对梯板加厚的情况，表面是看是增加了楼梯的抗力，本质上却忽略了结构概念设计的基本思路：梯板厚度加大，楼梯的刚度就急剧增大（I=bh3/12），在地震作用下会承受更大的地震作用，楼梯对整个主体结构的斜撑作用也就更加明显，从而影响结构的规则性，抗震性能反而更差，框架结构中上述作用更加突出。结构图集[3]对楼梯的类型进行了详细区分，规定了楼梯设计是否参与结构整体抗震计算，对设有滑动支座的梯板，减轻了楼梯对主体结构的影响，能够有效避免地震作用下梯板被拉断情况的出现。在建立计算模型时可不考虑楼梯间布置对主体结构的影响，将楼梯定义为零板厚而承受竖向荷载的板类构件，同时楼梯各类构件的设计还需要满足与主体结构相同抗震等级的抗震措施，该处理方法简单明确满足工程设计的需要而又与楼梯的实际受力情况相符。而对于剪力墙等其他结构鉴于规范[2]的依据，可以不采用设置滑动支座，因为此类结构楼梯间周围一般设有刚度足够大的剪力墙，楼梯构件对整个主体结构的刚度影响小，可以不参与结构整体抗震计算。

挠度计算也是结构设计中的一项基本工作，其基本目标是满足结构的正常使用极限状态。楼梯梯板作为结构基本构件也应进行挠度、裂缝等正常使用极限状态下的验算。规范[4]规定，当构件的计算跨度小于7米时，其挠度限制为L0/200.在楼梯梯板设计过程中，在不考虑踏步情况下，当梯板厚度取为L0/30时，梯板挠度很难满足规范[4]要求，而在工程实践中梯板挠度的实测值比计算值要小的多。梯板加厚的做法除了前面分析的弊端外还会引起材料的浪费和造价的提高，使梯板显得厚而笨重。笔者建议合理选用梯板计算模型，梯板与平台梁整浇，平台梁另一侧为平台板，从梯板端部的配筋构造可以看出，梯板端部非简支端，而按简支板假定的梯板计算挠度比实际值偏大。因此可以考虑楼梯梁对梯板的嵌固作用，设计中取梯板跨中计算弯矩系数为1/10～1/12.此外计算准永久组合下的梯板挠度时，依据规范[5]活荷载参与组合的准永久值系数为0.4（多层住宅）或0.3（其他）.

另一方面，楼梯的踏步为现浇混凝土，研究[6]表明三角形踏步对梯板的抗弯刚度和变形有较大的影响，计算楼梯梯板挠度时，考虑踏步的有利影响与工程实际比较吻合。如果把踏步折算为梯板厚度，经学者研究[6][7]得出以下结论：

t2= 1+ 1+et12·t1

其基本计算模型为图1。

现对工程实例中的楼梯计算参数代入以上公式计算得出下面的数据（见表1）：

从计算表格可以得出结论：踏步对梯板刚度的影响由踏步高度e和梯板厚度t1决定，其中梯板厚度起主要作用；普通楼梯踏步对梯板抗弯刚度的贡献约可以放大1.6～2.0倍；梯板厚度越大，踏步对梯板抗弯刚度的影响越小。

以上结论的得出是将锯齿形踏步按刚度等效原则转换为等截面板，采用的是弹性理论分析方法，实际在荷载作用下踏步凹角处存在应力集中现象，表格中计算的刚度影响系数应乘适当的折减系数，根据笔者在实际工程设计中的经验，建议该折减系数可取0.65～0.75.

此外在计算梯板挠度时，楼梯间各结构构件和非结构构件之间的相互空间作用，填充墙的支撑作用，楼梯踏步上的面层作用以及梯板的预先起拱等对梯板的刚度和挠度计算值均存在有利影响，如对这种有利影响进行适当考虑，将会使板式楼梯的梯板设计更加经济合理，也比较容易满足规范[4]的要求。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.

[3]《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》16G101-2.

[4]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010.