浅议框架结构中的板式楼梯设计

2018-10-31王莎

建材世界 2018年5期

关键词：板式楼梯支座

王莎

(中国建材国际工程集团有限公司江苏分公司，南京 210000)

在建筑工程使用过程中，楼梯是重要的竖向交通路线之一。在地震时，它是疏散人群的有效途径，承担着逃生路线的重要作用。然而从震害调查中发现，大部分楼梯间内部是在主体结构破坏前发生破坏，严重影响其作为逃生路线的重要功能。

传统框架结构中的板式楼梯设计，一般仅考虑楼梯构件的荷载传递，没有考虑水平地震作用下楼梯的斜撑作用，但工程设计中出现一些新的板式楼梯构造形式，在一定程度上解决了这个矛盾。

1 板式楼梯受力形式

梯段板：在板面竖向重力荷载作用下，单一的梯段板类似于斜放的梁，属于受弯构件；但把楼梯间作为整体来看时，楼梯梯板在其中形成斜撑，具有压杆的性质[1]。在地震水平力作用下，由于楼梯梯板的斜撑作用，吸收了大量的水平力，而楼梯间为楼板大开洞，抵抗水平承载力的能力较弱，则楼梯梯板也需承担水平剪力。楼梯梯板通常为半个层高，楼梯休息平台与楼面层高处的水平位移存在差值，使得楼梯梯板受拉。综上所述，楼梯梯板受弯、受剪，还受拉、受压。

楼梯平台短柱：对框架结构来说，楼梯休息平台往往通过楼梯短柱，将其竖向荷载传递到框架梁上。在地震水平力作用时，楼梯休息平台与楼面层高处的水平位移差致使楼梯平台短柱受剪。则楼梯平台短柱主要受压、受剪。

休息平台梁：平台梁在楼梯梯板和平台的竖向荷载作用下，主要受弯。但在水平力作用下，因为楼梯梯板的斜撑作用，使得与平台梁相连的两个楼梯梯板相对于平台梁产生扭转，使得平台梁受扭受剪。

与休息平台相连的框架柱：在框架结构楼梯构造中，一般存在楼梯休息平台，休息平台与框架柱相连，使得框架柱成为框架短柱。框架短柱除了受压外，在地震作用下，因其刚度大，则会吸收较大的水平地震力，使其受水平剪力作用。

2 板式楼梯计算与构造

对于常用的板式楼梯，设计计算时一般进行简化处理，楼梯不参与整体结构的内力计算，建模时将楼梯处楼板进行开洞，将楼梯的竖向恒、活荷载折算到框架梁上，而楼梯单独进行竖向荷载作用下的构件计算，并不考虑地震作用影响[2]。

板式楼梯传力途径：踏步荷载→楼梯梯板→平台梁→楼梯短柱→框架梁→框架柱→基础；平台板荷载→平台梁→楼梯短柱→框架梁→框架柱→基础。

2.1 板式楼梯梯板、平台板与平台梁的设计方法

1)楼梯梯板

在进行梯板截面承载力计算时，其截面高度取齿形的最薄处，垂直于斜面。并且为了避免楼梯梯板在支座处产生过大的裂缝，应在板面配置一定数量的钢筋，在垂直受力钢筋方向按构造配置分布钢筋，每个踏步不少于一根，且放置于受力筋内侧。

2)平台板和平台梁

平台板通常支撑在四周的平台梁上，为单向板，一般为构造配筋。因板的支座转动受到约束，故应加强板的支座上部筋配置。

平台梁一般支撑在楼梯短柱上，承担楼梯梯板、平台板传来的荷载以及其自重，按简支梁计算。应注意，其截面尺寸要满足梯段板钢筋的锚固要求。

构件按相应规范进行裂缝控制和挠度验算。

3 板式楼梯常见的破坏形式

现阶段常见的钢筋混凝土板式楼梯，其破坏形式有以下几个方面：

楼梯梯板破坏：楼梯梯板破坏主要表现为梯板断裂。断裂位置一般为：1)在距两端支座1/3处，因钢筋被压曲或拉断，导致梯板断裂垮塌；2)在梯板施工缝位置产生剪切滑移，发生断裂；3)延梯板长度方向产生剪切斜向裂缝，产生破坏[3]。破坏均为垂直于梯板长度方向，因其地震中受到反复拉、压作用，发生破坏；3)破坏表明，除了斜撑作用外，梯板也同时拥有延长度方向，类似于剪力墙的抗侧力作用。

楼梯平台短柱破坏：梯段板与休息平台连接的一端，一般设置楼梯平台短柱支撑，楼梯平台短柱落在框架梁上。在地震中，楼梯平台短柱常常因为:1)柱截面过小，平台梁在柱内的锚固长度未能满足要求；2)未考虑地震时该柱存在的地震弯矩，使得柱强度不够等原因，出现柱身破损、平台梁纵筋被拔出等状况。

与休息平台相连的框架柱的剪切破坏：框架短柱与其他位置框架柱相比，净高约为其他位置的一半，则其刚度远远大于其他，则其分得的地震水平力也就大得多，致使大量的楼梯框架短柱在地震中发生严重的剪切破坏，形成结构抗震薄弱部位。

平台板的破坏：平台板一般按受弯计算，满足日常工作受力状态和安全要求。但在水平地震作用下，楼梯梯板受拉、压，使得上下梯板相交处的休息平台板产生剪切破坏。

平台梁的破坏：休息平台梁的破坏常常发生于梁端及上下梯板相交处。平台梁一般按照受弯计算，但在水平地震力作用下，因楼梯梯板受轴力作用，使平台梁在平面外受弯、剪作用。平台梁宽度尺寸较小，面外抗弯、剪能力较低，则平台梁在震中较容易发生剪扭破坏。

4 楼梯对框架结构抗震性能的影响

根据各类研究表明，楼梯对于框架主体结构抗震性能有不可忽略的影响[4]。研究表明[5]，楼梯的存在显著增大了结构局部的抗侧刚度，使框架结构的自震周期明显减小，加剧了地震作用，尤其表现在地震力与楼梯梯板方向平行时，楼梯斜向梯板在梯板方向起到了支撑作用，在垂直梯板方向起到了剪力墙的作用。

有试验表明，楼梯在弹性阶段对结构的支撑作用较大。但是超过弹性阶段后，楼梯刚度衰减的速度快于框架主体结构，又由于层剪力是按刚度分配的，则层剪力在楼梯与框架主体结构之间的分配比例是变化的。

5 楼梯在抗震设计中的思路

各试验和震害分析表明,现浇板式楼梯对于框架主体结构的抗震性能有着不可忽视的影响，《建筑抗震设计规范》中也明确指出应考虑楼梯构件的影响[6]。基于此，对于楼梯的结构设计，有两种基本设计思路：

1)仍考虑楼梯参与整体分析。原先结构设计中，没有考虑到楼梯在地震工况下产生的斜撑作用，因而造成楼梯在地震中的损毁。现在均认为楼梯的斜撑作用不可忽视，则应适当加强楼梯间构件的强度和刚度，使得楼梯间在地震时能后于其它部位构件被损坏。目前最常用的楼梯设计思路一般包括：对楼梯短柱箍筋全长加密，并且加大短柱截面大小；楼梯梯板和平台板双层双向配筋；支撑梯段板的平台梁箍筋全长加密；楼梯间非承重墙体，应与主体结构有可靠的连接或锚固等。但采取此种思路设计时，因增加楼梯间的刚度，使得其分得的水平地震力也更大；也可将楼梯与结构主体共同建模计算，在此不做讨论。

2)第2种思路即应采取适当的构造措施，避免楼梯成为抗侧力构件，即可以不考虑楼梯参与整体结构的受力，使其与结构主体脱离。此种方法，不但能改善楼梯构件的受力状态，也能基本消除楼梯对主体结构的不利影响，并仍旧按传统设计方法对楼梯和混凝土框架结构进行设计分析。笔者在最近工程设计中依照此种思路，采用的两种楼梯形式分别为常用的滑动支座楼梯和在楼梯休息平台下设置四根楼梯短柱。

5.1 滑动支座楼梯

现常用的为图集16G101-2所给出的滑动支座楼梯，连接方式均为上端固接，下端为滑动支座连接[7]，形式主要如图1所示。

滑动支座楼梯一般为上端固接，楼梯梯板斜向钢筋锚入休息平台板内，下端滑动支座，通过钢板间铺设石墨粉或设置四氟板实现，减小摩擦作用。

试验表明，滑动支座楼梯的梯段板虽然也对结构主体刚度有一定的加强，但是相比于整体现浇式板式楼梯而言有明显改善，地震总剪力与层间位移相比于无楼梯结构变化很小。滑动支座楼梯因下端的滑动支座，将剪力和弯矩释放，大大减小了梯段板的受力，避免其斜向支撑的作用。因此，滑动支座楼梯基本消除了楼梯对主体结构抗震计算中的不利影响，从构造上将主体结构与楼梯构件脱开。即在结构整体抗震计算中，可不考虑楼梯构件的刚度作用，只进行竖向荷载的传导计算；楼梯本身也按照传统的设计计算方法，仅考虑在竖向荷载作用下的配筋计算。图集也明确注明，滑动支座楼梯可不参与整体结构计算。

滑动支座楼梯中，一种形式是滑动端落在受力梁的挑耳上。由于挑耳承受梯板传递来的竖向力、拉力、弯矩、剪力的共同作用，且其破坏伴随着梯板的跌落，则应进行计算配筋，加强构造措施。

有研究显示，滑动支座楼梯的滑动端的梯段板存在瞬时翘起的情况，使得斜板处于瞬时悬臂状态，设计中应考虑其悬臂板的状况。