板式剪刀梯在不同地震波下的时程分析

胡希冀，张丽娜

(1.承德石油高等专科学校 建筑工程系，河北 承德 067000；2.中石化石油机械股份有限公司 承德江钻分公司，河北 承德 067000)

抗震设计一直是结构设计的重点和难点，近年来的震害表明，结构倒塌的主要原因是结构或构件耗能能力不足和变形能力不足。建筑物在大震时能保证“不倒”，才可保证建筑物发生破坏时(后)内部的人员可以安全逃离而获救，但是，即便地震发生时建筑物实现了“大震不倒”，而作为逃生通道的楼梯却发生了破坏，无法满足上下通行，建筑内部的人员也无法脱险。同时，楼梯梯段的斜撑会导致结构的刚度局部增大，地震时刚度大的部位会吸收更大的地震作用，因此，在保证房屋“大震不倒”的前提下提高楼梯的抗震性能，才能满足楼梯作为逃生通道的要求。剪刀梯尤其以可充分利用楼层高度、减少公摊面积的优点，经常用在高层建筑中，本文拟分析剪刀梯在不同地震波作用下的时程反应，以期为楼梯抗震设计提供数据支持。

1 模型的建立

混凝土取C30，其弹性模量Ε=3e10 N/m2，泊松比μ=0.2，在ANSYS中用SOLID65单元来建立楼梯模型，楼梯模型如图1所示，楼梯主要尺寸如表1所示。

2 地震波选取

本文拟模拟剪刀梯在8度区的动态响应，环境条件如下：①抗震设防烈度：8度；②设计地震分组：第一组；③抗震设计基本地震加速度：0.2 g；④场地类别：Ⅱ类。选取的地震波分别为：①EI波(南北方向)；②唐山波(南北方向)；③人工波(X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65)。选取的三种地震波峰值加速度分别为0.34 g、0.055 g和0.35 g，地震波时程曲线如图2～图4所示。

表1 楼梯构件尺寸

构件名称构件尺寸/mm平台梁250×500踏步宽300踏步高150梯井宽50平台板(宽×厚)150×110楼梯板厚110

3 时程分析

3.1 最大位移反应

在罕遇地震下，人们最关心的是结构的最大位移和结构进入塑性状态的情况，通过确定楼梯在三种地震波输入时的最大位移点及对比此点三个方向位移—时程反应可以发现，三种地震波的位移时程响应规律基本类似，楼梯的最大位移均在Y方向，El-Centro波的最大位移为85.8 mm，唐山波的最大位移为96.8 mm，人工波的最大位移为82.6 mm。三种波的最大位移发生时结构变形图见图5、图6和图7。

罕遇地震情况下结构位移的时程曲线如图8所示，通过对比发现：

1)板式剪刀梯在EI波作用下最大位移出现时间最早，在唐山波作用下出现的位移最大，说明不同的地震波有不同的频谱，虽然楼梯在不同地震波作用下的响应存在异同，但最大位移的发生位置均相同，都为楼梯段中部。

2)楼梯在罕遇地震发生且加速峰值较大时，结构单元的动态响应随加速度变化呈非线性变化，此时楼梯结构处于弹塑性阶段，各节点围绕平衡位置振动。从图8可以看出，板式剪刀梯在罕遇地震下产生了很明显的塑性变形。

3)对于同一节点，即使所采用的加速度峰值相同，其在不同地震波作用下的响应也存在很大差异。

3.2 最大应力反应

构件在塑性状态下的反应是结构在地震作用下最直观的反应，在大震情况下，结构的动态反应情况如表2所示。

三种地震波在Y向作用下的应力图(见图9)。

表2 结构在大震作用下的应力反应

从应力云图可见，人工波作用下板式剪刀梯的响应最为强烈。在地震发生时，对结构破坏起主要作用的是地震初期的冲击，从表2可见，唐山波作用下结构进入塑性阶段的实际是0.23 s，其最大应力已达到所选用C30混凝土抗压强度，主要破坏部位在平台梁端部。EI波作用下结构进入塑性时间为1.08 s，楼梯主要破坏部位同唐山波，也是位于楼梯梁部位。在人工波作用下结构进入塑性的时刻最晚，为6.56 s，楼梯破坏部位位于楼梯梁和楼梯段中部。

4 结论

本文从高层常见的板式剪刀梯入手，分析了其在三种不同地震波作用下的动力响应，通过对比发现：

1)板式剪刀梯在文中三种不同地震作用下，楼梯的最大位移均由竖向地震波导致，且地震波不同，楼梯的响应强烈程度不同。

2)板式剪刀梯在文中三种地震波作用下，破坏部位主要发生在平台梁部位，其次是楼梯段中部。