地震作用下楼梯对框架结构抗震性能的影响

张锴

摘要：为研究地震时楼梯对框架结构的受力性能和破坏形态有怎样的的影响，现使用有限元软件建立钢筋混凝土框架结构模型，研究结构的自振特性、内力变化、结构变形等。结果表明，结构在受到的水平地震作用时层间剪力和楼层变形有所增大，且对结构整体抗扭转性能有明显提高，即楼梯的设置对结构抗震有利。考虑楼梯的抗震表现，应对楼梯进行特殊加强以保证地震时楼梯的安全通畅。

Abstract： In order to study the influence of stairs on the mechanical behavior and failure mode of the frame structure during the earthquake， the finite element software is used to establish the reinforced concrete frame structure model， and the self-vibration characteristics， internal force changes and structural deformation of the structure are studied. The results show that the inter-layer shear force and floor deformation increase when the structure is subjected to horizontal earthquakes， and the overall anti-torsion performance of the structure is obviously improved， that is， the setting of the stairs is beneficial to the structure. Considering the seismic performance of the stairs， the stairs should be specially strengthened to ensure the safety of the stairs during the earthquake.

关键词：框架结构;楼梯;自振周期;结构扭转;抗震性能

Key words： frame structure;stair;natural vibration period;structural torsion;seismic performance

中图分类号：TU375.4;TU352.11                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0231-02

0  引言

楼梯作为建筑物主要的竖向联系构件，地震发生时楼梯也是唯一的逃生通道，在地震时楼梯的安全性、通畅性就显得极其重要。以往结构抗震设计中，楼梯抵抗地震的能力和楼梯与结构之间的相互的影响一般均不作考虑，往往仅考虑其自身的重力荷载。地震时，忽略楼梯与结构间的相互影响，将使结构的抗震设计不完整、计算结果趋于不准确。

目前，结构的抗震验算仅仅是基于概念设计而布置楼梯，对于楼梯的抗震承载力较少提及。由于楼梯的空间较小、墙体较多导致其侧向刚度较结构而言较大，地震时，遭受地震作用后将先于框架发生破坏。所以，在设计楼梯时要考虑楼梯的承载能力、结构安全性能，保证地震发生后有足够的安全时间疏散人流。本设计应用SAP2000建立无楼梯和有楼梯的结构模型进行抗震验算分析，以研究地震时楼梯对钢筋混凝土框架有哪些影响，结构的安全性能是否有所提高。

1  结构分析概况

位于宁夏的某实际工程采用钢筋混凝土框架结构，各构件混凝土强度等级均为C40，整体建筑5层，首层高度为4.2m，剩余楼层高度为3.6m。结构框架柱截面尺寸为550mm×550mm;框架梁截面尺寸为250mm×650mm，仅布置横向200mm×500mm次梁;所有板的厚度统一均为120mm。结构的梁柱布置如图1所示，结构所在地烈度为8度，基本加速度为0.2g，地震分组为第二组，场地土承载能力良好为Ⅱ类土。

应用有限元软件建立框架结构模型，对比分析有楼梯和无楼梯两种模拟情况，不考虑楼梯时在楼梯原有位置直接设置楼板，按框架梁板直接考虑。

分析以下2种地震作用情况，

①地震作用1：在多遇烈度地震作用下，研究无楼梯的结构模型沿两个主轴方向遭受水平地震作用，分析其抗震性能、弹性变形量和结构破坏情况。

②地震作用2：在多遇烈度地震作用下，研究有楼梯的结构模型沿两个主轴方向遭受水平地震作用，分析其抗震性能、弹性变形量和结构破坏情况。考虑结构可能的扭转作用，在建筑物左右两端对称布置楼梯。

2  结构抗震性能分析

表中所注“比值”为有楼梯与无楼梯结构对应周期的比值，表2同理.

對有无楼梯两种框架结构进行抗震验算，前三阶振型及振型对应的自振周期参数见表1。

由表中可以看出：①当结构中设置楼梯，其前三阶振型的周期均减小，减小幅度均超过了10%以上，这表明楼梯的设置较大的提高了框架结构的抗侧移刚度，使结构更难以变形，结构抵抗水平地震的能力有所增强。②设置楼梯对于建筑整体的抗扭刚度有较大幅度的提升，减小了建筑本身的扭转效应，提高了建筑物的抗震承载力。

经研究对比地震作用1和地震作用1，结构的楼层的剪力、层间位移和相对位移角如表2所示。从中可以看出：

①楼梯的设置使得结构的层间剪力明显增大，各层侧构件受到的水平地震作用均有所增大，增大幅度接近20%。

②在地震作用下，由于楼梯的设置使结构的层间位移和层间位移角变大，变大的幅度约为10%。

③建筑的楼梯设置合理以后，无论有无楼梯结构的弹性层间位移角均满足钢筋混凝土框架结构的最大弹性变形要求。

3  结论

通过两种模型的对比分析，充分考虑了结构的自振周期变化、层间剪力变化和相对层间弹性位移的变化，得到以下结论：

①楼梯的设置使整个建筑在抵抗地震作用时结构内力和结构变形均有不同程度的增大。

②楼梯在结构抵抗地震作用过程中，楼梯的受力状态复杂刚度较大受力复杂，更加容易破坏。所以，在抗震设计时应对楼梯着重加强，使其抗震性能有所提高。

③在建筑的抗震设计中，应考虑楼梯与整体结构之间的相互影响，并对该构件进行特殊加强以保证地震时楼梯的安全通畅。为提高结构抵抗扭转的作用，减少结构刚度的偏心影响，楼梯对称布置。

参考文献：

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