预制轻型楼梯选型及静载试验研究

李娜，徐其功，黄丽萍， 魏偲

（1.广东省建科建筑设计院有限公司，广州510010；2.佛山建装建筑科技有限公司，广东 佛山528000）

1 引言

随着装配式建筑的发展[1]，预制楼梯构件作为装配式建筑中的重要组成部分[2]得到了广泛运用。传统的现浇楼梯在梯段内采用板式做法，楼梯跨度及板厚都较大，当采用预制楼梯时，往往因自重较大，而给现场吊装带来负担，特别是住宅项目的剪刀梯，单个楼梯构件自重超过50 kN，极大地增加了吊装负担。

对于预制楼梯构件，为保证能顺利吊装，目前采用的做法主要有2 种：一是直接加大塔吊吊装能力；二是将跨度大的预制楼梯分为2 段，中间设结构梁将2 段楼梯连接为一个整体。加大塔吊吊装能力，会直接增加整个项目的建造成本；而将楼梯构件分为2 段的做法，会增加现场的吊装工作量。

随着装配式建筑的发展，楼梯构件对装配式项目的吊装影响，特别是对装配式住宅项目的吊装影响，将会更加突出。

2 预制楼梯选型

以常规住宅项目3.0 m 层高，楼梯间宽度2 500 mm，参考国标图集《预制钢筋混凝土板式楼梯》（15G367-1）[3]，单跑楼梯宽度1 250 mm（梯段1 160 mm）的标准楼梯进行测算。楼梯体积为1.993 m3，重量约为49.8 kN。

构件吊质量为构件质量加吊具质量，其中吊具质量约0.5 t，此时标准板式预制楼梯的总吊质量为5.48 t。为满足此要求，施工选用的塔式起重机通常需TC70 及以上规格，对比传统住宅项目的起重机选型TC60，其市场租赁费用约为2～3 倍，为现场安装带来较大的经济负担。

综合考虑受力、制作、安装等方面的因素，选用双梁+薄板的梁式楼梯方案，作为本次减重试验的研究对象。梯板厚40 mm，梯梁150 mm×250 mm，为避免安装及运输过程中磕碰导致损伤，两端设封口梁150 mm×220 mm。为使楼梯质量进一步降低，在踏步中增设空心PVC 管，选用市场上可直接购买的常规水管（本次选用D90 mm 空心管），在吊装需利用到的踏步中不设空心管。试验楼梯剖面如图1 所示，此时预制楼梯混凝土体积为1.102 m3，质量约为2.76 t，考虑吊具后的总吊质量为3.26 t，常规起重机的已能满足此要求。

图1 试验轻型楼梯剖面尺寸（单位：mm）

3 静力试验方案

3.1 试验目的

本次试验属于预制构件结构性能检验，根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[4]中9.2.2条，钢筋混凝土预制构件应进行承载力、挠度和裂缝宽度检验。

3.2 试验方案及加载数值

试验楼梯按正常受力状况，斜放于预先搭设的支承钢架上，采用静力试验加载方式。

为便于制作，试验梯未采用标准国标模式，而是按等宽1 200 mm 制作，试验梯两端各入支座200 mm，楼梯跨度为5420-2×200/2=5 220 mm。预制楼梯自重为27.82 kN，扣除支座以外部分后，还余26.5 kN。

检验荷载按以下规定：

1）根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）[5]，对于正常使用极限状态，钢筋混凝土构件按荷载准永久组合并考虑长期作用的影响。

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[6]，高层住宅楼梯活荷载标准值为3.5 kN/m2，准永久值系数为0.3。预制楼梯构件因其表观质量良好，实际工程中不需要额外增加抹灰等装饰面层，楼梯所承受的永久荷载只是构件自重。

在扣除构件自重后，挠度和裂缝宽度检验，试验所施加的荷载为0.3×3.5=1.05 kN/m2，实际加载总值为1.05×1.2×5.22=6.58 kN。

2）根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，承载力检验荷载按照荷载基本组合值确定。

因构件在加载试验前无法准确预测破坏形态，根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》中表B.1.1，可取承载力检验系数1.20。

扣除自重后，试验施加的总荷载为1.20×（1.5×3.5×1.2×5.22+1.3×26.5）-26.5=54.3 kN；

其中，仅满足承载力设计值所施加的荷载值为1.5×3.5×1.2×5.22+1.3×26.5-26.5=40.8 kN。

3）按实际加载范围等效后的加载值。实际在试验中，采用堆放钢筋的形式模拟加载，楼梯上下部平板位置并未堆放钢筋，加载范围仅为梯段台阶范围，图2 为楼梯试验加载图片。

图2 楼梯试验加载图片

根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》B.2.3 条，当荷载布置不能完全与设计的要求相符时，应按荷载效应等效的原则换算。本次试验对象为典型的钢筋混凝土受弯构件，按计算区段内最大弯矩相等的原则进行换算后，所需施加的总加载值为原数值的0.867。

因此，正常使用极限状态加载总值为0.867×6.58=5.7 kN；承载力检验荷载加载总值为0.867×54.3=47.08 kN；满足承载力设计值所施加的荷载值为0.867×40.8=35.37 kN。

3.3 加载方案

1）挠度和裂缝宽度检验荷载分4 级施加，分级加载（kN）: 0→1.5→3→4.5→6。

2）承载力检验荷载分6 级施加，分级加载（kN）:6.0→14→21→28→35→42→48。

3）本次荷载试验加载方式为单调加载，每级加载完成后，持续10 min，加载到极限值后，持续30 min；

4）当出现下列情况之一时，终止加载：（1）完成单调加载的全过程；（2）试验构件出现达到承载能力极限状态的检验标志。

3.4 测量方案

在楼梯支座、中点、1/4 点处共布置15 个挠度测点，具体如图3 所示。在加载过程中的各级荷载作用下观测各测点的挠度发展情况，同时观测楼梯在试验过程中是否有裂缝的出现和发展。

图3 试验构件15 个挠度测点

4 静力试验结果

4.1 试验构件加载情况

预制楼梯边梁和踏步梯板在各检验阶段试验过程中，挠度发展稳定，未出现突变。

但因现场加载方式及支承装置的限制，当试验加载至39.5 kN 时，踏步上堆积的钢筋过多，工人行走困难，现场构件支承装置也出现了即将失稳的迹象。为安全起见，现场终止试验。

4.2 试验构件的最大挠度

各级荷载作用下，楼梯跨中测点7～9 的挠度量测值详见表1。

表1 跨中测点7～9 的挠度量测值

根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》附录B，挠度、裂缝宽度检验阶段的挠度限值为（不考虑受压配筋）5 220/200/2=13.05 mm，承载力极限状态的挠度限值为5 220/50=104.4 mm。

试验过程中，楼梯边梁与踏步梯板在各检验阶段跨中最大挠度值与挠度限值的比对详见表2。

表2 各检验阶段跨中最大挠度值与挠度限值的比对

4.3 试验构件的最大裂缝

试验过程中，楼梯在承载力检验阶段，边梁出现明显可见裂缝，两侧梁裂缝开展情况基本一致。

根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》附录B，挠度、裂缝宽度检验阶段最大裂缝宽度限值为0.2 mm，承载力检验极限状态时，受拉主筋处的最大裂缝宽度为1.5 mm。

试验构件在各检验阶段，最大裂缝宽度与裂缝限值的比对详见表3。

表3 各检验阶段最大裂缝宽度与裂缝限值的比对

5 结语

1）预制楼梯边梁和踏步梯板在挠度、裂缝宽度检验阶段，最大挠度值分别为2.163 mm 和2.130 mm，均小于挠度检验允许值，试验过程中未出现明显可见裂缝。

2）预制楼梯边梁和踏步梯板在承载力检验阶段试验过程中，因加载方式及支承装置的限制，最大加载值为39.5 kN，虽未满足承载力检验系数1.2 倍的要求，但已超过承载力设计值要求35.7 kN。

3）预制楼梯边梁和踏步梯板在承载力检验阶段试验过程中，挠度发展稳定，未出现突变。在试验终止时出现的最大挠度值分别为18.633 mm 和18.101 mm；加载过程中边梁出现明显可见裂缝，最大裂缝宽度为0.23 mm。无论是挠度还是裂缝，均远小于达到承载力检验极限状态的数值限制。