高志剛

（中鐵第五勘察設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 前言

樓梯參與整體計算影響最敏感的就是框架，砌體等抗震較弱的結(jié)構(gòu)，而將樓梯作為一個梯筒形式的框架剪力墻和剪力墻結(jié)構(gòu)，其影響則相應(yīng)就小，筒體結(jié)構(gòu)由于樓梯一般在大筒內(nèi)部，其影響就更小，一般可以忽略。歷次的地震災(zāi)害表明樓梯間一直都是框架和砌體結(jié)構(gòu)的一個震害集中區(qū)，尤其是文川地震，讓所有關(guān)注它的工程師開始認(rèn)真思考如何對樓梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，以期其成為一個救命的安全通道（“安全島”）而不是阻斷人們逃生的枷鎖。

目前，在建筑結(jié)構(gòu)分析中通常不考慮現(xiàn)澆樓梯對整體結(jié)構(gòu)的影響，但震害經(jīng)驗(yàn)表明，樓梯間往往是震害易發(fā)生部位。唐山地震中，磚房的樓梯間震害較嚴(yán)重，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的樓梯間震害也比較嚴(yán)重。文獻(xiàn)[1]、[2]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，有樓梯踏步板時框架結(jié)構(gòu)樓梯間的水平剛度是沒有樓梯踏步板時的2.123倍。

通過對某框架結(jié)構(gòu)計入樓梯踏步板和不計樓梯踏步板情況下的整體計算，研究樓梯對整體結(jié)構(gòu)的影響。計算使用邁達(dá)斯結(jié)構(gòu)分析軟件，分析比較兩種情況下結(jié)構(gòu)的周期，內(nèi)力，位移有何變化。

2 樓梯的破壞形式

通過歷次震害照片可以分析，樓梯的破壞分為以下幾類：

2.1 倒塌破壞，可分為一種是由于支承結(jié)構(gòu)的倒塌引起；另一種是由于底部樓層樓梯梯板拉斷、壓碎等自身承載力不足導(dǎo)致樓梯通道被阻斷，失去使用功能。

2.2 嚴(yán)重破壞，一般是底部樓梯梯板被拉裂或者壓碎導(dǎo)致板底鋼筋爆出，或者樓梯平臺梁上下梯段柱端、梁端發(fā)生剪切、剪彎破壞，部分節(jié)點(diǎn)處發(fā)生剪壓破壞等，但是如果此時與主體結(jié)構(gòu)的連接好的話，不至于倒塌下來。

2.3 中等破壞，一般明顯開裂，但處于可修水平。設(shè)想一個整體結(jié)構(gòu)若無法實(shí)現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)而倒塌，那么附屬于其上的樓梯單元要依靠它來支承，必然發(fā)生破壞；或者支承樓梯的局部構(gòu)件由于承載力不足產(chǎn)生破壞，也將導(dǎo)致樓梯破壞。正因?yàn)槿绱耍允紫缺仨氁ＷC的整體結(jié)構(gòu)的安全，而整體結(jié)構(gòu)的安全卻也不能視樓梯不見，傳統(tǒng)的樓梯設(shè)計未考慮抗震設(shè)計要求，可能造成此處破壞先發(fā)生，或者導(dǎo)致支承構(gòu)件的承載力不足而破壞，進(jìn)而影響群眾逃生或反作用于整體結(jié)構(gòu)，危及整體結(jié)構(gòu)的安全。針對樓梯的破壞形式和特點(diǎn)，通過邁達(dá)斯進(jìn)行仿真研究，分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位的受力情況。

3 實(shí)例計算及分析

朔黃鐵路某運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度樓，框架結(jié)構(gòu)，六層，層高3.6，8度抗震設(shè)防，平面布置見圖1，柱子截面為500mm×500mm，樓梯位于結(jié)構(gòu)端部，樓梯踏步板順x向布置。

由表1可以看出，樓梯參與計算對結(jié)構(gòu)自振周期影響較大，使順梯跑方向自振周期減小22.2%，扭轉(zhuǎn)周期減小29.6%，垂直梯跑方向的自振周期所受影響相對較小，約減小4.6%。

表1 第一振型自振周期對比

直接與梯板相連的梁內(nèi)力有較大幅度的增加，柱中內(nèi)力的改變規(guī)律與此相似，且樓梯間的柱軸力明顯增大。而在豎向荷載作用下計入樓梯和不計入樓梯時框架梁內(nèi)力幾乎相等，只有梯梁內(nèi)力有少數(shù)改變。

順梯跑方向的位移有樓梯比沒有樓梯減小較多，而垂直梯跑方向的位移二者幾乎沒有差別。詳見圖4：

4 樓梯對整體結(jié)構(gòu)影響小結(jié)

4.1 樓梯的存在增加了框架結(jié)構(gòu)的剛度，減小了結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)移，使大部分構(gòu)件內(nèi)力明顯改變。

4.2 樓梯對結(jié)構(gòu)自振周期和構(gòu)件內(nèi)力的影響在順梯跑方向是主要的，而垂直梯跑方向的影響可以忽略，樓梯的平面布置可能會改變結(jié)構(gòu)的剛度中心位置，對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期產(chǎn)生影響。

圖4 無樓梯層間位移比較

圖5 有樓梯層間位移比較

4.3 當(dāng)樓梯間為框架時，周圍構(gòu)件收到的影響較大，柱子形成短柱，且承受較大的扭轉(zhuǎn)作用；梯板和梯梁也已不同于普通簡支梁。

因此，在建模設(shè)計時應(yīng)計入樓梯對整體的影響，現(xiàn)階段設(shè)計很多工程整體計算并未計入樓梯影響，均做概念性設(shè)計，采取有效措施對整體計算結(jié)果予以調(diào)整，對樓梯間構(gòu)件予以加強(qiáng)，如樓梯間平面位置的確定考慮整體剛度的均衡；樓梯間柱全高加密箍筋；梯板設(shè)雙層鋼筋，增加拉結(jié)筋；梯梁考慮垂直水平雙向受力，適當(dāng)增加配筋量。

[1]孫偉,龔曉南,孫東.高速公路加寬工程變形性狀分析[J].中南公路工程,2004,29(4):53-55.

[2]曹萬林，龐國新，李云霄.帶樓梯框架彈塑性工作性能的研究[D].世界地震工程，1996，(2).

[3]唐山地震抗震調(diào)查總結(jié)資料選編.地震出版社,1986.