竇立軍，許明玉，王 維，李穎超

（1.長春工程學(xué)院，長春130012；2.中元國際（長春）高新建筑設(shè)計院有限公司，長春130012）

0 概述

樓梯作為建筑的豎向通道是多層及高層建筑的重要組成部分。在正常使用時通過樓梯進(jìn)行人員和物資的豎向運輸，建筑遭受偶然荷載（爆炸、火災(zāi)、地震等）時樓梯是人員逃生的主要通道。因此，樓梯在建筑物的設(shè)計中占據(jù)重要位置。

在現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，樓梯被認(rèn)為是獨立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨設(shè)計，僅考慮豎向荷載的作用，但在實際中，樓梯間除承受豎向荷載以外還承受地震作用產(chǎn)生的水平荷載，而且由于梯段板的側(cè)向支撐作用使樓梯間的剛度增大，導(dǎo)致地震過程中樓梯間分配到的剪力增大，使樓梯的各構(gòu)件受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)而使樓梯間先于主體結(jié)構(gòu)破壞，阻礙了豎向疏散而造成了人員生命財產(chǎn)的損失。

1 震害調(diào)查

2008年5月12日，汶川發(fā)生破壞嚴(yán)重的特大地震后，通過對震害的調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1]，樓梯在地震中破壞比較嚴(yán)重。震害現(xiàn)象表明在各類建筑（包括公共建筑和居住建筑）中，抗震最薄弱的位置是樓梯間[2]。樓梯作為發(fā)生破壞的典型構(gòu)件，其破壞形式是多樣的。樓梯破壞輕微時，樓梯板出現(xiàn)水平裂縫，平臺梁出現(xiàn)剪切裂縫；震害嚴(yán)重的樓梯，樓板完全被拉斷，梯梁兩端和跨中明顯破壞，鋼筋暴露，混凝土保護(hù)層壓碎、剝落[3]。樓梯具體的破壞如圖1所示。

如圖1（a）出現(xiàn)的梯段板破壞是震區(qū)梯段板破壞的主要類型，這類破壞說明梯段板在地震時起到了K型支撐的作用[4]，梯段板被反復(fù)拉壓。

如圖1（b）所示的梯柱破壞說明梯柱在地震時受到剪力與扭矩的作用，使梯柱混凝土被反復(fù)剪切破壞后脫落，說明梯柱的抗剪能力不足。

如圖1（c）所示為梯梁發(fā)生的剪扭破壞。梯梁跨中也就是兩個梯段板中間發(fā)生破壞，說明梯梁的抗剪與抗扭的能力不足。

圖1 樓梯各構(gòu)件地震作用下破壞情況

2 試驗分析

2.1 樓梯設(shè)計

通過震害調(diào)查結(jié)果可見，樓梯各構(gòu)件在地震力的作用下破壞比較嚴(yán)重。尤其是梯梁與梯柱的抗剪能力嚴(yán)重不足，而且現(xiàn)行樓梯設(shè)計忽略了梯梁與梯柱的抗扭設(shè)計，使樓梯在地震時對扭矩作用抵抗力很差?？拐鹪O(shè)計中“強(qiáng)節(jié)弱桿”的設(shè)計原則在樓梯設(shè)計中也沒有體現(xiàn)，而造成了樓梯平臺梁與梯柱節(jié)點處薄弱，在地震的作用下很容易被破壞。

針對樓梯的破壞情況，該試驗設(shè)計制作了2個相同尺寸但不同構(gòu)造的樓梯模型，并進(jìn)行加載，研究不同構(gòu)造的樓梯模型承載力增加的情況。

該樓梯試件為雙跑鋼筋混凝土板式樓梯。樓梯間開間尺寸為1.3m，進(jìn)深尺寸為2.7m，樓梯層高為1.5m?；炷翉?qiáng)度等級為C25，梯段板和平臺用一級鋼，框架用二級鋼[1]。

試件1是按照現(xiàn)行樓梯設(shè)計方法設(shè)計的樓梯試件。除自重以外，樓梯梯段板按照承受豎向均布面荷載設(shè)計；平臺梁按承受平臺和梯段板傳遞來的均布線荷載設(shè)計；梯柱按照軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。箍筋為抗剪箍筋，末端彎鉤135°，其他構(gòu)造措施按照 GB 50011—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]相關(guān)要求設(shè)計。試件1結(jié)構(gòu)布置如圖2。

圖2 試件1結(jié)構(gòu)布置圖

試件2是按照改進(jìn)的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計和制作的試件。首先，梯段板負(fù)彎矩鋼筋摟通長設(shè)置，其次，梯梁、梯柱按照同時受彎矩、剪力和扭矩作用的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，且梯柱通長設(shè)置。配置受扭箍筋，箍筋末端彎鉤180°，水平段長度大于15d。試件2的結(jié)構(gòu)布置圖如圖3。

圖3 試件2的結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 試驗加載及現(xiàn)象

本試驗采用擬靜力加載，以低周反復(fù)荷載模擬地震力。用45t和30t的作動器，在樓梯頂端進(jìn)行加載，如圖4。低周反復(fù)加載方式模擬地震作用過程，首先用荷載控制進(jìn)行加載直至試件開裂，然后用位移控制加載至試件破壞。在加載的過程中隨時觀察試件的破壞情況。

2個試件在荷載控制加載階段，2個作動器荷載同步，但反饋回的位移都有一定的差值，表明由于相鄰梯段板的不同向布置形成斜向支撐，使剛度不均勻，導(dǎo)致框架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

圖4 試件的加載裝置圖

2個試件加載現(xiàn)象對比見表1。

表1 試件加載現(xiàn)象對比

從試件極限承載力可以看出試件2的承載能力比試件1高40%以上。而且加載后試件1最嚴(yán)重破壞位置在平臺梁跨中和梯梁與梯柱相交處，如圖5，梯柱破壞情況如圖6。試件2的最嚴(yán)重破壞發(fā)生在梯梁與梯柱交接節(jié)點處，說明節(jié)點承載力仍不足，設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)。

圖5 梯段板與梯梁交界處的破壞

圖6 梯柱破壞情況

3 抗震設(shè)計

由震害分析和試驗可以看出樓梯的抗震設(shè)計需要加強(qiáng)，以滿足樓梯的承載力要求。樓梯抗震設(shè)計建議如下：

（1）樓梯梯段板負(fù)彎矩鋼筋通長，避免在地震時梯段板在負(fù)彎矩鋼筋截斷處被拉斷；

（2）平臺梁按照彎、剪、扭構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，抗扭箍筋沿梁通長加密，提高平臺梁的抗剪和抗扭能力；

（3）梯梁按照剪、扭構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，箍筋通長加密，而且柱子通長布置，提高其抗側(cè)移能力；

（4）樓梯的抗震設(shè)計也要滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉、強(qiáng)節(jié)弱桿”的設(shè)計原則，而且滿足罕遇地震下的抗震變形驗算，保證樓梯不先于主體破壞。

4 結(jié)語

震害表明樓梯對結(jié)構(gòu)起側(cè)向支撐作用，抗側(cè)移剛度較大，本身分擔(dān)的地震力不容忽視，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮樓梯對結(jié)構(gòu)整體的影響。

樓梯的設(shè)計不應(yīng)按照簡單的承受豎向荷載的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。應(yīng)考慮樓梯在地震時的反應(yīng)，按照抗震設(shè)計的原則，加強(qiáng)樓梯的抗震設(shè)計。而且應(yīng)考慮樓梯尤其是梯段板的斜撐作用對整個結(jié)構(gòu)的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)自振周期、層間位移、層間位移角以及結(jié)構(gòu)的層間剪力等都因為樓梯的存在而產(chǎn)生影響，在地震作用下，效果更加明顯[5]。因此，應(yīng)加強(qiáng)樓梯間的抗震設(shè)計，保證樓梯不成為結(jié)構(gòu)的薄弱位置，使之不先于結(jié)構(gòu)破壞，為人員逃生提供可靠的通道。

[1]李穎超，竇立軍，張敏.樓梯抗震技術(shù)研究綜述[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報，2013，30（3）：23－26.

[2]王俊峰，王澤軍.樓梯間和樓梯的抗震設(shè)計淺議[J].山西建筑，2009，35（3）：98－99.

[3]霍林生，李宏男，肖詩云，等.汶川地震鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2009，4（5）：718－723.

[4]王威，薛建陽，羅大明，等.建筑樓梯在2008年汶川大地震中的震害分析[J].地震工程與工程振動，2011，31（5）：157－165.

[5]GB 50011－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.