云南省昆明市東川區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)隊(duì)

摘要：樓梯作為建筑結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，在建筑工程使用中發(fā)揮著重要作用。然而根據(jù)相關(guān)研究可知樓梯能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的抗震性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以要提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性就應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)樓梯。本文將以樓梯對建筑結(jié)構(gòu)抗震性的影響進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：抗震性；樓梯；建筑結(jié)構(gòu)

改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建筑行業(yè)更是異軍突起成為支撐我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。然而在建筑行業(yè)的快速發(fā)展中，很多問題也不斷暴露出來，其中建筑質(zhì)量問題成為當(dāng)前影響建筑行業(yè)發(fā)展的重要障礙。特別是建筑工程的抗震性問題，在我國近幾年發(fā)生的地震災(zāi)害中，由于建筑物抗震性能不優(yōu)越，造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。所以提升建筑物的抗震性能成為建筑工程建設(shè)中的重要內(nèi)容，這就要求設(shè)計(jì)人員提升抗震設(shè)計(jì)水平，而樓梯是影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性的重要構(gòu)件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中充分考慮樓梯對建筑結(jié)構(gòu)抗震性的影響，進(jìn)而有效提升建筑整體的抗震能力。

一、樓梯震害類型

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，地震中建筑結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重的是樓梯間，主要有三種形式樓梯破壞：1、樓梯整體坍塌破壞，例如建筑結(jié)構(gòu)梯柱容易形成短柱，形成剪切破壞；2、梯板拉壓損壞；3、梯梁中部受剪破壞。產(chǎn)生樓梯間破壞的主要原因是樓梯具有過大剛度，進(jìn)而最先被破壞[1]。

二、計(jì)算方法

在傳統(tǒng)樓梯設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員僅考慮在地震中樓梯構(gòu)件等效重力荷載的影響，對于整體剛度受到樓梯構(gòu)件豎向剛度和平面剛度的影響、梯梁和梯柱等構(gòu)件受到（根據(jù)剛度分類的）側(cè)力的影響缺乏必要的考慮。有限元利用ETABS-V9構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，通過殼單元模擬樓梯的斜板和平臺板并構(gòu)建層間構(gòu)件模型，不計(jì)斜板剛度和撓度受到踏步剛度的影響[2]。

三、計(jì)算模型

某工程為8層框架結(jié)構(gòu)的寫字樓，開間方向（x向）柱距3.8米，為10跨，總長為39米；進(jìn)深方向（y向）柱距為6，2.4，6米，為3跨，寬度和為14.4米；底層的層高為4.6米，其余每層為3.8米；柱510*510mm（C30），主梁310*510mm（C30），板厚110mm，梯梁210*410mm（C30），梯柱230*230mm（C30）；抗震設(shè)防烈度為9度0.30g，設(shè)計(jì)地震分組第3組，場地類別3類；基本風(fēng)壓為0.46kN/m；恒載為2.6kN/m，活載為3kN/m，均布荷載為24kN/m；特征周期為0.4s；場地粗糙類別是B類；主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；繪制樓梯采用線拉成面，采用雙跑樓梯。運(yùn)用直線桿單元進(jìn)行柱、梁的模擬，用空間桿件做直線桿，具有雙軸剪切變形、軸向變形、扭轉(zhuǎn)、雙向彎曲效應(yīng)，運(yùn)用模單元模擬樓板[3]。依據(jù)樓梯的不同位置布置單元構(gòu)建了12種模型，運(yùn)用不計(jì)入和計(jì)入樓梯模擬構(gòu)件。如圖1所示[4]。

圖1建筑結(jié)構(gòu)平面示意圖

四、地震作用下樓梯構(gòu)件對整體結(jié)構(gòu)的影響

位置1（模型1）運(yùn)用不計(jì)入和計(jì)入兩種樓梯情況的有限元分析，在表1中列入分析結(jié)果，分析表1可知結(jié)構(gòu)x向與y向都受到樓梯一定程度的影響，y向受到的影響更大。

表1 分析結(jié)果

樓梯模型 計(jì)入樓梯不計(jì)入樓梯相差

首層剛度/（kNm）X向7982457364258.4%

Y向92456774517842.3%

頂點(diǎn)最大位移/mmX向18.9719.75-2.8%

Y向16.2917.78-7.6%

周期/s振型10.7274520.765587-3.7%

振型20.669780.754876-11.4%

地震剪力/kNX向401739402.5%

Y向426739148.8%

五、樓梯布置位置對建筑結(jié)構(gòu)的影響

第一，在只設(shè)置一個(gè)樓梯的情況下，樓梯從中間向兩端改變，y向?qū)娱g位移角、層間位移比、地震下定點(diǎn)的位移都逐漸增大，層間的位移比的結(jié)果是從模型5（位置5）1.33增大到模型1的1.69，如圖1。在樓梯剛度增加的過程中扭轉(zhuǎn)變形也大幅增加，可見樓梯剛度會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。

第二，在設(shè)置兩個(gè)樓梯的情況下，根據(jù)圖1可知在平面位置3布置樓梯時(shí)，y向?qū)娱g位移角、層間位移比、地震下頂點(diǎn)位移最小，此時(shí)結(jié)構(gòu)具有最好的剛度，對于扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的影響最小[5]。

第三，樓梯布置位置不完全在y向地震作用下時(shí)，計(jì)算結(jié)果比較如表2.

表2 計(jì)算結(jié)果比較

位置1356811

頂點(diǎn)最大水平位移/mm24.4516.1917.9317.0916.6717.67

最大層間位移角1/4651/8071/6671/7921/8011/678

最大層間位移比1.461.291.172.092.052.07

柱彎矩/（kNm）336203247

柱剪力/kN166124124

柱軸力/kN383353289

六、樓梯對樓梯間角柱的影響

通過對模型6（位置6）進(jìn)行分析可知，樓梯會嚴(yán)重影響樓梯間梯柱，對于其他柱的影響不大，樓梯間框架相鄰柱和框架角柱在y向地震作用下軸力為表3.

表3 樓梯間框架角柱和相鄰柱在y向地震作用下軸力

樓梯間框架角柱參與空間分析y

向地震作用下軸力/kN不參與空間分析y

向地震作用下軸力/kN相差

樓梯間框架角柱606267127%

樓梯間x向相鄰第一

根框架柱33429712.6%

樓梯間x向相鄰第二

根框架柱2732978.2%

七、討論

通過整體結(jié)構(gòu)（不同的樓梯布置和結(jié)構(gòu)規(guī)模）的抗震分析可知：第一，樓梯構(gòu)件嚴(yán)重影響著建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，結(jié)構(gòu)局部抗側(cè)剛度因樓梯的存在而大幅增加，結(jié)構(gòu)自振周期因此降低。樓梯在水平地震作用之下產(chǎn)生的地震反應(yīng)較明顯，如果將樓梯構(gòu)件考慮納入到計(jì)算中，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，小抗震要求在普通樓梯布置方法中能夠得到滿足，但是在樓梯間個(gè)數(shù)、位置、樓梯構(gòu)件強(qiáng)度等方面具有較高要求。第二，應(yīng)當(dāng)給予樓梯非對稱布置情況下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)充分的重視。第三，樓梯會嚴(yán)重影響相連框架柱，表現(xiàn)為強(qiáng)剪型受力[6]。

根據(jù)以上內(nèi)容可知，作為建筑物中重要組成部分的樓梯構(gòu)件，它對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能具有較大影響。樓梯參與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算中，樓梯的位移、地震作用、周期都會發(fā)生一定變化。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)整體性分析建筑結(jié)構(gòu)和樓梯構(gòu)件，并運(yùn)用相應(yīng)的構(gòu)造措施，設(shè)計(jì)時(shí)保證模型滿足實(shí)際情況，符合業(yè)主使用需求，為人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全提供保證。但并不是在整體結(jié)構(gòu)計(jì)算中簡單的納入樓梯就能將問題解決，應(yīng)當(dāng)注意整體結(jié)構(gòu)和樓梯共同發(fā)揮作用會引發(fā)相鄰框架柱和樓梯的破壞。

結(jié)語：

近年來地震災(zāi)害多發(fā)，建筑工程抗震能力越來越受到人們的重視。隨著對建筑設(shè)計(jì)研究的不斷深入，樓梯對建筑結(jié)構(gòu)抗震性的影響已經(jīng)受到設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。然而在具體的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中對于樓梯的考慮還不夠，需要建筑工程設(shè)計(jì)人員全面綜合的考慮樓梯的影響，進(jìn)而最大限度減小建筑結(jié)構(gòu)抗震性受到樓梯的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[2]馮遠(yuǎn)，吳小賓，李從春.現(xiàn)澆樓梯對框架結(jié)構(gòu)的抗震影響分析與設(shè)計(jì)建議[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，（12）：53-62.

[3]王旋，李萍，焦振奇.汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的思考[J].甘肅科技，2011，（11）：115-118+109.

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[5]代紅軍，祁皚.不同寬度樓梯對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（06）：48-55.

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