加強(qiáng)樓梯和樓梯結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)
摘要：對(duì)建筑物而言樓梯是建筑物最主要的豎向通道和逃生通道，其自身的重要性不言而喻。然而在歷次地震中，在建筑主體結(jié)構(gòu)完好的情況下，樓梯結(jié)構(gòu)卻遭到了很大的破壞，使其沒(méi)有很好地履行到逃生通道的職責(zé)。因此加強(qiáng)樓梯和樓梯結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高樓梯構(gòu)件的抗震性能，才能更好的保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu),樓梯結(jié)構(gòu),地震受力影響,分析
引言
無(wú)論是在公共建筑還是民用建筑中，樓梯不僅是建筑物的重要組成部分，也是唯一的逃生通道，尤其是在發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí)。疏散時(shí)的人群使得大量的活荷載分布在樓梯間和梯段上，這些位置都是相對(duì)于其他建筑結(jié)構(gòu)承受力比較薄弱的地方。如果此時(shí)樓梯破壞，將會(huì)延誤逃生和救援時(shí)間，從而造成重大的傷亡。為了減少傷亡的發(fā)生，在對(duì)建筑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)建筑物尤其是樓梯結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。
一地震對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)的影響
地震時(shí)，水平地面由于地震波的作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)建筑物的基礎(chǔ)影響到上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震動(dòng)，這就是地震作用。主要包括位移、速度與加速度，其中加速度的慣性力可對(duì)建筑物產(chǎn)生很大的內(nèi)力和變形。而地震波作用下的建筑產(chǎn)生的橫向振動(dòng)是破壞建筑物的主要因素。
二樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響
樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面一是樓梯對(duì)豎向構(gòu)件的影響；二是樓梯自身的傳力。樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響大小主要是取決于樓梯與結(jié)構(gòu)主體的相對(duì)剛性比。如果主體結(jié)構(gòu)自身剛度很大，整體性能好，樓梯剛度對(duì)于主體結(jié)構(gòu)而言就很小，幾乎可以忽略不計(jì)。但如果采用的是框架結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)時(shí)，樓梯對(duì)主體的作用將不容忽視。當(dāng)遇到較強(qiáng)的地震時(shí)，結(jié)構(gòu)最先計(jì)入彈塑性狀態(tài)，墻體開(kāi)裂，剛度就會(huì)驟然下降，樓梯剛度在主體剛度中所占的比重就會(huì)增大，現(xiàn)澆梯板可視為剛性樓板，承擔(dān)傳遞水平地震作用的重任，從而導(dǎo)致樓梯梯板拉裂、樓梯間短柱破壞最終導(dǎo)致主體破壞甚至坍塌。
與舊規(guī)范相比，新的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010進(jìn)一步明確了根據(jù)樓梯對(duì)主體抗震性能的影響大小來(lái)決定是否參與整體計(jì)算，并增加了以下規(guī)定：GB50011-2010第6.1.15條第2款：對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則；樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆時(shí)，應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響，應(yīng)進(jìn)行樓梯構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算；宜采取構(gòu)造措施，減少樓梯構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響。
三地震對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)的影響
樓梯的結(jié)構(gòu)形式按施工方法可分為整體式和裝配式；按結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)可分為梁式、板式、剪刀式和螺旋式等樓梯形式，其中梁式、板式這兩種形式屬于平面結(jié)構(gòu)體系，剪刀式和螺旋式屬于空間結(jié)構(gòu)體系。梁式樓梯和板式樓梯是目前建筑中最常見(jiàn)的樓梯形式，但在酒店、賓館等一些公共建筑中也采用了如螺旋、懸梁板式和剪刀式等特殊的樓梯形式。
�。ㄒ唬翘菰诘卣鹬械氖芰η闆r及其分析：
地震時(shí)，地面在地震波的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)建筑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)直接影響到上部結(jié)構(gòu)，從而使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向或水平的動(dòng)態(tài)位移，這就是地震作用。樓梯在地震中的受力情況直接影響到逃生的可能性，樓梯不同部位所受到的地震內(nèi)力不同，對(duì)樓梯造成的破壞也不一樣。
1樓梯斜板受力
地震作用下，樓梯斜坡處于非常復(fù)雜的受力狀態(tài)，最先受到的是軸向力，其次是豎向受到剪力，另外受到壓力時(shí)尚存在不可忽略的面內(nèi)彎矩和扭矩。在地震波的作用下，樓梯梯段的下端易受力使鋼筋彎曲屈服，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)出現(xiàn)斷裂。在目前的設(shè)計(jì)中，板式樓梯的兩端按照簡(jiǎn)支模型來(lái)計(jì)算，認(rèn)為樓板在支座處無(wú)彎矩或者彎矩很小，負(fù)筋配置較少，并且通常選擇在距支座1/3一1/4板跨度處截?cái)嘭?fù)筋。在地震的往復(fù)作用下，樓板上下顛覆，中間位置處易出現(xiàn)負(fù)彎矩，在板上部未配置相應(yīng)的受拉鋼筋時(shí)，負(fù)筋的截?cái)嘣斐闪颂荻翁幨芾瓌偠鹊耐蛔儯瑪嗔腰c(diǎn)恰好是截?cái)帱c(diǎn)。
2平臺(tái)梁和平臺(tái)板受力
樓梯休息平臺(tái)梁普遍存在較大的軸力。其中尤其以直接支撐樓梯踏步的樓梯梁最為復(fù)雜，在往復(fù)的地震作用下，上下樓板相互錯(cuò)動(dòng)，使其處在拉、彎、剪的復(fù)合受力狀態(tài)下，而破壞往往就發(fā)生在平臺(tái)梁的中間，如混凝土被壓碎，鋼筋籠扭曲變形等；而順梯方向的樓梯梁,位于框架柱和踏步斜板之間，直接傳遞踏步斜板的地震效應(yīng)，處于受壓狀態(tài)，且軸力最大。因此，框架結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分的估計(jì)和考慮地震作用下樓梯平臺(tái)梁的復(fù)雜受力狀態(tài)，以后其實(shí)軸向內(nèi)力。
3樓梯平臺(tái)梯柱受力
梯柱作為傳遞并承擔(dān)水平平臺(tái)板豎向荷載的受力構(gòu)件，在框架結(jié)構(gòu)的平臺(tái)梁約束下，容易形成短柱，由于短柱的剪跨比較小，軸向壓比較大，其延展性也比較差。在地震作用下，最靠近踏步斜板的短柱處于雙向偏壓（拉）受力狀態(tài)，短柱節(jié)點(diǎn)處容易發(fā)生剪切破壞，從而導(dǎo)致
混凝土層發(fā)生剝落，鋼筋扭曲變形。因此，框架結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮靠近踏步斜板的短柱的地震作用效應(yīng)。
4樓梯間填充墻受力
由于框架結(jié)構(gòu)中樓梯間的墻體是填充墻，具有較大的剛度。并且與框架連接以后形成平面剛度很大的抗側(cè)力構(gòu)件；同時(shí)由于梯段板有斜向支撐的作用，使得框架結(jié)構(gòu)的剛度分布不均，易造成樓梯構(gòu)件的破壞。
(二)地震對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的影響
2.1在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡量采用單元模擬梯段板，進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，把單元模擬出來(lái)的內(nèi)力作為計(jì)算的內(nèi)力指標(biāo)；對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)，把樓梯簡(jiǎn)化成支撐構(gòu)件的形式在模型中進(jìn)行計(jì)算�！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第3.6.6條第1款：計(jì)算模型的建立、必要的簡(jiǎn)化計(jì)算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。條文說(shuō)明中進(jìn)一步指出：針對(duì)具體結(jié)構(gòu)的不同，“考慮”的結(jié)果，樓梯構(gòu)件的可能影響很大或不大，然后區(qū)別對(duì)待。
2.2梯段板需要加厚，受力鋼筋采用雙向布置，排列間距要緊密，盡量使用延性好的鋼筋；平臺(tái)梁應(yīng)該加大梁的截面，箍筋按全長(zhǎng)加密設(shè)置，使梁具有足夠的抗剪能力。短柱宜提高一個(gè)抗震等級(jí)，采取符合井字箍筋或者在柱身內(nèi)配置一定數(shù)量的斜向鋼筋。
2.3樓梯間周圍作為荷載存在的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算中，應(yīng)該采用合適的建筑材料，并且保證其與墻體可靠的連接。
2.4砌體結(jié)構(gòu)中，嚴(yán)格按照抗震規(guī)范布置拉結(jié)鋼筋、構(gòu)造柱、圈梁，保證在地震作用下結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
四、結(jié)論及建議
1.樓梯是建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要系統(tǒng)。即使對(duì)于兩跑樓梯這種傳統(tǒng)上認(rèn)為對(duì)于主體結(jié)構(gòu)影響不大的樓梯結(jié)構(gòu)體系，它對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的抗震性能也有不可忽略的影響。它的存在必然增大了結(jié)構(gòu)局部的抗側(cè)剛度，減小了結(jié)構(gòu)的自振周期。但是，樓梯的交通疏散功能決定了樓梯的平面布置不可能完全按照結(jié)構(gòu)專業(yè)的需求進(jìn)行布置。因此，我們對(duì)于樓梯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該區(qū)分不同的情況辨證地采用不同的設(shè)計(jì)策略。
2.建議：樓梯構(gòu)件應(yīng)該均勻的、對(duì)稱的分布，以此來(lái)減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取樓梯構(gòu)建參與計(jì)算和純框架兩種模型計(jì)算結(jié)果的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)；由于樓梯斜撐效應(yīng)的存在，樓梯構(gòu)件相當(dāng)于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的防線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到樓梯構(gòu)件的復(fù)雜受力情況，尤其是地震作用下的復(fù)雜受力情況，并增加其相應(yīng)的加強(qiáng)言行構(gòu)造措施。
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