浅析框架结构的楼梯斜撑效应

浅析框架结构的楼梯斜撑效应

蒋华1孙登坤2刘娅婷1

1.武昌首义学院湖北武汉430064；

2.联创新锐设计顾问（武汉）有限公司湖北武汉430000

摘要：楼梯作为混凝土框架结构重要的逃生通道，在大量的震害统计中，表现出先于框架主体结构的严重破坏，使其丧失应有的作用。本文针对该现象，通过文献检索对其主要因素“楼梯斜撑效应”进行了分析，并探索了相应的解决措施。

关键词：框架结构；楼梯；斜撑效应；混凝土

前言

钢筋混凝土框架结构在国内仍被广泛应用，其中的楼梯作为重要的逃生通道，在大量的震害统计中，表现出先于主体结构的严重破坏，使其丧失安全岛的作用。究其原因，以前的相关研究在肯定楼梯对结构刚度和承载力影响的条件下，旨在通过相应的抗震设计增强楼梯间结构的耗能能力，使其成为第一道抗震防线；抗震设计方案则是将楼梯间与框架结构主体分开计算，结构分析中将楼梯间作开洞处理，将其荷载作为重力荷载代表值的一部分考虑其对框架结构的抗震影响。传统的设计方法，忽略了楼梯间与框架结构的整体性，忽略了楼梯梯段斜撑作用及其对框架结构整体抗震性能的影响，导致楼梯间与其周边框架结构构件的联系不够紧密，成为地震中的第一道防线优先被破坏。

1楼梯斜撑效应

国内关于楼梯斜撑效应的研究可追溯到20世纪80年代。1986年，设计大师傅学怡[1]在“高层建筑结构正现浇楼梯对抗侧刚度的影响分析”中，提出楼梯斜撑效应及其对框架结构抗侧刚度的影响，并推导了抗侧刚度增大系数。90年代，曹万林教授等人[2]对混凝土异形柱框架楼梯结构进行试验研究，重点分析了楼梯耗能的原因，并对提高楼梯耗能性能提出建设性意见。21世纪初，清华大学王奇教授[3]从工程实例出发，分别对框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构在考虑楼梯作用下的结构自振特性和受力性能进行分析，结果表明，楼梯的参与对框架结构的自振特性、整体刚度及构件内力影响更为明显。随后，设计人员胡庆昌[4]从工程经验及数次震害的统计中，对楼梯间的震害表现做了统计，并提出在不同的设计体系中都应加强楼梯和楼梯间结构的概念设计与构造措施。2008年汶川地震后，楼梯间先于框架主体发生的严重破坏，让专家学者们意识到之前将楼梯设计成第一道抗震防线的做法是错误的。随后，便出现大量关于楼梯对框架结构抗震性能影响、框架结构考虑楼梯斜撑作用的抗震分析的研究文献。西南交通大学刘俊、沈火明[13]通过对不带楼梯、带楼梯、带采用活动支座楼梯模型进行静力推覆（pushover）分析，得出采用滑动支座可释放楼梯斜撑作用、减少楼梯地震作用效应的结论；同时指出，该方法会造成结构变柔、层间位移过大的不利影响。

2楼梯的震害表现

由汶川地震的震害统计[5]得知，框架结构楼梯的破坏主要集中于梯段板、楼梯间角柱、梯柱和平台梁处。

（1）梯段板。梯段板的破坏主要表现为沿梯段宽方向的水平裂缝，且在水平裂缝处混凝土压碎、梯段板弯曲下挠甚至断裂。水平裂缝主要集中在距离两端支座约1/4处和楼梯施工缝（梯段板1/3跨）处。

（2）楼梯间角柱。角柱破坏主要表现为半柱高处的剪切破坏，破坏面处钢筋屈曲，混凝土压碎。

（3）楼梯间梯柱。梯柱一般为构造构件，截面尺寸和配筋均偏小，故在大震中会出现柱头破损、混凝土压碎的破坏表现。

（4）平台梁。破坏主要表现为平台梁的两端和跨中破坏明显，开裂处混凝土保护层剥落、钢筋裸露。

3考虑楼梯斜撑效应的框架抗震设计

传统的框架结构设计，理论上将框架简化为平面模型进行计算，楼梯间则单独另算；设计中将楼梯间部分作开洞处理，其荷载经过近似转换导荷在框架结构上。这种方法虽简化设计，但忽略了楼梯斜撑作用及其与框架的相互联系，导致楼梯间与结构主体联系欠佳，成为结构整体的抗震第一道防线。

由前述内容可知，楼梯的斜撑作用会增强框架梯井处的刚度增大地震作用，导致破坏严重，故在设计中是不能忽略楼梯对框架的整体性影响。针对该问题，抗震设计可以通过“收”和“放”另种途径予以解决。

（1）“收”。即在框架结构抗震设计过程中考虑楼梯间的斜撑效应，在建模、数值分析过程中，将楼梯与框架主体整体建模、计算，从而“收”入楼梯间处地震作用，加大钢筋配置。目前国内已有不少研究通过结构设计软件和有限元分析软件对框架结构主体和楼梯进行一体建模和抗震性能分析，但该方法分析过程复杂，在实际工程中采用不多。

（2）“放”。即将楼梯间与框架主体脱开，减小楼梯斜撑地震作用效应。图集《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土板式楼梯）》（16G101-2）中，通过对ATa型、ATb型、CTa型、CTb型楼梯在低端梯梁与梯段板间设置滑动支座的方法，“放”掉楼梯对框架主体产生的斜撑效应。该方法会削弱了框架结构整体刚度，使层间侧移增大，但因其方便，是目前工程中广泛采用的抗震措施。

4结论与展望

（1）研究表明，框架结构中的楼梯会产生斜撑作用，该作用会导致楼梯间处因地震作用增大而过早破坏，该效应破坏楼梯间作为安全通道的作用，并破坏楼梯与框架主体的整体性，在设计中应予以考虑。

（2）目前国内实际工程中，考虑方便快捷，多采用滑动支座以释放楼梯的斜撑作用，但该方法会导致结构整体变柔、层间侧移过大等不利影响。所以有关框架结构考虑楼梯斜撑效应的抗震设计，还有很多方法、措施需要行业人士继续探索、研究。

参考文献：

[1]傅学怡.高层建筑结构中现浇楼梯对抗侧刚度的影响分析[J].建筑结构学报，1986（3）：11-25

[2]曹万林，胡国振.钢筋混凝土框架与楼梯共同工作性能研究[J].工程力学，1999（增刊）：23-26

[3]王奇，马宝民.钢筋混凝土现浇楼梯对整体结构的影响[J].建筑结构，2002，32（4）：27-29，69

[4]胡庆昌.钢筋混凝土结构楼梯间与楼梯的震害及设计建议[J].建筑结构，2005，35（11）：31-32

[5]全学友，米伟，张志强.汶川地震中楼梯结构的破坏现象及对策[J].建筑结构，2009，39（11）：75-77

[6]吴勇，王周胜，张玲.框架结构中板式楼梯震害分析及对策探讨[J].建筑技术，2009，40（6）：561-564

[7]冯远，吴小宾，李从春等.现浇楼梯对框架结构的抗震影响分析与设计建议[J].土木工程学报，2010，43（10）：53-62

[8]周旭.水平地震作用下楼梯与框架结构相互作用分析[D].武汉：华中科技大学，2010

[9]宋小虎.汶川县城房屋震害分析与楼梯对框架结构抗震性能影响研究[D].广州：华南理工大学，2010

[10]刘强.楼梯对结构抗震的影响及其抗震设计方法的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011学，2011

[11]刘俊，沈火明.现浇板式楼梯斜撑作用释放的pushover分析[J].四川建筑科学研究，2013，，39（6）：176-179

[12]SangBK，YoungH，AndrewS，etal.ExperimentalAssessmentofVibrationServiceabilityofStairSystems.JournalofConstructionSteelResearch，2008，64（2）：253-259