结构抗震设计中楼梯带来的影响

结构抗震设计中楼梯带来的影响

王华方

云南省昆明市东川区水利水电勘测设计队

摘要：楼梯作为建筑结构的重要构件，在建筑工程使用中发挥着重要作用。然而根据相关研究可知楼梯能够对建筑结构的抗震性产生严重影响，所以要提升建筑结构的抗震性就应当科学合理的设计楼梯。本文将以楼梯对建筑结构抗震性的影响进行分析。

关键词：抗震性；楼梯；建筑结构

改革开放以来我国经济发展迅速，建筑行业更是异军突起成为支撑我国经济发展的重要动力。然而在建筑行业的快速发展中，很多问题也不断暴露出来，其中建筑质量问题成为当前影响建筑行业发展的重要障碍。特别是建筑工程的抗震性问题，在我国近几年发生的地震灾害中，由于建筑物抗震性能不优越，造成了大量的人员伤亡和经济损失。所以提升建筑物的抗震性能成为建筑工程建设中的重要内容，这就要求设计人员提升抗震设计水平，而楼梯是影响建筑结构抗震性的重要构件，设计人员应当在设计中充分考虑楼梯对建筑结构抗震性的影响，进而有效提升建筑整体的抗震能力。

一、楼梯震害类型

根据相关统计可知，地震中建筑结构破坏最为严重的是楼梯间，主要有三种形式楼梯破坏：1、楼梯整体坍塌破坏，例如建筑结构梯柱容易形成短柱，形成剪切破坏；2、梯板拉压损坏；3、梯梁中部受剪破坏。产生楼梯间破坏的主要原因是楼梯具有过大刚度，进而最先被破坏[1]。

二、计算方法

在传统楼梯设计中设计人员仅考虑在地震中楼梯构件等效重力荷载的影响，对于整体刚度受到楼梯构件竖向刚度和平面刚度的影响、梯梁和梯柱等构件受到（根据刚度分类的）侧力的影响缺乏必要的考虑。有限元利用ETABS-V9构建结构模型，通过壳单元模拟楼梯的斜板和平台板并构建层间构件模型，不计斜板刚度和挠度受到踏步刚度的影响[2]。

三、计算模型

某工程为8层框架结构的写字楼，开间方向（x向）柱距3.8米，为10跨，总长为39米；进深方向（y向）柱距为6，2.4，6米，为3跨，宽度和为14.4米；底层的层高为4.6米，其余每层为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）；抗震设防烈度为9度0.30g，设计地震分组第3组，场地类别3类；基本风压为0.46kN/m；恒载为2.6kN/m，活载为3kN/m，均布荷载为24kN/m；特征周期为0.4s；场地粗糙类别是B类；主体结构为钢筋混凝土框架结构；绘制楼梯采用线拉成面，采用双跑楼梯。运用直线杆单元进行柱、梁的模拟，用空间杆件做直线杆，具有双轴剪切变形、轴向变形、扭转、双向弯曲效应，运用模单元模拟楼板[3]。依据楼梯的不同位置布置单元构建了12种模型，运用不计入和计入楼梯模拟构件。如图1所示[4]。

图1建筑结构平面示意图

四、地震作用下楼梯构件对整体结构的影响

位置1（模型1）运用不计入和计入两种楼梯情况的有限元分析，在表1中列入分析结果，分析表1可知结构x向与y向都受到楼梯一定程度的影响，y向受到的影响更大。

表1分析结果

楼梯模型计入楼梯不计入楼梯相差首层刚度/（kNm）X向7982457364258.4%Y向92456774517842.3%顶点最大位移/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、楼梯布置位置对建筑结构的影响

第一，在只设置一个楼梯的情况下，楼梯从中间向两端改变，y向层间位移角、层间位移比、地震下定点的位移都逐渐增大，层间的位移比的结果是从模型5（位置5）1.33增大到模型1的1.69，如图1。在楼梯刚度增加的过程中扭转变形也大幅增加，可见楼梯刚度会严重影响结构扭转变形。

第二，在设置两个楼梯的情况下，根据图1可知在平面位置3布置楼梯时，y向层间位移角、层间位移比、地震下顶点位移最小，此时结构具有最好的刚度，对于扭转变形产生的影响最小[5]。

第三，楼梯布置位置不完全在y向地震作用下时，计算结果比较如表2.

表2计算结果比较

位置1356811顶点最大水平位移/mm24.4516.1917.9317.0916.6717.67最大层间位移角1/4651/8071/6671/7921/8011/678最大层间位移比1.461.291.172.092.052.07柱弯矩/（kNm）336203247柱剪力/kN166124124柱轴力/kN383353289

六、楼梯对楼梯间角柱的影响

通过对模型6（位置6）进行分析可知，楼梯会严重影响楼梯间梯柱，对于其他柱的影响不大，楼梯间框架相邻柱和框架角柱在y向地震作用下轴力为表3.

表3楼梯间框架角柱和相邻柱在y向地震作用下轴力

楼梯间框架角柱参与空间分析y向地震作用下轴力/kN不参与空间分析y向地震作用下轴力/kN相差楼梯间框架角柱606267127%楼梯间x向相邻第一根框架柱33429712.6%楼梯间x向相邻第二根框架柱2732978.2%

七、讨论

通过整体结构（不同的楼梯布置和结构规模）的抗震分析可知：第一，楼梯构件严重影响着建筑结构的抗震性，结构局部抗侧刚度因楼梯的存在而大幅增加，结构自振周期因此降低。楼梯在水平地震作用之下产生的地震反应较明显，如果将楼梯构件考虑纳入到计算中，通过调整结构，小抗震要求在普通楼梯布置方法中能够得到满足，但是在楼梯间个数、位置、楼梯构件强度等方面具有较高要求。第二，应当给予楼梯非对称布置情况下的扭转效应充分的重视。第三，楼梯会严重影响相连框架柱，表现为强剪型受力[6]。

根据以上内容可知，作为建筑物中重要组成部分的楼梯构件，它对整体结构的抗震性能具有较大影响。楼梯参与整体结构计算中，楼梯的位移、地震作用、周期都会发生一定变化。在建筑结构设计中，设计人员应当整体性分析建筑结构和楼梯构件，并运用相应的构造措施，设计时保证模型满足实际情况，符合业主使用需求，为人们的生命和财产安全提供保证。但并不是在整体结构计算中简单的纳入楼梯就能将问题解决，应当注意整体结构和楼梯共同发挥作用会引发相邻框架柱和楼梯的破坏。

结语：

近年来地震灾害多发，建筑工程抗震能力越来越受到人们的重视。随着对建筑设计研究的不断深入，楼梯对建筑结构抗震性的影响已经受到设计人员的广泛关注。然而在具体的建筑结构抗震设计中对于楼梯的考虑还不够，需要建筑工程设计人员全面综合的考虑楼梯的影响，进而最大限度减小建筑结构抗震性受到楼梯的影响。

参考文献：

[1]邓立崧，姚琼，刘启强.框排架结构主厂房现浇楼梯对整体结构的影响及设计对策[J].工程建设与设计，2010，（07）：41-43.

[2]冯远，吴小宾，李从春.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，（12）：53-62.

[3]王旋，李萍，焦振奇.汶川地震中钢筋混凝土框架结构抗震性能的思考[J].甘肃科技，2011，（11）：115-118+109.

[4]燕鸣全.建筑楼梯对钢筋混凝土框架结构抗震设计影响的研究[J].施工技术，2011，（06）：4-6.

[5]代红军，祁皑.不同宽度楼梯对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响分析[J].西南科技大学学报，2014，（06）：48-55.

[6]张斌，谢步瀛.框架结构抗震设计中楼梯间设置滑动支座的进一步分析[J].工程建设与设计，2012，（09）：99-101.