独立楼梯的抗震性能

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【摘要】本文主要分析了独立楼梯抗震性能的几个要点，根据模型的建立，以及具体的分析来判断楼梯的抗震性能，进而得出了一些比较准确的结构，以期可以为独立楼梯的设计提供参考。

【关键词】独立楼梯；抗震性能

中图分类号：TU229文献标识码： A

一、前言

目前，独立楼梯的使用范围越来越广，作为一种抗震性能较好的楼梯形式，独立楼梯也被广泛关注，所以，进一步分析独立楼梯的抗震性能也是必要的工作。

二、震害分析

根据地震灾区的大量现场调查资料和图片来看，不带折板的梯板的破坏，大量出现于梯板的中段，形式以混凝土正截面严重拉裂为主；带较长折板的梯板的破坏，大量出现在梯柱顶部，形式以梯板整体从梯柱脱落为主。

出现的破坏形式是由以下机理所致：不带折板的梯板，在平面内刚度很大，必然会增加主体结构的整体刚度，更多地吸引地震作用，从而导致楼梯间的相关结构构件的破坏；而其平面外的刚度很弱，考虑其整体结构中局部独立斜板的特性，竖向地震作用不能忽略，从而导致斜板的跨中弯矩增大，使混凝土出现裂缝，在地震的反复作用下，裂缝开展加剧。带折板的的梯板，由于有局部平板，斜撑作用有所减小，其平面内刚度对主体结构的刚度影响有所降低；同时，由于平板本身对斜板的约束作用，使其空间刚度显著增加，再加上独立斜板的跨度相应减小，其竖向地震的敏感性显著降低，对其影响不大。而梯板与梯柱之间的连接就成了薄弱部位，造成整体脱落。

三、试验研究

1、首先对三个比例为实际构件尺寸的1/2的单层钢筋混凝土板式楼梯缩尺模型的滞回性能试验。试件的混凝土设计强度等级为C45，几何尺寸如图1所示，试件的配筋如表1所示，其中试件1、试件3的梯段板厚度为50mm，试件2的梯段板厚度为70mm。

a―立面；b―平面

1―加载梁；2―板厚；3―梯梁，断面120mm×250mm；4―梯

梁；5―平台板；6―框架柱；7―构造柱；8―地梁；9―1号构造

柱；10―地梁，断面300mm×400mm；11―1号框架柱；12―1

号梯梁；13―2号梯梁；14―2号构造柱；15―2号框架柱

图1试件示意

表1试件钢筋配置

试验中用上部千斤顶及下部钢横梁限制加载梁Y轴方向的位移，并通过加载梁上、下的滚轴使加载梁在MTS的作用下产生沿X轴方向的水平位移和绕Z轴的微小转动。

通过加载梁处的位移计和MTS液压伺服加载控制系统测出加载梁的水平位移及相应的水平荷载，得出试验的骨架曲线。然后对试验进行有限元模拟，并与试验结果进行比较分析，以揭示不同影响对钢筋混凝土楼梯抗震性能的影响。

2、模型计算

结构缩尺模型的有限元分析中混凝土采用三维实体8结点缩减积分单元(C3D8R)，钢筋采用三维杆单元(T3D2)来模拟。混凝土采用损伤塑性本构模型(本文中混凝土损伤均采用塑性损伤模型中的损伤因子表示，钢筋采用双线性模型，钢筋的材料参数按表2取值。

表2钢筋材料参数表

假设柱底及下梯段板底部为固接，加载梁无Y轴和Z轴方向的水平位移。计算中采用位移控制加载方法，分别对楼梯模型施加沿X轴正向(受推)和反向单调递增的(受拉)水平位移。由于试验过程中约束装置的刚度不够，导致加载梁发生了一定的转动，因此有限元分析时在水平位移加载的同时还在加载梁处施加了绕Z轴的一个角位移，并假定该角位移与水平位移呈线性关系(当水平位移从0单调增加或降低至表3中的位移时，该角位移从0单调增加或降低至表1中的角位移)。

a―试件1；b―试件2；c―试件3

1―试验骨架曲线；2―计算模拟曲线

图2试验骨架曲线与计算模拟曲线的比较

四、性能测试结果

1、单层楼梯模型正向加载时，楼梯水平方向的刚度和承载力随梯段板厚度的增加而明显增大，而在反向加载时，梯段板厚度的变化对楼梯水平方向的刚度及承载力几乎没有影响。在层高不变情况下，单层楼梯模型正向加载时，楼梯水平方向的刚度及承载力随梯段板坡度的增加而明显降低，而在反向加载时，梯段板坡度的变化对楼梯水平方向的刚度及承载力没有影响。

2、楼梯在受推或受拉过程中水平承载力具有不对称性，采用双层纵筋贯通布置形式更有利于楼梯的抗震。

五、提高楼体抗震性能需要注意的要点

经过合理设计的折板楼梯可以削弱楼梯在水平地震作用下的斜撑效应,减弱楼梯参与整体结构受力的性能,减轻地震作用在框架间分配不均的现象,进而减小楼梯构件内力及其设计难度,并且使楼梯间的框架柱不再会形成短柱,降低位移限值的保守度,减少浪费。

1、从结构整体受力角度出发得出结论

楼梯抵抗水平地震作用是极为不利的，而楼梯构件对于保证人民生命和财产安全又非常重要，其结构的安全要求和构造措施宜比主体结构有所提高。但这对矛盾使得我们要考虑楼梯在地震作用荷载工况下的构件承载力验算，楼梯构件的受力十分不利(楼梯板为拉弯、压弯构件，垂直梯跑方向的楼梯梁则在楼梯板传递来的巨大轴力作用下将处于双向剪切和弯扭状态，受力非常不利，梯柱情况也相似)；在这种情况下，如果按照传统设计方法势必会增加构件截面尺寸和配筋面积，而这反过来又导致楼梯间的局部刚度增大，从而在水平地震作用下分配到更大的水平地震力。所以，在水平地震作用下，不使楼梯参与结构的整体受力，一切问题就好解决了。

（一）原先的所有计算设计假定都将成立，水平地震力仍然在主要抗侧构件间按刚度分配。

（二）结构的自振特性，自振周期、振型等与原先计算仍然相同或接近。

（三）楼梯构件原先的设计方法仍将适用。楼梯板主要承受竖向荷载作用，为受弯构件；楼梯梁、楼梯柱的受力状态也将不那么复杂了；楼梯构件在地震作用下的受力状态越简单，对于保护楼梯构件将越有利。

2、从传力角度出发得出结论

从传力角度考虑楼梯震害的破坏形式，问题并非出在楼梯结构的竖向传力体系，而是出在其水平传力体系上。在进深方向上，水平力一般是通过楼板传递给竖向构件的，由于楼梯板是斜板的缘故，实际上起到一个“K”形支撑的作用，其刚度之大而引起的内力集中是不可忽略的问题。楼梯板若不经过合理的设计，则无法可靠的传递水平力，必然会导致承载力不足。因此，应该对楼梯采取以下抗震构造措施:

（一）平台梁的抗震构造措施楼梯在水平力的作用下，无疑加大了平台梁的扭矩，故除了箍筋要全长加密外，还需沿侧向设置构造钢筋。此外，在跨中的箍筋间距应为50mm，防止楼梯井处由于应力集中和冲切引起的破坏。

（二）楼梯板的抗震构造措施楼梯板在水平力的作用下，存在较大的剪力和轴力，不可以忽略不计。因此，除了按计算要求设计外，必须从构造上采取加强措施要改变过去用设计普通楼板的方法设计楼梯板，可将楼梯板视为压、弯、剪受力构件，提高板厚度和配筋率的构造要求，保证传递水平力所需的刚度；配置双层受力钢筋，以满足受压承载力的要求。

（三）提高楼梯间整体稳定的措施楼梯间整体稳定与结构支承的稳定密切相关，对于框架结构首先要提高楼梯间及与楼梯间相邻的框架柱的强度和刚度，防止休息平台处框架柱形成短柱。其次，还可以通过在楼梯间增设剪力墙、支撑及设翼柱等多道防线提高楼梯间的整体稳定。而对于砌体结构，则应从构造上采取加强措施。除了楼梯间四角设构造柱外，还应在梯段板上下对应的墙体处再增加4个柱，并根据抗震设防烈度的大小(7～9度)，在楼梯间墙体的休息平台或半高处增设钢筋混凝土带或钢筋砖带，顶层楼梯间横墙和外墙应沿墙高每隔500mm设通长钢筋，突出屋顶的楼梯内外墙交接处应设通长拉结钢筋等措施。

六、结束语

综上所述，独立楼梯的抗震性能较好，但是，在楼梯的设计过程中，依然要重视其抗震设计的要点，采取更加合理的方法来设计楼梯的抗震参数，提高其抗震的效果。

【参考文献】

[1]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.2011，11.

[2]郭顺民.楼梯间抗震设计简析[J].陕西水利.2010，03.

[3]王宇亮,刘伟,刘磊,赵志超.抗震设防地区多层砌体房屋的抗震设计[J].河北理工大学学报(自然科学版).2012，04.