钢筋混凝土框排架主厂房楼梯抗震性能分析
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摘要：通过对工程实例的计算分析，分析了余热发电主厂房钢筋混凝土框排架结构形式中现浇楼梯参与分析时楼梯周边的梁、柱地震作用。计算结构表明，结构分析中计入楼梯对结构的自振周期、刚度分布及构件内力影响较大。结构中楼梯及周边构件将承担更多的地震力，楼梯处主体结构须考虑地震影响，在抗震条件下应增强构造要求。最后提出了楼梯结构抗震设计及构造措施。
关键词：框排架结构；楼梯；抗震设计；影响
前言
在汶川及历届地震灾害中，楼梯作为生命通道却破坏多有发生，有些甚至断裂、倒塌。这些引起了我们对以往楼梯设计方法的反思，《建筑抗震设计规范》[1]对其布置、构造等亦提出了相应的规范要求，并规定结构计算中应考虑楼梯构件的影响。余热发电主厂房其结构布局一般为框排架结构体系，汽机间与配电室、集控室等综合布置，其结构竖向层的布置较为杂乱，存在大量的错层现象，受其功能布局限制，楼梯往往布置于框架结构侧边或转角处，这就导致了结构在抗震性能方面存在“先天性不良”。分析了余热项目发电主厂房楼梯对整体框排架结构的影响，提出了此类结构楼梯的抗震设计建议。
1. 实例计算及分析
1.1 楼梯结构对主体结构的影响
参照工程实例，用PKPM程序建立框排架结构模型，来分析楼梯地震作用及其与主体结构之间的相互影响。汽机间水平向柱子间距为6.0m，垂直向柱子间距电控室跨距为8.0m、汽机间为3个5.0m，第一层(电气间)层高为3.6m，电缆夹层层高为3.4m，集中控制室层高为4.5m，楼梯均为普通板式楼梯。基础顶标高为-2.300m，Ⅱ类场地，设防烈度为8度，第二组，设计基本地震加速度为0.20g。计算中考虑结构的非对称性引起的扭转效应，取振型数为12个，结构阻尼比为0.005，周期折减系数取0.80。图1比较了有楼梯构件与没有楼梯构件下X向和Y向地震楼层位移角。可以看出，输入楼梯结构时对整个框架架结构影响较大。
2.2 框架梁、柱内力分析
此处仅取边跨框架进行分析，可见考虑了楼梯的空间作用后，在与休息平台相连的框架梁中剪力有较大幅度的增加，此例中增加了约116kN；平台处下部柱子因承担上跑梯段传来的轴力，剪力增大幅度较多，此例中增加了近140kN，轴力增加了近2.8倍。在输入楼梯参与分析之后，由于楼梯结构的空间作用使得楼梯间处的刚度增大，地震作用下水平力将与楼梯板轴力的水平分量相平衡，并且由于楼梯板坡度的缘故，相当于形成了一个斜向支撑，具有更大的刚度而造成内力的集中。同时由于框架柱计算高度减小，抗侧移刚度增大，承担了比未考虑楼梯参与情况下更大的剪力。
2.3 楼梯结构地震作用分析
在地震的反复作用下，楼梯梯板呈现出反复受拉、压的受力状况，因此地震作用下楼梯梯板受力应为一种拉（压）弯受力构件。按照传统设计方法，楼梯只考虑垂直方向荷载将其当着一种简支构件计算，在此例中楼梯受力弯矩M=37.6kN.m，通过整体计算分析其梯板在地震作用状况下最大轴向力达到了596kN。设计钢筋采用二级钢筋，fy=300N/mm2 ，可以得到不考虑地震作用情况钢筋用量约为[2] ：As=M/(γs×fy ×h 0)=936mm 2 ；地震荷载作用下钢筋用量为：As=1987mm2。可以看出其钢筋用量约常规设计方法用量的2.1倍，说明梯段的抗震承载力存在较大的不足，梯段的设计需要考虑整体作用效应下地震作用的影响。
3. 结语
由上文分析可以看出，由于楼梯的存在增加了结构的刚度，参与了楼层间水平地震作用的传递过程，对框排架这种填充墙较少的结构其作用较为明显，楼梯间处框架梁、柱内力和楼梯构件内力均相应增大。因此在楼梯设计时应将其看作为一个完整的结构，可以认为是结构的一个局部结构单元，需要结合震害从概念上加以把握。在此类结构设计时建议可以采用以下措施：
(1)在结构设计时应通过建立整体分析模型来确定结构与楼梯的薄弱部位及受力。
(2)楼梯除应根据计算确定构件受力与配筋外，建议增强楼梯结构体系概念设计。
(3) 楼梯间周围框架结构受力均影响较大，梯间框架梁、柱建议全(长)高加密箍筋，梯梁在跨中与端部箍筋采取加密构造，在设防烈度较高的建筑中建议全长加密。梯板增加设计厚度并纵向钢筋采用双层通长配筋，角部钢筋采用比梯板内纵筋大一个级别的钢筋，并在板垮1/3处采用类似梁的箍筋构造，以增强梯板的面外抗弯能力。
(4)施工须保证梯段的连续性，施工缝的留设应位于梯板与梁的连接处，不得将其留设于板跨内。
参考文献：
[1] GB50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.