框架中楼梯结构设计的探讨

钱厚明

【摘要】地震震害表明傳统的楼梯结构设计习惯存在较大缺陷。本文根据对楼梯构件震害的破坏形态及破坏机理的分析，针对框架结构的楼梯结构设计提出一些建议。

【关键词】地震震害 楼梯 框架结构

1 概述

建筑结构设计在涉及楼梯间时，通常采用楼梯间开孔、梁上加荷载的方式进行结构分析。这种方式即是忽略了楼梯在结构抗侧力体系中的作用。作为地震时的主要逃生通道，楼梯间的安全必须得到保证。汶川地震发生后，楼梯间的破坏成为突出问题之一。从震害照片可以看出，楼梯间破坏的形式主要提出了两个问题：一是楼梯对结构的影响，二是结构对楼梯的影响。

通过对楼梯震害形式及楼梯设计理论的分析，对于框架结构中楼梯，在结构分析、概念设计上提供一些思路，在楼梯板、楼梯梁的构造措施上提供一些建议。

2 楼梯对框架的影响分析

图1显示出框架柱被楼梯剪坏，从图中可以看出，由于楼梯的存在，使得框架柱在楼梯节点处发生破坏。本来楼梯间部分刚度就比较大，分配的水平剪力比较大，而又在楼梯中间平台以上部分形成短柱，使得该段柱承受的剪力是其他柱的几倍。如果计算模型中没有考虑楼梯的作用，只是简单的输入了附加荷载，地震时就很可能形成破坏。文献1得出的结论表明，楼梯的存在增加了框架的刚度，减小了结构的自振周期和侧移，使大部分构件内力明显改变，楼梯间框架柱最易形成短柱破坏。

《建筑抗震设计规范》第3.6.6.1条规定"计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况；计算中应考虑楼梯构件的影响。"条文说明中指出"考虑到楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态，对结构的整体刚度有较明显的影响。建议在结构计算中予以适当考虑。"

PKPM已根据规范新要求， 给出了结构中考虑楼梯影响的解决方案：在PMCAD的模型输入中输入楼梯，可在四边形房间输入二跑或对折的三跑、四跑楼梯。程序可自动将楼梯转化成折梁，此后接力SATWE等的结构计算即包含了楼梯构件的影响。

3 地震作用对楼梯的影响分析

3.1梯板破坏形态及受力分析

通常，楼梯梯段斜板计算是按斜放的简支梁计算。然而从图3可以看出，地震发生时梯板的破坏位置并不是在跨中位置，而是在两边大约三分之一处。可见传统的计算理论没有考虑在地震发生时楼梯板的受力情况。

地震力作用下，梯板作为一个斜向构件，除受弯受剪外，还受轴力作用。如果楼梯构件与整体结构协调变形，当框架层高比较大的时候，必然受到巨大的轴力作用而破坏。轴力的大小可以通过有限元软件分析求得。目前SATWE虽然有楼梯模块，但是在楼梯计算时还未考虑楼梯板受轴力的情况。以前标准楼梯板的配筋都是按照《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，03G101-2）设计。

过去标准的配筋形式，板上负筋在Ln/4处截断，所以在轴力、弯矩和剪力共同作用下，在负筋截断后的踏步阴角处，钢筋和混凝土的应力都达到最大，这与震害照片显示的位置是符合的。图4更是极端的显示了这种配筋形式所产生的破坏结果，板中间部分被完全剪断形成孔洞。

当楼梯参与结构整体分析时，必须求得梯板所受的轴力，SATWE可以考虑楼梯对结构的影响，但还未能精确的得出梯板本身内力的分布情况。需要通过通用有限元软件ANSYS、MIDAS等来计算。楼梯的配筋形式应有所改变，建议与楼面连接的梯板板厚适当加厚，梯板上部钢筋通长，配筋应考虑地震力的作用。

对于楼梯与整体结构脱开的情况，楼梯不参与整体结构建模，对于框架柱无影响。但是实际上楼梯为连接上下两层楼板的折形构件，连接楼面的梯段的受力情况与楼梯参与整体分析时相同，同样存在轴力的作用。楼梯的内力同样需要通过通用有限元软件计算。如果想不考虑结构对楼梯的影响，需要在楼梯概念设计和构造上采取一些措施，减小层间位移差对楼梯结构的影响。

图5所示方案，通过释放梯板一端或两端的约束形成铰接，只要节点能够提供足够的转动能力，便可以大大减小梯板中轴力的产生。梯板及梯梁在配筋及构造上应采取措施，既保证节点的转动能力，又能保证梯板作为一个受弯构件的机制。图5是一种建议的节点形式。

3.2梯梁破坏形态及受力分析

目前楼梯梁的计算还是按照简支梁计算，地震时梯梁实际是一个受剪、弯、扭构件。

图6显示梁在支座和中间部位发生剪扭断裂。软件得出的梯梁的内力结果作为参考，适当增加配筋，选用较大直径的钢筋，梯梁箍筋全截面加密。从图6可以看出，在剪弯扭共同作用下，梁的底部应力是最大的，底部混凝土被剪坏脱落。如果能保证梯梁顶部混凝土不全部破坏，底部钢筋不被剪断，能形成正截面受弯机制，地震时可以保证楼梯结构不至于坍塌。

4 结语

地震时，楼梯间作为逃生通道的作用毋庸置疑，所以要特别注意楼梯的安全性。研究表明，楼梯间对框架结构的影响比对框剪和剪力墙结构的影响要大得多。对于框架结构，本文讨论了两种方法，一是楼梯参与整体分析，二是楼梯与结构脱开分析。实际工程中具体采取哪种方法，应根据实际情况而定。不管采取哪种方法均要注意实际构造形成的受力机制应与设计模型吻合。另一方面，如果楼梯参与整体结构抵抗整体结构产生的水平力时，需要注意此时楼梯不能按照传统的设计理论来设计，应根据考虑地震力时计算的内力来配筋和采取构造措施。

参考文献：

1 王奇.马宝民.钢筋混凝土现浇楼梯对整体结构的影响.建筑结构；2002年4月. 27