楼梯对框架结构的影响

王春龙，金文良

（1.中国人民解放军后勤工程学院，重庆九龙坡400041；2.广东省公路建设有限公司，广州天河510600）

楼梯对框架结构的影响

王春龙1，金文良2

（1.中国人民解放军后勤工程学院，重庆九龙坡400041；2.广东省公路建设有限公司，广州天河510600）

本文以某建筑工程为背景，通过建立二种框架结构模型：无楼梯模型和整体现浇板式楼梯模型，运用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部研制开发的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE，对结构进行整体分析.对比分析了二种模型框架结构构件内力和主要参数指标的变化，总结出楼梯构件在地震作用下对框架结构产生的影响.并给出在结构设计中楼梯应采取的一些构造措施.

楼梯；框架结构；配筋；参数

汶川地震中许多框架结构楼梯遭到严重破坏，造成大量的人员伤亡.作为灾难逃生通道的楼梯间并没有起到保护人民生命的作用，而是在地震来时，楼梯间破坏坍塌，安全通道作用荡然无存.楼梯作为建筑的竖向疏散通道，人流疏散时会产生较大的集中活荷载，特别在地震作用框架结构时，致使整体现浇板式楼梯受力性能更加薄弱，其中一个主要原因是梯段板在顺梯板方向的斜向支撑破坏，会加快楼梯间相关结构构件的破坏[4].框架结构是当前建筑结构中应用比较广泛的结构体系，框架结构的楼梯布置与设计,在目前的抗震设计中,规范中关于楼梯有如下规定：《高层建筑混凝土结构技术规程》第6.1.4条要求：“抗震设计时，框架结构的楼梯间应符合下列规定：1、楼梯间的布置应尽量减小其造成的结构平面不规则，2、宜采用现浇混凝土楼梯，楼梯结构应具有足够的抗倒塌能力，3、已采取措施减小楼梯对主体结构的影响，4、当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时，应考虑楼梯对地震作用及其效应的影响，并应对楼梯构件进行抗震承载力计算”[1].《建筑抗震设计规范》第3.6.6条1款要求：“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.”第6.1.15条1、2款要求：“宜采用现浇钢筋混凝土楼梯，对于框架结构楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则；楼梯构件与主体结构整体浇筑时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响.”[2]规范对楼梯设计的基本要求不见适用于框架结构，同样也适用于其它各类结构的楼梯，而在他各类结构中如框架-剪力墙结构、框架核心筒结构、剪力墙结构，由于结构自身刚度较大，楼梯的斜撑作用对主体结构的影响较小[3]，所以楼梯参与整体计算影响最敏感的结构就是框架结构.

1 工程概况

本工程拟建场地位于拉萨市曲水县，抗震设防烈度7度（0.15g），设计地震分组为第三组，建筑场地类别Ⅱ类场地土，抗震设防类别标准设防类，地上4层的多层建筑，结构形式为框架结构，楼梯间布置在W～U、8～9轴之间（平面布置如图1所示）.框架抗震等级为三级；层高一层为4.5m，二～四层为3.3m；轴网尺寸7.7+5.5，6.9+7.2*2+3.6+7.2* 2+6.9，框架柱截面尺寸600x600mm，框架梁截面均为300x600mm，楼面次梁截面为200x500mm，楼板100mm厚.楼面(包括自重)恒荷4.2K N/m2，楼面活荷2.0K N/m2，屋面恒荷（包括自重）8.0K N/m2，屋面活荷0.7K N/m2；外围框架梁线荷载9.0K N/m，其余梁线荷载10K N/m.

图1 某框架结构平面布置图（单位cm）

2 结构分析

2.1 模型中建立楼梯的方法

与主体结构一起浇筑的现浇钢筋混凝土楼梯，设计中用于计算和分析的楼梯模型通常有两种形式.一种为考虑楼梯构件对框架结构刚度的影响和楼梯的斜撑作用，楼梯参与结构整体共同工作，在结构模型建立时输入楼梯；一种为忽略楼梯构件对框架结构的影响，在结构模型建立时则不输入楼梯，即结构整体工作时不考虑楼梯构件的作用，但施加楼梯荷载.

结构模型中建立楼梯时，在P K P M中定义与布置楼梯后，退出P M C AD时要勾选“楼梯自动转换为梁”选项（数据在L T目录下），这样程序在L T文件夹中生成楼梯模型数据.转换楼梯后的计算模型将梯间处原1个房间划分为3个房间，且原有房间的板厚、恒载活载等信息丢失，需要用户手工修改.此时在P M C AD梁定义中会自动生成扁梁的截面尺寸，也就是模型中采用了梁来模拟梯板的斜撑作用.结构模型不建立楼梯时，在P K P M中不定义与布置楼梯构件，而是把楼梯斜板部分板厚输入为零，然后输入楼梯的恒载和活载，这样类似模拟楼梯的竖向荷载加到它的周边构件上，即未考虑楼梯的斜撑作用只是施加了楼梯荷载.

2.2 两种模型计算结果

通过计算，得到了两种模型结构的平动为主的第一自振周期（T1）、平动为主的第二自振周期（T2）、扭转为主的第一自振周期（T t）、X方向最大层间位移角和Y方向最大层间位移角，见表1；同时也计算了两种结构模型一层的楼梯间周边及受荷面积比较大的框架梁和框架柱的配筋（通过计算可知框架结构的底层受力最大，具体构件位置见图2），框架梁配筋计算结果见表2，框架柱配筋计算结果见表3.对这两个模型进行对比分析.

图2 框架梁、框架柱位置图（单位cm

从表1中可以看出，考虑楼梯的模型平动为主的第一自振周期（T1）、平动为主的第二自振周期（T2）、扭转为主的第一自振周期（T t）比未考虑楼梯的模型周期短，且顺梯板方向的（Y向）最大层间位移角变小.但垂直梯板方向（X向）的最大层间位移角变大.

表1 两种模型结构的整体参数

表2 两种模型一层框架梁配筋（单位cm2）

从表2中可以看出楼梯间周边框架梁K L1考虑楼梯模型的顶部配筋变大，底部配筋变小.其他部位框架梁：上部配筋考虑楼梯模型的配筋比未考虑楼梯的模型的配筋均有所减小，最大减小12%（正直表示减小，负值表示增大）；底部钢筋考虑楼梯模型的配筋比未考虑楼梯的模型有所增加，最大增加9.09%.

表3 两种模型一层框架柱配筋（单位cm2）

从表3中可以看出考虑楼梯模型的框架柱X向、Y向配筋比未考虑楼梯模型框架柱的配筋的均有所减小（正直表示减小），最大可减小23%.

通过以上分析可见,楼梯对结构刚度及承载力均有较大影响.由于楼梯的存在,考虑楼梯斜支撑作用后使得框架结构整体刚度增大，从而对对框架结构整体参数如自振周期、位移等有不可忽视的较大影响,建议在结构计算中予以适当考虑，对于周期、位移、位移比等参数的控制，按照楼梯共同作用的模型考虑.

结构在地震的作用下，楼梯对结构内力及配筋均有较大的影响.对于框架梁，根据其所在位置，对梁的负弯矩区和正弯矩区配筋的影响不同.对于框架柱，考虑楼梯模型框架柱的配筋的均有所减小.由于现阶段用于模拟楼梯的计算软件还不够完善，楼梯参与计算模型和实际楼梯的作用还是有很大的差别的，无法精确地把楼梯输入模型，模拟楼梯的用作.楼梯是否有如此大的斜撑作用，尚需进一步研究，所以在进行内力配筋时，楼梯的影响程度还是需要设计师自己把握和设计.为保守起见，结构的配筋取其两种模型的包罗值.计算分析中还发现，楼梯对框架结构的影响随着地震力的不同影响程度也不同，尚需进一步研究.

2.3 减小楼梯构件对主体结构影响的构造措施

在上述的基础上对楼梯的设计提出了一些建议，楼梯是个斜撑有刚度贡献，因此易吸收水平力.所以，框架结构的楼梯，可以优先采取构造措施减小楼梯构件对主体结构刚度影响，而不是直接参与计算.如采用将楼梯平台与主体结构脱开的方法（或在每个梯段下端梯板与平台或楼层之间设置水平隔离），以切断楼梯平台与主体结构的水平传力途径，使每个楼梯平台支撑在楼面梁上且对结构的侧向刚度影响降低到最低限度[3]，两种做法，休息平台与主体脱离或梯段板下端做滑动支座，这样在建模时可不考虑楼梯对主体结构的影响.楼梯平台板与主体结构脱开时，同时休息平台4个梯柱按框架柱构造并考虑适当加强.楼梯柱的截面尺寸宜满足框架柱要求，柱子宽度受限而不能满足规范要求时，应控制不小于200，并相应加大截面高度[5].

3 结语

通过以上分析，可以得出如下结论：

1、设计框架结构，考虑楼梯参与共同作用时，结构的内力配筋建议取有楼梯模型和无楼梯模型的包罗值；对于周期、位移、位移比等参数的控制，按照楼梯共同作用的模型考虑.

2、框架结构的楼梯，优先采取构造措施减小楼梯构件对主体结构影响，而不是直接参与计算.

3、楼梯间的设置应遵循均匀对称的原则，避免在房屋的端部，角部设置楼梯间，避免楼梯间的设置造成结构刚度较大的变化.避免造成结构的扭转不规则.

[1]建设部.高层建筑混凝土结构技术规程（J G J3-2010）[S].北京；中国建筑工业出版社，2011.

[2]建设部.建筑抗震设计规范（G B50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]朱丙寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2012:199.

[4]谭小平.滑动支座板式楼梯对框架结构抗震性能分析[D].成都：西华大学,2014.

[5]朱丙寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2012:260.

The Inf luenceof Stairson Frame Structure

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S t a i r s;F ra me S t ru ct ur e;R ein f o r cement;Para mete r s

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1672-2094（2017）03-0159-03

责任编辑：张隆辉

2017-03-01

王春龙（1982-），女，吉林敦化人，中国人民解放军后勤工程学院工程师，硕士.研究方向：建筑结构设计.