混凝土楼梯对框架结构的影响与优化措施的应用研究

邱晓燕

摘    要：楼梯是建筑空间中重要的垂直运输设施之一，它将层与层连通起来，是不同楼层间的交通工具，楼梯的主要最功能是通行。大部分的混凝土楼梯是由梯段斜板、半平台、梯梁、梯柱组成，考虑到现浇楼梯斜板与框架构件浇筑一起为刚接状态，这样梯段就处于斜撑受力状态，对整体结构的刚度有很大的影响，所以目前在结构模型计算中大多数是不输入楼梯构件的，就是楼梯不参与整体结构模型计算，而是将楼梯以等效荷载形式加到楼梯周边框架构件上。

关键词：斜撑作用;等效荷载;模型计算对比

1  概述

结构设计中计算模型分析多数不输入楼梯，而是将其等效为荷载加在周边楼面构件上的主要原因，认为楼梯对结构受力影响不大，通过加强楼梯周边楼面构件的构造措施就可以保证结构的安全。

鉴于汶川地震造成结构楼梯间严重损坏，失去楼梯逃生功能的作用。现行规范针对楼梯结构抗震分析、设计作出如下规定：GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》2016年版，第6.1.15条规定：“对于框架结构，楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件的抗震承载力验算”。

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第3.6.1条规定：“增强疏散通道结构构件及其传力部位的承载力和变形性能”。

本文采用是为YJKS2.0.1，对楼梯是否建入模型对框架结构的指标及构件影响。

2  框架结构办公楼工程概况

本工程为四层框架结构的办公楼，结构平面布置见图1所示，种模型分别进行计算并进行比较，一是常规做法;即无楼梯布置，楼梯间处板厚为零，输入平面面荷载（恒荷载：7kn/m?，活荷载：3.5kn/m?），二是将楼梯布置一起建入模型见图2。计算软件为YJKS2.0.1。

工程概况，设防烈度7度（0.1g）。第二组，II类场地，层高4.5m，框架柱截面尺寸500×500mm。

3  是否考虑楼梯 两种模型对整体结构影响的对比

3.1  楼梯建入模型的方法

框架结构中的混凝土楼梯，在结构计算的有两种方式，一种是考虑楼梯对框架结构的斜撑作用和刚度贡献，在建立模型时输入楼梯。另一种是忽略楼梯对整体框架结构的影响，但是在建立模型时并不输入楼梯，只是把斜板部分板厚输入为零，再输入楼梯的恒载和活载，这样做模拟了楼梯的竖向荷载加到楼面构件上，但是没有考虑楼梯的斜撑作用，只是在模型中施加楼梯荷载。

根据规范混凝土楼梯抗震等级提高一级，现在还不能在计算模型中实现输入抗震等级，可以将楼梯周围的框架柱和框架梁抗震等级提高一级。

在YJK软件建入楼梯时，需要勾选 “ 生成楼面位置处梯梁”和“生成梯柱”见图3。

3.2  两种模型计算结构对比

通过计算，对比两种模型的计算结果，得到了以平动为主的第一自然周期（T1）（T2）、扭转为主的第一自然周期（T3），X方向最大层间位移角和Y方向最大层间位移角见表1，（通过计算可以知道框架结构的底层受力最大，KL、KZ平面位置（见表2）框架梁计算结果对比见表3，框架柱计算结果对比见表3。

楼梯是否参与模型计算对框架结构的影响。

从表1可以发现，考虑楼梯的模型T1、T2、T3比未考虑楼梯的模型周期短，且Y 向、X向最大层间位移角都变小。

从表2可以看出楼梯间周边框架梁，考虑楼梯相对于不考虑楼梯，上部钢筋还是底部钢筋均减小，其中底部配筋最为明显，框架梁最大减小23%。

从表3可以看出，考虑楼梯的模型的楼梯旁的框架柱X向和Y向都没有变化，箍筋减小18.2%。

通过以上模型计算分析可发现，楼梯对结构刚度有很大影响，楼梯的存在考虑到楼梯斜撑的作用后使得框架结构整体刚度增大，进而对框架结构整体计算指标如周期、位移等都有很大的影响，所以在结构计算中应当考虑楼梯的的作用，对于周期、位移、位移比等参数的控制，按照楼梯参与模型计算这样比较接近真实。

3.3  现楼梯在整体结构计算中存在的问题

（1）从混凝土楼梯在整体结构分析中的受力角度来看，因为楼梯的参与造成整体结构的局部刚度增大，这样会影响到整体结构安全，而楼梯构件的安全又是对生命安全的基本保障，为了保障楼梯的结构安全，现规定混凝土楼梯抗震等级主体结构提高一级。考虑到楼梯在地震作用荷载工况下的构件承载力验算，楼梯构件真实的受力状态，处于剪切和扭转的受力状态，这种情况下必将增加楼梯的构件尺寸及配筋面积，但是这样又会使楼梯局部刚度的进一步增加，因此在地震作用下分配到更大的地震力，又会增大构件截面、配筋，成为一对矛盾。

（2）框架结构在地震作用下，楼梯对结构内力及配筋均有较大影响，对于框架梁，根据所在位置，对框架梁的负弯矩和正弯矩配筋影响不同，对于框架柱，楼梯模型的框架柱箍筋有所减小，计算软件输入楼梯布置时无法输入框架梁方向的梯柱，梯柱截面也暂时无法修改，抗震等级也不能在模型中修改。梯柱截面尺寸要根据梯柱位置、层高、荷载等实际情况进行确定，模拟楼梯计算的软件还不够完善，楼梯参与计算模型和实际楼梯的作用一定是有差别的，楼梯是否有这么大的斜撑作用还需要进一步研究，为保守起见，结构配筋需要取两种模型的包罗值。

（3）楼梯对结构整体水平抗侧剛度影响的主要原因在于楼梯斜板的受力状态，主要原因在于楼梯斜板与上部楼面板，下部半平台板的连接问题上;两者之间是整浇在一起形成刚性连接，两者受力变形需要要协调，这样在这个水平位移作用下，梯段斜板发生了较大的轴向变形，产生了巨大的轴向力，这个轴向力传递给楼梯梁，使得楼梯梁又处于复杂的受力状态，梯段斜板处于“斜撑”受力状态。

3.4  楼梯在整体结构设计中的抗震措施

楼梯在框架结构设计中，除了模型计算时建入楼梯，还有一种是为了消除梯段斜板对整体结构的斜撑作用，在梯段下端做滑动支座，使的梯段下端和主体框架结构采用柔性连接，梯段斜板失去斜撑作用，滑动支座布置详图见图4，在地震作用下，楼梯板只发生与楼面板或休息平台板的相对水平滑移，不产生拉压变形;这样楼梯板将由拉弯、压弯受力状态退回原先的受力状态，对结构整体的抗侧刚度影响也相应降低很多，建立整体结构模型时，不再用考虑楼梯对整体结构的影响。

4  结论与建议

4.1  结论

在框架結构中，相对于楼梯输入计算模型，设置滑动支座后，使梯段斜板对整体结构影响最小。

（1）水平地震力作用仍然在主要抗侧构件承担。整体结构失去斜撑作用，不再参与整体结构的水平力作用，对与整体结构的影响最小。

（2）结构的周期、振型等与整体框架计计算时的结果近似。

（3）设置滑动支座后，楼梯板主要为受弯构件，将主要承受竖向荷载作用;梯梁、梯柱的受力状态也变得简单;这样对于保护楼梯构件将越有利;对于整体结构安全有利。

（4）地下室楼梯构件不参与抗震计算，所以地下室楼梯端部可以不设置滑动支座。

4.2  建议

（1）结构中的楼梯布置应对称布置，避免楼梯间布置结构平面的角部或者端部，避免造成整体结构局部刚度的较大变化，楼梯间的布置不应导致结构平面的特别不规则，应符合GB 50011-20106.1.15条规定。

（2）具体结构条件具体分析，不是将楼梯盲目直接参与模型计算，采取不同得措施，主要目的减少楼梯对整体结构的影响。

参考文献：

[1] GB 50010—2010（2015年版）.混凝土结构设计规范[S].

[2] GB 50011—2010（2016年版）.建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50009—2012.建筑结构荷载规范[S].

[4] GB 50016）—2014（2018年版）.建筑设计防火规范[S].

[5] 16G101—2.现浇混凝土板式楼梯[S].