板式楼梯振动对建筑结构稳定性的影响

何弘泉 沈海波 岳俊超 梁兆照 鲁红权

摘要：板式楼梯因其施工简单、经济适用而在实际建筑结构中得到了广泛的使用。本文针对板式楼梯的动力学性能分析其对建筑结构的稳定性的影响，提出结构抗震设计的思路和需要注意的事项，结合实际工程给出一些楼梯抗震的构造设计措施的建议，以确保结构的稳定和安全可靠。

关键词：板式楼梯;动力学分析;结构稳定性;抗震设计;构造措施

1.引言

楼梯作为建筑结构空间竖向联系通道的主要部件，起着连通、引导人员流动的作用，是保证建筑物正常使用不可或缺的一部分结构;另外楼梯作为灾难来临时重要生命线，其动力学性能对结构的稳定性影响显得格外的重要。因此，在考虑其造型美观、上下通行方便、结构坚固、防火安全等作用时，以及满足施工、经济性要求的同时需要考虑动力学条件的性能要求。

2.板式楼梯的结构组成与受力特点

按结构形式的不同可分为梁式楼梯和板式楼梯，板式楼梯由梯段板、平台板和平台梁组成。各个组成部分在整个建筑结构中功能不同，受力性能也不同。

2.1梯段板

在正常使用情况下，梯段板承受竖向荷载作用，属于受弯构件;若把楼梯间作为一个整体来看，楼梯板又起到了一定的斜撑作用，具有压杆的性质。当梯段板受到水平力时，由于斜撑效应，整个楼梯间吸收了很大的水平力，而楼梯间的中间空洞，抵抗水平力的作用比较薄弱。另外，梯段板通常为层高的一半，平台和层高处存在一个水平位移差，使梯段板受拉。因此，梯段板会受到弯矩，剪力和拉、压的作用。梯段板是主要受力部件。

2.2平台板

平台板位于楼梯两端和提短板结构连接处，由于同一楼层的两个梯段板分别承受拉和压的作用，其对平台板产生一定的扭转效应，产生扭矩效果。

2.3平台梁

平台梁在正常使用下，主要以受弯为主。在水平力的作用下，由于梯段板的斜撑作用，与平台梁相连的两个梯段板相对于平台梁产生扭转左右，很容易导致平台梁受扭破坏。

3.板式楼梯在建筑结构遭遇地震作用后产生破坏的特征

3.1梯段板的破坏

梯段板容易在1/3～1/4跨度之间产生水平裂缝，底部的混凝土出现大面积脱落，底部的受力钢筋裸露并且出现弯曲下挠甚至会出现屈服拉断的现象。

梯段板在1/4处一般存在施工缝，施工不当，混凝土质量受影响，促使该处形成薄弱部位，在地震作用下，破坏明显，甚至出现上下两块板错位分离的现象。如图1.

3.2平台板的破坏

平台板的板面出现了明显的横纵向裂纹。由于存在两梯段板存在水平位移差，在两梯段板的水平推拉作用下，平台板和平台梁承受空间的弯矩、剪力和扭矩的共同作用，使梯段板与平台板的连接处容易断裂。 如图2。

3.3平台梁的破坏

梯梁侧面在两个梯板之间开裂脱落部分混凝土。在地震作用下，楼梯相当于“K”型支撑构件。楼梯的两个梯段在楼梯发生层间侧移，交替承受外部的挤压，平台梁弯剪扭复合受力，平台梁在跨中极易发生剪扭破坏。

3.4楼梯间柱子的破坏

楼梯间多采用框架梁上设小柱，小柱顶上设两方向的梁。在地震作用下，由于柱子截面过小，在框架梁内锚固的长度不足;节点处浇筑的混凝土质量太差，强度太低等都会造成梯间小柱柱头破坏现象。

4.板式楼梯在结构抗震方面的设计思路

根據震害特征的分析，总结以下设计思路：

（1）楼梯梯段板负弯矩钢筋通长，避免在地震作用下梯段板在负弯矩钢筋的截断处被拉断。

梯段板的计算跨度应以斜向长度为基准，而不是采用水平投影长度。

（2）平台梁按照其受弯、剪、扭构件进行设计，抗扭箍筋沿梁通长加密，提高平台梁的抗剪和抗扭能力。

（3）梯梁按照其剪、扭构件进行设计，箍筋通长加密，柱子通长布置，提高其抗侧移能力。

（4）设置滑动支座，避免梯段板和平台梁浇筑在一起。减轻在地震作用下梯段板产生烦人相对滑移，释放部分地震能量并减少梯板的斜撑作用，确保了楼梯在主体结构发生破坏前还能够正常使用。

（5）对于整体性较差的结构形式，在结构计算过程中应考虑楼梯和主体结构之间的相互作用，并且进行包络设计，不宜使用楼板开洞的通用算法。

5.板式楼梯在结构抗震的构造措施

5.1减小地震作用对整体框架的影响

楼梯板高端均支承在梯梁上，楼梯低端带滑动支座支承在梯梁或梯梁的挑板上，楼梯板采用双层双向配筋。这种方法对结构刚度等的影响比较小，不需要参与整体结构抗震计算。滑动支座垫板可采用聚四氟乙烯或钢材等起到有效滑动的材料。

5.2增加抵抗地震作用的影响

楼梯板全部支承梯梁上，楼梯休息平台与主体结构可整体连接2个梯柱形式或者脱开4个梯柱形式，其中休息平台与主体结构脱开连接可避免形成短柱，楼梯板采用双层配筋，厚度不宜小于140 mm。楼梯的支撑作用的方向不同，其中垂直于梯板方向的影响比较小，沿梯板方向的影响比较大，楼梯偏置时还需要考虑扭转的不利影响。楼梯构件在地震作用下受力状态比较的复杂，梯板除了考虑常规的恒载和活载外，还需要考虑地震轴力和面内弯矩，应按面外拉弯、面内压弯剪复合受力状态受力设计。

5.3平台梁的构造措施

支撑楼梯踏步的梁，按拉弯剪复合受力状态设计，且在设计折板楼梯时需在折角处进行箍筋加密，防止折角处的混凝土提前受剪破坏。顺梯板方向的梁，位于框架柱和踏步梯段板之间，直接传递了地震作用的拉压轴向力，因此设计不能只考虑平台板上荷载产生的弯矩。

5.4平台板的构造措施

平台板上下应双层双向布置通长钢筋，且钢筋要保证足够的强屈比、屈强比和极限应变。概念设计时平台板的布置应避免框架柱形成“框架短柱”，支撑中间休息平台梁的楼梯柱，按平台梁的轴力作为剪力设计，柱端箍筋加密区配筋量适当加大，防止大震情况下楼梯柱首先抗剪屈服破坏。

6.结语

现行建筑结构的楼梯设计中板式楼梯占了大多数，板式楼梯在较大受力下，尤其在地震作用下会有显著的破坏结构特征。本文总结了板式楼梯在地震的影响下，不同部位构件的破坏情况，并进行了原因分析，给予了相应的建筑结构稳定性的构造措施建议。综上所述，要加强板式楼梯结构的抗震设计，在地震来临时可为人员逃生提供安全通道。

致谢：本文受到衢州学院国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：202111488060）的支助，以及衢州学院开放式实验室项目《装配式建筑构建的动力学性能测试和分析》支持。

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作者简介：姓名：何弘泉，男，浙江杭州，汉族，本科，研究方向：土木工程专业路桥方向