淺析鋼筋混凝土樓梯的設計

賀志軍，高 峰

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動頻率高、強度大、分布廣，是一個震災嚴重的國家[1]?？疾齑罅拷ㄖ锲茐牡膶嶋H情況，可以發(fā)現(xiàn)：在地震中，破壞了的樓梯切斷了人員的逃離通道，導致傷亡慘重。為了減少或避免地震中因樓梯損壞導致的傷亡事故繼續(xù)發(fā)生，對樓梯的慎重設計已刻不容緩。

1 鋼筋混凝土樓梯的常規(guī)設計方法

1.1 常規(guī)設計方法[2]

目前，在大部分結(jié)構(gòu)設計中，在整體內(nèi)力計算和配筋時，通常對樓梯采用的處理方式為：將樓梯間開洞處理，把樓梯位置的豎向荷載直接傳遞給樓梯周圍的構(gòu)件——框架梁、框架柱或剪力墻上。

鋼筋混凝土樓梯的一般設計步驟為：①依據(jù)各種既有條件，確立鋼筋混凝土樓梯的合理型式和布置情況；②依照建筑的使用功能和采用附屬材料類別，確定鋼筋混凝土樓梯的活荷載和恒荷載的標準值；③對鋼筋混凝土樓梯的梯段板（踏步板）、梯段斜梁、平臺梁和平臺板進行內(nèi)力計算和配筋；④對連接部位進行構(gòu)造配筋；⑤繪制鋼筋混凝土樓梯施工圖。

1.2 常規(guī)設計方法的不足

鋼筋混凝土樓梯的常規(guī)設計方法，仍然是單獨地進行構(gòu)件計算和配筋，沒有整體考慮各構(gòu)件之間的相互作用關系，也沒有分析研究鋼筋混凝土樓梯對結(jié)構(gòu)整體的影響，更沒有將地震作用考慮進去。而地震中鋼筋混凝土樓梯破壞造成的慘重人員傷亡事故，警示設計人員必須考慮到這些常規(guī)設計方法的不足，要求設計人員對鋼筋混凝土樓梯作出更科學、更安全的設計。

2 樓梯破壞的特征[3]

2.1 梯段板破壞特征

（1）在板寬方向呈現(xiàn)貫通裂縫，并沿板長方向均勻分布。

（2）在板寬方向斷裂，其內(nèi)縱筋被壓彎或拉斷，嚴重時塌落。

（3）在與墻體相連的部位開裂。

（4）在與平臺梁相連部位開裂。

（5）產(chǎn)生斜向裂縫。

2.2 平臺板破壞特征

（1）上下梯段板相交處的平臺板出現(xiàn)裂縫。

（2）沿著平臺梁邊緣產(chǎn)生的平臺板產(chǎn)生裂縫。

（3）在與墻體相連的部位開裂。

（4）板內(nèi)出現(xiàn)斜向裂縫。

（5）懸挑板式平臺板產(chǎn)生的裂縫由內(nèi)向外逐漸開展并貫通懸挑板。

2.3 平臺梁破壞特征

（1）在上下梯板相交處出現(xiàn)裂縫，嚴重時斷裂。

（2）在端部與墻體錨固處出現(xiàn)開裂。

（3）在端部與構(gòu)造柱節(jié)點處破壞。

（4）在剪力墻墻梁相接處斷裂。

2.4 梯段斜梁破壞特征

（1）沿踏步板開裂。

（2）在與平臺梁相接處開裂，嚴重時斷裂。

2.5 樓梯間其他構(gòu)件破壞特征

（1）樓梯間有的墻體開裂，有的墻體倒塌。

（2）樓梯間有的構(gòu)造柱端部破壞，有的扭曲變形嚴重。

（3）樓梯間的框架柱在與樓梯連接處出現(xiàn)裂縫。

（4）樓梯間底層樓梯起步處矮墻或短柱破壞較嚴重。

（5）樓梯間的欄桿扶手損壞嚴重。

（6）樓梯間地磚脫離地面，地震時從高處掉落，到處凌亂。

3 鋼筋混凝土樓梯的震害分析與設計建議

3.1 鋼筋混凝土樓梯震害分析

因為樓梯間開間小，而且樓梯板具有類似斜撐的作用，所以樓梯間在水平向的相對剛度越大,其分配到的地震作用也就越大。另外，樓梯的破壞特征充分表明其在地震中受到復雜的空間作用。

地震中，層間發(fā)生剪切變形，致使梯段受到拉壓交替作用，可能引發(fā)以下地震破壞：①對預制鋼筋混凝土樓梯，因梯段板與平臺梁連接不牢，梯段板在受到拉壓作用時，很容易導致與平臺梁分裂而掉落；②地震中，非常大的豎直向下及水平的剪力作用在平臺梁中部，致使平臺梁因抗剪不足而發(fā)生破壞；③地震產(chǎn)生拉力作用可能引發(fā)現(xiàn)澆整體式樓梯梯段板的嚴重開裂，產(chǎn)生的壓力則會使梯段板內(nèi)的鋼筋發(fā)生彎曲現(xiàn)象，在存在裂縫的截面位置出現(xiàn)混凝土剝離；④如果梯段板內(nèi)縱向受力筋在平臺梁中錨固長度不夠，那么該鋼筋在受到地震中的拉力作用時會被拔出，可能致使梯段板嚴重開裂而墜落，并使平臺梁損壞；⑤平臺板內(nèi)底部的縱向鋼筋在平臺梁內(nèi)的錨固長度不夠足的情況下，也可能會被拉出；⑥在層間發(fā)生側(cè)向位移時，折板式鋼筋混凝土樓梯的左右兩梯段板分別承受拉力和壓力，從而致使平臺板受到扭轉(zhuǎn)作用，如果樓梯間的布置位置對抵抗這種扭轉(zhuǎn)作用不利時，鋼筋混凝土樓梯間墻體將塌陷；⑦在施工中，施工縫常常設置在梯段板的跨中位置，因而跨中處的抗剪薄弱，所以在地震來臨時，破壞時有發(fā)生；⑧鋼筋混凝土樓梯的梯段板的負筋長約是該梯段板跨度的1/3，該鋼筋的折斷常常會導致梯段板受拉剛度的突變，該處非常容易發(fā)生斷裂。

平臺梁破壞的原因：①樓梯間剛度很大，樓梯間各構(gòu)件（包括平臺梁）吸收了很大的地震作用；②分配了很大地震作用的樓梯段對平臺梁產(chǎn)生推力和扭矩作用；③樓梯梁的截面通常相對較小。

樓梯間的墻體在豎直方向沒有強有力的側(cè)向支撐體系，因而其空間剛度很差。這些原因造成樓梯間的震害較結(jié)構(gòu)的其他位置更加嚴重。建筑的倒數(shù)第一層樓板和倒數(shù)第二層樓板之間的樓梯休息平臺以上的外縱墻一般為層高1.5倍，其穩(wěn)定性很弱，通常很容易在地震中破壞。

地震中，樓梯構(gòu)件的破壞很易引起樓梯附屬物（地磚、欄桿扶手等）的損壞；地磚從高處墜落，砸死逃亡的人的事故時有發(fā)生；欄桿扶手的損毀，常常會有人員通行時不慎從高處摔落，導致傷亡。

3.2 鋼筋混凝土樓梯設計方面的建議

對于梯段板和平臺板的破壞，由于樓梯間樓板開大洞削弱,可以加大平臺板和樓梯板厚度，并提高配筋率：采用雙層雙向配筋，或加配斜向鋼筋等措施。平臺梁應考慮樓梯段引起的推力和扭矩作用，加大高度和配筋，梯梁箍筋要加密。支承樓梯結(jié)構(gòu)的框架柱由于平臺板的約束可能形成短柱，應提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。樓梯各構(gòu)件相接部位也應該有可靠的構(gòu)造措施。針對樓梯附屬物，應將地磚可靠地與樓梯構(gòu)件黏結(jié)，使其在地震時不會與樓梯構(gòu)件剝離墜落而砸傷人；將欄桿扶手進行合理設計，使其在地震中減輕或避免損壞而不喪失安全功能。

樓梯間的結(jié)構(gòu)分析應按樓梯間參與整體結(jié)構(gòu)分析與自身局部分析相結(jié)合來進行，對樓梯間參加整體分析后，再單獨建模進行局部分析，對樓梯間應進行中震彈性驗算，按“大震可用，超震不倒”的水準控制。細化樓梯間的抗震構(gòu)造,逐步研究形成有效的抗震構(gòu)造做法；在樓梯間設計中引進消能減震技術[4]，在樓梯間的某些位置設置阻尼器。這樣，可將樓梯間的變形和震害控制到很低。

4 結(jié)束語

本文在鋼筋混凝土樓梯的傳統(tǒng)設計方法的基礎上，分析了歷次地震中鋼筋混凝土樓梯的破壞特征，提出了減輕或者避免類似震害繼續(xù)發(fā)生的設計建議，可為結(jié)構(gòu)設計人員和施工人員進行參考，進而減少或避免地震來臨時發(fā)生人員傷亡事故。

樓梯的抗震設計越來越受到設計工作人員的重視，更好的設計方法、構(gòu)造方法會更加科學地保障樓梯在地震中的安全通道作用。

[1]趙明華.土力學與基礎工程.武漢工業(yè)大學出版社.2000.

[2]嚴微.不同樓梯在地震下的反應分析.太原理工大學碩士學位論文.2010.

[3]蘇啟旺,蔡宏儒,李力.從汶川大地震引發(fā)對板式樓梯設計的思考.四川建筑科學研究.2008,34(4).

[4]徐立成，鐘心.建筑結(jié)構(gòu)抗震減震技術的發(fā)展與應用.遼寧建材.2008，（4）.