框架結(jié)構(gòu)中現(xiàn)澆樓梯的抗震性能分析1

劉喜平

（陜西理工學(xué)院土建學(xué)院，漢中 723001）

前言

2008年的汶川大地震給災(zāi)區(qū)人民帶來了重大的損失，震中區(qū)幾乎是遭受毀滅性破壞。震后震害調(diào)查顯示：重災(zāi)區(qū)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的房屋遭受到了不同類型的破壞，如強(qiáng)梁弱柱破壞、填充墻破壞、框架短柱破壞等；另外框架結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出一些新的震害，即無論是在低烈度區(qū)還是高烈度區(qū)，樓梯破壞均非常嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為梯段板折斷、梯梁扭斷、支撐柱的短柱效應(yīng)等。我國抗震設(shè)防的目標(biāo)為：“小震不壞、中震可修、大震不倒”。遭遇罕遇地震，建筑物應(yīng)能夠保證“不倒塌”，這一設(shè)防目標(biāo)可以保證建筑物內(nèi)人員生命安全，使得大震下即使建筑物發(fā)生破壞，但建筑物內(nèi)的人員有逃離建筑物而獲生的機(jī)會。而樓梯作為地震時唯一的垂直逃生通道和重要的救援通道，保證其在大震下的安全、暢通，是地震中人們自救和被救的重要保證。因此，在保證結(jié)構(gòu)“大震不倒”的前提下，確保逃生通道暢通尤為重要，有必要對樓梯間特別是休息平臺與梯板的抗震設(shè)計(jì)開展專門的研究，進(jìn)一步提高樓梯作為逃生通道的功能要求。

1 樓梯的研究現(xiàn)狀及新舊版規(guī)范中常用的設(shè)計(jì)方法（建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范：GB50011-2001，GB50011-2010）

樓梯作為建筑物中主要的垂直交通設(shè)施之一，有板式和梁式之分?，F(xiàn)澆板式樓梯是當(dāng)前最常見的樓梯形式，主要由梯段板、平臺板、平臺梁、梯梁、梯柱組成。梯段板承受該梯段的全部荷載，并將荷載傳至兩端的平臺梁上。梁式樓梯的梯段荷載由踏步板承受，并傳給樓梯斜梁，再由斜梁傳至兩端的平臺梁上。汶川地震前，工程中樓梯的設(shè)計(jì)常采用以下方法：對樓梯進(jìn)行簡化處理，不考慮水平的地震作用，將梯段板或斜梁看作一個僅承受作用在其上豎向荷載的受彎構(gòu)件，也不考慮參與結(jié)構(gòu)整體受力，僅以豎向荷載作用下計(jì)算而得的內(nèi)力來進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。也就是說在設(shè)計(jì)中，不考慮水平地震荷載對樓梯的作用，也不考慮樓梯對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響。因此，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）設(shè)計(jì)的梯段梁或梯段板是一個純粹的受彎構(gòu)件，而實(shí)際上在水平地震作用下，梯段板（梁）這個斜向受力構(gòu)件與框架主體結(jié)構(gòu)相連，變成了壓彎或拉彎構(gòu)件。樓梯和整體結(jié)構(gòu)是不可分割的兩個部分，在荷載作用下二者相互作用，彼此影響，設(shè)計(jì)中孤立地看待樓梯受力和設(shè)計(jì)的方法是不合理的，汶川地震中大量樓梯的震害充分證明了這一點(diǎn)。

清華大學(xué)的王奇等（王奇等，2002）通過計(jì)算，討論了鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓梯對框架、框剪和剪力墻三種結(jié)構(gòu)的影響，研究表明：從考慮樓梯作用對整體結(jié)構(gòu)的自振周期、剛度分布及構(gòu)件內(nèi)力的影響程度來看，框架結(jié)構(gòu)受影響最大，框剪結(jié)構(gòu)次之，剪力墻結(jié)構(gòu)受影響程度最小。2008年汶川地震中，大量的房屋震害調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓梯在地震中均有大量破壞，尤其以框架結(jié)構(gòu)的樓梯破壞最為嚴(yán)重，且大量樓梯先于框架主體破壞。這一震害現(xiàn)狀與理論研究結(jié)論的一致性充分說明：樓梯構(gòu)件在地震中是參與整體結(jié)構(gòu)工作的，規(guī)范中不考慮地震作用而設(shè)計(jì)樓梯的做法是不正確的，尤其是不能忽視框架結(jié)構(gòu)中樓梯在地震中的受力狀況。

2 樓梯在抗震中的受力分析

樓梯兩個方向的梯段板和休息平臺實(shí)際上組成了一個“K”形的斜撐，它通過平臺梁、樓板、構(gòu)造柱等與整體結(jié)構(gòu)連接在一起，使得框架結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度增大，自振周期減小，進(jìn)而也使整個結(jié)構(gòu)上的水平地震力增大。在地震作用下，由于樓梯的抗側(cè)剛度大于框架抗側(cè)剛度，所以在地震力的彈性階段，樓梯構(gòu)件變成了抗震的第一道防線，吸收了大部分地震能量；當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段后，樓梯先于框架主體破壞，剛度大大衰減，而此時框架才變成抗震主力構(gòu)件，逐漸承擔(dān)起更多的地震力。在地震中，樓梯參與整體結(jié)構(gòu)抗震工作，充當(dāng)了結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，分擔(dān)了一部分的水平地震力，延緩了主體結(jié)構(gòu)的破壞，這是樓梯對主體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。在一定程度上，我們說樓梯的存在增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的耗能能力，提高了整體結(jié)構(gòu)的延性。然而，從另一方面看，正是由于樓梯充當(dāng)了框架結(jié)構(gòu)中第一道抗震防線的角色，使得本應(yīng)該是作為“安全島”（王亞勇，2008）的樓梯，卻成為了很多人的“墳?zāi)埂?。汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震中很多樓梯間倒塌破壞，不僅埋入、砸傷了很多人，而且堵塞了疏散通道，耽誤了逃生人員和救援人員的寶貴時間，造成慘重?fù)p失。因此，在抗震設(shè)計(jì)中既要保證大震下結(jié)構(gòu)不能倒塌，同時還要保證作為逃生和救援出入口的樓梯間的絕對安全，這才是我們工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3 框架結(jié)構(gòu)中樓梯震害分析（沈靚，2010）

3.1 梯段板破壞分析

汶川地震中框架結(jié)構(gòu)樓梯梯段板破壞主要表現(xiàn)為：梯段板在一個梯度常出現(xiàn)一道或多道裂縫，位置在距離兩端支座約L/4跨處和跨中處，水平裂縫處混凝土被壓碎，鋼筋被拉斷或壓曲，梯板甚至斷裂。產(chǎn)生以上震害的原因是：結(jié)構(gòu)在抵御地震作用的過程中，樓梯的上下梯段板與框架樓板相連，根據(jù)樓板的剛性假定，地震力的傳遞在此處并不間斷；同時休息平臺梁和梯柱使休息平臺與框架主體結(jié)構(gòu)相連接，保證了水平荷載傳遞過程中樓梯上附加的豎向荷載的平衡，整個樓梯實(shí)質(zhì)上形成了一個空間的“K”形支撐體系。但依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）設(shè)計(jì)的樓梯，梯段板被簡化為僅受豎向荷載作用，而不承受水平地震力的獨(dú)立受彎構(gòu)件，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中，梯段板在地震力作用下是一個拉彎或壓彎構(gòu)件，所以依據(jù)受彎標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的梯板當(dāng)受到拉力作用時板將嚴(yán)重開裂，在壓力作用下鋼筋將被壓曲，導(dǎo)致裂縫截面附近混凝土迸裂脫落；如果梯段板配筋中使用了冷加工鋼筋作為受力筋，那么在拉彎作用下將導(dǎo)致板的斷裂。另外在施工中梯段板的負(fù)筋在跨度的1/4—1/3處被切斷，負(fù)筋的切斷造成了梯板受拉剛度的突變，所以受力中梯段板的斷裂處剛好是負(fù)筋的截斷點(diǎn)處。

3.2 樓梯間框架角柱的破壞分析

樓梯間角柱的破壞主要表現(xiàn)為角柱跨中部位發(fā)生剪切破壞，鋼筋屈曲，混凝土壓碎。產(chǎn)生此類震害的原因是：板式樓梯通過平臺梁和平臺板與框架柱相連，休息平臺的存在使得樓梯間角柱在平臺位置增加了一個約束，框架角柱凈高變成了其他位置處框架柱的一半，在地震力作用下柱子由于平臺板的約束由原來的長柱變成了剛度較大的短柱，承受到其它框架柱數(shù)倍的地震剪力，導(dǎo)致發(fā)生常見的短柱破壞。

3.3 樓梯間梯柱的破壞分析

樓梯梯柱即所謂的根據(jù)需要和抗震要求而設(shè)置的構(gòu)造柱，截面較小，一般取為200mm×200mm或 240mm×240mm。大震中大量出現(xiàn)梯柱柱頭破損，混凝土酥碎的現(xiàn)象，主要破壞的原因可能是：一方面梯柱截面較小，未考慮實(shí)際地震作用產(chǎn)生的彎矩和剪力，僅按構(gòu)造要求配筋；另一方面節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承受較復(fù)雜的彎剪復(fù)合受力，但節(jié)點(diǎn)處鋼筋較為密集，混凝土澆筑難以密實(shí)，施工質(zhì)量較差，強(qiáng)度較低。

3.4 樓梯平臺梁、平臺板的破壞分析

平臺梯梁的震害主要出現(xiàn)在梁端及上下梯板相交處，而平臺板震害主要表現(xiàn)為剪切裂縫。平臺板中的剪切裂縫有兩種表現(xiàn)：一種是平臺梁處出現(xiàn)的剪切裂縫進(jìn)一步發(fā)展成為了上下梯板相交處的平臺板剪切裂縫；另一種是沿梯梁邊緣產(chǎn)生的平臺板受拉裂縫。震害嚴(yán)重的鋼筋暴露，混凝土保護(hù)層脫落。產(chǎn)生該震害的主要原因?yàn)椋涸诜磸?fù)水平地震作用下，樓梯構(gòu)件在框架中起了“K”形支撐的作用，作為水平支撐構(gòu)件的中間層休息平臺耗散了部分地震能量；而不在同一平面內(nèi)的樓梯上下梯段板反復(fù)推拉，平臺粱、板承受空間的彎矩、剪力和扭矩的復(fù)合作用，受力狀態(tài)極為復(fù)雜，常致使平臺梁在跨中發(fā)生剪扭破壞，兩端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)塑性鉸，混凝土酥碎，鋼筋籠扭曲變形，平臺梁跨中裂縫向平臺板延伸。

3.5 樓梯梯段板施工縫處的破壞分析

根據(jù)施工縫留置的原則，一般施工縫留在構(gòu)件受力較小且便于施工的部位。工程上樓梯梯段板的施工縫常留置在梯段板的1/3跨處，也有的留在樓梯踏步的上三步或下三步的位置。大震下梯段板施工縫處發(fā)生明顯破壞，混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋屈曲，嚴(yán)重的發(fā)生斷裂。產(chǎn)生此類震害的原因是：因施工工藝問題，縫中常存在一些殘?jiān)瑢?dǎo)致新澆筑的混凝土和原有混凝土結(jié)臺面處強(qiáng)度極差，在地震作用下尤其是豎向地震作用下易產(chǎn)生上下錯動而使梯段板發(fā)生剪斷破壞。

4 小結(jié)和設(shè)計(jì)建議

汶川地震震害資料是我們的同胞用生命和巨大的經(jīng)濟(jì)損失換來的，十分珍貴。震后的每一類破壞都應(yīng)被結(jié)構(gòu)人員所重視。汶川地震中大量框架結(jié)構(gòu)樓梯的嚴(yán)重破壞，充分反映出《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）中關(guān)于樓梯的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施等存在著嚴(yán)重的不足，結(jié)構(gòu)人員應(yīng)針對樓梯的震害狀況，進(jìn)一步完善樓梯設(shè)計(jì)的方法，并加強(qiáng)構(gòu)造等措施，使樓梯在面對大震時真正發(fā)揮“安全島”的作用。引起樓梯在地震中發(fā)生破壞的原因很多，下面給出幾點(diǎn)建議，以供在樓梯設(shè)計(jì)和施工中借鑒。

（1）從概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯應(yīng)盡量避免布置在建筑的拐角端邊處，宜布置在框架的第二跨。

（2）當(dāng)樓梯的平面布置接近對稱且位于整體剛度有利的位置時，應(yīng)在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確分析樓梯系統(tǒng)在地震力作用下的受力狀況，并根據(jù)分析結(jié)果加大構(gòu)件截面和配筋，充分發(fā)揮梯段板的斜撐作用（尹保江等，2008）。

（3）當(dāng)樓梯的平面位置受限，可能給整體結(jié)構(gòu)的剛度分布帶來不利影響時，在設(shè)計(jì)時應(yīng)弱化樓梯系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的連接，使其在水平地震作用下成為相對獨(dú)立的自由體系，可采用的措施有：切斷平臺板與框架柱的聯(lián)系，在框架梁上另設(shè)兩個梯柱支撐平臺板，減少樓梯平臺對框架柱的影響；或在梯段板與平臺板或樓板連接處采用構(gòu)造措施，設(shè)置類似于滑動支承的連接形式，使梯段板在水平地震作用下只發(fā)生相對水平滑移，不產(chǎn)生拉壓等變形，削弱樓梯參與整體側(cè)向受力（任彧，2009）。

（4）梯段板的施工縫不宜留置在梯段板跨中位置，應(yīng)盡量留在平臺板或平臺梁內(nèi)，且嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，避免隱患發(fā)生。

（5）確保地震中鋼筋延性的發(fā)揮，建議不要在樓梯梯段板中使用冷加工鋼筋。

（6）填充墻的存在有利于樓梯間抗震性能的提高，可減輕樓梯構(gòu)件的破壞程度。因此應(yīng)加強(qiáng)樓梯間填充墻的抗震設(shè)計(jì)，以及采取必要的抗震構(gòu)造措施，提高其抗震性能。

（7）加強(qiáng)樓梯間的概念設(shè)計(jì)，重視《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）中樓梯設(shè)計(jì)中的構(gòu)造措施（蘇啟旺等，2008），如：箍筋應(yīng)沿“框架短柱”全高加密，梯段板上部的負(fù)筋應(yīng)拉通，形成雙層雙向鋼筋配置，樓梯休息平臺處伸出墻外的雨棚等下部必須有柱支撐等。

任彧，2009．樓梯系統(tǒng)對于框架抗震性能的影響．福建建筑，129（3）：42—44．

沈靚，2010．汶川地震中建筑物典型震害分析與數(shù)值計(jì)算．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院．

蘇啟旺，蔡宏儒，李力等，2008．從“汶川大地震”引發(fā)對板式樓梯設(shè)計(jì)的思考．四川建筑科學(xué)研究，34（4）：165—167．

王奇，馬寶民，2002．鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓梯對整體結(jié)構(gòu)的影響. 建筑結(jié)構(gòu)，32（4）：27—29．

王亞勇，2008．汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設(shè)計(jì)．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，29（4）：20—25．

尹保江，黃世敏，程紹革等，2008．汶川地震中建筑樓梯震害原因分析．見：汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報告．北京：280—284.

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001)．北京：中國建筑工業(yè)出版社.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010．建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010)．北京：中國建筑工業(yè)出版社.