浅议框架结构中楼梯的概念设计

刘 静,杨学彬,王尔其

(成都美厦建筑设计有限公司,四川 成都 610081)

1 楼梯在地震中的震害及讨论

在地震发生时,楼梯往往被看成是人们逃生的通道,但在 2008年“5·12”汶川大地震发生时,由于设计和施工问题,有些建筑物只是整体上轻微受损,但是楼梯受损比较严重,甚至出现倒塌;一些逃生者因此丧失了生命。

第 14届世界地震工程大会汶川地震专场讨论中,中国建筑工程学院工程抗震研究所原所长王亚勇指出,经过实地震害调查发现,楼梯间抗震性能不合格的现象表现得较为突出。震后笔者跟随成都市抗震鉴定组对都江堰灾后房屋进行调查发现,砌体结构楼梯间四角,梯梁下无构造柱等情况相当普遍,楼梯构造柱钢筋压屈现象严重(如:都江堰岷江电力宿舍);部份框架结构梯板剪断,框架柱箍筋外露,整个楼梯压碎(如:都江堰水电十局医院)。

为此,许多专家认为楼梯在严格按照规范的前提下,考虑一定的概念设计是有必要的。所谓概念设计,一般指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确分析或在规范中难以规定的问题中,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系,结构破坏机理,震害试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制,以力求消除薄弱环节,从概念上解决结构的抗震性能。

2 楼梯概念设计的理论分析

楼梯是楼层间的垂直交通枢纽,是楼房的重要构件。楼梯在建筑物中是一个空间结构,各种构件以相当复杂的方式共同工作。这种复杂的、非弹性性质的结构受材料的时效、阻尼变化等多种因素影响,在实际计算中存在着不准确性。故在建筑抗震理论远未达到很科学严密的情况下,单靠理论计算很难使楼梯具有良好的抗震能力,因而在实际工程设计中多了许多概念、假定与简化。即楼梯不宜放在建筑物的角部和边部,以便于荷载的传递,同时也可减少水平地震力作用下空间扭转作用的影响。实际上踏步和平台梁是整体连接,计算时需要在支座处加构造负筋;以往在建筑工程中负筋一端勾进楼梯梁,另一端伸进楼梯板四分之一的踏步板跨度。但通过实际工程震害发现,在梯板四分之一处梯板断裂或梯板混凝土剥落。因此笔者建议将梯板负钢筋拉通配置,并且负筋伸入梯板内长度L≥LaE。此外,楼梯板在水平地震力作用下具有桁架中的腹杆效应,将产生较大的拉压力。楼梯板以往设计时只考虑竖向力时的受弯构件,转变为“拉压弯”构件,加强了楼梯处的局部抗侧刚度;但结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋,增加了结构的刚度,反而又使地震作用效应增强。这样硬对硬的措施不仅增加造价成本同时与市场经济体制下的建筑市场不相符合。结构设计必须与建筑使用、人的安全性、经济性等多种社会性质结合起来考虑才行。那么我们就不能不反过来想一下,如果能在保证足够的强度、刚度的情况下,适当降低地震作用效应这个问题了。

图1 楼梯平面

3 楼梯概念设计的实际应用

图2 楼梯踏步

楼梯参与整体结构进行计算时,抗侧刚度大,地震力绝大部分都由楼梯梁下面的梯柱和楼梯四周的框架柱承担,同时梯梁、梯板与梯柱、框架柱同为现浇,这样框架柱就很容易形成短柱,再次放大地震效应,对楼梯极为不利。为此,笔者将休息平台板与框架柱之间分离开,预留等于或大于 5cm空隙;主体完工后,平台用柔性材料进行嵌缝,不影响平台的正常使用功能;同样道理梯梁与框架柱之间脱离开,梯梁端部与梯平台,梯柱浇筑在一起,梯柱离框架柱一定的距离(以建筑的休息平台尺寸和结构梯梁实际位置而定),但现浇板离框架柱距离不宜小于 5cm(见图1)。这样在概念上避免了由于梯梁、梯板、框架柱之间由于现浇而产生的短柱。降低了框架柱分担的地震剪力,保护了楼梯的安全。降低地震作用效应的另外一个方法是在底层楼梯踏步处安装一个近似消震的装置及在地梁与踏步交接处放置一层油毡(或者柔性材料),在地梁混凝土浇筑前,将一个 50mm×100mm的泡沫安放在地梁内,一排直径为 8(间距 200)的钢筋穿过泡沫锚入地梁(见图 2)。地震来时梯板滑移,钢筋屈服,消耗能量。经过上述方法处理楼梯后,楼梯变形增加,柔性更大。在水平地震力作用下楼梯参与结构整体受力变小,楼梯更安全,结构更合理。

[1]03SG 610-1建筑结构隔震构造详图[S]