楼梯对钢框架结构整体抗震影响的研究

贾树华,张俊峰

(1.华润置地山东省公司,山东济南250001;2.郑州大学土木工程学院,河南郑州450001)

1 概 述

楼梯间是建筑物重要的垂直运输通道,承担着紧急逃生等重要的功能,在汶川地震中大量框架结构和框剪结构框架部分中的楼梯遭到较为严重的破坏,造成了大量的人员伤亡,而以往的结构设计中往往不考虑楼梯构件参与结构整体分析计算,存在一些安全隐患,新版《建筑抗震设计规范》[1]中规定,多层和高层钢筋混凝土房屋,对于框架结构,楼梯间与主体结构现浇时,应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响。文献[2-7]分别采用了不同的结构模型,研究了混凝土楼梯构件对钢筋混凝土框架整体结构的地震影响,但对于多层和高层钢框架结构,钢楼梯构件与主体结构的连接一般为铰接,与现浇混凝土楼梯与混凝土框架的连接相比,刚度较弱,其对钢框架结构的整体影响如何,现有的文献资料很少涉及,在设计中该如何考虑其影响,《建筑抗震设计规范》中也并没有相关的规定。本文以实际工程的抽象模型为研究对象,来分析钢楼梯对钢框架结构整体受力性能的影响。

2 工程概况

该工程为五层钢框架结构,每层层高均为3 m,框架钢柱采用宽翼缘H型钢,截面尺寸为HW300×300×10×16,框架梁采用窄翼缘H型钢,截面尺寸为HN400×200×8×10,材质为Q345,楼板采用现浇楼板,建筑平面如图1所示。

图1 标准层建筑平面图

该建筑抗震设防烈度为7度(0.10 g),设计分组为第二组,II类场地,特征周期为0.40 s,楼面恒荷载为1.5 kN/m2(不计楼板自重),楼面活荷载,中间走道为2.5 kN/m2,其余楼面为2.0 kN/m2。楼梯间楼梯恒荷载为2.5 kN/m2,活荷载为3.5 kN/m2。

3 楼梯钢框架结构整体性能的影响

为了研究楼梯对钢框架整体受力性能的影响,本文采用ETABS软件建立了两个有限元模型进行对比分析,两个模型的区别在于对楼梯间的处理上,模型1采用单向荷载分布的薄壳单元,将膜厚度和弯曲厚度改为较小数值;模型2采用SLAB壳单元直接模拟楼梯,建模中,通过自由度的释放比较合理的考虑了楼梯构件与钢框架的连接情况。两个有限元模型如图2、图3所示。本文分别就钢框架整体分析中涉及到的周期、振型、地震剪力和层间位移进行两个模型的对比分析。

(1)周期

计入楼梯构件后,结构的刚度明显增大,自振周期减少。前7个振型模型1和模型2对应期相差在10%以上,第8个振型之后的高阶振型相差不大,两个模型的周期对比见表1。

图2 模型1

图3 模型2

表1 周期对比 单位:s

(2)振型

纯框架前三个振型的顺序分别为X向平动、Y向平动和扭转,计入楼梯构件之后,第一振型以X向平动为主,兼有少量扭转;第二振型以扭转振型为主,兼有少量X向和Y向的平动;第三振型以Y向平动为主,兼有少量X向平动和扭转。该结构模型,楼梯间基本位于整体结构X向(纵向)的中部,与结构的刚心存在少量的偏心,但对结构的振型影响非常大,计入楼梯构件之后,第二振型变为以扭转为主,并且各阶振型均不同程度掺杂有扭转效应。主要振动对比见表2。

表2 主要振型对比

(3)地震剪力

楼层地震剪力的变化是各方向周期变化的综合反映。从图4、图5可以看出:在 X方向地震作用下,沿X方向(垂直楼梯板方向)的楼层剪力相差不大,除电梯间外,各层相差不到10%,但由于模型2中楼梯间和结构刚心存在偏心,结构的各阶振型中都伴随着扭转,因此在X方向地震作用下,沿Y方向(平行于楼梯板方向)的楼层剪力存在很大不同,模型1基本为0,而模型2存在不小的楼层剪力,约为X方向楼层剪力的1/3～1/2(见表3)。在Y方向地震作用下,沿Y方向(平行于楼梯板方向)的楼层剪力相差比较大,约为25%～30%,同样原因,在X方向(垂直楼梯板方向),模型1楼层剪力基本为0,而模型2存在不可忽视的楼层剪力,约为Y方向楼层剪力的1/5～1/4(见表3)。

图4 X向地震作用下各模型层剪力图

图5 Y向地震作用下各模型层剪力图

表3 地震作用下层剪力对比

(4)层间位移

从图6、图7可以看出:模型2的各层最大层间位移比模型1均有减少,减小幅度约从10%到40%不等,X向由于扭转相应更加明显,各层的变化幅度比较大,相差约30%,Y向的支撑作用明显,且扭转效应相对X向小,各层的变化幅度不大,除楼梯间外,大约都在20%左右。地震作用下层位移角对比见表4。

图6 X向地震作用下各模型层间位移图

图7 Y向地震作用下各模型层间位移图

表4 地震作用下层位移角对比

4 小 结

(1)钢框架结构分析中应考虑楼梯构件,即使楼梯间与结构刚心有较小的偏心,也会对结构的周期、振型产生较大的影响,扭转周期可能先于一个方向的平动周期出现,对于更加复杂的结构,更应该引起注意。

(2)楼梯构件作为一种支撑,具有较大的刚度。计入楼梯构件的刚度后,结构整体的刚度明显加大,地震作用下的层剪力明显变大,特别是,计入楼梯构件后引起的结构扭转效应引起的另一个方向的层剪力变化较大。

(3)计入楼梯构件的刚度后,结构整体的刚度明显加大,层间位移角也由于楼梯构件的支撑作用而变小。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] 冯 远,吴小宾,李从春,等.现浇楼梯对框架结构的抗震影响分析与设计建议[J].土木工程学报,2010,43(10):53-62.

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