楼梯系统对于建筑物钢筋砼框架抗震性能的影响分析

李 锐

（黑龙江建筑职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

笔者在对汶川地震的楼梯破坏形态进行了全面分析之后，发现震时楼梯破坏形式主要分为三种：扭转型破坏、梯板剪拉型破坏、梯梁梯柱型破坏。同时，对楼梯结构构件进行了多方面考察，并进行抗震分析之后提出了若干建议，有助于进一步提高楼梯的建筑安全性以及抗震性能，在应对突发型地震灾害的时候，有效保护居民生命安全。下面将对上述三种破坏形态进行阐述并进行抗震原因分析。

一、整体扭转型破坏

其破坏形态主要表现在建筑物两端或L形建筑物拐角处的楼梯整体垮塌。其原因主要是狭长建筑物的两端以及L形建筑物的拐角处受力复杂扭转应力大而极易造成楼梯整体性破坏（图1）。

图1 整体扭转型破坏

二、梯板剪拉型破坏

现在普遍使用的楼梯板设计大多数是支座负弯矩钢筋深入楼梯板长度约四分之一处，楼梯板的两端支承在梯梁上（如图2）。经过对汶川大地震的考察分析，发现多起楼梯断裂事故中的大多数断裂部位都在楼梯梯板长度的四分之一或五分之一之间（如图3），形成了梯板剪拉型破坏。

其断裂原因大致有以下三种：

图2 楼梯板设计示意图

（1）根据楼梯板设计示意图，可以看到梯板和楼板直接的结构关系。首先，楼板的绝对钢性，且地震力的传递不会被隔断。其次，由于建筑物中楼梯处在一个开口的位置，相当于一个洞口，这样的结构就直接对楼板的钢性造成了相当大的削弱，洞口处在受到外界的水平力传递时也受到一定程度的阻隔。接着，从图中可以看出，两个梯板与楼板之间形成一个K字形支撑结构，由此楼板所承受的隔断力就被水平的传递给了上下两个梯板，因此梯板受到水平剪力。

在支座负弯矩钢筋与楼板底部的受力钢筋共同作用下，由于此处楼板的抗剪抗弯能力较强，因此地震对其造成的破坏机率较小。由于支座负弯矩钢筋在梯板长度约五分之一到四分之一处，在地震时，一方面：a点处阴角梯板截面突然变小，应力的受力面积集中，a点处阴角梯板内力突然增大，极易造成断裂；另一方面：楼板与梯板的交接处位于支座负弯矩钢筋末端，突然的地震力会使得梯板刚度有所改变，因此梯板也极易在刚度变化处断裂。

（2）由于设计中可能存在的误差，会造成上、下两层楼梯的自振频率略有差别，在地震过程中，震动极易造成上、下梯板水平位移出现差值，这个差值会造成梯板的断裂。在反复地震力的作用下，水平地震力会使梯板两端的支座向中间部位产生弯矩和拉力，梯板中部会因为拉力的增加而导致直接断裂。

（3）在实际情况中，这样的结构使建筑物两端及结构的角部外墙发生外闪的机率极大，造成对楼梯通道的阻塞，也就妨碍了人们的逃生。楼梯两边的横墙在地震力冲击下外闪，这对于框架结构来说，会破坏水平支撑的结构，降低楼梯侧向的刚度，在水平地震力的作用下，变为柔性体系（如图4所示）。

图3 距支座1/5～1/4处梯板断裂

图4 横墙外闪后楼梯的破坏

三、梯梁梯柱型破坏

梯梁，即平台梁，是支撑梯板的主要构件，它一方面承受着梯板变形产生的扭曲，梯梁成为受扭构件，另一方面承受着地震中由梯板传来的竖向力和水平力，这样，梯梁的扭转使混凝土破碎以及梁中钢筋的过早屈服，使梯板的支撑变得更加薄弱，容易使楼梯破坏（图5）。

而作为休息平台、梯板支撑的梯柱尤其是底层梯柱的高度相对较低，易形成短柱。根据侧移刚度公式可知，抗侧刚度D与柱高h的平方成反比，所以短柱的刚度变大；而根据地震力的分配原则，在地震力的作用下，短柱相比同层的其他梯柱分担的地震力就会被增大，因此，短柱在地震中会比其他柱子先达到极限承载力，发生断裂扭曲。这种情况极易造成柱先与梁而破坏，就违背了框架设计中强柱弱梁的设计原则，造成梯梁梯柱型破坏。

四、设计建议

通过对上述三种地震楼梯的破坏形态分析及其原因的总结，并结合自身的实践经验特此对楼梯设计及其抗震性能的提升提出以下建议，为楼梯设计者提供相关参考并希望可以帮助更多建筑物实现抗震性能的提升。

（1）对于建筑物两端的位置及L型楼房的拐角处，不宜设置楼梯。应尽量避免将楼梯的设计位置放在上述两个地方。

图5 梯梁的破坏

图6 梯柱的破坏

（2）考虑到梯板所受的刚度在地震力作用下会发生变化，应该在设计时将支座负弯矩钢筋贯通设置在整个梯板中，使梯板的受力刚度得到合理的平均分配，并双层双向配置钢筋，提高其受力之后的延展性，可以防止楼梯发生破坏（如图7所示）。

（3）设计楼梯时，尽可能将楼梯构件作为结构部分进行计算，设计计算可将梯板归类于斜梁来考虑刚度问题，并参与楼梯的整体计算，这样在考虑其地震力的作用时比较全面而且接近实际情况。

（4）对于楼梯的侧向支撑，横墙部分，08版抗震规范也给出了修订：顶层楼梯间横墙和外墙应沿墙高每隔500mm设26通长钢筋；7～9度时其它各层楼梯间墙体应在休息平台或楼层半高处设置60mm厚的钢筋混凝土带或配筋砖带，其砂浆强度等级不应低于M7.5，纵向钢筋不应少于2Φ10；

图7 支座负弯矩钢筋宜贯通设置

（5）针对梯柱梯梁型破坏，关键在于短柱的受力与固定问题。要解决好这个问题，要通过进一步提高梯柱的体积配箍率来实现：首先，箍筋要按照柱的全高进行加密，其次，按照实际情况具体来分析控制其剪压比。这样就可以适当有效的避免混凝土短柱过早产生柔性，而使箍筋不能充分发挥其作用。

希望以上提出的几点楼梯设计建议可以给今后的建筑物楼梯抗震分析和设计分析提供良好的参考与指导。

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