板式楼抗震设计的建议

窦立军，许明玉，王 维，李颖超

（1.长春工程学院，长春130012；2.中元国际（长春）高新建筑设计院有限公司，长春130012）

0 概述

楼梯作为建筑的竖向通道是多层及高层建筑的重要组成部分。在正常使用时通过楼梯进行人员和物资的竖向运输，建筑遭受偶然荷载（爆炸、火灾、地震等）时楼梯是人员逃生的主要通道。因此，楼梯在建筑物的设计中占据重要位置。

在现行的结构设计中，楼梯被认为是独立的结构进行单独设计，仅考虑竖向荷载的作用，但在实际中，楼梯间除承受竖向荷载以外还承受地震作用产生的水平荷载，而且由于梯段板的侧向支撑作用使楼梯间的刚度增大，导致地震过程中楼梯间分配到的剪力增大，使楼梯的各构件受复杂应力状态而使楼梯间先于主体结构破坏，阻碍了竖向疏散而造成了人员生命财产的损失。

1 震害调查

2008年5月12日，汶川发生破坏严重的特大地震后，通过对震害的调查发现[1]，楼梯在地震中破坏比较严重。震害现象表明在各类建筑（包括公共建筑和居住建筑）中，抗震最薄弱的位置是楼梯间[2]。楼梯作为发生破坏的典型构件，其破坏形式是多样的。楼梯破坏轻微时，楼梯板出现水平裂缝，平台梁出现剪切裂缝；震害严重的楼梯，楼板完全被拉断，梯梁两端和跨中明显破坏，钢筋暴露，混凝土保护层压碎、剥落[3]。楼梯具体的破坏如图1所示。

如图1（a）出现的梯段板破坏是震区梯段板破坏的主要类型，这类破坏说明梯段板在地震时起到了K型支撑的作用[4]，梯段板被反复拉压。

如图1（b）所示的梯柱破坏说明梯柱在地震时受到剪力与扭矩的作用，使梯柱混凝土被反复剪切破坏后脱落，说明梯柱的抗剪能力不足。

如图1（c）所示为梯梁发生的剪扭破坏。梯梁跨中也就是两个梯段板中间发生破坏，说明梯梁的抗剪与抗扭的能力不足。

图1 楼梯各构件地震作用下破坏情况

2 试验分析

2.1 楼梯设计

通过震害调查结果可见，楼梯各构件在地震力的作用下破坏比较严重。尤其是梯梁与梯柱的抗剪能力严重不足，而且现行楼梯设计忽略了梯梁与梯柱的抗扭设计，使楼梯在地震时对扭矩作用抵抗力很差。抗震设计中“强节弱杆”的设计原则在楼梯设计中也没有体现，而造成了楼梯平台梁与梯柱节点处薄弱，在地震的作用下很容易被破坏。

针对楼梯的破坏情况，该试验设计制作了2个相同尺寸但不同构造的楼梯模型，并进行加载，研究不同构造的楼梯模型承载力增加的情况。

该楼梯试件为双跑钢筋混凝土板式楼梯。楼梯间开间尺寸为1.3m，进深尺寸为2.7m，楼梯层高为1.5m。混凝土强度等级为C25，梯段板和平台用一级钢，框架用二级钢[1]。

试件1是按照现行楼梯设计方法设计的楼梯试件。除自重以外，楼梯梯段板按照承受竖向均布面荷载设计；平台梁按承受平台和梯段板传递来的均布线荷载设计；梯柱按照轴心受压构件进行设计。箍筋为抗剪箍筋，末端弯钩135°，其他构造措施按照 GB 50011—2010《混凝土结构设计规范》[5]相关要求设计。试件1结构布置如图2。

图2 试件1结构布置图

试件2是按照改进的设计方法进行设计和制作的试件。首先，梯段板负弯矩钢筋搂通长设置，其次，梯梁、梯柱按照同时受弯矩、剪力和扭矩作用的构件进行设计，且梯柱通长设置。配置受扭箍筋，箍筋末端弯钩180°，水平段长度大于15d。试件2的结构布置图如图3。

图3 试件2的结构布置图

2.2 试验加载及现象

本试验采用拟静力加载，以低周反复荷载模拟地震力。用45t和30t的作动器，在楼梯顶端进行加载，如图4。低周反复加载方式模拟地震作用过程，首先用荷载控制进行加载直至试件开裂，然后用位移控制加载至试件破坏。在加载的过程中随时观察试件的破坏情况。

2个试件在荷载控制加载阶段，2个作动器荷载同步，但反馈回的位移都有一定的差值，表明由于相邻梯段板的不同向布置形成斜向支撑，使刚度不均匀，导致框架产生扭转。

图4 试件的加载装置图

2个试件加载现象对比见表1。

表1 试件加载现象对比

从试件极限承载力可以看出试件2的承载能力比试件1高40%以上。而且加载后试件1最严重破坏位置在平台梁跨中和梯梁与梯柱相交处，如图5，梯柱破坏情况如图6。试件2的最严重破坏发生在梯梁与梯柱交接节点处，说明节点承载力仍不足，设计时应加强。

图5 梯段板与梯梁交界处的破坏

图6 梯柱破坏情况

3 抗震设计

由震害分析和试验可以看出楼梯的抗震设计需要加强，以满足楼梯的承载力要求。楼梯抗震设计建议如下：

（1）楼梯梯段板负弯矩钢筋通长，避免在地震时梯段板在负弯矩钢筋截断处被拉断；

（2）平台梁按照弯、剪、扭构件进行设计，抗扭箍筋沿梁通长加密，提高平台梁的抗剪和抗扭能力；

（3）梯梁按照剪、扭构件进行设计，箍筋通长加密，而且柱子通长布置，提高其抗侧移能力；

（4）楼梯的抗震设计也要满足“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉、强节弱杆”的设计原则，而且满足罕遇地震下的抗震变形验算，保证楼梯不先于主体破坏。

4 结语

震害表明楼梯对结构起侧向支撑作用，抗侧移刚度较大，本身分担的地震力不容忽视，结构设计时需要考虑楼梯对结构整体的影响。

楼梯的设计不应按照简单的承受竖向荷载的框架结构进行设计。应考虑楼梯在地震时的反应，按照抗震设计的原则，加强楼梯的抗震设计。而且应考虑楼梯尤其是梯段板的斜撑作用对整个结构的影响。框架结构自振周期、层间位移、层间位移角以及结构的层间剪力等都因为楼梯的存在而产生影响，在地震作用下，效果更加明显[5]。因此，应加强楼梯间的抗震设计，保证楼梯不成为结构的薄弱位置，使之不先于结构破坏，为人员逃生提供可靠的通道。

[1]李颖超，窦立军，张敏.楼梯抗震技术研究综述[J].吉林建筑大学学报，2013，30（3）：23－26.

[2]王俊峰，王泽军.楼梯间和楼梯的抗震设计浅议[J].山西建筑，2009，35（3）：98－99.

[3]霍林生，李宏男，肖诗云，等.汶川地震钢筋混凝土框架结构震害调查与分析[J].大连理工大学学报，2009，4（5）：718－723.

[4]王威，薛建阳，罗大明，等.建筑楼梯在2008年汶川大地震中的震害分析[J].地震工程与工程振动，2011，31（5）：157－165.

[5]GB 50011－2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.