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建筑结构 福建建设科技2016. No. 421 楼梯梯段不同滑动支座设置的对比 林锦滔 福建九鼎工程质量检测有限公司 摘要 震害经验表明设计中未考虑楼梯刚度效应， 可能使地震中梯段斜板、 梯梁、 梯柱乃至框架柱发生不同程度损毁， 理论分析的规律也揭示梯间引入的刚度将使得构件 “内力重分布” 同时改变结构动力特性。目前设计对楼梯的处理包括将楼梯 同时建模以及通过设置滑动支座减小楼梯对主体结构的影响， 其中滑动支座因设置的灵活性赢得设计人员青睐。针对滑动支座 设置于梯段不同位置将对楼梯内力及动力特性影响效果不同， 且不同滑动实现方式有不同的要求。通过力学求解器建立梯段不 同部位设置滑动支座的楼梯间模型， 对比滑动支座设置于楼梯梯段不同位置对其刚度及动力特性的影响做了分析， 同时对不同形 式滑动支座设计的注意要点做了归纳。表明模型 3、 4、 5 所代表的楼梯形式对减小楼梯对结构影响效果较好， 同时对挑耳承载力、 滑动端变形量及翘起等问题做了归纳。 关键词 楼梯; 滑动支座; 隔震垫; 对比 Comparison of different sliding bearing settings of stair inclined plate Abstract:Earthquake damage experience shows that if the staircase stiffness effect is not considered in the design，the earthquake may make the ladder inclined plate， beam， ladder column and frame columns have different degrees of damage The theoretical analysis also re- vealed the staircase stiffness will make the internal force redistribution and change the structure dynamic characteristics The design method includes considering stairs stiffness or setting the sliding support According to the different position of the sliding bearing，the effect of the internal force and the dynamic characteristics of the stair are different The different sliding mode has different requirements The model of the staircase of the sliding bearing in different parts of the ladder by using the mechanical solver was established The paper compared the stairs stiffness and dynamic characteristics of the structure when the sliding support is arranged in different positions of the stairs At the same time the design on different types of sliding bearing is summarized The results show that the stairs which are represented of the model 3，4 and 5 can reduce the impact of stairs to the structure At the same time the problem on the bearing capacity，deformation and upwrap of the sliding end etc is summarized Key words:stairs;sliding support;vibration isolation cushion;comparison 楼梯是建筑中重要的交通枢纽， 使得灾难发生时人员可 通过楼梯顺利撤离。原有设计规范未考虑楼梯刚度对整体结 构内力分配的影响及楼梯本身抗震承载力， 地震中富集的楼 梯刚度使得梯间吸收更多地震作用， 梯段斜板、 梯梁、 梯柱乃 至框架柱都可能发生不同程度损毁， 最终失去作为逃生通道 的可能。冯远、 王亚勇、 蒋欢军1 3 等学者通过建立考虑及不 考虑楼梯作用的框架结构模型， 进一步揭示楼梯对框架结构 的影响规律: 楼梯 K 型支承作用的主导方向为顺楼梯方向， K 型支承提高结构刚度， 降低结构平动周期， 增加地震作用， 偏 置的梯间将加大结构扭转效应。文献 14 、 8 、 10 等通过 在楼梯梯段设置滑动支座以减少楼梯对主体结构的影响。本 文对楼梯不同位置设置滑动支座对结构影响做了对比， 对设 计中设置不同类型滑动支座的注意事项作了归纳。 1梯间的设计处理 震害经验及理论研究的成果使得规范对楼梯的设计处理 提出更完备的指导意见 ， 建筑抗震设计规范 ( GB 50011 2010) 第 6. 1. 15 条， 对于框架结构， 楼梯布置不应导致结构平 面特别不规则， 楼梯构件与主体结构整浇时， 应计入楼梯构件 对地震作用及其效应的影响， 应进行楼梯构件的抗震承载力 验算 。高层建筑混凝土结构技术规程 ( JGJ3 2010) 第 6. 1. 4 条:楼梯结构应有足够的抗倒塌能力 。混凝土结构 设计规范 ( GB50010 2010) 第 3. 6. 1 条: 关于混凝土结构防 连续倒塌的概念设计中要求增强疏散通道结构的承载力和变 形性能。与框架结构刚性连接的楼梯， 设计工作者改变原有 仅将楼梯作为荷载施加于结构的设计方式， 把楼梯结构纳入 整个结构共同建模计算， 使得楼梯 K 型支承所带来的刚度效 应得以考虑， 但目前的一些计算软件在楼梯构件模拟、 理论分 析方面尚有不完备之处， 使得计算结果可能失真。楼梯间位 置确定是由建筑专业根据人流疏散的需要布置的， 一般难与 结构抗震需求相契合， 偏置的梯间将加大结构扭转效应， 这些 原因促使设计人员将目光投向建筑抗震设计规范 所提出 的 “采取构造措施， 减少楼梯构件对主体结构影响” ， 于梯段 斜板支承处设置滑动支座正是该规范条文对应的处理方法。 上海市建设工程钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计的指导意 见 ( 2012 年) 表示对于设置滑动支座的楼梯， 整体内力分析 的计算模型可不考虑楼梯构件的影响 。现浇混凝土板式楼 梯 ( 11G101 2 ) 、 装配式混凝土结构连接节点构造 ( G310 1) 及文献 10 12都给出了滑动支座的不同做法及设置 部位。本文将对滑动支座设置于不同部位对结构的影响及不 22福建建设科技2016. No. 4 建筑结构 同的滑动支座设置方法可能带来的问题做一探讨。 2不同部位设置滑动支座的影响对比 为了分析滑动支座设置在楼梯间不同位置对结构刚度、 内力的影响效果， 采用三层的楼梯框架， 楼梯构件的截面尺寸 分别为: 梯间框架柱 400 x400mm2， 框架梁 200 x500mm2， 梯柱 200 x200mm2， 梯梁 200 x400mm2， 梯段斜板 1500 x100mm2。同时 在楼梯不同位置设置滑动支座， 在楼层位置施加单位荷载， 分析 梯间构件的内力及结构位移。滑动支座的设置方式详见表1。 表 1滑动支座设置方式 编号滑动支座不同的设置方式 模型 1未设置滑动支座的楼梯结构 模型 2上梯段斜板下支承端设滑动支座 模型 3上、 下梯段斜板下支承端设滑动支座 模型 4 上梯段斜板下支承端设滑动支座， 休息平台与框架柱断 开， 通过四根梯柱支承于框架梁 模型 5 上梯段斜板下支承端设滑动支座， 休息平台与框架柱断 开， 采用悬挑方式 模型 6作为比对的三层无楼梯构件框架 图 1滑动支座设置部位及对比框架示意 采用力学求解器建立不同部位设置滑动支座的模型， 考 虑到悬挑平台板及悬臂梯板会影响整体结构基本频率， 未建 入模型中。在楼层单位荷载作用下， 本文约定每个模型楼层 顶点位移的倒数作为结构刚度， 将比对模型 6 的刚度、 基频、 第一周期作为单位值 1， 其余模型与其对应的比值详见表 2。 表 2不同模型刚度、 基频、 第一周期比值 编号刚度比基频比第一周期比 模型 115. 01 2. 820. 35 模型 26. 71 2. 270. 44 模型 31. 33 1. 060. 94 模型 41. 08 0. 911. 10 模型 51. 00 0. 911. 10 模型 61. 00 1. 001. 00 模型 1 的计算结果表明， 楼梯的斜撑效应十分明显， 使得 结构刚度相对于无梯板框架显著增加， 周期减小; 模型 2、 3 的 计算结果表明， 同时在上下梯段板设滑动支座比仅在上梯段 板设滑动支座的刚度减量大; 模型 4、 5 的计算结果表明， 仅在 上梯段板设滑动支座， 同时将休息平台与框架柱隔开， 能更好 减小斜撑效应， 降低结构刚度， 下梯段板和梯柱支承于框架， 构成梯间的子结构， 对梯间的刚度影响降到最低。 各模型单位荷载作用下， 对具有代表性的一层部分构件 的轴力进行对比， 提取一层下梯段、 一层右框架柱、 一层梁 ( 按梯段投影位置分为左中右三段) 、 半层平台梯梁的轴力列 于表 3。 表 3构件轴力对比 编号下梯段框架柱梁左梁中梁右梯梁 模型 12. 68 1. 850. 531. 932. 100. 57 模型 23. 64 2. 380. 362. 993. 103. 46 模型 30. 00 3. 170. 580. 580. 110. 57 模型 40. 49 1. 950. 530. 970. 830. 31 模型 50. 05 1. 940. 470. 510. 47 模型 6 1. 940. 460. 460. 46 通过各模型的轴力对比， 表明在水平荷载作用下， 模型 3、 4、 5 梯段斜板轴力增量很小， 支承梯梁及梯柱的框架梁的 轴力与对比模型 6 的轴力也较为接近， 按照模型 3、 4、 5 方式 设置滑动支座的楼梯间对主体结构影响较小。 模型 1 代表的楼梯形式， 地震中梯段斜板同时承受拉、 压、 弯、 剪、 扭荷载作用， 新版较之旧版现浇混凝土板式楼 梯 有了更严格的构造要求， 需设置边缘构件， 上部及下步纵 筋均贯通板跨。模型 3 与 6 的构件轴力对比， 表明滑动支座 的设置减小梯板受力， 而此时对于柱、 梁构件设计时仍应加 强， 可参照 上海市建设工程钢筋混凝土结构楼梯间抗震设 计的指导意见 第 7 条 1、 2 款的要求进行设计。 3不同滑动方式的实现 震害经验、 试验成果、 理论分析使得滑动支座做法也经历 不断演变改进的过程。 3. 1高、 低端均无连接构造 上世纪 60 70 年代建造了不少装配结构， 框架结构梯板 仅是通过挑耳支承在两支端梁， 无连接构造， 大震作用下楼梯 有掉落 的 风 险 ， 预 制 钢 筋 混 凝 土 板 式 楼 梯 图 集( 川 03G311) 给出该支座做法， 如图 2 所示。 图 2支座未设置连接构造 3. 2高端铰接、 低端滑动 3. 2. 1不同的铰接做法 文献 14 对图 2 所示支座进行改进， 于梯板高端支承处 通过钢筋将梯板与支承梁拉结形成铰接， 低端支承处增设四 氟板， 地震作用下梯板与梯梁可以滑动， 如图 3 所示。 在装配整体式混凝土结构中的预制楼梯为方便安装， 避 免梯段板竖向无约束而翘起， 图集 15G310 1 给出螺栓连接 的方式， 低端支承处通过梯板中预留的空腔保证其地震下水 平位移， 同时通过螺栓限制梯板的竖向位移， 详见图 4。 建筑结构 福建建设科技2016. No. 423 图 3高端支承通过钢筋铰接 图 4装配楼梯采用螺杆连接 3. 2. 2铰接端地震力计算 梯段斜板在地震作用下将产生水平地震力作用， 梯板低 端处于水平滑动状态， 该地震作用均由高端拉筋或螺栓承担， 可采用反应谱法计算梯段斜板产生的地震力， 公式如下: FEk= maxGeq( 1) 式中: FEk为施加于梯段斜板的水平地震作用 为动力放大系数 max为水平地震影响系数最大值 Geq为重力荷载代表值 3. 2. 3滑动端的变形计算 滑动端在地震作用下将产生滑移， 需要保证梯段斜板具 有足够的滑动空间。可通过层间位移角限值与梯板高度的乘 积计算求得梯板的水平变形量， 图集 15G310 1 仅要求满足 弹性层间位移角的要求， 但楼梯作为地震中的安全岛， 最好可 以满足大震下层间变形的要求， 文献 2、 3提供的框架结构 罕遇地震作用下层间位移角限制为 1/50。 3. 2. 3挑耳的设计 挑耳的破坏伴随的是梯板的跌落， 其重要性不言而喻。 图集中并未给出挑耳的配筋图， 需要设计人员计算后配置， 挑 耳承受梯板传递来的自重、 活荷载及水平地震作用， 计算时应 注意考虑荷载等效至挑耳形心所产生的弯矩， 使得挑耳处于 拉力、 弯矩、 剪力的共同作用。 图 5挑耳受力示意 3. 3高端固结、 低端滑动 3. 3. 1滑动端的改进 梯梁在竖向及水平向承受弯矩作用， 同时承受剪力、 扭矩 作用， 受力十分复杂， 图集 11G101 2 给出的梯段斜板支承 方式为高端固结， 梯段斜板钢筋需锚入平台板而非梯梁， 低端 支座为滑移， 可通过钢板间铺石墨粉或设置四氟板实现， 如图 6 所示。 滑动支座采用钢板间铺石墨粉或设置四氟板实现时， 根 据振动台试验8 结果， 滑动端的梯段斜板会翘起， 使得梯段 图 6高端固结， 低端滑移 图 7低端设置及未设置滑动支座时楼梯一阶振型 斜板处于瞬时悬臂的状态。建立带有悬臂梯板及梯板整浇的 两种楼梯模型， 从一阶振型( 图 7) 可以看出悬臂梯板竖向往 复翘起的特征十分明显。文献 10提出将四氟板改为隔震 支座， 消除梯段斜板掉落的风险， 同时因为引入的隔震支座增 加梯间的阻尼， 可减小地震作用， 支座做法如图 8 所示。 图 8高端固结， 低端隔震支座 3. 3. 2隔震支座的设计 带隔震支座的的楼梯， 可考虑平台板与框架柱脱开后， 梯 柱形成塑性铰， 楼梯间作为主体结构子结构考虑， 楼梯荷载均 由隔震支座承担， 隔震支座的计算简图如图 9 所示。 图 9隔震支座计算简图 隔震支座的地震作用可按照公式( 1) 进行计算， 橡胶支 座的极限承载力计算公式如下: FEk= Vui= GA( 2) 式中: Vui为支座极限承载力 G 为支座剪切模量 A 为支座面积 根据求得的地震作用及已知的支座模量， 可以求得橡胶 支座面积， 橡胶支座的长度可取梯板宽， 进而求得橡胶支座所 需宽度。 ( 下转第 28 页) 28福建建设科技2016. No. 4 建筑结构 ( 3) 打磨完后产生的粉尘要注意清理干净。 ( 4) 打磨完后会发现表露的石子， 回弹时要避开， 在浆料 位置进行回弹测试。 检测数据汇总如表 1 所示: 表 1检测数据汇总表 序号检测批强度等级龄期( d) 去除疏松层 前回弹强度 ( MPa) 去除疏松层 后回弹强度 ( MPa) 差值 ( MPa) 相对误差 ( %) 芯样强度 ( MPa) 1五层柱墙C35约 5028. 535. 46. 919. 534. 4 2六层柱墙C35约 6030. 136. 66. 517. 837. 3 3七层柱墙C35约 7027. 733. 45. 717. 136. 4 4八层柱墙C35约 8029. 936. 26. 317. 433. 7 5九层柱墙C35约 9031. 235. 94. 713. 135. 8 6十层柱墙C35约 10029. 335. 25. 916. 837. 9 检测过程中发现去除疏松层( 实际去除的厚度约 2mm) 后回弹平均值约提高 2， 碳化深度约减少 2mm， 回弹强度的换 算值提高了 4. 7 MPa 6. 9 MPa， 相对误差达到 13. 1% 19. 5%. 芯样验证的结果也是于去除疏松层后的检测数据比 较接近， 因此可以认为在回弹法检测存在疏松层的混凝土时， 去除疏松层后再进行检测是必须的， 这样的检测结果才更接 近混凝土本身真实的强度。 3结束语 在工程施工过程中， 我们要控制混凝土的配合比、 参合料 的用量、 浇筑过程的振捣以及模板的选用和正确的养护等等 因素预防混凝土疏松层的出现。其中养护不当造成疏松层的 占比较大， 部分人认为在东南沿海地区， 空气潮湿， 养护时浇 浇水就好， 殊不知沿海地区风力大， 浇的水很快就干了， 混凝 土表面长期缺水， 很容易产生疏松层。为避免这样的情况发 生建议养护时采用塑料布覆盖混凝土， 这样能有效的防止强 风对混凝土影响。不管什么原因形成的疏松层， 只要对回弹 法有影响我们都要对其进行相应的处理。 现今回弹法检测混凝土抗压强度， 在实际应用中越来越 广泛， 很多地区工程实体验收时都要求用回弹法进行验证， 回 弹合格作为验收的要求之一， 因此我们更要保证回弹法的准 确， 不要盲目进行检测。日常回弹法检测中会经常遇到存在 疏松层的混凝土， 试验人员要注意甄别， 根据 规程 中的要 求， 必须将疏松层清除后方可检测， 以免产生误判， 对整体工 程造成影响。 参考文献 1陕西省建筑科学研究院， 浙江海天建设集团有限公司， 等 JGJ/T 23 2011 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2011 2福建省建筑科学研究院 DBJ/T13 71 2015 回弹法检测混凝土 抗压强度技术规程S 福州: 福建省住房和城乡建设厅， 檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲 2015 ( 上接第 23 页) 4结论 通过上文的归纳， 得出以下几点结论: ( 1) 与框架结构整浇的楼梯斜撑效应十分明显， 使得结 构刚度显著增加， 周期减小; ( 2) 模型 3、 4、 5 代表的楼梯形式能减小斜撑效应， 降低 梯间刚度， 因此建模时可不考虑楼梯刚度影响; ( 3) 梯板滑动端的变形计算， 应以满足大震下层间变形 要求为宜， 保证楼梯作为地震中的安全岛; ( 4) 挑耳作为支承梯板的重要部件， 设计中应考虑承受 梯板传递来的自重、 活荷载及水平地震的共同作用; ( 5) 滑动支座采用钢板间铺石墨粉或设置四氟板实现 时， 滑动端的梯段斜板会翘起， 需验算梯段斜板处于瞬时悬臂 的状