框架类结构楼梯设计对策探讨(结合规范)

1、现行规范针对楼梯结构抗震分析、设计作出如下规定：建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）第6.1.15条规定：“对于框架结构，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（JGJ 3-2010）第6.1.4条：框架结构的楼梯间应符合下列规定：“楼梯结构应有足够的抗倒塌能力”，“宜采取措施减小楼梯对主体结构的影响”。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设计要求：“增强疏散通道结构构件的承载力和变形能力”。1 汶川地震启示及现行规范规定汶川地震发生以前，结构工程

2、师在结构计算时往往略去楼梯构件的建模计算，将楼梯构件进行单独设计（仅考虑竖向荷载），既没有考虑楼梯构件的抗震性能，也没有考虑楼梯构件对结构整体抗震性能产生的影响。汶川地震震后调查发现，结构（尤其是框架结构）楼梯构件损坏严重，如梯板拉压破坏、梯柱两端弯曲破坏、梯梁剪扭破坏以及与楼梯休息平台相接的框架柱剪切破坏等，汶川地震中因楼梯结构破坏、倒塌导致大量人员伤亡，造成重大生命财产损失！ 汶川地震启示:大震时，楼梯间是人们选择逃生的唯一通道，楼梯间人流瞬间会达到峰值。如果此时楼梯结构发生严重破坏，或者由于楼梯结构破坏而导致非结构构件破坏，造成逃生通道中断或堵塞，会导致严重后果。鉴于汶川地震造成结构楼梯

3、间损坏严重，影响结构的逃生功能。现行规范针对楼梯结构抗震分析、设计作出如下规定：建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）第6.1.15条规定：“对于框架结构，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（JGJ 3-2010）第6.1.4条规定框架结构的楼梯间应符合下列规定：“楼梯结构应有足够的抗倒塌能力”，“宜采取措施减小楼梯对主体结构的影响”。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设计要求：“增强疏散通道结构构件的承载力和变形能力”。近年来，基于性能的抗震设

4、计理念已逐渐应用于工程实际，现行的建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）和高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）均引入这种设计理念并就具体实施方法作出了规定。楼梯间起着地震时逃生的重要作用，将楼梯结构的抗震性能目标提高，设计为整个结构的“安全岛”的概念，已被广大工程师所接受。2 当前设计院对楼梯结构的主流设计方法探讨2.1 楼梯结构采用传统整浇做法（1）楼梯设计仍采用汶川地震前的传统方法，不参与结构整体计算，仅对楼梯构件的抗震构造措施进行加强。这种设计方法违反建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）6.1.15条的要求，但目前仍被广泛使用。（2）按建筑抗震设计规范（G

5、B 50011-2010）要求，将楼梯结构输入结构整体模型进行计算并设计。大量精细分析结果表明，楼梯结构对框架类结构的整体刚度、规则性影响显著，梯柱、梯梁、梯板以及楼梯周边结构构件地震作用效应较大，设计时极易超筋，而如果增大相关构件尺寸来解决，会导致楼梯结构刚度进一步增大，地震作用效应进一步增加，在设计上形成“死循环”（图2（a）。一味的“硬抗”，可能会影响建筑使用功能和整体结构布局，同时会导致建筑造价上升。 （a）楼梯整浇对结构振动特性及构件内力影响（MIDAS软件）（b）滑动支座改善结构刚度布置（ETABS软件）图2 楼梯对框架结构整体抗震性能的影响另外，由于楼梯结构错层布置，现行个别主流

6、设计软件在楼梯建模、分析单元选取、刚度集成方面 存在诸多“盲区”，导致计算结果极易发生异常，对设计人员造成严重困扰。同时，现行规范缺乏楼梯结构的概念设计，对楼梯结构构件的抗震措施、预期破坏模 式、性能目标实现机理等交代不明，导致楼梯结构设计目前缺乏统一标准，乱象丛生。最后，不得不指出，框架结构中，整浇的楼梯结构无疑会在结构平面中形成“刚性核”，时程分析表明，无论是否经过（小震的）抗震设计，中、大震时楼梯结构都将首当其冲，率先破坏，这与“安全岛”的设计理念不符。因此，“硬抗”的设计方案值得反思。2.2 采用“ 减震”设计思路，在梯板下端与梯梁之间设置滑动支座对楼梯间采取“放震”措施，弱化楼梯构件

7、对主体结构的刚度影响，人为地将楼梯间与主体结构隔开，是楼梯间抗震设计的新思路。大量分析表明，梯板斜撑效应是造成楼梯间结构抗震设计一系列问题的根源，因此，在楼梯梯板与梯梁之间设置滑动支座，将楼梯梯板的支撑效应卸掉，是解决楼梯结构抗震问题的有效途径（图2（b）为设计滑动支座前后结构第一振型形状对比）。滑动支座做法的效果已被计算与试验证实，并已被混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土板式楼梯）国家建筑标准设计图集11G101-2（以下简称11G101-2图集）采用。11G101-2图集给出了具体的滑动支座参考做法（图3），且说明采用图3做法时，由于滑动支座卸掉了梯板的斜撑效应

8、，建模时梯板可不参与结构整体计算。图3 11G101-2图集中楼梯滑动支座建议做法图4 梯柱破坏引发梯板脱落示意由于图3构造简单，且广大设计人员根据11G101-2图集说明笼统认为用上述做法时，整个楼梯结构（注：11G101-2图集原意仅梯板）可不参与计算，大大简化了设计步骤，造成目前图3做法不分楼梯结构是否安全、不分梯柱是否薄弱且未经抗震设计、不分梯板与梯梁隔离是否影响结构冗余度、不分梯板下端大震时会否翘起等安全隐患而盲目地大量使用。对11G101-2图集楼梯间滑动支座的建议做法仔细研究发现，上述做法仅释放掉了梯板的斜撑效应，对于整个楼梯结构而言，如无条件地使用会存在以下几种问题：（1）存安

9、全隐患。将楼梯斜板简单放置在梯梁上，减少了结构冗余度，大震时梯板有脱落风险！虽然梯板的搭接长度满足现行规范框架结构的层间变形需求，但支撑楼梯斜板另一端的梯柱，如其截面尺寸较小且未经抗震设计，很难形成强柱弱梁的破坏机制，大震时，梯柱很可能先于主体结构发生破坏，而导致另一端“搁置”在梯梁上的梯板发生滑落，从而使楼梯间发生连续倒塌的脆性破坏（图4）。另外，振动台试验结果表明，7度及以上大震时，采用图3滑动支座做法的梯板下端会发生竖向翘起现象，且竖向加速度反应较大，梯板振动与梯梁碰撞造成梯板跨中产生明显水平裂缝。如果大震时楼梯间人流密集，这种振动反应极易引发踩踏事故等。最后，梯板与梯梁脱开后，楼梯结构

10、可能与主体结构脱开，成为主体结构的单跨框架子结构。一方面建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）6.1.5条避免甲乙类建筑和高层建筑使用单跨框架，另一方面，楼梯子结构存在地震力二次放大的可能（鞭梢效应），这更加重了梯柱首先发生脆性破坏的风险。（2）不美观，预留变形区构造极易被后期装修工程忽略。梯板下端与休息平台连接处，建筑面层要预留125px的“预变形滑动区”，这使得建筑面层不连续。框架结构一般均为公共建筑，这种做法影响建筑美感。工程案例表明，大多滑动支座在装修时被建筑面层顶死，形同虚设。（3）设计、施工不方便。11G101-2图集没有交代梯板以外的楼梯构件设计方法，而这个环节被绝大多数

11、设计师误读，导致楼梯结构设计存在严重安全隐患。另外，隔震层厚度较小，且必须位于梯梁与梯板之间，施工定位要求较高，难度大。3 陕14G10隔震橡胶支座现浇钢筋混凝土板式楼梯设计理念3.1 背景、做法及优势基于“硬抗”的设计方案以及传统滑动支座做法设计方案均不尽完美，结合减、隔震设计思路，我们提出将滑移型的滑动支座转化为橡胶隔震支座，如图5所示。在梯板下端与梯梁之间设橡胶隔震支座，橡胶隔震支座通过上下连接板和锚固螺栓分别锚入梯板与梯梁内，使得二者之间既可相互滑动，又连为一体。图5 防倒塌隔震支座做法图5橡胶隔震支座相比图3滑动支座做法具有以下优势：（1）安全首先，梯板通过橡胶隔震支座与梯梁相连，橡

12、胶隔震支座通过变形释放梯板斜撑效应的同时，其自身的抗剪、抗拉、抗压承载力以及自复位能力能增加楼梯结构的冗余度，起到楼梯结构抗震的二道防线作用。大震时即使梯柱破坏，隔震橡胶支座能确保梯板不会脱落，楼梯不倒塌，其作为逃生通道的功能能够继续发挥，直至整体结构倒塌失效。另外，橡胶支座抗拉承载力能保证大震时梯板下段不发生竖向翘起。（2）美观梯板下端与休息平台连接处，预留泡沫“变形区”，将变形区留在支座内部解决，支座滑动不受建筑面层影响，保证建筑面层的连续性。（3）设计施工更方便橡胶隔震支座均通过验算满足楼梯结构“大震不倒”的设防要求，且所有验算工作线下完成。工程师设计时可省去所有楼梯构件的建模计算，仅按

13、不同楼梯结构类型、不同抗震设防类别进行支座型号选择即可。施工时，将隔震支座放入梯梁、梯板绑扎钢筋之间，定位后，整体现浇即可。支座可接受的施工误差达10mm。3.2 设计流程3.2.1 楼梯橡胶隔震支座（以下简称LTZZ）的型号及设计参数图6 LTZZ的型号参数LTZZ型号标准：1）LTZZ宽度统一定义为270mm，厚度定义为50mm，变形区宽定义为60mm；2）需要设计人员确定的尺寸：L（梯板宽度），b（橡胶层宽度），H（变形区填充材料高度）(图6)；3）因此，LTZZ型号可表示为：LTZZ-L-b-H（如LTZZ-1500-80-60）。确定LTZZ型号的三个参数中，L，H与楼梯几何尺寸、面

14、层厚度相关，不需计算求解。所以，LTZZ设计的关键是求得橡胶层宽度b。3.2.2 橡胶层宽度b计算（1）LTZZ针对不同楼梯结构的抗震验算项目（以普通双跑楼梯为例）图7 常见普通双跑楼梯结构类型图7第一种类型的楼梯，休息平台四角均为框架柱，因框架柱均参与结构的整体抗震计算及设计，设置LTZZ后，不用考虑楼梯间框架柱破坏后楼梯结构的安全风险（因为框架柱破坏意味着整体结构破坏，此时强调楼梯结构安全没有意义）。所以，此时LTZZ只需进行滑动变形能力验算及梯板竖向防翘起验算即可。图7第二种类型的楼梯，休息平台外侧为两个框架柱，假定休息平台内侧的梯柱发生破坏，梁端产生塑性铰，但由于受到外侧框架柱的约束，楼梯结构不会倒塌。所以，此时LTZZ只需进行滑动变形能力验算及竖向防翘起验算即可。图7第三种类型的楼梯，休息平台外侧仅一个框架柱，假定休息平台的梯柱地震时率先破坏，梁端产生塑性铰可能会导致楼梯结构沿水平方向倒塌。所以，此时LTZZ需进行滑动变形能力验算、楼梯结构X向和Y向的水平防倒塌验算及竖向防翘起验算。图7第四类型的楼