框架類結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)對(duì)策探討(結(jié)合規(guī)范解析).

1、現(xiàn)行規(guī)范針對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)抗震分析、設(shè)計(jì)作出如下規(guī)定：建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）第6.1.15條規(guī)定：“對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆時(shí)，應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響，應(yīng)進(jìn)行樓梯構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算”。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010）第6.1.4條：框架結(jié)構(gòu)的樓梯間應(yīng)符合下列規(guī)定：“樓梯結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力”，“宜采取措施減小樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響”?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）第3.6.1條：關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)要求：“增強(qiáng)疏散通道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力”。1 汶川地震啟示及現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定汶川地震發(fā)生以前，結(jié)構(gòu)工程

2、師在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)往往略去樓梯構(gòu)件的建模計(jì)算，將樓梯構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)（僅考慮豎向荷載），既沒(méi)有考慮樓梯構(gòu)件的抗震性能，也沒(méi)有考慮樓梯構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能產(chǎn)生的影響。汶川地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)（尤其是框架結(jié)構(gòu)）樓梯構(gòu)件損壞嚴(yán)重，如梯板拉壓破壞、梯柱兩端彎曲破壞、梯梁剪扭破壞以及與樓梯休息平臺(tái)相接的框架柱剪切破壞等，汶川地震中因樓梯結(jié)構(gòu)破壞、倒塌導(dǎo)致大量人員傷亡，造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失！ 汶川地震啟示:大震時(shí)，樓梯間是人們選擇逃生的唯一通道，樓梯間人流瞬間會(huì)達(dá)到峰值。如果此時(shí)樓梯結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，或者由于樓梯結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，造成逃生通道中斷或堵塞，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。鑒于汶川地震造成結(jié)構(gòu)樓梯

3、間損壞嚴(yán)重，影響結(jié)構(gòu)的逃生功能。現(xiàn)行規(guī)范針對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)抗震分析、設(shè)計(jì)作出如下規(guī)定：建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）第6.1.15條規(guī)定：“對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆時(shí)，應(yīng)計(jì)入樓梯構(gòu)件對(duì)地震作用及其效應(yīng)的影響，應(yīng)進(jìn)行樓梯構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算”。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010）第6.1.4條規(guī)定框架結(jié)構(gòu)的樓梯間應(yīng)符合下列規(guī)定：“樓梯結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗倒塌能力”，“宜采取措施減小樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響”。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）第3.6.1條關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)要求：“增強(qiáng)疏散通道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形能力”。近年來(lái)，基于性能的抗震設(shè)

4、計(jì)理念已逐漸應(yīng)用于工程實(shí)際，現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010）均引入這種設(shè)計(jì)理念并就具體實(shí)施方法作出了規(guī)定。樓梯間起著地震時(shí)逃生的重要作用，將樓梯結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)提高，設(shè)計(jì)為整個(gè)結(jié)構(gòu)的“安全島”的概念，已被廣大工程師所接受。2   當(dāng)前設(shè)計(jì)院對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)的主流設(shè)計(jì)方法探討2.1 樓梯結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)整澆做法（1）樓梯設(shè)計(jì)仍采用汶川地震前的傳統(tǒng)方法，不參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，僅對(duì)樓梯構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)。這種設(shè)計(jì)方法違反建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）6.1.15條的要求，但目前仍被廣泛使用。（2

5、）按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）要求，將樓梯結(jié)構(gòu)輸入結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)。大量精細(xì)分析結(jié)果表明，樓梯結(jié)構(gòu)對(duì)框架類結(jié)構(gòu)的整體剛度、規(guī)則性影響顯著，梯柱、梯梁、梯板以及樓梯周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震作用效應(yīng)較大，設(shè)計(jì)時(shí)極易超筋，而如果增大相關(guān)構(gòu)件尺寸來(lái)解決，會(huì)導(dǎo)致樓梯結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步增大，地震作用效應(yīng)進(jìn)一步增加，在設(shè)計(jì)上形成“死循環(huán)”（圖2（a）。一味的“硬抗”，可能會(huì)影響建筑使用功能和整體結(jié)構(gòu)布局，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑造價(jià)上升。 （a）樓梯整澆對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及構(gòu)件內(nèi)力影響（MIDAS軟件）（b）滑動(dòng)支座改善結(jié)構(gòu)剛度布置（ETABS軟件）圖2 樓梯對(duì)框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響另外，由于樓梯結(jié)

6、構(gòu)錯(cuò)層布置，現(xiàn)行個(gè)別主流設(shè)計(jì)軟件在樓梯建模、分析單元選取、剛度集成方面 存在諸多“盲區(qū)”，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果極易發(fā)生異常，對(duì)設(shè)計(jì)人員造成嚴(yán)重困擾。同時(shí)，現(xiàn)行規(guī)范缺乏樓梯結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，對(duì)樓梯結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震措施、預(yù)期破壞模 式、性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)機(jī)理等交代不明，導(dǎo)致樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，亂象叢生。最后，不得不指出，框架結(jié)構(gòu)中，整澆的樓梯結(jié)構(gòu)無(wú)疑會(huì)在結(jié)構(gòu)平面中形成“剛性核”，時(shí)程分析表明，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)（小震的）抗震設(shè)計(jì)，中、大震時(shí)樓梯結(jié)構(gòu)都將首當(dāng)其沖，率先破壞，這與“安全島”的設(shè)計(jì)理念不符。因此，“硬抗”的設(shè)計(jì)方案值得反思。2.2 采用“ 減震”設(shè)計(jì)思路，在梯板下端與梯梁之間設(shè)置滑動(dòng)支座對(duì)樓梯間采取“

7、放震”措施，弱化樓梯構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)的剛度影響，人為地將樓梯間與主體結(jié)構(gòu)隔開(kāi)，是樓梯間抗震設(shè)計(jì)的新思路。大量分析表明，梯板斜撐效應(yīng)是造成樓梯間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)一系列問(wèn)題的根源，因此，在樓梯梯板與梯梁之間設(shè)置滑動(dòng)支座，將樓梯梯板的支撐效應(yīng)卸掉，是解決樓梯結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題的有效途徑（圖2（b）為設(shè)計(jì)滑動(dòng)支座前后結(jié)構(gòu)第一振型形狀對(duì)比）?；瑒?dòng)支座做法的效果已被計(jì)算與試驗(yàn)證實(shí)，并已被混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖（現(xiàn)澆混凝土板式樓梯）國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集·11G101-2（以下簡(jiǎn)稱11G101-2圖集）采用。11G101-2圖集給出了具體的滑動(dòng)支座參考做法（圖3），且說(shuō)明采用圖3做法

8、時(shí)，由于滑動(dòng)支座卸掉了梯板的斜撐效應(yīng)，建模時(shí)梯板可不參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。圖3 11G101-2圖集中樓梯滑動(dòng)支座建議做法 圖4 梯柱破壞引發(fā)梯板脫落示意由于圖3構(gòu)造簡(jiǎn)單，且廣大設(shè)計(jì)人員根據(jù)11G101-2圖集說(shuō)明籠統(tǒng)認(rèn)為用上述做法時(shí)，整個(gè)樓梯結(jié)構(gòu)（注：11G101-2圖集原意僅梯板）可不參與計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，造成目前圖3做法不分樓梯結(jié)構(gòu)是否安全、不分梯柱是否薄弱且未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)、不分梯板與梯梁隔離是否影響結(jié)構(gòu)冗余度、不分梯板下端大震時(shí)會(huì)否翹起等安全隱患而盲目地大量使用。對(duì)11G101-2圖集樓梯間滑動(dòng)支座的建議做法仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，上述做法僅釋放掉了梯板的斜撐效應(yīng)，對(duì)于整個(gè)樓梯結(jié)構(gòu)而

9、言，如無(wú)條件地使用會(huì)存在以下幾種問(wèn)題：（1）存安全隱患。將樓梯斜板簡(jiǎn)單放置在梯梁上，減少了結(jié)構(gòu)冗余度，大震時(shí)梯板有脫落風(fēng)險(xiǎn)！雖然梯板的搭接長(zhǎng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范框架結(jié)構(gòu)的層間變形需求，但支撐樓梯斜板另一端的梯柱，如其截面尺寸較小且未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)，很難形成強(qiáng)柱弱梁的破壞機(jī)制，大震時(shí)，梯柱很可能先于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，而導(dǎo)致另一端“擱置”在梯梁上的梯板發(fā)生滑落，從而使樓梯間發(fā)生連續(xù)倒塌的脆性破壞（圖4）。另外，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，7度及以上大震時(shí)，采用圖3滑動(dòng)支座做法的梯板下端會(huì)發(fā)生豎向翹起現(xiàn)象，且豎向加速度反應(yīng)較大，梯板振動(dòng)與梯梁碰撞造成梯板跨中產(chǎn)生明顯水平裂縫。如果大震時(shí)樓梯間人流密集，這種振動(dòng)反應(yīng)極易

10、引發(fā)踩踏事故等。最后，梯板與梯梁脫開(kāi)后，樓梯結(jié)構(gòu)可能與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)，成為主體結(jié)構(gòu)的單跨框架子結(jié)構(gòu)。一方面建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）6.1.5條避免甲乙類建筑和高層建筑使用單跨框架，另一方面，樓梯子結(jié)構(gòu)存在地震力二次放大的可能（鞭梢效應(yīng)），這更加重了梯柱首先發(fā)生脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。（2）不美觀，預(yù)留變形區(qū)構(gòu)造極易被后期裝修工程忽略。梯板下端與休息平臺(tái)連接處，建筑面層要預(yù)留125px的“預(yù)變形滑動(dòng)區(qū)”，這使得建筑面層不連續(xù)。框架結(jié)構(gòu)一般均為公共建筑，這種做法影響建筑美感。工程案例表明，大多滑動(dòng)支座在裝修時(shí)被建筑面層頂死，形同虛設(shè)。（3）設(shè)計(jì)、施工不方便。11G101-2圖集沒(méi)有交代

11、梯板以外的樓梯構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，而這個(gè)環(huán)節(jié)被絕大多數(shù)設(shè)計(jì)師誤讀，導(dǎo)致樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重安全隱患。另外，隔震層厚度較小，且必須位于梯梁與梯板之間，施工定位要求較高，難度大。3   陜14G10隔震橡膠支座現(xiàn)澆鋼筋混凝土板式樓梯設(shè)計(jì)理念3.1 背景、做法及優(yōu)勢(shì)基于“硬抗”的設(shè)計(jì)方案以及傳統(tǒng)滑動(dòng)支座做法設(shè)計(jì)方案均不盡完美，結(jié)合減、隔震設(shè)計(jì)思路，我們提出將滑移型的滑動(dòng)支座轉(zhuǎn)化為橡膠隔震支座，如圖5所示。在梯板下端與梯梁之間設(shè)橡膠隔震支座，橡膠隔震支座通過(guò)上下連接板和錨固螺栓分別錨入梯板與梯梁內(nèi)，使得二者之間既可相互滑動(dòng)，又連為一體。圖5 防倒塌隔震支座做法圖5橡膠隔震支座相比圖3滑動(dòng)

12、支座做法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）安全首先，梯板通過(guò)橡膠隔震支座與梯梁相連，橡膠隔震支座通過(guò)變形釋放梯板斜撐效應(yīng)的同時(shí)，其自身的抗剪、抗拉、抗壓承載力以及自復(fù)位能力能增加樓梯結(jié)構(gòu)的冗余度，起到樓梯結(jié)構(gòu)抗震的二道防線作用。大震時(shí)即使梯柱破壞，隔震橡膠支座能確保梯板不會(huì)脫落，樓梯不倒塌，其作為逃生通道的功能能夠繼續(xù)發(fā)揮，直至整體結(jié)構(gòu)倒塌失效。另外，橡膠支座抗拉承載力能保證大震時(shí)梯板下段不發(fā)生豎向翹起。（2）美觀梯板下端與休息平臺(tái)連接處，預(yù)留泡沫“變形區(qū)”，將變形區(qū)留在支座內(nèi)部解決，支座滑動(dòng)不受建筑面層影響，保證建筑面層的連續(xù)性。（3）設(shè)計(jì)施工更方便橡膠隔震支座均通過(guò)驗(yàn)算滿足樓梯結(jié)構(gòu)“大震不倒”的設(shè)防要求

13、，且所有驗(yàn)算工作線下完成。工程師設(shè)計(jì)時(shí)可省去所有樓梯構(gòu)件的建模計(jì)算，僅按不同樓梯結(jié)構(gòu)類型、不同抗震設(shè)防類別進(jìn)行支座型號(hào)選擇即可。施工時(shí)，將隔震支座放入梯梁、梯板綁扎鋼筋之間，定位后，整體現(xiàn)澆即可。支座可接受的施工誤差達(dá)10mm。3.2 設(shè)計(jì)流程3.2.1 樓梯橡膠隔震支座（以下簡(jiǎn)稱LTZZ）的型號(hào)及設(shè)計(jì)參數(shù)圖6 LTZZ的型號(hào)參數(shù)LTZZ型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：1）LTZZ寬度統(tǒng)一定義為270mm，厚度定義為50mm，變形區(qū)寬定義為60mm；2）需要設(shè)計(jì)人員確定的尺寸：L（梯板寬度），b（橡膠層寬度），H（變形區(qū)填充材料高度）(圖6)；3）因此，LTZZ型號(hào)可表示為：LTZZ-L-b-H（如LTZZ-150

14、0-80-60）。確定LTZZ型號(hào)的三個(gè)參數(shù)中，L，H與樓梯幾何尺寸、面層厚度相關(guān)，不需計(jì)算求解。所以，LTZZ設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是求得橡膠層寬度b。3.2.2 橡膠層寬度b計(jì)算（1）LTZZ針對(duì)不同樓梯結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算項(xiàng)目（以普通雙跑樓梯為例）圖7 常見(jiàn)普通雙跑樓梯結(jié)構(gòu)類型圖7第一種類型的樓梯，休息平臺(tái)四角均為框架柱，因框架柱均參與結(jié)構(gòu)的整體抗震計(jì)算及設(shè)計(jì)，設(shè)置LTZZ后，不用考慮樓梯間框架柱破壞后樓梯結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)（因?yàn)榭蚣苤茐囊馕吨w結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)強(qiáng)調(diào)樓梯結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有意義）。所以，此時(shí)LTZZ只需進(jìn)行滑動(dòng)變形能力驗(yàn)算及梯板豎向防翹起驗(yàn)算即可。圖7第二種類型的樓梯，休息平臺(tái)外側(cè)為兩個(gè)框架柱，假定休息平臺(tái)內(nèi)側(cè)的梯柱發(fā)生破壞，梁端產(chǎn)生塑性鉸，但由于受到外側(cè)框架柱的約束，樓梯結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。所以，此時(shí)LTZZ只需進(jìn)行滑動(dòng)變形能力驗(yàn)算及豎向防翹起驗(yàn)算即可。圖7第三種類型的樓梯，休息平臺(tái)外側(cè)僅一個(gè)框架柱，假定休息平臺(tái)的梯柱地震時(shí)率先破壞，梁端產(chǎn)生塑性鉸可能會(huì)導(dǎo)致樓梯結(jié)構(gòu)沿水平方向倒塌。所以，此時(shí)LTZZ需進(jìn)行滑動(dòng)變形能力驗(yàn)算、樓梯結(jié)構(gòu)X向和Y向的水平防倒塌驗(yàn)算及豎向防翹起驗(yàn)算。圖7第四類型