1、新抗规考虑楼梯构件影响的理解及应用2011-12-31v 规范编制前研究数据v 结构设计建议v 规范相关条文理解v PKPM模型中建模操作规范编制前研究数据规范编制前研究数据 2008年“5. 12”汶川大地震的一个突出的破坏现象是，作为逃生通道的楼梯间破坏较重，造成了相当的人员伤亡。为此，在2001规范的震后应急局部修订中明确要求：应从计算到构造采取一系列综合抗震对策，力求将楼梯间建成突发事件的应急疏散安全通道。即： (1)结构整体计算分析时应考虑楼梯构件的影响。结构整体计算分析时应考虑楼梯构件的影响。 (2)对于楼梯间的非承重墙体，应采取与主体结构可靠连接或锚固等避免地震时倒塌对于楼梯间的
2、非承重墙体，应采取与主体结构可靠连接或锚固等避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备的措施。伤人或砸坏重要设备的措施。 上述局部修订的条款对指导地震灾区的恢复重建和全国工程抗震设计，确保楼梯间的地震安全性具有重要的指导作用。但仅仅是依据汶川地震的宏观震害现象而做出的定性规定，尚需要进一步细致的深入分析，计算中考虑楼梯构件的影响效应的规定需提高其可操作性。 为配合2010规范的全面修订，由中国建筑科学研究院牵头负责，组织了几大设计院开展合作，进行了钢筋混凝土框架结构楼梯构件影响的专题研究。研究主要侧重于计入和不计入楼梯构件的对比，以便全面了解楼梯构件在框架结构中的受力状态、作用效果及影响程度。下面对研究
3、的成果做一个简单的介绍。规范编制前研究数据规范编制前研究数据基本计算分析模型和参数（1）几何参数 所有模型的构件尺寸相同，框架柱截面尺寸为650mm650mm，楼梯梯柱为楼梯梯柱为300mm300mm，框架梁均为300mm600mm，梯梁为梯梁为250mm x 400mm，楼梯间次梁为300mm600mm，其余次梁均为250rmu500mm。地上6层，层高为3.9m。规范编制前研究数据规范编制前研究数据 1.楼梯对框架结构整体分析的影响楼梯对框架结构整体分析的影响 2.楼梯对框架结构构件分析的影响楼梯对框架结构构件分析的影响 3.楼梯构件的地震内力楼梯构件的地震内力1.楼梯对框架结构整体分析的
4、影响1基本规律基本规律 楼梯构件作为一种支撑，具有较大的刚度。计人楼梯构件的刚度后，结构整体的刚度加大且在楼层平面内刚度分布不均匀，使结构整体分析结果有所变化。其影响的程度，与纯框架的刚度、楼梯的数量和布置的位置等情况有关。与纯框架的刚度、楼梯的数量和布置的位置等情况有关。基本的规律是：1.楼梯刚度占纯框架越结构刚度的比例大，则平动周期减少越多，总地震作用加大越多，影响沿梯板方向大，垂直梯板方向影响很小；2.楼梯在楼面的两端对称布置，扭转周期明显减少，扭转位移比减少较多；3.楼梯布置在楼面中部，扭转影响不明显；4.楼梯布置在楼面的一端，扭转周期有所减少，但扭转位移比明显加大。1.楼梯对框架结构
5、整体分析的影响2结构计算周期的变化结构计算周期的变化计入楼梯构件后框架结构沿梯板方向的侧向平动刚度加大，对应的自振周期计入楼梯构件后框架结构沿梯板方向的侧向平动刚度加大，对应的自振周期减少；减少；纯框架前三个振型的顺序为横向、纵向和扭转；计入楼梯构件后，第纯框架前三个振型的顺序为横向、纵向和扭转；计入楼梯构件后，第一振型大多数变为纵向。一振型大多数变为纵向。1.以前面典型的三跨框架为例，设置两部楼梯时，结构以前面典型的三跨框架为例，设置两部楼梯时，结构沿梯板方向沿梯板方向的基本周的基本周期可期可减少减少20%左右；左右；2.结构沿结构沿垂直于梯板方向垂直于梯板方向的基本周期略有的基本周期略有减
6、少，一般不到减少，一般不到5%；3.结构的扭转基本周期变化与楼梯布置和数量有关结构的扭转基本周期变化与楼梯布置和数量有关两端对称布置时周期两端对称布置时周期减少减少25%左右，中部集中布置时基本不变，一端布置减少不到左右，中部集中布置时基本不变，一端布置减少不到20%。1.楼梯对框架结构整体分析的影响3地震剪力地震剪力的变化的变化 楼层地震剪力的变化，是各方向周期变化的综合反映，沿垂直于梯楼层地震剪力的变化，是各方向周期变化的综合反映，沿垂直于梯板方向的变化不大，而沿梯板方向与周期变化情况有所差异：仍以三板方向的变化不大，而沿梯板方向与周期变化情况有所差异：仍以三跨的情况为例：跨的情况为例：1
7、.两端对称布置楼梯间时总剪力增加最多，达到两端对称布置楼梯间时总剪力增加最多，达到20%；2.中部布置楼梯间时增加中部布置楼梯间时增加10% 20%，随楼梯数量而变，随楼梯数量而变；3层间位移层间位移的变化的变化沿梯板方向仍以三跨结构为例，最大层间位移沿梯板方向仍以三跨结构为例，最大层间位移1.两端对称布置时可减少两端对称布置时可减少20%；中部布置时可减少；中部布置时可减少10%；2.而一端布置时，无楼梯的位置则加大而一端布置时，无楼梯的位置则加大20%。考虑偶然偏心的层间扭转位移比变。考虑偶然偏心的层间扭转位移比变化的数量级，两端对称布置时因抗扭刚度加大可略为减少；中部布置时因抗扭化的数量
8、级，两端对称布置时因抗扭刚度加大可略为减少；中部布置时因抗扭刚度减少可增加刚度减少可增加15%；3.而一端布置时，因抗扭刚度明显减少，无楼梯的位置则加大而一端布置时，因抗扭刚度明显减少，无楼梯的位置则加大20%，甚至接近，甚至接近1.401.楼梯对框架结构整体分析的影响2.楼梯对框架结构构件的内力影响1基本规律基本规律垂直于梯板方向的地震内力略有变化，沿梯板方向有显著变化。垂直于梯板方向的地震内力略有变化，沿梯板方向有显著变化。 1.楼梯相连的框架柱的地震轴力和剪力加大，楼梯构件刚度占结构刚楼梯相连的框架柱的地震轴力和剪力加大，楼梯构件刚度占结构刚度的比重越大，增加的比例越大；度的比重越大，增
9、加的比例越大；2.框架梁与梯板相连端的弯矩和剪力明显加大，另一端大多有所减少。框架梁与梯板相连端的弯矩和剪力明显加大，另一端大多有所减少。3.非楼梯间梁柱的地震内力，当楼梯间对称布置时有所减少，且楼梯非楼梯间梁柱的地震内力，当楼梯间对称布置时有所减少，且楼梯构件刚度占结构刚度比重越大则减少越多；构件刚度占结构刚度比重越大则减少越多；4.当楼梯间一端布置时，无楼梯一端的柱剪力和梁端弯矩加大，同样，当楼梯间一端布置时，无楼梯一端的柱剪力和梁端弯矩加大，同样，楼梯构件刚度占结构刚度的比重越大则加大越多。楼梯构件刚度占结构刚度的比重越大则加大越多。2.楼梯对框架结构构件的内力影响2楼梯构件相连的框架梁
10、柱楼梯构件相连的框架梁柱 依然以三跨标准模型为例：依然以三跨标准模型为例： (1)框架柱。框架柱。 轴力加大，轴力加大，两端对称布置时约两端对称布置时约4.1倍、中部集中布置时约倍、中部集中布置时约4.4倍，一端布置时倍，一端布置时约约3.1倍。倍。 剪力加大，剪力加大，两端对称布置时约两端对称布置时约2.4倍、中部集中布置时约倍、中部集中布置时约2.8倍，一端布置时倍，一端布置时约约1.9倍。倍。 弯矩加大弯矩加大，两端对称布置时约，两端对称布置时约1.3倍、中部集中布置时约倍、中部集中布置时约1.5倍，一端布置时倍，一端布置时约约1.0倍。倍。 (2)框架梁。框架梁。 沿梯板延伸与框架柱之
11、间的框架梁段，其受力与连接梯板和框架的平台梁类沿梯板延伸与框架柱之间的框架梁段，其受力与连接梯板和框架的平台梁类似，似，梁端弯矩加大梁端弯矩加大，两端对称布置时约为，两端对称布置时约为1. 55倍、中部集中布置时约为倍、中部集中布置时约为1.5，1.6倍，一端布置时约为倍，一端布置时约为1. 25倍。倍。3.楼梯构件的地震内力1.梯板受力地震作用下，楼梯斜板处于非常复杂的受力状态：首先是明显的轴向受力，其次是竖向受剪，另外，受压时尚存在不可忽略的面内弯矩和扭矩。2.平台梁受力楼梯休息平台梁普遍存在较大的轴力平台梁普遍存在较大的轴力，而且受力状态复杂。其中，尤其以直接支撑楼梯踏步的梁LTL1最为
12、复杂，处于拉、弯、剪的复合受力状态；而顺梯方向的LTL3，位于框架柱和踏步斜板之间，直接传递踏步斜板的地震效应，处于受压状态，且轴力最大。因此，框架结构楼梯设计时，应充分的估计和考虑地震作用下楼梯平台梁的复杂受力状态，尤其是轴向内力。.3.平台柱受力地震作用下，靠近踏步斜板的短柱LTZ1和LTZ2处于双向偏压（拉）受力状态，而离踏步较远的LT23地震效应要小得多。因此，框架结构楼梯设计时，应充分考虑LTZI及LTZ2的地震作用效应。 规范编制前研究数据规范编制前研究数据 结论 (1)楼梯的支撑作用，垂直于梯板方向的影响一般小于10%，但在梯板方向是不可忽略梯板方向是不可忽略的的；当楼梯偏置时必
13、须计人扭转的不利效应偏置时必须计人扭转的不利效应，例如，边榀框架按扭转位移比不小于边榀框架按扭转位移比不小于1. 35的要求设计，且同时计算双向水平地震作用等的要求设计，且同时计算双向水平地震作用等。 (2)与楼梯构件相连的框架柱、框架梁（楼面梁），楼梯构件相连的框架柱、框架梁（楼面梁），应计入楼梯构件附加的地震内力，尤其是轴力和剪力。附加地震内力的大小，随楼梯刚度占结构总刚度比例的增加而加大。对类似于本文算例的基本对称的多跨、多开间的框架结构，楼梯间两根框架柱合楼梯间两根框架柱合计承担的附加地震剪力值大体接近计承担的附加地震剪力值大体接近(70%100%)，框架柱轴向力增加较多，有的可能，框
14、架柱轴向力增加较多，有的可能接近接近3倍。倍。而非相连的框架柱，楼梯对称布置时可仍按不计入楼梯构件的情况设计。而非相连的框架柱，楼梯对称布置时可仍按不计入楼梯构件的情况设计。 (3)楼梯构件地震下的受力复杂，必须予以重视。梯板应计入地震轴力和面内弯矩的影梯板应计入地震轴力和面内弯矩的影响，按面外拉弯、面内压弯剪构件设计。响，按面外拉弯、面内压弯剪构件设计。连接梯板和框架的休息平台梁休息平台梁应计入地震轴计入地震轴力影响力影响，按压弯或拉弯构件设计。支承梯板的平台梁，按拉弯剪构件设计。支承平台支承梯板的平台梁，按拉弯剪构件设计。支承平台梁的短柱，取平台梁的轴向力作为剪力设计。梁的短柱，取平台梁的
15、轴向力作为剪力设计。v 规范编制前研究数据v 结构设计建议v 规范相关条文理解v PKPM模型中建模操作规范相关条文理解规范相关条文理解 3.6.6利用计算机进行结构抗震分析，应符合下列要求： l.计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况，计算中应考虑楼梯构件的影响。 6.1. 15 楼梯间应符合下列要求： 1 .宜采用现浇钢筋混凝土楼梯。 2.对于框架结构，楼梯间的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；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响。 3.楼梯间两侧填充墙与柱之
16、间应加强拉结。规范相关条文理解规范相关条文理解 抗震规范中明确提出计算中应考虑楼梯构件的影响。主要应注意两个方面内容： 1.楼梯对结构的影响 2.楼梯构件自身的抗震要求，以保证其传力和逃生通道的实现规范相关条文理解规范相关条文理解1.楼梯对结构的影响楼梯对主体结构的影响，取决于楼梯与主体结构的相对刚度比，其影响程度取决与主体结构的结构体系。主体刚度越大，如抗震墙、框架-抗震墙结构等，影响越小。主体刚度越小，如框架结构、砌体结构等，影响较大。规范相关条文理解规范相关条文理解框架结构、砌体结构中多遇地震下，楼梯基本处于弹性状态。设防烈度及罕遇地震作用下，填充墙，砌体承重墙开裂严重，刚度急剧降低，楼
17、梯刚度在主体结构刚度中比值加大，其影响也随之加大。此时现浇楼板起局部刚性楼板作用，传递水平地震力，导致梯板拉裂，框架柱形成短柱及错层柱而破坏。规范相关条文理解规范相关条文理解抗震墙、框架-抗震墙结构、筒体结构中由于结构刚度大，整体性好，楼梯自身刚度在主体结构中比值不大，楼梯受主体结构的“保护”而很少破坏。注：这种结构体系中主体的保护作用前提条件是楼梯间四周有抗震墙和连梁形成围合。如果没有，楼梯的受力与纯框架中的楼梯有相似之处，但其对主体的影响要小于纯框架。v 规范编制前研究数据v 结构设计建议v 规范相关条文理解v PKPM模型中建模操作结构设计建议1.楼梯采用现浇钢筋混凝土结构。2.对框架、
18、砌体等整体性较差的结构，应采取构造措施，阻断楼梯梯板对结构侧向刚度的影响。（这也是6.1.15条的要求）具体措施如下图所示：主要是采取将楼梯平台与主体结构脱开或梯段板下端设置滑动支座（11G101-2中ATa 及 ATb 型号楼梯）切断平台板与主体结构的水平传力途径。此时PKPM建模中可以不考虑其参与共同作用。结构设计建议3.对抗震墙、框架-抗震墙等刚度大的结构，当楼梯四周有抗震墙与连梁围合时，计算中可不考虑楼梯的影响，而采取有效构造措施确保楼梯及相应的抗震墙端柱的安全具体构造措施：1.加配板顶通长钢筋 抗震墙端柱箍筋加密等。结构设计建议4.楼梯对主体结构的影响主要集中在底部，要加强楼梯底部的
19、抗震构造措施。无地下室时，当楼梯在底层直接支撑在孤独梯梁上时，其无法承担梯板传来的水平推力，应避免这种做法。必须采用时，应加大其平面内钢筋和加密箍筋。结构设计建议5.特别注意设置楼梯形成的短柱，箍筋除满足计算及构造要求外，特别注意设置楼梯形成的短柱，箍筋除满足计算及构造要求外，宜提高一宜提高一级抗震等级进行设计。级抗震等级进行设计。6.梯柱的截面应满足框架柱的最小截面面积要求梯柱的截面应满足框架柱的最小截面面积要求不小于不小于300 x300mm，当建筑当建筑限制时，一边不得小于限制时，一边不得小于200mm，加大另外一边长度，建议不小于，加大另外一边长度，建议不小于200 x450，同时箍筋
20、应全高加密。楼梯柱应严格按框架柱要求进行设计。同时箍筋应全高加密。楼梯柱应严格按框架柱要求进行设计。7.楼梯四周有抗震墙与连梁围合时，楼梯宜与抗震墙整浇。楼梯四周有抗震墙与连梁围合时，楼梯宜与抗震墙整浇。8.与框架柱、楼梯柱相连的与框架柱、楼梯柱相连的平台梁应满足平台梁应满足抗震规范抗震规范对框架梁的构造要求，对框架梁的构造要求，并按双向受弯进行计算。并按双向受弯进行计算。结构设计建议9.参与整体计算的楼梯，梯板两侧设置参与整体计算的楼梯，梯板两侧设置边缘构件（暗梁），宽度取边缘构件（暗梁），宽度取1.5倍板厚。倍板厚。（配筋要求见（配筋要求见11G101-2-2.2.6第第4条）条）结构设计建议10. 6.1.15条中“楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则”是对楼梯设计的最基本要求，适用于所有结构，在建筑方案阶段就应该进行考虑。11.楼梯间两侧填充墙与柱之间的拉结要求按规范第13.3.4条要求执行。PKPM模型中建模操作演示模型中建模操作演示The End
