樓梯對結構整體設計影響分析

1、<p>　　樓梯對結構整體設計影響分析</p><p>　　摘要： 隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)樓梯設計中的不足在地震中一次次凸顯?；瑒又ё鶚翘萑找娴玫桨l(fā)展。本文在結合工程實例的基礎上對有樓梯、無樓梯和樓梯間不同滑動支座布置形式對結構抗震性能的影響進行了分析。設計了樓梯參與結構整體計算模型、框架樓梯間設滑動支座模型以及無樓梯模型。運用PKPM軟件，得到三種模型在相同工程背景下的最大樓層位移、層間位移角、周

2、期、樓層剪力、傾覆彎矩，對比分析樓梯對結構整體設計的影響。 </p><p>　　Abstract： With the rapid development of construction industry， the deficiency of traditional stair design highlights in the earthquake. On the basis of project， the mo

3、del of staircase together with building structure， the structural model of frame-staircase with sliding supports and the model without stairs are designed. Using PKPM software， the maximal storey drift， inter-laminar dis

4、placement angle， period， story shearing force， overturning moment of these three models under the same project ba</p><p>　　關鍵詞： 樓梯；滑動支座；PKPM；抗震 </p><p>　　Key words： staircase；sliding support；PKP

5、M；anti-seismic </p><p>　　中圖分類號：TU712 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）19-0115-03 </p><p><b>　　1 研究背景 </b></p><p>　　1.1 地震災害頻發(fā)現(xiàn)狀 </p><p>　　隨著近幾年地震的頻繁發(fā)生[1]，全球每年發(fā)生約

6、500萬次地震，其中遭受地震災害影響十分嚴重的國家有中國、美國、日本、伊朗、土耳其、印尼等。我國地震頻發(fā)，自2008年到2014年間的地震災害統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。 </p><p>　　所以，面對嚴峻的地震災害形式，通過合理的抗震設防來提高工程結構抗震性能，從而減少地震對人類生產生活的危害刻不容緩。 </p><p>　　1.2 樓梯震害現(xiàn)象 </p><p>　　樓梯

7、作為建筑物各樓層間的垂直交通樞紐，承擔著逃生、救援的重要作用。樓梯最早出現(xiàn)在中國戰(zhàn)國時期，并且被鐫刻在了銅器上。直到15世紀才出現(xiàn)各式各樣形體豐富的樓梯?，F(xiàn)如今在多層和高層建筑結構中電梯成為應用最為廣泛的垂直交通工具，但仍然保留著樓梯，供人們在災害發(fā)生時逃生之用。 </p><p>　　常見框架結構板式樓梯的震害現(xiàn)象[2-4]有：梯段板的破壞、樓梯間框架柱的破壞、梯柱的破壞、平臺梁的破壞，以及樓梯間填充墻的破壞。

8、 </p><p>　　1.3 傳統(tǒng)板式樓梯設計缺陷 </p><p>　　傳統(tǒng)板式樓梯在進行設計時，沒有考慮樓梯在地震作用下對結構整體抗震設計的影響，只是將樓梯單獨進行設計和配筋，并且簡單的將其按照簡支梁、簡支板進行荷載計算和配筋設計。傳統(tǒng)板式樓梯在進行整體建模分析時也只是將豎向傳遞過來的荷載施加到框架梁、柱等主體結構上進行計算，對于樓梯間的樓板進行開洞處理，并且在進行配筋時沒有采用雙層

9、雙向的配筋形式。 </p><p>　　1.4 新樓梯設計與應用 </p><p>　　研究表明，在考慮樓梯參與整體結構抗震計算后，結構的剛度中心會因樓梯的平面布置位置而發(fā)生改變。并且在考慮樓梯影響的情況下，整體結構的層間位移是要比不考慮樓梯的時候小，但是層間剪力的變化一般是要比不考慮的時候要大的。與此同時，在樓梯間位置處的主要受力構件的內力也會出現(xiàn)增加。結構整體的側向剛度增加，相應的側移

10、曲線開始向彎剪型過渡。但是，樓梯的參與會使結構在進行整體抗震計算時，由原本的平動為主向扭轉變形轉變，這時將樓梯考慮成一般支承對結構提供抗側剛度是不合理的。 </p><p>　　現(xiàn)如今在進行框架結構工程設計時，有相當一部分的工程設計考慮采用滑動支座樓梯，其構造形式如圖1所示。樓梯梯段板下端采用滑動支座[5-6]，可以有效避免形成梯板支撐、削弱樓梯對結構的剛度影響。在受到地震力破壞時，能夠釋放地震力而不至于使結構產

11、生較大變形甚至破壞?；瑒又ё谑┕r梯段板下端支座位置應與梯梁或挑板在結構上脫開，在支座處預埋鋼板或設置聚四氟乙烯滑板，將踏步擱置在梯梁或挑板上，并且在樓梯澆筑前鋪設石墨粉或塑料薄膜，以保證達到滑動效果。其次，在樓梯裝飾面層施工時，地坪細石混凝土與樓梯踏步起步起始段必須預留5cm空隙，用高分子泡沫填充劑填充，即讓樓梯存在自由滑動距離。 </p><p>　　2 工程中樓梯對結構抗震性能影響分析 </p>

12、;<p><b>　　2.1 工程資料 </b></p><p>　　項目概況：本工程為西北地區(qū)首個EPC項目，位于陜西省西安市。項目用地較為方正，長邊（東西方向）104.96m，短邊（南北方向）99.93m，用地面積為10343.84m2?；刎Q向情況：場地最低點為用地西北部，最高點為用地東南部，高差0.60m左右，整個場地較為平整，基本無構筑物，結構類型為框剪結構。 <

13、;/p><p><b>　　主要設計參數(shù)： </b></p><p>　　①風荷載、雪荷載[7]：建筑物基本風壓值0.35kN/m2（高度大于60m時放大1.1倍），地面粗糙度為C類?；狙?.25kN/m2。 　?、诳拐鹪O防要求：本工程的設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為二級。本工程為標準設防丙類（五層以下為乙類）建筑，按8度（0.20g）抗震設防，設計基本

14、特征周期0.35s，工程中結構計算、設計所采用的抗震設防烈度和抗震構造措施均采用8度抗震設防烈度，地震分組為一組。場地類別Ⅱ類。地基基礎設計等級為甲級。 </p><p>　　主要結構材料：①混凝土[8]部分：墻柱混凝土強度等級C35～C55，梁板混凝土強度等級C30～C40。②鋼筋部分：本工程鋼筋采用HRB400級鋼筋（fy=360N/mm2）。 </p><p><b>　　

15、2.2 模型建立 </b></p><p>　　結構模型如圖2所示，利用此模型考慮該框剪結構的框架樓梯間對結構整體計算設計的影響，設計了三種模型，并運用PKPM軟件對三種模型的最大樓層位移、層間位移角、最大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩以及周期進行了對比分析，具體如下： </p><p>　　①模型一：在進行PKPM模型建立時，在框架樓梯間建立樓梯模型，即考慮樓梯參與結構整體計算；

16、 </p><p>　?、谀Ｐ投涸谶M行PKPM模型建立時，將框架樓梯間板厚設置為零，布置荷載，并在樓梯結構設計時布置滑動支座； </p><p>　　③模型三：在進行PKPM模型建立時，將樓梯間開洞，不設置樓梯也不考慮樓梯對結構整體計算、設計的影響。 </p><p>　　2.3 樓梯對整體結構最大樓層位移的影響分析 </p><p>　　

17、為了分析三種模型最大樓層位移之間的關系，對每個模型的最大樓層位移進行了整理，得到如圖3所示各模型X向的最大樓層位移曲線。 </p><p>　　由圖3可以得出，隨著樓層的不斷增高，樓層位移也隨之增大。在開始段變化較小，但是隨著樓層增高到一定程度時，樓層位移變化開始逐步增大，并且模型二的樓層位移一直都大于模型一，模型三的樓層位移一直都大于模型二、模型一。當樓層為5時模型一的樓層位移為3.58mm，模型二為6.29m

18、m增大了1.75倍，模型三為10.29mm相對于模型一增大了1.87倍，相對于模型二0.635倍。當樓層達到27層時，模型一的樓層位移為74.13mm，模型二為79.92mm，模型三為90.92mm。 </p><p>　　造成以上現(xiàn)象的主要原因是由于：模型三在進行設計計算時，沒有考慮樓梯的影響，導致模型三的樓層位移變化較大；模型二相對于模型三考慮了樓梯對結構整體的荷載影響，樓梯間布置滑動支座，結構整體剛度增大，

19、相對于模型一樓層位移減小；模型一在結構計算時布置了樓梯并自動轉換為梁進行計算，相對于模型二、模型三增大了結構的整體剛度，減小了樓層位移。 </p><p>　　2.4 樓梯對整體結構層間位移角的影響分析 </p><p>　　為了分析三種模型層間位移角之間的關系，對每個模型的層間位移角進行了整理，得到如圖4所示的各模型X向層間位移角曲線。 </p><p>　　由圖

20、4可以看出，隨著樓層的增高，模型的層間位移角隨之增大，但隨著樓層增大到一定程度時，模型的層間位移角開始減小。并且，模型二的層間位移角始終大于模型一，模型三的層間位移角始終大于模型一、模型二的層間位移角。5層時模型一的層間位移角為1/1410，模型二為1/1343，模型三的層間位移角為1/1245，模型一的最大層間位移角為1/1087，模型二的最大層間位移角為1/1034，模型三的最大層間位移角為1/1041。 </p>&

21、lt;p>　　造成以上現(xiàn)象的原因是由于：模型二相對于模型三考慮了樓梯對結構整體的荷載影響，樓梯間布置滑動支座，結構整體剛度增大，相對于模型一層間位移角減?。荒Ｐ鸵辉诮Y構計算時布置了樓梯并自動轉換為梁進行計算，相對于模型二增大了結構的整體剛度，減小了模型三層間位移角的增大。 </p><p>　　2.5 樓梯對整體結構周期、剪力、彎矩的影響分析 </p><p>　　為了分析三種模型最

22、大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩以及周期之間的關系，對每個模型進行相關資料整理，得到表2所示的各模型X向的相關參數(shù)。 </p><p>　　由表2可以看出，考慮樓梯對結構的影響會對結構的最大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩、周期產生較大影響。首先，模三的最大樓層剪力為30495.3kN，模型二的最大樓層剪力為33594.1kN，增加了10.2%；模型一的最大樓層剪力為37481.2kN，相對于模型三增大了22.9%，相對于

23、模型二增大了11.6%。其次，模型三的最大樓層傾覆彎矩為2302739kN?m，模型二為2347924kN?m，相對于模型三增大了2.0%；模型一的最大樓層傾覆彎矩為2383712kN?m，相對于模型三增大了3.5%，相對于模型二增大了1.6%。最后，模型一的周期為2.5643s，模型二的周期為2.7205s，增大了6%；模型三的周期為2.8211s，相對于模型一增加了10%，相對于模型二增加了3.7%。 </p><

24、;p>　　造成以上現(xiàn)象的原因是由于：模型一進行了樓梯設置，考慮了樓梯對結構整體設計的影響，造成結構整體剛度增大，周期減小，樓層剪力、傾覆彎矩增大；模型二采用的是能夠減小樓梯對結構斜撐效應的滑動支座樓梯，并且在樓梯間的模型中設置了無厚度樓板和樓梯間恒、活載，考慮樓梯間荷載對周圍構件的影響，故相對于模型一剛度減小，周期增大，樓層剪力、傾覆彎矩減小；模型三沒有設置和考慮樓梯對結構的影響，周期最大，樓層剪力、傾覆彎矩相對于模型一、模型二要

25、小。 </p><p>　　2.6 樓梯設計建議 </p><p>　　依據(jù)以上分析，在不考慮框架樓梯間對結構計算的影響時，可以在樓梯間布置滑動支座來減小樓梯對結構抗震設計的不利影響。具體建議如下： </p><p>　?、贅翘蓍g布置位置：在整個結構的轉角、端部以及凸出建筑物的位置進行樓梯間布置，容易導致地震發(fā)生時樓梯間較早的破壞。因此，在進行建筑結構樓梯間布置時，

26、應盡量避開在這些地方布置樓梯。 </p><p>　?、谂浣钜螅簩τ谠O置了滑動支座的框架結構樓梯間，梯板可以按照斜向簡支板進行計算、設計，但是梯板的鋼筋配置形式應雙層雙向通長配置。并且禁止在梯板中使用冷軋扭鋼筋和延性較差的冷加工鋼筋。對于參與結構整體計算的樓梯配筋同樣如此。 </p><p>　?、刍瑒又ё鶓媒ㄗh：滑動支座滑動效果的有效發(fā)揮對結構單元的受力、變形起著至關重要的作用。應定

27、期對滑動薄鋼板和聚四氟乙烯類材料進行防腐銹、防老化處理以保證梯段板的正?；瑒印?</p><p><b>　　3 結論 </b></p><p>　　傳統(tǒng)板式樓梯設計方法忽略了樓梯對主體結構抗震設計的不利影響，即當結構計算不考慮樓梯時，會造成結構整體剛度減小，最大樓層位移、層間位移角增大，周期增大，樓層剪力、傾覆彎矩減小?；瑒又ё鶚翘菰O計形式與不考慮樓梯的樓層位移、周

28、期、樓層剪力、傾覆彎矩相近。當樓梯參與結構整體計算時，會引起結構整體剛度增大，最大樓層位移減小，層間位移角、周期均減小，樓層剪力、傾覆彎矩也增大。這說明，結構計算時不考慮樓梯，會忽略樓梯對結構的不利影響，為結構抗震埋下隱患。所以在不考慮框架樓梯間對結構計算的影響時應在樓梯間布置滑動支座來減小樓梯對結構抗震的不利影響。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p>

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