淺議框架結構中樓梯的概念設計

劉 靜,楊學彬,王爾其

(成都美廈建筑設計有限公司,四川 成都 610081)

1 樓梯在地震中的震害及討論

在地震發生時,樓梯往往被看成是人們逃生的通道,但在 2008年“5·12”汶川大地震發生時,由于設計和施工問題,有些建筑物只是整體上輕微受損,但是樓梯受損比較嚴重,甚至出現倒塌;一些逃生者因此喪失了生命。

第 14屆世界地震工程大會汶川地震專場討論中,中國建筑工程學院工程抗震研究所原所長王亞勇指出,經過實地震害調查發現,樓梯間抗震性能不合格的現象表現得較為突出。震后筆者跟隨成都市抗震鑒定組對都江堰災后房屋進行調查發現,砌體結構樓梯間四角,梯梁下無構造柱等情況相當普遍,樓梯構造柱鋼筋壓屈現象嚴重(如:都江堰岷江電力宿舍);部份框架結構梯板剪斷,框架柱箍筋外露,整個樓梯壓碎(如:都江堰水電十局醫院)。

為此,許多專家認為樓梯在嚴格按照規范的前提下,考慮一定的概念設計是有必要的。所謂概念設計,一般指不經數值計算,尤其在一些難以作出精確分析或在規范中難以規定的問題中,依據整體結構體系與分體系之間的力學關系,結構破壞機理,震害試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想,從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制,以力求消除薄弱環節,從概念上解決結構的抗震性能。

2 樓梯概念設計的理論分析

樓梯是樓層間的垂直交通樞紐,是樓房的重要構件。樓梯在建筑物中是一個空間結構,各種構件以相當復雜的方式共同工作。這種復雜的、非彈性性質的結構受材料的時效、阻尼變化等多種因素影響,在實際計算中存在著不準確性。故在建筑抗震理論遠未達到很科學嚴密的情況下,單靠理論計算很難使樓梯具有良好的抗震能力,因而在實際工程設計中多了許多概念、假定與簡化。即樓梯不宜放在建筑物的角部和邊部,以便于荷載的傳遞,同時也可減少水平地震力作用下空間扭轉作用的影響。實際上踏步和平臺梁是整體連接,計算時需要在支座處加構造負筋;以往在建筑工程中負筋一端勾進樓梯梁,另一端伸進樓梯板四分之一的踏步板跨度。但通過實際工程震害發現,在梯板四分之一處梯板斷裂或梯板混凝土剝落。因此筆者建議將梯板負鋼筋拉通配置,并且負筋伸入梯板內長度L≥LaE。此外,樓梯板在水平地震力作用下具有桁架中的腹桿效應,將產生較大的拉壓力。樓梯板以往設計時只考慮豎向力時的受彎構件,轉變為“拉壓彎”構件,加強了樓梯處的局部抗側剛度;但結構剛度越大,地震作用效應越大,配筋越多,剛度越大,地震力就越強。這樣為抵御地震而配的鋼筋,增加了結構的剛度,反而又使地震作用效應增強。這樣硬對硬的措施不僅增加造價成本同時與市場經濟體制下的建筑市場不相符合。結構設計必須與建筑使用、人的安全性、經濟性等多種社會性質結合起來考慮才行。那么我們就不能不反過來想一下,如果能在保證足夠的強度、剛度的情況下,適當降低地震作用效應這個問題了。

圖1 樓梯平面

3 樓梯概念設計的實際應用

圖2 樓梯踏步

樓梯參與整體結構進行計算時,抗側剛度大,地震力絕大部分都由樓梯梁下面的梯柱和樓梯四周的框架柱承擔,同時梯梁、梯板與梯柱、框架柱同為現澆,這樣框架柱就很容易形成短柱,再次放大地震效應,對樓梯極為不利。為此,筆者將休息平臺板與框架柱之間分離開,預留等于或大于 5cm空隙;主體完工后,平臺用柔性材料進行嵌縫,不影響平臺的正常使用功能;同樣道理梯梁與框架柱之間脫離開,梯梁端部與梯平臺,梯柱澆筑在一起,梯柱離框架柱一定的距離(以建筑的休息平臺尺寸和結構梯梁實際位置而定),但現澆板離框架柱距離不宜小于 5cm(見圖1)。這樣在概念上避免了由于梯梁、梯板、框架柱之間由于現澆而產生的短柱。降低了框架柱分擔的地震剪力,保護了樓梯的安全。降低地震作用效應的另外一個方法是在底層樓梯踏步處安裝一個近似消震的裝置及在地梁與踏步交接處放置一層油氈(或者柔性材料),在地梁混凝土澆筑前,將一個 50mm×100mm的泡沫安放在地梁內,一排直徑為 8(間距 200)的鋼筋穿過泡沫錨入地梁(見圖 2)。地震來時梯板滑移,鋼筋屈服,消耗能量。經過上述方法處理樓梯后,樓梯變形增加,柔性更大。在水平地震力作用下樓梯參與結構整體受力變小,樓梯更安全,結構更合理。

[1]03SG 610-1建筑結構隔震構造詳圖[S]