結構樓梯間與樓梯的震害分析及設計建議

武俊杰 梁偉杰

當發生地震時,樓梯是重要的逃生通道。但在2008年5月12日的汶川地震中,許許多多的樓梯間不但沒有起到挽救生命的作用,反而成了生命的終結地。樓梯的破壞會延誤人群的撤離及救援和搶險人員的工作,從而導致嚴重傷亡。為解決以上問題,結構師必須對樓梯間與樓梯的破壞原因有深刻的理解,本文就針對這些問題進行分析、探討。

1 震害分析

1.1 樓梯間

1.1.1 砌體結構樓梯間

砌體結構的樓梯間是沿房屋全高的剛性構件,在地震作用下,其破壞主要來自于與其相連接的墻體的破壞。位于這些部位的墻體往往由于受到嵌入墻內樓梯段的削弱,所以其破壞程度一般比其他部位的墻體更嚴重。樓梯間的本身特點決定了此處有大量墻體的存在,構件集中,因而其水平方向的剛度相對較大,這樣,它分配到的水平力也就較大;而且,由于在這里的墻體沿高度方向缺乏強勁的支撐,所以空間的剛度較差;加上頂層休息平臺以上的外縱墻常常達一層半高,其穩定性較差。所有這些都是造成樓梯間的震害比其他部位嚴重的原因,尤其是它的上部結構。

1.1.2 框架結構樓梯間

框架結構的樓梯間墻體是填充墻,由于填充墻具有較大的剛度,并且與框架連接后形成平面內剛度較大的抗側力構件;同時由于梯段板的斜向支撐作用,會使框架結構的剛度分布不均勻。在剛度較大的樓梯間,框架柱所承受的水平力較大,更易破壞。

1.2 樓梯

樓梯的結構形式主要是板式和梁式樓梯。本文僅就一般常見的板式樓梯作分析。板式樓梯由梯段板、平臺板和平臺梁組成。圖1為唐山地震某約束短柱破壞,圖2～圖4分別為汶川地震中的平臺梁、梯段板及平臺板破壞形式。

1.2.1 梯段板

兩跑樓梯在1/3～1/4跨梯段板之間,出現一道或兩道水平可見裂縫;破壞較嚴重的情況梯段板水平裂縫加寬,混凝土層剝落,梯段板受力筋彎曲下撓,甚至出現梯段板斷裂坍塌的現象。目前大多數梯段板端負筋在1/3～1/4跨截斷,造成該部位受力筋的數量減少,成為受拉的薄弱環節;還有部分施工單位在此留設施工縫。混凝土抗拉能力差,在地震作用下,受拉梯段板的拉應力達到混凝土的抗拉強度時,在薄弱部位出現裂縫(一般在梯段板的下部1/3跨度處),混凝土退出抗拉工作,拉力全部由受拉鋼筋承擔。鋼筋數量的減少和受拉鋼筋拉應力突變使鋼筋很快進入屈服狀態,隨著裂縫寬度的加大,鋼筋逐漸伸長。在反向地震作用下,原來受拉開裂的梯段板混凝土的裂縫逐漸閉合并抵緊,而受拉伸的鋼筋在反向壓力作用下發生屈曲,導致混凝土保護層剝落。在往復的地震作用下,有的梯段板可能斷裂。

1.2.2 平臺板和平臺梁

在兩個梯段板的往復推拉作用下,樓梯的平臺梁和平臺板由于承受空間的彎矩、剪力和扭矩的綜合作用,受力狀態非常復雜,往往平臺梁在兩端和跨中破壞,混凝土酥碎,鋼筋籠扭曲變形。與框架柱相連的平臺梁內力較大,在地震作用下破壞尤為嚴重。

1.2.3 框架結構中的短柱

在抗震設計中影響柱子延性的因素主要有剪跨比和軸壓比,而剪跨比是影響柱子破壞形態的主要因素。根據剪跨比λ的大小把柱分為長柱、短柱和極短柱,當λ＞2時稱為長柱,當1.5≤λ≤2時稱為短柱,當λ＜1.5時稱為極短柱。短柱的破壞形態多為剪切破壞,極短柱的破壞形態一般為脆性的剪切斜拉破壞,它們破壞時無明顯征兆,屬于脆性破壞類型。

在框架結構中,支撐樓梯結構的框架柱由于平臺梁的約束可能形成短柱,短柱的線剛度較大,且延性較差,在地震作用下,短柱承擔的水平力較大,但由于其較差的變形能力,很容易突然發生破壞。嚴重的會導致框架柱出現被“各個擊破”的情況。目前,有些設計師為了避免在樓梯間處形成短柱,在平臺靠踏步處設梁,而梁兩端設置從樓層框架梁上支承的構造柱,平臺板外端不再設梁而梯段板外伸懸挑板。這樣雖避免了短柱問題,但在地震作用下可能引起平臺板與框架柱之間的碰撞,造成框架柱的破壞,影響結構整體的安全性。

在汶川地震中,框架結構的樓梯破壞較為嚴重,在此著重分析一下。框架結構較柔,在地震作用下,樓梯段的支撐作用較為明顯,破壞情況比框架—剪力墻結構,剪力墻結構和砌體結構的嚴重。由于框架結構為剪切型結構,自下而上隨著層的增加層間位移逐漸減小,層間位移越小樓梯的破壞程度越輕,所以框架結構的樓梯破壞程度隨著樓層的增加而逐漸減輕。

2 設計建議

1)在結構設計過程中,遇到比較復雜或重要的結構時,以面單元模擬梯段板,進行精細的結構計算,把面單元的內力作為樓梯設計的外力指標;對于一般結構,把樓梯簡化為支撐構件的形式在模型中進行計算,提取支撐構件的內力作為樓梯設計的外力指標。2)樓梯間不宜布設在房屋端部的第一開間或其轉角處,不宜凸出。在砌體結構中,不應開設過大的窗洞,以免將樓層圈梁切斷。樓梯間的非承重構件一定要有可靠的連接或錨固。3)梯段板應適當加厚,負筋應當拉通,形成雙層雙向鋼筋配置。4)樓梯平臺板是傳遞樓梯支撐作用的重要構件,應采用雙面雙向配筋。5)平臺梁受扭作用明顯,應適當加大截面,加強其上、下部縱向鋼筋和箍筋。6)在梯段板轉角處,應采取構造措施進行局部加強,防止梯段板在此處破壞。7)在地震區,鋼筋混凝土框架結構應避免“框架短柱”的形成,形成“框架短柱”時,應確保“框架短柱”的抗剪強度及變形能力,防止框架柱過早發生剪切破壞,箍筋應沿“框架短柱”全高加密(箍筋間距不大于100 mm),或在柱身內配置一定數量的斜向鋼筋。

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