基于系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)理念

張興

摘要：框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)是當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)工作中的重中之重，它既關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，又關(guān)系到建設(shè)單位的經(jīng)濟(jì)利益。本文分析了在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見(jiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討。以求為提高框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供參考。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；樓梯；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的建筑物從祖國(guó)大地拔地而起。眾所周知，我國(guó)處于地震多發(fā)地帶，回顧近代地震史，有唐山大地震、汶川大地震……，這些地震都給我國(guó)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)等方面帶來(lái)了無(wú)可估量的損失，許多昔日繁華的城鎮(zhèn)在地震的破壞下變得殘壁斷垣，至今國(guó)人無(wú)不思痛。而根據(jù)汶川地震震害調(diào)查，樓梯作為建筑物豎向交通通道，在地震中具有疏散和逃生功能，但在強(qiáng)烈地震作用下，樓梯破壞主要集中在框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，通常是抗震的薄弱環(huán)節(jié)。為此，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)都是我國(guó)建筑設(shè)計(jì)中的重大課題。

1. 地震作用下框架結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)

1.1 構(gòu)件形式

在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會(huì)出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；鋼筋混凝土框架如在同一樓層出現(xiàn)長(zhǎng)、短柱并用的情況，短柱破壞較為嚴(yán)重。樓梯從結(jié)構(gòu)角度講是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；特別是在水平地震作用下，由于樓梯板的“斜撐”作用，樓梯形成的實(shí)際支撐對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，與結(jié)構(gòu)整體剛度的大小有關(guān)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響更是相當(dāng)微妙。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

采用框架填充墻的房屋結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；采用框架一抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；采用“底框結(jié)構(gòu)”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用框架填充墻體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_(kāi)式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；采用鋼筋混凝土板、柱體系結(jié)構(gòu)的建筑，因樓板沖切或因樓層側(cè)移過(guò)大、柱腳破壞，各層樓板墜落重疊在地面。以前框架結(jié)構(gòu)在樓梯設(shè)計(jì)時(shí)梯段梁或梯段板按受彎構(gòu)件簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算，僅計(jì)算豎向荷載設(shè)計(jì)樓梯構(gòu)件，未將樓梯作為整體結(jié)構(gòu)的一部分考慮。而在地震作用下，梯段板與框架主體結(jié)構(gòu)相連，成為壓彎或拉彎構(gòu)件，樓梯參與框架結(jié)構(gòu)整體受力后，結(jié)構(gòu)的水平剛度增大，結(jié)構(gòu)自振周期減小，勢(shì)必造成總地震作用加大。

2. 框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 采用適當(dāng)?shù)钠搅⒚?/p>

如何對(duì)一個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施建筑布局與結(jié)構(gòu)布置？這通常與建筑物的平立面直接相關(guān)。有數(shù)據(jù)表明，簡(jiǎn)單、規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)樓梯其抗震能力普遍較強(qiáng)。這是因?yàn)閺?fù)雜式框架結(jié)構(gòu)樓梯在地震發(fā)生時(shí)內(nèi)部構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度形不成一致規(guī)律，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)非常明顯。因此，在對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓梯的設(shè)計(jì)中務(wù)必加強(qiáng)措施，盡可能遵循建筑物的均勻?qū)ΨQ原則，避免采用不規(guī)則的建筑方案，從總體上降低框架結(jié)構(gòu)樓梯的剛度偏心率，并準(zhǔn)確無(wú)誤地計(jì)算出相關(guān)的地震反應(yīng)數(shù)據(jù)，這有利于在必要的情況下采取抗震措施和細(xì)分處理措施，保障在地震作用下，受力有明確、直接的傳遞途徑。

2.2 選擇有利場(chǎng)地

在梯段板實(shí)際配筋計(jì)算時(shí)，梯段板按單向板力學(xué)模型進(jìn)行配筋計(jì)算，上部負(fù)筋通常按照跨復(fù)雜性，首先需要通過(guò)概念抗震設(shè)計(jì)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)“大震不倒”，樓梯的抗震概念設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)同等重要。由于施工場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境不同，建筑結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)也是不盡相同的。因此，在有選擇的情況下，選擇一塊有利于抗震的場(chǎng)地開(kāi)展施工，很大程度上可以減輕地震所造成的損害。在選擇建筑場(chǎng)地之前，首先根據(jù)建筑場(chǎng)地的地質(zhì)狀況及建筑結(jié)構(gòu)的需求，分析出哪些是有利地段，哪些是不利地段，無(wú)論何時(shí)都不要在危險(xiǎn)地段上進(jìn)行建設(shè)，以免造成不必要的人員傷亡與財(cái)物損失。此外，還要盡可能地錯(cuò)開(kāi)地震周期與在建項(xiàng)目的自振周期，用以防止建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振損壞。

2.3 保證結(jié)構(gòu)的延性

所謂的結(jié)構(gòu)的延性，就是在承載力沒(méi)有明顯減小的情況下，結(jié)構(gòu)所能產(chǎn)生非彈性變形的能力，其很大程度上體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的變形能力。有必要說(shuō)明的是：在地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性直接影響著框架結(jié)構(gòu)樓梯能否在災(zāi)難中屹立不倒，所以結(jié)構(gòu)的延性在某些意義上等同于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，二者都是建筑抗震設(shè)計(jì)中所要考慮的重要指標(biāo)。那么怎么樣在地震作用下使框架結(jié)構(gòu)樓梯的鋼筋混凝土展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的延性呢？這應(yīng)該盡量地將塑性變形集中作用于延性較好的構(gòu)件上。良好的延性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用無(wú)疑是肯定的，一方面它能有效地降低地震作用對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓梯的影響，另一方面還能吸收地震能量，防止建筑結(jié)構(gòu)的倒塌。

2.4 增強(qiáng)建筑物的整體性

框架結(jié)構(gòu)樓梯作為許多細(xì)節(jié)構(gòu)件連接而成的整體，是一個(gè)具備空間剛度的結(jié)構(gòu)體系，其能否承受地震驚人的破壞力量，全看各構(gòu)件間能不能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作、有機(jī)地形成一個(gè)整體。所以說(shuō)，框架結(jié)構(gòu)樓梯的整體性能不但是建筑抗震的首要條件，還是框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓梯板和樓梯的整體性能好，在適當(dāng)位置布設(shè)構(gòu)造柱，并配置相應(yīng)的構(gòu)造鋼筋，不但能夠消除滑移、散落等問(wèn)題，加強(qiáng)樓梯板的剛度值，還能適當(dāng)放寬對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓梯的平面要求，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)樓梯的層間變形，也非常容易控制。

2.5 加強(qiáng)抗震防線的建設(shè)

如今，許多框架結(jié)構(gòu)樓梯都設(shè)置多道抗震防線，以增強(qiáng)建筑的抗震能力。一旦地震來(lái)臨時(shí)，第一道防線在強(qiáng)烈的地震力的沖擊下遭到破壞后，還有后備的第二道、第三道甚至更多的防線立即接替，抵擋住后續(xù)的地震沖擊力，這樣可以最大限度的保證框架結(jié)構(gòu)樓梯的安全，免于倒塌。另外，在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震能力的設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用具有多個(gè)肢節(jié)和壁式的框架剪力墻等類型的抗震結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻可以通過(guò)合理設(shè)置連梁，使其具有優(yōu)良的多道抗震防線性能。還可以利用在結(jié)構(gòu)中增加贅余桿件的屈服和變形來(lái)分散地震的作用力，而且一旦贅余桿件遭到破壞后退出工作，還可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)從當(dāng)前的穩(wěn)定日系想另外一種穩(wěn)定體系進(jìn)行過(guò)渡，避免在長(zhǎng)時(shí)間的地震作用下引起持續(xù)的共振效應(yīng)。

2.6 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式

建筑抗震結(jié)構(gòu)體系作為抗震設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，在確定結(jié)構(gòu)體系階段，會(huì)受到許多外界因素如建筑高度、經(jīng)濟(jì)狀況、場(chǎng)地布置、施工材料等影響，是一個(gè)涉及面極廣的技術(shù)問(wèn)題，必須經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎的思考才能確定。這方面，非但要考慮計(jì)算簡(jiǎn)圖和抗震防線等問(wèn)題外，框架結(jié)構(gòu)樓梯體系還應(yīng)具備一定的剛度和承載力分布，防止局部突變而產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形。再者，在結(jié)構(gòu)布置階段，兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特征值最好相距不遠(yuǎn)，并在建筑的布局上，保持結(jié)構(gòu)對(duì)稱、布置均勻的原則，以避免主軸不在一條軸線上而引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等問(wèn)題。

3. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，框架結(jié)構(gòu)樓梯抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)完整、系統(tǒng)的過(guò)程，是衡量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求的重要指標(biāo)之一。作為一名框架結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)人員，在對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓梯的抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)秉著認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，細(xì)心分析框架樓梯結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件和各組成部分可能存在的問(wèn)題，致力于設(shè)計(jì)出抗震性強(qiáng)、實(shí)用性高、經(jīng)濟(jì)性好的樓梯。

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