淺議框架結構中的板式樓梯設計

王 莎

(中國建材國際工程集團有限公司江蘇分公司，南京 210000)

在建筑工程使用過程中，樓梯是重要的豎向交通路線之一。在地震時，它是疏散人群的有效途徑，承擔著逃生路線的重要作用。然而從震害調查中發(fā)現(xiàn)，大部分樓梯間內部是在主體結構破壞前發(fā)生破壞，嚴重影響其作為逃生路線的重要功能。

傳統(tǒng)框架結構中的板式樓梯設計，一般僅考慮樓梯構件的荷載傳遞，沒有考慮水平地震作用下樓梯的斜撐作用，但工程設計中出現(xiàn)一些新的板式樓梯構造形式，在一定程度上解決了這個矛盾。

1 板式樓梯受力形式

梯段板：在板面豎向重力荷載作用下，單一的梯段板類似于斜放的梁，屬于受彎構件；但把樓梯間作為整體來看時，樓梯梯板在其中形成斜撐，具有壓桿的性質[1]。在地震水平力作用下，由于樓梯梯板的斜撐作用，吸收了大量的水平力，而樓梯間為樓板大開洞，抵抗水平承載力的能力較弱，則樓梯梯板也需承擔水平剪力。樓梯梯板通常為半個層高，樓梯休息平臺與樓面層高處的水平位移存在差值，使得樓梯梯板受拉。綜上所述，樓梯梯板受彎、受剪，還受拉、受壓。

樓梯平臺短柱：對框架結構來說，樓梯休息平臺往往通過樓梯短柱，將其豎向荷載傳遞到框架梁上。在地震水平力作用時，樓梯休息平臺與樓面層高處的水平位移差致使樓梯平臺短柱受剪。則樓梯平臺短柱主要受壓、受剪。

休息平臺梁：平臺梁在樓梯梯板和平臺的豎向荷載作用下，主要受彎。但在水平力作用下，因為樓梯梯板的斜撐作用，使得與平臺梁相連的兩個樓梯梯板相對于平臺梁產生扭轉，使得平臺梁受扭受剪。

與休息平臺相連的框架柱：在框架結構樓梯構造中，一般存在樓梯休息平臺，休息平臺與框架柱相連，使得框架柱成為框架短柱。框架短柱除了受壓外，在地震作用下，因其剛度大，則會吸收較大的水平地震力，使其受水平剪力作用。

2 板式樓梯計算與構造

對于常用的板式樓梯，設計計算時一般進行簡化處理，樓梯不參與整體結構的內力計算，建模時將樓梯處樓板進行開洞，將樓梯的豎向恒、活荷載折算到框架梁上，而樓梯單獨進行豎向荷載作用下的構件計算，并不考慮地震作用影響[2]。

板式樓梯傳力途徑：踏步荷載→樓梯梯板→平臺梁→樓梯短柱→框架梁→框架柱→基礎；平臺板荷載→平臺梁→樓梯短柱→框架梁→框架柱→基礎。

2.1 板式樓梯梯板、平臺板與平臺梁的設計方法

1)樓梯梯板

在進行梯板截面承載力計算時，其截面高度取齒形的最薄處，垂直于斜面。并且為了避免樓梯梯板在支座處產生過大的裂縫，應在板面配置一定數(shù)量的鋼筋，在垂直受力鋼筋方向按構造配置分布鋼筋，每個踏步不少于一根，且放置于受力筋內側。

2)平臺板和平臺梁

平臺板通常支撐在四周的平臺梁上，為單向板，一般為構造配筋。因板的支座轉動受到約束，故應加強板的支座上部筋配置。

平臺梁一般支撐在樓梯短柱上，承擔樓梯梯板、平臺板傳來的荷載以及其自重，按簡支梁計算。應注意，其截面尺寸要滿足梯段板鋼筋的錨固要求。

構件按相應規(guī)范進行裂縫控制和撓度驗算。

3 板式樓梯常見的破壞形式

現(xiàn)階段常見的鋼筋混凝土板式樓梯，其破壞形式有以下幾個方面：

樓梯梯板破壞：樓梯梯板破壞主要表現(xiàn)為梯板斷裂。斷裂位置一般為：1)在距兩端支座1/3處，因鋼筋被壓曲或拉斷，導致梯板斷裂垮塌；2)在梯板施工縫位置產生剪切滑移，發(fā)生斷裂；3)延梯板長度方向產生剪切斜向裂縫，產生破壞[3]。破壞均為垂直于梯板長度方向，因其地震中受到反復拉、壓作用，發(fā)生破壞；3)破壞表明，除了斜撐作用外，梯板也同時擁有延長度方向，類似于剪力墻的抗側力作用。

樓梯平臺短柱破壞：梯段板與休息平臺連接的一端，一般設置樓梯平臺短柱支撐，樓梯平臺短柱落在框架梁上。在地震中，樓梯平臺短柱常常因為:1)柱截面過小，平臺梁在柱內的錨固長度未能滿足要求；2)未考慮地震時該柱存在的地震彎矩，使得柱強度不夠等原因，出現(xiàn)柱身破損、平臺梁縱筋被拔出等狀況。

與休息平臺相連的框架柱的剪切破壞：框架短柱與其他位置框架柱相比，凈高約為其他位置的一半，則其剛度遠遠大于其他，則其分得的地震水平力也就大得多，致使大量的樓梯框架短柱在地震中發(fā)生嚴重的剪切破壞，形成結構抗震薄弱部位。

平臺板的破壞：平臺板一般按受彎計算，滿足日常工作受力狀態(tài)和安全要求。但在水平地震作用下，樓梯梯板受拉、壓，使得上下梯板相交處的休息平臺板產生剪切破壞。

平臺梁的破壞：休息平臺梁的破壞常常發(fā)生于梁端及上下梯板相交處。平臺梁一般按照受彎計算，但在水平地震力作用下，因樓梯梯板受軸力作用，使平臺梁在平面外受彎、剪作用。平臺梁寬度尺寸較小，面外抗彎、剪能力較低，則平臺梁在震中較容易發(fā)生剪扭破壞。

4 樓梯對框架結構抗震性能的影響

根據(jù)各類研究表明，樓梯對于框架主體結構抗震性能有不可忽略的影響[4]。研究表明[5]，樓梯的存在顯著增大了結構局部的抗側剛度，使框架結構的自震周期明顯減小，加劇了地震作用，尤其表現(xiàn)在地震力與樓梯梯板方向平行時，樓梯斜向梯板在梯板方向起到了支撐作用，在垂直梯板方向起到了剪力墻的作用。

有試驗表明，樓梯在彈性階段對結構的支撐作用較大。但是超過彈性階段后，樓梯剛度衰減的速度快于框架主體結構，又由于層剪力是按剛度分配的，則層剪力在樓梯與框架主體結構之間的分配比例是變化的。

5 樓梯在抗震設計中的思路

各試驗和震害分析表明,現(xiàn)澆板式樓梯對于框架主體結構的抗震性能有著不可忽視的影響，《建筑抗震設計規(guī)范》中也明確指出應考慮樓梯構件的影響[6]。基于此，對于樓梯的結構設計，有兩種基本設計思路：

1)仍考慮樓梯參與整體分析。原先結構設計中，沒有考慮到樓梯在地震工況下產生的斜撐作用，因而造成樓梯在地震中的損毀。現(xiàn)在均認為樓梯的斜撐作用不可忽視，則應適當加強樓梯間構件的強度和剛度，使得樓梯間在地震時能后于其它部位構件被損壞。目前最常用的樓梯設計思路一般包括：對樓梯短柱箍筋全長加密，并且加大短柱截面大小；樓梯梯板和平臺板雙層雙向配筋；支撐梯段板的平臺梁箍筋全長加密；樓梯間非承重墻體，應與主體結構有可靠的連接或錨固等。但采取此種思路設計時，因增加樓梯間的剛度，使得其分得的水平地震力也更大；也可將樓梯與結構主體共同建模計算，在此不做討論。

2)第2種思路即應采取適當?shù)臉嬙齑胧苊鈽翘莩蔀榭箓攘嫾纯梢圆豢紤]樓梯參與整體結構的受力，使其與結構主體脫離。此種方法，不但能改善樓梯構件的受力狀態(tài)，也能基本消除樓梯對主體結構的不利影響，并仍舊按傳統(tǒng)設計方法對樓梯和混凝土框架結構進行設計分析。筆者在最近工程設計中依照此種思路，采用的兩種樓梯形式分別為常用的滑動支座樓梯和在樓梯休息平臺下設置四根樓梯短柱。

5.1 滑動支座樓梯

現(xiàn)常用的為圖集16G101-2所給出的滑動支座樓梯，連接方式均為上端固接，下端為滑動支座連接[7]，形式主要如圖1所示。

滑動支座樓梯一般為上端固接，樓梯梯板斜向鋼筋錨入休息平臺板內，下端滑動支座，通過鋼板間鋪設石墨粉或設置四氟板實現(xiàn)，減小摩擦作用。

試驗表明，滑動支座樓梯的梯段板雖然也對結構主體剛度有一定的加強，但是相比于整體現(xiàn)澆式板式樓梯而言有明顯改善，地震總剪力與層間位移相比于無樓梯結構變化很小。滑動支座樓梯因下端的滑動支座，將剪力和彎矩釋放，大大減小了梯段板的受力，避免其斜向支撐的作用。因此，滑動支座樓梯基本消除了樓梯對主體結構抗震計算中的不利影響，從構造上將主體結構與樓梯構件脫開。即在結構整體抗震計算中，可不考慮樓梯構件的剛度作用，只進行豎向荷載的傳導計算；樓梯本身也按照傳統(tǒng)的設計計算方法，僅考慮在豎向荷載作用下的配筋計算。圖集也明確注明，滑動支座樓梯可不參與整體結構計算。

滑動支座樓梯中，一種形式是滑動端落在受力梁的挑耳上。由于挑耳承受梯板傳遞來的豎向力、拉力、彎矩、剪力的共同作用，且其破壞伴隨著梯板的跌落，則應進行計算配筋，加強構造措施。

有研究顯示，滑動支座樓梯的滑動端的梯段板存在瞬時翹起的情況，使得斜板處于瞬時懸臂狀態(tài)，設計中應考慮其懸臂板的狀況。

5.2 休息平臺下設置四根樓梯短柱的樓梯形式

此種樓梯，樓梯梯板的上下端均為固接，與傳統(tǒng)板式樓梯相同，但在樓梯平臺下其設置四根樓梯短柱，并且不得將平臺板和平臺梁與框架柱相連，如圖2所示。

此種樓梯形式，由于沒有與框架柱相連，避免框架短柱的出現(xiàn)，降低了框架柱的破壞。并且由于與主體結構脫開，減小了梯板的斜撐作用，有效降低結構剛度。在結構整體計算時，也可以不考慮樓梯對其的作用，僅考慮荷載的傳導，樓梯結構設計計算與傳統(tǒng)板式樓梯相同。

此種樓梯形式在設計計算時應注意：此種樓梯的平臺樓梯短柱與支撐平臺柱的框架梁的受力較大，設計時應加強相應構件的截面尺寸和配筋；設計時要注意樓梯平臺短柱與框架柱的凈距離，不能靠得太近，一般不小于100 mm，并且縫間不得填塞砌塊、水泥砂漿等剛性材料。

6 結 語

這兩種樓梯形式，均是采用了與主體結構脫開的設計思路，也是較為常見的樓梯處理方式。它們使得整體結構的抗震性能得到顯著提升，有效減輕地震作用對結構產生的不利影響。