楼梯震害与设计探讨

副标题#e#【摘要】传统的结构设计忽略了楼梯对结构的影响，也忽略了地震作用对楼梯产生的效应，这是造成楼梯破坏的根本原因。本文即根据对楼梯间遭受地震灾害时的破坏类型及原因分析，对楼梯结构的受力情况及设计方法进行了科学的分析和探讨。针对框架和砌体结构，阐述了楼梯结构性能化抗震设计及抗震构造措施的设计新思路。运用抗震概念设计理论，在楼梯间建立多道抗震防线，提高楼梯的抗震性能，确保楼梯间的稳定，使楼梯间形成应急疏散的“安全岛”。
　　【关键词】地震灾害，楼梯结构，抗震概念设计，构造措施
　　引言
　　楼梯是多层与高层建筑的竖向交通设施，尤其在发生强烈地震时，楼梯间是紧急逃生的竖向通道。楼梯和楼梯间的破坏会延误人员撤离及救援工作，从而造成严重伤亡。2008年5.12汶川特大地震震惊国内外，造成数以万计的房屋倒塌，因楼梯倒塌无法逃生者也不计其数。如果我们把建筑的楼梯设计得更加安全、可靠，至少可以把伤亡人数和经济损失降低到最低限度。通过2008年汶川地震的教训，如何提高楼梯结构的抗震能力，使楼梯间形成应急疏散的“安全岛”，是至关重要的。
　　传统的结构设计忽略了楼梯对结构的影响，也忽略了地震作用对楼梯产生的效应，这是造成楼梯破坏的根本原因。历次震害表明，框架和砌体结构的楼梯间一直都是一个震害集中区，可见，楼梯参与整体计算影响最敏感的就是框架、砌体等抗震较弱的结构,而梯筒形式的框架剪力墙和剪力墙结构的楼梯,其影响则相应较小,筒体结构由于楼梯一般在大筒内部,其影响就更小,甚至可以忽略。因此，本文仅对框架结构中的楼梯结构抗震设计进行探讨，提出楼梯结构性能化抗震设计及抗震构造措施的设计新思路。对提高楼梯结构抗震性能具有一定的参考价值和实用价值。当然，在设计时如何对地震作用效应进行较精确的计算还缺乏足够的经验，还有待于今后进一步研究、实践。本文首先对楼梯结构的震害类型及原因进行分析，其次对楼梯结构设计进行探讨。
　　一、楼梯震害分析
　　根据有关地震灾害资料分析，楼梯的破坏形式有以下几种类型：
　　1.楼梯整体倒塌破坏。由于支承结构的倒塌而引起楼梯的倒塌。如框架结构楼梯间的柱(形成短柱)发生剪切破坏及砌体结构楼梯间墙体（少构造柱）整体失稳等原因引起。2.楼梯平台梁破坏。由于平台梁是弯、剪、扭共同作用的构件，当地震作用产生的内力超过其承载能力时，两端发生剪切、剪扭破坏，中部由于应力集中（楼梯井处）而造成梯梁断裂并与梯板拉开。3.梯段板破坏。梯段板出现一道或两道水平逢，主筋弯曲，梯板拉断。有的水平逢出现在施工逢处（所谓的上三步），有的出现在跨中（纵向受力钢筋屈服），有的则出现在梯段板约四分之一净跨处(负筋切断处存在应力突变)。4.楼梯间填充墙倒塌。由于楼梯间填充墙未能与框架可靠拉结，导致填充墙沿平面外倒塌而堵塞逃生通道。
　　二、楼梯结构设计探讨
　　通过以上楼梯的震害分析，可见地震时楼梯间受力情况之复杂。楼梯的梯板（或斜梁）等构件具有斜撑的受力状态，对结构刚度及扭转作用均有较明显的影响，故在结构计算时应将楼梯构件（梯段板、梯段板边梁、休息平台梁、梯柱等）加入计算模型进行整体计算，即计入其对整体结构极其相邻结构构件的影响，同时楼梯构件本身应进行抗震承载力验算，且按加入楼梯构件后的整体计算模型，考虑其地震作用效应，从而提高楼梯的抗震性能，这正是汶川地震后对《抗震设计规范》作出修改的缘由。
　　然而，仅从计算模型上考虑楼梯对结构的影响，通过机械的运算，硬套计算结果进行楼梯结构设计是不科学的。应该根据结构体系的实际情况，注重楼梯结构的性能抗震设计，楼梯的结构类型要与结构体系相适应，选择合理的计算模型，并从构造上采取相应的抗震措施。
　　1.楼梯结构性能化抗震设计
　　性能化抗震设计就是根据地震作用的不确定性(发生时间、强度和持时等)以及结构抗力的不确定性等特点，对不同风险水平的地震作用，使结构满足不同的性能要求。亦即在建筑结构设计使用年限内可能发生的地震作用下，建筑结构的地震反应和破坏程度均在设计预期要求的范围内，不仅能保证生命安全，而且能确保经济损失最小。就其实质来讲，这是一种企图对建筑结构的反应和破坏程度进行控制的设计方法。
　　楼梯结构采用性能化抗震设计时，可从以下三个层次进行：第一，进行小震弹性设计并强调保证延性的构造措施；第二，小震弹性和中震不屈服设计，中震不屈服设计是为了控制楼梯在大震下的屈服水平，允许适当进入塑性，但是保证进入塑性的程度较低，依靠构件的延性不会有发生倒塌的危险；第三，小震弹性和中震弹性设计，中震弹性设计是为了在理论上保证楼梯在大震水平下不会进入屈服，或者稍微进入屈服而不发生过大变形。三个层次可依据整体结构的重要性水平和设计需求而定。采用“放”，“缓”，“抗”的设计原则，根据具体情况化解楼梯子结构与周边整体结构的互相“矛盾”和“依存”关系[1]。
　　2.楼梯结构抗震构造措施
　　从传力角度分析楼梯震害的结构破坏形式，问题并非出在楼梯结构的竖向传力体系，而是出在其水平传力体系。在进深方向上，水平力一般是通过楼板传递给竖向构件的，由于楼梯板是斜板的缘故，实际上起到一个“K”型支撑的作用，其刚度之大而引起的内力集中是不可忽略的问题。楼梯板若不经过合理的设计，则无法可靠的传递水平力，必然会导致承载力不足。因此，有必要对楼梯采取以下抗震构造措施：（1）楼梯板的抗震构造措施。楼梯板在水平力的作用下，存在较大的剪力和轴向力，不可以忽略不计。因此，除了按计算要求设计外，必须从构造上采取加强措施。要改变过去用设计普通楼板的方法设计楼梯板，可将楼梯板视为压、弯、剪受力构件，提高板厚和配筋率的构造要求，保证传递水平力所需的刚度；配置双层受力钢筋，以满足受压承载力的要求。（2）平台梁的抗震构造措施。楼梯在水平力的作用下，无疑加大了平台梁的扭矩，故除了箍筋要全长加密外，还需沿侧向设置构造钢筋。此外，在跨中的箍筋间距应为50mm，防止楼梯井处由于应力集中和冲切引起的破坏。（3）提高楼梯间整体稳定的措施。楼梯间整体稳定与结构支承的稳定密切相关，对于框架结构首先要提高楼梯间及与楼梯间相邻的框架柱的强度和刚度，防止休息平台处框架柱发生剪切破坏（短柱）。其次，还可以通过在楼梯间增加支撑、剪力墙及设翼柱等措施（多道防线）提高楼梯间的整体稳定。而对于砌体结构，则应从构造上采取加强措施。除了楼梯间四角设构造柱外，还应在梯段板上下对应的墙体处再增加四个柱，并根据抗震设防烈度的大小（7-9度），在楼梯间墙体的休息平台或半高处增设钢筋混凝土带或钢筋砖带，顶层楼梯间横墙和外墙应沿墙高每隔500mm设通长钢筋，突出屋顶的楼梯内外墙交接处应设通长拉结钢筋等措施[2]。
　　此外，凡楼梯间的所有梁（包括平台梁、圈梁）和构造柱的箍筋梯段板的纵向受力钢筋及墙体的拉结钢筋，建议用HRB335及以上的钢筋，以增强钢筋与混凝土之间的粘结力及钢筋与墙体之间的拉结作用。
　　结语
　　我国地震的惨痛经历都说明一个重大问题：低烈度地震设防区完全可能发生高烈度地震、地震非设防区完全可能发生破坏性地震。为了防止今后在遭受地震时悲剧重演，我们必须继续按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标进行设计，在抗震设计规范没有规定楼梯具体抗震设计分析和计算方法的时候，可以根据实际情况，应用上述性能化抗震设计及抗震构造措施的新思路进行设计，运用抗震概念设计理论，在楼梯间建立多道抗震防#p#副标题#e#线，切实提高楼梯的抗震性能，确保楼梯间的稳定，使楼梯间形成应急疏散的“安全岛”。
　　参考文献
　　[1]highbov53楼梯结构的震害分析和设计建议http://bbs.co188.com/list/2068_0_1.html
　　[2]建筑抗震设计规范GB5011-2001.（P73、P76）中国建筑工业出版社2008