楼梯设计中的心得

楼梯设计探讨--张国维引言在以往的设计中，结构工程师将楼梯荷载换算成房间面荷载由程序导算或手工到算成作用在楼梯间周边杆件上的荷载，楼梯、平台板等构建内力单独计算，未考虑楼梯与整体结构的共同作用。在汶川地震后，震后场景令人惊心，尤其是楼梯间的大量破坏。楼梯是重要的逃生通道，是设计所不允许的。作为设计人员，我们有责任从灾难中总结经验教训，并应用到以后的设计中。《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(2008版)第3.6.6.1条规定：“计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况；计算中应考虑楼梯构建的影响。”条文中指出：“考虑到楼梯的楼板等具有斜撑的受力状态，对结构的整体刚度由较明显的影响，建议在结构设计中予以适当考虑。”1.考虑楼梯构建的影响时，应注意下列两方面：一.楼梯对竖向构建的影响（使竖向构件中间受力，形成短柱或局部错层等）；二.要考虑楼梯的传力需要（楼梯作为水平传力构件之一，应确保其传力及疏散功能的实现）。2.理论研究及震害调查表明，楼梯对主体结构的影响，取决于楼梯与主体结构的相对刚度之比。楼梯对主体结构影响的程度取决于主体结构的结构体系，主体结构的刚度越大、整体性越好（如采用剪力墙、框架-剪力墙结构等），楼梯对主体结构的影响越小；而主体结构的刚度越小、整体性越差（如框架结构、装配式楼盖结构、砌体结构等），楼梯对主体结构的影响就越大。1）楼梯对主体结构的影响主要集中在砌体结构、框架结构和装配式结构中。在多遇地震作用下，由于结构基本处于单行工作状态，填充墙、砌体承重墙开裂程度较低，刚度退化不严重，装配式楼盖的整体性尚可，楼梯刚度在主体结构中的比值很小，楼梯对主体结构的影响不大。而在设防烈度地震及罕遇地震作用下，结构进入弹塑性状态，填充墙、砌体墙开裂严重，刚度急剧下降，装配式楼盖的整体性很差，楼梯刚度在主体结构刚度中的比值逐步增大，楼梯对主体结构的影响也随之增大。现浇楼板起局部刚性楼板的作用，传递水平地震建立，导致楼板拉裂，框架柱形成短柱及错层柱而破坏。2）在剪力墙、框架-剪力墙、筒体结构中，由于结构刚度大，整体性好，楼梯自身刚度在主体结构中的刚度比值不大，楼梯受主体结构的呵护而很少破坏。3）楼梯间在平面布置上的不对称，造成结构刚度分布不均匀，扭转效应增大，设计时宜考虑楼梯间对扭转效应的影响。4）框架结构的梯板在地震作用下产生的轴力较大，在地震反复作用下，梯板交替处于拉弯、压弯状态，建议在设计时考虑水平荷载作用产生的轴力影响。3．考虑楼梯对主体结构的影响及主体结构对楼梯的影响时，应根据主题结够与楼梯的侧向刚度大小，采取相应的措施：1）楼梯采用现浇或装配整体式钢筋混凝土结构，不应采用装配式楼梯。2）对框架结构、砌体结构及楼盖整体性能较差的结构，在结构计算中应考虑楼梯的影响及主体结构对楼梯的影响，并宜进行包络设计。（1）现阶段，在对结构进行规划性判别及位移计算时，可不考虑楼梯的影响。（2）构件设计时，应考虑楼梯的影响，对相关构件按考虑与不考虑的影响进行分别计算，包络设计。3）对剪力墙、框架-剪力墙结构等主体结构侧向刚度大、楼盖整体性好的结构，当楼体周围有剪力墙围合时，计算中可不考虑楼梯的影响，而采取有效的构造措施（加配梯跑跨中板顶通长钢筋、框架柱箍筋加密等）确保楼梯及相应框架柱的安全。4)楼梯对主体结构的影响及主体结构对楼梯的反作用主要集中在结构的底部，因此应加强楼梯底部的抗震措施，如：明确楼梯梯板的传力途径，加强梯板的配筋，同时应加强与梯板相连之框架柱的受检承载力。5）无地下室时，当楼梯在底层直接支撑在孤独楼梯梁上时地震时楼梯板吸收的水平地震作用在楼梯梁处的水平传递路径被截断，而梯板外的孤独楼梯梁将无法承担梯板传来的水平推力，破坏常发生在梯板边缘的孤独梁截面处，因此应避免采用此做法。如采用时，应适当加大楼梯梁的平面外配筋并加密箍筋。6）应特别注意设置楼梯形成的框架短柱，柱箍筋除应满足计算要求外，宜按抗震等级提高一级配置。7）结构设计中，常设置支撑楼梯的梁上小柱，该小柱也应按框架柱要求设计。应确保柱截面面积不小于300mm*300mm，柱最小边长不应小于200mm，并应增加另一方向的柱截面长度。8）与框架柱、楼梯小柱相连的楼梯平台梁应满足《抗震规范》对框架梁的构造要求。与梯板相连的平台梁、平台板构件宜加强构造要求，汶川地震中由于梯板的拉力，部分平台梁与平台板脱离，还应注意平台梁的剪扭破坏；有些休息平台梁式从柱中挑出的，应加强梁柱节点的构造要求。本文只是大概列举了楼梯设计过程中比较容易忽视的地方，仅供设计人员参考，并希望与大家讨论，弥补不足。楼梯板在水平地震作用下的轴力：沿板宽方向分布不均匀，两边大，中间小；板的总轴力惊人！楼梯构件在水平地震作用下的竖向位移uz：楼梯梁、楼梯柱在水平地震作用下的弯矩：