樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)影響分析

1、<p>　　樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)影響分析</p><p>　　摘要： 隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)樓梯設(shè)計(jì)中的不足在地震中一次次凸顯?；瑒?dòng)支座樓梯日益得到發(fā)展。本文在結(jié)合工程實(shí)例的基礎(chǔ)上對(duì)有樓梯、無(wú)樓梯和樓梯間不同滑動(dòng)支座布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了樓梯參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型、框架樓梯間設(shè)滑動(dòng)支座模型以及無(wú)樓梯模型。運(yùn)用PKPM軟件，得到三種模型在相同工程背景下的最大樓層位移、層間位移角、周

2、期、樓層剪力、傾覆彎矩，對(duì)比分析樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的影響。 </p><p>　　Abstract： With the rapid development of construction industry， the deficiency of traditional stair design highlights in the earthquake. On the basis of project， the mo

3、del of staircase together with building structure， the structural model of frame-staircase with sliding supports and the model without stairs are designed. Using PKPM software， the maximal storey drift， inter-laminar dis

4、placement angle， period， story shearing force， overturning moment of these three models under the same project ba</p><p>　　關(guān)鍵詞： 樓梯；滑動(dòng)支座；PKPM；抗震 </p><p>　　Key words： staircase；sliding support；PKP

5、M；anti-seismic </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）19-0115-03 </p><p><b>　　1 研究背景 </b></p><p>　　1.1 地震災(zāi)害頻發(fā)現(xiàn)狀 </p><p>　　隨著近幾年地震的頻繁發(fā)生[1]，全球每年發(fā)生約

6、500萬(wàn)次地震，其中遭受地震災(zāi)害影響十分嚴(yán)重的國(guó)家有中國(guó)、美國(guó)、日本、伊朗、土耳其、印尼等。我國(guó)地震頻發(fā)，自2008年到2014年間的地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 </p><p>　　所以，面對(duì)嚴(yán)峻的地震災(zāi)害形式，通過(guò)合理的抗震設(shè)防來(lái)提高工程結(jié)構(gòu)抗震性能，從而減少地震對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活的危害刻不容緩。 </p><p>　　1.2 樓梯震害現(xiàn)象 </p><p>　　樓梯

7、作為建筑物各樓層間的垂直交通樞紐，承擔(dān)著逃生、救援的重要作用。樓梯最早出現(xiàn)在中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，并且被鐫刻在了銅器上。直到15世紀(jì)才出現(xiàn)各式各樣形體豐富的樓梯?，F(xiàn)如今在多層和高層建筑結(jié)構(gòu)中電梯成為應(yīng)用最為廣泛的垂直交通工具，但仍然保留著樓梯，供人們?cè)跒?zāi)害發(fā)生時(shí)逃生之用。 </p><p>　　常見(jiàn)框架結(jié)構(gòu)板式樓梯的震害現(xiàn)象[2-4]有：梯段板的破壞、樓梯間框架柱的破壞、梯柱的破壞、平臺(tái)梁的破壞，以及樓梯間填充墻的破壞。

8、 </p><p>　　1.3 傳統(tǒng)板式樓梯設(shè)計(jì)缺陷 </p><p>　　傳統(tǒng)板式樓梯在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮樓梯在地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震設(shè)計(jì)的影響，只是將樓梯單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)和配筋，并且簡(jiǎn)單的將其按照簡(jiǎn)支梁、簡(jiǎn)支板進(jìn)行荷載計(jì)算和配筋設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)板式樓梯在進(jìn)行整體建模分析時(shí)也只是將豎向傳遞過(guò)來(lái)的荷載施加到框架梁、柱等主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于樓梯間的樓板進(jìn)行開(kāi)洞處理，并且在進(jìn)行配筋時(shí)沒(méi)有采用雙層

9、雙向的配筋形式。 </p><p>　　1.4 新樓梯設(shè)計(jì)與應(yīng)用 </p><p>　　研究表明，在考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算后，結(jié)構(gòu)的剛度中心會(huì)因樓梯的平面布置位置而發(fā)生改變。并且在考慮樓梯影響的情況下，整體結(jié)構(gòu)的層間位移是要比不考慮樓梯的時(shí)候小，但是層間剪力的變化一般是要比不考慮的時(shí)候要大的。與此同時(shí)，在樓梯間位置處的主要受力構(gòu)件的內(nèi)力也會(huì)出現(xiàn)增加。結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度增加，相應(yīng)的側(cè)移

10、曲線開(kāi)始向彎剪型過(guò)渡。但是，樓梯的參與會(huì)使結(jié)構(gòu)在進(jìn)行整體抗震計(jì)算時(shí)，由原本的平動(dòng)為主向扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)變，這時(shí)將樓梯考慮成一般支承對(duì)結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度是不合理的。 </p><p>　　現(xiàn)如今在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)，有相當(dāng)一部分的工程設(shè)計(jì)考慮采用滑動(dòng)支座樓梯，其構(gòu)造形式如圖1所示。樓梯梯段板下端采用滑動(dòng)支座[5-6]，可以有效避免形成梯板支撐、削弱樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響。在受到地震力破壞時(shí)，能夠釋放地震力而不至于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)

11、生較大變形甚至破壞?；瑒?dòng)支座在施工時(shí)梯段板下端支座位置應(yīng)與梯梁或挑板在結(jié)構(gòu)上脫開(kāi)，在支座處預(yù)埋鋼板或設(shè)置聚四氟乙烯滑板，將踏步擱置在梯梁或挑板上，并且在樓梯澆筑前鋪設(shè)石墨粉或塑料薄膜，以保證達(dá)到滑動(dòng)效果。其次，在樓梯裝飾面層施工時(shí)，地坪細(xì)石混凝土與樓梯踏步起步起始段必須預(yù)留5cm空隙，用高分子泡沫填充劑填充，即讓樓梯存在自由滑動(dòng)距離。 </p><p>　　2 工程中樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響分析 </p>

12、;<p><b>　　2.1 工程資料 </b></p><p>　　項(xiàng)目概況：本工程為西北地區(qū)首個(gè)EPC項(xiàng)目，位于陜西省西安市。項(xiàng)目用地較為方正，長(zhǎng)邊（東西方向）104.96m，短邊（南北方向）99.93m，用地面積為10343.84m2?；刎Q向情況：場(chǎng)地最低點(diǎn)為用地西北部，最高點(diǎn)為用地東南部，高差0.60m左右，整個(gè)場(chǎng)地較為平整，基本無(wú)構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框剪結(jié)構(gòu)。 <

13、;/p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)參數(shù)： </b></p><p>　　①風(fēng)荷載、雪荷載[7]：建筑物基本風(fēng)壓值0.35kN/m2（高度大于60m時(shí)放大1.1倍），地面粗糙度為C類(lèi)?；狙?.25kN/m2。 　?、诳拐鹪O(shè)防要求：本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。本工程為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類(lèi)（五層以下為乙類(lèi)）建筑，按8度（0.20g）抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)基本

14、特征周期0.35s，工程中結(jié)構(gòu)計(jì)算、設(shè)計(jì)所采用的抗震設(shè)防烈度和抗震構(gòu)造措施均采用8度抗震設(shè)防烈度，地震分組為一組。場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。 </p><p>　　主要結(jié)構(gòu)材料：①混凝土[8]部分：墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35～C55，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C40。②鋼筋部分：本工程鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋（fy=360N/mm2）。 </p><p><b>　　

15、2.2 模型建立 </b></p><p>　　結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，利用此模型考慮該框剪結(jié)構(gòu)的框架樓梯間對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算設(shè)計(jì)的影響，設(shè)計(jì)了三種模型，并運(yùn)用PKPM軟件對(duì)三種模型的最大樓層位移、層間位移角、最大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩以及周期進(jìn)行了對(duì)比分析，具體如下： </p><p>　?、倌Ｐ鸵唬涸谶M(jìn)行PKPM模型建立時(shí)，在框架樓梯間建立樓梯模型，即考慮樓梯參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算；

16、 </p><p>　?、谀Ｐ投涸谶M(jìn)行PKPM模型建立時(shí)，將框架樓梯間板厚設(shè)置為零，布置荷載，并在樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)布置滑動(dòng)支座； </p><p>　?、勰Ｐ腿涸谶M(jìn)行PKPM模型建立時(shí)，將樓梯間開(kāi)洞，不設(shè)置樓梯也不考慮樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算、設(shè)計(jì)的影響。 </p><p>　　2.3 樓梯對(duì)整體結(jié)構(gòu)最大樓層位移的影響分析 </p><p>　　

17、為了分析三種模型最大樓層位移之間的關(guān)系，對(duì)每個(gè)模型的最大樓層位移進(jìn)行了整理，得到如圖3所示各模型X向的最大樓層位移曲線。 </p><p>　　由圖3可以得出，隨著樓層的不斷增高，樓層位移也隨之增大。在開(kāi)始段變化較小，但是隨著樓層增高到一定程度時(shí)，樓層位移變化開(kāi)始逐步增大，并且模型二的樓層位移一直都大于模型一，模型三的樓層位移一直都大于模型二、模型一。當(dāng)樓層為5時(shí)模型一的樓層位移為3.58mm，模型二為6.29m

18、m增大了1.75倍，模型三為10.29mm相對(duì)于模型一增大了1.87倍，相對(duì)于模型二0.635倍。當(dāng)樓層達(dá)到27層時(shí)，模型一的樓層位移為74.13mm，模型二為79.92mm，模型三為90.92mm。 </p><p>　　造成以上現(xiàn)象的主要原因是由于：模型三在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮樓梯的影響，導(dǎo)致模型三的樓層位移變化較大；模型二相對(duì)于模型三考慮了樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體的荷載影響，樓梯間布置滑動(dòng)支座，結(jié)構(gòu)整體剛度增大，

19、相對(duì)于模型一樓層位移減??；模型一在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)布置了樓梯并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為梁進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)于模型二、模型三增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小了樓層位移。 </p><p>　　2.4 樓梯對(duì)整體結(jié)構(gòu)層間位移角的影響分析 </p><p>　　為了分析三種模型層間位移角之間的關(guān)系，對(duì)每個(gè)模型的層間位移角進(jìn)行了整理，得到如圖4所示的各模型X向?qū)娱g位移角曲線。 </p><p>　　由圖

20、4可以看出，隨著樓層的增高，模型的層間位移角隨之增大，但隨著樓層增大到一定程度時(shí)，模型的層間位移角開(kāi)始減小。并且，模型二的層間位移角始終大于模型一，模型三的層間位移角始終大于模型一、模型二的層間位移角。5層時(shí)模型一的層間位移角為1/1410，模型二為1/1343，模型三的層間位移角為1/1245，模型一的最大層間位移角為1/1087，模型二的最大層間位移角為1/1034，模型三的最大層間位移角為1/1041。 </p>&

21、lt;p>　　造成以上現(xiàn)象的原因是由于：模型二相對(duì)于模型三考慮了樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體的荷載影響，樓梯間布置滑動(dòng)支座，結(jié)構(gòu)整體剛度增大，相對(duì)于模型一層間位移角減小；模型一在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)布置了樓梯并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為梁進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)于模型二增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小了模型三層間位移角的增大。 </p><p>　　2.5 樓梯對(duì)整體結(jié)構(gòu)周期、剪力、彎矩的影響分析 </p><p>　　為了分析三種模型最

22、大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩以及周期之間的關(guān)系，對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行相關(guān)資料整理，得到表2所示的各模型X向的相關(guān)參數(shù)。 </p><p>　　由表2可以看出，考慮樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的最大樓層剪力、最大樓層傾覆彎矩、周期產(chǎn)生較大影響。首先，模三的最大樓層剪力為30495.3kN，模型二的最大樓層剪力為33594.1kN，增加了10.2%；模型一的最大樓層剪力為37481.2kN，相對(duì)于模型三增大了22.9%，相對(duì)于

23、模型二增大了11.6%。其次，模型三的最大樓層傾覆彎矩為2302739kN?m，模型二為2347924kN?m，相對(duì)于模型三增大了2.0%；模型一的最大樓層傾覆彎矩為2383712kN?m，相對(duì)于模型三增大了3.5%，相對(duì)于模型二增大了1.6%。最后，模型一的周期為2.5643s，模型二的周期為2.7205s，增大了6%；模型三的周期為2.8211s，相對(duì)于模型一增加了10%，相對(duì)于模型二增加了3.7%。 </p><

24、;p>　　造成以上現(xiàn)象的原因是由于：模型一進(jìn)行了樓梯設(shè)置，考慮了樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的影響，造成結(jié)構(gòu)整體剛度增大，周期減小，樓層剪力、傾覆彎矩增大；模型二采用的是能夠減小樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)斜撐效應(yīng)的滑動(dòng)支座樓梯，并且在樓梯間的模型中設(shè)置了無(wú)厚度樓板和樓梯間恒、活載，考慮樓梯間荷載對(duì)周?chē)鷺?gòu)件的影響，故相對(duì)于模型一剛度減小，周期增大，樓層剪力、傾覆彎矩減?。荒Ｐ腿龥](méi)有設(shè)置和考慮樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，周期最大，樓層剪力、傾覆彎矩相對(duì)于模型一、模型二要

25、小。 </p><p>　　2.6 樓梯設(shè)計(jì)建議 </p><p>　　依據(jù)以上分析，在不考慮框架樓梯間對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響時(shí)，可以在樓梯間布置滑動(dòng)支座來(lái)減小樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不利影響。具體建議如下： </p><p>　?、贅翘蓍g布置位置：在整個(gè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角、端部以及凸出建筑物的位置進(jìn)行樓梯間布置，容易導(dǎo)致地震發(fā)生時(shí)樓梯間較早的破壞。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)樓梯間布置時(shí)，

26、應(yīng)盡量避開(kāi)在這些地方布置樓梯。 </p><p>　?、谂浣钜螅簩?duì)于設(shè)置了滑動(dòng)支座的框架結(jié)構(gòu)樓梯間，梯板可以按照斜向簡(jiǎn)支板進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)，但是梯板的鋼筋配置形式應(yīng)雙層雙向通長(zhǎng)配置。并且禁止在梯板中使用冷軋扭鋼筋和延性較差的冷加工鋼筋。對(duì)于參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的樓梯配筋同樣如此。 </p><p>　?、刍瑒?dòng)支座應(yīng)用建議：滑動(dòng)支座滑動(dòng)效果的有效發(fā)揮對(duì)結(jié)構(gòu)單元的受力、變形起著至關(guān)重要的作用。應(yīng)定

27、期對(duì)滑動(dòng)薄鋼板和聚四氟乙烯類(lèi)材料進(jìn)行防腐銹、防老化處理以保證梯段板的正?；瑒?dòng)。 </p><p><b>　　3 結(jié)論 </b></p><p>　　傳統(tǒng)板式樓梯設(shè)計(jì)方法忽略了樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不利影響，即當(dāng)結(jié)構(gòu)計(jì)算不考慮樓梯時(shí)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)整體剛度減小，最大樓層位移、層間位移角增大，周期增大，樓層剪力、傾覆彎矩減小?；瑒?dòng)支座樓梯設(shè)計(jì)形式與不考慮樓梯的樓層位移、周

28、期、樓層剪力、傾覆彎矩相近。當(dāng)樓梯參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)整體剛度增大，最大樓層位移減小，層間位移角、周期均減小，樓層剪力、傾覆彎矩也增大。這說(shuō)明，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮樓梯，會(huì)忽略樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，為結(jié)構(gòu)抗震埋下隱患。所以在不考慮框架樓梯間對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響時(shí)應(yīng)在樓梯間布置滑動(dòng)支座來(lái)減小樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>

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