框架類結構樓梯設計對策探討

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框架類結構樓梯設計對策探討

 

1   川地震啟示及現行規范規定

川地震發生以前,結構工程師在結構計算時往往略去樓梯構件的建模計算,將樓梯構件進行單獨設計(僅考慮豎向荷載),既沒有考慮樓梯構件的抗震性能,也沒有考慮樓梯構件對結構整體抗震性能產生的影響。川地震后調查發現,結構(尤其是框架結構)樓梯構件損壞嚴重,如梯板拉壓破壞、梯柱兩端彎曲破壞、梯梁剪扭破壞以及與樓梯休息平臺相接的框架柱剪切破壞等,汶川地震中因樓梯結構破壞、倒塌導致大量人員傷亡,造成重大生命財產損失!

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 汶川地震典型樓梯構件破壞形式

 

川地震啟示:大震時,樓梯間是人們選擇逃生的唯一通道,樓梯間人流瞬間會達到峰值。如果此時樓梯結構發生嚴重破壞,或者由于樓梯結構破壞而導致非結構構件破壞,造成逃生通道中斷或堵塞,會導致嚴重后果。

鑒于川地震造成結構樓梯間損壞嚴重,影響結構的逃生功能?,F行規范針對樓梯結構抗震分析、設計作出如下規定:

《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第6.1.15規定:“對于框架結構,樓梯構件與主體結構整澆時,計入樓梯構件對地震作用及其效應的影響,應進行樓梯構件的抗震承載力驗算”。

《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)第6.1.4規定框架結構的樓梯間應符合下列規定:“樓梯結構有足夠的抗倒塌能力”,“宜采取措施減小樓梯對主體結構的影響”。

《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)第3.6.1關于混凝土結構防連續倒塌設計要求增強疏散通道結構構件的承載力和變形能力。

近年來,基于性能的抗震設計理念已逐漸應用于工程實際,現行的建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010和《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)均引入這種設計理念并就具體實施方法作出了規定。樓梯間起著地震時逃生的重要作用,將樓梯結構的抗震性能目標提高,設計為整個結構的“安全島”的概念,已被廣大工程師所接受。

2   當前設計院對樓梯結構的主流設計方法探討

2.1 樓梯結構采用傳統整澆做法

1)樓梯設計仍采用川地震前的傳統方法,不參與結構整體計算,僅對樓梯構件的抗震構造措施進行加強。

這種設計方法違反《建筑抗震設計規范》(GB 50011-20106.1.15條的要求,但目前仍被廣泛使用。

2)按《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)要求,將樓梯結構輸入結構整體模型進行計算并設計。

大量精細分析結果表明,樓梯結構對框架類結構的整體剛度、規則性影響顯著,梯柱、梯梁、梯板以及樓梯周邊結構構件地震作用效應較大,設計時極易超筋,而如果增大相關構件尺寸來解決,會導致樓梯結構剛度進一步增大,地震作用效應進一步增加,在設計上形成“死循環”(圖2a))。一味的“硬抗”,可能會影響建筑使用功能和整體結構布局,同時會導致建筑造價上升。

 

 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a)樓梯整澆對結構振動特性及構件內力影響(MIDAS軟件)            b)滑動支座改善結構剛度布置(ETABS軟件)

2 樓梯對框架結構整體抗震性能的影響(部分摘自中華鋼結構論壇)

 

另外,由于樓梯結構錯層布置,現行個別主流設計軟件在樓梯建模、分析單元選取、剛度集成方面 存在諸多“盲區”,導致計算結果極易發生異常,對設計人員造成嚴重困擾。同時,現行規范缺乏樓梯結構的概念設計,對樓梯結構構件的抗震措施、預期破壞模 式、性能目標實現機理等交代不明,導致樓梯結構設計目前缺乏統一標準,亂象叢生。

最后,不得不指出,框架結構中,整澆的樓梯結構無疑會在結構平面中形成“剛性核”,時程分析表明,無論是否經過(小震的)抗震設計,中、大震時樓梯結構都將首當其沖,率先破壞,這與“安全島”的設計理念不符。因此,“硬抗”的設計方案值得反思。

2.2 采用“ 減震”設計思路,在梯板下端梯梁之間設置滑動支座

對樓梯間采取“放震”措施,弱化樓梯構件對主體結構的剛度影響,人為地將樓梯間與主體結構隔開,是樓梯間抗震設計的新思路。

大量分析表明,梯板斜撐效應是造成樓梯間結構抗震設計一系列問題的根源,因此,在樓梯板與梯梁之間設置滑動支座,將樓梯板的支撐效應卸掉,是解決樓梯結構抗震問題的有效途徑(圖2b)為設計滑動支座前后結構第一振型形狀對比)?;瑒又ё龇ǖ男Ч驯挥嬎闩c試驗證實,并已被《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖(現澆混凝土板式樓梯)》國家建筑標準設計圖集·11G101-2(以下簡稱11G101-2圖集)采用。11G101-2圖集給出了具體的滑動支座參考做法(圖3),且說明采用3做法時,由于滑動支座卸掉了梯板的斜撐效應,建模時梯板可不參與結構整體計算。

 

 

 
 


3  11G101-2圖集中樓梯滑動支座建議做法          4 梯柱破壞引發梯板脫落示意

 

由于圖3構造簡單,且廣大設計人員根據11G101-2圖集說明籠統認為用上述做法時,整個樓梯結構(注:11G101-2圖集原意僅梯板可不參與計算,大大簡化了設計步驟,造成目前圖3做法不分樓梯結構是否安全、不分梯柱是否薄弱且未經抗震設計、不分梯板與梯梁隔離是否影響結構冗余度、不分梯板下端大震時會否翹起等安全隱患而盲目地大量使用。

11G101-2圖集樓梯間滑動支座的建議做法仔細研究發現,上述做法僅釋放掉了梯板的斜撐效應,對于整個樓梯結構而言,如無條件地使用會存在以下幾種問題:

1)存安全隱患。

將樓梯斜板簡單放置在梯梁上,減少了結構冗余度,大震時梯板有脫落風險!雖然梯板的搭接長度滿足現行規范框架結構的層間變形需求,但支撐樓梯斜板另一端的梯柱,如其截面尺寸較小且未經抗震設計,很難形成強柱弱梁的破壞機制,大震時,梯柱很可能先于主體結構發生破壞,而導致另一端“擱置”在梯梁上的梯板發生滑落,從而使樓梯間發生連續倒塌的脆性破壞(圖4)。

另外,振動臺試驗結果表明,7度及以上大震時,采用圖3滑動支座做法的梯板下端會發生豎向翹起現象,且豎向加速度反應較大,梯板振動與梯梁碰撞造成梯板跨中產生明顯水平裂縫。如果大震時樓梯間人流密集,這種振動反應極易引發踩踏事故等。

最后,梯板與梯梁脫開后,樓梯結構可能與主體結構脫開,成為主體結構的單跨框架子結構。一方面《建筑抗震設計規范》(GB 50011-20106.1.5條避免甲乙類建筑和高層建筑使用單跨框架,另一方面,樓梯子結構存在地震力二次放大的可能(鞭梢效應),這更加重了梯柱首先發生脆性破壞的風險。

2)不美觀,預留變形區構造極易被后期裝修工程忽略。

梯板下端與休息平臺連接處,建筑面層要預留5cm的“預變形滑動區”,這使得建筑面層不連續??蚣芙Y構一般均為公共建筑,這種做法影響建筑美感。工程案例表明,大多滑動支座在裝修時被建筑面層頂死,形同虛設。

3)設計、施工不方便。

11G101-2圖集沒有交代梯板以外的樓梯構件設計方法,而這個環節被絕大多數設計師誤讀,導致樓梯結構設計存在嚴重安全隱患。

另外,隔震層厚度較小,且必須位于梯梁與梯板之間,施工定位要求較高,難度大。

3   14G10《隔震橡膠支座現澆鋼筋混凝土板式樓梯》設計理念

3.1 背景、做法及優勢

基于“硬抗”的設計方案以及傳統滑動支座做法設計方案均不盡完美,結合減、隔震設計思路,我們提出將滑移型的滑動支座轉化為橡膠隔震支座,如圖5所示。在梯板下端梯梁之間設橡膠隔震支座,橡膠隔震支座通過上下連接板和錨固螺栓分別錨入梯板與梯梁內,使得二者之間既可相互滑動,又連為一體。

 

5 防倒塌隔震支座做法

5橡膠隔震支座相比圖3滑動支座做法具有以下優勢:

1)安全

首先,梯板通過橡膠隔震支座與梯梁相連,橡膠隔震支座通過變形釋放梯板斜撐效應的同時,其自身的抗剪、抗拉、抗壓承載力以及自復位能力能增加樓梯結構的冗余度,起到樓梯結構抗震的二道防線作用。大震時即使梯柱破壞,隔震橡膠支座能確保梯板不會脫落,樓梯不倒塌,其作為逃生通道的功能能夠繼續發揮,直至整體結構倒塌失效。

另外,橡膠支座抗拉承載力能保證大震時梯板下段不發生豎向翹起。

2)美觀

梯板下端與休息平臺連接處,預留泡沫“變形區”,將變形區留在支座內部解決,支座滑動不受建筑面層影響,保證建筑面層的連續性。

3)設計施工更方便

橡膠隔震支座均通過驗算滿足樓梯結構“大震不倒”的設防要求,且所有驗算工作線下完成。工程師設計時可省去所有樓梯構件的建模計算,僅按不同樓梯結構類型、不同抗震設防類別進行支座型號選擇即可。

施工時,將隔震支座放入梯梁、梯板綁扎鋼筋之間,定位后,整體現澆即可。支座可接受的施工誤差達10mm。

3.2 設計流程

3.2.1 樓梯橡膠隔震支座(以下簡稱LTZZ)的型號及設計參數

 

6 LTZZ的型號參數

 

LTZZ型號標準:1LTZZ寬度統一定義為270mm,厚度定義為50mm,變形區寬定義為60mm;2)需要設計人員確定的尺寸:L梯板寬度),b(橡膠層寬度),H(變形區填充材料高度)(6);3)因此,LTZZ型號可表示為:LTZZ-L-b-H(如LTZZ-1500-80-60)。

確定LTZZ型號的三個參數中,L,H與樓梯幾何尺寸、面層厚度相關,不需計算求解。所以,LTZZ設計的關鍵是求得橡膠層寬度b。

3.2.2 橡膠層寬度b計算

1LTZZ針對不同樓梯結構的抗震驗算項目(以普通雙跑樓梯為例)

 

7 常見普通雙跑樓梯結構類型

 

7第一種類型的樓梯,休息平臺四角均為框架柱,因框架柱均參與結構的整體抗震計算及設計,設置LTZZ后,不用考慮樓梯間框架柱破壞后樓梯結構的安全風險(因為框架柱破壞意味著整體結構破壞,此時強調樓梯結構安全沒有意義)。所以,此時LTZZ只需進行滑動變形能力驗算及梯板豎向防翹起驗算即可。

7第二種類型的樓梯,休息平臺外側為兩個框架柱,假定休息平臺內側的梯柱發生破壞,梁端產生塑性鉸,但由于受到外側框架柱的約束,樓梯結構不會倒塌。所以,此時LTZZ只需進行滑動變形能力驗算及豎向防翹起驗算即可。

7第三種類型的樓梯,休息平臺外側僅一個框架柱,假定休息平臺的梯柱地震時率先破壞,梁端產生塑性鉸可能會導致樓梯結構沿水平方向倒塌。所以,此時LTZZ進行滑動變形能力驗算、樓梯結構X向和Y向的水平防倒塌驗算及豎向防翹起驗算。

7第四類型的樓梯,與第三種類似,此時LTZZ進行滑動變形能力驗算、X向和Y向的水平防倒塌驗算及豎向防翹起驗算。 

另外,特別重要的樓梯結構,應進行豎向防連續倒塌驗算。

2LTZZ變形能力、承載力驗算準則

變形能力驗算準則

梯板與梯梁脫開后,樓梯間可視為主體結構的個子框架結構,《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)規定框架結構大震下層間位移角不超過1/50,考慮柱軸壓比、配箍率等有利因素時可放寬至1/40,因此,LTZZ水平變形需求可取樓梯層高度的1/40,即:

                              1

式中:隔震墊的水平變形需求;為樓梯層高度(可視具體樓梯結構取值)。

而橡膠隔震支座的水平極限變形能力為:

                         2

式中:為橡膠層的寬度,為橡膠層厚度。

即:

                       3

另外,為保證LTZZ滑移時不受建筑面層高度影響,要求預留變形區的泡沫高度H大于建筑面層厚度20mm,即:

                                4 

式中d為建筑面層厚度。

②水平防倒塌驗算的承載力準則(以四角梯柱型樓梯Y向防倒塌驗算為例)

8 樓梯結構水平防倒塌驗算簡圖

 

大震作用下,假定梯柱首先發生破壞,上、下兩端產生塑性鉸,為防止梯板與梯梁脫落,考慮最不利情況,要求隔震支座應能承受整個樓梯間的地震力。即圖8中:

                                                      5

式中:為第i層隔震支座水平極限承載力;為大震作用下Y向的第i層樓梯間地震力。

豎向防倒塌驗算的承載力準則

 

9 樓梯結構豎向防倒塌驗算

 

拆柱法對設有LTZZ的樓梯結構進行了防倒塌驗算。任意拆除一根梯柱(以靠近梯板一側某一梯柱喪失承載力為例),考慮最不利組合情況,結構的受力簡圖如圖9所示。根據梯梁端部的彎矩平衡關系有:

  6

式中:,分別為相應梯梁的等效均布荷載標準值;,分別為相應橡膠支座單位長度的斜壓、斜拉極限承載力,可分別由極限抗剪、抗拉承載力進行力學分解求得;,分別為下、上兩個梯板的豎向夾角;,分別為休息平臺的寬度和長度,假定。

綜上,結合式(4)~(6)計算,考慮一般建筑樓梯的各種因素(結構形式、尺寸、荷載布置、場地類別等),并考慮相應的構造措施,給出LTZZ橡膠層寬度b的選取表如下:

 

橡膠層寬度選型/mm                           1

樓梯類型

抗震設防烈度

6

70.10g

70.15g

80.20g

80.30g

9

休息平臺四角4框柱型或交叉型樓梯

80

80

80

80

80

80

休息平臺四角2框柱+2梯柱型

80

80

80

80

100

100

休息平臺四角1框柱+3梯柱型

80

80

100

100

120

120

休息平臺四角4梯柱型

80

100

100

120

120

140

注:對于甲、乙類建筑,提高一度確定橡膠層寬度,9度時不再提高。

 

3.3 設計流程示例

某框架結構辦公樓,抗震設防烈度為8(0.20g),場地類別為Ⅱ類,抗震等級為一級。樓梯間結構平面布置圖如圖10所示,建筑面層厚為40mm。

 

10 某辦公樓樓梯結構平面圖

 

1)確定LTZZ的長度L,由圖10可知,L=1540mm。

2)確定橡膠寬度b,由表1b=100mm。另外,層高為3900mm,梯柱高度1950mm,=1950/40=48.75mm,由式(3)可知b=100mm滿足變形要求。

3)確定LTZZ預變形區泡沫高度,由式(4)得:H=d+20=60mm。

即,LTZZ型號為:LTZZ-1540-100-60。

4   結語

樓梯作為地震時人們逃生的唯一通道,大震時保證其結構安全、經受強震和余震的考驗是樓梯結構設計的基本要求。因此,樓梯間結構在進行抗震設計時,其抗震性能目標應高于主體結構,保證其不會先于主體結構破壞而倒塌。

整澆的樓梯結構跨越樓層,建筑使用功能要求較高,傳力途徑復雜,梯板的“斜撐”效應顯著,對框架結構的整體剛度以及樓梯結構構件、樓梯周邊結構構件的承載力影響較大,設計不當可能會導致大震時這一逃生線路中斷,造成大量人員傷亡,這已在汶川地震中得到驗證。

簡單地在梯板與主體結構之間設置滑動支座可能會導致樓梯結構變為主體結構的“子結構”,此時的樓梯結構可能會變為單跨的、鞭梢效應顯著的、強梁弱柱的、延性較差的、大震梯板易翹起的、缺乏概念設計的單體框架結構,大震時存在梯柱先于主體結構破壞、梯板豎向拋起的風險,且破壞形式不可預估(梯板脫落可能會造成連續倒塌),破壞后果十分嚴重。

設置LTZZ的方法,在理論上綜合考慮了以上兩種設計方案的不足,實現了樓梯結構的性能化設計和防倒塌設計,在不改變原有建筑方案的基礎上,使樓梯結構的“安全島”設計理念能夠得以實現。

篇幅有限,詳細內容參見《隔震橡膠支座現澆鋼筋混凝土板式樓梯》(陜14G10)。

 

作者:辛力(中國建筑西北設計研究院有限公司結構技術研究中心)

 

作者: 來源: 發布時間:2015年05月28日
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