鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯間抗震設(shè)計(jì)

1、發(fā)布于 2011-12-05鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯間抗震設(shè)計(jì)總工程師鄧永強(qiáng) 前言汶川大地震被損壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋，其中一個特點(diǎn)是樓梯構(gòu)件的破壞，影響了逃生通道安全，造成人員傷亡。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2008年修訂時增加了結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件影響的要求，并在2010版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中細(xì)化了各項(xiàng)要求。在建設(shè)部對上海的建設(shè)工程質(zhì)量歷年檢查中，09年5個建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，由于計(jì)算中沒有考慮樓梯構(gòu)件的影響，無一例外被提出意見；11年保障性用房（剪力墻結(jié)構(gòu)）檢查被認(rèn)為上海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)不統(tǒng)。綜上所述，有必要認(rèn)真研讀規(guī)范的有關(guān)要求，結(jié)合目前常用軟件的實(shí)際使用情況，提出切實(shí)可行的鋼筋混凝 土結(jié)構(gòu)樓梯

2、間抗震設(shè)計(jì)方法。一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯間震害表現(xiàn)在地震中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的樓梯問題與砌體結(jié)構(gòu)有所不同，砌體結(jié)構(gòu)由于樓梯間整體性不足，地震中墻體破壞或倒塌造成樓梯段支座失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個樓梯間的破壞；而在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中（尤其是框架結(jié)構(gòu)），樓梯的梯板等構(gòu)件具有斜撐的受力狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的剛度及扭轉(zhuǎn)作用有較為明顯的影響，由于支撐效應(yīng)使樓梯 板承受較大的軸向力，地震時樓梯段處于交替的拉彎和壓彎受力狀態(tài)，當(dāng)樓梯段的拉應(yīng)力達(dá)到或超過混凝土 材料的極限抗拉強(qiáng)度時，就會發(fā)生受拉破壞（見圖一、圖二）。而樓梯間的平臺梁，則由于上下梯段的剪刀作用，產(chǎn)生剪切、扭轉(zhuǎn)破壞（見圖三、圖四）。圖一圖二d圖三圖四心二、現(xiàn)行規(guī)范的

3、相關(guān)條款及基本要求1、 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011 2010 ）中相關(guān)條款第366條 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析，應(yīng)符合下列要求：1計(jì)算模型的建立、必要的簡化計(jì)算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。第6.1.8條 框架-抗震墻結(jié)構(gòu)和板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中的抗震墻設(shè)置，宜符合下列要求：2 樓梯間宜設(shè)置抗震墻，但不宜造成較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。第6.1.15條樓梯間應(yīng)符合下列要求：1 宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯。2 對于框架結(jié)構(gòu)，樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則；樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)澆時，應(yīng)計(jì) 入樓梯構(gòu)件對地震作用及其效應(yīng)的影響，應(yīng)進(jìn)行樓梯構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算；宜采取構(gòu)造

4、措施，減少樓梯構(gòu)件 對主體結(jié)構(gòu)剛度的影響。3 樓梯間兩側(cè)填充墻與柱之間應(yīng)加強(qiáng)拉結(jié)。第13.3.4條鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻，尚應(yīng)符合下列要求：5樓梯間和人流通道的圍護(hù)墻，尚應(yīng)采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)。2、 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3 2010 ）中相關(guān)條款第6.1.4、6.1.5、8.1.7條提出了與抗規(guī)基本相同的要求，僅6.1.5條第4款高于抗規(guī)要求。第6.1.5條 抗震設(shè)計(jì)時，砌體填充墻及隔墻應(yīng)具有自身穩(wěn)定性，并應(yīng)符合下列規(guī)定：4 樓梯間采用砌體填充墻時，應(yīng)設(shè)置間距不大于層高且不大于4m的鋼筋混凝土構(gòu)造柱，并應(yīng)采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)。3、現(xiàn)行規(guī)范的基本要求結(jié)合條文說明理解，規(guī)范

5、允許根據(jù)不同的具體結(jié)構(gòu)，判斷樓梯構(gòu)件對整體的可能影響很大或不大，然后區(qū)別 對待，并不要求一律參與整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，但樓梯構(gòu)件自身應(yīng)計(jì)算抗震。現(xiàn)行規(guī)范對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯間抗震設(shè)計(jì)的基本要求可歸納為：是否參與整體抗震計(jì)算，視情況而定；樓 梯構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算；加強(qiáng)樓梯間填充墻與主體結(jié)構(gòu)的拉結(jié)。三、SATWE樓梯參與計(jì)算的應(yīng)用情況1、SATWE樓梯計(jì)算目前在PKPM系列中自動生成的樓梯（2跑生成基本正常），梯柱默認(rèn)采用300 X300，歸為支撐；梯梁默認(rèn)采 用200 X400,歸為框架梁；平臺標(biāo)高框梁默認(rèn)采用250 X500 ,歸為框架梁；斜梯段板默認(rèn)采用120厚，歸為非框架梁。默認(rèn)值在樓梯自動

6、形成后可以修改，易疏忽，且易出錯。構(gòu)件按各自歸類形式提供內(nèi)力、配筋計(jì)算結(jié)果。SATWE使用說明明確，梁正截面受彎承載力按 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010 2010 ）第6.2.106.2.14 條計(jì)算，偏心受拉構(gòu)件的正截面受拉承載力按混凝土規(guī)第6.2.23條計(jì)算。當(dāng)梯板存在拉力時，計(jì)算結(jié)果單獨(dú)給出最大軸力（均為拉力、未見給出壓力），配筋仍按受彎構(gòu)件方式給出支座及跨中等分7個截面的正、負(fù)彎矩計(jì)算結(jié)果。根據(jù)梯板有無軸力或軸力大小對比，似乎已考慮拉力的存在，如何考慮未見交代。2、計(jì)算對比在研讀建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011 2010 ）統(tǒng)一培訓(xùn)教材第九講框架結(jié)構(gòu)樓梯設(shè)計(jì)”及由廣東省建筑設(shè)計(jì)研究

7、院、深圳市廣廈軟件有限公司焦柯等撰寫的樓梯參與結(jié)構(gòu)整體工作的計(jì)算分析對鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)樓梯間抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算、分析、研究的基礎(chǔ)上，考慮單跨、多跨，對稱、偏置，或在樓梯間設(shè)置長短不 等的抗震墻等不同因素組合，建立不同的結(jié)構(gòu)模型，采用08或10版軟件計(jì)算分析對比。其中為較明顯地體現(xiàn)樓梯間的影響，特建立了一個單跨、樓梯偏置的框架結(jié)構(gòu)模型，7開間（開間4m ）、跨度7.5m、6層（層高3.6m ）；恒載5kN/m 2 （樓梯間7 kN/m 2）、活載2kN/m 2 （樓梯間3.5 kN/m 2）、外框梁上線荷 載10 kN/m。按照上海地區(qū)常規(guī)控制參數(shù)分別采用08或10版軟件計(jì)算、不考慮或考慮樓梯構(gòu)件

8、對結(jié)構(gòu)整體的影響，不同版本、不同方式主要控制指標(biāo)變化對比見表一。表一：單跨框架（樓梯偏置）主要控制指標(biāo)變化對比表08版周期1周期2周期3不考 慮1.0884 （ 0.00 + 0.97 +0.03 ）0.8538 （ 0.00 + 0.03 +0.97）0.7153 （1.00 + 0.00 +0.00 ）考慮1.0798 （ 0.00 + 0.94 +0.06 ）0.9101（ 0.00 + 0.06 +0.94）0.7270 （1.00 + 0.00 +0.00 ）相差%-0.796.591.6410版周期1周期2周期3不考 慮0.9524 （ 0.00 + 0.71 +0.29 ）0.8

9、374 （ 0.00 + 0.29 +0.71 ）0.7060 （1.00 + 0.00 +0.00 ）考慮0.8821 （0.00 + 0.99 +0.01 ）0.8126 （ 0.00 + 0.01 +0.99）0.6885 （1.00 + 0.00 +0.00 ）相差%-7.38-2.96-2.4808版X向剪重 比Y向剪重 比X向最大層間位 移角Y向最大層間位 移角X向最大位 移比Y向最大位 移比不考 慮5.804.621/1175 （第 2層）1/503 （第 3層）1.00 （第 1層）1.33 （第 1層）考慮6.486.091/1119 （第 3層）1/417 （第 3 層）1

10、.03 （第 6層）1.27 （第 1層）相差%11.7231.825.0020.623.00-4.5110版X向剪重 比Y向剪重 比X向最大層間位 移角Y向最大層間位 移角X向最大位 移比Y向最大位 移比不考 慮6.615.511/1194 （第 2 層）1/502 （第 3層）1.01 （第 6層）1.40 （第 6層）考慮6.566.401/1241 （第 2層）1/713 （第 2 層）1.03 （第 6層）1.11 （第 2層）相差%-0.7616.15-3.79-29.591.98-20.71該計(jì)算模型不考慮或考慮樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的影響，08版第1標(biāo)準(zhǔn)層柱配筋計(jì)算結(jié)果見圖五、10

11、版第1標(biāo)準(zhǔn)層柱配筋計(jì)算結(jié)果見圖六。對比發(fā)現(xiàn)樓梯構(gòu)件是否參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，不僅影響地震作用效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，也可能由于改變恒載、活載 的傳遞途徑而對相關(guān)構(gòu)件計(jì)算產(chǎn)生影響。對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他區(qū)域荷載小于樓梯間時，不考慮樓梯影響計(jì)算結(jié)果顯示位移比較大，考慮樓梯剛度后剛心與 質(zhì)心的重合程度有所改善，位移比有所減小。對比發(fā)現(xiàn)兩個版本的計(jì)算結(jié)果差異很大， 08版最大位移、最大層間位移底部 3層出現(xiàn)在右端、上部3層出現(xiàn)在 左端，10版最大位移、最大層間位移均出現(xiàn)在左端；是否考慮樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的影響，08版計(jì)算結(jié)果顯示對樓梯間框架柱影響很大，而10版軟件計(jì)算結(jié)果顯示影響不大。說明SATWE目前的樓梯參與計(jì)算實(shí)際

12、效果不夠穩(wěn)定。圖五：08版柱配筋對比Q圖六：10版柱配筋對比<zQ53、合理使用計(jì)算工具抗規(guī)第3.6.1條條文說明：由于地震動的不確定性、地震的破壞作用、結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的各種假定與實(shí)際情況的差異，迄今為止，依據(jù)所規(guī)定的地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算，不論計(jì) 算理論和工具如何發(fā)展，計(jì)算怎樣嚴(yán)格，計(jì)算的結(jié)果總還是一種比較粗略的估計(jì)，過分地追求數(shù)值上的精確 是不必要的。然而，從工程的震害看，這樣的抗震驗(yàn)算是有成效的，不可輕視。由于SATWE目前的樓梯參與計(jì)算情況不夠理想，不能過分依賴。設(shè)計(jì)可在比較合理的基礎(chǔ)上利用計(jì)算軟件，不拘泥于細(xì)節(jié)，不追求過高的計(jì)算精度，強(qiáng)調(diào)按概念設(shè)計(jì)

13、進(jìn)行各種調(diào)整。四、處理方法的建議1樓梯間的布置應(yīng)盡量減少其造成的結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則，樓梯間四角宜設(shè)豎向抗側(cè)力構(gòu)件。盡可能不導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中樓梯布置的概念設(shè)計(jì)基本要求，并應(yīng)注意樓梯構(gòu)件對整體的影響主要表現(xiàn)在沿梯板方向，垂直于梯板方向影響相對較小。樓梯間四角部分不設(shè)豎向構(gòu)件時，豎向荷載、水平地震作用傳遞不直接，更易加劇樓梯影響的復(fù)雜性，應(yīng)盡 可能避免。2、由于樓梯構(gòu)件的影響目前較難準(zhǔn)確計(jì)算，所以盡可能采用規(guī)范允許不參與整體計(jì)算的樓梯形式，梯板滑 動支承于梯梁（板）上或樓梯間沿梯板方向設(shè)置剛度足夠大的抗震墻。a、梯板滑動支承于梯梁（板）上。國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法

14、制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖（現(xiàn)澆混凝土板式樓梯）（11G101 2）中提供了采取抗震構(gòu)造措施、滑動支承于梯梁（板）上的梯板形式ATa、ATb，在此基礎(chǔ)上可考慮當(dāng)建筑面層厚度控制在10mm左右時，允許其覆蓋預(yù)留滑動空隙的表面，以便建筑設(shè)計(jì)人員樂意接受此節(jié)點(diǎn)做法。也 可由設(shè)計(jì)者選用其他能起到有效滑動的材料和節(jié)點(diǎn)做法，參考節(jié)點(diǎn)做法可見圖七。圖七b、樓梯間沿梯板方向設(shè)置剛度足夠大的抗震墻。有下列兩種設(shè)置方式可認(rèn)為滿足剛度足夠大”的要求，參見圖八。逐歲tL_CNk*圖八bl、梯板兩端梯梁支承在同一片抗震墻上研究表明當(dāng)梯板兩端梯梁支承在同一片抗震墻上，不考慮或考慮樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的影響差別不大。在前 述單跨框架

15、模型基礎(chǔ)上，在樓梯間沿梯板方向加設(shè)兩片墻，驗(yàn)算結(jié)果證明此觀點(diǎn)成立，該模型不考慮或考慮 樓梯構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的影響對比見表二。表二：樓梯間設(shè)抗震墻主要控制指標(biāo)變化對比表同片 墻周期1周期2周期3不考 慮0.8359 （ 0.00 + 0.63 +0.37 ）0.6957 （1.00 + 0.00 +0.00 ）0.4511 （0.00 + 0.37 +0.63 ）考慮0.8347 （0.00 + 0.63 +0.37 ）0.6821 （1.00 + 0.00 +0.00 ）0.4415 （ 0.00 + 0.38 +0.62 ）相差%-0.14-1.95-2.13同片 墻X向剪重 比丫向剪重 比X

16、向最大層間位 移角Y向最大層間位 移角X向最大位 移比Y向最大位 移比不考 慮6.624.741/1200 （第 2 層）1/650 （第 3 層）1.12 （第 6層）1.69 （第 1層）考慮6.604.711/1251 （第 2 層）1/651 （第 3 層）1.10 （第 6層）1.70 （第 2層）相差%-0.30-0.63-4.08-0.15-1.790.59在帶抗震墻的式中，要 求梯板 兩端梯 梁支承 在同一 片抗震墻上可墻開洞 來調(diào)整 結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則產(chǎn)生限制。b2、若采用連肢墻時，各墻肢截面高度與厚度之比應(yīng)大于8，長度之和不小于梯段長度和樓梯間進(jìn)深1/2的較大值；連梁跨高比不大

17、于 2。當(dāng)不能做到 梯板兩端梯梁支承在同一片抗震墻上”時，為保證抗震墻有一定長度以體現(xiàn)足夠剛度”，有建議取 梯段長度和樓梯間進(jìn)深 2/3的較大值”但也有意見擔(dān)心樓梯間抗震墻剛度要求太大而影響結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則 性，所以建議取梯段長度和樓梯間進(jìn)深2/3的較小值”當(dāng)取 較大值”時一般均由 樓梯間進(jìn)深2/3”控制，取 較小值”時一般均由 梯段長度”控制。經(jīng)過對樓梯間進(jìn)深 與梯段長度相對關(guān)系的測算分析后， 認(rèn)為長度之和不小于梯段長度和樓梯間進(jìn)深 1/2的較大值能兼顧兩種不同 意見的顧慮，即梯段不是很長時由樓梯間 1/2進(jìn)深控制，梯段較長時由梯段長度控制，詳見附件一。3、樓梯間框架、樓梯構(gòu)件應(yīng)加強(qiáng)抗震措施。

18、a、樓梯間范圍的框架梁、柱及樓梯構(gòu)件，抗震等級應(yīng)提高一級。當(dāng)梯板滑動支承于梯梁（板）上或者樓梯間沿梯板方向設(shè)置剛度足夠大的抗震墻時，整體計(jì)算可以忽略樓梯 構(gòu)件的影響，但不等于消除了影響。即使整體計(jì)算考慮樓梯構(gòu)件的影響，由于計(jì)算手段的限制也未必能如實(shí) 反映真實(shí)情況。而發(fā)生強(qiáng)烈地震時，樓梯是重要的緊急逃生通道，樓梯間（包括樓梯板）的破壞會延誤人員 撤離及救援工作，從而造成嚴(yán)重傷亡，所以有必要將樓梯間范圍的框架梁、柱及樓梯構(gòu)件抗震等級提高。b、 梯柱截面不宜小于 300 X300，不應(yīng)小于250 X250或200 X400 ;柱截面縱向鋼筋一、二級不應(yīng)少于418 ,三、四級不應(yīng)少于416 ;箍筋應(yīng)全

19、高加密，間距不大于100，箍筋直徑不小于10。為提高梯柱的抗倒塌能力，按框架角柱考慮其最小配筋率及箍筋配置方式。c、 梯梁高度不宜小于1/10梁跨；縱筋配置方式應(yīng)按雙向受彎和受扭構(gòu)件考慮，沿截面周邊布置的間距不應(yīng)大 于200 ;箍筋應(yīng)全長加密。梯梁受力復(fù)雜，縱筋配置應(yīng)考慮雙向受彎和受扭的需要，箍筋應(yīng)按受扭箍筋考慮。d、梯板設(shè)計(jì)應(yīng)分別符合國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖（現(xiàn)澆混凝土板式樓梯）（11G101 2）中采取抗震構(gòu)造措施的 ATa、ATb、ATc型梯板要求。ATc型梯板邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋 間距尚不應(yīng)大于梯板配筋間距。ATa、ATb型梯板端部加筋要求為： 一、二級每側(cè)

20、 HRB400 220，三、四級每側(cè) HRB400 216。 ATc型梯板端部邊緣構(gòu)件配筋要求為：一、二級每側(cè)不少于 6 12、6200，三、四級每側(cè)不少于 412、6200 ,縱筋直徑且不小于梯板縱向受力鋼筋的直徑。當(dāng)梯板較厚時，長度相當(dāng)于梯板厚度1.5倍的邊緣構(gòu)件內(nèi)配置4或6根縱筋，可能會少于梯板配筋，所以尚應(yīng)控制縱筋間距不大于梯板縱向受力鋼筋的間距。e、當(dāng)框架結(jié)構(gòu)樓梯間采用砌體填充墻時，除應(yīng)滿足抗規(guī)第 13.3.4條各項(xiàng)要求外，尚應(yīng)設(shè)置間距不大于層 高且不大于4m的鋼筋混凝土構(gòu)造柱?？挂?guī)第13.3.4條提出了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中砌體填充墻應(yīng)符合的各項(xiàng)要求，10版抗規(guī)增加了 樓梯間和人流通道的圍護(hù)墻，尚應(yīng)采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)”的條款，為增強(qiáng)砌體填充墻自身穩(wěn)定性，參照高規(guī)提高鋼筋混凝土構(gòu)造柱的設(shè)置要求。五、當(dāng)規(guī)范編制組或相關(guān)部門提出進(jìn)一步要求，計(jì)算軟件適用性、可操作性更強(qiáng)時，設(shè)計(jì)應(yīng)適時調(diào)整、完善 設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以期更符合規(guī)范的本質(zhì)要求。附件一樓梯間進(jìn)深與梯段長度相對關(guān)系的測算一、兩種建議1、 取梯段長度和樓梯間進(jìn)深 2/3的較大值”，當(dāng)不能做到 梯板兩端梯梁支承在同一片抗震墻上”時，保證抗 震墻有一定長度以體現(xiàn)足夠剛度”。2、 取梯段長度和樓梯間進(jìn)深 2/3的較小值”，擔(dān)心樓梯間抗震墻剛度太大而影響結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性。二、測