建筑楼梯设计改进建议

9.6　建筑楼梯设计改进建议

目前，国内外对楼梯设计的通常做法是先进行静力计算分析，然后将楼梯作为荷载加到主体结构上，对主体结构单独进行抗震计算分析，而没有考虑楼梯与主体结构的相互作用和影响。图9-12所示为一榀典型的框架与楼梯立面，假设在左震作用下，一层的层间位移为Δu₁，二层的层间位移为Δu₂。如图9-13所示，每层的下梯板承受轴向压力，上梯板承受轴向拉力，由于平台梁板的平面外变形以及竖向荷载作用，楼梯板的受力较为复杂；而平台梁和板则为空间受力构件，承受着弯矩、剪力和扭矩的复合作用，受力也非常复杂。在反向地震作用下，每层的下梯板受轴向拉力，上梯板受轴向压力，而平台梁和板同样承受弯矩、剪力和扭矩的复合作用。

图9－13　框架受地震作用后的楼梯变形及受力分析

为节省钢材，目前大多数楼梯板端负弯矩钢筋在1/4～1/3跨位置被切断，部分施工单位还在此留设施工缝，因而造成该部位受力筋数量的突变，成为受拉薄弱部位；而且，由于混凝土的抗拉强度较低，随着地震作用的不断增强，受拉梯板的应力逐渐达到混凝土的抗拉强度，在薄弱部位出现裂缝，一般在梯段下部1/3跨度处，混凝土退出工作，其原来承担的拉力全部由楼梯板的受力钢筋承担，这样，在梯板受拉钢筋内便会产生应力突变。这两种突变作用的叠加，使得受拉钢筋很快进入屈服状态，随着裂缝宽度的加大，钢筋逐渐伸长。在反向地震作用下，原来受拉开裂的梯板混凝土的裂缝逐渐闭合并挤紧，而受拉伸长的钢筋在反向压力作用下则发生屈曲，导致混凝土保护层剥落。随着钢筋受拉应力的增大，钢筋与未开裂梯板混凝土之间的粘结应力也不断增大，当粘结应力达到纵向剪切破坏界限值时，在薄弱部位出现第二条裂缝，一般在每个梯段上部1/3跨度处。一般中等破坏的梯段都有2条与梯段轴向垂直的裂缝，由于裂缝发生的先后顺序不同，破坏程度也不相同。

在2个梯板的往复推拉作用下，楼梯梁和板由于承受弯矩、剪力和扭矩的复合作用，往往楼梯梁在两端和跨中破坏，混凝土酥碎，钢筋笼扭曲变形，梯梁跨中裂缝向梯板延伸成斜裂缝。

由于框架主要发生整体剪切型变形，自下而上随着楼层的增高，框架的层间位移逐渐减小，而层间位移越小，楼梯的破坏程度便越轻，所以楼梯的破坏程度随着楼层的增加而逐渐减轻。

综合上述分析可见，由于层间位移的影响，现浇楼梯在框架中起了K型支撑的作用。当层间位移发生时，一个梯段受拉，另一个梯段受压，楼梯梁受剪；当反向层间位移发生时，受力情况正好相反。这样的反复作用，使得框架结构的楼梯梯板和平台梁板出现了不同程度的损坏。

为了改变这种不利的受力状态对楼梯结构的破坏，下面提出改进的设计建议。

图9-14为普通的楼梯间设计三维透视图，若在休息平台与框架柱相接处，增加2个支撑休息平台的独立小柱，那么这2个附加小柱将把休息平台与框架柱分离，从而避免了框架形成短柱，将减小楼梯与框柱的相互挤压，让楼梯小柱直接生根于楼梯间框架梁上，如图9-15所示。

图9－14　无附加小柱的楼梯间

图9－15　有附加小柱的楼梯间

图9-16(a)、(b)为与图9-15对应的平面详图。从剖面图中可以看出，框架梁上设小柱后把楼梯板与框架柱分开。图9-16(c)、(d)所示为改进后的楼梯板与休息平台的柔性搭接设计方案，该方案避免了整个楼梯间对主结构K形空间支撑的不利影响，将大大减小楼梯各构件的设计内力。

图9－16　楼梯改进设计方案

图(a)、(b)为框梁上设小柱后把楼梯板与框架柱分开的设计方案，图(c)、(d)为楼梯板与休息平台柔性搭接的设计方案

增设附加小柱后，将楼梯与主体结构脱离，在水平方向使楼梯不参与整体结构的共同工作，可有效避免地震作用时楼梯对主体结构的不利影响，并避免楼梯的梯板、梯梁、框架柱的弯剪破坏。在竖向荷载作用下，梯板上荷载传至附加小柱、梯柱与梯梁，附加小柱与原有梯柱把竖向荷载传给楼梯间框架梁，框架梁发生弯曲变形，因楼梯间跨度小，所以总的竖向荷载较小，楼梯间框架梁完全能满足竖向承载要求及挠曲变形的限制要求。

另外，增设附加小柱，改变了楼梯间的整体屈服机制，避免了作为逃生通道的楼梯间在地震时率先出现整体垮塌破坏，特别是避免了与楼梯相连的框架柱形成短柱而发生剪切破坏，使该框架柱不再成为薄弱构件。楼梯间的这种屈服顺序的改变，将大大提高结构的整体抗震安全度。