楼梯震害（共3篇）
楼梯震害 篇1
1 前 言
“5·12”汶川大地震造成了巨大的财产损失和人员伤亡。很多房屋在地震作用下虽然破坏严重,但仍然屹立不倒,因此,在这样的房屋里,保证逃生通道的安全可靠是首要的。然而在灾区检查房屋震害的过程中,发现作为主要逃生通道的楼梯破坏较为严重,严重威胁到经此逃生的群众的生命安全,同时也不利于震后对房屋内的人员进行紧急救援。在此,主要对楼梯出现的典型破坏形式进行简单的介绍。
2 楼梯的震害情况
汉旺东方汽轮机厂某办公楼底层楼梯(如图1所示),办公楼为框架结构,楼梯设置在办公楼端部,属室外部分。在楼梯第一梯段,梯板出现断裂破坏,断裂位置板底钢筋弯曲变形,钢筋采用一级钢(热轧钢筋HPB 235),钢筋间距目测约200mm,板断裂处,为板上部负筋截断位置。平台板处梯梁在梯井处断开,平台板也明显断裂,梯梁与框架柱相接处,梁亦出现明显破坏。在对中国工商银行绵竹市分行办公楼等多栋房屋楼梯的检查发现,梯段板绝大部分均在板上部负筋断开位置破坏。图2所示的楼梯梯段板断裂并发生错位,板钢筋弯曲,整个楼梯堆积了四周填充墙损坏的砖等非结构构件形成的垃圾。
当整体结构没有出现较严重损坏时,砖混结构中的楼梯在地震中的破坏情况要好于相同地区框架结构的楼梯;而底部为商业上部为住宅的框架结构,楼梯在一层处的破坏较为严重,常见破坏形式为梯板断裂。
3 对楼梯震害的思考
在地震的作用下,板式楼梯的梯板常常出现在施工缝处或距离支座大约1/4板跨处断裂,个人认为是由于在设计中,板式楼梯按照简支的计算模型,认为梯板在支座处无弯矩或者弯矩较小,负筋配置较小,并通常选择在距支座1/4板跨处截断,并且没有充分考虑在地震作用下,梯板上下颠簸,在中间部位会出现负弯矩,在板上部中间位置没有配置相应的受拉钢筋,造成梯段在钢筋突变的薄弱部位破坏。图1所示的楼梯,板底采用了延性较好的一级钢(HPB235),虽然钢筋变形严重,但是有足够的强度和延性使两边的梯板处于连接状态,不至于出现梯板整体垮塌坠落的现象。因此,在楼梯梯板设计中,应考虑采用梯板受力钢筋双层设置,在使钢筋总量不变的情况下,采用钢筋间距较密的方案,并尽量使用延性较好的钢材,避免钢筋脆断造成梯板坠落,造成更大的人员伤亡。
中间平台处梯梁出现的破坏,个人认为是上下梯板在水平地震作用下相互错动,梯梁不足以承受由此产生的剪力造成的。因此,建议梯梁箍筋全长加密配置,并加大梁截面,使梁具有足够的抗剪能力,甚至应在梯井左右范围内对梯梁做更严格的构造措施,保证在地震作用下梯梁不会发生剪切破坏。
梯柱作为传递并承担平台板竖向荷载的受力构件,是较容易满足承载力要求的。大部分工程计算模型认为与梯柱相接的梯梁作为简支计算,由此可能会形成梯梁或平台板梁截面比梯柱截面大很多的情况。在实际工程中,在梁柱节点区还是会有弯矩传递的问题,不可能做成理想的铰接形式,梯柱截面太小,配筋不足,可能很难抵抗梁传来的弯矩,造成梯柱破坏。因此,建议在满足建筑要求的情况下,适当加大梯柱截面。而与楼梯平台梁相连的主体结构的框架柱常会因为降低了柱计算高度而形成短柱,所以,在设计中应对此段框架柱箍筋全长加密,加强抗震措施;或者为了避免在平台靠踏步处设梁,仅在梯梁两端设置梯柱,平台板可由楼梯梯板外伸做悬挑板,这种只限于平台板外挑长度不大的情况下。
在《GB50011-2001建筑抗震设计规范》(2008年版)中增加了“计算中应考虑结构楼梯构件的影响”,从汶川地震的震害情况来看,楼梯对整个结构的影响较明显,而以往的计算因为认识和软件的原因,是不会在整体模型中考虑楼梯构件的,而使我们的设计存在重大的安全隐患。其实楼梯构件具有斜撑的受力状态,一般情况下均会对结构整体刚度有较明显的影响,所以楼梯因为其刚度大,事实上是抗震结构中类似墙、柱、梁的重要的构件。参考广厦建筑结构CAD应用的资料,楼梯对框架结构的整体影响主要表现在:框架本身的刚度较弱,支撑的刚度远大于柱的刚度。并对一栋8层两侧有楼梯间的框架结构分析,此框架平面为矩形,X向长于Y向,楼梯布置在X向两侧,梯板平行于Y向。比较有梯梁梯柱和无梯梁梯柱时楼梯对框架结构的整体影响,有梯梁梯柱时楼梯形成一个更复杂的支撑体系。当楼梯布置越靠近整体结构的侧边时,对结构的扭转刚度和每层边柱的内力影响越大。如下表格所示,经过ETABS和广厦软件在结构模型中建入楼梯模型分析得到:有无梯梁梯柱楼梯,对结构的整体影响不同,但都较大,而有梯梁梯柱时,对框架结构的整体影响更大。
通过比较每层X、Y向位移角,得出结论:楼梯对X向和Y向的刚度都有影响,对Y向框架本身结构刚度较弱的一方影响较大。对二、三层影响最大,层数增加影响逐渐减少。
楼梯对楼梯间角柱的影响主要表现在角柱相对于楼层来说在跨中破坏,计算配筋时不能只计算柱上下端的配筋,有柱间荷载和柱跨中节点时,计算应同梁一样求5个截面配筋。楼梯间角柱首层的情况如下:
楼梯在高层剪力墙结构中对结构的影响主要表现在增加局部刚度。当楼梯梯板整体都支撑在同一片墙时,楼梯的相对刚度是一个小量,楼梯对结构的整体影响较小。当支撑在两片墙时,类似连梁组成一个组合墙,会在地震中产生和普通连梁一样的作用,消耗地震力,因此,对结构的整体影响较大,当支撑在两片更短的剪力墙上的时候,作用就更加明显。
而在砖混结构中,与剪力墙结构的情况相近似,楼梯相对刚度较小,没有对结构的刚度变化造成实质性影响,不会在楼梯间处出现刚度非常集中的情况而吸引较大的地震力。反之,对于底部商铺上部住宅的纯框架结构,因为住宅范围内的填充墙刚度非常大,一层刚度相对小很多,而且在设计计算中并没有考虑上部填充墙对结构刚度单独的影响,相对实际情况的各层刚度,计算是失真的,所以,底层会成为明显的薄弱层,而其中加入的楼梯,对这个基本没有填充墙的框架层带来的刚度影响是非常明显的,如同上文举例分析的一样,楼梯间位置的刚度增加非常明显,吸引了大量的地震力,因此造成了楼梯构件的严重破坏。
4 小 结
楼梯作为房屋结构中的附属部分,通常在设计中不认为其会对房屋主体结构造成实质性的影响,并且在以前很难纳入整体计算,所以常在建筑的整体结构安全中被忽略。但通过地震的教训,在其后的软件分析中发现,楼梯的形式及布置位置,与主体结构的连接方式,均会对主体结构造成不同程度的影响,因此,在结构分析中应考虑楼梯构件的刚度贡献,仅通过构造措施无法保证楼梯及周边构件的安全;而楼梯刚度对框架结构的影响相对于其他的结构形式更大,楼梯周边的构件因为楼梯造成的刚度增加,会承担更多的地震力,主体结构的梯间角柱等均应相应加强措施;楼梯的布置如果过于偏向端部,也会导致楼层的刚心偏心加大,对角柱和边柱的影响较大;在剪力墙结构中,当梯板类似一个连梁连接两片剪力墙特别是端肢剪力墙的时候,楼梯会承受相应的地震力,应该进行结构的空间分析。实际工程中,因为整个楼梯如同一栋建筑一样,有独立的竖向构件,有板,有梁,为了达到练习入门的目的,常常由新参加工作的设计人员进行设计,他们还不能全面理解其在建筑使用及结构安全中的重要性,可能造成在设计中只考虑楼梯构件的受力而没有计入地震带来的对楼梯的以及楼梯对整体结构的不利因素。而楼梯间周围计算中只作为荷载存在的非结构构件的损坏亦会对生命造成严重威胁(如图2所示)。所以,除了考虑楼梯在地震下自身结构的破坏以外,也应该考虑在楼梯间周围采用合适的材料,保证材料不会坠落,或者在坠落时不会危及逃生人群的生命安全。 [ID:5057]
参考文献
[1]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3]混凝土结构构造手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[4]广厦建筑结构CAD应用讲座.抗震规范局部修订的计算问题及处理办法讲座资料[R].
[5]多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
楼梯结构的震害分析和设计建议 篇2
历次的地震灾害表明楼梯间一直都是框架和砌体结构的一个震害集中区, 尤其是今年的汶川地震, 让所有关注它的工程师开始认真思考如何对楼梯的结构设计进行改进, 以期其成为一个救命的安全通道 (“安全岛”) 而不是阻断人们逃生的枷锁。为此本文从以下几个方面进行分析、探讨。
一、楼梯的破坏形式
由于作者没有机会实地接触和考虑地震灾害情况, 仅从公开的照片资料进行分析 (如图汶川地震震害照片) 。作者认为可将楼梯的破坏归类如下: (一) 倒塌破坏, 可分为一种是由于支承结构的倒塌引起, 正所谓“皮之不存, 毛将焉附”;另一种是由于底部楼层楼梯梯板拉断、压碎等自身承载力不足导致楼梯通道被阻断, 失去使用功能。 (二) 严重破坏, 一般是底部楼梯梯板被拉裂或者压碎导致板底钢筋爆出, 或者楼梯平台梁上下梯段柱端、梁端发生剪切、剪弯破坏, 部分节点处发生剪压破坏等, 但是如果此时与主体结构的连接好的话, 不至于倒塌下来。 (三) 中等破坏, 一般明显开裂, 但处于可修水平。设想一个整体结构若无法实现大震不倒的目标而倒塌, 那么附属于其上的楼梯单元要依靠它来支承, 必然发生破坏;或者支承楼梯的局部构件由于承载力不足产生破坏, 也将导致楼梯破坏。正因为如此, 所以首先必须要保证的整体结构的安全, 而整体结构的安全却也不能视楼梯不见, 传统的楼梯设计未考虑抗震设计要求, 可能造成此处破坏先发生, 或者导致支承构件的承载力不足而破坏, 进而影响群众逃生或反作用于整体结构, 危及整体结构的安全。这也正是此次抗震设计规范修改楼梯设计的基本原因。
二、楼梯水平传力体系
要从传力角度分析上述的结构破坏形式, 可以从目前的楼梯结构设计方式所决定的楼梯水平传力体系来看, 首先楼梯结构的竖向传力体系, 一般没问题。而楼梯是如何传递水平力呢?在进深方向上, 一般来说水平力是通过楼板传递给竖向构件的, 那么在楼梯开洞的地方, 要传递的水平力将与楼梯板轴力的水平分量相平衡, 并且由于楼梯板是坡度的缘故, 具有更大的刚度而造成内力的集中, 楼梯实际上起到一个“K”型支撑的作用 (注意) , 因此, 楼梯板若无经过合理的设计而无法可靠的传递水平力, 那么承载力就会不足。而在开间方向, 由于楼梯板与隔墙甚至是剪力墙平行, 直接通过楼梯结构, 也会承担一部分水平力, 此部分内力可大可小, 一般可通过构造措施保证, 但是对于较复杂的楼梯, 则也存在造成破坏的可能 (可参考图汶川地震震害照片) 。
三、楼梯结构概念
之所以提出楼梯结构的概念, 是因为传统的楼梯设计并无具体的结构设计要求, 形式多样, 无完整的结构概念。因此作者认为应该将楼梯设计提升到一个局部结构单元的层次。这个因为: (一) 楼梯间的本身特点决定了此处有大量墙体的存在将集中地震力, 而这个地震力的传递途径在传统的设计理念中并未予以计算和设计, 存在传力途径不清晰的问题, 所以要对楼梯的布置和结构形式做具体要求 (可参考新抗震规范) 。 (二) 楼梯仅承担和传递竖向力, 导致自身和支承构件 (比如外墙) 抗震承载力偏低。将楼梯提升到局部结构单元, 就意味着需要对楼梯进行竖向和水平传力体系设计, 需要将楼梯的水平荷载和抗震承载力定量化, 引入抗震构造措施的具体要求, 同时明确支承构件的抗震设计要求 (可参考新抗震规范) 。 (三) 采用“放”, “缓”, “抗”的设计原则, 根据具体情况化解楼梯子结构与周边整体结构的互相“矛盾”和“依存”关系。
四、结构分析建议
根据上面的分析, 可见在实际设计当中可以有几种简化方法: (一) 以面单元模拟楼梯板, 进行精细的结构计算, 显然这种方法比较精高些但是模型和计算麻烦, 面单元的内力可作为楼梯设计的外力指标; (二) 将楼梯简化为支撑构件的形式在模型中进行计算, 这种方法也比较麻烦而已精度会差一些, 但是提取内力方便; (三) 进一步简化, 与传统设计方法一样, 计算模型中以楼板替代楼梯, 来传递内力, 即忽略楼梯对整体结构的影响, 此时若楼梯布置的对称性较好, 整体指标的结果一般偏安全, 通过提取楼板所传递的内力, 作为楼梯结构的水平外力指标 (尚需放大, 要取典型部位进行分析) , 但是对于楼梯布置不规则, 会对结构动力特性产生产生很大影响的情况, 此法不可。在抗震设计规范没有规定楼梯具体抗震设计分析和计算方法的时候, 可以根据实际情况, 应用上述思路进行设计, 前提是要注重楼梯结构的概念设计。
五、楼梯结构抗震性能化的设计建议
楼梯震害 篇3
2008年至今, 全球多地接连发生强震都给人们的生命财产带来了极大的损失。楼梯是房屋的出入通道和紧急逃生竖向通道, 所以楼梯的震害应引起重视。汶川地震中都江堰市是地震破坏最严重的城市之一。根据对都江堰市的震害统计, 该市各类建筑结构房屋楼梯均有不同程度的的破坏, 且以多层钢筋混凝土框架和砌体结构房屋的楼梯破坏最为严重。通过对震害资料的归纳分析, 本文总结了都江堰市建筑结构房屋的钢筋混凝土楼梯的震害情况, 对该类楼梯的破坏现象和破坏机理作了初步分析, 并对其抗震设计和施工提出一些建议。
1楼梯间震害
地震区的楼梯要具有足够的强度储备, 良好的变形能力和吸收能量的能力, 保证在大震下楼梯不先于建筑物破坏[1]。建筑结构整体设计时, 一般不考虑楼梯梯段及中间休息平台对主体的影响, 楼梯及楼梯柱单独计算, 在这次地震中, 楼梯破坏情况较多, 说明楼梯是建筑结构抗震的重要组成部分。在建筑结构中, 楼梯间的填充墙、楼梯的框架柱或构造柱由于休息平台的约束可能形成短柱;楼梯梁受楼梯板约束形成短梁;受力钢筋、分布钢筋配筋不足, 混凝土强度不够, 使楼梯梯段不满足弯剪抗震的要求, 这些地方都有可能在地震中造成破坏。
1.1 楼梯间墙体的破坏
在建筑结构设计中, 楼梯间的填充墙等非结构构件通常按规范的构造要求来设计。这次地震中, 楼梯间或楼梯口周围, 有些连接较差的非结构构件出现脱落破坏现象, 严重影响了逃生路线的通畅。图 1中框架结构楼梯间填充墙保护层严重脱落;图 2所示框架结构楼梯间底层填充墙体倒塌;图 3中砌体结构楼梯梁直接作用在下面的墙体上, 引起楼梯间承重墙开裂;图 4所示砌体结构楼梯间隔墙开裂。
1.2 楼梯梯段的破坏
图5所示框架结构楼梯梯段采用冷轧扭配筋, 造成楼梯梯段整体坍塌。冷轧扭钢筋为强冷化无明显屈服点钢材, 不适宜在承受动荷载的结构中使用, 特别是在 7度以上抗震设防的地区。《冷轧扭钢筋混凝土构件技术规程》 (JGJ115-1997) 第1.0.2条明确规定:“本规程适用于工业与民用建筑及一般构筑物中不直接承受动力荷载的冷轧扭钢筋混凝土受弯构件的设计与施工”;图6中框架结构楼梯梯段采用冷轧扭配筋, 且分布钢筋间距过大;混凝土中采用大粒径鹅卵石, 造成楼梯梯段中部混凝土脱落, 受力钢筋外露, 部分剪断;图 7所示框架结构混凝土楼梯梯段中部开裂, 混凝土保护层脱落, 部分钢筋外露;图 8所示框架结构楼梯梯段中部混凝土保护层脱落, 部分混凝土酥碎脱落, 受力钢筋外露弯曲变形。
1.3 楼梯柱受休息平台板约束形成短柱破坏
图9为框架结构楼梯柱受休息平台板约束, 形成短柱破坏。楼梯柱顶混凝土酥碎脱落, 钢筋外露, 部分屈曲变形;图10为砌体结构楼梯构造柱受休息平台板约束, 形成短柱破坏的情况。楼梯构造柱混凝土保护层脱落, 钢筋外露。
1.4 楼梯梁受楼梯板约束形成短梁破坏
图11为框架结构楼梯梁受楼梯板约束形成短梁破坏。楼梯梁与上下楼梯板交接处, 混凝土脱落, 部分钢筋外露;图12为砌体结构楼梯梁破坏。楼梯梁中部开裂变形。
1.5 楼梯板与休息平台板连接处断裂
图13为底层框架上部砌体结构, 底层楼梯板与休息平台连接处的破坏。楼梯板与休息平台交接处出现较大裂缝, 且楼梯间墙体开裂。
1.6 室外梁式楼梯破坏
图14为框架结构室外梁式楼梯破坏。该室外楼梯从一楼直通三楼, 楼梯较长, 楼梯梯段中间两处设休息平台。支撑楼梯梯段的楼梯斜梁和伸出的楼梯悬臂梁一交接处混凝土酥碎掉落, 钢筋屈曲变形;楼梯上部休息平台下楼梯梁剪断, 混凝土掉落, 钢筋外露筋屈曲。
由图1～14图可知, 楼梯间是建筑结构的一个薄弱地方。地震发生时, 框架结构楼梯间震害主要为楼梯梯段、楼梯梁、楼梯柱和楼梯填充墙等破坏;砌体结构楼梯间震害主要为楼梯构造柱、楼梯梁、楼梯间墙体、休息平台与楼梯梯段连接处等破坏。
2楼梯抗震设计及施工建议
楼梯与主体结构直接或间接相连, 是房屋的出入通道和紧急逃生通道。建筑结构整体设计时, 一般不考虑楼梯梯段及中间休息平台对主体的影响。这两点决定了对楼梯进行抗震设计的特殊性和重要性。对于钢筋混凝土楼梯, 应严格按国家颁布的抗震规范设计。
对于砌体结构, 楼梯破坏主要来自于与其相连接的墙体破坏。在建筑抗震设计时, 要求楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处[2], 不宜突出, 也不应开设过大的窗洞, 以免将楼层圈梁切断。另外, 不宜采用装配式的楼梯, 已经采用了装配式的楼梯段与平台梁间应有可靠的连结。
对于框架结构, 楼梯梯段受力钢筋要满足抗震计算的要求;分布钢筋要适当加密, 满足抗震构造要求;混凝土中石子粒径级配要合理, 应避免使用光滑鹅卵石, 以满足混凝土强度及与钢筋粘结力的需要;楼梯梁与楼梯梯段连接处要有足够的钢筋锚固长度。在高烈度抗震设防地区, 不应使用不利于承受动荷载的冷轧扭钢筋。胡庆昌等对于框架结构楼梯的抗震设计和构造进行了简要说明[3]。楼梯结构与框架结合形成桁架, 在地震作用下引起很大的侧力, 框架结构楼梯间位于房屋一端将导致偏心扭转作用;框架结构不宜采用折板、折梁, 支承楼梯段的横梁应考虑楼梯段引起的推力和扭矩作用;支承楼梯结构的框架柱由于休息板的约束可能形成短柱, 应满足《建筑抗震设计规范》 (GB 500011-2001) 对于剪压比和体积配箍率要求;楼梯间两侧采用轻质砌体填充墙时, 应设构造柱和水平构造连接筋, 楼梯段不应嵌入填充墙。
施工质量直接影响着钢筋混凝土楼梯间的抗震能力。在建筑结构设计相同的情况下, 仅由于施工质量的优劣, 就会使楼梯间震害的严重程度出现很大的差别。施工时, 应特别注意按照设计图纸上的抗震要求施工;注意原材料的规格和性能的选择;所有的接头、节点和焊接部位等都要实行预检和隐检验收;要切实保证混凝土和砂浆的标号, 并做到振捣密实和灰浆饱满。
3结语
楼层之间的上下交通主要是靠楼梯来解决, 楼梯一般由休息平台、楼梯段和栏杆等部分组成。为了达到稳固、实用的目的, 还应采取必要的措施以达到抗震的效果。本文重点归纳了都江堰市多层框架结构和砌体结构房屋的钢筋混凝土楼梯间的震害情况, 对楼梯的破坏机理作了初步分析, 并对其抗震设计与施工提出了一些建议, 希望对以后的钢筋混凝土楼梯抗震设计及施工提供一点参考。
参考文献
[1]孙培生, 孙培华.钢筋混凝土楼梯设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1999.
[2]GB500011-2001, 建筑抗震设计规范 (2008年局部修订) [S].2001.