楼梯建模对结构设计的影响分析
摘要：本文首先分析了楼梯建模对不同结构的影响，然后具体研究了滑动支座和固定支座楼梯建模对结构的影响，最后阐述了对结构设计的建议。
关键词：楼梯建模；结构；影响
中图分类号： tu318 文献标识码： a 文章编号： 1楼梯建模对不同结构的影响 1.1纯框架结构
框架体系房屋抗侧构件主要为框架柱，因此具有很好的延性，抗震性能很好。次要抗侧构件包括填充墙和楼梯等起到支撑作用的构件，在结构软件计算中，往往采用刚度折减的方法考虑这些次要构件的刚度贡献。这些次要抗侧构件提高了结构的整体刚度，减小结构的水平位移，对结构的安全提供了一些保障，但也容易遭受比较严重的破坏。人们分析了大量的震害调查资料后，认为楼梯在框架结构中参与抵抗水平地震作用，起到楼层间的抗侧移支撑作用，因此在结构整体分析中应考虑楼梯的刚度贡献。楼梯参与抵抗水平地震作用，将分配到一定的水平剪力，仅通过构造措施设计的构件往往不能满足实际的承载能力要求。楼梯分配到多少水平剪力与主体结构的刚度有关，因此，在自身抗侧刚度较弱的框架结构中，楼梯的破坏远甚于自身刚度较大的砖混结构。有斜撑的结构变形特征趋近于剪力墙结构，都表现为弯曲型，而框架结构的变形表现为剪切型，因此根据结构变形特征可以认为楼梯在框架体系中的作用等
同于弱剪力墙。由于剪切型结构的层间位移自上而下逐渐增加，楼梯的破坏程度与层间位移有直接关系，因此楼梯的破坏也是自上而下更加严重。 1.2框架-剪力墙
前面已经提到楼梯分配的地震作用大小与主体结构本身的刚度有关，因此对于有剪力墙作为抗侧构件的结构，楼梯的作用随着剪力墙抗侧刚度的增大而减小。 1.3剪力墙结构
对于剪力墙结构，当梯板支承在两片墙上时，楼梯起到联系两片剪力墙的作用，特别是短肢剪力墙结构，楼梯起到连梁的作用，这种情况下不应当忽略楼梯的作用。 1.4砌体结构
砌体结构延性差，因此在地震作用下结构的变形能力不足，楼梯在这种结构中的斜撑作用不明显。即便砌体结构本身刚度已经很大，但与楼梯有关的震害并不轻，主要表现为楼梯间墙体相比其他部位破坏更严重，甚至整个楼梯间整体倒塌，因此抗震规范对砌体结构楼梯间的构造措施有比较严格的规定，包括加强圈梁、构造柱等措施来防止楼梯间整体倒塌和增强对楼梯间墙体的约束，使楼梯间形成一个完整的结构体系并与主体结构协同工作。 2分析滑动支座和固定支座楼梯建模对结构的影响
在新建筑抗震设计规范中，对混凝土房屋设计明确提出“楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震及其效应的影响，
应进行楼梯构件的抗震承载力验算”。同时，规范又指出“宜采取构造措施减少楼梯构件对主体结构刚度的影响”。这是规范对楼梯设计的两方面要求:1）楼梯的设计要尽可能不参与结构作用，减少对结构的影响;2)楼梯设计时，如果楼梯和主体共同作用的，必须考虑该作用，并采取相应的措施。本文根据规范的要求，简要分析对规范两方面要求的理解，对比目前结构设计中考虑楼梯影响的两个楼梯设计形式:即滑动支座和固定支座楼梯建模对结构的影响，以供大家在实际工作中参考。 2.1模型建立
建立三层框架结构教学楼的pkpm模型，用反应谱法计算两者的结果。工程为一栋三层框架结构教学楼，双跑楼梯位于结构一侧，楼层全部为现浇楼板(见图1)。框柱尺寸为450mm×450mm，楼板和梯板厚度均为100mm，按考虑楼梯和不考虑楼梯进行结构计算。楼梯梁用梁单元建模，楼梯板考虑其斜撑作用采用梁单元更为合理。 图1结构平面布置图
模型1为常见楼梯形式;模型2，将模型1的梯板下端由固接改为滑动铰支座，即在模型中梯板下端板单元与平台梁连接处，释放板单元节点的竖直方向约束(见图2)，在建模时不考虑楼梯对结构的影响(见图3)。基本上等同于以前设计时建模。下面是一些主要计算结果和现象:
1)考虑楼梯参与结构整体受力后，模型1的自振周期减小，同时，对比可以看出模型2在不考虑楼梯时第1振型为基本不扭转的
平动振型，模型1则为附有较大扭转的平动振型。同时，对比模型2，模型1的第2平动振型的扭转系数也有所增大。而且，考虑楼梯影响后模型1的扭转周期比大于0．90，而模型2是小于0．90的，见表1，表2。 表1 模型1计算结果
振型号 周期 转角 平动系数(x=y) 扭转系数 1 0.7177 168.55 0.79 0.21 2 0.6912 77.39 0.91 0.09 3 0.92 157.56 0.11 0. 表2 模型2计算结果
振型号 周期 转角 平动系数(x=y) 扭转系数 1 0.7431 176.67 0.93 0.07 2 0.7170 86.62 1.00 0.00 3 0.660 175.56 0.08 0.92
2)模型1的楼梯板，因受轴向拉压力的影响，在梯段端部的上部钢筋出现较大超筋;同时，楼梯搭接处的框架梁，其箍筋和受扭钢筋也比模型2要增大很多，其中一根框架梁，因扭转严重，出现箍筋超筋现象。
3)对比受力图，模型1的楼梯四周的梁、柱受力均有一定程度变大。同时，更直观反映在配筋上加大很多，特别是休息平台下的楼梯梁和楼梯柱，柱核心区域配筋较模型2变大很多，而且个别梯柱出现箍筋超筋现象。
2.2结论分析
2.2.1楼梯整体建模后，对框架结构的设计来说，主要是结构周期和振型的影响，可能会导致部分结构因为扭转刚度弱，比不考虑楼梯建模时结构扭转效应大，需要对结构的抗扭刚度加强。根据规范“对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则”的要求，本工程设计时加大了楼梯四周侧柱截面才满足设计周期比的要求。
2.2.2采用梯段下端滑动支座建模，由于梯板下端设滑动支座削弱了楼梯间斜撑作用产生的刚度，增加了结构的柔性。减弱了地震对楼梯间各个构件的作用力，增强了楼梯间的局部安全性，进而达到抗震、减震的目的。但是，值得注意的是，采用滑动支座的楼梯，其梯段上端对楼梯在地震作用中的整体性能起着至关重要的作用，一旦楼梯上端出现开裂或破坏，就会导致楼梯的整体破坏，因此必须保证梯段和梯梁连接处节点的牢靠。特别是在框架结构楼梯中的休息平台处，该位置下方梯柱为短柱，平台梁充当梯段的上端支承，必须在设计楼梯中对该位置采取加强措施。框架结构中，在楼梯对结构的周期等影响不大的情况下，采用楼梯梯板与两端的平台梁固结形式，通过对楼梯间四周构件一定程度上的加强，才能满足框架结构在地震时对楼梯的安全性要求。在刚度影响较大的情况下，采用滑动支座的楼梯形式，能有效减少地震对楼梯间各个构件的作用力，实现楼梯间安全岛的目的，但是采用该种做法，楼梯施工时必须保证梯段上节点安全牢靠，下节点滑动。
3对框架主体结构设计的建议
目前，在建筑结构设计中，楼梯构件并没有参与主体框架设计，也没有考虑楼梯对主体结构的影响。现对框架主体结构的设计提出以下几点建议:
3.1楼梯的存在，其对框架结构自振周期、层间位移、层间位移角以及结构的层间剪力等都有影响，在地震作用下，影响更加显著。建议在进行结构设计的同时，考虑楼梯对整体结构的影响。 3.2休息平台处梯梁的设计宜遵循框架梁的设计原则。 3.3楼梯的休息平台板应采用双面双向配筋。
3.4梯段板应该按照偏心受拉构件对其进行计算分析，其钢筋负筋应该拉通，形成双层双向钢筋配置。另外，由第三章对梯段板在地震作用下的受力性能分析可知，底层梯段板所受轴力很大，致使其所需配筋量很大，需要配置较大直径的钢筋。对此，本文建议将下部几层所受轴力比较大、所需配筋量较大的梯段板，在其中间部位断开，将其设置为悬挑形式(一般只需对结构下部几层采用此方法即可)，例如我们将底层按此方法处理，如图4，这样可以避免梯段板因板顶底水平位移差过大而被拉断的情况发生，可以避免楼梯的支撑效应。采用此方法时应适当增加相应层休息平台梯梁箍筋的钢筋用量，以满足其承载力要求。
图4梯段板做悬挑处理示意图 4.结语
目前，对于楼梯楼梯建模结构设计还处于研究发展阶段，还有这样那样的实际问题，我们只有通过大量的工程实例，在实践过程中比较各种结构体系之间的共性和不同的个性，取其优点，才能进一步促进楼梯设计的发展，使其在地震中发挥作用，保证人民的生命和财产安全。 参考文献:
［1］孙喜晶．框架结构楼梯间的抗震设计初步研究［d］．成都:西南交通大学，2010．
［2］焦柯，吴文勇，黄真康，等．楼梯参与结构整体工作的计算分析［j］．广东土木与建筑，2009
［3］全学友，米伟，张智强．汶川地震中楼梯结构的破坏现象及对策［j］．建筑结构，2009，
