汶川地震中板式楼梯破坏分析及抗震措施的研究-24-1.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流汶川地震中板式楼梯破坏分析及抗震措施的研究-24-1.精品文档.汶川地震中板式楼梯破坏分析及抗震措施的研究陈东明 杨德健（天津城市建设学院土木工程系, 300384）摘要：通过汶川地震震害调查，对板式楼梯的破坏形态进行重点研究，分析了建筑楼梯的震害机理。研究表明，在罕遇地震下，板式楼梯应考虑楼板平面内偏心轴力和竖向地震作用的影响。板式楼梯梯段板1/4-3/4跨度范围内应加强受压区配筋，来抵抗偏心轴力及竖向往复荷载下横截面受压区混凝土产生的拉应力，从设计角度提出了楼梯结构抗震设计的改进措施。关键字：汶川地震；板式楼梯；震害；抗震设计；竖向地震力

2、中文分类号： 文献识别码：A文章编号：Analysis of earthquake damage and research of anti-seismic measures on plate stairs in Wenchuan EarthquakeChen DongMing Yang DeJian(Department of Civil Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，300384)Abstract: Through the Wenchuan earthquake damage survey which mainly f

3、ocuses on the analysis of the form of the destruction of plate stairs, damage mechanism of the architecture stairs of the earthquake are analyzed. The research indicates that, under the rarely met earthquake, plate stairs should consider the influence of partiality axis force of in-plane floor and v

4、ertical seismic action. Plate stair section board 1/4-3/4 span should strengthen pressure range reinforcement, to resist eccentric axial force and district the produced tensile stress of concrete in transverse compressed area under vertical reciprocating load, and putting forward stair anti-seismic

5、design improvement measure from the view of design. Keyword: Wenchuan Earthquake; plate stairs; earthquake damage; anti-earthquake design; vertical earthquake force0. 引言 在建筑结构中，现浇钢筋混凝土板式楼梯被大量采用，通常作为独立构件（或结构）设计，主要考虑静力荷载,不考虑地震中偏心轴力和竖向地震力的影响。2008年5月12日，汶川发生里氏8.0级的特大地震，且为震源深度10-20km的浅源地震。震害调查表明，经过正常抗震设计

6、的建筑主体结构，虽然普遍遭受严重破坏，但基本满足大震不倒的设防要求；但一些建筑的楼梯等重要构件却破坏严重，阻断了人们的逃生通道，造成更加严重人身伤亡及损失。以下将就汶川地震中板式楼梯破坏进行分析。1. 楼梯的破坏形式目前楼梯结构设计中板式楼梯居多，楼梯梯段一端起于楼面构件，而另一端支承于层间平台的边梁上。（1）楼梯板的断裂汶川地震震害调查表明，许多建筑楼梯发生了严重破坏，而板式楼梯的断裂破坏较为普遍。其典型破坏形态如图1、图2所示，其中图1为ET型楼梯的破坏，图2为双跑板式楼梯的破坏形态。图1 ET型楼梯实际破坏 图2 双跑板式楼梯的破坏 楼梯作为承受竖向荷载的受力构件，地震中成为人们的重要的

7、逃生通道。在正常使用情况下设计考虑静力荷载作用，楼梯板截面下部配有通长受力钢筋可满足设计要求。在地震力作用下，楼梯作为整个系统的一部分，承担传递水平力作用构成“K”型模型。在“K”型模型中，梯段板平面内受到来自楼板传来的轴力作用，则在楼梯间开洞处，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，楼梯板受到拉、压力，因此，楼梯板未经合理的设计就无法可靠的传递水平力，承载力就会不足。,从破坏形态可以看出地震作用下梯段板在承受拉、压力的同时，在休息平台处会处于偏心受拉、受压状态，进一步加剧板式楼梯的破坏。 一

8、般楼梯设计中，楼梯作为简支构件考虑。在楼梯段配筋设计中，产生负弯矩处仅按构造配筋加以考虑。在罕遇地震下，竖向地震力成为不可忽略一个重要因素。当大震作用下，在ET型板式楼梯休息平台的截面上部未配钢筋，竖向地震力将会使该截面上部产生拉应力，一旦拉应力超过混凝土的抗裂强度，板式楼梯会局部开裂，最终在薄弱处断裂，从图3 ET型楼梯结构施工图4可以看出,休息平台处即为薄弱处。在竖向地震力往复荷载作用下，AT型板式楼梯梯段板横截面上部产生拉应力，如图4 AT型板式楼梯结构施工图3,在跨度1/3-3/4范围内却未配受力钢筋,该处成为薄弱处。对破坏现象与楼梯结构施工图加以比较表明，在板式楼梯梯段板的薄弱处须加

9、强配筋，来抵抗大震下梯段板截面上部产生的拉应力，进而保证楼梯构件的安全，为人们逃生争取更多的时间。图3ET型楼梯结构施工图 图4 双跑板式楼梯结构施工图 (2)休息平台梁的破坏在设计中一般只考虑休息平台梁作为竖向受力构件，类似于竖向支撑支座，除竖向荷载作用外，由于平台梁与梯段板和休息平台板相互连接，平台梁即受弯矩作用又受剪力、扭矩作用，在各种因素的复合作用下，作用应力将会超过结构的材料允许应力，与楼梯井对应的那部分平台梁为薄弱处会提前破坏，如图5平台梁的破坏，应采取构造措施加以补充设计。图5平台梁的破坏图 6楼梯板的计算简图 图7 楼梯板的轴力图分布1 单位：KN2板式楼梯的受力分析结合以上典

10、型事例做出分析，为了对分析有更多正确的判断，结合抗震规范对板式楼梯进行力学分析。（1）考虑楼板轴向力作用采用C30混凝土，保护层厚度为20mm恒载标准值 活载标准值 计算跨度为 梯段板的厚度 在常规设计中，将楼梯看作简支梁来计算，楼梯板的计算简图如图6所示，取1m宽板带进行分析。使用公式： KNm/m经计算，梯段纵向受力钢筋 mm2可采取。当同时考虑地震影响的平面内轴力时，楼梯段变为压弯构件和拉弯构件，这里仅仅验算压弯构件的情况。图7楼梯板的轴力图分布中跨中处压力的标准值是42.4KN/m,压力设计值为359KN/m,这样在M，N的共同作用下，经计算，楼梯段的受力为大偏心受压，且，采用混凝土结

11、构设计规范4，由公式： 即：得到 As=1170mm2,在考虑偏压混凝土构件的承载力mm2大于上文中的905mm2,说明梯段板抗震承载力不足。通过以上计算分析，在正常使用下，不考虑梯段板平面内轴力时梯段板处于安全状态。在地震作用影响下，受力状态处于轴力与弯矩共同作用，梯段板则处于破坏状态，故应对地震中梯段板平面内轴力和弯矩复合作用应加以考虑。 (2）考虑楼梯段竖向地震力作用由楼梯的动力反应知，罕遇地震下竖向地震力使梯段板在横截面上部会产生拉应力，规范中未对梯段板横截面上部弯矩进行配筋，在未配钢筋处会产生脆性断裂提前破坏。结构的竖向地震作用的精确解计算比较繁杂，为简化计算，将竖向地震作用取为重力

12、荷载代表值的百分比直接加载到结构上进行计算。在规范中汶川设计地震分组是第一组，该实例场地类别为三类，则，且，为安全计，取 。一般情况，考虑抗震措施，乙类建筑当抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求5。汶川地处设防烈度为7度，现以设防烈度按8.0度和设防烈度为9度时与在正常设计下的内力进行比较，在设防烈度为8度及9度时，在罕遇地震下取最大地震影响系数分别是5及5。由规范：， 其中： 结构总竖向地震作用标准值； 结构等效总重力荷载 第i质点上的重力荷载代表值；为计算方便，梯段板上的均布荷载用两个质点代替，分别位于1/3和2/3的跨度处。将竖向地震力作用看作瞬时静力加载对双跑

13、板式楼梯进行分析，在实际情况下不考虑活荷载的作用，现将抗震设防烈度为7度，罕遇地震下竖向地震力列于表1。表1 罕遇地震的竖向地震力的计算设防烈度(KN)(KN)(KN)(KN)(KN) (KN)81.20.7812.9612.9612.9610.191.40.9112.9612.96129611.8计算简图如图8所示(取1m板宽带)。图8 板式楼梯段计算简图通过内力分析，分别求出两质点处的弯矩，如图9 恒载作用下弯矩图及如图10设防烈度8度在竖向地震力作用下的弯矩图与图11设防烈度为9度时竖向地震力作用弯矩图所示。 图9恒载作用下弯矩图 图10设防烈度为8度时弯矩图 图11设防烈度为9度时弯矩

14、图 单位：KNm楼板的开裂弯矩:在质点处恒载作用抵抗弯矩为10.37KNm ，与开裂荷载组合值为13.8 KNm,略大于考虑8度设防烈度下竖向地震作用弯矩12.12KNm,小于9度设防烈度竖向地震作用弯矩值为14.16KN/m，楼梯板横截面的上部产生裂缝。在罕遇地震下，梯段板一旦梯段板开裂，刚度变小，进一步加剧了横截面上部的拉应力变大，而上部1/3-3/4范围内未配钢筋，考虑竖向地震力往复作用，在楼梯板薄弱处断裂而破坏。考虑到规范中中的竖向加速度和水平加速度反应谱平均值的比值=0.65,该系数会偏小6，设防烈度大的地区特别要考虑该系数的取值。现在罕遇地震下，取不同的竖向加速度和水平加速度反应谱

15、平均值的比进行内力分析，列于表2。表2 不同的竖向加速度和水平加速度反应谱平均值的比下内力分析设防烈度(KN)(KN)(KN)(KN)(KN) (KN)=(KNm)0.881.20.9612.9612.9612.9612.4414.9391.41.1212.9612.96129614.5217.42181.21.212.9612.9612.96155518.6691.41.412.9612.96129618.1421.77通过内力分析，得到在竖向加速度和水平加速度平均值的比取不同值时弯矩值，与=0.65时进行比较，罕遇地震为8、9度时，值每提高0.15弯矩内力约增大20%25%。楼梯横截面上部

16、产生的拉应力将会进一步加大。而汶川地震震中烈度为11度，竖向地震力作用下的弯矩值会大大超出正常设计下的弯矩值，梯段板开裂，裂缝在竖向地震力往复作用下会进一步加大，直至裂缝贯通整个梯段板横截面而断裂。3. 楼梯抗震设计对策（1）AT型双跑板式楼梯为避免在1/3-1/4范围内提前出断裂而破坏，应配抵抗负弯矩的钢筋，该配筋可与抵抗支座处负弯矩的钢筋（按规范要求取值为下部纵筋1/2，且不小于）通长配置。如图12 AT型楼梯板式楼梯改进配筋图所示，用以抵抗地震时产生的梯段板平面内偏心轴力和平面外竖向地震力作用。图12 AT型楼梯板式楼梯改进配筋图 图13 ET型楼梯改进配筋图（2）ET型板式楼梯楼梯由于

17、受到偏心拉压弯力的复合受力，在中间的休息平台成为薄弱处，在水平地震作用下易先被剪坏，应加大该处的楼梯板厚度来抵抗剪力的作用。在承受竖向地震作用下，休息平台板上部产生的拉应力，当拉应力大于抵抗开裂弯矩时，将出现休息平台断裂的情况。现将梯段板横截面下部纵向受力钢筋伸入休息平台板截面上部，并贯通平台板，来抵抗地震中拉应力，如图13 ET型楼梯改进配筋图所示。（3）板式楼梯平台在地震作用下处于“K”型受力状态，楼梯平台梁跨中受到剪力、扭矩和弯矩复合作用，而设计中一般按简支梁来考虑，未对平台梁跨中的剪力和扭矩予以考虑，故该处成为薄弱点，会提前产生破坏。建议在正常设计的情况下，平台梁跨中箍筋要给予加密。考

18、虑扭矩作用，受扭纵向受力钢筋宜沿界面四周均匀布置，如图14板式楼梯平台梁建议配筋图所示。 图14板式楼梯平台梁建议配筋图4. 结论：（1）为避免在1/3-1/4范围内提前出断裂而破坏，楼梯应配抵抗负弯矩的钢筋。为施工方便，该配筋可与抵抗支座处负弯矩的钢筋通长配置。（2）在考虑地震作用下，ET型楼梯在中间休息平台处受到偏心拉压力的复合受力，成为薄弱处，使楼梯板横截面下部纵向受力钢筋伸入平台板内，并贯通平台板，来抵抗截面上部产生的拉应力，且加大休息平台处的平台板厚度来抵抗剪力的作用。（3）正常设计的情况下，跨中箍筋要给予加密，且考虑扭矩作用，受扭纵向受力钢筋应沿界面四周均匀布置。参考文献1申跃奎 框架结构楼梯的震害分析与设计对策 建筑结构 第19卷第11期 2009.112刘文锋 混凝土结构设计原理 高等教育出版社 2004.123混凝土结构施工图 平面整体表示方法制图规则和构造详图03G101-2（现浇混凝土板式楼梯） 中国建筑标准设计研究所出版 20034建筑抗震设计规范S GB50011-2001(2008)版. 中国建筑工业出版社，20085郭继武 建筑抗震设计（第二版） 中国建筑工业出版社 2006.96贾俊峰 欧进萍 近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征 地震学报 2010.1