框架楼梯（精选七篇）
框架楼梯 篇1
关键词：楼梯,滑动支座,SAP2000,框架结构,结构分析
1 引言
在建筑物中,楼梯是重要的竖向交通线路,在地震时,是人群进行疏散的惟一途径。从近来发生的四川汶川地震和青海玉树地震的调查来看,楼梯间内部极易出现破坏,包括梯板的折断,梯柱破坏等。在目前的设计中,普遍采用上部没有拉通的配置方式,而在实际地震作用下,可能实际的受力是斜向支撑的方式,削弱了其在拉弯和压弯的周期循环下的能力。在2010版的抗震规范中,明确要求考虑楼梯构件的影响。而当前在我国工程设计界中,普遍采用的PKPM软件中,不考虑楼梯的斜向支撑作用,而仅考虑楼梯间的荷载传导。在新版板式楼梯图集中,首次引入带滑动支座楼梯的新形式。在以前的设计方案中没有采用过这种新型的楼梯形式。本文使用SAP2000[1]进行建模对比分析了楼梯对整体结构的动力特性和周边构件的影响,得到一些比较有价值的结论。
2 计算模型简介
现有混凝土框架结构酒店式公寓,平面结构图见图1。该结构共10层,首层为5.4m,其余楼梯为3.6m。柱的尺寸为800mm×800mm,主梁截面尺寸为300mm×500mm,次梁截面尺寸为200mm×400mm。恒荷载为5kN/m2,活荷载为2kN/m2,楼板板厚为120mm。楼梯为双跑楼梯,梯梁尺寸为200mm×300mm,梯柱尺寸为200mm×200mm,梯板和平台板的板厚均为100mm。结构梁、板、柱混凝土等级均为C30。
抗震设防烈度8度(0.20g),设计地震分组第一组,场地类别Ⅲ类,阻尼比取0.05。计算模型中梁柱采用梁单元模拟,楼板、梯板和平台板采用薄壳模拟,其SAP2000分析模型见图2。
滑动支座模拟采用10mm短柱,其下端与底部固结,而上部释放双向剪力和双向弯矩,并定义其为单向受压弹簧。
3 楼梯对整体结构的影响
3.1 楼梯对结构整体动力特性的影响
对比楼梯对整体建筑结构的动力特性影响,分别建立3个模型,这3个楼梯第一个不带楼梯,第2个带普通板式楼梯,第三个为带滑动支座楼梯。对这3个模型分别计算,进行动力特性分析。考虑振型的质量参与系数达到90%以上的要求[2],取前六阶振型进行对比分析,具体见表1。
从表1可以得出,普通板式楼梯的结构产生了结构振型出现的次序,当不考虑楼梯对结构的空间刚度的影响时,结构振型产生的次序依次为Y向平动,X向平动,扭转;当考虑楼梯对结构的空间风度影响时,结构振型产生的次序依次为X向平动,Y向平动,扭转;当采用带滑动支座楼梯时,结构振型与不考虑楼梯影响的振型次序相同。以上表明,在增加普通板式楼梯后,楼梯起到了斜向支撑的作用,增加了该方向的刚度作用,使得Y方向刚度超过了X向刚度,表明普通楼梯的存在改变了结构的振动方向,增加了结构在该方向上抗侧移刚度,从而导致结构的自振周期减小,结构中X方向的振动首先会被激发出来。因此,在地震作用下,如果结构出现破坏,班子破坏时,由首先在Y向,变成在X向。
采用带滑动支座楼梯的结构,明显减小了楼梯对整体结构空间刚度的影响,并且没有改变振型的基本变形方向,相对于带普通板式楼梯的结构,有明显改善作用。在设计中,可以按新版规范之前,忽略楼梯梯板的斜向支撑作用。如果采用带滑动支座的混凝土框架结构,可以不用考虑楼梯参与整体结构计算;而如果采用普通板式楼梯,在结构设计中将楼梯加入到整体结构计算是相对有必要的。
3.2 楼梯对结构整体的影响
将上面3个模型,基底剪力和倾覆弯矩做出对比。从表2中可以看出,在无楼梯和带普通楼梯的两种结构对比,带普通楼梯的结构中,楼梯增加了整体结构的空间刚度,地震作用明显增加了,说明了楼梯的斜向梯板起到了支撑的作用,地震作用有了明显的提高。而带滑动支座楼梯的结构大大减小了普通楼梯对整体结构的作用。
3.3 楼梯对结构整体层间位移角的影响
在水平双向地震反应谱法工况下(ax:ay=1:0.85),图3和图4是比较结构3种情况,不带楼梯,带普通楼梯,带滑动支座楼梯的对比情况。从对比可以看出,普通楼梯增加了结构两个方向刚度,而带滑动支座楼梯对整体结构的影响相对较小。
3.4 楼梯对柱子的影响
为了对比这3种情况下结构在多遇地震作用下地震响应的不同,采用振型分解反应谱法来计算结构的地震作用。采用水平双向输入的方式,取楼梯间旁边的柱子的轴力和Y向弯矩、X向弯矩。(见图5~图7)
3.5 梯板在多遇地震作用下受力分析
在传统的框架结构楼梯设计中,板式楼梯的梯板一般仅按照单向受弯构件设计。但是在模型分析中,可以得到梯板作为斜向支撑构件,在地震作用中承受轴力和剪力。以其中的一个楼梯间的楼梯为例,梯板在水平双向地震下的最大受力云图[3]如图8和图9。可以看出在梯板与梯梁连接处应力较大,因此在设计中该处应该加强。而采用带滑动支座的楼梯将剪力,弯矩释放,大大减少了梯板的受力。
4 结论
对于四川汶川地震和青海玉树地震中,大量楼梯发生破坏的现象,本文中对不带楼梯、带普通板式楼梯和带滑动支座楼梯的框架结构,这3种模型进行对比分析,可以得到楼梯设计的一些建议和应该采取的措施。
1)结构进行建模分析时,如果采用普通楼梯,应考虑对整体结构的刚度的影响,其可能导致的整体刚度变大,增大结构扭转等影响效果。
2)通过对带普通楼梯框架结构的楼梯板的建模分析,楼梯板在地震作用、恒活荷载的同时作用下出现拉弯和压弯的交替状态。因此在设计中,框架结构的楼梯宜考虑地震作用,或者直接采用带滑动支座的楼梯,避免其斜向支撑的作用。
3)进一步研究方向,在地震作用下,滑动支座楼梯板存在瞬时脱离滑动支座的可能情况,设计中应考虑该滑动支座楼梯板悬臂的情况,在以后的分析中应该定量分析其具体结果。
参考文献
[1]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2008.
[2]GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].
框架楼梯 篇2
1 对楼梯对于框架结构构件所发生的内力方面的影响进行分析
1.1 分析基本规律
在框架结构当中, 垂直梯板的地震内力有着稍微的变化, 而梯板方向的内力有着非常明显的变化, 会增大框架柱的剪力以及地震轴力, 在结构刚度当中, 楼梯构件的刚度所占比例会决定增加的实际比例。梯板以及框架梁所连的剪力以及弯矩会有着非常明显的增大[1]。
1.2 分析楼梯构件相连的框架梁柱
第一, 框架柱。轴力会在一定程度上增大, 在对两端进行对称布置的过程中大约是4.1倍, 当中部进行集中的布置时大约是4.4倍, 当在一端进行布置时一般为3倍。剪力会在一定程度上增大, 当两端进行对称布置的过程中大约在2.4倍, 当中部进行集中布置时大约在2.8倍左右, 在一端进行实际的布置过程中基本是2倍[1]。
第二, 框架梁。在框架柱以及梯板之间的框架梁段的实际受力和框架与梯板之间的连接平台非常类似, 弯矩会在一定程度上增大, 两端进行对称布置的实际过程当中, 大约是1.5倍, 当中部进行集中布置时一般会在1.55倍, 在一端进行布置的过程中为1.3倍[2]。
2 对楼梯构件的地震内力进行分析
2.1 分析梯板的实际受力
在一定地震的实际作用之下, 这样楼梯的斜板会处在极其复杂的受力状态之下, 应该先是比较明显的轴向的一种受力, 之后会受到竖向的剪力, 除此之外, 在受到压力时存在着非常必要的扭矩以及内弯矩[2]。
2.2 分析平台梁的实际受力
通常来讲, 楼梯的休息平台梁当中一般存在着相对比较大的轴力, 同时有着非常复杂的受力状态。对楼梯进行直接支撑的踏步梁是最复杂的, 一直处于各种复杂的一种受力状态, 在踏步斜板以及框架柱间存在的顺梯会存在着一定的地震效应, 会处在一种受压的状态, 且有着最大的轴力[3]。所以, 在实际设计框架结构楼梯时, 应该对比较复杂的受力状态进行充分的考虑。
2.3 分析平台柱的实际受力
在一定的地震作用之下, 相对比较靠近踏步斜板的短柱会受到双向的受力, 但是相对比较短的就存在着比较小的地震效应。所以, 在实际设计框架楼梯时, 需要对相应的地震效应进行充分考虑[3]。
3 对楼梯与框架梁柱之间的连接方法进行分析
3.1 建立模型
应该对PKPM的主界面进行重新的编排, 保证项目的清晰性, 并保证操作的方便性。对CAD的操作界面进行一定的模仿, 对构件以及菜单的相关信息进行有效以及动态的查询。同时, 对正交轴的对话框进行一定的改进, 能够对不对称的建筑进行有效的定义以及标注, 对轴网进行任意的拼接[4]。运用对话框来定义构件以及对其进行布置, 能够对构件进行一定的排序、检索以及有效的查询。把主梁与次梁保持在同一位置, 保证使用的便捷性。同时, 还应该对计算楼板的功能进行一定的增加, 之后由用户进行一定的选择以及实际的使用。在界面当中应该输入相关的荷载并进行一定的修改, 保持与建模同时实施。
3.2 计算
在相应的简图当中, 应该对节点的核心区域的箍筋面积以及非加密区域的面积进行明确标出, 还应该有效标出竖向分布筋的实际面积。在对相应的参数进行定义的过程中, 应该增加人工定义的系数的相关功能。同时还应该增加分析以及计算位移、温度应力的实际功能。另外, 还应该增加分析验证刚性杆、截面构件以及支撑的相关功能, 加入稳定验算整体框架的实际功能[4]。
3.3 出图
在框架结构当中, 应该对梁竖向强制归并的相关功能进行一定的增加, 保证所有楼层当中的相同位置的梁具有相同的编号。在对梁平法实际施工图进行一定绘制时, 能够操作所有的楼层, 在进行所有的操作之后都能够对具体的结果进行有效的保存而不丢失, 有效支持回退的相关功能[5]。通常来讲, 平法图会对钢筋的表格增加修改, 能够保证快速的录入, 同时还能够对挑梁进行直接修改。增加修改之后能够自动进行保护的功能, 当计算得出的配筋比实际运用的钢筋大时, 应该运用红素进行一定的警示。在对平法的实际施工图进行绘制时, 应该增加修改的相关功能。除此之外, 应该增加楼板剖面绘制的相关功能, 进行实际标注的位置应该在梁边以及梁中, 应该保持钢筋图中与实际的一致性。
3.4 基础
一般来讲, 应该增加平面钢筋的表示法, 应该增加剖面的实际画法, 同时还应该对这些图形进行有效的复制。同时, 还应该增加三维动态的实际显示的功能。对阀板的实际反力进行计算, 同时还应该对裙房以及主体之间存在的反力差异进行充分考虑[5]。在梁元法计算当中应该对相应的刚度进行增加, 同时还应该对计算沉降的相关功能进行充分考虑。解决桩基的相关计算问题时, 应该保证结构的合理性以及明确性。
3.5 钢结构
对快速的二维建模进行一定的改进, 增加一些相应的参数, 能够根据截面的实际构件定义来对规范进行验算, 能够充分考虑稳定系数所产生的实际影响, 能够对相对比较优化的结果进行一定的导入。对截面优化程序进行有效的改进, 能够优化全部的二维建模的实际钢结构, 对最终输出的计算结果进行一定改进。同时, 三维模型数据能够严格按照优化的实际结果来实现及时更新, 有效统计以及报价实际的用钢量, 能够绘制相应的布置图。除此之外, 分析框架节点的设计以及相应的修改:在不存在充足的承载地震的能力时, 应该提供增强节点的相关方法, 能够对加强节点之后的施工图进行有效的绘制[5]。对于将底层作为框架的相关结构, 能够整体设计相应的节点, 连接下部框架时应该严格根据框架的实际方式进行一定的设计, 梁柱之间的连接以及梁梁之间的连接应该严格按照门式钢架节点来进行一定的设计。实际的施工图应该按照设计院的设计图, 进而给出全新的归并节点的方法, 会在很大程度上降低图纸的实际用量。相对比较复杂的空间建模以及分析的相关程序, 能够组成构件, 根据支撑作用的塔架, 在软件当中应该增加优化应力的相关选项。
4 结束语
综上所述, 楼梯间的实际位置会严重影响主体结构的实际刚度以及内力的实际分布, 在设计结构时, 应该充分考虑楼梯间位置可能带来的所有不利的影响。在相对比较普通的钢筋混凝土框架结构当总, 在楼梯间应该在结构外围进行有效的布置, 尽量降低整体结构所发生的扭转效应, 然而, 在楼梯间不能够在结构的最边跨进行一定的布置, 需要在内一跨进行有效的布置。在靠近结构中部的那些楼梯间, 在进行实际的设计过程当中应该对所发生的扭转效应进行充分考虑。
摘要：计算以及分析楼梯构件之后, 框架结构当中所具有的相关技术指标都存在着非常明显的变化, 这样的变化和楼梯构件的实际数量、实际的布置与结构的刚度等各种因素有着非常密切的联系。在地震的相关作用之下, 楼梯的构件的实际受力极其的复杂, 在进行实际的设计时应该充分考虑。在本文中, 简单分析了楼梯对框架结构产生的内力方面的影响以及楼梯构件的地震内力, 并详细描述了框架结构当中楼梯与框架梁柱的实际连接方法。
关键词：框架结构,楼梯,框架梁柱,连接方法,地震内力,内力影响
参考文献
[1]应亚君.框架结构中楼梯与框架梁柱的连接方法研究[J].城市建设, 2013, 23∶224.
[2]任域.楼梯系统对于框架抗震性能的影响[J].福建建筑, 2009, 03∶302.
[3]贾青霞, 张煜.浅谈结构楼梯间与楼梯的震害[J].黑龙江科技信息, 2013, 13∶101-102.
[4]吴勇, 王周玲.框架结构中板式楼梯震害分析及对策探讨[J].建筑技术, 2010, 06∶48-49.
楼梯对框架结构计算模型的影响 篇3
在以往工程设计中, 在对结构计算模型输入时, 由于模型输入的条件所限楼梯构件经常被忽略。结构工程师通常将楼梯荷载换算成楼面荷载, 将板厚改为零后同普通楼板一样输入计算模型, 然后对楼梯构件单独取出独立计算, 未考虑楼梯与整体结构的共同作用。这样的计算处理方式实际上是与《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 (2008版) 第3.6.6.1条规定:“计算模型的建立、必要的简化计算与处理, 应符合结构的实际工作状况;计算中应考虑楼梯构件的影响”相违背的。其条文说明中指出:“考虑到楼梯的梯板具有斜撑的受力状态, 对结构的整体刚度有较明显的影响, 建议在结构计算之中予以适当考虑。”
应该说2008年的汶川地震对我们做结构的工程师来说应该有极深的警示与启发, 尤其是在地震中大量的楼梯构件的破坏, 更加应该引起我们的注意。楼梯是重要的逃生通道, 楼梯构件的破坏将意味着生命线的终结。作为结构工程师, 我们有责任从灾难中总结经验教训, 并及时的应用到未来的设计中。
本文中将结合工程实例, 比较与讨论楼梯构件按照简化方法 (常规做法) 与斜梁模型输入法对结构整体计算产生的影响, 以及在设计中对楼梯构件及与其相连的结构构件应该采取的加强构造措施。
2 工程简介
工程名称:某电器厂办公楼
工程概况:结构地上五层, 框架结构, 抗震设防烈度7度 (0.10g) , 抗震设防丙类, 基础埋深2.1m, 结构高度21.7m
计算软件:PKPM (08) SATWE (结构空间有限元分析设计软件)
3 结构建模计算与结果分析
3.1 结构建模
结构整体建模同常规方式建模, 这里详细介绍楼梯构件的模型建立。
3.1.1 斜梁模型
楼梯构件按斜梁模型——梯板按斜梁建模, 截面尺寸与梯板实际尺寸一致, 平台梁按层间梁输入, 梁上荷载按楼梯荷载换算得到。
3.1.2 简化模型 (常规输入法)
楼梯间内板厚输为零, 楼梯荷载换算成楼板荷载输入到梯间内。
3.2 结构计算结果分析
3.2.1 基底剪力 (表1) 。
3.2.2 周期 (表2) 。
3.2.3 地震作用下梯板内力。
从地震力计算结果看, 梯板轴力不可忽略。在地震的反复作用下, 梯板交替成为拉弯、压弯构件, 我们通常按平板设计的方法没有涵盖梯板的最不利受力状态, 可能存在安全隐患。
小结
从上诉计算结果看:楼梯构件对结构刚度有一定贡献, 对框架结构的影响较大;由于楼梯构件对结构刚度的贡献, 结构在地震作用下将受到更大的地震力, 内力计算与配筋时宜考虑到这方面的影响;楼梯间在平面布置上的不对称, 造成结构刚度平面分布不均匀, 扭转效应增大, 设计时宜考虑楼梯间对扭转的影响;框架结构的梯板在地震作用下产生轴力较大, 在地震反复作用下, 梯板交替处于拉弯、压弯状态, 建议在梯板设计时考虑水平荷载作用产生的轴力影响。
对与梯板相连的平台梁、平台板构件宜加强构造要求。在5.12地震中由于梯板的拉力, 部分平台梁与平台板脱离, 还要注意平台梁的剪扭破坏。对于框架结构, 楼梯间框架柱宜形成框架短柱;有些休息平台梁是从柱中挑出的, 应加强梁柱节点的构造要求。
本文仅考虑了几种简单楼梯平面布置的情况, 供结构设计人员参考, 并希望与广大设计工作者进一步交流经验。
摘要：《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 (2008版) 第3.6.6.1条规定:计算模型的建立、必要的简化计算与处理, 应符合结构的实际工作状况;计算中应考虑楼梯构件的影响。在其条文说明中指出:考虑到楼梯的梯板具有斜撑的受力状态, 对结构的整体刚度有较明显的影响, 建议在结构计算之中予以适当考虑。为保证结构设计的安全, 能够抵御地震灾害的不利影响, 通过工程实例计算分析比较。总结出楼梯构件在地震作用下对结构产生的影响, 以及在结构设计中应该采取的措施。
框架结构中楼梯的抗震设计分析 篇4
在汶川大地震中,许多建筑的楼梯未能发挥其作为灾难中逃生通道的重要作用。在地震中首先发生扭转、剪拉等破坏。特别是框架结构的楼梯在地震中损毁严重,造成重大的人员伤亡和财产损失[1]。
我国新修订的GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[2]中,第3.6.6的1条规定:计算模型的建立,必要的简化计算与处理,应复核结构的实际工作情况,计算中应考虑楼梯构件的影响。在《条文说明》中提出:地震中楼梯的楼板具有斜撑的受力状态。
框架结构属于柔性结构,地震中变形较大。楼梯构件作为K形斜撑[3],提高了框架结构的整体刚度。同时,由于楼梯间的局部刚度较大,使结构吸收了过多的地震能,容易首先发生破坏。且在考虑楼梯的抗震设计中,由于其刚度较大,梯板配筋及截面尺寸也相应增大,从而造成楼梯间的局部刚度继续增大[4]。主要原因是因为楼梯板与平台梁及平台板的刚接,使得水平地震作用下产生较大轴力;同时作为斜撑的楼板使得连接处的平台梁产生弯、剪、扭的复杂受力状态。如果消除楼梯板的斜撑作用,使其成为单纯的受弯构件,则可降低楼梯间局部刚度,使楼梯构件在地震中不会过早的破坏。
1 结构模型的建立
本工程采用五层框架模型,抗震设防烈度为7度第一组,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为Ⅱ类,框架抗震等级为二级,计算振型个数为15,地震影响系数最大值为0.12。首层层高4.5 m,其他层层高为3.3 m。柱子截面为0.5 m×0.5 m,梁截面X方向为0.5 m×0.7 m,Y方向为0.4 m×0.5 m。框架结构平面图见图1。为了方便对比,采用PKPM程序分别建立不考虑楼梯建模以及楼梯滑动连接、铰接和刚接的四种计算模型,楼梯构造如图2所示[5]。
2 小震下结构模型的反应谱分析
对不考虑楼梯建模以及楼梯滑动连接、铰接和刚接四种模型分别进行小震下的结构地震反应谱分析,对结构前三阶自振周期以及最大水平位移、层间位移角等进行对比分析,分析结果见表1。
由表1计算结果显示,楼梯参与整体建模对框架结构周期影响较大。其中,楼梯铰接时第一振型周期减小6.42%,楼梯刚接时第一振型周期减小10.35%。且考虑楼梯建模后,结构的第二、第三自振周期发生变化,结构扭转加剧。主要原因是楼梯的加入使得结构刚心与质心不对称,容易形成水平方向的刚度突变,造成扭转。
结构的最大水平位移和层间位移角随着楼梯滑动连接、铰接、刚接,依次减小,说明楼梯对结构水平位移的影响依次增大。楼梯参与整体建模后,使得结构自振周期减小,刚度增大,地震中将吸收更多的地震能,最大地震作用力增大。同时,随着结构刚度的增大,结构的层间位移以及最大水平位移角均减小。
3 中震下结构模型的反应谱分析
我国GB 50011-2010 建筑抗震设计规范中给出了结构中震条件下的地震影响系数最大值,7度(0.10g)时为0.23。模型按照中震不屈服设计,框架设计等级调整为一级。中震反应谱分析结果见表2。
中震条件下,结构的最大水平位移和层间位移角显著增大。结构的最大水平位移和层间位移角在Y方向时楼梯滑动连接与无楼梯模型的值接近,主要是因为楼梯滑动连接时楼梯构件不形成斜撑的受力状态,允许相对位移的出现,使得结构变形一致。
4 大震下结构模型的分析
大震作用下,结构的部分构件进入弹塑性变形状态,并陆续出现塑性铰。本文分别采用弹塑性动力时程分析法以及弹塑性静力分析法(Push-over分析法)来研究结构不同模型在大震下的受力及变形情况。大震反应谱分析结果见表3。
通过表3可以看出,楼梯刚接时结构性能点的基底剪力最大,最大水平位移和层间位移角最小。主要是因为楼梯刚接使得结构刚度增大。通过对结构大震下的弹塑性变形分析,得出结构塑性铰首先出现在楼梯梯板构件中,以及梯梁、楼梯间柱上下节点处,表明楼梯构件先于其他构件达到塑性,而且当楼梯刚接时这种趋势最明显,当楼梯滑动连接和铰接时,结构整体塑性铰的出现时间推迟,数量减少,且楼梯与其他构件塑性铰出现时间较接近,说明楼梯滑动连接和铰接时,结构整体变形趋于一致,有利于对楼梯构件的保护。
5 结语
1)结构抗震设计时,不能忽略框架结构中楼梯的作用。楼梯参与整体建模后,结构的自振周期减小,最大水平位移和层间位移减小,刚度增大,最大地震反应力增大。
2)由于楼梯的存在,造成结构水平方向刚度突变,使结构扭转变形加剧。
3)楼梯采用滑动连接和铰接方式连接,相对于楼梯刚接,可以有效降低结构的刚度,减少地震中楼梯构件的破坏。
4)在弹塑性阶段,塑性铰首先出现在楼梯构件中,所以应该采取设计和构造措施予以加强。
参考文献
[1]陈东明,杨德健.汶川地震中板式楼梯的破坏分析及抗震措施[J].天津城市建设学院学报,2011,17(2):68-100.
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
[3]冷雪睿.板式楼梯抗震分析[J].价值工程,2011,18(12):67-68.
[4]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.
框架楼梯 篇5
板式楼梯是框架结构中最常用的楼梯结构形式, 而框架结构是目前最常用的建筑结构形式, 照此逻辑可以证明:对框架结构中的板式楼梯进行抗震性能的研究, 很具有普遍性与代表性。
在目前的框架结构建筑中, 楼梯的破坏形式主要可归纳出以下5种:
1.1 梯板破坏
如果楼梯梯板在施工过程中的施工缝大小与长度留置不恰当、施工缝中存留较多尘渣等, 会导致新旧混凝土的粘合性降低, 在遭到地震等强大外力作用时, 楼梯梯板就很容易发生断裂, 其断裂位置一般分布在距离支座的1/3处、施工缝边缘、装修层、沿梯板长度的方向等部位。另外, 除了外力因素的影响, 如果在楼梯梯板施工进行配筋设计时, 没有充分考虑到它所能承受的最大拉力进行合理分配, 也是造成梯板断裂的最主要原因之一。
1.2 梯间小柱破坏
基于抗震性的考虑, 一般在楼梯设计中, 不建议采用砖砌体来支承楼梯平台梁。目前一般做法是在钢筋混凝土框架梁设小柱, 小柱顶两个方向设梁。受建筑平面限制, 梯间小柱截面多为200mm×200mm或250mm×250mm, 纵筋一般配Φ14或Φ16, 在地震中楼梯间小柱大量出现柱头破损, 梯梁纵筋被拔出的情况。
1.3 梯间框架柱剪切破坏
现在的板式楼梯设计中, 在半层处的平台通常是通过平台梁及平台板来与框架柱进行连接。如果楼板刚性假定, 它所分得的地震减力约是其他柱的8位, 这就很容易导致楼梯间的框架柱在强地震作用下发生严重的剪切破坏。
1.4 楼梯平台板和平台梁的破坏
如今我们在对建筑楼梯平台梁以及平台板进行设计施工的过程中, 一般都是采用按受弯计算的方法来对其进行处理, 这就使得楼梯平台梁板在使用的过程中受到的推力比较小, 使其可以安全的使用。但是在地震的作用下, 楼梯梁板在使用过程中, 受到的轴力就比较大, 而且由于楼梯平台梁板结构在建筑工程中其宽度一般在200~250mm之间, 因此使得平面梁板的抗弯和抗剪切能力比较低, 从而导致在建筑结构楼板平台梁板结构在使用的过程中, 受到比较严重的破坏。
1.5 楼梯间填充墙破坏
梯板的斜向放置、梯间小柱无法延伸到上层的梁底、填充墙结构不合理等一系列原因, 都会导致楼梯间填充墙的破坏程度远大于他墙面的破坏程度, 在地震时势必会造成大量的人员伤亡与财物损失。
2 板式楼梯震害的对策建议
板式楼梯在地震当中是极容易受到破坏的建筑结构, 而如果在其施工中又没有对楼梯的抗震性进行深入分析与合理设计, 会使得整个楼梯的抗震性能更差, 从而给地震中的人们逃生造成大的阻碍与困扰。基于上述种种原因, 楼梯的抗震性能设计一定要得到有关单位和个人的高度重视, 最大程度的降低板式楼梯的震害。
2.1 材料选择
混凝土与钢筋是板式楼梯最重要的两个基础施工材料, 在实际施工过程当中, 一定要多方参考, 选择最合适的混凝土与钢筋, 为之后的工程施工打下基础。具体的选择原则是:混凝土一定要易于振捣, 级配要合理;钢筋要选择延展性好、级配合理的HRB335级钢筋和HRB400级钢筋, 禁止使用不利于提高延展性的冷轧扭钢筋。
2.2 施工对策
施工现场一定要加强管理, 拟定合理的施工方案, 严格遵守施工要求, 进行混凝土的浇筑振捣和养护工作, 提高混凝土的施工质量。施工中最需要注意的地方就是处理好施工缝的问题, 防止出现夹渣等情况;施工缝尽可能的留在楼层平台板内, 因为相较于其他地方而言, 平台板有四边支承板, 安全储备更大更可靠。
2.3 设计对策
计算框架主体结构配筋率时, 将梯板纳入考虑范围, 通过计算分析进而得出结果, 最后在计算所得的结果上加大配筋。主体结构计算时, 由于考虑进了梯板的斜撑作用, 所以结构的整体性能会发生一定的改变, 其中改变最为突出的是楼梯梯板以及框架柱, 两者的受力情况会与先前截然不同。为此, 在设计时应该尽量选择适当、可行的计算软件, 科学准确的对结构以及楼梯的受力情况进行分析, 并根据计算分析结果来适当加大框架结构内部构件的配筋。
切断梯板与框架柱的联系, 在框架梁上做独立小柱支撑楼梯板。上条所列方法可简单归纳为“抗”, 即采用合适的断面与配筋来抵, 抗地震作用;另外还可以采用“放”, 即将半层平台与柱的联系切断, 在框架梁靠近框架柱的部位另设独立小柱来支撑梯板。今后在梯板设计中, 应按拉弯构件设计, 梯板负筋应全部拉通, 而不能按现行构造手册所示的负筋长度按1/4板跨截断。
结合当前实际, 对现有楼梯进行改造。鉴于原有楼梯在设计和建造时大多是参考相关混凝土结构构造手册来实施的, 所以建造所采用的梯板额配筋方式多遵循单向板配筋原则, 进而使得梯板在地震水平剪切力的作用下, 不得不负责承担过大的轴力。然而由于梯板所受的水平地震剪切力并没有在施工图纸中反映出来, 所以导致梯板在实际安装和使用时因受到拉力而结构发生损坏。对于这类问题, 改造时应该从梯板的配筋率入手, 将传统的单向配筋方式改变成负筋贯通整个梯板, 且负责承担梯板所受剪切力与轴力的新的配筋方式
3 结语
综上所述, 在建筑工程的施工设计中, 必须要充分考虑到板式楼梯的抗震性, 以提高建筑的整体抗震性。要求在施工中需要做好楼梯的受力分析, 从材料选择开始抓起, 提高施工技术水平, 完善施工设计方案, 严格遵守建筑抗震设计中的相关规定, 保证建筑在遭受地震灾害时能够尽可能的降低楼梯的损害, 为建筑内人员提供可靠的逃生通道。
参考文献
[1]申跃奎, 张涛, 王威.框架结构楼梯的震害分析与设计对策[J].建筑结构, 2009 (11) .
[2]刘春梅.楼梯震害分析及设计建议[J].科技信息, 2010 (35) .
框架楼梯 篇6
关键词：高层建筑,框架结构,楼梯与框架梁柱,连接施工工法
高层建筑框架结构中的楼梯部分常常会发生如梯板断裂、梯梁剪断等质量问题, 本文主要采取等效刚度的手段来强化楼梯抵抗侧面刚度, 整体结构模型可利用斜杆来充分考虑楼梯的抗侧向荷载, 从而获取在地震荷载作用线梯板与框架梁柱之间的附加应力, 楼梯与框架梁柱之间的连接效果也得到了加强。
1“海粤名庭”高层建筑楼梯对框架梁柱构件的内力影响
1.1 基本原理
在“海粤名庭”高层建筑结构中作用于梯板的竖向地震荷载会发生略微变化, 顺梯板方向也有较为显著的变化。连接梯板的框架梁柱构件所承受的地震轴力和剪切应力逐步增大, 楼梯的刚度占有结构整体刚度的比例也随之增大, 而框架梁构件和梯板连接部位的弯矩和剪切应力也会显著增大, 另一端所受承载应力则会减小。非楼梯部位梁柱构件的地震荷载会根据楼梯井结构分布是否对称有所不同, 楼梯井对称分布其楼梯刚度占有结构整体刚度的比例越大, 其地震荷载较小的趋势就明显, 而非对称分布则会出现无楼梯段梁柱构件弯矩增大, 楼梯刚度占有整体结构刚度的比例越大, 则地震荷载增大的趋势越明显。
1.2 楼梯连接框架梁柱构件———以三跨标准模型作为研究对象
⑴框架柱构件的轴向应力增大, 柱两端对称分布约为4.1倍、中间集中分布约为4.4倍, 而一端分布约为3.1倍。框架柱构件的剪切应力也会增大, 柱两端对称分布约为2.4倍、中间集中分布约为2.8倍, 而一端分布约为1.0倍。
⑵框架梁柱构件沿着梯板方向延伸至框架梁段, 所承受荷载与连接梯板、框架平台梁的方式类似, 梁构件的端部受到弯矩荷载增大, 梁两端对称分布约为1.55倍、中间集中分布约为1.5~1.6倍, 而一端分布约为1.25倍。
1.3 梯板构件的荷载作用
在地震荷载的作用下, 楼梯的斜板处于一种较为复杂的受力环境中, 首先我们应该了解它的轴向会受到明显的荷载作用, 然后在竖向也会受到剪切荷载。除此以外, 处于受压状态下梯板构件不可忽视的问题还有存在面内的弯矩作用的扭矩作用。
1.4 框架平台梁的荷载作用
楼梯的框架平台梁所受荷载较为常见的有轴力作用, 且该荷载受力状态较为复杂, 特别是直接起到撑起踏步梁LTL1最为关键, 常常处于一种拉、弯、剪综合受力的情况, 而沿着楼梯方向的踏步梁LTL3处于框架柱构件与踏步斜板中间, 直接将地震效应传递使得LTL3一直受压且轴力达到最大状态。也就是说, 框架楼梯在其结构设计方面, 应该给予足够的估计和充分的考虑, 尤其是楼梯平台梁的综合受力状态。
1.5 平台柱的荷载作用
在地震荷载作用下, 临近踏步斜板的短柱构件 (LTZ1和LTZ2) 往往处于一种双向偏压或偏拉状态 (如图1所示) , LTZ3临近踏步最远且地震效应最小。也就是说, 高层建筑框架楼梯结构设计应该充分考虑到LTZ1和LTZ2的地震效应。
2 楼梯与框架梁柱连接构造的设计建议
“海粤名庭”高层建筑楼梯主要采用现浇钢筋混凝土结构。对于框架和砌体结构而言, 其整体性相对较差, 不管是设计还是施工都应该采取一定的加强措施, 主要以构造手段来降低楼梯板构件对整体结构侧向刚度的影响。具体的构造措施如图2所示。
将楼梯平台构件和主体结构断开或者将楼梯段板构件的线段设置永久的滑动支座来脱开平台板和主体结构的水平荷载传送, 在PKPM建模系统中可不予考虑以上参与的共同作用。而如抗震墙等大刚度构件在楼梯四周形成抗震墙和连梁围护时, 设计计算可不予考虑楼梯的其他影响。那么, 在采用构造手段保证楼梯和相应抗震墙的端柱安全时所能采取的构造措施包括如下内容:
⑴密筋板构件的顶部通长钢筋抗震墙端柱箍筋加密;
⑵楼梯对于建筑主体结构的影响主要集中在底部, 要特别强调楼梯底部的抗震构造手段;
⑶没有地下结构时, 楼梯在底层结构中直接借助于孤梁支撑, 这种做法无法保证孤梁能够承受梯板传递的水平荷载, 此法尽量避免。如条件所限必须采取此法, 应该增大孤梁平面内的钢筋数量和箍筋加密;
⑷设置楼梯应该尽量形成短柱形式, 其箍筋除了能够满足基本的设计计算以外, 应对抗震等级设计提升一级标准;
⑸楼梯柱构件的横截面积需满足框架柱构件的最小截面面积, 不得低于300mm×300mm, 如有条件限制也应保证柱构件的一边不宜小于200mm, 而另一边相应的应该增大长度, 通常以200mm×450mm居多。与此同时, 楼梯柱构件的箍筋应实现全高加密;
⑹楼梯柱构件需严格根据框架柱构件的设计要求展开工作;
⑺楼梯井四边均有抗震墙和连梁围护, 楼梯需要与抗震墙同步浇筑成型。
3 框架结构中楼梯与框架梁柱的连接施工工法
3.1 建模工序
基于PKPM软件, 以模仿Auto CAD操作界面可实现动态查询功能。通过改变正交轴网可定义和标注上、下开间不完全对称建筑结构, 也可实现轴网的任意拼接。采取对话框手段又可以定义边的分布、构件的排序、构件的检索和构件的查询。抬高上节点的标高, 根据斜率批量输入斜梁, 次梁和层间梁的分布可提前至同主梁同位置分布。同时, 增加了自动计算楼板自重的功能, 可由操作者自由选择, 梁构件、柱构件、墙体、施工节点和次梁荷载的输入及修改均可移至建模同步实现。
3.2 设计计算
配筋图设计可由PKPM软件标识出非加密段的箍筋面积和施工节点核心工作区的箍筋面积, 同时又增加了关于梁构件和节点位置的特殊风力荷载、温度应力、支座位移和弹性支座的计算功能, 这也为设计计算加强改进了水平风力荷载、多塔荷载、变截面受力变化、钢管混凝土截面构件、刚性构件、水平支撑杆件和柱间支撑体系的验算功能。
3.3 设计出图
钢筋平法图增加了钢筋的表格改进模式, 可快速实现拷贝录入过程, 同时也可直接实现对挑梁的设计改进。增加了加密段配件改进修复保护功能, 如有计算配件大于实际配置钢筋的情况会以红色字体标识。
3.4 基础
增加高层建筑地下筏板基础的剖面画法, 同时可复制其他同类型图形。增加了可用于地下筏板基础的沉降反力计算, 同时充分考虑到主体机构与裙楼附属结构的反力差异性。引入梁元法计算又考虑到地下筏板基础的刚度与上部主体结构的刚度性能, 同时也要充分认识到分层综合方法的地下基础的刚度变化对沉降计算的影响。梁元法也能实现地梁和筏板人防的计算, 可以快速实现五、六级的人防荷载作用下的梁板构件的内力及配筋计算, 同时也能兼顾非人防要求的计算综合配件结构。另外, 以改进的有限压缩层模型的计算手段, 计算结果显然更为合理。
由于施工原因造成柱接头在梁柱核心区内, 楼梯与框架梁柱钢筋搭接位置在连接区内的处理应该做到如下内容:
竖向受力筋连接→画箍筋间距线→套柱箍筋→绑箍筋, 向受力钢筋的连接方式必须符合设计要求。按图纸要求间距, 计算好每根柱箍筋数量, 先箍筋套在下层伸的搭接筋上, 然后立柱子钢筋。箍筋与主筋要垂直, 箍筋转角处与主筋交点均要绑扎, 主筋与箍筋非转角部分的相交点成梅花交错绑扎。
3.5 钢结构
针对不同截面的钢筋混凝土构件可定义严格的验收规范及标准。可充分考虑焊接组合H形截面的翼缘板做焰切边或轧制边对整体结构稳定性的影响。三维模型数据可依据刚架截面优化结构的快速更新, 由整体结构的总用钢量来预估投标报价, 同时也可以绘制柱脚锚栓平面分布图形。对抗震极限承载能力不满足时给出节点加强的办法, 可以绘制节点加强后的施工图。对底层为框架, 顶层为门式刚架的结构, 可以整体进行节点设计, 下部框架连接按照框架的连接方式设计与施工, 顶层斜梁与柱的连接、梁与梁的连接按照门式刚架节点来设计与施工。复杂空间建模与分析程序, 对于型钢构件组成, 按照支撑分布的塔架, 空间桁架, 网架, 软件增加了是否进行截面满应力优化的选项。
4 结束语
综上所述, 高层建筑框架结构中楼梯间的位置对主体结构刚度及内力分布影响较大, 在建筑与结构设计时, 应考虑楼梯间位置所带来的不利影响。本文以“海粤名庭”高层建筑框架结构中楼梯与框架梁柱的连接施工工法作为研究对象, 旨在为同行提供参考建议。
参考文献
[1]任彧.楼梯系统对于框架抗震性能的影响[J].福建建筑, 2009, (03) .
[2]贾清霞, 张煜.浅谈结构楼梯间与楼梯的震害[J].黑龙江科技信息, 2009, (13) .
框架楼梯 篇7
“5.12”汶川大地震及玉树大地震的震害[1,2,3]表明:多、高层钢筋混凝土框架结构的楼梯 (间) 破坏给人民的生命、财产安全造成了巨大的危害, 使得担任安全疏散逃生通道的楼梯并未在自然灾害面前发挥其自己“安全岛”的功能。GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[4] (以下简称为《规范》) 中第3.6.6条明确要求:“计算模型的建立、必要的简化计算与处理, 应符合结构的实际工作状况, 计算中应考虑楼梯构件的影响”。本文以10层钢筋混凝土框架为例, 通过结构设计分析软件ETABS[5], 建立了含楼梯的计算模型和不含楼梯的计算模型, 分析楼梯对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响。
1 有限元计算模型的建立
1.1 计算模型初始数据
工程为10层钢筋混凝土框架结构的宾馆, 位于陕西省汉中市汉台区, 底层层高为5.1 m, 其他层高均为3.6 m, 开间为3.9 m, 纵向主轴进深分别为5.5、6.6、5.5 m, 走廊宽为2.4 m, 电梯间层高为4.2 m。抗震设防烈度为7度, Ⅱ类场地土, 设计基本地震加速度为0.1 g, 设计地震分组为第二组, 设计特征周期Tg=0.40 s, 地面粗糙度为B类, 结构阻尼比ξ=0.05。基本风压w0=0.30 k N/m2, 风荷载体形系数US=0.8。框架结构周期折减系数为0.7。纵向钢筋采用HRB400, 箍筋采用HPB300。柱混凝土强度 (梁、板混凝土强度等级同柱) :1~3层C40, 4~8层C35, 9层以上C30。水平楼板及楼梯斜板厚均为120 mm。框架柱、主梁、次梁及楼电梯间柱、梁尺寸见表1。
1.2 建立计算模型
利用有限元软件ETABS分析, 水平楼板采用膜单元模拟, 楼梯斜板采用壳单元模拟, 梁、柱均采用空间杆单元模拟;分析中各模型沿3个方向的平动自由度及转动自由度均加以约束固定。
1) 有楼梯 (M-2) 的高层框架模型平面图见图1 (a) ;
2) 无楼梯 (M-1) 的高层框架模型见图1 (b) ;
3) 有楼梯 (M-2) 的高层框架模型见图1 (c) ;
2 计算条件的设定
楼面恒荷载为5.0 k N/m2, 活荷载为2.0 k N/m2, 外填充墙 (采用非承重多孔砖) 为4.2 k N/m2, 内填充墙 (采用加气混凝土砌块) 为2.5 k N/m2;楼梯、走廊活载为2.0 k N/m2, 电梯间为7.0 k N/m2。对各模型分别采用《规范》推荐的振型分解反应谱法和时程分析法进行结构抗震分析计算, 并假定各层楼板在其自身平面内无限刚性。
3 振型分解反应谱法计算结果分析
本次采用Ritz向量法进行振型分析, 以考虑动荷载对结构动力性能的影响, 取计算振型数为18, 分析结果显示各模型振型参与质量均远超过结构总质量的90%。采用《规范》中的反应谱、振型组合和方向组合分别采用CQC法和修正的中国SRSS法。
1) 反应谱工况下, 各模型前6阶振型的周期对比见表2。
2) 反应谱工况下, 各模型前6阶振型的质量参与系数见表3。
分析表2~3可知:
1) 有楼梯 (M-2) 模型的前2阶振型周期较无楼梯模型 (M-1) 相比明显变短, 缩减了约40.24%和43.79%, 可以看出楼梯的存在使高层钢筋混凝土框架的整体刚度有了显著变化。
2) 无楼梯 (M-1) 模型的前2阶振型均以平动为主, 第3阶振型以扭转为主, 但有楼梯 (M-2) 模型的1阶振型中扭转参与系数超过81.2%, 这是由于模型有楼梯 (M-2) 中, 楼梯构件的参与导致了框架结构振动模态发生了改变。楼梯的存在提高了结构的抗扭刚度。从而看出楼梯系统参与地震作用后使得高层框架的振动模态和扭转效应有了显著的变化。楼梯的存在提高了结构的抗扭刚度。
3) 反应谱工况下, 各模型楼层位移、层间侧移角、楼层刚度等参数沿结构竖向的分布曲线对比得出:
(1) 有楼梯 (M-2) 的模型的楼层侧移明显小于无楼梯 (M-1) 的模型, 侧移曲线向弯剪型过渡;且模型无楼梯 (M-1) 、有楼梯 (M-2) 最大层间侧移角均满足《规范》最大限制1/550要求;
(2) 有楼梯 (M-2) 的模型的楼层位移、层间位移角、楼层刚度等沿结构竖向的分布特征与无楼梯 (M-1) 的模型相比发生了显著的变化;无楼梯 (M-1) 模型、有楼梯 (M-2) 的楼层最大剪力, 最大楼层倾覆弯矩及最大楼层刚度均显著增大, 表明楼梯的存在使得高层框架结构的整体动力特性变化显著, 从而使得结构整体刚度增大, 楼梯的刚度贡献对于高层框架的影响很大, 特别在顺楼梯板 (Y向) 布置方向上, 楼梯的支撑作用使得框架结构的抗震性能产生了显著变化, 结构设计与分析时应充分考虑楼梯的影响。
4) 在反应谱工况下, 取各模型楼梯间2层梯间框架柱沿Y方向截面剪力比较看出:
(1) 有楼梯 (M-2) 的模型与无楼梯 (M-1) 的模型相比, 剪力大小发生了较大的变化, 有楼梯 (M-2) 的模型剪力相应的增大了3倍多。
(2) 有楼梯 (M-2) 的模型的梯间框架柱沿Y方向截面剪力增大了约1.67倍, 且柱上下两段截面的剪力大小变化大约达到48.5%, 可以认为层间模型中楼梯产生的“K”型斜撑效应使得在地震作用下, 楼梯间框架柱和楼梯斜板受到冲击作用产生了极大附加应力, 从而更加说明了支撑梯段板的梯柱是双向压弯、双向剪切的构件, 因此在大震作用下梯柱上端节点极易破坏。
4 结论
1) 楼梯的存在使得有楼梯 (M-2) 模型钢筋混凝土框架结构的振型前2阶振型明显缩短了约40.24%和43.79%, 结构的1阶振型扭转参与系数超过了81.2%, 自震周期的缩短及扭转参与系数的提高, 使得高层框架结构的抗侧移刚度和结构的扭转效应有了显著的变化。因此, 建议在以后进行结构设计时应考虑楼梯对高层框架整体结构的抗震影响。
2) 楼梯的存在, 使得有楼梯 (M-2) 模型梯柱上下段截面剪力大小变化显著, 从而看出模型中楼梯产生的K型支撑效应使得在地震作用下, 楼梯间框架柱受到冲击作用产生了极大的附加应力, 使得高层框架的结构产生了严重破坏。因此, 建议在结构设计时应适当放大楼梯间构件梯梁与梯柱的配筋面积。
3) 楼梯板在地震作用和自重下出现拉弯和压弯交替状态。而梯板梁端分别与平台梁、承梯梁相连, 在地震作用下, 梯板轴力很大, 梯板的推力使得平台梁平面外受弯、受剪, 同时也有部分力传递给梯梁。因此, 在以后的结构设计中应适当加强楼梯间 (梯板、平台梁、承台梁) 的梁高和配筋, 最终保证楼梯间构件具有足够的抗震能力。
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参考文献
[1]尹保江, 黄世敏, 程绍革, 等.汶川地震中建筑楼梯震害原因分析、汶川地震建筑震害调查与灾害重建分析报告[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[2]王威, 薛建阳, 章红梅, 等.框架结构在汶川“5.12”大地震中的震害分析及抗震启示[J].世界地震工程, 2009, 25 (4) :133-137.
[3]邵楠.青海玉树地震建筑震害浅析[J].工程抗震与加固改造, 2011, 34 (4) :136-140.
[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].
