现浇楼梯与框架结构协同工作抗震性能分析研究-

论文导读：元模拟，楼层板、梯板和平台板则采用shell63单元模拟。三种模型分别如图1，2，3所示。地震设防烈度7度(0.1g)，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，阻尼比取0.05，建筑特征周期0.35s。（二）模态分析对上述三种计算模型进行模态分析，得到结构前3阶自振周期和振型的计算结果，如表1所示。由表1中数据可知，B、C与A
摘要：本文利用有限元方法，建立了不考虑楼梯参与结构整体抗震计算的模型和楼梯以不同的布置位置参与整体结构的抗震计算模型，比对它们分别进行了抗震性能分析。通过比较分析发现：参与整体计算的楼梯对结构自振特性、结构抗侧刚度、地震作用下楼梯构件的应力状态发生明显的变化， 并初步分析了产生这些现象的原因。
关键词：现浇楼梯；地震作用；斜撑作用；有限元分析
一、 概述
传统的框架结构建模分析和计算时常不考虑楼梯对结构抗震性能方面的影响，仅将楼梯间荷载折算为作用在结构上的竖向面荷载。结构设计时再将楼梯作为一个独立的部分进行单独设计。但后，人们通过对建筑物的震害分析发现: 大量砌体结构、 框架结构的楼梯间破坏严重，出现楼梯板断裂， 梯柱、 梯梁剪扭破坏的现象。楼梯构件的破坏形态完全超出了结构工程师的预期设计。楼梯间作为逃生和临时避难的安全岛，若楼梯在地震中首先发生破坏，将给建筑物内逃生人员造成极大威胁。因此， 深入研究现浇楼梯与框架结构地震作用下的协同工作十分有必要，但目前此类问题的研究尚少。
建筑抗震设计规范第3.6.6条明确要求：在利用计算机进行结构抗震分析时在计算中应考虑楼梯构件的影响。规范条文说明中指出楼梯梯板具有斜撑的受力状态。第6.1.15条也指出：楼梯结构与框架主体结构整体现浇时应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响。
为了分析楼梯与框架结构协同工作的抗震性能， 本文将利用有限元软件建立三种空间结构计算模型进行地震作用下的抗震性能分析，以期得到一些有益结论。

二、有限元计算模型及分析

(一)有限元计算模型

五层钢筋砼框架结构，层高 3.5m，柱截面尺寸为450mm×450mm；楼梯形式为普通直行双跑板式楼梯，梯板厚度10源于：7彩论文网论文封面格式www.7ctime.com
0mm，梯柱截面300mm×300mm，梯梁截面200mm×350mm。采用结构有限元软件ANSYS建立三种空间有限元模型：模型A为不考虑楼梯的计算模型；模型B为楼梯布置在结构两侧的计算模型；模型C为楼梯布置在结构中部的计算模型。其中梁、柱均采用beam4单元模拟，楼层板、梯板和平台板则采用shell63单元模拟。三种模型分别如图1，2，3所示。
地震设防烈度7度( 0.1g)，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，阻尼比取 0. 05，建筑特征周期0.35s。

(二)模态分析

对上述三种计算模型进行模态分析， 得到结构前3阶自振周期和振型的计算结果，如表 1所示。
由表1中数据可知， B、C与A相比，第一平动周期分别减小3.2%、3.7%；第二平动周期分别减小0.08%、0.47%；由此说明楼梯板起到了斜撑作用，由于楼梯板的斜撑作用增大了楼梯间局部的抗侧移刚度，并使得结构的整体抗侧刚度增大，从而导致结构自振周期减小，又由于楼梯板沿着Y向布置，因此其Y向的支撑作用要明显强于X向； B、C与A相比，第一扭转周期分别减小2.95%和增加3.3%。这种情况说明楼梯间作为结构的抗侧力构件，其在结构中布置位置的不同将对结构的抗扭刚度产生较大的影响。B较A的抗扭刚度增大较多，对结构的抗扭有利，而C较A的抗扭刚度减小很多，对结构的抗扭不利，在设计时应当避免。

(三)动力时程分析

按结构的动力特性和场地条件，选取三条地震波（两条天然波和一条人工波）进行动力时程分析。选取了其中的El-Centro波作用下的结构顶层加速度时程曲线、底层和顶层层间位移时程曲线以及层间位移包络图进行动力时程分析，如图

4、

5、6、7所示。

由结构加速度时程曲线可以得到以下结论： 1．因为楼梯构件的侧向刚度主要由梯板来提供，梯板沿结构Y向布置，起到了斜撑的作用，从而改变了结构Y向的抗侧刚度，使得模型B、C的Y向最大加速度反应变化较X方向明显。
2．楼梯间的布置位置对结构的整体抗震性能也有较为明显的影响，布置在结构的两侧梯板所起到的斜撑效应对结构的抗扭刚度有利，而布置在结构中部的梯板所起到的斜撑效应对结构不利，在设计时应当避免。
分别对三种模型的底层、顶层的层间位移时程曲线及其包络图分析得出如下结论：
第

一、模型Y方向抗侧刚度比X方向得抗侧刚度大。

第二，在X向，楼梯基本不参与结构的抗震，对结构X向的层刚度几乎没有贡献。但在Y向由于布置了楼梯板，其斜撑作用改变了结构Y向的层刚度。
第三，在地震作用下，楼梯板的斜撑作用有可能减小结构的层间位移，也有可能放大结构的层间位移，关键在于如何合理布置楼梯的位置。

三、结论及建议

(一)主要结论

楼梯参与框架结构整体协同工作后， 对结构周期、 结构抗侧刚度、抗扭刚度、以及地震作用下楼层的加速度反应、层间位移和应力分布等都会发生较明显的变化， 主要结论如下：
1.结构周期：楼梯参与结构整体工作，结构的平动周期有所减小。但结构的扭转周期是否减小与楼梯间在结构中的布置位置有关。
2.结构抗侧、抗扭刚度：由于楼梯梯板的斜撑作用对结构的刚度影响较大， 主要表现为沿梯板方向的抗侧刚度明显增大。同时， 楼梯间的布置位置也会影响结构整体抗扭刚度的分布。
3.楼梯构件应力分布：地震作用下，梯板的斜撑作用将使梯板承担很大的轴向力， 而成为拉弯或压弯构件，而传统的梯板计算过程中只是将其简化为受弯构件而忽略了其轴向力；因此在地震作用下，梯板常发生拉压破坏。此外，在地震作用下，梯梁的受力也变得相当复杂，可能同时承受弯剪扭作用；梯柱除承受轴力外，还将承担双向弯矩和剪力作用。
（二）建议
楼梯对框架结构抗震性能的影响是不忽视的，它们之间协同工作的抗震性能在进行结构建模计算应当加以重视，并适当加强楼梯构件的配筋和构造措施，以真正实现楼梯作为逃生通道设计理念。本文对规则框架结构中规则楼梯的斜撑作用以及楼梯的布置位置对结构整体刚度的影响做了初步研究。关于楼梯与整体结构协同工作的性能还有很多问题值得进一步研究: 楼梯在不同结构的类型影响，楼梯形式对结构扭转的影响，带楼梯结构的静/动力弹塑性分析等问题。此论文导读：2010.（作者单位：武汉光谷联合建筑设计研究院）上一页12
外，楼梯构件的抗震设计方法和构造措施，以及既有建筑楼梯间的抗震鉴定与加固方法等问题也值得进行研究和改进。
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（作者单位：武汉光谷联合建筑设计研究院）