(2)增设楼梯间的构造柱,在强制性条文7.3.1条中,要求“在楼梯间四角以及楼梯段上下端对应的墙体处设置构造柱”,于是,楼梯间共有8根构造柱,与7.3.8条的强制性要求一起,有助于形成应急疏散的安全岛。
(3)加强楼梯间墙体的抗震能力,在3.7.3条补充规定:“楼梯间的非承重墙体,应采取与主体结构可靠连接或锚固等避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备的措施”。并将7.3.8条提升为强制性条文,要求砌体结构楼梯间墙体在休息平台或半层高处设置钢筋混凝土带或配筋砖带,以及采取其他加强措施,特别要求加强顶层和出屋面楼梯间的抗震构造——相当于约束砌体的构造要求。
(4)本次局部修订,依据钢筋混凝土结构用钢筋产品标准GB1499.2-2007,在3.9.2、3.9.3条对钢筋和钢材的性能指标做了局部调整:“钢筋应满足总延伸率9%的要求,不得采用脆性钢筋”,以避免汶川地震中钢筋脆断的震害。
2.1.5 目前软件考虑楼梯构件的方法
汶川地震前,设计中常用的PKPM软件只考虑楼梯部位楼板开洞及竖向荷载的传递,几乎不考虑楼梯对结构抗侧刚度的影响。一般认为楼梯间部位的楼面开洞削弱了层刚度,但梯段板(梁)又增大了层刚度,两者大体上会相互抵消,故在结构抗震设计中,把楼梯梯段作为非抗侧力结构处理。软件进行框架结构楼梯设计时,为简化计算,将楼梯梯段板和平台板分开计算,再在计算及构造上考虑它们的相互间的整体作用。将楼梯梯段板视为斜向简支板,仅计入了竖向荷载设计楼梯构件,按受弯构件进行计算。
为了适应08年新修订的抗震规范要求,08版PKPM给出了计算中考虑楼梯影响的解决方案[47]:在PMCAD的模型输入中输入楼梯,可在四边形房间输入二跑或对折的三跑、四跑楼梯。程序可自动将每一跑楼梯梯段板和其上、下相连的平台板转化成一段折梁,如图2.3所示,此后接力SATWE等的结构计算即包含了楼梯构件的影响。
图2.3 08版SATWE计算模型
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2.1.6 框架楼梯的研究现状
汶川地震前,国内外进行框架楼梯的试验研究非常少,1996~1999年由曹万林等进行的带楼梯框架的试验研究[7]~[10]反映了我国楼梯抗震性能试验研究的主要成果。曹万林等的模型试验表明,当楼梯与框架有可靠连接时,楼梯支撑作用对结构的刚度、承载力及耗能能力均有明显的影响,楼梯的存在可提高框架模型(两榀中框架,3层,缩尺比例为1:3)层刚度约100%;试验显示,楼梯间结构层刚度衰减对建立恢复力模型有影响,试验结论给出了可供参考的确定其恢复力模型参数的方法。
2002年清华大学的王奇等[11]通过对5个工程实例的整体计算,讨论了钢筋混凝土现浇楼梯对框架、框架-剪力墙和剪力墙三种结构形式整体刚度和构件内力的影响。结果表明,计入楼梯踏步板对框架结构的自振周期、刚度分布及构件内力影响较大,对框架-剪力墙结构有一定影响,对剪力墙结构影响不大。
此外,2005年北京市院的胡庆昌[12]提出的对既往装配式楼梯结构构造的反思也很有意义,他指出为避免楼梯梯段形成支撑,可采用滑动连接,楼梯端的上节点为铰接,下端节点为滑动支承的构造方法,如图2.4所示。
铰接楼层滑动铰接铰接滑动四氟板平台板滑动
图2.4 楼梯构造措施
汶川地震发生后,针对楼梯的典型震害,广大学者和工程设计人员进行了大量研究和分析。大多学者围绕楼梯震害现象,分析了楼梯对框架整体抗侧刚度的影响及考虑梯段板斜撑作用后对结构整体工作性能及内力的改变,并进行了一系列的动力分析。
中国建科院的王亚勇[3] 、[13]
、[14]
阐述了砌体结构建筑中楼梯间的典型震害,
分析了震害产生的原因,并针对抗震设计规范中的有关抗震概念设计和三水准设防及抗震设计的基本要求内容提出改进意见。
中国建科院的尹保江等[15]从框架结构的楼梯震害情况入手,对楼梯破坏原因进行了分析,并进行了有限元计算,结构表明楼梯实际上参与了主体结构抗震,相当于K形层间支撑,为限制结构层间位移做出了贡献。并提出今后的结构分析应考虑现浇楼梯参与主体结构抗震作用,或者采取措施使楼梯与主体结构隔离开来。
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西南交通大学的苏启旺等[16]分析了钢筋混凝土板式楼梯的震害原因,探讨了常用设计方法存在的问题,说明楼梯应进行抗震设计的必要性。
广东省院的焦柯等[17]给出了楼梯参与结构整体计算的方法,分析了梯段板、梯柱和平台梁在抗震结构中的作用,比较了楼梯布置对结构的影响。计算结果表明在框架结构中楼梯及其周边构件将承担更多地震力,是结构设计应加强的部位,因此分析应考虑楼梯构件的刚度。还分析了在剪力墙结构中,若梯段板两侧分别支撑在两片墙肢上,则楼梯对剪力墙的影响不可忽视。并且通过某实际工程的计算结果比较,说明楼梯构件参与结构整体工作的必要性。
哈尔滨工业大学的林迟等[18]根据汶川地震中都江堰市建筑震害调查结果,对城市多龄期建筑楼梯间的典型震害进行了统计分析。结果表明不同龄期建筑物中,2000年后建成并按新规范设计的建筑楼梯间震害较轻;由施工缝引起的楼梯间震害较为普遍,但正常施工的楼梯间震害较轻。
刘小虎[19]通过对楼梯抗侧刚度体系的分析,给出了将楼梯等效为可实施的斜杆模型的换算公式,并通过算例分析证明利用该公式得出的楼板在地震作用下的拉压力是可行的。
湖南大学的张望喜等学者[20]以汶川地震灾区典型教学楼框架为对象,研究了框架与楼梯的共同工作性能,包括框架独立单元的静力抗侧刚度、整体框架的静力抗侧刚度、整体框架动力特性,并进行了地震反应谱分析以及地震时程分析。
福建省院的任彧[21]通过建立考虑楼梯构件的精准模型,对弹性分析结果进行了对比分析,并进一步进行了Pushover分析。结果表明,由于楼梯系统的斜撑效应,结构具有多道抗震防线,抗震性能显著改善。值得注意的是:在支承梯段板的框架梁跨中出现了塑性铰,与常规框架梁的塑性铰出现的规律完全不同。
2.2 框架楼梯主要震害现象分析 2.2.1 梯段板破坏分析
梯段板破坏主要表现为水平裂缝处混凝土压碎,梯段板弯曲下挠,甚至断裂,破坏主要发生的位置为距离两端支座约1/4跨处和跨中处。
图2.5、图2.6所示为板式楼梯距离两端支座约1/4跨处断裂;图2.7所示为都江堰某商住楼室外梁式楼梯出现塑性铰;图2.8~2.12所示为板式楼梯跨中出现塑性铰;图2.13所示为折板楼梯梯段板损伤;图2.14所示为旋转楼梯梯段板破坏。
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图2.5 板式楼梯梯段板1/4跨处破坏 图2.6 板式楼梯梯段板中部塑性铰
图2.7 梁式楼梯梯段中部塑性铰 图2.8 板式楼梯梯段板中部塑性铰
图2.9 板式楼梯梯段中部塑性铰 图2.10 板式楼梯梯段板中部塑性铰
图2.11 板式楼梯梯段中部塑性铰 图2.12 板式楼梯梯段板中部塑性铰
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图2.13折板楼梯梯段板破坏 图2.14旋转楼梯梯段板破坏
产生此类震害现象的原因是:楼梯的上下梯段板与框架楼板相连,根据楼板的刚性假定,地震力的传递在此处是不间断的,平台梁和梯柱使休息平台与框架主体结构相连接,保证了水平荷载传递过程中附加竖向荷载的平衡,这便形成了一个空间的K形支承体系。在实际配筋时,梯段板负筋长度通常按照跨度的1/4来布置,该部位受力筋数量发生突变,使该部位成为受拉的薄弱部位。而在反复水平地震作用下,每层的上下梯段板与框架协同工作,受到很大的反复交替的轴向拉压力作用,结果造成梯段板在负筋截断附近发生断裂;
2.2.2 楼梯间角柱的破坏
楼梯间角柱的破坏主要表现为角柱跨中部位发生剪切破坏,钢筋屈曲,混凝土酥碎,如图2.15、2.16所示。
图2.15 楼梯间角柱破坏 图2.16 楼梯间角柱破坏
产生此类震害是由于现有的板式楼梯休息平台大多是通过平台梁和平台板与框架柱相连,使楼梯间角柱净高约为其他位置框架柱的一半,故楼梯间角柱将分到其它框架柱数倍的地震剪力。由于休息平台对梯间角柱的约束使角柱跨中弯矩也加大,致使大震下角柱跨中剪切屈曲破坏。
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