楼梯参与抗震结构整体工作的计算分析

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1、建 筑 结 构 . 技 术 通 讯楼梯 参与结构 整体工作 的计算分 析焦 柯 1 吴文勇 2 黄真康 2 童慧波 2（ 1广东省 建筑设计 研究院 510010， 2深圳市 广厦软件 有限公司 518028）摘 要 摘 要 摘 要 摘 要 本 文 给出 了 楼 梯参 与 结 构整 体 计 算的 方 法 ，分 析 了 梯板 、 梯 柱和 梯 梁 在抗 震 结 构中 的 作 用， 比 较 了楼梯 布 置在 不 同 位置 对 结 构的 不 同 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

2、 整 体 分析 应 考 虑楼 梯 构 件的 刚 度 。在 剪 力 墙结 构 中 ，若 梯 板 两端 分 别 支撑 在 两 片墙肢 上 ，则 楼 梯 对剪 力 墙 的影 响 不 可忽 视 。 本文 通 过 一个 实 际 工程 计 算 结果 比 较 ，说 明 楼 梯构 件 参 与结 构 整 体工作 的必 要性 。本 文计 算方 法及 结果 可供 结构 设计 人员 参考 。关 键词 关 键词 关 键词 关 键词 楼 梯 建 筑结 构 空 间分 析 刚 度StructuralanalysisofstaircaseparticipatedintheworkingofbuildingstructureJi

3、aoKe1, WuWenyong2, HuangZhenkang2, TongHuibo2(1TheArchitecturalDesign& ResearchInstituteofGuangdongProvince,Guangzhou51010,China;2ShenzhenGodshowSoftwareCo.,Ltd,Shenzhen518028,China)Abstract:Theoveralanalysism ethodofstaircasetogetherwithbuildingstructureissugested.Theefectoftheslab，colum n, girdero

4、fstaircasetothewholebuildingareestim ated. Theefectsofstaircaseplacedindiferentlocationarecom pared. Theresultshow,infram estructure,thatm oreearthquakeforcesm aybedistributedtothecom ponent ofstairandotherm em bers aroundit,andthatthestaircasesstifneshavetotakeintoacount.Moreover,intheshear-walstru

5、cture,iftheslabofstaircaseissuportedbytwowal branches,thestifnesefectofthestaircasetoshear-walshouldnotbeignored.Apracticem odel hasbenusedtoanalyzetheefectofstaircasestifnes,andaboveviewpointsareprovedThecalculatingm ethodandtheconclusioncanbereferedforstructuraldesign.K eywords:K K K staircase;bui

6、ldingstructure;spaceanalysis;stifnes作 者介 绍 :焦 柯 ， 教 授级 高工 ， 广 东省 建筑 设计 研究 院计 算中 心主 任 ； 吴 文勇 ， 教 授 ， 深 圳市 广厦 软件 有限 公司 总工 ，电 话： 075-8397845， 8397832， Email:， 网址 ： 。0前 言汶 川 大 地 震 被 损 坏 建 筑 的 一 个 特 点 是 楼 梯 构 件 的 破坏 （ 如 图 13） ， 影 响 了 逃 生 通 道 安 全 ， 造 成 人 员 伤 亡 。 根据 208年 版 建 筑抗 震设 计规 范 （ GB501-201） 3.6.6条

7、， 结 构 计 算 中 应 考 虑 楼 梯 构 件 的 影 响 。 本 条 规 定 主 要 考虑 到 楼 梯 的 梯 板 具 有 斜 撑 的 受 力 状 态 ， 对 结 构 整 体 刚 度 有较 明 显 的 影 响 。 目 前 结 构 设 计 中 计 算 分 析 模 型 一 般 是 不 输入 楼梯 构件 的， 将其 等效 为 荷载 加到 周边 构件 。原 因 有两 个， 一是 工程 师普遍 认为 楼梯 构件 对结 构受 力 影响 不大 ，通 过构 造措 施 就可 以保 证安 全； 二是结 构设 计软 件没 有提 供楼 梯 参与 整体 分析 的功 能， 若 用 通 用 有 限元 程 序 计 算

8、， 斜 板 、 梯 梁 图 1楼 梯 破 坏 照 片和 梯 柱 的 输 入 和 网 格 剖 分 较 麻 烦 ， 所 以 一 般 整 体 模 型 是 不考 虑楼 梯构 件的 。本 文采 用 GSAP软 件的 楼梯 分析 功能 ，研 究 了 楼 梯 构 件 进 入 空 间 分 析 后 ， 对 结 构 整 体 刚 度 、 楼 梯间 角 柱 的 影 响 ， 梯 柱 、 梯 梁 、 梯 板 和 平 台 板 的 受 力 特 点 ，及 不 同 位 置 的 楼 梯 对 框 架 结 构 的 影 响 规 律 ， 楼 梯 对 高 层 框剪 结构 的影 响等 。1在 空间 分析 中实 现楼 梯共 同参 与计 算的 方

9、法在 空间 分析 中实 现楼 梯共 同参 与计 算的 方法在 空间 分析 中实 现楼 梯共 同参 与计 算的 方法在 空间 分析 中实 现楼 梯共 同参 与计 算的 方法 楼 梯 构 件 包 括 梯 板 、 平 台 板 、 梯 柱 和 梯 梁 。 楼 梯 板 和平 台 板 采 用 空 间 壳 单 元 模 拟 ， 可 准 确 计 算 板 的 面 内 和 面 外刚 度 ， 梯 梁 和 梯 柱 采 用 多 节 点 的 空 间 杆 单 元 模 拟 ， 可 实 现梁 柱 跨 中 节 点 与 板 、 墙 节 点 的 变 形 协 调 。 设 计 软 件 要 实 现楼 梯 参 与 空 间 分 析 ， 一 要

10、操 作 简 单 ， 应 主 要 采 用 参 数 化 输入 方 式 ， 比 三 维 图 形 输 入 方 式 方 便 ， 不 增 加 工 程 师 的 工 作量 ； 二 要 计 算 模 型 自 动 处 理 功 能 强 ， 无 需 人 工 干 预 可 将 楼梯 构 件 自 动 网 格 剖 分 ， 并 转 换 为 有 限 元 模 型 ， 楼 梯 板 、 平台 板 、 梯 梁 、 梯 柱 、 楼 梯 间 角 柱 、 楼 梯 间 混 凝 土 墙 、 楼 梯间 砖 墙 和 框 架 梁 之 间 所 有 节 点 自 动 对 应 ， 所 有 构 件 交 界 处建 筑 结 构 . 技 术 通 讯变 形 协 调 。 计

11、 算 结 果 输 出 应 包 括 梯 梁 、 梯 柱 、 楼 梯 板 和 平台 板 的 应 力 、 内 力 和 配 筋 。 楼 梯 构 件 参 与 空 间 分 析 将 影 响结 构侧 向刚 度、 周期 、位 移和 内力 等所 有计 算结 果。2楼 梯对 框架 结构 的整 体影 响 楼 梯对 框架 结构 的整 体影 响 楼 梯对 框架 结构 的整 体影 响 楼 梯对 框架 结构 的整 体影 响 如 图 2， 计 算两 侧有 两个 楼梯 间的 8层 框架 结构 。 表 1列 出 了 不 输 入 梯 梁 、 梯 柱 ， 只 输 入 梯 板 情 况 下 ， 楼 梯 对 整体 结构 的影 响 。 表 2

12、列 出了 输入 梯梁 、 梯 柱和 梯板 情况 下 ，楼 梯 对 整 体 结 构 的 影 响 。 图 4比 较 了 有 楼 梯 构 件 与 没 有 楼梯 构 件 下 X向 和 Y向 地 震 楼 层 位 移 角 。 从 图 表 看 出 梯 梁 、梯 柱 、 梯 板 对 结 构 的 整 体 影 响 不 同 ， 但 都 比 较 大 ， 有 梯 梁梯 柱时 楼梯 对框 架结 构的 整体 影响 更大 。 Y向 布置 的梯 板对结 构 X向 和 Y向 的 刚 度 都 有 影 响 ， 对 Y向 影 响 更 大 ， 2层的 位移 角变 化最 明显 ，随 着层 数增 加影 响逐 渐减 少。图 2图 3无梯梁 梯

13、柱下楼 梯影响比 较 表 1楼梯模 型 不参与 空间分析 参与空 间分析 相差Y向层刚 度 28353 364570 29%Y向顶点最大位移 (m m ) 19.01 14.83 -2%Y向第 1周期 (s) 1.495941 1.18313 -21%Y向地震 作用 (kN) 46.23 542.0 2%有梯梁 梯柱下楼 梯影响比 较 表 2楼梯模 型 不参与 空间分析 参与空 间分析 相差Y向层刚 度 28353 538247 90%Y向顶点最大位移 (m m ) 19.01 10.9 -42%Y向第 1周期 (s) 1.495941 0.891901 -40%Y向地震 作用 (kN) 46

14、.23 694.85 5%01234567890 0.005 0.01位 移 角 (rad)层 号有 梯 无 梯01234567890 0.0050.010.0150.02位 移 角 (rad)层 号有 梯 无 梯图 4X向和 Y向楼层 位移角3楼 梯布 置在 不同 位置 对框 架结 构的 影响 规律 图 5是 一个 8层 框架 结构 平面 图， 改变 楼梯 布置 ，从位 置 1逐 渐往 右移 至位 置 6， 分析 楼梯 刚度 对结 构的 影响 。表 3列 出 Y向 地 震 下 楼 梯 不 同 位 置 计 算 结 果 比 较 。 图 6和图 7分 别 比 较 不 同 楼 梯 布 置 楼 层 最

15、 大 位 移 和 楼 层 层 间 位 移角 。 随 着楼 梯位 置从 楼层 对称 轴位 置向 端部 改变 ， Y向 地震下 顶 点 位 移 、 层 间 位 移 角 、 层 间 位 移 比 等 逐 渐 增 大 。 层 间位 移 比 从 位 置 6的 1.0增 加 到 位 置 1的 1.29， 说 明 楼 梯 刚度 对框 架结 构的 扭转 变形 影响 很大 。 边 柱 46的 Y向 地震 产生 的轴 力、 弯矩 和剪 力在 位置 1比 在位 置 6增 大 40%。图 5楼梯不 同布置计 算结果比 较（ Y向地震 ） 表 3位 置 顶 点 最 大 水 平 位 移 (m) 17.6916.8715.6

16、314.1813.0812.65最大层 间位移角 1/10171/10671/1521/12711/13791/1426最大层 间位移比 1.29 1.2 1.14 1.07 1.02 1柱 46轴力（ kN） 34 329 307 279 256 246柱 46弯矩（ kN.m） 17 169 157 143 131 125柱 46剪力（ kN） 11 106 9 89 82 79建 筑 结 构 . 技 术 通 讯01234567890 5 10 15 20Y地 震 最 大 位 移 (m)层 号 位置1位置2位置3位置4位置5位置6图 6不同布 置 Y向地震 楼层最大 位移01234567890 0.0020.0040.0060.008 0.010.012Y向 地 震 层 间 位 移 角 (rad)层 号 位置1位置2位置3位置4位置5位置6图 7不同布 置 Y向地震 楼层层间 位移角4楼 梯对 楼梯 间角 柱的 影响 考 察图 3中 柱 8在