发布于2011-12-05钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计——总工程师 邓永强 前言汶川大地震被损坏的钢筋混凝土结构房屋，其中一个特点是楼梯构件的破坏，影响了逃生通道安全，造成人员伤亡《建筑抗震设计规范》2008年修订时增加了结构计算中应考虑楼梯构件影响的要求，并在2010版《建筑抗震设计规范》中细化了各项要求在建设部对上海的建设工程质量历年检查中，09年5个建筑工程项目设计，由于计算中没有考虑楼梯构件的影响，无一例外被提出意见；11年保障性用房（剪力墙结构）检查被认为上海钢筋混凝土结构楼梯设计不统一综上所述，有必要认真研读规范的有关要求，结合目前常用软件的实际使用情况，提出切实可行的钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计方法一、钢筋混凝土结构楼梯间震害表现在地震中，钢筋混凝土结构的楼梯问题与砌体结构有所不同，砌体结构由于楼梯间整体性不足，地震中墙体破坏或倒塌造成楼梯段支座失效，进而导致整个楼梯间的破坏；而在钢筋混凝土结构中（尤其是框架结构），楼梯的梯板等构件具有斜撑的受力状态，对结构的刚度和扭转作用有较为明显的影响，由于支撑效应使楼梯板承受较大的轴向力，地震时楼梯段处于交替的拉弯和压弯受力状态，当楼梯段的拉应力达到或超过混凝土材料的极限抗拉强度时，就会发生受拉破坏（见图一、图二）。
而楼梯间的平台梁，则由于上下梯段的剪刀作用，产生剪切、扭转破坏（见图三、图四）二、现行规范的相关条款和基本要求1、《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中相关条款第3.6.6条 利用计算机进行结构抗震分析，应符合下列要求：1 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第6.1.8条 框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中的抗震墙设置，宜符合下列要求：2 楼梯间宜设置抗震墙，但不宜造成较大的扭转效应第6.1.15条 楼梯间应符合下列要求：1 宜采用现浇钢筋混凝土楼梯2 对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则；楼梯构件与主体结构整体现浇时，应计入楼梯构件对地震作用和其效应的影响，应进行楼梯构件抗震承载力验算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响3 楼梯间两侧填充墙与柱之间应加强拉结第13.3.4条 钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，尚应符合下列要求：5 楼梯间和人流通道的围护墙，尚应采用钢丝网砂浆面层加强2、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中相关条款第6.1.4、6.1.5、8.1.7条提出了与《抗规》基本相同的要求，仅6.1.5条第4款高于《抗规》要求。
第6.1.5条 抗震设计时，砌体填充墙和隔墙应具有自身稳定性，并应符合下列规定：4 楼梯间采用砌体填充墙时，应设置间距不大于层高且不大于4m的钢筋混凝土构造柱，并应采用钢丝网砂浆面层加强3、现行规范的基本要求结合条文说明理解，规范允许根据不同的具体结构，判断楼梯构件对整体的可能影响很大或不大，然后区别对待，并不要求一律参与整体结构的计算，但楼梯构件自身应计算抗震现行规范对钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计的基本要求可归纳为：是否参与整体抗震计算，视情况而定；楼梯构件应进行抗震设计计算；加强楼梯间填充墙与主体结构的拉结三、SATWE楼梯参与计算的应用情况1、SATWE楼梯计算目前在PKPM系列中自动生成的楼梯（2跑生成基本正常），梯柱默认采用300×300，归为支撑；梯梁默认采用200×400，归为框架梁；平台标高框梁默认采用250×500，归为框架梁；斜梯段板默认采用120厚，归为非框架梁默认值在楼梯自动形成后可以修改，易疏忽，且易出错构件按各自归类形式提供内力、配筋计算结果SATWE使用说明明确，梁正截面受弯承载力按《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）第6.2.10~6.2.14条计算，偏心受拉构件的正截面受拉承载力按《混凝土规》第6.2.23条计算。
当梯板存在拉力时，计算结果单独给出最大轴力（均为拉力、未见给出压力），配筋仍按受弯构件方式给出支座和跨中等分7个截面的正、负弯矩计算结果根据梯板有无轴力或轴力大小对比，似乎已考虑拉力的存在，如何考虑未见交代2、计算对比在研读《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）统一培训教材第九讲“框架结构楼梯设计”和由广东省建筑设计研究院、深圳市广厦软件有限公司焦柯等撰写的《楼梯参与结构整体工作的计算分析》对钢筋混凝土结构楼梯间抗震设计进行计算、分析、研究的基础上，考虑单跨、多跨，对称、偏置，或在楼梯间设置长短不等的抗震墙等不同因素组合，建立不同的结构模型，采用08或10版软件计算分析对比其中为较明显地体现楼梯间的影响，特建立了一个单跨、楼梯偏置的框架结构模型，7开间（开间4m）、跨度7.5m、6层（层高3.6m）；恒载5kN/m2（楼梯间7 kN/m2）、活载2kN/m2（楼梯间3.5 kN/m2）、外框梁上线荷载10 kN/m按照上海地区常规控制参数分别采用08或10版软件计算、不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响，不同版本、不同方式主要控制指标变化对比见表一表一： 单跨框架（楼梯偏置）主要控制指标变化对比表08版周期1周期2周期3不考虑1.0884（0.00＋0.97＋0.03）0.8538（0.00＋0.03＋0.97）0.7153（1.00＋0.00＋0.00）考虑1.0798（0.00＋0.94＋0.06）0.9101（0.00＋0.06＋0.94）0.7270（1.00＋0.00＋0.00）相差 %-0.796.591.6410版周期1周期2周期3不考虑0.9524（0.00＋0.71＋0.29）0.8374（0.00＋0.29＋0.71）0.7060（1.00＋0.00＋0.00）考虑0.8821（0.00＋0.99＋0.01）0.8126（0.00＋0.01＋0.99）0.6885（1.00＋0.00＋0.00）相差 %-7.38-2.96-2.4808版X向剪重比Y向剪重比X向最大层间位移角Y向最大层间位移角X向最大位移比Y向最大位移比不考虑5.804.621/1175（第2层）1/503（第3层）1.00（第1层）1.33（第1层）考虑6.486.091/1119（第3层）1/417（第3层）1.03（第6层）1.27（第1层）相差 %11.7231.825.0020.623.00-4.5110版X向剪重比Y向剪重比X向最大层间位移角Y向最大层间位移角X向最大位移比Y向最大位移比不考虑6.615.511/1194（第2层）1/502（第3层）1.01（第6层）1.40（第6层）考虑6.566.401/1241（第2层）1/713（第2层）1.03（第6层）1.11（第2层）相差 %-0.7616.15-3.79-29.591.98-20.71 该计算模型不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响，08版第1标准层柱配筋计算结果见图五、10版第1标准层柱配筋计算结果见图六。
对比发现楼梯构件是否参与结构整体计算，不仅影响地震作用效应的计算结果，也可能由于改变恒载、活载的传递途径而对相关构件计算产生影响对比发现当其他区域荷载小于楼梯间时，不考虑楼梯影响计算结果显示位移比较大，考虑楼梯刚度后刚心与质心的重合程度有所改善，位移比有所减小对比发现两个版本的计算结果差异很大，08版最大位移、最大层间位移底部3层出现在右端、上部3层出现在左端，10版最大位移、最大层间位移均出现在左端；是否考虑楼梯构件对结构整体的影响，08版计算结果显示对楼梯间框架柱影响很大，而10版软件计算结果显示影响不大说明SATWE目前的楼梯参与计算实际效果不够稳定图五：08版柱配筋对比图六：10版柱配筋对比3、合理使用计算工具《抗规》第3.6.1条条文说明：由于地震动的不确定性、地震的破坏作用、结构地震破坏机理的复杂性，以和结构计算模型的各种假定与实际情况的差异，迄今为止，依据所规定的地震作用进行结构抗震验算，不论计算理论和工具如何发展，计算怎样严格，计算的结果总还是一种比较粗略的估计，过分地追求数值上的精确是不必要的然而，从工程的震害看，这样的抗震验算是有成效的，不可轻视由于SATWE目前的楼梯参与计算情况不够理想，不能过分依赖。
设计可在比较合理的基础上利用计算软件，不拘泥于细节，不追求过高的计算精度，强调按概念设计进行各种调整四、处理方法的建议1、楼梯间的布置应尽量减少其造成的结构平面特别不规则，楼梯间四角宜设竖向抗侧力构件尽可能不导致结构平面不规则是钢筋混凝土结构中楼梯布置的概念设计基本要求，并应注意楼梯构件对整体的影响主要表现在沿梯板方向，垂直于梯板方向影响相对较小楼梯间四角部分不设竖向构件时，竖向荷载、水平地震作用传递不直接，更易加剧楼梯影响的复杂性，应尽可能避免2、由于楼梯构件的影响目前较难准确计算，所以尽可能采用规范允许不参与整体计算的楼梯形式，梯板滑动支承于梯梁（板）上或楼梯间沿梯板方向设置刚度足够大的抗震墙a、梯板滑动支承于梯梁（板）上国家标准《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（现浇混凝土板式楼梯）》（11G101—2）中提供了采取抗震构造措施、滑动支承于梯梁（板）上的梯板形式ATa、ATb，在此基础上可考虑当建筑面层厚度控制在10mm左右时，允许其覆盖预留滑动空隙的表面，以便建筑设计人员乐意接受此节点做法也可由设计者选用其他能起到有效滑动的材料和节点做法，参考节点做法可见图七。
图七b、楼梯间沿梯板方向设置刚度足够大的抗震墙有下列两种设置方式可认为满足“刚度足够大”的要求，参见图八图八b1、梯板两端梯梁支承在同一片抗震墙上研究表明当梯板两端梯梁支承在同一片抗震墙上，不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响差别不大在前述单跨框架模型基础上，在楼梯间沿梯板方向加设两片墙，验算结果证明此观点成立，该模型不考虑或考虑楼梯构件对结构整体的影响对比见表二同片墙周期1周期2周期3不考虑0.8359（0.00＋0.63＋0.37）0.6957（1.00＋0.00＋0.00）0.4511（0.00＋0.37＋0.63）考虑0.8347（0.00＋0.63＋0.37）0.6821（1.00＋0.00＋0.00）0.4415（0.00＋0.38＋0.62）相差 %-0.14-1.95-2.13同片墙X向剪重比Y向剪重比X向最大层间位移角Y向最大层间位移角X向最大位移比Y向最大位移比不考虑6.624.741/1200（第2层）1/650（第3层）1.12（第6层）1.69（第1层）考虑6.604.711/1251（第2层）1/651（第3层）1.10（第6层）1.70（第2层）相差 %-0.30-0.63-4.08-0.15-1.790.59表二： 楼梯间设抗震墙主要控制指标变化对比表 在带抗震墙的结构形式中，要求梯板两端梯梁支承在同一片抗震墙上可能会对设计利用楼梯间抗震墙开洞来调整结构平面不规则产生限制。