混凝土框架结构楼梯参与计算的抗震性能研究及建议.pdf

l 58 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 4 0卷第 6期 2 0 1 4年 l 2月 混凝土框架结构楼梯参与计算的 抗震性能研究及建议 吕延超 ， 陈 勇， 董志峰， 高 键 中国建筑东北设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳l 1 0 0 0 6 摘要 通过对某框架结构实际工程的分析计算， 得到了楼梯对框架结构抗震性能的影响和楼梯自身的抗震特性。 结果表明， 地震作用下楼梯参与计算时框架结构整体指标和楼梯周边构件内力变化很大， 楼梯自身地震反应强烈。 根据分析结果 ， 提出了设计建议。 关键词 楼梯； 框架结构； 抗震； 设计建议 中图分类号 T u 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 4 0 61 5 8 0 4 S t u d y o f s e i s m i c p e r f o r ma n c e a n d d e s i g n s u g g e s t i o n s f o r RC． f r a m e s t r u c t ur e s wi t h s t a i r c a s e s L U Ya n c h a o， C HE N Yo n g ， DONG Z h i f e n g， GAO J i a n C h i n a N o r t h e a s t A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n aly s i s a n d c a l c u l a t i o n o n a f r a me s t r u c t u r e b u i l d i n g， t h e e f f e c t o f s t a i r s o n t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f t h e f r a me s t ruc t u r e a n d t h e s e i s mi c b e h a v i o r o f s t a i r s c a n b e o b t a i n e d ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e o v e r a l l p a r a me t e r s o f t h e f r a me s t ruc t u r e a s wh i l e a s t h e i n t e r n al f o r c e o f t h e s t ruc t u r a l c o mp o n e n t s a r o u n d t h e s t a i rs a r e o b v i o u s | y c h a n g e d wh e n t h e s t a i r s are t a k e n i n t o a c c o u n t i n t h e s e i s mi c c o mp u t a t i o n ． T h e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e s t a i r u n d e r s e i s mi c a c t i o n i s v e r y i n t e n s i v e ． Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s r e s u h s ， t h i s p a p e r p r o v i d e s d e s i g n s u g g e s t i o n s t o s i m i l a r p r o j e c t s ． Ke y wo r d s s t a i r s ； f r a me s t r u c t u r e ； s e i s mi c d e s i g n； d e s i g n s u g g e s t i o n s 0 引 言 从以往地震灾害尤其是汶川地震可以看到 ， 大 量框架结构的楼梯 间遭到严重的破坏 ， 是震害集 中部位。研究也表明， 框架结构体系计算计人楼梯 构件后 ， 受力性能发生了较大变化 。本文选取某 典型的多层框架结构工程 ， 对楼梯参与计 算的结构 整体和楼梯构件进行了深入研究 ， 提 出了将梯柱上 下贯通和加强梯梁抗震构造的设计建议。 1 楼梯对结构抗震性能的影响 1 ． 1 工程 概况 某框架结构宿舍楼 ， 地上 6层 ， 建筑高度 2 1 ． 5 m， 建筑 面积 5 6 9 0 m ， 标准层平面结构布置如 图 1 所示 。抗震设防烈度为 8度 ， Ⅲ类场地土。该工程 2个楼梯布置在建筑平面长方 向的两端 ， 楼梯方 向 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 - 0 6 作者简介 吕延超 1 9 8 2～ ， 男 ， 硕 士 ， 高级 工程 师 ， 研究方 向 建 筑 结构 。 基金项 目 中建股份科技研发课题项 目 C S C E C 一 2 0 0 9 一 Z 一 3 0 E ma i l l v y c h 1 2 6． c o m 为沿建筑平面短方 向， 是较为典 型的楼梯平面布置 方式。通过结构模 型计入楼梯构件 前后 的对 比计 算 ， 分析结构抗震性能的变化。 呈 一 * 辱 一 手 畴 * 啼砖 峙 * 母* 十 番 一 { l l} 匿 I l l ；l 亡 筐 I l |_ l t 一 l l ㈠l l l L 盯善 每 丰 每 { 弗 毒 喜 毒 譬 ．卜 百 、 I 4 3 o o q 3 3 o 0 i 3 3 o o 13 3 0 0 1 3 0 o b 3 0 0 I3 3 0 0 I3 3 0 0 b 3 0 0 l 3 3 3 3 j 3 0 0 { 3 3 o o l3 3 O 0 L3 3 0 J，6 6 0 0 I ， o 0 j 6 6 o o l 6 6 0 o ⋯ 6 6 o o}6 6 o o}6 6 0 0 } 钿 。 图 1 标准层平面结构布置 Fi g．1 The l a yo ut pl an o f s t and ar d flo or 1 ． 2 楼梯对周期的影响 结构考虑楼梯作用前后 的 自振周期见 表 l ， 楼 梯参与计算对 y向 顺梯段方 向 平动和扭转周期 影响较大 ， 周期减小 ， 考虑楼梯作用与不考虑楼梯作 用的周期 之 比介于 0 ． 8 7 7～0 ． 9 7 1之 间， 而对 向 垂直于梯段方 向 平动周期影 响不大。可见 ， 楼梯 构件的斜撑作用 ， 对该方 向结构刚度贡献很大 ， 由于 楼梯布置在建筑长方 向两端 ， 结构抗扭刚度也 明显 吕延超， 等 混凝土框架结构楼梯参与计算的抗震性能研究及建议 1 5 9 提高。 表 1 Ta bl e l 考虑楼梯 作用前后的结构 自振周期对 比 Compa r i s on o f s t r uc t ur a l na t ur a l pe r i o ds o f v i br at i o n 1 ． 3 楼梯对基底剪力和倾覆弯矩的影响 结构考虑楼梯作用前后 ， 地震作用下的基底剪 力及倾覆弯矩见表 2， Y向的基底剪力及倾覆弯矩 明 显变大 ， 增加了 1 0 ％以上 ， 而 向的基底剪力及倾 覆弯矩变化较小。说明楼梯对顺梯段方 向的结构刚 度做出贡献的同时， 相应的地震力也增加了。 表2 考虑楼梯作用前后的基底剪力和倾覆弯矩对比 Ta b l e 2 Co mp a ris o n s o f b a s e s h e a r f o r c e s a n d ov e r t ur ni ng mome nt s 1 ． 4 楼梯对位移的影响 结构考虑楼梯作用后 ， 地震作用下 】 ， 向的最大 层间位移角变为原来 的 8 1 ． 3 ％ ， 最大位移 比变为原 来的 9 6 ． 1 ％； 而 向的最大层间位移角变为原来 的 9 5 ． 7 ％ ， 最大位移 比变为原来 的 9 9 ． 7 ％ 。结 构顺梯 段方向的位移在楼梯构件 的影响下大大减小。 1 ． 5 楼梯对周边构件的影响 地震作用下 ， 楼梯 间角部的框架柱受楼梯构件 影响明显 ， 轴力 Ⅳ增大 ， 个别柱增大了 1 0倍 以上 ； 向地震作用时 与梯段方 向垂 直 ， 柱剪力 变化 不大 ， 弯矩 稍有减小 ； Y向地震作用时 与梯段方 向相同 ， 个别柱剪力 增大很多， 弯矩 或增大 或减小 ， 如图 2所示。 考虑楼梯作用前后 ， 顺 梯段 方 向的框架梁 L l 、 L 2， l ， 向地震作用时 ， 其剪力增大 ， 弯矩有所减小 ； X 向地震作用时， 其剪力明显增大， 弯矩或增大或减 小。垂直于梯段方向的框架梁 L 5一I J 8 ， y向地震作 用时 ， 其剪力和弯矩明显增 大， L 8内力增大 了 1 0倍 以上 ； 向地震 作用时 ， 其剪力 、 弯矩均减小 。对于 次梁 L 3 、 L 4 ， 不论地震作用方 向与梯段方向是否相 同， 其剪力 、 弯矩均大幅度增加。楼梯周边梁的内力 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 有楼梯Ⅳ， 无楼梯Ⅳ 图 2 考虑楼梯作用前后 的框架柱 内力比值 Fi g ． 2 Th e i n t e r n a l f o r c e r a ti o o f t h e f r a me c o l u mn s 变化 ， 如图 3所示 。 。 。- L1 加自地 震 地震 地 震 地 震 地震 蹬 拙 图 3 考虑楼梯作用前后周边梁的 内力 比值 Fi g ． 3 T h e i n t e r n a l f o r c e r a t i o o f b e a ms s u r r o u n d i n g t h e s t a i r c a s e 6 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 l 6 5 4 3 2 l 嗵鼙 帮 噬 6 5 4 3 2 l 6 5 4 3 2 6 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 1 喽 噬帮 随 噬 1 6 0 四川建筑科学研究 第 4 0卷 2楼梯 抗震性 能分析 对框架结构 中双跑楼梯的抗震性能进行研究 ， 由于地震作用沿顺梯段方 向时楼梯地震响应较大， 因此只对顺梯段方 向地震作用进行说明。图 4为楼 梯间在小震 、 中震 、 大震作用下的变形状态及应力云 图。 小 震 中震 大 震 图 4 楼梯 问在小震 、 中震、 大震作用 下 的变形状态及应力云 图 Fi g． 4 The de f o r mat i o n and s t r e s s c ont o ur o f t he s t ai r c a s e un de r di ffe r e nt s e i s mi c c as e s 可以看出， 水平力作用时， 斜梯板产生较大平面 外挠曲变形 ， 这是因为面外刚度较差 ， 容易发生平面 外弯曲破坏 ， 类似于斜支撑的平面外失稳破坏 ， 这与 实际震害发生时楼梯板的破 坏状态相对应。另外 ， 层问休息平台内侧梯梁 的跨 中是应力集中最为严重 的位置 ， 此处承受了上下斜梯板传来 的弯矩 、 剪力 、 扭矩 ， 受力状态非常复杂。从计算结果看 ， 地震作用 下梯梁的内力远大于重力荷载作用时的内力 ， 小震 作用下梯梁剪力和弯矩就达到重力荷载作用时的几 倍甚至十几倍 ， 见表 3 。可见， 地震作用时 ， 楼梯结 构很容易在梯梁跨 中发生弯剪破坏 ， 这与实际震害 发生时梯梁的破坏状态相对应 。 表 3 休息平 台内侧梯梁 内力 剪力／ k N。 弯矩／ k N m 】 Tabl e 3 I n t e r na l f o r c e o f the be a m o f t he s tai r pl a t f o r m s h e a r f o r c e ／ k N。 b e n d i n g mo me n t ／ k N m 以层间休息平 台的角点为参考点 图 4 ， 考查 楼梯间地震作用下 的变形位移 ， 结果 见表 4 。由于 楼梯问整体稳定性较差 ， 地震来临时， 水平晃动的很 厉害 ， 小震作用时 ， 梯柱位移角就达到 了 1 ／ 2 5 4 ， 远 大于结构楼层位移角 ， 这主要是因为梯柱是下端以 混凝土梁为支座 的悬臂柱 ， 水平受力性能很差， 地震 作用时， 很容易在柱根或柱顶发生破坏， 造成楼梯的 整体坍塌。为此 ， 建议将楼梯柱上下贯通 ， 使之成为 连续柱 ， 如图 5所示 ， 水平受力性能将大为改善。梯 柱贯通后 ， 柱底 内力的变化见表 5 。从 表中可以看 出， 将梯柱上下贯通的效果很 明显 ， 柱底剪力 、 弯矩 变为原来的 1 0 ％ ～ 2 0 ％左右 ， 大大提高 了楼梯 间结 构的水平受力性能。 表 4 层 间休息平 台角点 l ， 向层 间位移 Ta bl e 4 St or y dr i f t i n Y- d i r e c t i o n of t he a ngu l a r poi nt o fth e s t a i r p l a t f o r m n ] nl 图 5 楼梯柱上下贯通 F i g ． 5 Co n t i n u o u s s t a i r p o s t s i n the F EA m o d e 表 5 梯柱贯通前后的柱底 内力对 比 剪力／ k N。 弯矩／ k N m Ta bl e 5 I nt e r na l f o r c e r a t i o a t t h e c ol umn b ot t om s h e a r f o r c e ／ k N， b e n d i n g mo me n t／ k N m 吕延超， 等 混凝土框架结构楼梯参与计算的抗震性能研究及建议 1 6 1 3结论及建议 楼梯对框架结构顺梯段方 向的结构抗震性能影 响很大。楼梯提高 了顺梯段方 向结构刚度 ， 减小了 该方向的结构 自振周期 和位移 ， 增大 了该方 向地震 作用下的基底剪力和倾覆弯矩。楼梯周边结构构件 内力受楼梯构件的影响也很 明显 。角部框架柱 的轴 力和顺梯段方 向的剪力 、 弯矩 与不考虑楼梯构件 时 相 比增大很多， 楼层次梁的剪力和弯矩增大的幅度 也很大 ， 应力集中处可达几十倍。因此， 结构设计时 应给予充分重视 ， 采取相应措施。 地震作用时， 楼梯间整体稳定性较差， 这与楼梯 柱的上下不连续关 系很大 ， 容易在柱根或柱顶发生 破坏 ， 造成楼梯 的整体坍塌。建议将 楼梯柱上下贯 通 ， 使之成为连续柱， 这将大大改善楼梯间结构 的水 平受力性能。层间休息平台内侧梯梁的跨中是应力 集中最为严重 的位置， 受力状态复杂， 建议提高配筋 构造 ， 有必要时可在梯梁 内设置钢板或型钢 ， 提高震 害发生时的结构延性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 冯远 ， 吴小宾 ， 李从 春， 等． 现浇楼梯对框 架结构 的抗震影 响 分析与设计建议[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 1 0 1 0 ． [ 2 ] 彭笑川 ， 王磊 ， n i - J ] , 林． 地震 作用后 楼梯 间受损梯梁 构件 的 破坏原因分析及加 固设计 [ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 1 1 8 ． [ 3 ] 袁泉 ， 徐慧君． 楼 梯对框 架结 构刚度 影响 分析 [ J ] ． 工 业建 筑 ， 2 0 1 2 1 ． [ 4] 王奇 ， 马宝 民． 钢筋混凝土现浇楼梯对整体 结构的影响 [ J ] ． 建筑结 构， 2 0 0 2 ， 3 2 4 ． 上接 第 1 5 7页 构整体受力产生影响。逐墩支座更换时， 拟在上下 游支座两侧布置千斤顶， 当上下游千斤顶竖 向位移 不同步时 ， 将对桥梁受力产 生不利影响。0 、 1 、 4 和 5 墩支座更换 时， 由于两端跨为混凝土 T梁 ， 竖 向不均匀位移将在 T梁与 T梁接缝处产生较大剪 力 ； 2 和 3 塔支座更换时 ， 竖 向不均匀位移将使横桥 向钢梁受力不利 ， 并沿横桥 向产生分力 ， 使落梁危险 性提高。 为减少竖 向不均匀位移可能产生的影 响， 将横 桥 向顶升竖向位移差控 制在 0 ． 2 mm以 内， 为此在 顶升施工 中采用 了 P L C多点 同步顶 升控制设 备。 设备液压系统 由计算机控制 ， 可 以 自动完成 同步位 移 ， 实现力和位移的控 制、 位移误差 的控制 、 行程 的 控制 、 负载压力的控制 ； 油缸液控单 向阀可防止任何 形式的系统及管路失压 。同时， 整个 提升过程用位 移传感器对竖向位移进行实时动态监控 。 5结论与展望 该桥 由于经常遭受 台风影 响和长期超 负荷 运 行 ， 支座出现 了盆腔内橡胶挤出， 聚四氟乙烯滑板挤 出至中间钢衬板外 围， 同时伴有脱空现象 、 支座钢构 件锈蚀等病害， 支座需进行更换。本文针对上述情 况 ， 提 出采用顶升对支座进行更换 的改造方案。 1 建立了全桥有限元模型 ， 通过顶升工况下计 算分析 ， 确定 了各支座处千斤顶提升吨位和控制顶 升量 2 0 mm。 2 制定了专 门的施工监控方案 ， 主要对应力 、 位移进行监控 ， 尤其加强 了对索力的监控 。 3 采用 了转角大、 耐磨性强的新型球形钢支座 替代原盆式橡胶支座 。 4 在施工过程中， 采用 了 P L C多点同步顶升设 备 ， 并进行摩擦副设计以减少施工对原桥梁的影响。 该桥支座更换采用的监控及施工措施 ， 保证 了 施工的顺利进行 ， 且最大程度减小 了支座更换施工 对桥梁 的影响 ， 可为 以后 同类桥梁支座更换施工提 供借鉴 。 参 考 文 献 [ 1 ] 梁志成 ． 某立交 连续箱梁 匝道桥变位修 复的顶梁施 工 [ J ] ． 公 路 ， 2 0 0 3 7 1 2 6 ． 1 3 1 ． [ 2] 姜福香 ， 侯瑞林 ， 王玉 田， 等． 多跨混凝土连续 梁桥 整体转动提 升技术 [ J ] ． 公路 ， 2 0 0 3 1 2 3 8 - 4 0 ． [ 3 ] 马宏辉． 某桥梁侧偏病害的纠偏方案比选[ J ] ． 城市道桥与防 洪 ， 2 0 0 9 7 1 7 9 1 8 2 ． [ 4 ] 袁新华 ， 陈绪刚． 摩擦阻荷原理 在桥梁平移工程 中的应用 [ J ] ． 结构工程师 ， 2 0 1 1 2 7 1 4 9 1 5 3 ． [ 5 ] 吕玟 ， 潘钟麟 ， 江育 龙． 上海轨道 交通六 号线赵 家沟大 桥施 工监理关键技术[ J ] ． 结构工程师， 2 0 0 9 ， 2 5 1 1 3 5 ． 1 4 0 ．