中船第九设计研究院工程有限公司
随着国民经济的发展，城市化进程日渐加快，许多商业和住宅建筑中，建筑平面形式不断在寻求新的突破，与此同时，建筑防火规范对于疏散要求也在不断地提高，因此，在这种情况下，楼梯间设计时，往往因为平面或疏散要求而受到各种制约，无法实现滑动支座的做法。故根据规范要求，框架结构主体的抗震计算中，应计入该部分楼梯构件的作用效应。
目前框架结构中抗震楼梯主要有两种工程技术措施：一是设置滑动支座二是楼梯段与结构主体整浇但必须参与整体结构计算。前者能够有效地释放楼梯斜段对于柱身的斜撑作用，避免框架柱中段受到较大的集中力，但是此类型对于梯段选型有比较高的要求，对于平台段较长的BT型、DT型以及跨度较大导致板厚较大的AT型、CT型楼梯来说，较难实现滑动支座的设置。后者则可以解决各类相对复杂型楼梯及跨度较大导致梯板厚度≥160mm不适宜做滑动支座类型楼梯的计算，但因计入楼刚度响，所以会对结构内力计算及局部构件配筋产生影响，故该影响是本文的重点研究对象。本文将结合具体工程实例来谈谈楼梯按实际建模在工程实际设计过程的设计。
1 工程概况
某中学行政楼所位于江苏省仪征市，地上为五层的现浇框架结构，地下设一层局部地下室，单层建筑面积约为916m2，层高3900mm，建筑高度23.5m；抗震设防烈度为7度(0.10g)，场地类别为III类；楼梯位于东西两侧第二第三柱跨之间，为现浇两跑楼梯，楼梯间柱网尺寸6600x7500mm。梯段投影长度为3360mm，梯段类型为BT型及AT型两种。
2 楼梯建模
2.1 相关条文
根据《建筑抗震设计规范》第6.1.15条文规定[1]：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浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件的抗震承载力验算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响。
2.2 楼梯构件选取
考虑到梯板受力情况相对比较复杂，同时承受轴力剪力及弯矩，故考虑采用梁元(6自由度)进行建模；梯柱则仅以承受竖向力为主，故考虑采用支撑杆元建模(6自由度)，且仅模拟平台下段梯柱，梯梁梯板则按梁元板元进行常规建模。
2.3 第一跑梯段与基础连接形式
本工程第一跑梯段板与基础梁相连接，但高差较大，所以建模时，若梯板直接与基础刚性连接，梯板布置角度与真实情况大相径庭且大量上部结构楼梯间的地震内力将分配至基础，使得上部结构计算偏于不安全，故在此可进行两种处理办法：一、按《PMCAD用户手册》定[1]：在梯板第一踏步与基础面之间设置一道100x100mm截面的支撑杆元(6自由度)，这样可以有效地模拟出第一跑梯段板与基础的连接做法，使得计算更接近真实情况；二、在不影响模型其他区域的前提下，将第一跑梯段板改为支撑杆元(6自由度)，抬高最高基础面参数至第一跑第一踏步底标高处，然后在setwe前处理特殊构件定义中，设置此踏步底端部与基础面铰接，亦可达到上述效果。
2.4 计算及结果对比
（1）结构主体指标变化
由于楼梯刚度的影响，所以对结构振动周期，位移，两项指标有着较大的影响：
(楼梯参与整体结构计算)考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数：
图2 (楼梯不参与整体结构计算)楼梯间范围内局部构件配筋结果
由对比可见，两者柱配筋结果比较相近，而梁配筋结果则存在一定差异，主要原因有以下几点：1. 楼梯不参与计算的模型，因为模型本身的简化导致在荷载输入时会偏于保守，同时荷载的导荷方式和导荷方向也存在一定的失真，故会出现几处梁底钢筋计算值大于楼梯参与计算的模型的情况；2. 斜梯段板为Y方向主体结构提供了较大的侧向刚度，所以楼梯参与计算的框架梁在地震力分配的时候水平力更集中在此跨，从而导致Y方向梁顶部钢筋计算值普遍大于楼梯不参与计算的模型；3. 同样因为斜梯段板作用的原因，楼梯参与计算模型的梯梁计算配筋值远大于不参与计算的，故此处若果仅参考后者的计算值配筋的话，结构会存在一定的安全隐患。
3结论及建议
本文通过仪征市某中学工程的楼梯建模、计算及比较，介绍了楼梯在计算软件中建模的方法和原则，并对有无楼梯参与整体结构计算进行了比较与分析，得到如下结论和建议：
(1) 对于框架结构中无法设置滑动支座的楼梯，应当按照实际工程情况，在结构整体模型中建出，并带入结构整体计算。
(2) 在工程设计过程中，宜考虑对楼梯不参与计算和楼梯参与计算两个模型在2~3跨范围内进行包络设计，以提高楼梯间的抗震安全贮备，确保在地震发生时，作为逃生安全通道的可靠性。
(3) 梯段板的设计也应按照简支计算模型和楼梯参与计算模型中输出的计算配筋值采取包络设计。
(4) 本文所介绍的建模方法中，由于梯段板采用梁元(6自由度)进行建模，而楼板及半平台板均采用普通楼板建模，两者之间内力的连续关系存在一定的失真，故可考虑半平台板同样采用梁元(6自由度)进行建模，而配筋设计时，楼板、半平台板及梯段板的板面钢筋也应考虑适当加大。
参考文献
[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范（2016年版）.
[2]PMCAD用户手册及技术条件（2010版V2.1）.中国建筑科学研究室.
[3]GB50010-2010，混凝土结构设计规范（2015年版）.
论文作者:潘生幸
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第22期
论文发表时间:2018/1/4
标签：楼梯论文; 建模论文; 结构论文; 构件论文; 楼梯间论文; 模型论文; 自由度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第22期论文;