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在某设计院实习，由于我思考及画图的速度都太慢了，所以一个月了，楼梯还没有画好，没画懂。说明下功夫还不够。现在真的感觉要学习的东西很多，本科学习的《建筑结构设计》及《混凝土结构设计》课本应该拾起来，当然画图的速度也很有待提高。 看了网上的一些帖子，想将楼梯结构设计的知识整理下来。之所以整理，是因为我在看11G和16G图集时发现一些地方做了调整，比如16G明确要求梯梁全长布置箍筋，16G的楼梯形式做了很大变动，对这些变动感到很疑惑，所以查了些资料。下面涉及的东西来自知网文献、土木论坛、微信文章、PKPM楼梯说明书、还有书籍资料等等。 既要知其然，又要知其所以然，写起来，加油，哈哈！  我的思路是： 1. 先从整体角度看待楼梯这个结构部件：在地震中的震害、原因、楼梯结构的受力；楼梯对结构整体的影响； 2. 然后是规范及图集对楼梯计算的要求，尤其会提到11G101与16G101图集的调整，为什么这样调整； 3. 接下来是楼梯部件本身的计算，主要是梯段板和梯梁、梯柱； 4. 最后针对网络上我看到资料，整理一些知识点，同时列出一些与楼梯结构设计相关的问题，给出我的理解和回答； 5. 最最后，希望能把我画楼梯过程，针对具体楼梯项目遇到的问题，写下来。 一、楼梯在地震中的震害及楼梯受力情况--主要针对框架结构 每一次地震都相当于经历了一次振动台实验，震害给我们结构设计提供了很好的指导。汶川地震及芦山地震都有很多“生动鲜活”的例子，值得我们思考，都是血的教训啊。砌体结构和框架结构的楼梯破坏比较严重。对于框架结构，汶川地震中楼梯破坏的形式主要有以下几种： 1.梯板TB：底板中部出现裂缝，有的中部拉断。 2.梯梁TL（层间）：在梯井部分剪切破坏。 3.梯柱TZ：顶部和底部出现裂缝。 4.与层间平台板相连的框架柱KZ（即：兼做梯柱的框架柱）：发生剪切破坏。 5.层间平台板PTB：梯梁破坏处至框架柱之间出现斜裂缝。 下面是破坏现场照片：     为什么会出现上述破坏呢？ 需要指明，在汶川地震之前，楼梯的设计是：只按照静力计算楼梯构件（TB、TL、TZ、PTB）进行配筋，不计算楼梯部件的抗震，也没有抗震构造措施；PKPM对主体结构整体建模时，楼梯部分板厚设置为0，施加楼梯间的恒活荷载然后计算，不考虑楼梯和主体结构的相互影响。 那么楼梯怎么施工呢？对于框架结构，楼梯通常与主体结构一起现浇。文献中提到“楼梯梯段中部1/3处一般为施工缝位置”。 ======================================================================= 接下来，我们分析楼梯各个构件的受力。主要分析典型的AT型楼梯，不涉及具体折板类楼梯。   上图为典型楼梯结构在水平地震作用下的变形，同一层的两个梯板相当于该层的“K形支撑”，在水平往复荷载作用下，发生拉压变形，如下图所示。   所以整个楼梯在框架结构中的作用就明朗了，相当于：K形支撑。 在地震作用下，两个梯段板承受反复拉压力，同时承受弯矩，所以梯段板为拉弯、压弯构件。这也就解释了地震中梯板发生的破坏：底板中间部位出现裂缝，有的直接被拉断。因为混凝土不抗拉，梯板反复拉压使混凝土开裂，压力使钢筋压曲，导致裂缝截面处混凝土再次崩裂剥落。 除了受力原因外，还有两个原因：（1）上面提到的梯段板中部大约1/3处一般为施工缝位置；（2）负筋也在这个位置负筋截断，下图为16G101-2中AT型楼梯的配筋构造图，显示了梯段板负筋的截断位置：大概就是1/4-1/3的位置。这些原因导致了地震中梯段板中间薄弱部位出现了水平裂缝，当受力较大，配筋不足时，梯段板被拉断。  那么如何加强梯板？ 16G1010-2中ATc梯板配筋构造图如下所示，2.2.6条规定：梯板采用双层配筋，负筋要通长。  那么梯梁受力如何？ 梯梁在常规计算中都当做承受平面内竖向荷载的受弯构件--单跨简支梁，但是由于梯段板在地震中承受拉压力，梯段板的拉压力是由梯梁承受的，所以实际上，梯梁除了承受平面内的竖向恒活荷载外，还承受着平面外梯段板传来的剪力。 （插播一句，什么是平面内平面外呢？以一根梁为例，梁有高度和宽度，梁能提供的最大弯曲抗力是由高度方向提供的，梁主要的受力也是沿着高度方向，高度所在的平面就是平面内，而沿着宽度的平面就是平面外啦。其实面内面外都是相对的，取决于我们关注的受力情况。在论坛上看到一句话：“一个直尺，你能轻易弄弯叫平面外刚度，搞不弯的是因为平面内刚度造成”，这句话说的很形象。） 上图(c)所示即为梯梁承受的面内面外双向剪力，由于梯段板传来的平面外的力，梯梁实际承受的剪力非常大，从图(b)可以明显看出来，平面内的力引起的梁跨中部分的剪力很小，平面外的力引起的梁跨中部分的剪力很大，而跨中部分通常是梯井。所以梯梁实际为承受双向弯剪的构件，当然还有扭。梯段板传来的荷载与平台板传来的荷载不平衡，梯梁受扭；也有研究表明，梯梁在梯井的部位，易发生应力集中。以上受力情况解释了地震中梯梁的破坏情况：由于梯段板的拉压错动使得梯梁发生剪切破坏，梯梁跨中部位（梯井的部位）破坏严重。 那么如何加强梯梁？ 新版图集16G101-2在2.2.8条规定了梯梁的构造： 箍筋全长加密，提高抗剪能力！ 为何是“支承在梯柱上的梯梁”？支承在梯柱上的梯梁主要指层间平台的梯梁。回到前面楼梯在框架结构中的变形图，水平地震作用下，上下楼层会产生剪力差和变形差，同一楼层的上下两个梯段板起着传递这种剪力差的作用，这种楼层剪力差会传递到层间梯梁上。实际上，楼梯的层间平台，相当于结构的夹层，所以受力复杂呀。 对于其他震害情况，简单说明下： 梯柱：端部破坏----端部抗剪不足。 与层间平台相连的框架柱（兼做梯柱的框架柱）：由于层间平台作用，形成短柱，剪切破坏。（所谓短柱，就是跨高比小，剪跨比大，剪切变形不能忽略。） 综合上述分析，对于楼梯各个构件的设计，我们要注意什么呢？
======================================================================= 下面专门拿出图集中的ATc型楼梯进行说明。 选择ATc，是因为ATc是图集中表2.2.1规定的针对框架结构的、唯一一个既有抗震构造措施、又参与结构整体计算的楼梯类型（16G和11G中表2.2.1楼梯类型的调整，后面我会提到）。前面我们提到，汶川地震前，楼梯设计是单独设计的，没有抗震构造，主体结构也只把楼梯当做荷载。现在，我们来看看图集中对ATc的规定： 左图为11G，右图为16G，两者相比的区别在于16G增加了第5条：对钢筋提出了特别的要求。其实这条不是空穴来风，这条与《抗规2010版》3.9.2条一致，条文和说明见下图。16G中说明白了，ATc楼梯参与结构整体计算，相当于结构中的斜撑，所以抗震要求高。要求钢筋满足三个方面要求：（1）抗拉强度实测值和屈服强度实测值比值不能小了， →要有强度储备，屈服以后离钢筋拉断还有一定距离；（2）对于屈服强度，实测值和标准值不能差的太大，因为计算都是按照标准值来的，如果实际和计算相差太大，计算还有什么可靠性？如果实测值过大，那么“强柱弱梁、强剪弱弯”没效果；（3）总伸长率不能太小，要有延性，也就是在最大的拉力下有良好的变形能力，不至于一拉就断，脆性破坏。 下图为ATc梯板的截面配筋，前面出现过，和2.2.6条说明一致：梯板双层配筋，也就是说负筋要通长啦；梯板两端设置边缘构件加强；平台板也要双层双向配筋。 前面图集中关于ATc还有一个要求：楼梯休息平台与主体结构可以脱开也可以连接。也就是像下面图示的那样：层间平台板四个角设置四个梯柱，框架柱不作为梯柱。 为什么可以这样？前面提到过，地震中与层间平台相连的框架柱，容易形成短柱，发生剪切破坏。如果对层间平台板单独设置梯柱，尽量减少楼梯与主体结构的连接，可以减少对框架柱的影响。图集中给出了独立梯柱与框架柱之间脱缝的宽度：50mm。关于这点，推荐文献[1]，写的很详细，前面我写的很多东西也参考了该文献。这篇文献中这样解释： 在ATc平面图的下面的第5条说明：“楼梯休息平台与主体结构整体相连时，应对短柱、短梁采取有效的加强措施，防止产生脆性破坏。”这点也需要注意。（又有了问题，什么情况下算是短柱短梁？怎么样加强？这个问题先留下来，以后再解决。 ） 上面啰嗦了这么多，其实只说明了两个问题：地震中框架结构楼梯的破坏和受力。接下来，必须考虑：楼梯对于主体结构整体的影响、对主体结构构件内力的影响。 前面也留下了问题：为什么除了ATc以外还有其他楼梯类型；16G和11G的楼梯类型为什么做了调整，这些都涉及到了楼梯对于不同结构类型的影响。 （吐槽一下，专家们编了图集，可是也没有个像规范一样的条文说明，解释下为啥这样操作，图集上的这些东西怎么来的呀，没说明，难道是专家们拍脑袋想出来的 。）二、楼梯对主体结构整体的影响、对主体结构构件内力的影响 第一部分，介绍了汶川地震中框架结构楼梯破坏的情况。汶川地震中楼梯破坏比较严重的是：砌体结构和框架结构，框剪结构楼梯间破坏较小。对于砌体结构在地震中的破坏，主要在于那时候建的砌体没有圈梁构造柱之类，缺少相互间的拉结；楼梯间的墙高度高，没有有效支撑；楼梯的平台板什么的都是伸入墙里面的，缺少有效的锚固。如果砌体结构都按照现在的规范要求，做好构造措施，楼梯间的破坏应该也是很小的。
对于砌体结构、框架、框剪、剪力墙结构：砌体结构属于“刚性结构”，刚度大，因为开间进深都小吧；框架和框剪、剪力墙相比，框架刚度小，楼梯间对于框架结构的影响更大（当然也与具体结构布置有关）。 为什么？楼梯间的开间一般都不会太大，所以楼梯间的刚度比较大，而框架结构类型整体的刚度较小；地震作用下剪力是按照刚度分配的，楼梯间的刚度大，所以楼梯间承受到的地震作用大；楼梯间承受的地震作用大，但08年前有楼梯设计又不考虑抗震，所以承受荷载大，但配筋少强度不足，所以框架结构楼梯地震下破坏严重；这点也说明了楼梯间对框架刚度分布影响最大。 还有一点，在水平荷载作用下，框架结构发生的是剪切型变形（什么是剪切型变形？以后解决有时间再谈谈这个问题）楼梯的破坏程度随着楼层的增加而逐渐减轻。前面我们提到，同一楼层的两个梯段板承受着上下楼层不同的层间位移和层间剪力。 对于剪力墙结构中的楼梯间，周边的剪力墙对楼梯间有保护作用，楼梯间剪力墙有较大的抗侧刚度，地震时侧移小，抗震性能好，因此没有发生大的破坏。 所以，楼梯间对框架结构的影响最大，因为楼梯间的斜撑作用明显。在谈及楼梯间对框架的具体影响前，回过头来看看1前面留下的问题：11G和16G楼梯类型的调整：这里只看楼梯适用结构，11G增加滑动支座只针对框架结构，说明了楼梯间对框架结构的影响最大；16G中AT和GT楼梯的使用结构里面没有框架结构了，只剩下剪力墙和砌体，对框架结构增加了CTa和CTb，说明了专家对框架结构中楼梯的重视，可以预见，下次修订，针对框架的楼梯类型会更加全面和完善。 对于框架结构，采用滑动支座也好，前面提到的层间平台设置独立梯柱（不与框架柱相连）形式，目的都是减少楼梯间与主体结构的连接，减少楼梯承受的地震作用，减少对主体结构的影响。现在还有新型的隔震支座形式的楼梯。 为什么要滑动、减震、要隔震，不能“硬抗”呢？（这就涉及到“减震”相对于“抗震”的好处了） 如果考虑楼梯自身的抗震 和对结构的影响，楼梯间刚度大，按刚度分配到楼梯构件及周边结构构件的地震作用效应就大，内力非常大，设计时易超筋；如果增大构件截面尺寸，会使楼梯区域刚度进一步加大，地震作用效应继续加大。所以，“硬抗”思路不可行，同时建筑上不允许截面过大，造价也会变高，所以采用减震的技术。 ======================================================================= 楼梯间对框架主体结构的影响，主要在于两大方面：1.结构整体刚度分配、周期、振型；2.与楼梯间相连构件（梁柱）的内力。 众多文献和资料，都以实例说明了楼梯间位置对框架结构的影响，下面我只把结论“搬运”归来，以后有机会，我也用个实例来说明下。 《抗规2010培训教材》中的结论： 楼梯对框架结构整体分析的影响： 1.结构计算周期：计入楼梯构件影响后，沿着楼梯方向侧向平动刚度加大，对应的这个方向的平动周期减小；垂直梯板方向平动周期影响小；楼梯布置数量和位置对整体结构的扭转影响很大。 楼梯对框架结构构件内力的影响： 三、规范中对楼梯的规定： 《混凝土规范》 3.6.1 混凝土结构防连续倒塌设计宜符合下列要求：
《抗规》 6.1.15 楼梯间应符合下列要求： 6.1.18→针对砌体结构楼梯间。 《高规》 6.1.4 抗震设计时，框架结构的楼梯间应符合下列规定：
======================================================================= 《建筑抗震设计规范应用与分析 GB 50011-2010》（朱炳寅，2011年）中对《抗规》6.1.15的解释： ======================================================================= 《高层建筑混凝土结构技术规程-应用与分析》（朱炳寅，2013年）中对《高规》6.1.4的解释： 书中提到“建议4”，休息平台柱与上层结构之间设置构造柱，不理解呀。 四、楼梯构件的设计计算： 前面介绍的都是概念性的知识，接下来才涉及楼梯设计的核心内容：楼梯各个构件如何计算设计？梯段板、梯梁、梯柱、平台板。 ======================================================================= 《抗规2010培训教材》中对楼梯构件内力的介绍，很形象，搬运过来： =========================================================================== 网上看到的关于楼梯配筋的要求：
=========================================================================== 还没有写完，还有一些，写不下去了。。。写的有点啰嗦，前后有很多重复的地方，能看到最后的读者都是天使 ，感谢！错误的地方，请评论，谢谢啦。参考资料： 文献： [1]. 王威, 薛建阳, 罗大明,等. 建筑楼梯在2008年汶川大地震中的震害分析[J]. 地震工程与工程振动, 2011, 31(5):157-165. |
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