楼梯结构的震害分析和设计建议

首先应该说明的是：楼梯参与整体计算影响最敏感的就是框架,砌体等抗震较弱的结构,而将楼梯作为一个梯筒形式的框架剪力墙和剪力墙结构,其影响则相应就小,筒体结构由于楼梯一般在大筒内部,其影响就更小,一般忽略是可以的。因此，本文仅分析框架结构中的楼梯结构抗震设计的问题，并提出一些个人的设计建议。
历次的地震灾害表明楼梯间一直都是框架和砌体结构的一个震害集中区，尤其是今年的文川地震，让所有关注它的工程师开始认真思考如何对楼梯的结构设计进行改进，以期其成为一个救命的安全通道（“安全岛”）而不是阻断人们逃生的枷锁。为此HiStruct将从以下几个方面进行分析、探讨。

一，楼梯的破坏形式
由于HiStruct没有机会实地接触和考虑地震灾害情况，仅从公开的照片资料进行分析（收集的部分典型楼梯震害照片）。HiStruct认为可将楼梯的破坏归类如下：1.倒塌破坏，可分为一种是由于支承结构的倒塌引起，正所谓“皮之不存，毛将焉附”；另一种是由于底部楼层楼梯梯板拉断、压碎等自身承载力不足导致楼梯通道被阻断，失去使用功能；2.严重破坏，一般是底部楼梯梯板被拉裂或者压碎导致板底钢筋爆出，或者楼梯平台梁上下梯段柱端、梁端发生剪切、剪弯破坏，部分节点处发生剪压破坏等，但是如果此时与主体结构的连接好的话，不至于倒塌下来。3.中等破坏，一般明显开裂，但处于可修水平。设想一个整体结构若无法实现大震不倒的目标而倒塌，那么附属于其上的楼梯单元要依靠它来支承，必然发生破坏；或者支承楼梯的局部构件由于承载力不足产生破坏，也将导致楼梯破坏。正因为如此，所以首先必须要保证的整体结构的安全，而整体结构的安全却也不能视楼梯不见，传统的楼梯设计未考虑抗震设计要求，可能造成此处破坏先发生，或者导致支承构件的承载力不足而破坏，进而影响群众逃生或反作用于整体结构，危及整体结构的安全。这也正是此次抗震设计规范修改楼梯设计的基本原因。

二，楼梯水平传力体系
要从传力角度分析上述的结构破坏形式，可以从目前的楼梯结构设计方式所决定的楼梯水平传力体系来看，首先楼梯结构的竖向传力体系，一般没问题。而楼梯是如何传递水平力呢？在进深方向上，一般来说水平力是通过楼板传递给竖向构件的，那么在楼梯开洞的地方，要传递的水平力将与楼梯板轴力的水平分量相平衡，并且由于楼梯板是坡度的缘故，具有更大的刚度而造成内力的集中，楼梯实际上起到一个“K”型支撑的作用（注意），因此，楼梯板若无经过合理的设计而无法可靠的传递水平力，那么承载力就会不足。而在开间方向，由于楼梯板与隔墙甚至是剪力墙平行，直接通过楼梯结构，也会承担一部分水平力，此部分内力可大可小，一般可通过构造措施保证，但是对于较复杂的楼梯，则也存在造成破坏的可能（可参考震害照片）。

三，楼梯结构概念
之所以提出楼梯结构的概念，是因为传统的楼梯设计并无具体的结构设计要求，形式多样，无完整的结构概念。因此HiStruct认为应该将楼梯设计提升到一个局部结构单元的层次。这个因为：1. 楼梯间的本身特点决定了此处有大量墙体的存在将集中地震力，而这个地震力的传递途径在传统的设计理念中并未予以计算和设计，存在传力途径不清晰的问题，所以要对楼梯的布置和结构形式做具体要求（可参考新抗震规范）。2. 楼梯仅承担和传递竖向力，导致自身和支承构件（比如外墙）抗震承载力偏低。将楼梯提升到局部结构单元，就意味着需要对楼梯进行竖向和水平传力体系设计，需要将楼梯的水平荷载和抗震承载力定量化，引入抗震构造措施的具体要求，同时明确支承构件的抗震设计要求（可参考新抗震规范）。3.采用“放”，“缓”，“抗”的设计原则，根据具体情况化解楼梯子结构与周边整体结构的互相“矛盾”和“依存”关系。


四，结构分析建议
根据上面的分析，可见在实际设计当中可以有几种简化方法：1.以面单元模拟楼梯板，进行精细的结构计算，显然这种方法比较精高些但是模型和计算麻烦，面单元的内力可作为楼梯设计的外力指标；2.将楼梯简化为支撑构件的形式在模型中进行计算，这种方法也比较麻烦而已精度会差一些，但是提取内力方便；3. 进一步简化，与传统设计方法一样，计算模型中以楼板替代楼梯，来传递内力，即忽略楼梯对整体结构的影响，此时若楼梯布置的对称性较好，整体指标的结果一般偏安全，通过提取楼板所传递的内力，作为楼梯结构的水平外力指标（尚需放大，要取典型部位进行分析），但是对于楼梯布置不规则，会对结构动力特性产生产生很大影响的情况，此法不可。在抗震设计规范没有规定楼梯具体抗震设计分析和计算方法的时候，可以根据实际情况，应用上述思路进行设计，前提是要注重楼梯结构的概念设计。


五，楼梯结构抗震性能化的设计建议
要实现楼梯成为地震时的一个救命安全通道，可采用性能化的设计概念，对楼梯结构进行抗震设计。HiStruct建议分三个层次：第一，进行小震弹性设计并强调保证延性的构造措施；第二，小震弹性和中震不屈服设计，中震不屈服设计是为了控制楼梯在大震下的屈服水平，允许适当进入塑性，但是保证进入塑性的程度较低，依靠构件的延性不会有发生倒塌的危险；第三，小震弹性和中震弹性设计，中震弹性设计是为了在理论上保证楼梯在大震水平下不会进入屈服，或者稍微进入屈服而不发生过大变形。三个层次可依据整体结构的重要性水平和设计需求而定。