【结构咖】设计心得008-0厚板真的能代替楼梯吗?

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本期推荐讲师 作者 | 秋刀鱼 国家一级注册结构工程师,结构工程硕士、常年在甲级设计院从事结构设计工作。 擅长砖混结构、混凝土框架结构、混凝土剪力墙结构、无梁楼盖、人防结构设计。 本文来源于其微信公众号“秋刀鱼塘” 【秋刀鱼塘】设计心得第八期 结构设计相关知识分享的一汪小水塘 问题阐述


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本期推荐讲师


作者 | 秋刀鱼

国家一级注册结构工程师,结构工程硕士、常年在甲级设计院从事结构设计工作。

擅长砖混结构、混凝土框架结构、混凝土剪力墙结构、无梁楼盖、人防结构设计。

本文来源于其微信公众号“秋刀鱼塘”


【秋刀鱼塘】设计心得第八期


结构设计相关知识分享的一汪小水塘




问题阐述


结构计算的模型中,有很多的建筑细节都是无法详细建模的,比如说女儿墙、空调板、飘窗等,这些构件大多数都可以简化为线性荷载与弯矩,施加在诸如梁、墙等构件上。


但对于楼梯构件,很多时候我们会习惯于布置两道楼梯梁,然后在梯梁上施加梯段板自重和活荷载;或者干脆将楼梯间设置为0厚板。这样的建模方式固然简单高效,但真的适用于所有结构吗?


《抗震规范》3.6.6-1条规定:“计算中应考虑楼梯构件的影响”。那么楼梯构件在结构设计中应该如何考虑呢?


问题分析

note1

楼梯对主体有哪些影响?


“考虑楼梯构件影响”主要包括两个方面。


一,楼梯的存在,尤其是中间的休息平台,往往会使竖向构件中部受到侧向力,形成了短柱或者局部的错层。


二,楼梯作为水平的构件,是可以传递水平方向作用力的,比如地震力。若采取0厚板建模,则水平传力作用将会失效。


note2

楼梯对主体的影响程度取决于什么?


楼梯对主体结构的影响程度,主要取决于楼梯在结构计算中所分得的水平力的多少。


水平力分配所采用的是刚度原则:主体结构的刚度越大、整体性越好(如剪力墙结构、框剪结构等),则楼梯对主体结构的影响越小;而主体结构的刚度越小、整体性越差(如框架结构、砌体结构),则楼梯对主体结构的影响越大。


note3

楼梯怎样影响主体?


楼梯对主体结构的影响主要体现在刚度较小的结构。


在多遇地震作用下,由于砌体部分整体性保持较好,未发生过多的开裂,刚度得以保留,楼梯的刚度占主体刚度很小的一部分,对其影响较小。


在罕遇地震或设防烈度作用下,结构进入弹塑性状态,砌体部分纷纷开裂,其整体刚度严重退化,退出工作,楼梯刚度占比明显上升,对主体结构的影响也就随之加深。现浇梯段板的刚度足以传递水平地震剪力,导致梯板受拉破坏,框架柱也会在中部受到侧向作用,形成短柱和错层柱而破坏。


note4

楼梯对不同结构体系影响程度的对比


首先有一点共识:嵌固部位在地下室顶面是最合理最经济的选择。


地下室顶板通常具备满足嵌固部委要求的基本条件(地下室结构自身及回填土约束的总侧向刚度一般不会小于上部结构的3倍),一般情况下,应尽量将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶面。


根据《抗规》6.1.10-3条,当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下是,底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端,也就是说,嵌固端部位越降低,总加强范围越大,因而结构的费用越高。


只有地下室才具备对上部结构千古的基本条件,上部其他楼层(如裙房顶等处),即便满足刚度比要求,也不能成为嵌固端,只能作为对结构抗震不利的刚度突变楼层考虑。


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需要注意的是,在的前处理设置当中需要勾选“结构计算时考虑楼梯刚度”,否则楼梯的构件是不会参与整体计算的。

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1)先来看看剪力墙的计算结果

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小结:

楼梯的存在使得结构侧刚增加,相应的震动周期减小。但周期比并没有明显改变。由于剪力墙本身侧刚较大,楼梯板只占很小的一部分,对层间位移的贡献并不显著。所以,对于剪力墙结构来说,采用0厚板简化计算是可行的。

2)再来看看框架的计算结果


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小结:

框架结构主体的侧向刚度较弱,楼梯板所占比重增大。对平动周期的约束效果明显。


通过查看节点位移发现,楼梯间部分由于梯板的作用,节点位移明显减少,但由于楼梯间偏置,造成X方向刚度分布不对称,扭转效应但并没有得到更好的约束,所以,尽管平动周期下降,扭转周期并没有降低同样的程度。造成了周期比增加,接近规范限值。


位移比方面,楼梯间位移下降令层平均位移降低,最大位移不变时,位移比上升。因此存在结构由扭转规则转变为扭转不规则的潜在可能性。

位移角方面,由于楼梯板长向与Y方向平行,Y方向侧向刚度提升,因此最大层间位移角有所减小,属于有利因素。X向提升并不明显。



不同结构体系的设计措施


1 剪力墙、框架剪力墙


对主体结构刚度大、楼盖整体性好的结构,可在楼梯间采用混凝土墙围合,使之形成筒结构。计算中可不考虑楼梯的影响,仅采取有效的构造措施即可。比如梯段板顶部设置通常钢筋,楼梯间柱箍筋加密等,确保楼梯及相应框架柱的安全性。


2 框架结构


若要采取0厚板简化计算,则必需要采取一些隔离措施,将楼梯与主体脱离,减小影响。


1)为了保护楼梯,应在楼梯间周边设置落地框架柱,形成楼梯间的框架体系,确保楼梯的疏散功能在地震时不失效。将休息平台下方梯柱向上延伸,与上层结构联通,改善楼梯结构的抗震性能。


2)将楼梯的休息平台与主体结构脱开形成悬挑平台板或按照《16G101-2》图集设置梯段下端滑动支座。


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若采取楼梯建模的方式计算


1)应特别注意设置楼梯形成的框架短柱,柱箍筋除应满足计算要求外,宜按抗震等级提高一级配置。


2)对于梁上设置的支撑楼梯梁的梯柱,也应该按框架柱要求设计,抗震等级应根据梯柱支承楼梯平台的数量来确定,当支承平台数量不超过2个时,取四级。否则不应低于三级。此外,柱截面积不小于300*300。单侧边长不应小于200mm,且根据面积调整另一个方向边长。


3)当无地下室时,起跑的梯段下方若设置独立框架梁,此处的框架梁两端与框架柱相连,相邻处并无楼板。地震时楼板吸收的水平地震作用在楼梯梁处的水平传递路径被截断,此处的梁无法独立承担水平推力,发生破坏。若必需设置,应加大独立梁平面外配筋并加密箍筋。


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