框架结构中楼梯抗震性能试验研究
袁志仁 窦立军 李颖超 王坦. 框架结构中楼梯抗震性能试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（17）：72-76.
Yuan Zhiren Dou Lijun Li Yingchao Wang Tan. Experimental study on seismic performance of the stairs in frame structure[J]. Building Structure，2018,48（17）：72-76.
0 引言
地震作用下楼梯因其斜向梯段在楼层中起到K形支撑的作用[1], 导致结构刚度增大, 地震作用增加, 结构的振动特性发生改变。楼梯刚度对侧移刚度较小的框架结构的影响不容忽视[2], 尤其当楼梯间布置不均匀或采用支撑作用较大的楼梯时, 容易使主体结构在地震作用下产生严重的扭转效应或其他不利影响。楼梯考虑水平荷载后受力状态与仅考虑竖向荷载时有明显区别, 水平荷载将导致其在地震作用下过早破坏, 从而失去地震时紧急疏散的功能[3]。如何设计框架结构中的楼梯, 确保楼梯结构在强震中的安全性成为亟待解决的问题。
1 试验研究
1.1 试件设计
试件为2层1∶2缩尺的框架结构板式楼梯, 平、立面图见图1。试件LT-1仅考虑竖向荷载, 梯段板和梯梁按照受弯构件设计, 梯段板负弯矩钢筋在距离中间平台1/4跨度处切断, 梯柱不贯通楼层, 按照受压构件设计。框架柱截面200×200, 纵筋4Ф14, 箍筋Ф6@100/200;框架梁截面150×250, 上下筋各2Ф12, 箍筋Ф6@100/200。梯段板厚50mm, 按Ф6@180双层双向配筋。平台板厚50mm, 按Ф6@200双层双向配筋。梯梁截面100×150, 上下筋各2Ф8, 箍筋Ф6@200。梯柱截面100×100, 纵筋4Ф8, 箍筋Ф6@200。混凝土强度等级C25, 实测强度标准值23.5MPa。
试件LT-2在试件LT-1完成试验后制作, 尺寸同试件LT-1, 但进行了针对性的加强处理:加强了梯梁的箍筋, 采用Ф6@80全长加密, 且梯井处钢筋间距加密至50mm;梯柱贯通设置;梯段板上下通长配筋。试件LT-2实测混凝土强度标准值比试件LT-1低3.2MPa。其余未表述的截面尺寸及配筋同试件LT-1。
图1 试件平、立面图
注:虚线TZ仅用于试件LT-2;KZ, TL, TZ编号前的数字表示楼层号, 编号后的数字1表示靠近加载端, L表示左侧, R表示右侧。
1.2 加载装置
试验采用低周反复加载。模型分析的结果表明, 在1, 2层框架顶点分别加载与仅在2层框架顶点加载对楼梯的受力影响并不显著, 故采用两个作动器在2层框架顶点施加水平荷载以简化加载过程。竖向荷载利用荷载块来模拟。
首先由荷载控制加载, 试件开裂后用位移控制加载, 加载时两侧作动器同时工作且加载步调一致。加载装置如图2所示。
1.3 试验现象
1.3.1 试件LT-1试验现象
(1) 荷载控制阶段
相同推力的两个作动器加载后楼梯两侧的位移并不相同, 表明楼梯两侧刚度不同, 楼层平台连接梯段板一侧的刚度较大。加载至±20k N时, 与TB1-1连接的梯梁出现剪扭裂缝;加载至±25k N时, 裂缝明显, TB1-2, TB2-2出现3或4条裂缝, 裂缝贯通板厚方向, 但是并未贯通板宽方向, 表明梯段板承受偏心拉力。此时对应的水平位移为9mm, 改用位移控制加载。
(2) 位移控制阶段及破坏现象
水平位移为18mm时, TB1-1, TB2-1之前出现的贯通板厚方向的裂缝贯通板宽方向。其中TB1-1较TB2-1明显。1KZ/L1, 1KZ/R2在1层梁柱节点处出现斜裂缝, 梯柱与梯梁交接处继续开裂, 并且破坏严重, 出现45°交叉斜裂缝, 承受剪力和扭矩的共同作用 (图3) ;水平位移为-18mm时, TB1-2, TB2-2下部出现贯通厚度方向的拉裂缝 (图4) ;水平位移为36mm时, 作动器反馈力达到峰值39.9k N;水平位移为45mm时, 中间平台板的裂缝开展迅速, 梯梁、梯柱交接处破坏严重, 钢筋滑移, 混凝土剥落 (图5) ;楼梯结构刚度下降。水平位移为63mm时, 梯梁脱离了梯柱的束缚, 上下可自由移动, 梯段、平台板依靠空间拱和悬吊作用维持对竖向荷载的支承, 1层梁柱节点出现45°斜裂缝。由于梯梁与梯柱脱离, 形成Z形折板受力状态, 避免了梯梁在后续增大位移加载时严重破坏, 也使得梯板承受的轴力减小, 变相保护了梯板, 此时楼梯间刚度明显下降;水平位移为±150mm时, 框架柱屈服, 在1层节点区形成塑性铰, 作动器反馈力显著降低, 结构破坏, 试验结束。
试件LT-1的试验结果表明, 仅考虑竖向荷载的楼梯在水平作用力下破坏严重, 不足以抵抗强烈的地震作用。
图2 加载装置图
图3 梯梁破坏现象
图4 梯段板裂缝
图5 梯柱破坏
1.3.2 试件LT-2试验现象
(1) 荷载控制阶段
试件LT-2荷载控制阶段与试件LT-1类似, 适当加强配筋并不能阻止并明显延缓梯梁、梯板裂缝的出现。
(2) 位移控制阶段及破坏现象
位移控制阶段, 水平位移为18mm时, TB1-1, TB2-1出现偏心受拉裂缝且随着位移的增大而有所扩展, 1TL, 1TZ交接处, 梯梁开裂且裂缝贯通1TL截面, 形成梁端塑性铰;水平位移为45mm时, 作动器反馈力达到峰值50.5k N, TB2-1, TB2-2的裂缝逐渐贯通板宽方向。水平位移为54mm时, 2层2TZ/L与2TL2交接处下方混凝土剥落、钢筋露出;1TL2与1TZ/L交接处裂缝开展严重, 中间平台出现较明显的横向受剪裂缝;水平位移为63mm时, 1TZ与1TL2交接处混凝土剥落, 钢筋露出, TB2-1与2TL2交接处混凝土剥落;框架梁柱节点陆续出现交叉斜裂缝, 框架柱受弯开裂, 而框架梁始终未出现明显裂缝, 梯梁端部出现严重破坏 (图6) , 使楼梯形成类似Z形折板的空间受力状态, 楼梯刚度显著减小;水平位移为±150mm时, 因框架梁柱节点塑性铰的出现, 整个结构屈服、刚度下降而破坏。
图6 试件LT-2梯梁及梯柱破坏现象
2 试验结果对比分析
2.1 破坏现象对比
两个试件的梯段板均出现裂缝, 试件LT-2加强斜板配筋构造后, 裂缝数量增多, 但宽度明显减小, 两个试件的梯板均未拉断。
从梯柱的破坏情况来看, 梯柱贯通与否影响其破坏形态, 试件LT-1梯柱不贯通, 破坏位置在梯柱上, 梯柱受拉屈服甚至断裂, 在水平地震作用下梯板受拉时梯梁可以自由翘起, 使得梯段斜板在大位移下未被拉断, 梯梁也未出现剪切破坏;试件LT-2梯柱贯通, 破坏位置在梯梁上, 以梁端塑性铰的方式出现, 后期由于梁端混凝土剥落, 梯梁在梯柱支承处自由变形, 显著降低了楼梯结构的支撑作用, 使得梯板及梯梁在大位移下得以保全。
从试验现象来看, 梯板、梯梁、梯柱三者的薄弱环节决定了楼梯的破坏形式, 若梯柱、梯梁承载力高, 则梯板的轴力可能使梯板拉断、破坏;若梯板受拉承载力高, 则梯柱被拉断或节点破坏但梯梁本身不会严重破坏 (如试件LT-1) ;若梯柱贯通, 则在节点处出现破坏或者梯梁被剪断 (如试件LT-2) [6]。
梯梁以扭剪破坏为主, 试件LT-1主要在上下梯段斜板交接处发生扭剪破坏, 梯柱被拉断后, 释放了水平刚度, 但仍发生了梯梁在斜板交接处几乎被剪断的严重破坏。加强了试件LT-2梯梁扭剪承载力后, 梯梁破坏主要在梁端梯柱支承处, 楼梯结构的刚度有所提高, 因梯柱破坏时间显著后移, 楼梯水平刚度下降相对缓慢, 使楼梯承受的水平力与试件LT-1相比有所增加, 梯梁、梯板的裂缝较多。
2.2 滞回曲线、骨架曲线对比
图7为试件LT-1, LT-2的滞回曲线 (荷载为两个作动器的平均值) , 两者形状相似。在弹性阶段试件LT-2的滞回曲线面积为试件LT-1的1.1倍, 表明两者水平刚度相近, 局部加强对弹性阶段工作性能影响很小。
利用CAD软件绘制位移控制阶段各加载循环滞回曲线, 可查询其包络面积, 进而计算各加载循环的等效粘滞阻尼系数he, 结果如表1所示。在40mm位移加载循环之前, 试件LT-2的he值高于试件LT-1, 而在50mm位移加载循环之后, 试件LT-2的he值大部分低于试件LT-1, 表明局部加强能够提高试件弹塑性工作阶段初期的耗能性, 而后期试件LT-2中与梯柱相连的梯梁端部破坏严重, 加之混凝土强度偏低, 耗能性反而不如梯柱屈服的试件LT-1。
表1 位移控制阶段各加载周期等效粘滞阻尼系数he
图8为试件LT-1, LT-2的骨架曲线。试件LT-1与试件LT-2的屈服荷载都在25k N左右, 相差不大。试件LT-1的极限荷载为39.9k N, 试件LT-2的极限荷载为50.1k N, 是试件LT-1的1.25倍, 说明试件LT-2承载力有明显提高。上述结果表明梯柱贯通、梯梁加强配筋延缓了梯段斜板退出整体工作的时间, 提高了楼梯结构的后期承载力, 但也增大了梯段板的拉力。
3 模型分析对比
经试验对比可知, 常规的加强方式难以保证楼梯的抗震性能, 以下通过模型对比分析验证试验结果, 并探讨不同结构形式的楼梯对主体结构及自身抗震性能的影响。
图7 试件LT-1, LT-2滞回曲线
3.1 分析模型
分析采用的模型为6层框架, 层高为3.6m, 抗震设防烈度为8度 (0.20g) , 设计分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 平面示意见图9。柱截面600×600, 梁截面300×600, 混凝土强度等级为C30, 板厚折算为200mm, 荷载按普通办公楼考虑。楼梯为典型的双跑双折式, 考虑中部设置一部楼梯和两侧对称设置两部楼梯两种情况;楼梯形式考虑休息平台有梯柱、梯梁和折板式梯段 (无梯柱) 两种情况;梯柱考虑了不贯通仅支承平台梁和贯通全高两种情况。
图8 试件LT-1, LT-2骨架曲线
图9 分析模型平面示意图
分析程序采用SAP2000, 梯板采用壳单元模拟, 地震作用按振型分解反应谱法计算。
3.2 楼梯形式对结构整体影响
当楼梯参与结构整体分析时, 楼梯总是使结构刚度增大、周期变短, 地震作用下基底剪力增大, 其自身也承受很大的地震内力。
不设梯柱、梯梁而采用折板式梯段时, 楼梯的支撑作用明显减小, 周期及刚度对比的结果显示其刚度影响显著小于有梯柱、梯梁的情况。以首层Y向楼层的侧移刚度为例, 设置两部楼梯且梯柱贯通将会导致层刚度增加85% (与纯框架结构对比) , 而折板式楼梯仅会使层刚度增加19.9%, 表明折板式楼梯可弱化斜板的K形支撑效应。双梯使结构在地震作用下的基底剪力增加近30%, 由此必然导致主体结构和楼梯结构构件受力增加;采用折板式楼梯时, 结构地震作用基底剪力仅比不考虑楼梯的纯框架结构增加7.7%, 影响显著减小。
3.3 楼梯结构内力
有梯柱、梯梁的楼梯梯段在Y向地震作用下的主应力一侧受拉, 另一侧受压, 作为K形支撑传递地震剪力。而采用折板式楼梯时, 地震作用下梯段应力显著减小, K形支撑作用不明显, 各层的梯段斜板主应力均显著小于有梯柱、梯梁的楼梯。
K形支撑效应传递剪力使中间平台一侧框架柱的地震剪力突变, 剪力数值显著大于其他框架柱。以2层框架柱为例, 楼层平台侧的柱剪力为350k N, 而中间平台侧的框架柱剪力达到607k N, 且其上下不均匀。采用折板式楼梯时, 中间平台侧的框架柱地震剪力虽仍然存在突变, 但数值显著减小, 为前者的一半左右, 与其他框架柱相比并无明显差异, 表明折板式楼梯的K形支撑效果显著降低, 对周边结构的影响显著减小。
表2为2层中间平台的平台梁受力情况对比, Y向地震作用下, 由于梯段板的作用, 导致平台梁受力复杂, 内力显著增加, 剪力在两个斜梯段相交处最大, 地震作用的剪力数倍于竖向荷载作用;扭矩也很可观。
表2 梯梁整体受力与仅考虑竖向荷载内力对比
由表2可知, 与仅考虑竖向荷载的情况相比, 参与结构抗震的楼梯需显著加大梯梁的抗剪及抗扭承载力方能保证小震不坏。大震作用下梯梁内力比小震显著增加, 故梯梁破坏严重。当然, 如果梯段板在梯梁破坏之前屈服、断裂, 则是另一种破坏形态。
4 结论
(1) 通过框架结构板式楼梯缩尺试验及模型分析对比可知, 框架结构中的楼梯在地震作用下受力复杂, 对结构刚度的影响不可忽视。梯板的K形支撑效应增大了结构的抗侧刚度, 楼梯自身的地震作用也很大。
(2) 试验结果表明, 梯段板类似于斜撑, 不仅受弯, 还承受偏心轴力的作用, 属于偏拉构件, 其钢筋应通长设置。上下梯段板在梯梁处传递反向轴力, 地震作用下应考虑梯梁的内力, 按弯、剪、扭构件设计, 在跨中和梁端位置应加强。大震下梯柱将承担较大拉力, 故梯柱宜贯通层间设置。如梯柱不能贯通, 应加强其纵向受拉承载力, 并按偏拉构件执行相关构造措施。
(3) 试验与分析结果表明, 常规的加强方式难以保证楼梯在强震下的抗震性能。工程设计应优先采取弱化楼梯刚度的措施, 如梯段斜板底部设置滑动支座或采用折板式梯段, 以减小楼梯对整体结构的不利影响, 同时也能够显著减小楼梯结构自身在地震作用下的内力, 确保楼梯在地震时的疏散功能。
[2]李颖超, 窦立军, 张敏.楼梯抗震技术研究综述[J].吉林建筑大学学报, 2013, 30 (3) :23-26.
[3]苏启旺, 蔡宏儒, 李力.从“汶川大地震”引发对板式楼梯设计的思考[J].四川建筑科学研究, 2008, 34 (4) :165-167.
[4]段连蕊, 张望喜, 刘精巾, 等.板式楼梯连接方式对RC框架结构的抗震性能影响[J].防灾减灾工程学报, 2017, 37 (1) :54-61.
[5]罗德章, 周云, 童博, 等.楼梯间抗震性能研究及提高其抗震性能的方法[J].工程抗震与加固改造, 2016, 38 (6) :32-47.
[6]曹万林, 庞国新, 李云霄.带楼梯框架弹性层刚度的试验研究[J].世界地震工程, 1996 (2) :29-32.
[7]杨俊杰, 范宇杰, YANG JUNJIE, 等.加固后钢筋混凝土框架楼梯间模型抗震试验研究[J].浙江工业大学学报, 2016, 44 (1) :62-66.