楼梯构件与主体结构整浇时, 楼梯的“K”形支撑作用以及与框架间的相互约束作用使楼层平面内的刚度分布不均, 楼梯各构件的受力变得复杂, 研究发现楼梯构件在地震作用下往往由于承载力不足等原因发生严重破坏甚至先于主体破坏^[1,2]。

　　 许多学者针对楼梯结构抗震安全性开展了研究, 冯远等^[3]对计入和不计入楼梯的框架结构模型进行了分析对比, 研究了地震作用下楼梯对框架结构整体性能的影响;赵均等^[4]、尹保江等^[5]分别采用振动台试验和拟静力试验对设置有滑动支座楼梯的单层单跨框架结构模型进行了研究;段连蕊等^[6]通过有限元软件SAP2000建立模型, 借助Pushover分析方法对比研究了5种楼梯结构处理方案的优劣。

　　 上述研究通过模型试验、数值模拟等方法研究了地震作用下楼梯的破坏机理, 并验证了设置滑动支座的有效性。但是传统设有滑动支座的楼梯在平台梁板与框架之间主要采用刚性连接, 在地震作用下连接处承受较大的水平力, 构件因应力集中发生断裂破坏, 此外, 与半层平台相连的框架柱可能因短柱效应发生脆性剪切破坏。本文通过开展平台板处设置滑动支座的四梯柱RC框架结构楼梯间模型试验, 研究其裂缝开展、破坏机制、强度退化以及耗能能力等, 为改进楼梯抗震设计提供参考。

　　 试件为单层单跨RC框架结构楼梯间模型, 包括地梁、该层楼梯间的框架柱、上下楼层的框架梁板以及楼梯的各种构件, 模型按照实际结构的1/3进行设计, 缩尺后的柱网尺寸为1 000mm×2 000mm, 设置了四根梯柱使得楼梯一端与框架分离, 平台板与梯梁之间铺设两层聚四氟乙烯膜构成滑动支座, 试件主要构造形式及配筋见图1, 各构件截面尺寸见表1。

　　 遵循《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》 (GB/T 228.1—2010) ^[7], 取与楼梯试件同一批次同一型号的钢筋进行钢筋拉伸试验, 按不同直径分组, 每组进行3次测量并取其平均值, 钢筋力学性能见表2。

　　 根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) ^[8], 试验开始前使用压力试验机对预留的6组 (每组3个) 混凝土立方体试块 (100mm×100mm×100mm) 进行强度检测, 测得混凝土立方体抗压强度值见表3, 使用的是非标准试块, 其结果乘以对应的尺寸换算系数0.95后, 得到实测混凝土抗压强度为23.8MPa。

　　 试验装置示意图如图2所示。反力架、带滑轨反力支座、液压千斤顶以及分配梁组成竖向荷载加载装置, 对4个柱顶均匀施加竖向力约115kN, 并在试验过程中保持恒定, 轴压比为0.3。水平荷载加载装置为邦威POP-M型作动器, 作动器推向记为正向, 拉向记为负向, 采用两阶段控制的加载制度^[9]进行加载。第一阶段按荷载控制加载, 从20kN开始进行循环加载, 加载级差为20kN, 每级加载循环一次;试件屈服后, 改用第二阶段位移控制方式加载, 由试验数据初步得到试件屈服位移Δ, 按Δ的倍数对试件施加递增的位移作用, 每级加载循环2次, 至试件发生破坏停止试验。本试验遵循的破坏准则为:1) 试验构件的承载力达到极限承载力的85%;2) 试验构件发生严重损坏。

　　 试验数据采集设备采用江苏东华DH5922动态信号测试分析系统, 数据采集内容主要是水平加载点的荷载值和水平位移、层间平台板处的水平位移以及部分构件的钢筋应变等。

　　 初始阶段水平荷载较小时, 试件无明显现象, 当水平荷载加载至60kN时, KJL2与KJZ4交接处的外侧开始出现第一道竖向裂缝, 且层间平台板发生肉眼可见的滑移。随水平荷载增大, 在框架梁的梁端以及框架柱下部出现少许斜裂缝。加载至100kN时, KJL1与KJL2中部出现竖向裂缝, 各框架柱下部斜裂缝增多并出现几条横向裂缝。水平荷载加载至140kN时, 两框架梁中部竖向裂缝延伸, 梁端斜裂缝扩展贯通。当荷载为-140kN时, KJL1和KJL2顶部出现均匀分布的横向裂缝, 并且有纵向撕裂裂缝出现, 梁与柱交接处有新裂缝出现, 各框架柱斜裂缝延伸, 判断为结构屈服, 然后换用位移控制加载方式。

　　 水平位移加载至2Δ时, 水平荷载值达到最大, 为194.5kN, 此时两框架梁的梁端上缘斜裂缝增大、延伸 (图3 (a) ) , 其上部撕裂裂缝延伸, 各框架柱柱底裂缝有很大幅度的扩展 (图3 (b) ) , 梁、柱均出现混凝土掉皮脱落现象。水平位移加载至-2Δ时, 层间平台板掀起现象明显 (图3 (c) ) , 掀起幅度达25mm, 但层间平台板及梯梁、梯柱均未发生破坏。考虑到试件破坏程度, 第三阶段加载位移控制在2.5Δ, 框架梁、柱混凝土大量脱落, 框架柱明显弯曲, 柱底横向裂缝和斜裂缝开裂宽度大, 试件破环严重 (图3 (d) ) 。

　　 试件的滞回曲线如图4所示。由图可知, 加载初期, 试件处于弹性工作阶段, 曲线斜率变化很小, 加载、卸载曲线趋于重合, 荷载反复作用下, 试件刚度无明显的退化, 基本无残余变形;随裂缝开展和延伸, 试件进入弹塑性耗能阶段, 滞回环相对饱满, 表明构件有较好的耗能能力。滞回曲线的捏拢程度随试验进行愈加明显, 说明在低周反复荷载作用下, 试件裂缝重复开裂、闭合, 钢筋和混凝土之间粘结滑移增大, 残余变形不断积累^[10]。

　　 图5为试件荷载-位移骨架曲线, 对曲线进行分析并利用能量等值法得到屈服位移为16.1mm, 对应屈服荷载为133.8kN, 试件延性良好。在正向位移达到38mm时, 试件承载力达到峰值194kN, 随后因裂缝扩展、贯通, 试件承载力迅速降低。

　　 通常用能量耗散系数表示结构的耗能能力, 舍去误差较大数据后得到如图6所示的能量耗散系数曲线图, 该曲线整体趋势表现为随位移的增加而增大。当试件屈服后, 耗能系数明显增大, 而楼梯构件并无破坏, 结合试验现象可知, 试件耗能过程近似于纯框架结构, 框架梁的弯曲破坏耗能以及框架柱的弯扭破坏耗能为能量耗散的主要来源。

　　 取每级加载循环时的正负峰值荷载平均值与对应位移平均值的比值, 得到试件的刚度, 并绘制刚度退化曲线 (图7) 。可以看出, 在水平反复荷载作用下, 结构裂缝的发展以及新裂缝的出现使得构件损伤愈加严重, 刚度退化明显。四梯柱的设置使楼梯一端与框架柱完全分离, 并且梯板下设置了滑动支座, 能完全断开楼梯构件与框架间的水平力传递路径, 曲线整体没有突变, 说明楼梯构件对框架刚度影响较小。

　　 在位移控制阶段, 水平位移加载至-2Δ时, 层间平台板掀起约25mm, 这是由于层间平台板是直接搭接在梯梁上的, 且一端与上梯段板整浇。当施加负向位移时, 在框架梁梁端负弯矩的作用下, 框架梁一端向上转动, 带动上梯段板向上转动, 从而使层间平台板向上移动, 发生掀起现象。层间平台板搭接在两根梯梁上, 搭接长度大, 罕遇地震作用下, 即使一端滑落, 仍会有一根梯梁支承层间平台板, 不会发生整体滑落, 可通过增加层间平台板和上梯段板的配筋来抵抗由滑移掀起引起的附加弯矩。为了避免层间平台板掀起, 可以将上梯段板的上端设置成固定铰支座, 不与上部平台梁整浇, 当施加负向位移时, 上梯段板和层间平台板在自重作用下能够避免被掀起。

　　 试验测得部分构件的钢筋应变, 为了更直观反映各构件的受力大小以及试件屈服机制, 图8给出了各构件随试验进程的钢筋应变变化曲线。由图可知, 框架柱、框架梁的钢筋应变较大且符合循环加载的规律, 整体来看梯柱、梯梁构件的钢筋应变值变化很小, 破坏时框架柱柱底与梯柱柱底钢筋应变幅值分别为2 382με和-139με, 数值上相差达16倍, 进一步说明试件的楼梯部分基本没有参与整体受力, 框架是试件耗能的主体, 结构屈服机制合理。

　　 图8 各构件纵筋应变曲线

　　 (1) 楼梯构件与框架结构主体分离, 断开了楼梯构件与框架间水平力的传递途径, 试件表现出了良好的延性性能和耗能能力, 在低周反复荷载作用下, 裂缝主要在框架梁、柱上产生和扩展, 框架受力均匀。

　　 (2) 试验过程中层间平台板发生明显的滑移, 并且在施加负向荷载 (位移) 时出现掀起现象, 由于平台板搭接在两根梯梁上, 搭接长度大, 故不会发生脱落坍塌的情况。

　　 (3) 试件的楼梯部分基本没有参与整体受力, 框架是构件耗能的主体, 框架屈服后结构破坏加快, 试件破坏机制满足抗震要求。