楼梯对框架结构抗震性能影响分析
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摘要：本文通过具体实例，分析在纯框架结构中设置楼梯构件参与结构整体计算后，对整体结构的周期、位移、地震力产生的影响，并采取必要措施，做到简化模型更加符合实际情况，从而更好的满足使用要求。
关键词：框架结构,楼梯
Abstract: This paper, through concrete examples, staircase components involved in the whole structure calculation, the overall structure of the cycle, displacement, seismic forces generated impact analysis set in a plain frame structure, and take the necessary measures, so that the simplified model is more realistic,in order to better meet the requirements.
Keywords: frame structure, stairs.
中图分类号：TU973+.31文献标识码：A 文章编号：
长期以来，框架结构因具有建筑平面灵活，室内空间大等优点，被广泛应用于在核电厂的BOP项目设计中。现以福清核电厂一期工程生产办公楼为例，讨论一下楼梯参与结构整体计算对整体结构抗震性能的影响。
1.工程概况及方案确定
工程概况
福清核电厂一期工程生产办公楼，主要功能是运行期间为电厂人员提供办公室，会
议室等场所，建筑平面为半环抱型，地上部分五层，总建筑面积11872m2，檐口高度26.1m。
建筑物的设计使用年限为50年；
建筑抗震设防烈度为7度（地震分组为第二组），丙类建筑，建筑安全等级为二级；结构重要性系数为1.0；
场地土类别为I类；
基础设计等级为丙级；
根据《福清核电厂一期工程厂区BOP子项岩土工程详勘报告》，地基基础位于中风化花岗岩层。
该工程注重建筑的美观，建筑的体型比较复杂。平面凹进尺寸为39.4m，投影方向长度总尺寸为100m，两者比值为0.39>0.30。根据规范要求，从平面布局来看，本结构为平面凹凸不规则结构。
方案确定
本建筑物结构形式采用现浇框架结构，主要柱距为8.0x7.8m，首层层高为4.8m，
其余为4.2m，由于主要房间为办公室和会议室，建筑要求房间内梁高控制合理以保证净空高度，水平方向长度为100m，属于超长结构，建筑要求不设计伸缩缝。
根据以上建筑特点，初步确定框架柱尺寸为600x600mm，主梁为350x750mm,次梁采用250x550mm井字梁,在6~7轴之间设置1000mm后浇带。
2.结构分析计算软件选取.
目前，在进行多、高层建筑结构设计时，大都采用三维空间有限元软件进行计算。无论是在竖向荷载作用下，还是在风荷载或多遇水平地震作用下，均假定结构及构件处于理想弹性状态，故此可以采用线弹性方法计算多、高层结构在正常使用极限状态和承载能力极限状态时的变形和内力。
本工程采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件进行结构的整体力学计算。使用PMCAD逐层建模、导算荷载，接力SATWE程序进行整体空间计算，完成结构整体空间计算分析。
3.楼梯参与整体计算对主体结构抗震性能的影响
在以往结构设计中一般是将楼梯部分的荷载转化为等效荷载加到周边构件，梯板、平台板、梯柱等构件单独计算，并没有考虑楼梯参与结构整体的计算分析，楼梯对结构整体的抗震性能影响也不是很清楚。
新《建筑设计抗震规范》[1]第3.6.6.1条中新增了“计算中应考虑楼梯构件的影响”，该条的条文说明中介绍“本次修订，考虑到楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态，对结构的整体刚度有较大明显的影响。建议在结构计算中予以适当考虑”。
我们仍以前面福清的生产办公楼为例，将楼梯按照模型1：楼梯按照等效荷载输入到周边框架梁、柱上和模型2：楼梯参与结构整体计算来进行分析。
从模板图中可以看出，该办公楼设有两个楼梯间，并且沿中轴线呈对称布置。
3.1两种模型计算对比
因高阶阵型对结构影响有限，我们只进行前六个振型的对比。
3.1.1 楼梯对整体结构动力特性的影响
两模型的自振周期的对比见表1
表1 两模型自振周期对比
从上表可以看出，模型2由于楼梯参与了整体结构的工作，使得结构的整体刚度增大，自振周期减小。对结构影响较大的前三阶振型中，模型1第一阶振型为Y向平动，第二阶为X向平动，第三阶为Z轴扭转。在模型2中，第一阶为Y向平动，第二阶为Z轴扭转，第三阶为X向平动。楼梯的存在改变了结构振型出现的次序 。
3.1.2 楼梯对结构整体位移影响
两模型的层间位移图见图1
图1两模型层间位移图
由两模型的结构位移比较可以看出，模型1在X,Y向的层间位移和层间位移角均大于模型2，且Y向较X向的差值略大，最大位移均发生在第一层处。
4.1.3 楼梯对整体结构地震作用力的影响
两模型在地震力作用下X,Y向的楼层剪力图和楼层倾覆力矩图见图2,3
图2 两模型楼层剪力图
图3两模型楼层倾覆力矩图
由上图可以看出，模型2的层间剪力和楼层倾覆力矩在X,Y向中均大于模型1，且最大差值均发生在第一层。
3.2 两种计算模型计算结果分析
与模型1相比，模型2中楼梯参与结构整体工作，使得传统设计方法的刚性楼板在楼梯间处打断，造成局部刚度突变；楼梯梁作为主要的承重构件，在楼梯间处错层布置，对局部刚度影响较大引起扭转效应的产生。
当楼梯参与整体计算时，容易形成螺旋式体系，促使了结构扭转效应的的发展，对结构不利。
整体结构由于楼梯的加入，使得结构的整体刚度增大，周期减小，地震作用力增大。
小结：通过建立楼梯按照等效荷载输入到周边框架梁、柱上模型1和楼梯参与结构整体计算来进行分析模型2进行对比分析，可以看出，楼梯参与了结构整体计算对结构的前三阶振型影响较大，扭转效应由原来的第三振型变成了第二振型，扭转效应明显增大；从结构的地震作用和变形可以看出，楼梯参与结构整体计算，使得结构的周期变小，频率增大，地震作用下，结构整体的地震作用增大。我们在进行楼梯构件配筋时，应根据计算的结果加大构件截面的配筋，尤其是楼梯间角柱的配筋应按短柱予以加强。梯段板配筋均采用单向板配筋，在水平地震力作用下，梯段板承受了较大的轴力，故配筋时我们把梯段板负筋沿板长通长布置。
4.结语
楼梯等构件作为建筑物不可缺少的部分，在抗震方面对整体建筑有着不容忽视的影响，楼梯构件参与框架结构整体计算以后对整体结构的周期、位移、地震力都产生了一定得影响，实际设计中将这两者简化为荷载，输入到模型中进行考虑的做法是偏于不安全的。在设计时，楼梯应将其模型直接参与结构整体计算分析，并采取必要的构造措施，做到简化模型更加符合实际情况，从而更好的满足使用要求。
参考文献：
[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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