建筑结构设计建模中考虑楼梯的一些观点

建筑结构设计建模中考虑楼梯的一些观点（整理自网上）

用一个三层框架结构教学楼的midas模型，分析了建立楼梯构件(楼梯板、楼梯柱、休息平台板等)的结构

和不建楼梯构件的结构，用反应谱法计算了两者的结果。发现其差异远远超出我原先的想象！

下面是一些主要结论：

1、考虑楼梯参与结构整体受力后，结构的自振周期减小，振型改变，第1阶振型转变为扭转振型，而原先不考虑楼梯时第1阶振型为平动振型。

2、由于楼梯板在水平力作用下具有“斜撑”的受力状态，在水平地震作用下，将产生较大轴向拉压力(达

到200kN以上)；楼梯板由原先我们只考虑竖向力时的受弯构件，转变为“压弯、拉弯”构件，受力状态复杂化。

3、考虑楼梯间后，楼梯间处的水平抗侧刚度较大，结构整体的水平抗侧刚度分布将不均匀，主要集中在楼梯间处。故在水平地震作用下，楼梯间的柱分配到的水平剪力较其它处明显偏大。特别是休息平台下的楼梯梁和楼梯柱，其受力非常不利。

4、此外，从结构上说，由于楼梯间的上下楼梯板（上下直行双跑楼梯为例）沿中心线并不对称，从而造成原先对称的结构考虑了楼梯的作用后，在水平地震作用下的内力分布不对称！

得到的初步结论主要是这些。发现考虑楼梯对结构整体受力性能后，结构的自振特性、抗侧刚度分布、楼梯构件的受力状态发生惊人的变化。汶川地震中，楼梯的震害照片似乎说明了这些问题。我觉得造成这个问题的根本原因就是楼梯板的“斜撑”受力状态，加强了楼梯处的局部抗侧刚度，类似于在框架结构柱间

打上了交叉支撑。

2008修订版《建筑抗震设计规范》，结构分析一节中3.6.6条增加了楼梯的计算要求：“计算中应考虑楼梯构件的影响”。（注意：用“应”，而不用“宜”）

条文说明中指出楼梯板构件有斜撑的受力状态，对结构的整体刚度有较明显的影响。

规范的变更，说明已经有学者注意到这个问题了。

三层框架结构教学楼，现浇楼板。考虑楼梯和不考虑楼梯进行结构计算。楼梯板用板单元，楼梯梁用梁单元建模

考虑楼梯时的结构第1阶振型，以扭转为主。

不考虑楼梯作用时结构的第1阶振型，以横向平动为主。

水平地震作用下结构底层柱的剪力。采用振型分解反应谱法计算，按7度(0.1g)多遇地震水准。

楼梯间处，柱分配到的剪力明显较其它地方偏大。

楼梯板在水平地震作用下的轴力：

沿板宽方向分布不均匀，两边大，中间小；板的总轴力惊人！轴力向拉压力达到200kN以上（这还仅仅是在“小震”水准下进行的计算）。

楼梯构件在水平地震作用下的竖向位移uz：

楼梯梁、楼梯柱在水平地震作用下的弯矩：

节点处内力集中！

1. 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,其影响则相应就小一些,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.建议bjdtm2001将楼板采用弹性2D单元模拟,以更真实的考察楼梯对框架结构的影响.

2. 对楼梯敏感的结构体系,应将楼梯单元作为一个子结构体系的概念加以分析和设计,以突出其"安全岛"的意义.

1、框架结构本身抗侧刚度就较“柔”，考虑楼梯斜撑作用后，就好像加入了横向支撑，所以对结构刚度的影响较大，这比较好理解。

2、砌体结构的楼梯一般都是钢筋砼现浇的，楼梯梁直接承重在砖墙上；当遭遇强烈地震时，楼梯间分配到的地震力又比较大，在复杂内力状态下，这部分墙体很容易出现局部脆性破坏，从而导致楼梯梁从墙体内脱开，楼梯板塌落造成楼板逐层倒塌。

3、剪力墙结构和筒体结构的主要抗侧构件为剪力墙和筒体墙，这些构件本身的抗侧刚度就很大，而楼梯又常包含在里面；所以这类结构楼梯的影响的确是可以忽略的，这也可以理解。

4、“安全岛”的概念很好啊，我还是第一次接触（果然是高人，表示敬佩)。这是不是说将楼梯间作为安全储备来考虑呢？还是说把这部分完全独立出来？我还不太明白。

我是做结构检测鉴定工作的，经常接触那些使用年限较久的既有建筑，我想请教这么个问题：

对于新建建筑，特别是发达城市，多采用剪力墙结构，由上所述，楼梯效应就比较小，故地震作用影响也比较小。但对于既有的传统结构建筑，特别是70、80年代以前建造的大量多层砖混、多层框架结构、底框结构等(这类结构在中、小城市，乡镇量大面广)，如果地震作用下楼梯效应比较明显的话，那么对地震区这类建筑应该怎么处理？应该如何加固？如果是采用通常加固方法(增大截面、碳纤维布加固等)的话，加固后这部分的刚度加大，反而又增加了这部分分配到的地震力，反而事与愿违。不知对这类既有建筑的抗震问题该如何处理？毕竟这类建筑现阶段的数量还是相当庞大。我现在设想是不是可以尝试把楼梯间从原结构中“脱离”出来，但还想到如何实现？是不是有更好的办法？

此外，楼梯板用2D膜单元，是不是只考虑楼梯板在平面内的受力呢？

从地震逃生角度讲，楼梯的作为逃生的唯一通道，非常重要性，否则垮塌后人们本能要往外跑却逃不出去了，这将对人民生命造成危险啊。

如果单纯从结构概念角度讲，你说的楼梯先破坏以保存主体结构不倒塌是有一定道理；但是，我们设计楼房总是要给人住的，要考虑人的使用性和安全性的；如果仅仅从结构角度讲，牺牲楼梯保住主体结构似乎可行，但是，在大震中，如果楼梯先垮塌了，人们如何逃生？结构设计必须和建筑使用，人的安全性使用性结合起来考虑才行，我觉得是这样。

所以我觉得楼梯构件其抗震等级有必要在原结构的基础上提高一级考虑。

此外，我做的是多遇地震作用下的弹性分析。原因是这样的：抗震规范规定的抗震两阶段设计：在多遇地震水准下进行结构弹性分析，将地震作用计入荷载组合进行验算；在罕遇烈度水准进行结构弹塑性验算。

把模型修改了，将梯梁和主梁连接处的梁端约束释放掉；另外，考虑到楼梯板是按两端铰接板设计的，所以也把楼梯板的板端弯矩约束也释放了，这样楼梯可能会柔些，会接近实际情况些。

经计算，好像结果变化不大。结构的第1振型还是以扭转为主，具体还没做更细致的比较。由于工作比较忙，没时间考虑的很细，我把修改后的模型发给大家，欢迎大家讨论，指出问题。

，将“安全岛”的理念应用到楼梯概念设计中是非常有必要。在地震作用下，与其让楼梯“抗”，不如将楼梯“放”。

从结构整体受力角度，如果楼梯参与抵抗水平地震作用，是极为不利的，而楼梯构件对于保证人民生命安全又具有极为重要，其结构的安全要求和构造措施(抗震等级)宜比主体结构有所提高。但这对矛盾使得我们要考虑楼梯在地震作用荷载工况下的构件承载力验算，楼梯构件的受力十分不利（楼梯板为拉弯、压弯构件，垂直梯跑方向的楼梯梁则在楼梯板传递来的巨大轴力作用下将处于双向剪切和弯曲扭转状态，受力非常不利，楼梯柱情况也类似）；在这种情况下，如果按照传统设计方法势必将极大增加构件截面尺寸和配筋面积，而这反过来又导致楼梯间的局部刚度增大，从而在水平地震作用下分配到更大的地震力。所以，这是一对矛盾。

我们与其在这个“矛盾”里“矛盾”，不如跳出这个“矛盾”，将楼梯“放”掉；即，在水平地震作用下，不使楼梯参与结构的整体受力！

我们知道，楼梯对结构整体水平抗侧刚度影响的根本原因在于楼梯板“斜撑”的受力状态，而进一步深究为什么楼梯板会有这种“斜撑”的受力状态出现，我觉得，根本原因就发生在楼梯板与楼面板、休息平台板的连接问题上。在水平地震作用下，由于楼面板与休息平台板的水平位移可能并不一致，会存在水平位移差，从而造成楼梯板发生拉压的变形（我粗略手算了下，楼梯板的轴力对这个水平位移差非常敏感！）；而再究其产生的原因，我觉得，这主要是在于楼梯板与上部楼面板，下部休息平台板的边界连接条件上；由于两者之间一般是整浇的，变形要协调，故在这个水平位移差作用下，楼梯板发生了较大的轴向变形，从而产生了巨大的轴向力，这个轴向力传递给楼梯梁，使得楼梯梁又处于更不利的受力状态（弯剪扭）。

我们是不是可以从这个边界条件入手，将楼梯“放”掉，不让楼梯板在水平地震作用下产生上述受力状态呢？我想，是否可以在楼梯板与休息平台板或楼面板连接处，设置类似于滑动支座的连接形式，从而使得结构在水平地震作用下，楼梯不产生“斜撑”的受力状态？这样，在水平地震作用下，楼梯板只发生与楼面板或休息平台板的相对水平滑移，不产生拉压等变形；这样楼梯板将由拉弯、压弯受力状态退回原先的受弯状态，对结构整体的抗侧刚度影响也相应降低很多。

将楼梯“放”掉，不参与结构整体水平受力后，一切问题就好解决了：

（1）原先的所有计算设计假定都将成立，水平地震力仍然在主要抗侧构件间按刚度分配。

（2）结构的自振特性，自振周期、振型等与原先我们计算时的仍然相同或接近；

（3）楼梯构件原先的设计方法仍将适用，楼梯板主要承受竖向荷载作用，为受弯构件；楼梯梁、楼梯柱的受力状态也将不那么复杂了；楼梯构件在地震作用下的受力状态越简单，对于保护楼梯构件将越有利；楼梯作为重要疏散通道的作用将得到保存，形成一个“安全岛”。

所以，我觉得，“以硬抗硬”的结构分析和设计思想在楼梯抗震问题中是较难实现的。为什么我们不从这个圈圈中跳出来，多想想构造，多想想边界条件，多想想概念设计？

那么对于已建成的既有建筑，“楼梯效应”带来的问题该怎么解决呢？我这样设想：把楼梯板脚的连接边界条件改为滑动支承，从施工方法上应该能够实现吧？发挥想象力，这个问题应当是能够解决的；此外，连接处还要注意构造措施等。

最后，再次感想大家的对楼梯问题的精彩讨论和意见、建议；感想Histruct结构师对这个问题的点拨指导；以及广大网友提供的资料。欢迎大家对“楼梯效应”提出自己的想法，我上述的观点也可能不正确，欢迎大家讨论。