浅析框架结构的楼梯斜撑效应100
框架结构中现浇楼梯的抗震性能分析
框架结构中现浇楼梯的抗震性能分析刘喜平【摘要】本文研究了框架结构的楼梯在汶川地震中出现的多种震害状况,如梯段板的断裂,框架角柱的短柱破坏,楼梯间梯柱、平台梁和平台板等构件的破坏.结合《建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)》部分规定和工程中楼梯的设计方法,分析了震害出现的原因,指出了GB 50011-2001规范中有关楼梯设计方法和构造措施的不足,给出了今后框架结构中楼梯设计和施工的相关建议.%The article studies damage of the Cast-in-place stairs of frame structures in Wenchuan earthquake, such as ladder board fracture, short column failure of corner column, damage of constructional column, platform beam and plate failure and etc. Based on the 2001 edition of the code for seismic design of building regulations and the design method of stair in engineering, we analyze the cause of the earthquake damage, show weaknesses of the stairs design method and construction measure in the old code, and put forward some suggestions about stair design and construction in the future.【期刊名称】《震灾防御技术》【年(卷),期】2012(007)004【总页数】5页(P392-396)【关键词】楼梯;框架结构;抗震性能【作者】刘喜平【作者单位】陕西理工学院土建学院,汉中723001【正文语种】中文前言2008年的汶川大地震给灾区人民带来了重大的损失，震中区几乎是遭受毁灭性破坏。
带斜撑组合结构
带斜撑组合结构屈曲约束支撑的研究摘 要：屈曲约束支撑（BRB ）是一种有着优良的滞回性能以及能量耗散能力的支撑体系，问世不久便逐渐应用到组合结构中，本文介绍了屈曲约束支撑的基本原理，并利用有限元程序对其屈曲承载力进行了分析，计算表明，屈曲约束支撑的承载力相比于传统斜撑的承载力有显著的提高。
关键词：组合结构 斜撑 屈曲约束支撑1 前言组合结构在中震和强震时，传统中心支撑框架系统的斜撑由于受压，很容易发生屈曲而使结构破坏，图1是几种常见的中心支撑框架。
斜撑的屈曲不利于耗散地震波传到结构的能量，所以传统中心支撑框架系统结构抗震较差。
为了解决传统斜撑受压屈曲的问题，相关学者经过多年研究，研制出一种可避免屈曲的支撑，称为屈曲约束支撑BRB(bucklingrestrainedbraces)[1]。
V 形支撑 倒V 形支撑 K 形支撑 X 形支撑 对角支撑图1常见的中心支撑框架2 屈曲约束支撑的基本原理尽管目前屈曲约束支撑的形式很多，但基本原理（如图2所示）都大同小异，屈曲约束支撑中心是芯材，材料一般为屈服钢或者碳钢，芯材外面套有外围约束，一般为钢制套管，把混凝土或砂浆灌注在钢制套管与芯材之间。
这样一来，对于芯材可以形成有效的侧向约束，从而很好地避免了斜撑受压时的整体屈曲。
考虑到芯材的泊松效应受压会产生侧向的膨胀，所以，在芯材与混凝土或者砂浆之间设有无粘结可膨胀的填充材料，或者留有间隙非常狭小的空气层[2]。
图2 屈曲约束支撑原理图[3]可屈服的芯材 芯材和混凝土间的无粘结材料 混凝土或砂浆钢制套管3 屈曲约束支撑承载力有限元分析本文中分析仅考虑圆管截面采用ANSYS 进行分析[4]，具体截面样式采取如图3所示。
具体参数见表1。
图3 屈曲约束支撑截面内外套管之间涂脂类涂料，使得管壁之间的摩擦系数为零，外管仅对内管提供法向面内约束。
内管两端为加载端。
具体尺寸参见图4。
图4 模型具体尺寸芯材单元选择为SOLID185，外套筒单元选择为SOLID45，接触目标面单元TARGE170，接触面单元CONTA174，对外套筒约束柱所有节点的沿杆纵轴的位移（UZ ），内套筒底部仅约束为UX ，UY ，UZ ，即考虑为铰接，在芯材的另一端加载，有限元模型如图5所示。
浅析楼梯间结构抗震的研究现状
行 论 述
关键词： 楼梯 ； 抗震设计 ： 楼 梯 间框 架抗 震
楼 梯是 房屋 建筑 的重 要组 成部 分 ， 是 多层 及 高
楼 梯 和框架 结构 共 同参 与 工作 的研 究 ， 得 出 了楼梯
可 能对 结构 层 的 刚度有 明显影 响 的结 果 ， 但 这些 研 究 主要是 包 含楼梯 间 的小结构 缩 尺模 型 试验 。 广东 省建 筑设计 研 究 院焦 柯 等ｌ ５ １ 给 出 了楼梯 参 与结 构整 体 计算 的一 些 方 法 ． 分 析 了梯 板 、 梯 柱 及 梯梁 在抗 震结 构 中 的作 用 。 比较 了楼梯 布置 在 不 同
２ ） 附着 于楼 、 屋 面结 构 的 非结 构 构 件 ， 以及 楼 梯 间的非 承重 墙体 ， 应采 取 与 主体结 构 可靠 连 接或
锚 同等 能避 免 地震 时倒 塌 伤人 或砸 坏 重要 设 备 的
措施 。
２国 内外 关 于 楼 梯 间框 架 抗 震 的研 究 现 状
文 献Ｉ １ 介 绍 了 国 内外 一些 含 楼 梯 的建 筑 震 害 、 楼 梯振 动及 楼 梯 对 钢筋 混 凝 土 塔式 建 筑 抗 震性 能 影 响等 的理论 分 析 与 试 验研 究 ； 曹 万林 等 【 ４ 】 开 展 了
４ ８
３结 论
近 年 来 大量 的 震 害表 明 ： 楼 梯 往 往先 于 主 体 结
（ 下转 第 ５ （ ） 页）
近破 坏 开始 急剧 变形 时 ， 停 止 调 整试 验机 油 门直 至
试件 破坏 。 记 录最终 破坏荷 载 。
一 ∞ Ｈ）删 鼎
改 变 结构在 垂 直于 楼梯 的梯段 方 向的地 震反 应 ， 而
地震作用下楼梯对框架结构的作用探讨
地震作用下楼梯对框架结构的作用探讨摘要：楼梯是建筑结构设计中一个比较重要的组成部分，其在建筑的结构中主要起着斜撑的作用。
在实际的建筑设计施工过程中设计人员要对建筑结构中楼梯间的设计引起足够的重视，要充分的考虑到地震作用下，楼梯间的各个组成构件的受力有着巨大的差异，对地震作用下建筑整体的框架结构的受力性能也会产生不同的影响。
本文通过对地震作用下楼梯对框架结构的影响结果的分析，阐述了在地震作用下楼梯对于不同建筑框架结构的作用。
关键词：地震；楼梯；框架结构；作用随着我国建筑行业的不断发展，在实际进行建筑设计的过程中更加注重建筑结构的安全性和可靠性，而防震性能是评价建筑安全性能的一个重要参数。
建筑设计施工的过程中，楼梯间的设计是一个至关重要的组成部分。
对于建筑工程来说，楼梯部件是建筑结构的重要的组成部分，更对整个建筑的安全性和稳定性起着重要的作用。
发生地震灾害时，楼梯是主要逃生渠道，因此在建筑防震方面楼梯发挥了非常重要的作用。
就我国现阶段的地震灾害的情况来看，地震作用下楼梯相比于建筑房屋主体更容易受到破坏，一旦楼梯受到破坏整个建筑的主体结构也将受到严重的负面影响[1]。
另外，还存在着在地震作用下房屋主体并没有受到破坏而楼梯间却严重损坏的情况。
所以楼梯间的设计对于建筑结构主体的的稳定性，尤其是在地震作用下建筑主体结构的稳定性起着至关重要的作用。
一、地震作用下楼梯损坏的原因以及情况分析发生地震时，楼梯在整个的建筑结构中不仅充当了逃生通道的角色并且对于建筑结构的整体抗震能力起着重要的作用。
在一般情况下，建筑结构的设计中，楼梯的防灾能力要求比建筑整体的框架结构的要求更高。
地震作用下，楼梯破坏的原因主要有两种：结构破坏和非结构破坏。
楼梯的两种破坏类型中，非结构破坏的主要表现为楼梯间的横墙出现“X”型裂缝现象，另外非结构破坏还会造成楼梯与墙体连接处出现裂缝的现象，导致局部坍塌的情况。
建筑楼梯的非结构破坏的原因是楼梯板斜向放置，楼梯板以及楼梯间的分隔柱即将楼梯间的填充墙分割的太过零散、楼梯间小柱没有延伸至上层梁的梁底以及填充墙构造措施不够科学合理。
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。
楼梯对框架结构抗震性能影响分析
楼梯对框架结构抗震性能影响分析摘要：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。
框架结构考虑楼梯侧向支撑作用的ANSYS分析
６ ４ ３０ ８ Ａ）１ ４ ２ ５
５ ７ ７ １ ０ ７ ７ ／ ｌ ３ ｌ
ｌ ． ３ ／ ６ ６ １ ２ ０ ０ ２０ ｌ ４ｌ ０ ０ ０ ｌ ６ ６ ／ ６ ｌ ｌ ／ ５ ８ ０ Ｉ０ ０ ５ ５
１ 实例 计算 与分析
本 文 通 过 建立 有 无 楼 梯 的 Ａ Ｓ Ｓ实 体 框 架 模 型 进 行 对 比计 Ｎ Ｙ
算， 分析考虑楼梯时对框架结 构周期 的影 响。实体 模 采用 Ｓｌ ｏ—
ｉ５ ｄ 单元 。模型一为带楼梯模型 ， 中楼梯 问构造柱根据 新规范 ４ 其 采用延全楼 拉通 ； 了建模方便 ， 为 将楼梯板简 化成斜板 ， 竖向厚度
５ ０ ０ ５０３
第 ３ ６卷 第 ２期
２ ０ １０年 １月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ． ＡＲＣＨＩ 、 ＇Ｅ ＵＲＥ Ｉ
Ｖ０ ３ １ ６ Ｎｏ． ２
Ｊｎ ２ １ ａ ． ００
・ ８７ ・
文 章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ０ ０ —０７０ １０ —８ ５ ２ １ ）２０ ８ —２
的简 化计 算 与处 理 ， 符 合 结 构 的实 际 工 作 状 况 ； 算 中应 考 虑 应 计 楼 梯 构 件 的影 响 。
清华大学的王奇 利用 ＴＵ Ｓ软件 对框架 结构 ， 框一剪结 构及
剪 力墙 结 构 分 别 考 虑 楼梯 和不 考 虑 楼 梯 进 行 计算 分 析 ， 出 楼 梯 得
次 地 震震 害 的 调 查 中 ， 查 人 员 发 现 楼 梯 在 地 震 过 程 中 破 坏 严 调
重， 很多楼梯在端部拉裂 ， 至梯段 与梯 梁搭接 处完全破坏 ； 甚 作为
楼梯对结构抗震设计的影响分析
楼梯对结构抗震设计的影响分析发表时间：2016-11-03T15:36:24.630Z 来源：《基层建设》2015年11期作者：许韵健[导读] 摘要：根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第6．1．4条条文说明：2008年汶川地震震害进一步表明，框架结构中的楼梯及周边构件破坏严重。
本次修订增加了楼梯的抗震设计要求。
抗震设计时，楼梯间为主要疏散通道，其结构应有足够的抗倒塌能力，楼梯应作为结构构件进行设计。
广东省建科建筑设计院摘要：根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第6．1．4条条文说明：2008年汶川地震震害进一步表明，框架结构中的楼梯及周边构件破坏严重。
本次修订增加了楼梯的抗震设计要求。
抗震设计时，楼梯间为主要疏散通道，其结构应有足够的抗倒塌能力，楼梯应作为结构构件进行设计。
本文就楼梯对结构抗震设计方面的影响展开了简要的分析。
关键词：楼梯；斜撑；结构整体刚度；稳定；抗扭一、楼梯在结构抗震中的重要性楼梯本来能起到为受灾群众提供重要垂直疏散道路的作用，它的应用是最为普遍的救生通道，在地震到来时担当着非常重要的角色。
但是，经过许多的专家学者们亲赴灾区进行了大量的震害调查及分析研究，发现地震灾害到来之际，楼梯并未发挥其所应有的作用，反而是人员伤亡较重的地方之一。
所以建筑物结构要留有一定的安全储备，这样建筑物就需要存在不易严重破坏的区域（如楼梯间）。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第6．1．4条条文说明：2008年汶川地震震害进一步表明，框架结构中的楼梯及周边构件破坏严重。
本次修订增加了楼梯的抗震设计要求。
抗震设计时，楼梯间为主要疏散通道，其结构应有足够的抗倒塌能力，楼梯应作为结构构件进行设计。
框架结构中楼梯构件的组合内力设计值应包括与地震作用效应的组合，楼梯梁、柱的抗震等级应与框架结构本身相同。
因此，为了保证楼梯在强烈地震作用下能够正常工作，能形成应急疏散的安全通道，在进行结构设计时，不仅仅需要保持楼梯结构的整体抗震性能，还需要保证楼梯的一些非结构构件的脱落不会致使楼梯堵塞。
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浅析框架结构的楼梯斜撑效应
摘要：楼梯作为混凝土框架结构重要的逃生通道，在大量的震害统计中，表现
出先于框架主体结构的严重破坏，使其丧失应有的作用。本文针对该现象，通过
文献检索对其主要因素“楼梯斜撑效应”进行了分析，并探索了相应的解决措施。
关键词：框架结构；楼梯；斜撑效应；混凝土
前言
钢筋混凝土框架结构在国内仍被广泛应用，其中的楼梯作为重要的逃生通道，
在大量的震害统计中，表现出先于主体结构的严重破坏，使其丧失安全岛的作用。
究其原因，以前的相关研究在肯定楼梯对结构刚度和承载力影响的条件下，旨在
通过相应的抗震设计增强楼梯间结构的耗能能力，使其成为第一道抗震防线；抗
震设计方案则是将楼梯间与框架结构主体分开计算，结构分析中将楼梯间作开洞
处理，将其荷载作为重力荷载代表值的一部分考虑其对框架结构的抗震影响。传
统的设计方法，忽略了楼梯间与框架结构的整体性，忽略了楼梯梯段斜撑作用及
其对框架结构整体抗震性能的影响，导致楼梯间与其周边框架结构构件的联系不
够紧密，成为地震中的第一道防线优先被破坏。
1楼梯斜撑效应
国内关于楼梯斜撑效应的研究可追溯到20世纪80年代。1986年，设计大师
傅学怡[1]在“高层建筑结构正现浇楼梯对抗侧刚度的影响分析”中，提出楼梯斜撑
效应及其对框架结构抗侧刚度的影响，并推导了抗侧刚度增大系数。90年代，曹
万林教授等人[2]对混凝土异形柱框架楼梯结构进行试验研究，重点分析了楼梯耗
能的原因，并对提高楼梯耗能性能提出建设性意见。21世纪初，清华大学王奇教
授[3]从工程实例出发，分别对框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构在考虑楼
梯作用下的结构自振特性和受力性能进行分析，结果表明，楼梯的参与对框架结
构的自振特性、整体刚度及构件内力影响更为明显。随后，设计人员胡庆昌[4]从
工程经验及数次震害的统计中，对楼梯间的震害表现做了统计，并提出在不同的
设计体系中都应加强楼梯和楼梯间结构的概念设计与构造措施。2008年汶川地震
后，楼梯间先于框架主体发生的严重破坏，让专家学者们意识到之前将楼梯设计
成第一道抗震防线的做法是错误的。随后，便出现大量关于楼梯对框架结构抗震
性能影响、框架结构考虑楼梯斜撑作用的抗震分析的研究文献。西南交通大学刘
俊、沈火明[13]通过对不带楼梯、带楼梯、带采用活动支座楼梯模型进行静力推
覆（pushover）分析，得出采用滑动支座可释放楼梯斜撑作用、减少楼梯地震作
用效应的结论；同时指出，该方法会造成结构变柔、层间位移过大的不利影响。
2 楼梯的震害表现
由汶川地震的震害统计[5]得知，框架结构楼梯的破坏主要集中于梯段板、楼
梯间角柱、梯柱和平台梁处。
（1）梯段板。梯段板的破坏主要表现为沿梯段宽方向的水平裂缝，且在水
平裂缝处混凝土压碎、梯段板弯曲下挠甚至断裂。水平裂缝主要集中在距离两端
支座约1/4处和楼梯施工缝（梯段板1/3跨）处。
（2）楼梯间角柱。角柱破坏主要表现为半柱高处的剪切破坏，破坏面处钢
筋屈曲，混凝土压碎。
（3）楼梯间梯柱。梯柱一般为构造构件，截面尺寸和配筋均偏小，故在大
震中会出现柱头破损、混凝土压碎的破坏表现。
（4）平台梁。破坏主要表现为平台梁的两端和跨中破坏明显，开裂处混凝
土保护层剥落、钢筋裸露。
3考虑楼梯斜撑效应的框架抗震设计
传统的框架结构设计，理论上将框架简化为平面模型进行计算，楼梯间则单
独另算；设计中将楼梯间部分作开洞处理，其荷载经过近似转换导荷在框架结构
上。这种方法虽简化设计，但忽略了楼梯斜撑作用及其与框架的相互联系，导致
楼梯间与结构主体联系欠佳，成为结构整体的抗震第一道防线。
由前述内容可知，楼梯的斜撑作用会增强框架梯井处的刚度增大地震作用，
导致破坏严重，故在设计中是不能忽略楼梯对框架的整体性影响。针对该问题，
抗震设计可以通过“收”和“放”另种途径予以解决。
（1）“收”。即在框架结构抗震设计过程中考虑楼梯间的斜撑效应，在建模、
数值分析过程中，将楼梯与框架主体整体建模、计算，从而“收”入楼梯间处地震
作用，加大钢筋配置。目前国内已有不少研究通过结构设计软件和有限元分析软
件对框架结构主体和楼梯进行一体建模和抗震性能分析，但该方法分析过程复杂，
在实际工程中采用不多。
（2）“放”。即将楼梯间与框架主体脱开，减小楼梯斜撑地震作用效应。图集
《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（现浇混凝土板式楼
梯）》（16G101-2）中，通过对ATa型、ATb型、CTa型、CTb型楼梯在低端梯
梁与梯段板间设置滑动支座的方法，“放”掉楼梯对框架主体产生的斜撑效应。该
方法会削弱了框架结构整体刚度，使层间侧移增大，但因其方便，是目前工程中
广泛采用的抗震措施。
4结论与展望
（1）研究表明，框架结构中的楼梯会产生斜撑作用，该作用会导致楼梯间
处因地震作用增大而过早破坏，该效应破坏楼梯间作为安全通道的作用，并破坏
楼梯与框架主体的整体性，在设计中应予以考虑。
（2）目前国内实际工程中，考虑方便快捷，多采用滑动支座以释放楼梯的
斜撑作用，但该方法会导致结构整体变柔、层间侧移过大等不利影响。所以有关
框架结构考虑楼梯斜撑效应的抗震设计，还有很多方法、措施需要行业人士继续
探索、研究。
参考文献：
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1986（3）：11-25
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2005，35（11）：31-32
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议[J].土木工程学报，2010，43（10）：53-62
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[9] 宋小虎. 汶川县城房屋震害分析与楼梯对框架结构抗震性能影响研究[D].广
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[11] 刘俊，沈火明.现浇板式楼梯斜撑作用释放的pushover分析[J].四川建筑
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