现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响.pdf

收稿日期:作者简介:文明()男副教授博士研究方向为结构抗震 通信作者:陈宝魁()男副教授博士研究方向为结构抗震:.文明冯辉王伟伟等.现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响.南昌大学学报(工科版).南昌大学学报(工科版)():.()():.现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响文明冯辉王伟伟陈宝魁傅华耀(.南昌大学工程建设学院江西 南昌.江西省近零能耗建筑工程实验室江西 南昌)摘要:现浇梁式楼梯在框架结构中普遍使用但在结构设计中往往被忽略仅作为竖向荷载作用于结构上 为探究梁式楼梯及其支座形式对结构抗震性能的影响利用数值模拟技术对无楼梯框架及带不同支座楼梯框架在地震作用下应力、位移、耗能特性以及混凝土损伤等特性进行分析 分析结果表明:地震作用下无楼梯框架、固定连接框架和滑动连接框架的柱顶位移分别为.、.、.表明楼梯结构的存在将增大框架结构整体刚度改善结构应力分布滑动支座连接与固定支座连接相比地震作用下楼梯间结构中钢筋与混凝土的应力峰值分别减小了 和 同时滞回环面积更大因此滑动支座连接楼梯将更好地改善整体结构耗能及抗震性能关键词:梁式楼梯框架结构数值模拟滑动连接抗震性能中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:地震中楼梯间作为建筑结构主要的逃生通道其抗震性能至关重要 然而大量研究和震害资料表明地震灾害发生后建筑物内的楼梯间往往损伤严重产生严重的裂缝甚至坍塌 楼梯不仅未能有效发挥其人员疏散的重要功能并且影响震后救援工作 由此可见详细地掌握楼梯的抗震特性并增强其抗震能力将有效降低地震造成的损失目前结构设计中大多没有将楼梯结构与主体结构看作一个整体进行计算而是各自独立设计忽略了真实地震作用中两者之间的相互作用 楼梯设计时仅考虑竖向荷载忽略了地震作用下其与主体结构的相互作用导致楼梯的实际受力大于设计值第 卷第 期 年 月 南昌大学学报(工科版)().使楼梯结构在地震中易发生破坏目前国内外学者已对这个问题展开相关研究张望喜等利用数值模拟的方法通过比较不同工况下结构的位移响应等特征分析装配式滑动支座楼梯抗震性能发现该楼梯在地震作用下具有应力分布均匀位移反应较小等优点 吴兆旗等针对 框架结构现浇板式楼梯抗震的分析结果对板式楼梯抗震性能进行综合评价并针对性地提出其抗震性能评价方法 曹达忠等针对混凝土板式楼梯中平台板滑动支座进行拟静力实验分析发现滑动支座将使梯段板发生竖向翘起现象 马小瑞使用 针对板式楼梯、梁式楼梯、悬挑楼梯 种楼梯结构进行分析发现楼梯结构可以提高整体结构体系的刚度 利用 分析方法对 框架进行分析探究楼梯结构是否参与建模楼梯位置等因素对结构的抗震性能的影响 等对 个 层楼梯结构进行振动台实验分析得出反复拉压作用使连接处发生破坏并进一步导致楼梯间破坏 以上研究主要集中于现浇板式楼梯以及装配式楼梯 目前对梁式楼梯抗震性能的研究主要集中于梁式楼梯结构对整体结构抗震性能的影响 而对现浇梁式楼梯连接方式以及对楼梯本身受力方面研究较少因此本文将针对框架结构中的现浇梁式楼梯研究梁式楼梯结构参与整体计算与否以及楼梯不同连接方式对框架结构抗震性能与楼梯受力性能的影响 基本原理.梁式楼梯梁式楼梯为踏步板下有梯梁支撑的楼梯通常由平台板、梯梁、支承梁和踏步板组成平台板和梯梁搭接并支承于支承梁支承梁则与承重墙或框架柱相连由于有梯梁的存在梁式楼梯与板式楼梯的传力途径不同 梁式楼梯与梯梁的连接方式一般采用刚接但为了改善性能也会采用在下部与梯梁采用滑动支座上部结构与梯梁连接方式见.节.滑动支座梁式楼梯梁式楼梯滑动支座连接为上端与支承梁刚接在梯梁下端部与其支承梁之间铺上一层聚四氟乙烯板或其他摩擦系数比较小的一些特殊材料这样在一定程度上释放了踏步板下端允许结构发生一定程度的位移防止斜撑效应的产生改善结构受力分布状况同时也减少了楼梯板因整体受力而产生的受力不规则性具体做法见图 5 mm厚聚四氟乙烯板高端支承梁梯梁内延一跨封口边梁梯梁低端支承梁图 梁式楼梯滑动支座做法.数值建模.模型参数为了分析结构抗震设计中是否考虑现浇梁式楼梯的参与和梁式楼梯支座连接形式等因素对框架结构以及楼梯本身地震反应的影响本研究利用有限元动力分析软件 建立了 种不同楼梯间的局部构造的单层框架模型:)无楼梯整体框架模型(模型)固定连接梁式楼梯整体框架模型(模型)滑动连接梁式楼梯整体框架模型(模型)楼梯采用 混凝土其弹性模量为 混凝土的密度取.泊松比取.钢材采用 级钢筋其弹性模量为 钢材的密度取.泊松比取.模型场地类别为二类其地震分组为一组结构相应的抗震设防烈度为 度 图、图 分别为模型 的平面图和剖面图其中 为框架柱 为梯柱 为支承梁 为梯梁 和 分别为踏步板和平台板相应结构尺寸如图配筋的各项具体参数如表、表 所示其中 表示截面长度 表示截面宽度 表示板厚表 构件尺寸及配筋信息.构件混凝土等级/纵筋箍筋/表 构件厚度及配筋信息.构件混凝土等级/纵筋箍筋 /第 期 文明等:现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响图 楼梯平面图.图 楼梯剖面图.建模方法由于踏步在结构整体计算中只参与了荷载的传递而对结构受力影响不大并且为了便于网格划分因此在使用 建立模型时忽略踏步直接建立矩形楼梯板踏步以荷载形式施加 混凝土模型采用塑性损伤模型钢筋模型采用双线性模型模拟钢筋骨架与混凝土框架间的相互作用时采用 中约束管理器中的内置区域 混凝土采用 节点线性六面体减缩积分单元钢筋骨架采用桁架 采用绑定约束来模拟梯梁与支承梁之间的固定连接采用表面与表面接触的相互作用来模拟滑动连接接触属性设置为法向硬接触切向无摩擦通过约束管理器中的内置区域来模拟混凝土框架与钢筋骨架的相互作用 采用动力隐式分析步楼梯间的约束条件随分析步而变化在第 分析步中约束方式为固定连接第 分析步中释放 方向的自由度 运用 建立如图 所示的 种结构模型并对结构做拟静力数值实验分析与动力时程分析研究不同结构类型在同一荷载状况下应力、位移、耗能特性及混凝土损伤情况等方面的差异()模型()模型()模型 图 种楼梯间构造模型.抗震性能分析.模态分析模态分析是根据结构的阻尼、模态振型、频率等固有属性去描述结构动力特性是时程分析的基础 本文采用 法分析结构模态结果中各方向振型参与质量均达到规范要求的 以上图 为模型、模型、模型 的前三阶模态图()模型()模型()模型 图 各模型前三阶模态.可知有楼梯构件的模型前三阶模态以水平方南昌大学学报(工科版)年向运动为主而对于无楼梯结构纯框架模型 其第三阶模态发生了竖向扭转由此可知存在楼梯结构会提高楼梯间抗扭刚度也得出楼梯结构的存在以及其不同的连接会对结构的模态产生影响 各模型的前三阶自振周期如表 所示表 各模型前三阶自振周期.单位:阶数模型 模型 模型.可以看出各模型的自振周期中模型 最小模型 最大根据/其中 为质量 为刚度可知模型 与模型 相比由于考虑刚性楼梯的影响结构的质量和刚度均增大但质量增大幅度远小于刚度的增加幅度因此周期下降模型 与模型 相比由于考虑滑动楼梯的影响结构质量和刚度均增加但质量增加的幅度大于刚度增加幅度因此周期得到提高模型 与模型 相比二者质量基本相近但滑动楼梯整体刚度小于刚接楼梯因此模型 的周期更大综上所述楼梯结构参与结构计算会增强整体结构的刚度和质量滑动支座连接楼梯对整体结构质量增加幅度大于对刚度增加幅度会引起整体周期提高.时程分析.输入地震波考虑梁式楼梯与主体结构地震相互作用主要发生在梯梁方向因此在地震反应分析模型中强震记录仅输入梯梁方向的单向水平地震荷载本文共输入 波、波、天津波 组强震记录加速度峰值统一调至.由于篇幅限制下面分析结果主要列出了 地震波输入时的结构反应.结构位移与应力响应 地震作用下不同模型中柱顶()与层间支承梁()位置的 方向的水平峰值位移如表 所示其中模型 中间平台处峰值取上下框架梁对应位置位移平均值 可以发现模型 的柱顶与中间平台位置的位移最大模型 各位置的位移最小 由于楼梯的存在可以提高框架结构的整体刚度而刚接梁式楼梯对刚度增加更多 当楼梯以固定支座考虑时柱顶位移的位移反应可以降低中间平台位置的地震反应可降低 当加入上端固定、下端滑动的梁式楼梯时柱顶位移的位移反应可以降低 中间平台位置的地震反应可降低 因此在抗震分析模型中加入楼梯将降低局部甚至整体的结构位移反应 由于本模型未考虑整体建筑结构对局部楼梯间位置的约束作用结构地震反应的减少幅度会被放大但局部模型可以更清晰地反映楼梯对结构地震反应的影响作用与规律表 结构峰值位移对比.单位:位置模型 模型 模型 柱顶.中间平台.在 地震波作用下不同楼梯间结构钢筋与混凝土构件的最大应力云图如图 图 所示()钢筋应力()混凝土应力图 模型 应力云图.由图 中应力云图可知在未建楼梯的模型 中结构的最大应力发生在框架柱的塑性铰区域而在图 与图 中加入了楼梯的模型 与模型 中梯梁与柱和平台梁相交处出现应力集中现象混凝土和钢筋应力峰值加大模型 的钢筋和混凝土应力峰值分别增大为模型 相应峰值的 和模型 的钢筋和混凝土应力峰值分别增大为模型 相应峰值的 和 但应力峰值区第 期 文明等:现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响域主要发生在楼梯与框架梁连接刚接处支座刚接处以及楼梯板区域 因此模型中增加楼梯楼梯与主体结构的相互作用将增大楼梯自身的应力水平而减小对框架柱的影响这与楼梯结构的实际受力较为吻合因此在结构地震反应分析模型中有必要考虑楼梯的影响()钢筋应力()混凝土应力图 模型 应力云图.()钢筋应力()混凝土应力图 模型 应力云图.此外对比模型 和模型 可知模型 的钢筋应力和混凝土应力峰值分别为.、.模型 的钢筋应力和混凝土应力峰值分别为.、.不难发现改变楼梯与框架梁的连接支座形式将影响楼梯与支座在地震荷载作用下的应力值 由于滑动梯梁下端可以沿支座滑动地震时应力可适当减小地震作用下楼梯间结构中钢筋与混凝土的应力峰值分别减小了 和 因此使用滑动支座连接的楼梯结构可以有效减小构件内力对结构抗震性能有利.拟静力数值试验.滞回曲线为了对比 种不同支座类型楼梯在地震作用下耗能能力的差异采用数值模拟方法对模型 与模型 分别进行拟静力性能分析 对模型底部进行固定约束并建立 个分析步第 个分析步在模型每个框架柱顶部施加 的竖向荷载第 个分析步在模型顶部施加位移循环荷载加载方式为第一级加载位移为 往后每级施加 每级加载反复循环一次当模型发生屈服后每级施加 每级加载反复循环 次 得到的模型 和模型 的滞回曲线如图 所示图中 表示位移表示侧向力滞回曲线又称恢复力特性曲线为试件采用拟静力实验方法来确定的荷载位移曲线可以很好地反映出构件在受力过程中刚度退化、变形和能量消耗特征 由图 可知 个模型在加载初期曲线重合度较高这是由于模型 和模型 个模型的构件尺寸及其属性相同楼梯处于弹性工作状态下滞回环面积较小耗能较小 随着位移荷载的增大滞回曲线呈 形并伴随着滞回曲线面积的增大构件整体刚度发生退化滞回曲线呈反 形构件整体强度下降承载能力减弱滑动支座楼梯单元随着施加位移荷载的变化其滑动支座连接部位发生相互错动通过摩擦作用来达到耗能效果因此滞回曲线相对于固定连接楼梯单元没有明显的捏缩效应 随着加载位移的增大滞回环的面积也不断增大并伴随着裂缝的产生和贯通造成结构承载力的减弱 对比 种连接方式的滞回曲线可以看出滑动连接楼梯单元有南昌大学学报(工科版)年4503001500-150-300-450F0/kN50250-25-50-75-10075200150100500-50-100-150-200F0/kN50250-25-50-75-10075100/()固定连接楼梯滞回曲线/()滑动连接楼梯滞回曲线图 楼梯单元滞回曲线对比图.着更大的滞回环面积因此有着更好的耗能性能以上表明滑动支座楼梯单元有着更好的耗能特性因此有着更好的抗震性能.骨架曲线骨架曲线是结构在加载过程中所得到的最大水平力相连的运动轨迹可以很好地体现出混凝土结构的受力状态与结构变形过程中的规律和特性 模型 和模型 的骨架曲线如图 所示图中 为荷载表示位移 由两骨架曲线可以看出固定连接楼梯单元承载力峰值是滑动支座楼梯单元承载力峰值的 倍多这是因为固定连接楼梯结构由于整体刚度大从而使其承载力峰值增大 而滑动连接由于梯梁下部与支承梁连接断开减弱了斜撑效应减轻了结构内力 可以看出固定连接楼梯在位移值在 左右时便达到了结构的屈服点而对于滑动连接楼梯屈服点位移值则可以达到 左右滑动连接楼梯结构有着更大的屈服位移1005004003002001000-100-200-300F1/kN6020-20-60-100固定连接滑动连接/图 楼梯单元骨架曲线对比图.以上表明滑动支座楼梯单元有着更好屈服位移值因此有着更好的抗震性能 但是在整体结构强度方面滑动支座楼梯单元不如固定连接楼梯单元结构能承受的最大应力小于固定连接楼梯单元.混凝土损伤情况分析在拟静力数值分析下得到模型 和模型 的混凝土损伤云图如图 所示分析 种结构损伤情况来判断 种结构形式的抗震性能()固定连接构件混凝土受压损伤云图()固定连接构件混凝土受拉损伤云图()滑动连接构件混凝土受压损伤云图()滑动连接构件混凝土受拉损伤云图图 混凝土损伤云图.第 期 文明等:现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响由混凝土损伤应力云图可知固定连接楼梯的梯柱最先出现损伤伴随着荷载作用的增大裂缝开始发展并逐渐贯通其他构件交接处也开始出现损伤并且随着荷载增大损伤部位逐渐增大 与固定连接构件相比滑动连接构件出现损伤区域与固定连接损伤区域相差不大但是由于采用滑动连接楼梯构件损伤程度明显减弱除上部梯梁与支承梁连接处出现轻微损伤其他部位未有太大损伤 此外滑动连接楼梯损伤发生的时间也要晚于固定连接楼梯综上所述滑动连接楼梯整体损伤要小于固定连接楼梯此外固定连接楼梯结构损伤出现时间更早、分布更加分散损伤扩散速度更快因此采用滑动支座可以减轻整体结构的损伤.整体结构分析为了进一步验证上述结论的在整体结构中仍适用研究建立 个 层层高为 的框架模型、模型、模型 模型与基础的连接方式为固定连接 各模型楼梯间均按上文中楼梯间构造设计模型 为不设楼梯间的纯框架模型模型 为设置固定连接楼梯的框架模型模型 为设置滑动连接楼梯的框架模型 种模型如图 所示分别对 个模型进行时程分析时程分析采用与楼梯间模型相同的地震波得到 个模型的 方向的水平位移以及模型、模型 梯柱与平台梁内力值位移具体数据如图 所示图中 表示位移()模型()模型()模型 图 种框架构造模型.X0/mm54321062018161412108642模型D模型E模型F楼层图 各模型 方向楼层位移.从图 可以看出纯框架结构模型 由于缺少楼梯结构失去楼梯结构的刚度加强效应导致位移最大 模型 由于楼梯下部约束释放刚度减小所以模型 的位移大于模型 的位移模型 由于楼梯结构的刚度加强作用位移最小这与前面单独楼梯间分析情况一致此外我们针对 种不同的支座连接形式进行相关探究以得出 种不同支座连接形式对整体结构抗震性能的影响得到模型、模型 梯柱与平台梁内力值如表、表 所示表中 表示轴力表示剪力 表示弯矩表 模型 和 梯柱内力.楼层模型 模型/.南昌大学学报(工科版)年表 模型 和 平台梁内力值.楼层模型 模型 /()/().从表 和表 可以看出滑动支座连接可以显著降低结构的内力降低结构损伤与前面单独分析楼梯间的结论一致经对比分析整体框架模型的受力情况以及特性均与楼梯间分析情况一致进一步验证了结论的正确性 结论 在楼梯间子结构模型与整体框架模型中分析楼梯结构及其连接方式对结构地震响应的影响得出楼梯构件的设计方法对框架结构抗震设计的影响分析中对比不同工况模型的模态、地震作用下的位移与应力响应以及结构滞回及损伤情况得出以下结论:)在楼梯间子结构模型中增加楼梯板等构造可以提高楼梯间与结构的整体刚度减小结构的自振周期但滑动支座构造可以使楼梯间结构自振周期增加)地震作用下在增加了楼梯结构的两类模型中楼梯间的应力与位移反应均大幅度降低 并且楼梯间子结构的应力最大值出现在楼梯与框架梁的交接位置 因此在框架结构的抗震设计中有必要充分考虑楼梯的构造与支座形式)总体来看固定支座可以更好地降低结构局部甚至抗震结构的整体地震反应但梯梁与梯板自身的地震反应也将增大 使用滑动支座连接不但可以大幅度降低结构整体的地震反应还可以减小楼梯间及楼梯结构自身的受力反应 因此考虑到楼梯作为逃生通道的重要作用建议在楼梯的抗震设计时楼梯梁多采用滑动连接方式以确保楼梯的抗震安全性此外为了使楼梯结构不但具有良好的抗震性能还能起到出色的减震耗能作用在今后的研究中可尝试使用更多新型的支座连接形式与楼梯的减震构造方法参考文献:丛术平陈家学彭敏.框架结构防震楼梯间抗震性能试验研究.建筑结构():.张望喜王志强刘精巾等.采用装配式滑支板式楼梯的 框架结构抗震性能.重庆大学学报():.吴兆旗李晨亮姜绍飞.基于性能的 框架结构现浇板式楼梯抗震性能评估.福州大学学报(自然科学版)():.曹达忠彭凌云高志强等.钢筋混凝土框架结构带高端平台板滑动支座楼梯抗震性能试验研究.建筑结构学报():.马小瑞.楼梯形式对 框架抗震性能的影响分析.水利与建筑工程学报():.():.():.刘长洋.板式楼梯连接方式对 框架结构的抗震性能影响研究.长沙:湖南大学.班慧勇赵平宇周国浩等.复合型高性能钢材轴压构件整体稳定性能研究.土木工程学报():.张望喜刘长洋.考虑楼梯影响的 汶川地震灾区某典型教学楼弹塑性分析.防灾减灾工程学报():.傅华耀.带梁式楼梯框架结构抗震性能的研究.南昌:南昌大学.刘如月.防屈曲支撑混凝土框架结构地震损伤分析.南昌大学学报(工科版)():.王雨辰胡淑军熊进刚.腹板开洞的装配式 节点抗震性能.南昌大学学报(工科版)():.杨朋超薛松涛谢丽宇.消能减震建筑结构的贝叶斯有限元模型修正.土木工程学报():.罗维刚刘纪斌宋江朋等.双重耗能机制框架剪力墙结构地震响应分析.振动与冲击():.付国张博何斌.钢筋混凝土框架延性破坏准则研究.地震工程与工程振动():.第 期 文明等:现浇梁式楼梯支座形式对结构抗震性能的影响