胡希冀，張麗娜

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 建筑工程系，河北 承德 067000；2.中石化石油機(jī)械股份有限公司 承德江鉆分公司，河北 承德 067000)

抗震設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，近年來的震害表明，結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耗能能力不足和變形能力不足。建筑物在大震時能保證“不倒”，才可保證建筑物發(fā)生破壞時(后)內(nèi)部的人員可以安全逃離而獲救，但是，即便地震發(fā)生時建筑物實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”，而作為逃生通道的樓梯卻發(fā)生了破壞，無法滿足上下通行，建筑內(nèi)部的人員也無法脫險。同時，樓梯梯段的斜撐會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度局部增大，地震時剛度大的部位會吸收更大的地震作用，因此，在保證房屋“大震不倒”的前提下提高樓梯的抗震性能，才能滿足樓梯作為逃生通道的要求。剪刀梯尤其以可充分利用樓層高度、減少公攤面積的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用在高層建筑中，本文擬分析剪刀梯在不同地震波作用下的時程反應(yīng)，以期為樓梯抗震設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型的建立

混凝土取C30，其彈性模量Ε=3e10 N/m2，泊松比μ=0.2，在ANSYS中用SOLID65單元來建立樓梯模型，樓梯模型如圖1所示，樓梯主要尺寸如表1所示。

2 地震波選取

本文擬模擬剪刀梯在8度區(qū)的動態(tài)響應(yīng)，環(huán)境條件如下：①抗震設(shè)防烈度：8度；②設(shè)計(jì)地震分組：第一組；③抗震設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.2 g；④場地類別：Ⅱ類。選取的地震波分別為：①EI波(南北方向)；②唐山波(南北方向)；③人工波(X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65)。選取的三種地震波峰值加速度分別為0.34 g、0.055 g和0.35 g，地震波時程曲線如圖2～圖4所示。

表1 樓梯構(gòu)件尺寸

構(gòu)件名稱構(gòu)件尺寸/mm平臺梁250×500踏步寬300踏步高150梯井寬50平臺板(寬×厚)150×110樓梯板厚110

3 時程分析

3.1 最大位移反應(yīng)

在罕遇地震下，人們最關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的最大位移和結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)的情況，通過確定樓梯在三種地震波輸入時的最大位移點(diǎn)及對比此點(diǎn)三個方向位移—時程反應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，三種地震波的位移時程響應(yīng)規(guī)律基本類似，樓梯的最大位移均在Y方向，El-Centro波的最大位移為85.8 mm，唐山波的最大位移為96.8 mm，人工波的最大位移為82.6 mm。三種波的最大位移發(fā)生時結(jié)構(gòu)變形圖見圖5、圖6和圖7。

罕遇地震情況下結(jié)構(gòu)位移的時程曲線如圖8所示，通過對比發(fā)現(xiàn)：

1)板式剪刀梯在EI波作用下最大位移出現(xiàn)時間最早，在唐山波作用下出現(xiàn)的位移最大，說明不同的地震波有不同的頻譜，雖然樓梯在不同地震波作用下的響應(yīng)存在異同，但最大位移的發(fā)生位置均相同，都為樓梯段中部。

2)樓梯在罕遇地震發(fā)生且加速峰值較大時，結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)響應(yīng)隨加速度變化呈非線性變化，此時樓梯結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段，各節(jié)點(diǎn)圍繞平衡位置振動。從圖8可以看出，板式剪刀梯在罕遇地震下產(chǎn)生了很明顯的塑性變形。

3)對于同一節(jié)點(diǎn)，即使所采用的加速度峰值相同，其在不同地震波作用下的響應(yīng)也存在很大差異。

3.2 最大應(yīng)力反應(yīng)

構(gòu)件在塑性狀態(tài)下的反應(yīng)是結(jié)構(gòu)在地震作用下最直觀的反應(yīng)，在大震情況下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)反應(yīng)情況如表2所示。

三種地震波在Y向作用下的應(yīng)力圖(見圖9)。

表2 結(jié)構(gòu)在大震作用下的應(yīng)力反應(yīng)

從應(yīng)力云圖可見，人工波作用下板式剪刀梯的響應(yīng)最為強(qiáng)烈。在地震發(fā)生時，對結(jié)構(gòu)破壞起主要作用的是地震初期的沖擊，從表2可見，唐山波作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段的實(shí)際是0.23 s，其最大應(yīng)力已達(dá)到所選用C30混凝土抗壓強(qiáng)度，主要破壞部位在平臺梁端部。EI波作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性時間為1.08 s，樓梯主要破壞部位同唐山波，也是位于樓梯梁部位。在人工波作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的時刻最晚，為6.56 s，樓梯破壞部位位于樓梯梁和樓梯段中部。

4 結(jié)論

本文從高層常見的板式剪刀梯入手，分析了其在三種不同地震波作用下的動力響應(yīng)，通過對比發(fā)現(xiàn)：

1)板式剪刀梯在文中三種不同地震作用下，樓梯的最大位移均由豎向地震波導(dǎo)致，且地震波不同，樓梯的響應(yīng)強(qiáng)烈程度不同。

2)板式剪刀梯在文中三種地震波作用下，破壞部位主要發(fā)生在平臺梁部位，其次是樓梯段中部。