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楼梯破坏形式及加固方法

近年来,全球地震灾害频发,给人类带来了巨大的伤害和经济损失,尤其是08年汶川地震给中国国民敲响了警钟。在救灾过程中,存在大量框架甚至剪力墙结构受损严重,究其根本,在于前期设计建造过程中对抗震设防措施考虑不够完善。

其中,房屋结构的楼梯作为重要的紧急逃生竖向通道,在抗震加固研究中正受到越来越多的重视,应严格按照《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223—2008进行抗震加固。

楼梯的震害类型及其分析

在险情发生时,建筑物内人员主要通过楼梯进行疏散。楼梯若发生破坏,会造成大量的人员伤亡并阻碍后期的救援工作。为保证它的安全性,楼梯不仅要有足够的承载力与整体性,同时还要确保非结构构件在以上极端情况下不会发生脱落。 

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1.1 梯段板破坏

震害发生时,楼梯梯板板底位置的混凝土呈现大面积脱落、钢筋裸露现象,或者裂缝沿梯板宽度方向整条贯通的情况等(见下图)。在地震发生时,楼梯梯板相当于“K”型支撑构件,梯板底部受力主筋受压弯曲直至屈服破坏, 最终造成梯板拉断。 

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1.2 楼梯平台梁破坏

梯梁侧面在两个梯板之间的混凝土开裂脱落(见下图)。地震发生时,楼梯相当于“K”型支撑构件。楼梯的两个梯段在楼梯发生层间侧移的时候,交替承受外部挤压,此时梯梁受力属于弯剪扭复合受力,导致平台梁在跨中发生剪扭破坏。

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1.3 楼梯平台板破坏

平台板的纵向与横向均有较明显的裂纹(见下图)。地震发生时,楼梯在整体构造中属于斜向构件,与建筑物墙体一起作用,相当于“K”型支撑构件。而楼梯层间休息平台板,在整体构造中属于水平支撑,作用机理类似于“耗能梁”。此处吸收地震波能量,造成了震害。

平台板裂纹情况:

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1.4 楼梯小梯柱破坏

小梯柱柱端处出现柱头破损,混凝土碎裂脱落,梯梁端处纵筋外露,屈服破坏(见下图)。楼梯发生这种破坏, 起因应该是混凝土的强度不够(小梯柱处),或者抗震设计时没有充分考虑到地震实际发生时此处的“柱端弯矩” 等情况。

楼梯小梯柱破坏: 

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1.5 楼梯间填充隔墙破坏

横墙出现X型裂缝(见图左),楼梯间填充墙处构造措施处理不符合规范;楼梯踏步与墙体连接处出现裂缝,梯板与填充墙连接处,拉结构造措施处理不符合规范(见下图右)

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填充墙剪切裂缝与连接处破坏: 

楼梯常用加固方法的优缺点和适用性

2.1 碳纤维复合材加固

(1)优缺点:

优点:具有良好的耐腐蚀性能和耐久性能;不增加构件的自重和体积;高强高效;纤维复合材料布是一种柔性材料,可广泛适用于各种结构类型;施工便捷且施工工效高;

缺点:加固构件材质及强度有一定要求,存在一定的局限性,例如被加固的混凝土构件,强度等级不得低于C15,且不能为素混凝土构件;使用后的碳纤维布,不能直接暴露在有害介质或者阳光下,且所在环境温度不能长期处于60℃以上,对防护及防火要求较高,需增加一定的防护成本。

(2)适用性。

本加固方法适用于受压、受拉、受弯构件,例如楼梯梯段板、平台梁、平台板等。被加固的楼梯构件的砼等级最低为 C15,且砼表面的正拉粘结强度必须大于等于 1.5MPa。在加固设计过程中,碳纤维布仅可计入拉应力计算。使用后的碳纤维布,不能直接暴露在有害介质或者阳光下,且所在环境温度不能长期处于60℃以上,对防护及防火要求较高。针对部分处于特殊工作环境下的楼梯构件,加固时必须采用专门的胶粘剂,并配合相应的特殊粘贴工艺进行施工。

(3)加固原理

纤维复合材料加固楼梯,主要是利用纤维材料的抗拉性能强的特点,通过粘结物质,使得纤维复合材料与楼梯结构砼产生良好的粘结性,弥补楼梯受拉纵向钢筋和受剪、抗扭箍筋的不足,以提高楼梯抗弯剪扭的承载力。

由于加固时采用封闭式“U 形箍”,可以起到约束楼梯结构砼横向变形的作用,进而产生三向压应力,间接改善了结构砼的强度以及延展性,以达到提高楼梯抗震性能的最终目的。

2.2 粘钢加固

(1)优缺点

优点:粘贴钢板加固的平台梁,抗裂性得到较大改善,同时提高了抗弯刚度。施工技术简单,粘贴钢板所使用胶粘剂,硬化速度快且强度也远高于加固结构砼强度,在缩短施工周期的同时,使加固材料与原结构形成整体受力,避免产生“应力集中”现象。粘贴钢板加固法,占用空间小且几乎不改变原有结构外形。可以使用明火,尤其适用对防火有特殊要求的结构,例如楼梯间加固施工;

缺点:由于钢板加固的刚性材料特点,胶粘工艺的施工效果对最终加固效果起到决定性作用,且粘贴钢板加固存在“应力滞后”现象。

(2)适用性

本方法适用于所处工作环境正常适宜且承受静荷载的受弯或受拉构件的加固,例如楼梯平台梁、平台板、梯段板等。被加固的楼梯构件的砼等级最低为C15,且砼表面的正拉粘结强度必须大于等于 1.5MPa。加固后正常工作环境(杜绝化学腐蚀),应保证湿度最高为 70%,温度最高为 60℃,否则应增加防护措施。

2.3 体外预应力加固

外加预应力加固法,被广泛应用于混凝土梁板柱的加固,是一种加固效果显著,同时费用低廉的加固方法。因为加固后对结构外观有影响,所以比较适用于一些重型结构或者大跨度结构的加固,但不适用于砼收缩徐变较大的建筑结构。

总 结

建议采用粘贴碳纤维布法加固楼梯。以后工作的重点在于严格遵照相关标准和规范进行施工,减少后期加固压力,另外从增强结构的抗倒塌能力出发提高现有结构中楼梯的抗震能力。

卡本复合材料有限公司是集加固材料、先进化学建材、复合材料及配套技术于一体的国家高新技术企业。卡本申请了180余项专利,其中发明专利超50%,拥有十余项高新技术产品。卡本专注为客户提供技术咨询、方案设计、材料供应、施工指导、检测验收和产品制定。



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