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1、钢结构梁式旋转楼梯结构分析 梁令枝 广州市建筑工程职业学校 摘 要： 与普通楼梯不同, 旋转楼梯的最大特点在于它是螺旋上升的。蜿蜒的流线如同一条游龙, 具有很强的动态美感, 并且这种螺旋上升的楼梯能够节省不少占地空间, 上述优点使得建筑师们越来越喜欢在公共建筑中使用这种楼梯。本文以工程实例为背景, 采用有限元软件对该类型楼梯进行内力计算和分析, 希望研究结论能对同类型结构的设计起到参考作用。关键词： 旋转楼梯; 结构分析; 钢结构; 作者简介：梁令枝 (1981) , 女, 广东广州人, 中级讲师, 主要研究方向为防灾减灾工程与防护工程。收稿日期：2017-08-18Structural An
2、alysis for Spiral Stringer-type Stair Made by SteelLiang Ling-zhi Abstract： Different from ordinary stairs, one of features of spiral-stair is spiral shape.Spiral outline looks like a flying dragon, which made the stair full of dynamic beauty sense and also saved much more rooms.Architects often use
3、 these stairs in public buildings because of advantages above-mentioned.This paper based on a real project and used STRAT software and 3 D3 S software to obtain mechanical properties of spiral-stair.We hope the conclusions in this paper can play a direction role in spiral-stair design.Keyword： spira
4、l stair; structural analysis; steel structure; Received： 2017-08-18钢结构旋转楼梯因其造型美观, 富有强烈的动态美感, 占地少等优点越来越多地使用在公共建筑中, 对于符合国标图集 15J401钢梯使用条件的旋转楼梯, 其构件截面尺寸、节点及反力均可直接从图集中查到, 但对于适用条件以外的旋转楼梯, 使用常规的设计软件来建模分析, 就显得力不从心。本文以某办公楼钢结构梁式旋转楼梯为背景, 采用三维有限元软件进行内力计算和分析, 希望研究结论能对同类型结构的设计起到参考作用。1 工程概况旋转楼梯所在的项目为广州某甲级办公楼。从地下
5、1 层地下室到塔楼 2 层设有旋转楼梯 1 部, 其中地下 1 层上首层的楼梯旋转角度为 630, 首层上 2 层的楼梯旋转角度为 450。因建筑功能要求, 旋转楼梯不能使用中柱, 故结构上选用钢弧梁支承钢梯板, 而钢弧梁通过预埋件支承在楼层的钢筋混凝土梁上。因其结构形式特殊且无标准图集可查, 故采用通用有限元软件 STRAT V6.0 进行建模分析, 并以同济大学 3D3S 软件进行对比复核。根据文献1, 3, 对于该旋转楼梯形式, 若采用 PMCAD 或 PMSAP 按笛卡尔坐标系建立几何模型, 不仅每个踏步的空间坐标难以准确确定, 而且工作强度极大。故建模时笔者采用 START 软件中的
6、螺旋复制命令, 该命令可快捷、准确地生成旋转楼梯模型。2 计算结果分析因地下 1 层上首层的旋转楼梯高度为 6.6 m, 首层上 2 层的楼梯高度为 5.2 m, 前者更为不利, 故以地下 1 层上首层的旋转楼梯为研究对象。2.1 变形分析从图 1 可以看出, 在永久荷载和可变荷载共同作用下, 当外弧旋转到跨中区间时, 旋转楼梯的挠度达到最大, 此时 STRAT 计算值为 28.825 mm, 3D3S 计算值为 27.300 mm, 两者相差 5.6%。本项目内弧和外弧分别长 10.131 m 和 27.017 m, 中心线弧长为 18.574 m, 挠度与中心线跨度之比为 1/644 (以
7、 STRAT 挠度来计算) 。目前国内规范对该类型结构的挠度限制未明确规定, 但从挠度的绝对值来看, 该结构的绝对变形并不大, 可以满足实际使用需要。图 1 永久荷载+可变荷载作用下楼梯变形 (计算机截图) (a) STRAT 软件计算结果; (b) 3D3S 软件计算结果 下载原图2.2 内力结果分析图 2 永久荷载+可变荷载作用下梁应力比 (计算机截图) (a) STRAT 软件; (b) 3D3S 软件 下载原图从图 2 中可以得出以下结论。 (1) 在永久荷载和可变荷载共同作用下, 内、外弧的应力分布呈两端相对较高, 中间相对较低的特点, 外弧应力比维持在0.250.4, 内弧应力比维
8、持在 0.60.75。 (2) 在永久荷载和可变荷载共同作用下, 内弧的应力明显高于外弧。这主要由于内弧的长度比较短, 传力路径较短, 大部分荷载都直接通过内弧传走。从这一点可以看出, 内弧为旋转楼梯的主要传力路径, 其作用更倾向于柱, 在设计过程中应重点考虑 (表 1, 2) 。表 1“Z 向位移”最小的前 7 个节点位移 下载原表 表 2“强度应力比”最大的前 7 个单元的验算结果 下载原表 2.3 支座反力分析从图 3 与表 3 均可看出, 内弧反力明显高于外弧。这主要由于内弧传力路径较短, 大部分荷载都直接通过内弧传走, 其作用类似于柱, 对连接内弧的预埋件设计时, 应足够重视。如遇弯
9、矩较大导致锚筋锚固长度不足时, 可采用钢板对拉的做法来处理。图 3 支座反力包络图 (STRAT 软件) 下载原图表 3 各效应组合下最大支座反力设计值 下载原表 3 结论本文以实际工程为背景, 运用有限元分析程序 STRAT 和同济大学 3D3S 软件对钢结构梁式旋转楼梯在永久荷载和可变荷载作用下进行结构分析, 得出以下结论。(1) 旋转楼梯的最大挠度出现在外弧跨中附近区域, 考虑到目前国内规范并未提出相应挠度限值, 故应以控制结构的绝对挠度不要太大为宜。 (2) 楼梯外弧和内弧的应力分布呈两端大, 中间小的趋势。 (3) 楼梯内弧的应力明显高于外弧。这主要由于内弧的传力路径较短, 大部分荷
10、载都直接通过内弧传走, 其作用更倾向于柱, 在设计过程中应重点关注旋转楼梯的内弧梁及其与混凝土结构的连接节点。 (4) 为便于运输及加工, 内弧梁和外弧梁往往是在工厂分段加工的, 故在现场拼装时应控制好各段弧梁之间的连接焊缝质量, 条件许可的情况下, 应采用二级全融透焊缝连接4。 (5) 因为内弧的踏步宽度比外弧的踏步宽度小, 故对于旋转楼梯的净高控制, 应选择控制内弧的净高而非踏步中心线或外弧净高。参考文献1齐志成.旋转楼梯的计算方法J.建筑结构学报, 1981 (1) . 2张学波, 张婷, 田川, SAP2000 在混凝土旋转楼梯结构设计中的应用J.四川建筑, 2014 (8) . 3桂苹, 陈昶.钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法J.工程建设与设计, 2002 (5) . 4刁腾达, 刘志会, 苏震, 等.钢结构旋转楼梯制作安装技术J.钢结构, 2016 (1) . 5陈绍藩.钢结构设计原理 (第三版) M.北京:科学出版社, 2005. 6魏明钟.钢结构 (第二版) M.湖北:武汉理工大学出版社, 2002.
