钢结构旋转楼梯的设计与有限元计算

钢结构旋转楼梯的设计与有限元计算
近年来我国钢结构旋转楼梯方面的设计和施工已日趋成熟,各种形式和结构体系的钢结构都有许多工程实例。

人们在利用钢材创造新的结构形式的同时,也在设计和施工领域中遇到很多问题,旋转楼梯设计和施工规范落后于实践的现象常常出现。

从基本的建造技术上分析,目前常见的钢结构楼梯大都使用“梁柱”结构体系,而很少关注钢材这种建筑材料提供的其他造型可能性。

对钢楼梯而言“,梁柱”结构体系是一种可靠的建造方式,但绝对不是唯一的方式,还可以考虑采用板式钢楼梯。

随着建筑材料和建造技术特别是现代建筑结构计算技术的迅猛发展,钢楼梯将给予人们更大的想象余地和创造空间,研究钢楼梯将有利于设计工作的开展,具有实际意义。

钢结构旋转楼梯工程概况
该工程为国航业务综合楼,本次设计的钢结构旋转楼梯位于7层～9层,该楼梯跨度大,约为10m,层高3.9m,2层,旋转弧度为360°。

根据甲方的要求,其建筑构想是设计成一座轻巧、美观、通透、现代化的楼梯,对综合楼的整体起到“画龙点睛”的效果,这给结构设计带来巨大的挑战。

钢结构旋转楼梯方案的确定
根据建筑师的构想,其楼梯建筑风格要与周围环境相适应,通透性要好。

因此,在材料的选用上钢筋混凝土不太合适,而采用钢结构材料可以满足设计理念。

由于业主要求楼梯要给人以轻盈、通透的感觉,因此在旋转楼梯结构形式上采用板式钢楼梯,这样较梁柱式楼梯更能体现其艺术效果———轻盈通透,在内力分析上可采用有限元分析计算方法。

在材料的选用上,选用Q345钢,梯板的截面选择尺寸合适的箱形截面,首先材料分布比较合理,其次结构受力合理,尤其抗扭刚度较大,并增强其平面稳定承载力,而且加工方便,外形美观。

在组成箱形截面的钢板选择上,厚度要适中。

钢板太厚,结构自重太大,浪费钢材;钢板太薄,虽然节省材料,但结构整体挠度增大,钢结构局部容易失稳,且钢楼梯上支座处的焊缝强度不够,影响结构的安全。

有限元分析计算
1.计算分析原理和过程
目前市面上有多种国内外的有限元分析计算程序,其计算原理均采用基于变分、插值和变分原理为基础的有限元法。

对于计算钢结构旋转楼梯内力只要具有结构静力分析、动力分析、多种响应分析、非线性弹塑性分析、稳定性分析和温度场分析等功能的有限元分析计算程序即可满足需要。

具体结构分析时,整个计算分析过程如图1所示。

2.旋转楼梯计算模型
计算采用ANSYS有限元软件,有限元模型如图2,图3所示。

截面数据及荷载取值:拉杆截面为1963mm2(<50),最上面一层拉索施加0.0004的预应变,钢板厚度均为12mm。

恒荷载包括自重,其中,钢板为48.8t,拉杆为0.54t,外荷载取2.0kN/m2,活荷载取2.5kN/m2。

材料性能数据:构件的材料均为国产Q345钢,材料为各向同性,E=2.06×105MPa,μ=0.3,σB=215MPa,ρ=7.85×10-9kg/mm3。

3)单元类型:杆单元Link10和壳单元Shell181。

4)边界条件:两钢索上下全约束。

旋转楼梯计算结果
1.旋转楼梯竖向
位移在荷载设计值作用下,最大向下位移为6.1mm(在9层休息平台处),最大向上位移为1.9mm(在8层～9层之间的休息平台处),拉杆最大应力值为90MPa;拉杆支座最大反力值为176.98MPa,满足规范要求。

2.旋转楼梯应力
钢板最大应力值为37MPa(在8层和9层休息平台处),满足规范要求。

5
对于较复杂问题或很多静不定问题的结构设计,传统的建筑结构分析方法(采用材料力学或结构力学中的方法)相当繁琐。

在先进的电子计算机广泛应用以后,可以采用有限元分析软件ANSYS解决此类结构的设计问题。

由于建筑风格要求大跨度钢楼梯轻巧、通透,结构设计人员可以换条思路———采用板式钢楼梯。

通过利用ANSYS软件分析国航综合业务楼的钢结构旋转楼梯,说明完全可以在建筑技术上采用板式钢楼梯,以达到轻巧、通透的建筑艺术效果。

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