螺旋钢楼梯

2024-07-28

螺旋钢楼梯（精选4篇）

螺旋钢楼梯篇1

1 概述

螺旋钢楼梯以其优美的外形被广泛应用于商场、酒店等大型公共建筑中[1]。为使钢结构楼梯能够得到更好得推广, 中国建筑标准设计研究所发行了钢梯图集 (02J401) [2]。图集中包含了各种形式的螺旋钢楼梯, 但是其最大规格为内半径1 m, 外半径2.5 m;而且楼梯螺旋角度、楼梯高度也有较大的局限性, 这大大限制了螺旋钢楼梯的应用。因此对尺寸较大且形状怪异的螺旋钢楼梯进行专门研究就显得尤为必要。

2 研究背景

螺旋楼梯的早期计算方法[3,4,5,6,7,8,9]是将其简化为一根沿中心线的空间曲梁, 用结构力学原理计算该曲梁的内力及变形。陈昶, 桂苹等人[10]提出了将梯梁视为空间曲梁单元, 踏步板及休息平台按板单元处理的空间曲梁—板混合单元计算模型。袁建霞[11]、王喆等[12]的研究表明, 支座采用刚接和铰接的螺旋钢楼梯的内力分布及位移有较大差异。

本文提出空间曲线杆件结构模型 (曲杆模型) 和空间壳结构模型 (壳体模型) 两种模型, 对螺旋钢楼梯进行计算分析。曲杆模型中梯梁简化为多段杆单元, 踏步板简化为连接梯梁的杆单元。壳体模型中梯梁、踏步均简化为壳单元。同时考虑支座为刚接和铰接, 进行计算对比, 分析各自优劣, 从而得出一种计算螺旋钢楼梯更准确且实用的方法。

3 结构计算与分析

3.1 工程概况

某工程拟采用螺旋钢楼梯, 内径2.4 m, 外径6.3 m, 分26步旋转260°, 总高4.9 m, 楼梯起止两端与楼层处钢筋混凝土梁连接。

荷载标准值:恒载 (大理石踏步板面层1.6 k N/m2、钢化夹胶玻璃栏杆1.3 k N/m) 、活载 (踏步面活荷载3.5 k N/m2) ;计算荷载组合:1.2恒载+1.4活载。

3.2 建模计算

梯梁截面为400×200×8×8, 踏步宽度380 mm, 高188 mm, 板厚6 mm。采用SAP2000建立曲杆模型。踏步板采用L形截面, 截面为380×188×6。采用ANSYS建立壳体模型。梯梁、踏步均简化为壳单元。两种模型中楼梯的构件尺寸一致, 钢材均采用Q235, 支座形式分别采用刚接和铰接两种进行对比分析。

3.3 结果分析

3.3.1 位移

分别计算支座刚接和铰接的曲杆模型和壳体模型, 得出变形见图1, 图2和表1 (踏步从下往上编号) 。分析发现, 每种计算模型所得的外圈梯梁的竖向位移均大于内圈梯梁。这是由于内外圈梯梁间的踏步板起到了变形的传递和协调作用, 外圈梯梁承受的一部分荷载通过踏步板传到了内圈梯梁上, 内圈梯梁形成了外圈梯梁的支撑。支座形式是影响螺旋钢楼梯竖向位移的一个重要因素, 两种结构模型算得的最大竖向位移, 刚接节点的明显比铰接节点的小, 在曲杆模型中小约21%, 在壳体模型中小约50%。

需要说明的是, 曲杆模型用构件截面形心处的位移作为整个界面位移的代表值, 考虑不到截面翘曲的附加位移;壳体模型则能充分考虑截面产生翘曲对截面位移的影响 (尤其是扭转作用时) , 同一截面上不同位置的位移一部分比形心处大, 而另一部分比形心处小, 从而出现了图3a) 中反映的内圈梯梁中间位置发生向上位移的现象。当支座采用铰接时, 此时支座约束较弱, 更多的荷载由内圈梯梁承担, 使内圈梯梁受到更大的扭转作用, 由此导致截面的翘曲更为严重, 从而出现了图3b) 中铰接支座壳体模型比曲杆模型的竖向位移最大值大较多的现象。

采用铰接支座时, 螺旋钢楼梯梯段中部位置踏步板的应力要比其他位置踏步板的应力大很多, 如图3b) 所示。这种应力分布情况表明, 在扭转效应影响下, 梯段中部位置内圈梯梁对外圈梯梁的支撑作用最大, 使得此位置外圈梯梁的位移减小, 同时受到截面向上翘曲的联合影响, 最终出现了梯梁的竖向位移呈“马鞍”状的分布情况, 如图3b) 所示。

3.3.2 内力

分析两种模型算得的螺旋钢楼梯应力情况可知, 支座刚接时, 结构应力分布较均匀, 较大应力分布于楼梯的中部和两端;支座铰接时, 结构应力分布不太均匀, 最大应力出现在梯段中部, 其他位置均较小。在壳体模型中, 梯梁应力最大值, 铰接为148.7 MPa, 刚接为75.3 MPa。由此证明刚接支座在使内力分布更加均匀的同时, 还能有效降低梯梁的最大内力。从空间曲杆模型得到的楼梯内力最大值可知 (见表2) , 除竖向弯矩和扭矩外, 铰接支座模型的内力均比刚接支座的大30%以上。两种模型的计算结果表明, 刚接支座螺旋钢楼梯的受力更加合理。

3.3.3 极限承载能力

螺旋钢楼梯承载能力极限状态的应力分布见图4。可以看出, 刚接支座模型梯梁的大部分区域均已进入塑性阶段, 结构各部位强度均得到充分发挥, 且应力分布比较均衡, 材料得到充分利用。铰接支座模型应力分布不均匀, 只有内圈梯梁的中部和两端进入塑性, 结构其他部位应力较小, 材料不能被充分利用。

4 结论及建议

本文分别采用空间曲杆模型、空间壳体两类模型, 考虑了支座刚接、铰接两种边界条件, 对螺旋钢楼梯进行了对比分析, 得出如下结论及建议:

1) 曲杆模型和壳体模型所得螺旋钢楼梯的内力分布及变形情况基本一致, 证明了两种计算模型的正确性。其中, 曲杆模型对踏步板及底板的简化, 没能充分反映结构的整体作用, 导致其内力及竖向位移较壳体模型的偏大。

2) 精确分析时, 建议采用壳体模型。实际设计中, 建议采用过程简单且所得结果偏于安全的曲杆模型, 同时采取构造措施防止板件局部变形过大甚至屈曲破坏。

3) 支座形式是影响螺旋钢楼梯的内力及变形的重要因素。计算证明, 采用刚接支座相比于采用铰接支座算得的结构内力及变形更小, 且分布更加均匀, 材料利用更充分。设计时, 建议采用刚接支座节点, 并采取可靠的措施保证支撑梁的抗扭转能力。

4) 内圈梯梁比外圈梯梁承受更多的荷载, 设计时, 可考虑内外圈梯梁采用截面外轮廓一致、外圈梯梁截面壁厚更薄的方案, 从而在保证安全和美观的前提下, 减小自重, 节约材料。

摘要：结合某实际螺旋钢楼梯工程, 分别采用空间曲杆模型及空间壳模型, 考虑支座铰接和刚接两种边界条件下, 从位移、内力、极限承载力三方面, 对楼梯结构进行了对比研究, 得出了一些有价值的结论。

关键词：螺旋钢楼梯,空间壳结构模型,空间曲线杆件结构模型,有限元分析

螺旋钢楼梯篇2

关键词：地震作用,钢楼梯,钢框架,抗震性能

0前言

在地震作用下, 钢结构楼梯及钢框架结构的变形较大, 而变形过大会导致钢结构的强度及稳定性降低, 最后整个结构会因结构节点破坏而无法使用, 因此, 将楼梯作为“安全岛”的设计是尤为重要的[1,2]。GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[3]中明确指出:结构计算模型在建立时可以进行必要的简化与处理, 在计算时应考虑楼梯构件对整体结构的影响, 必须符合结构的实际工作状况进行计算与分析。因此, 本文以3层钢结构框架为计算模型, 建立有无钢楼梯计算模型, 分别探讨在地震作用下钢楼梯对钢框架结构抗震性能影响。

1 模型建立

1) 模型基本概况。工程概况:工程位于西安市灞桥区, 3层钢框架结构, 层高为4.2 m, 总高为12.6 m, 地震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2 g, 设计地震分组为第三组, 设计特征周期Tg=0.40s, 钢框架结构周期折减系数为0.85。所采用钢材为Q345B。结构阻尼比ξ=0.04。钢框架结构周期折减系数为0.85。钢框架结构构件及钢楼梯构件截面尺寸见表1。

2) 三维计算模型建立。在有限元分析中, 钢梁、钢柱:杆单元;水平钢板:膜单元;钢楼梯斜板:壳单元, 计算模型在空间的自由度均加以约束固定。钢框架结构模型建筑平面图见图1, 3层无楼梯钢框架模型图见图2;3层有楼梯的钢框架模型见图3。

2 计算条件的基本设定

根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》[4]中的相关参数进行选取。基本风压w0=0.35 k N/m2。基本雪压w0=0.25 k N/m2。对各计算模型采用地震作用下的振型分解反应谱法。

3 钢框架结构与楼梯钢框架结构计算结果对比分析

本次对体型较规则的钢框架结构, 仅考虑弹性分析计算, 由于两种模型计算结果内容较多, 选择主要的控制参数结构周期、位移角、底层剪力和楼梯受力作为研究对象。

1) 反应谱工况下, 各模型结构周期和位移角汇总对比见表2。

从表2对比数据分析可得:无钢楼梯模型计算结果与有钢楼梯的模型计算结果差异较大, 结构前三周期分别缩短大约13.6%、11.8%、19.9%。从以上数据可以看出:钢结构体系中楼梯的设置对钢框架主体结构的自振周期有显著的影响;无钢楼梯模型前二阶振型主要以平动为主, 第三阶振型以扭转为主, 但有钢楼梯模型扭转参与系数比较明显, 说明由于有钢楼梯模型中楼梯构件的参与, 导致了框架结构振动模态发生了改变。楼梯的存在提高了结构的抗扭刚度;计算模型中出现两个方向最大位移角差异, X方向减小约6.5%, Y方向减小约23%, 可以得出:楼梯对顺跑方向的最大位移角有明显的影响, 考虑楼梯后结构模型的阵型方向也有所改变;有钢楼梯计算模型的层间侧移小于无钢楼梯计算模型, 且两个计算模型的最大弹性层间位移角均小于1/250。

2) 楼梯参与整体计算时对钢框架结构底层剪力的影响对比分析见表3。

从表3可以得出:地震作用下底层剪力双向分别增大4.8%及12.6%, 由此得出, 对于钢楼梯布置方向对整体钢框架结构的影响显著, 均不能忽略, 楼梯的对称布置及分布合理对地震作用下整体钢框架的抗震性能是有利的。

3) 在反应谱工况下, 取各模型楼梯间2层梯间框架柱沿Y方向截面剪力对比分析。

从各模型楼梯间2层梯间框架柱沿Y方向截面剪力数据对比分析可以得出:有钢楼梯的模型与无钢楼梯的模型相比, 剪力发生了较大的变化。有钢楼梯模型的剪力相应地增大了4倍多;有钢楼梯的模型的梯间框架柱沿Y方向截面剪力增大了约1.75倍, 且柱上下两段截面的剪力变化大约达50%左右, 可以认为楼梯斜梁具有斜向支撑作用, 有效支撑效应的楼梯间组成了局部支撑结构, 形成较大刚度集中现象。楼梯间钢柱和楼梯斜板受到冲击作用产生了极大附加应力, 从而更加说明了支撑梯段板的梯柱是双向压弯、双向剪切的构件, 因此在大震作用下, 钢框架结构梯柱上端节点极易破坏。

4 结论

钢结构楼梯对整体钢框架结构刚度有一定的贡献, 由于楼梯构件对整体结构有刚度的贡献, 结构在地震作用下将吸收更大的地震作用力, 在以后的结构设计时, 需考虑地震作用的影响。钢框架的楼梯斜梁和梯柱在地震时产生的内力 (轴力、剪力) 较大, 在地震的反复作用下, 楼梯间的构件处于复杂应力 (拉弯、压弯) 交替状态下, 因此, 在地震作用下, 应将钢楼梯的“释放效应”理念应用到未来钢结构抗震设计概念中, 以此达到抗震性能设计要求。

[ID:003181]

参考文献

[1]尹保江, 黄世敏, 程绍革, 等.汶川地震中建筑楼梯震害原因分析[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[2]王威, 薛建阳, 章红梅, 等.框架结构在汶川“5.12”大地震中的震害分析及抗震启示[J].世界地震工程, 2009, 25 (4) :133-137.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[4]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].

[5]GB50007-2010钢结构设计规范[S].

钢筋混凝土螺旋楼梯的设计应用篇3

天津某地二层会所, 总建筑面积4200 ㎡, 结构形式为框架结构, 首层层高为5. 050m, 二层层高为4. 800m。

在首层大堂处, 设置一部开放式螺旋楼梯, 楼梯平面形状近似水滴状, 旋转角度约为270 度, 外径为5. 600m, 内径为1. 800m, 在中间部位设置一个休息平台, 在圆心处不设置中柱, 楼梯平面如图所示:

2 结构设计

螺旋楼梯是一种造型优美的特种楼梯, 螺旋楼梯具有丰富的空间感、灵动的造型, 并且占用的空间较小, 在公共建筑及高级住宅中应用广泛, 深受建筑师和业主的欢迎。螺旋楼梯按结构形式分螺旋板式楼梯和螺旋梁式楼梯, 钢筋混凝土螺旋楼梯通常采用板式楼梯, 钢螺旋楼梯通常采用梁式楼梯。

本工程螺旋楼梯并非标准型螺旋楼梯, 在楼梯的上下起跑位置, 近似设置有平直段。楼梯采用扭板式钢筋混凝土螺旋楼梯, 楼梯上下端支座均按固接设计, 上端约束在首层楼板处, 下端约束为楼梯基础。

2. 1 结构计算

螺旋楼梯是一个复杂的空间结构体系, 是多次超静定结构, 楼梯板要承受弯、剪、扭的共同作用, 截面上的六种内力, 即法向弯矩和剪力、径向弯矩和剪力、扭矩和轴力, 在沿中轴线不同位置处有各自不同的变化规律, 并相互影响, 没有明显的规律可供遵循, 受力状态非常复杂。目前的螺旋楼梯结构设计软件, 具有较强的前后处理功能, 已能够满足工程设计的需要。本工程计算软件采用PKPM系列LTCAD模块进行辅助设计。

荷载计算, 楼梯均布活荷载为3. 5KN/㎡、构件自重由程序自动计算, 建筑装修面层自重按1. 2KN/㎡考虑, 计算需要的线荷载按下述公式计算:

式中:q———作用在形心半径R上的均布线活荷载 (KN/m)

g———作用在形心半径R上的均布线恒荷载 (KN/m)

b———包括悬挑的梯板宽度

r———螺旋楼梯中心半径

G———一个踏步范围内楼梯自重

G'———一个踏步范围内楼梯装修面层自重

ω———一个踏步对应的圆心角

a———踏步高度

γ———混凝土容重

截面验算, 螺旋楼梯截面应满足混凝土结构设计规范6. 4. 1 条的要求, 公式中: V = √ ( Vn2+ Vb2)

Vn———法向剪力

Vb———径向剪力

配筋计算, 在法向弯矩Mn和轴力N作用下按对称配筋的偏心手拉或偏心受压构件计算正截面配筋Asn; 在径向弯矩Mb作用下按受弯构件计算正截面配筋Asb; 在扭矩Mt和剪力Vb作用下按剪扭构件计算受扭纵向钢筋Asl及剪扭箍筋Asv。

2. 2 计算结果

经过反复试算及比较, 最终选定梯板厚度为250mm, 螺旋楼梯内力如下图所示:

配筋如下图所示:

梯板传递给上下端梯梁的荷载设计值为:

计算梯梁时应充分考虑梯板传来的扭矩、水平力, 并采取措施保证支座约束情况与计算相符。

2. 3 挠度控制

楼梯结构应具有足够的刚度, 以避免产生过大挠度或其他变形而影响观感及使用。长期荷载作用的跨中最大挠度一般按以下数值控制:

Lo———楼梯中轴线的展开长度

计算最大垂直位移为=7.0mm, Lo=8000mm

/Lo=7/8000=1/1142<1/400满足要求

3 构造措施与施工

梯板受力非常复杂, 钢筋接头宜均按受拉考虑, 优先采用可靠的机械连接接头。以往有的工程设计, 由于与楼梯末端相连的现浇板厚度过小, 抗弯能力不够而在相接处产生裂缝。因此本工程将上端楼梯支座处与梯板相连的楼面楼板加厚至200mm, 采用双层双向配筋, 每层每个方向的配筋率为0. 37% 。楼梯上半部受拉, 钢筋的锚固非常重要, 全部负弯矩钢筋均伸至现浇楼板内40d, 以承受楼梯端部的相应内力。为了减小楼梯基础沉降带来的不利影响, 楼梯基础设置在承台梁上, 以保证下端支座的固接要求。为了加强梯板的抗扭能力及提高构件延性, 在梯板的边缘设置暗梁, 并增设封闭箍筋。

螺旋楼梯是以立体空间内的轴心和圆弧半径形成的轨迹图形, 踏步呈扭曲升高的状态, 现场施工放线、模板支设、钢筋加工复杂。各纵筋之间在长度、弯折点、弧度等方面均存在不同的差异。因此宜在施工之前, 利用Auto CAD绘图软件进行实际比例放样, 力求做到钢筋尺寸准确, 模板拼接严密、标高准确。螺旋楼梯受力复杂, 且存在较大的扭矩, 现场钢筋加工制作应严格按照图纸施工, 箍筋必须完整、封闭, 不得将箍筋分为两个U形箍, 再行焊接为封闭箍筋。

4 总结

本工程已经竣工投入使用一年有余, 如右图所示, 未出现开裂、变形等现象, 完全符合使用要求, 建筑空间效果良好, 符合建筑师及业主的预期。

设计螺旋楼梯时, 应重视上下端支座的构造措施, 确保支座实际情况与计算假设相一致。楼梯基础的沉降变形会对梯板内力产生显著的影响, 应将楼梯基础与主体相连, 减小楼梯基础的沉降变形。梯板应按宽扁梁的形式设置抗扭箍筋, 箍筋应连续封闭, 不得按板式设置成上下两个钢筋网片, 应严格按照图纸施工, 现场不得随意切断钢筋, 增设接头。利用辅助计算软件进行内力分析, 并充分考虑各种构造措施, 使得螺旋楼梯的设计变得简便可靠, 工程安全有保证。

参考文献

[1]混凝土结构设计规范.GB50010-2010.

[2]建筑结构静力计算使用手册.浙江大学.

[3]吴建生, 何广民.钢筋混凝土螺旋楼梯结构计算手册[M].北京:中国建筑出版社, 1987.

螺旋钢楼梯篇4

标准板式螺旋楼梯是指中心半径和梯宽不变,平面投影为圆弧形的板式螺旋楼梯。其内力分析与配筋设计已成熟解决及应用,通常可采用手算[1]或机算(PKPM的LTCAD模块、理正的异形楼梯模块),如满足图集《钢筋混凝土螺旋梯》(03J402)关于板式钢筋混凝土螺旋梯的型号,亦可直接选用。

其中手算和LTCAD在内力分析时都采用空间杆元来模拟梯板[1,2],即把梯板截面简化成梁截面,这对宽厚比较小的梯板还是比较准确的,并可直接得到工程人员熟悉的各截面内力,但对宽厚比比较大的梯板必将存在缺陷;比较好的方法是采用壳单元来模拟梯板,理正的异形楼梯模块即采用此法,在得到截面应力后采用积分法统计出各截面内力。有的截面内力梯板配筋都是按文献[1]所介绍方法进行设计,但在抗扭纵筋的具体布置上存在差异,文献[1]和理正都只在梯板上下面布置,而LTCAD在梯板左右两侧也布置,其实两种方式都可,需具体工程具体分析,只要保持抗扭纵筋需对称布置的原则即可。因此,当设计人员遇到标准板式螺旋楼梯的设计时,若有条件,应首选理正、LTCAD和手算校核。

在平常设计中,由于建筑的需求,结构设计人员常会碰到复杂的非标准板式螺旋楼梯的设计,包括变半径、变梯宽、中间有休息平台、两端有直线段、变旋转方向中的一种或几种情况的组合。遇到这种情况,手算不可能,LTCAD不能解决变两次以上半径和变梯宽的情况,理正则不能解决变梯宽的情况。如果想了解各截面的应力分布情况,使配筋更合理以及了解变梯宽的情况,则需要采用有限元分析软件进行应力分析和设计。有限元分析软件亦有很多,SAP2000作为通用结构分析与设计软件,相对与ANSYS等通用有限元分析软件更容易被工程设计人员掌握和应用。本文将结合实际工程,详细介绍利用SAP2000对非标准板式螺旋楼梯进行建模、分析与设计的全过程。

2 工程实例

2.1 工程概况

某酒店一层大厅螺旋楼梯建筑平面图如图1所示,建筑效果是由下到上逐渐收缩,梯板从最宽处的3.5m收至最窄处的2m;中间有一段平台,并且在上端部带一直线段,直线段宽度不变为2m;楼梯共有34级,每踏步高150mm。

可以看出此楼梯为非标准螺旋楼梯,给结构分析、设计及施工带来难度。

2.2 非标准螺旋楼梯的建模

有限元分析软件中建模准确与否决定着受力分析结果是否可用,但建模准确并不意味要与实际结构完全一致。在工程设计中,经常会做一些假定和简化,使得建模和分析更加明了和重点突出。对于以上楼梯只需建出梯板的模型即可,而踏步可以折合成恒载输入,另外支撑楼梯的上下梁也可一起参与建模及分析,从而解决支撑梁的配筋问题。

建模准确性还体现在模型单元的选择上。梁采用线单元中的框架单元进行模拟;梯板用面单元中的厚壳单元进行模拟,厚壳单元相比于薄壳单元考虑了横向剪应力对变形的影响[3],螺旋楼梯梯板厚度较大,选择厚壳模型模拟更符合实际情况。

建模的难点为竖向定位。为了建模有章可循,建模时先按标准螺旋楼梯定位,即按从上到下先直线段,再为内径3000mm、外径5000mm,最后内径4000mm、外径6000mm的标准螺旋楼梯定位,然后将定位点延伸到相应建筑所要求圆弧处。

建模过程由SAP2000及AUTOCAD交互进行,先在SAP2000选择楼梯模板建出标准螺旋楼梯,然后把模型导入AUTOCAD中修改至满足建筑要求,最后再导入SAP2000中。其中在AUTOCAD应用曲面中的三维面来绘制厚壳单元,用直线来绘制框架单元即可。具体过程可参考文献[3]或SAP2000的帮助文件。图2所示为此螺旋楼梯的SAP2000模型。

2.3 非标准螺旋楼梯的分析

模型建好后,即可进入分析过程。分析过程包括施加荷载、工况组合、运行分析和提取结果[3]。

荷载按面荷载进行施加,梯板恒载由程序自动计算,踏步及装修荷载则需按恒荷载输入,人流活载按活荷载输入,需特别注意的是活荷载输入时的方向应为“Gravity Projected”;工况组合在SAP2000里可采用“添加默认设计组合”的方式自动生成规范的组合,如还需其他组合可人工进行添加;运行分析主要包括设置分析选项、创建分析模型及选择运行工况三项,其中设置分析选项需选择所有自由度参加分析。

施加荷载、工况组合、运行分析为基本过程,可参考文献[3]或SAP2000的帮助文件完成,以下主要讨论提取结果这项。

提取结果包括提取何种结果以及如何提取。运行分析完后在SAP2000中会直接给出壳单元的内力与应力。注意此处壳单元内力(也称为应力合力)是在整个单元厚度积分应力而得的力和弯矩,是沿壳单元中间面作用的每单位长度的内力[3],而不是整个截面的内力。利用壳单元内力与应力可以了解螺旋楼梯的整体受力情况及分析出配筋设计的控制截面。图3所示为壳顶面应力S22图,应力S22对应壳顶面或底面沿着板长度方向的应力。由图3可以看出此螺旋楼梯的基本受力情况:下半部分的外侧及上半部分的内侧为拉应力区,需集中配筋,查看应力数值,可初步确定上下两端截面为配筋设计的控制截面,再结合其他应力图可最终得出控制截面。

对于工程设计人员来说,有了壳单元内力和应力还无法完成配筋,我们需要的是控制截面的内力。而SAP2000的特殊输出提供对生成数据进行二次编辑功能,利用截面切割工具可以求出所切割截面的合力[4]。截面切割具体操作有两种方法,第一种是定义截面切割组法,另一种是绘制法。建议采用定义截面切割组法,可以准确得到控制截面的内力;而绘制法随意性大,不适合在空间视图中操作。在采用截面切割组法时,应在分析运行完成后再定义控制截面组;最后可以通过点击【显示】>【显示表格】来查看截面切割力,图4所示即为本工程螺旋楼梯控制截面内力。

2.4 非标准螺旋楼梯的设计

非标准螺旋楼梯的设计应包括支撑楼梯梁的设计和梯板本身的设计。SAP2000程序设计选项中可以完成楼梯梁的设计,但应注意在定义框架单元时设计类型应选柱而不应选梁,因为选梁将不会考虑水平方向的弯矩,建议直接读取梁的内力图,找出控制截面然后按规范配筋。

对于梯板的设计,得出控制截面的内力后即可按文献[1]的方法进行配筋设计,不再赘述。需特别注意的是由于其为变宽度非标准螺旋楼梯,在施工图绘制中应给出钢筋放样图,以便施工。图5所示为梯板某横截面及中间平台部分配筋大样图。

3 非标准板式螺旋楼梯设计难点及解决方法

利用本文所述方法进行非标准板式螺旋楼梯设计主要存在以下难点:

(1)AUTOCAD三维建模。

对于现在的广大工程设计人员来说,AUTOCAD并不陌生,但大部分工程只需要绘制二维平面图即可满足要求,进行工程计算时绝大部分工程采用PKPM的PMCAD亦可完成,进行三维建模对绝大多数工程设计人员甚至是建筑设计人员都是个挑战。

解决方法:首先设计人员应该意识到学习三维建模是具有前瞻性的,因为复杂的空间结构必须采用三维建模,比如广西体育中心一、二期所有工程都采用AUTOCAD进行了整体三维建模;其次可找任何一本AUTOCAD的参考书学习其中的“三维图形”章节,一天时间即可掌握其绝大部分操作;最后就是多加实践,从而具备采用AUTOCAD三维建模的能力。

(2)通用结构分析与设计软件SAP2000的使用。

自SAP2000诞生以来,它已经成为最新分析方法的代名词,主要适用于模型比较复杂的结构,如桥梁、体育场、大坝、海洋平台、工业建筑、发电站、输电塔、网架等结构形式,具有极强的功能和权威性,其与PKPM的PMCAD最大区别在于可方便进行三维建模,而此又是绝大多数工程设计人员所欠缺的。

解决方法:首先工程设计人员必须意识到PKPM不是万能的,建筑创作愈来愈天马行空,如果还停留在平面模型思维必将被淘汰;其次是认真学习一门国际上认同的权威性软件,学懂学通,必将获益匪浅;最后就是从小工程入手实践,如本文所述的特殊复杂构件。

(3)构件应力分析。

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)第5.1.1条规定:混凝土结构应进行整体作用效应分析,必要时尚应对结构中受力状况特殊部位进行更详细的分析。对绝大多数工程设计人员来说,内力是很熟悉的,但是应力层面则比较陌生。

解决方法:由于选择控制截面需观察应力图,因此有必要掌握或了解。控制截面应选取在整个截面应力均较大或同一截面应力变化明显的截面,然后采用截面切割工具得出内力,如拿不准则应多切割几个截面进行比较。

4 结语

基于SAP2000的非标准螺旋楼梯的建模、设计关键技术有两个:一是复杂空间结构建模应由SAP2000与AUTOCAD交互进行,可更加准确与方便;二是采用截面切割工具可实现对生成的壳应力进行二次编辑功能,从而得到适合工程设计的控制截面内力。

虽然本文针对非标准螺旋楼梯,但相同方法可以应用于类似复杂空间结构。

参考文献

[1]中国有色工程设计研究总院.混凝土结构构造手册(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2003:361-370.

[2]PKPM CAD工程部.LTCAD用户手册及技术条件(2005版)[M].北京:中国建筑科学研究院,2005:56-72.