旋轉(zhuǎn)樓梯與普通樓梯不同，最大的特點(diǎn)是其螺旋式上升的體型,，具有很強(qiáng)的動態(tài)美感,。因其造型美觀，占地少等優(yōu)點(diǎn),，在公共建筑中得到越來越多的使用。旋轉(zhuǎn)樓梯的建造一般采用混凝土材料的較多,，但由于其造型獨(dú)特,，不便于施工，而且混凝土結(jié)構(gòu)往往自重較大,。因此近年來較大弧度,、較大跨度的旋轉(zhuǎn)樓梯則越來越多的采用鋼結(jié)構(gòu)的形式。
普通平直樓梯無論在結(jié)構(gòu)計算,、設(shè)計和構(gòu)造方法上都較為成熟,。但是旋轉(zhuǎn)樓梯，特別是對于不符合國標(biāo)圖集15J401《鋼梯》適用條件的旋轉(zhuǎn)樓梯,，其構(gòu)件截面尺寸,、節(jié)點(diǎn)及反力等均不能直接從圖集中查到，使用常規(guī)設(shè)計軟件來建模分析就顯得力不從心,。因此對于這類旋轉(zhuǎn)樓梯,，必須借助有限元軟件進(jìn)行計算分析。本文就是采用大型有限元分析軟件ANSYS,，通過APDL語言編寫鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯計算程序,，通過輸入幾何參數(shù)得到其變形和受力情況。
工程概況
云南某30層的大廈大堂內(nèi)部需增加一座旋轉(zhuǎn)樓梯,，其建筑構(gòu)想是使其輕巧,、美觀,。此樓梯初步設(shè)計成橢圓形，最大跨度大約為10m,，總高度為15m,，呈720°旋轉(zhuǎn)。由于通過的人流量大,，樓梯踏面寬度取2m,，美觀需求，在外觀上設(shè)計為類橢圓形,，及在樓梯中間不設(shè)立支柱,，這使樓梯的設(shè)計增加了難度。
樓梯結(jié)構(gòu)布置及模型建立
旋樓梯的梁處于復(fù)雜的受力狀態(tài),，因此旋樓梯與原混凝土結(jié)構(gòu)連接的挑梁和旋轉(zhuǎn)樓梯的主梁全部采用矩形截面梁,，矩形截面梁的優(yōu)點(diǎn)是材料分布比較合理，其次結(jié)構(gòu)受力合理,，尤其抗扭剛度較大,，并增強(qiáng)其平面穩(wěn)定承載力，而且加工方便,，外形美觀,。
在組成箱形截面的鋼板選擇上，厚度要適中,。鋼板太厚,，結(jié)構(gòu)自重太大，浪費(fèi)鋼材,；鋼板太薄,，雖然節(jié)省材料，但結(jié)構(gòu)整體撓度增大,，鋼結(jié)構(gòu)局部容易失穩(wěn),，且鋼樓梯上支座處的焊縫強(qiáng)度不夠，影響結(jié)構(gòu)的安全,。由于美觀的原因，鋼樓梯梁的截面不能過大,，為了保證結(jié)構(gòu)的安全和使用過程中的舒適度,，鋼梁的支座處全部采用剛接。鋼梁和混凝土結(jié)構(gòu)之間的錨栓連接也為剛接,。
在材料上,，選用Q235鋼。樓梯兩個主梁截面尺寸取600mm×180mm×18mm,，支撐樓梯的挑梁截面尺寸取750mm×250mm×22mm,，踏步與休息平臺使用厚10mm的鋼板與主梁剛性連接組成空間結(jié)構(gòu),。在樓梯鋼梁下部增加厚度為6mm的封板，既能增加樓梯的整體剛度及穩(wěn)定性,，又滿足了美觀的要求,。
文中采用有限元分析軟件ANSYS對樓梯建模。樓梯由主梁,、挑梁,、踏步及封板組成，在有限元模型中梁采用BEAM188單元,，板采用SHELL181單元,。有限元模型見圖2和圖3所示。
結(jié)果分析
計算載荷考慮靜荷載與活荷載的共同作用1.2×w+1.4xqa,。式中,，w為恒載；qa為活荷載,。該旋轉(zhuǎn)樓梯踏板面荷載考慮20mm厚的大理石面層,、20mm厚的水泥沙漿臥底荷載等恒載取值為2.0kN/m2，同時考慮鋼樓梯結(jié)構(gòu)自重,。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》樓梯活載取為2.5kN/m2,。
1、應(yīng)力分析
強(qiáng)度應(yīng)力主要計算第一主應(yīng)力見圖4和Mises應(yīng)力見圖5,，從圖中可以看出,，第一主應(yīng)力的最大值為75MP。Mises應(yīng)力最大值為85.289MPa,，均小于材料屈服強(qiáng)度,。兩個應(yīng)力的最大值均發(fā)生在挑梁與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸部位，而在主梁和踏步上分布較均勻,，鋼板焊接區(qū)域未見較大應(yīng)力,，且應(yīng)力大小均小于材料屈服強(qiáng)度，可見,，該鋼旋轉(zhuǎn)樓梯滿足承載力設(shè)計要求,。
2、變形分析
變形量是結(jié)構(gòu)安全的重要標(biāo)準(zhǔn),，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形較大時,，穩(wěn)定性較差，容易破壞,，且不滿足舒適性要求,。可以看出旋轉(zhuǎn)樓梯最大位移發(fā)生在遠(yuǎn)離約束的一側(cè),，且最大位移為12.902mm,，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形允許值要求,。
結(jié)語
文中針對某大型鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)樓梯建設(shè)工程，運(yùn)用有限元分析軟件對其進(jìn)行了整體建模,。在靜荷載作用下對樓梯的整體強(qiáng)度和變形進(jìn)行計算分析,，由此對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了指導(dǎo)。結(jié)果表明,，在靜力荷載作用下樓梯各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及結(jié)構(gòu)最大位移均滿足設(shè)計規(guī)范要求,。該實例分析可為類似工程提供技術(shù)手段和參考。
