螺旋钢结构楼梯设计及舒适度分析
9页1、精选优质文档-倾情为你奉上螺旋钢结构楼梯设计及舒适度分析 ? 螺旋钢结构楼梯设计及舒适度分析 螺旋钢结构楼梯设计及舒适度分析 彭航1朱亮2 (1.广州容柏生建筑结构设计事务所上海分院, 上海; 2.同济大学建筑设计研究集团四院, 上海) 摘要:针对实际工程中的螺旋钢结构楼梯,采用ANSYS进行了简化及整体建模分析,发现螺旋钢结构楼梯的弧梁受力与普通的简化假定有所不同,建议螺旋钢结构楼梯中应考虑踏步板的作用进行整体建模计算。采用3种工况模式对楼梯的舒适度进行了分析,通过考察结构的加速度时程曲线,对结构截面进行了调整。认为螺旋钢结构楼梯截面普遍由舒适度控制,应力比及位移均不大,建议采用Q235B钢进行设计。 关键词:螺旋楼梯; 钢结构; ANSYS; 舒适度; 加速度时程 螺旋钢楼梯造型新颖、轻巧,深受建筑师的喜爱。尤其底部无柱的螺旋钢梯在建筑中的应用越来越多。作为空间结构,螺旋楼梯为弯剪扭和轴力共同作用的空间受力体系1-2。不仅受力复杂,而且由于钢结构自重较轻,在人行荷载下,钢梯的舒适度有可能存在问题。一直以来,舒适度控制多集中在楼盖结构和人行天桥中3,对旋转楼梯的计算分析不多。然而国外
2、却有因钢梯舒适度太差,使得业主必须对钢梯采取减震措施的案例4。因此对于此类螺旋钢梯应增加舒适度验算亦逐渐成为共识。 1钢楼梯结构设计 1.1工程概况 北方某体育设施内在1层与2层之间设置钢楼梯(图1)。楼梯为螺旋钢梯,由一层楼面旋转上升235后直线搭接至2层楼面。楼梯高度为5.4 m,楼梯宽度为2.1 m,楼梯踏步高度为150 mm,中心线踏步宽度为300 mm,总共36级踏步。楼梯初步选用Q345B级钢。钢梯平面弧度较大,而建筑对楼梯要求较高,不让中部设柱。因此采用两侧箱型梁贯通布置,箱型梁间采用踏步板进行连接。在中部平台处增设加劲肋。箱型梁截面采用3001002020,踏步板采用5 mm厚的钢板。踏步板上铺设4 cm厚的细石混凝土。箱型梁两侧通长设置玻璃扶手栏杆。设计中钢结构自重由程序自动计算。踏步面层为4 cm,恒载取值为1.0 kN/m2。扶手荷载按1.0 kN/m输入,楼梯活荷载按疏散楼梯考虑为3.5 kN/m2。 针对钢梯,常用计算假定认为踏步板将力传递给楼梯两侧的箱梁,箱梁作为主要的杆系受力构件进行受力及刚度计算。然而,实际的钢楼梯内外侧圆弧由于直径的不同,导致内外弧的长
3、度相差较大。而建筑师一般要求内外弧的箱梁截面外形尺寸一致。内外弧的钢箱梁由于长度相差过大,导致竖向刚度存在巨大差异。以本楼梯为例,采用3001002020的截面计算,内外弧箱梁的竖向刚度(跨中承受单位集中力)计算结果如表1所示。 aANSYS模型;b平面。图1钢楼梯表1内、外弧梁刚度计算结果 位置竖向位移/mm竖向刚度/(N5mm-1)内弧梁31/3外弧梁311/31 从表1可以看出,内外弧箱梁的竖向刚度相差10倍。此时,箱型梁之间的踏步板必然承受很大的内力才能协调内外弧箱梁的变形。这样螺旋楼梯的受力与平常楼梯的计算假定完全不同:内侧弧梁作为竖向不动支座,踏步板作为从内侧弧梁上悬挑出来的构件承受楼梯上的荷载,变形类似悬挑构件。外侧弧梁仅仅起到一个封边梁的作用。此时踏步板反而成为了楼梯的主要受力构件,然而实际设计中,踏步板与箱梁的连接并未按此种受力进行构造设 计,则踏步板在实际使用中可能会存在安全隐患。因此,本文决定对整个螺旋楼梯采用有限元软件ANSYS进行计算,考虑踏步板的刚度贡献以及与内外侧弧梁的相互作用。 1.2有限元建模 考虑到箱型梁的扭曲及踏步板的旋转,本文采用Shell 18
4、1单元对箱梁及踏步板进行模拟,以考虑踏步板对刚度的贡献。踏步的面层及扶手栏杆转换为质量作用于模型。考虑其对结构自振频率的影响。荷载工况组合按规范规定的基本组合和标准组合考虑。由于箱梁的扭曲严重,在ANSYS中建模不方便,故本文采用CAD进行建模并导入ANSYS中进行计算。箱梁模型及平面尺寸见图1。 1.3静力计算 为了对比,本文采用两种模型进行了计算:1)假定踏步板仅作为导荷构件,不考虑其作用,箱梁作为主要受力构件单独建模计算;2)考虑踏步板与箱梁共同作用,整体建模计算。 从表2及图2可以看出,在考虑了踏步板的作用后,内外弧梁的竖向变形及最大应力均明显减小。说明踏步板一方面起到了协调内外弧梁变形的作用,使得整个楼梯的所有构件均参与工作。另一方面,内外弧箱梁及踏步板形成了一个组合截面整体受力,使得楼梯的截面刚度比单独的箱梁截面计算大很多。因此螺旋楼梯的设计及验算中必须考虑踏步板的作用。 表2螺旋楼梯不同模型静力计算结果模 型最大位移/mm最大应力/MPa不考虑踏步板-内弧梁28230不考虑踏步板-外弧梁考虑踏步板整体模型14142 a内弧梁刚度计算;b外弧梁刚度计算;c300 mm高箱梁
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