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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-10-30浏览：61次
摘要：结合某会所钢螺旋楼梯的设计，通过结构设计软件STAAD.Pro对钢螺旋楼梯进行建模分析，介绍了其计算模型的建立、结构布置、楼梯与混凝土结构的连接形式和连接节点的构造等多方面的内容，可为类似工程提供参考。
关键词：钢螺旋楼梯；STAAD.Pro软件；钢结构；节点
1前言
螺旋楼梯是一种应用最广泛的曲线楼梯。钢结构螺旋楼梯与混凝土螺旋楼梯相比具有截面小，结构轻，造型上比较轻盈美观等优点，结构工程中应用越来越广泛，但其理论分析和设计方法的研究不多，相关设计规范中还没有钢结构螺旋楼梯的设计方法及相应规定，而且目前所进行的研究大都是针对混凝土楼梯，针对钢结构螺旋楼梯进行的系统理论分析尚未见到，现阶段钢结构螺旋楼梯的设计只局限于实际经验，参考钢筋混凝土相关手册，根据图集大致选取，然后工厂制造。在《钢梯》（02J401）[1]图集中虽然有钢螺旋楼梯的相关标准图，但由于螺旋角度、楼梯高度的不同，大多数情况下难以从图集中选择合适的标准图。针对钢螺旋楼梯在工程设计中存在的这些问题，本文结合某会所钢楼梯设计并通过有限元软件STAAD.Pro对钢螺旋楼梯进行建模分析，验算结构强度、刚度及稳定性，并给出楼梯与混凝土结构的连接形式和连接节点的构造。
2结构设计
2.1工程概况
郑州某会所为两层框架结构，应业主要求，现需在原有混凝土框架结构上增设一个钢螺旋楼梯，楼梯上端与第二层框架梁连接，下端与一层室内地坪齐。一层室内地坪标高为-0.030，二层板顶标高4.170，螺旋钢梯的外径2.8m，内径为1.5米，中间不设支撑柱。楼梯材料均选用Q235-B，楼梯主梁选用焊接空腹钢箱梁，截面尺寸为300×150×10×10，楼梯平面图如图1所示。
图1楼梯平面图
2.2建模与结构布置
螺旋楼梯是一个空间结构，为多次超静定结构，内力变化比较复杂，截面上六个内力在沿中轴线不同位置处有各自不同的变化规律，并互有影响，没有明显规律可供遵循。当总旋转角不同或支座条件略有改变时，内力变化相当敏感[2]。采用理论计算的方法比较复杂，且有很大的局限性，很难完全反映并符合实际所做工程的实际情况，计算误差较大。本工程采用有限元分析软件STAAD.Pro对螺旋楼梯设计分析。
STAAD.Pro是美国REI开发的通用结构分析与设计的软件。它包括一个图形用户接口、分析引擎和图形化的结果显示三部分，其中分析引擎可以进行三维的通用的结构有限元分析，并对钢结构、钢筋混凝土结构、木结构和铝结构进行设计。
STAAD.Pro是一款基于三维有限元分析的结构计算软件,该软件提供了多种类型的结构单元可供计算使用[3]。在钢螺旋楼梯建模时，主要采用梁单元和板单元。用自定义的箱型截面梁单元模拟箱型梁，用板单元模拟踏步板，由踏步板四个角点组成一个板单元，相邻踏步之间的主梁段划分为2个单元。楼梯有限元模型如图2所示。
图2楼梯有限元模型及3D渲染图
螺旋楼梯的梁要承受弯、剪和扭的作用，处于复杂的受力状态下，因此，不适合采用工字型截面。因而螺旋楼梯与原混凝土结构连接梯梁采用箱型截面梁。踏步在本楼梯中起到两个作用：1)将竖向荷载传递给主梁；2)约束2根主梁，防止主梁的整体失稳。同时为了增强主梁的共同工作性能和防止当受压时在下翼缘发生失稳，在钢梁下部加了一层封板。钢主梁及封板如图3所示。
图3楼梯踏步封板示意
2.2.1连接形式对结构的影响
螺旋楼梯的钢梁与原结构的混凝土梁的连接节点，如果采用刚接，则会对混凝土梁产生非常大的扭矩。为了减轻对混凝土梁的扭转作用，同时也要保证钢梁的建筑和使用功能的要求，在螺旋楼梯的计算分析中，考虑了2种计算模型：钢梁与混凝土梁刚接和钢梁与混凝土梁铰接。
图4是考虑钢楼梯与混凝土结构刚性连接时位移。从图中可以看出，刚接时楼梯的最大竖向位移为6.82mm，铰接时楼梯的最大竖向位移为14.57mm，刚接时楼梯的最大竖向位移远小于铰接时楼梯的最大竖向位移。
ab
a-刚接；b-铰接
图4楼梯的竖向位移
图5是考虑钢楼梯与混凝土结构刚性连接时楼梯梁的应力。从图中可以看出，刚接时梯梁的最大拉应力为53.14N/mm2，最大压应力为61.78N/mm2;铰接时梯梁的最大拉应力为98.51N/mm2，最大压应力为109.85N/mm2，刚接时楼梯的最大应力远小于铰接时楼梯的最大应力。
ab
a-刚接；b-铰接
图5楼梯的压应力和拉应力
从上面的分析结果可以看出，支座节点采用刚接结构相应的位移和应力都小于铰接，所以在结构分析中偏于安全地采用铰接支座。但在实际工程中，将支座由刚接变成铰接后，结构的变形增大了，且结构将承受更大的应力。由于美观的原因，钢楼梯梁的截面不能再增大，因此，为了保证结构的安全和使用过程中的舒适度，一般采用刚接。
2.2.2中国规范检验
《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的设计原则是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行校核[4]。在GB50017-2003中，构件被分为三类：受弯构件、轴心受力构件和拉（压）弯构件。规范检验时，不同类型的构件将使用不同规范条款。而且构件涉及的检验项目达几十项，可见钢结构的验算很复杂。如用手工结合通用有限元分析软件的数据验算会费时、费力，还容易出错。在STAAD.Pro的钢结构设计中集成了钢结构构件的检验功能。STAAD.Pro的钢结构设计模块里可进行构件设计和节点设计。构件设计包含构件设置、控制组编辑、参数组选取、检验报告输出等步骤。
规范检验过程包括强度检验、位移（变形）检验和稳定检验等。通过这些检验，能确定当前的结构构件设计，在所施加的荷载作用下是否能满足强度、变形、稳定性等需求。在设计过程中，所有的构件将以某一不超过允许应力和承载力的比例来抵抗设计荷载，就是说如果检验结果列表中的“结果比例”小于1.0，就是安全的。程序的规范检验部分除检验上述强度要求外，也对构件长细比要求和稳定条件进行检验。
另外，通过合理的结构布置和一系列的构造措施，同时再限制钢梁的应力比处于一个较低的水平下(应力比<0.7)，就可以保证结构不发生整体失稳。
2.3与原结构连接节点
因为混凝土梁已经做好，如果采用一般常用的预埋件处理的方法——预埋钢板，由于与混凝土梁会有微小的相对转动，这样的做法难以保证该节点的刚性。只能采取用钢板将混凝土梁包起来并置人化学锚栓的做法，同时在改造加固时加强混凝土梁的抗扭性能，只有这样才能保证预埋钢板不发生微小的转动，如图6所示。在节点的螺栓和焊缝计算中，应综合考虑弯、剪、扭及轴向力的作用。
图6混凝土梁包钢板节点
由于化学锚栓在受热后会失效，因而，钢梁不能直接现场焊接在钢板上，必须在工厂中先将钢板和一小段钢梁焊接好，在现场安装就位后再与外包钢板用螺栓连接，然后与钢梁现场拼接对焊。为了防止钢梁与钢板之间发生相对转动，需要在钢梁的根部增加一些加劲肋。
钢梁和混凝土条形基础的连接节点做成刚接不易实现，因此设计成铰接，如图7所示。
图7钢梁与基础铰接节点
3结论
1）STAAD.Pro采用有限元分析的方法，在螺旋楼梯的设计中具有建模方便、思路清晰、添加荷载灵活等优点，对钢螺旋楼梯的设计有较大的实用价值。
2）有限元分析中如果支座节点采用刚接，结构相应的位移和应力都小，实际结构是焊接连接，焊接连接是半刚性连接介于刚接和铰接之间所以分析中可偏于安全地采用铰接支座。
3）螺旋楼梯的构件设计主要受到杆件整体稳定的控制，因此应采取充分的构造措施保证杆件的整体稳定性，并控制杆件的应力比不宜过高。
4)在原混凝土结构的设计条件允许时，应尽量采用刚性连接节点，并应有可靠的技术措施保证节点不会发生转动。
参考文献
[1]国家建筑标准图集02(03)J401，02J401钢梯[S].
[2]吴健生，何广民.钢筋混凝土螺旋楼梯结构计算手册[J].北京：中国建筑工业出版社，1987.
[3]阿依艾工程软件(大连)有限公司《STAAD/CHINA技术参考手册》[R].
[4]GB50017—2003钢结构设计规范[S].
《STAAD.Pro在钢螺旋楼梯工程设计中的应用》
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文章名称： STAAD.Pro在钢螺旋楼梯工程设计中的应用
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