旋轉(zhuǎn)樓梯與普通樓梯不同，最大的特點是其螺旋式上升的體型，具有很強的動態(tài)美感。因其造型美觀，占地少等優(yōu)點，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，運用有限元分析軟件對其進行了整體建模。在靜荷載作用下對樓梯的整體強度和變形進行計算分析，由此對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了指導(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。
