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全悬空板式钢结构旋转楼梯受力性能有限元分析
作者:http://www.randishiy  发布于:2019-11-27 17:15   文字:【】【】【】浏览 (209)

0 引言

旋转楼梯与普通楼梯不同, 最大的特点是其螺旋式上升的体型, 具有很强的动态美感。因其造型美观, 占地少等优点, 在公共建筑中得到越来越多的使用[1]。旋转楼梯的建造一般采用混凝土材料的较多, 但由于其造型独特, 不便于施工, 而且混凝土结构往往自重较大。因此近年来较大弧度、较大跨度的旋转楼梯则越来越多的采用钢结构的形式[2,3,4]。普通平直楼梯无论在结构计算、设计和构造方法上都较为成熟[5,6]。但是旋转楼梯, 特别是对于不符合国标图集15J401《钢梯》适用条件的旋转楼梯, 其构件截面尺寸、节点及反力等均不能直接从图集中查到, 使用常规设计软件来建模分析就显得力不从心。因此对于这类旋转楼梯, 必须借助有限元软件进行计算分析[7,8,9,10]。本文就是采用大型有限元分析软件ANSYS, 通过APDL语言编写钢结构螺旋楼梯计算程序, 通过输入几何参数得到其变形和受力情况。

1 工程概况

云南某30层的大厦大堂内部需增加一座旋转楼梯, 其建筑构想是使其轻巧、美观。此楼梯初步设计成椭圆形, 最大跨度大约为10m, 总高度为15m, 呈720°旋转。由于通过的人流量大, 楼梯踏面宽度取2m, 美观需求, 在外观上设计为类椭圆形, 及在楼梯中间不设立支柱, 这使楼梯的设计增加了难度。

图1 旋转楼梯的平面和立面图

图1 旋转楼梯的平面和立面图   下载原图

 

2 楼梯结构布置及模型建立

旋楼梯的梁处于复杂的受力状态, 因此旋楼梯与原混凝土结构连接的挑梁和旋转楼梯的主梁全部采用矩形截面梁, 矩形截面梁的优点是材料分布比较合理, 其次结构受力合理, 尤其抗扭刚度较大, 并增强其平面稳定承载力, 而且加工方便, 外形美观。

在组成箱形截面的钢板选择上, 厚度要适中。钢板太厚, 结构自重太大, 浪费钢材;钢板太薄, 虽然节省材料, 但结构整体挠度增大, 钢结构局部容易失稳, 且钢楼梯上支座处的焊缝强度不够, 影响结构的安全。由于美观的原因, 钢楼梯梁的截面不能过大, 为了保证结构的安全和使用过程中的舒适度, 钢梁的支座处全部采用刚接。钢梁和混凝土结构之间的锚栓连接也为刚接。在材料上, 选用Q235钢。楼梯两个主梁截面尺寸取600mm×180mm×18mm, 支撑楼梯的挑梁截面尺寸取750mm×250mm×22mm, 踏步与休息平台使用厚10 mm的钢板与主梁刚性连接组成空间结构。在楼梯钢梁下部增加厚度为6 mm的封板, 既能增加楼梯的整体刚度及稳定性, 又满足了美观的要求。

文中采用有限元分析软件ANSYS对楼梯建模。楼梯由主梁、挑梁、踏步及封板组成, 在有限元模型中梁采用BEAM188单元, 板采用SHELL181单元。有限元模型见图2和图3所示。

图2 旋转楼梯整体有限元模型

图2 旋转楼梯整体有限元模型   下载原图

 

图3 旋转楼梯局部有限元模型

图3 旋转楼梯局部有限元模型   下载原图

 

3 结果分析

计算载荷考虑静荷载与活荷载的共同作用1.2×W+1.4×qH。式中, W为恒载;qH为活荷载。该旋转楼梯踏板面荷载考虑20mm厚的大理石面层、20mm厚的水泥沙浆卧底荷载等恒载取值为2.0k N/m2, 同时考虑钢楼梯结构自重。根据《建筑结构荷载规范》[11]楼梯活载取为2.5k N/m2

3.1 应力分析

强度应力主要计算第一主应力见图4和Mises应力见图5, 从图中可以看出, 第一主应力的最大值为75MP。Mises应力最大值为85.289MPa, 均小于材料屈服强度。两个应力的最大值均发生在挑梁与混凝土结构的接触部位, 而在主梁和踏步上分布较均匀, 钢板焊接区域未见较大应力, 且应力大小均小于材料屈服强度, 可见, 该钢旋转楼梯满足承载力设计要求。

图4 第一主应力云图 (单位:MPa)

图4 第一主应力云图 (单位:MPa)   下载原图

 

图5 Mises应力云图 (单位:MPa)

图5 Mises应力云图 (单位:MPa)   下载原图

 

3.2 变形分析

变形量是结构安全的重要标准, 当结构变形较大时, 稳定性较差, 容易破坏, 且不满足舒适性要求。图6是总位移云图, 可以看出旋转楼梯最大位移发生在远离约束的一侧, 且最大位移为12.902mm, 满足《钢结构设计规范》[12]结构构件变形允许值要求。

图6 总位移计算云图 (单位:mm)

图6 总位移计算云图 (单位:mm)   下载原图

 

4 结语

文中针对某大型钢结构旋转楼梯建设工程, 运用有限元分析软件对其进行了整体建模。在静荷载作用下对楼梯的整体强度和变形进行计算分析, 由此对结构设计进行了指导。结果表明, 在静力荷载作用下楼梯各结构最大应力及结构最大位移均满足设计规范要求。该实例分析可为类似工程提供技术手段和参考。


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