STAAD.Pro在钢螺旋楼梯工程设计中的应用

　　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。

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