姜 新

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司華東都市建筑設(shè)計研究總院，上海 200070)

1 工程概況

中山市中山紀(jì)念圖書館(新館)，位于廣東省中山市，于2019年11月12日建成開館。旋轉(zhuǎn)樓梯位于少兒閱覽區(qū)，從1層±0通向2層6.200標(biāo)高。該樓梯旋轉(zhuǎn)半徑4 m(內(nèi)側(cè))、6.1 m(外側(cè))，踏步寬2.1 m，旋轉(zhuǎn)角度289°，為大跨度旋轉(zhuǎn)樓梯(見圖1)。旋轉(zhuǎn)樓梯在標(biāo)高2 m,4 m處設(shè)置休息平臺，樓梯兩側(cè)為600高扶手欄板。該樓梯建成后的實景圖如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)計算分析

中山市中山紀(jì)念圖書館主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。本樓梯設(shè)計時，主體結(jié)構(gòu)已施工完成，為減小對主體結(jié)構(gòu)的影響，該樓梯采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)樓梯自重小，便于施工。常規(guī)鋼板梁旋轉(zhuǎn)樓梯在豎向荷載作用下，承受彎矩、剪力、扭矩及軸力的共同作用，受力復(fù)雜[1]。本項目設(shè)計時，考慮到鋼樓梯的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角度均較大，未采用常規(guī)鋼板梁的結(jié)構(gòu)形式。充分利用樓梯兩側(cè)扶手欄板，將樓梯梁設(shè)計成梯形截面箱型梁，以增強梯梁的抗扭、抗彎剛度[3]。樓梯踏步板采用8 mm厚花紋鋼板與箱型梁采用焊接連接，箱梁截面詳見圖3。

筆者在本項目中采用SAP2000軟件對旋轉(zhuǎn)鋼樓梯進行分析，SAP2000作為一款通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件，對鋼結(jié)構(gòu)三維模型具有較好的適用性。樓梯梯梁按框架單元模擬，并考慮踏步板實際剛度。因主體結(jié)構(gòu)已施工完畢，為盡量減小對原結(jié)構(gòu)的破壞，梯梁支座采用鉸接支座[4]。

設(shè)計主要步驟：1)將旋轉(zhuǎn)樓梯的三維犀牛線模導(dǎo)入SAP2000；2)定義截面尺寸、布置荷載、定義支座；3)計算分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計。初步設(shè)計時，僅考慮樓梯兩端的支座約束，對樓梯踏步板施加2 kN/m2的附加恒載，及3.5 kN/m2的活荷載。荷載組合為：①1.3恒+1.5活；②1.0恒+1.0活[2]。荷載基本組合①控制結(jié)構(gòu)強度；荷載標(biāo)準(zhǔn)組合②控制結(jié)構(gòu)變形。計算模型詳見圖4。

經(jīng)計算，在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合①作用下，最大應(yīng)力比為1.4(見圖5)，超過規(guī)范限值1.0；在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合②作用下最大豎向位移為102 mm，撓度1/197(見圖6)，超過規(guī)范限值1/400。通過以上計算發(fā)現(xiàn)，只在梯梁兩端設(shè)置支座，無法滿足設(shè)計要求。

3 改進方法

對于大尺度旋轉(zhuǎn)鋼樓梯計算不滿足規(guī)范要求的情況，本項目利用樓梯起跑段下部凈高較小，無建筑功能要求，因此在離起步約1/3處增加支點，以減小梯梁的跨度。設(shè)計通過在此位置布置混凝土梁上立柱，再從柱頂設(shè)置水平挑梁(詳見圖7)，將該梁(XL1)作為鋼樓梯的支座。在后期內(nèi)裝階段，將樓梯起跑端至改支座范圍進行外包處理，內(nèi)部凈空作為儲藏功能。

經(jīng)計算，梯梁增設(shè)支座后，最大應(yīng)力比為0.78(見圖8)，小于規(guī)范限值1.0；梯梁最大豎向位移為21.3 mm，撓度1/943(見圖9)，滿足規(guī)范撓度容許值。

4 支座設(shè)計

為保證樓梯起跑端、結(jié)尾端與主體結(jié)構(gòu)可靠連接，樓梯箱型梁采用連接板與支座預(yù)埋件，通過高強螺栓相連[5]。預(yù)埋件布置于原結(jié)構(gòu)混凝土梁，起跑端節(jié)點設(shè)計大樣詳見圖10。結(jié)尾端箱梁通過連接板支撐于原結(jié)構(gòu)牛腿上，詳見圖11。

新增的中間支座為保證上下段樓梯箱梁能協(xié)調(diào)變形，避免產(chǎn)生次彎矩，將梯梁與混凝土梁連接節(jié)點設(shè)計成銷軸連接，該節(jié)點可以在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，傳遞軸力和剪力；為保證耳板在平面外的穩(wěn)定性，在耳板外側(cè)設(shè)置兩塊120×85×20的加勁板，銷軸采用直徑32的螺栓，銷軸連接節(jié)點詳見圖12，圖13。

5 結(jié)語

對大跨度旋轉(zhuǎn)鋼樓梯，結(jié)構(gòu)設(shè)計分析可采用SAP2000有限元分析方法，計算分析鋼樓梯的強度及變形。對僅設(shè)兩個端支座難以滿足規(guī)范要求的大跨度旋轉(zhuǎn)鋼樓梯，可以通過利用樓梯兩側(cè)的欄板設(shè)計成剛度較強的箱型截面梁，并在起跑段下部凈高較低且無建筑使用功能的區(qū)域增設(shè)支座。同時，新增的支座只需承受軸力和剪力，因此該位置使用銷軸支座具有較好的設(shè)計效果。通過以上措施可以有效解決大跨度旋轉(zhuǎn)鋼樓梯的強度和變形要求。