钢结构技术 | 基于钢结构旋转楼梯的设计流程与技术要点

旋转楼梯常出现在售楼部，商场，跨街天桥等公共场所，形式多样，应用也是相当广泛，能适当提升一些品质。

△ 售楼部室内旋转楼梯

△ 商业综合体室外旋转楼梯

△ 天桥旋转楼梯

作为结构设计工程师，都经历过画楼梯的岁月。大家知道为什么设计院的新人大多都从画楼梯开始吗？ 主要有以下几个原因：

1. 受力简单

2. 相对独立

3. 快速提升空间想象力

4. 属于一种费力不讨好的活，老员工大多数不愿意做

5. 能快速的提升锻炼

其实也不一定，异形的楼梯受力也不仅仅是简支梁或压弯构件这么简单。对于复杂的楼梯还应考虑扭矩， 7 自由度，舒适度等问题。最近看到一个旋转楼梯，花费几天时间查阅资料，以下做个结构设计分享。有欠缺及不合理的地方，希望各位大神指出。

△设计分析流程图

1.犀牛中Grasshopper参数化建模

△犀牛参数化杆系模型

△软件实体模型

2.导入Midas/Gen中定义荷载边界条件和位移边界条件

△边界条件

3.计算分析查看结果

最大竖向位移RZ=12.2mm，钢标GB50017-2017附录B.1.1偏安全按l/400考虑，为48.5mm,满足规范要求。

4.查看应力比

选择承载能力最大组合，分别对比了主次梁是否考虑7自由度影响的差异。不考虑7自由度最大应力87.5Mpa,考虑7自由度为400.2Mpa,出现在主次梁交接处，按此设计富余度较大，过于保守。对于如何取舍，可参考精细化模型计算结果。

△未考虑7自由度

△考虑7自由度

5.舒适度验算

参考JGJT 441-2019《建筑楼盖振动舒适度技术标准》中3.2.5条确定舒适度计算时采用的荷载，即恒 活（0.35kN/m2）计算结构自振频率5.14Hz＞3Hz，按第9章计算人群荷载时程函数P1(t）、P2(t）、PL(t）。施加动力荷载到节点上，计算分析，得到加速度，最大加速度为1.26e-2m/s2，满足规范要求。经计算，第二阶竖向人群荷载频率对应的竖向荷载及人群横向荷载作用下频率、加速度均满足规范要求。

△自振频率和时程函数

△加速度云图

△加速度最大点(13#)收敛图

6.设计验算

本文主要介绍钢结构旋转楼梯精细化模型建模方法，分析与设计与杆系模型类似，本文不再赘述，仅指出不同之处。由于条件有限，全面介绍Midas/Gen精细化建模方法，提供参数化建模思路。

1. 定义材料截面特性

   为了方便布置荷载，定义多个截面进行区分

   

△定义材料特性

2.基本尺寸

根据楼梯横断面尺寸，建立轮廓线，由于增加了底板，楼梯的刚度提高很多，所以相比杆系模型，减少了截面尺寸

△楼梯断面尺寸 △断面轮廓线划分单元

3.利用线扩展成面功能画出一个基本单元

△一个踏步单元

4.旋转复制出其他计算单元

5.同样的方法可以扩展出休息平台

6.施加荷载和布置位移边界条件，注意：此处输入为面荷载，与杆系模型略微不同

7.确定计算参数

8.分析计算、查看结果

最大竖向位移RZ=12.9mm，钢标GB50017-2017附录B.1.1偏安全按l/400考虑，为48.5mm,满足规范要求。

Mises等效应力，它遵循材料力学第四强理论，这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素。无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。因此对于这种模型一般用Von mise应力作为单元屈服的标准。Midas中为Sig-eff应力。最大 Mises等效应力为372Mpa。

△位移云图 △应力云图

参数化建模思路：利用犀牛Grasshopper插件建立实体模型--导入FEA利用印刻功能将踏步线印刻到梯梁上--网格划分--导入Gen中计算。