钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法.pdf

维普资讯 工程建设与设计 2O02年第5期 钢结构旋转楼梯的结构设计与有限元计算方法 钢 结构旋转楼梯 的 结构设计与有限元计算方法 桂 苹，陈 昶 (中元国际工程设计研究院，北京 100089) [摘 要] 对中国气象局国家气候中心科技大楼钢结构旋转楼梯的结构设计和有限元计算方法作了介绍，并 对钢结构旋转楼梯的整体稳定性的计算方法进行 了探讨，同时给出了解决方法。 [关键词] 钢结构；旋转楼梯；结构设计；有限元分析 [中图分类号]~-391 [文献标识码]B [文章编号]1oo7—9467(2002)晒一OOO6—05 避免上述不足，首先材料分布 比较合理 ，其次结构受力合 一 、 概述 理，尤其抗扭刚度较大，并增强其出平面稳定承载力；而且 中国气象局国家气候 中心科技大楼位于中国气象局大 加工方便，外形美观。 院内，其建筑规模为地上 l2层 ，地下2层 ，总建筑面积一期 在组成箱形截面的钢板 的选择上，厚度要适 中。钢板 工程约为23z~Om2，二期工程约为25000m2。建筑物檐 口高 太厚了，结构 自重太大，浪费钢材；钢板太薄了，虽然节省材 料，但结构整体挠度增大，钢结构局部容易失稳；且钢结构 度为48．35m。 旋转楼梯上支座处的焊缝强度不够 ，影响结构的安全。 本工程是集业务、科研、实验 、通讯、计算机 网络、学术 钢结构旋转楼梯与建筑物的连接，应考虑安装和施工 交流、管理等多功能为一体的综合性智能科技大楼。 的方便。因此 ，在预埋钢板上应设有安装螺栓。 该大楼两层裙房为会议中心 ，其中包括一个320m2的多 功能厅，一个约200人的圆形报告厅。本次设计的钢结构旋 三、有限元分析计算 转楼梯位于一层大堂内，其建筑构想是设计成一个轻巧、美 观、通透、现代化的一座楼梯。该楼梯虽仅为一层，但其跨 工程上对于这种受力复杂的空间结构，其 内力分析采 度大，约为 15m，层高高，旋转弧度大，且为折线型钢结构楼 用有限元分析技术为一种较好的解决方法。 1．计算分析原理和过程 梯，这给结构设计带来巨大的挑战。 目前，市面上有多种国内外的有限元分析计算程序，其 二、结构方案的确定 计算原理均采用基于变分、插值和变分原理为基础的有限 元法。对于计算钢结构旋转楼梯内力，只要具备结构静力 根据建筑师 的构想 ，其楼梯建筑风格要与周围环境相 分析、动力分析、多种响应分析、非线性弹塑性分析、稳定性 适应，通透性要好。因此 ，在材料的选用上钢筋混凝土不太 分析和温度场分析等功能的有限元分析计算程序 ，即可满 合适，而采用钢结构材料可以满足设计理念。 足需要。 以往的钢筋混凝土结构旋转楼梯 ，无论在结构计算、设 具体结构分析时，应采用三维梁单元、平面元、壳单元 计和构造方法上都较为成熟；而大跨度钢结构旋转楼梯 的 和边界元等类型单元库。整个计算分析过程如图1所示。 设计难点，首先是内力分析非常复杂，其次是钢结构旋转楼 2．力学模型的建立 梯的整体失稳和构造是结构设计的关键所在。