对螺旋楼梯的浅析

对螺旋楼梯的浅析，楼梯是现代建筑中最具功能性的要素之一，是建筑中与人接触最普遍、最密切的建筑构件。随着人民生活水平的提高，对住宅建筑及室内的装饰装修要求也越来越高，在满足使用功能的前提下，人们开始追求更加富有灵动性的艺术造型，螺旋楼梯占用的空间小，节省了很大的使用空间，且钢结构的楼梯自重较笨重的钢筋混凝土楼梯要轻便许多，造型上比较轻盈美观且易于安装和改造，相比之下钢结构螺旋楼梯的优点就突出来了，因而也越来越多地受到人们的重视。1螺旋楼梯的形式螺旋楼梯是一种应用最广泛的曲线楼梯。螺旋楼梯的平面形式分为封闭式和开放式两种。封闭式布局通过外围的墙来承重，建筑师可以利用螺旋楼梯形成的弧形外墙来丰富和塑造建筑的空间形体。开放式布局的承重方式有中柱式、曲板式、曲梁式和垂吊式等多种，它可以充分显示曲线楼梯所具有的流动感和节奏感，尤其是螺旋楼梯扶手所形成的流动飘逸的线条更具有动态美。建筑可以利用螺旋楼梯优美的旋律、柔和的动态感去创造各类建筑所需要的特殊空间气氛。螺旋楼梯有两种基本结构形式：扭板式和扭梁式。扭板式即整个楼梯由螺旋的踏步构成，其平面投影通常是圆弧形或椭圆形，这种形式在公共建筑和工业建筑中常见；扭梁式的体型虽较明快，但是这种楼梯的踏步通常不设置踢面，灰尘和脏物易从楼梯踏步间的空隙落下，对环境影响较大，因此应用的不多。2螺旋楼梯的受力分析螺旋楼梯的受力分析有解析法和数值分析法两种方法。解析法是应用薄壁结构理论，将楼梯视为空间曲梁建立平衡微分方程，求其横截面上的内力，然后求解横截面上应力和位移；数值分析方法即薄壳结构有限元方法，应用大型有限元分析程序求解结构上各点的应力和位移。在参考的有关资料中，时旭东和丁大益在椭圆形旋转楼梯的内力计算时，采取计算与构造相结合的方法，并作出这样的假定：将楼梯简化为空间曲梁；楼梯板宽方向的刚度足够；两端固定，梯段具有相同坡度；忽略楼梯踏步引起截面尺寸的差异；忽略轴向变形和剪切变形的影响。把固定坐标变换成动点坐标，推导相应的计算公式，对某商贸中心的大型椭圆形旋转楼梯进行内力计算，结果表明该计算方法相对较简单，内力符合实际情况，用动点坐标系易于获得楼梯各截面的轴力、剪力、弯矩和扭矩，便于设计。但在计算时，忽略轴向变形和剪切变形，不考虑剪心和形心不一致，计算误差大。国外其他的一些学者也曾用板壳理论进行过内力分析，在理论上也做过一些较深入地研究，但国内对此理论研究的并不多。但是随着现代科技的快速发展和大型计算软件的出现，人们逐渐地采用数值分析方法来研究螺旋楼梯受力情况。贾宝荣和罗永峰对板式钢结构旋转楼梯的有限元计算进行全面的分析，指出板式钢结构旋转楼梯设计有四个要点：有限元模型的建立、结构内力计算、整体稳定分析以及楼梯和主体结构连接节点的构造。有限元计算结果验证旋转楼梯设计方法的正确性，对节点处板材做适当的加强处理可以增强旋转楼梯的整体稳定性。同时说明对钢结构旋转楼梯以及类似结构体系进行有限元分析时，应选用能同时考虑几何与材料双非线性的软件进行非线性整体稳定计算。这些文献都是结合实例，用有限元软件模拟，然后具体问题具体分析，都存在有一定的局限性。3影响螺旋楼梯内力的因素对于两端固定的板式螺旋楼梯，影响其内力的因素有：外荷载、楼梯的高度、楼梯总旋转角度、楼梯的宽度、楼梯的内半径、踏步数、内外环梁的几何尺寸、以及底板加劲肋和栏杆等。由于影响楼梯内力的因素众多，不能一一讨论每个因素对其内力的影响，这里主要讨论对楼梯内力影响较大的因素：楼梯的高度、楼梯的内半径、楼梯的宽度、内外环梁的厚度。3.1楼梯高度：螺旋楼梯的高度、踏步高度(即踏步踢板高度与踏步面板厚度之和)和总旋转角度三者相关联。取一个踏步高150mm，它所对的旋转角度18°，内半径为0.6m，梯宽1.0m，其他条件按BLTA-4210来确定。表1给出从4.2m到6.0m螺旋楼梯的踏步数和总旋转角度。表1不同高度螺旋楼梯参数3.2楼梯梯宽：螺旋楼梯的内半径、梯宽、中心线半径和外半径四者相关联。内半径(0.6m)不变，表2给出与梯宽从0.8m到1.8m时所对应的中心线半径和外半径，其他参数以BLTA-4210为准。楼梯所有内力的最大值随着梯宽增大而增大，扭矩和竖向剪力变化较大。表2不同梯宽螺旋楼梯参数3.3环梁厚度：环梁厚度不同时，剪力都是由最大值减小到零，然后增加到最大值。径向弯矩的最大值随着环梁厚度的增大而增大，竖向弯矩的最大值随着环梁厚度的增大而增大，扭矩的最大值随着环梁厚度的增大而增大，最大值在楼梯端部。3.4螺旋楼梯内半径：以BLTA-4210的参数为准，梯宽不变，中心线半径和外半径随内半径变化而变化，如表3。表3不同内半径螺旋楼梯参数钢螺旋楼梯内力的最大值随因素的增大而增大，内半径和梯宽影响内力较大，梯高和环梁厚度影响不大，楼梯的径向剪力和切向剪力很小。4螺旋楼梯的设计现阶段对于钢筋混凝土螺旋楼梯的设计都有规范依据（混凝土结构构造手册（第三版）———中国建筑工业出版社），截面尺寸、计算假定及内力分析、承载力计算和配筋构造要求都有涉及，因而对于钢筋混凝土螺旋楼梯我们只要保证构造要求，再结合计算结果就可以满足使用。而对钢结构螺旋楼梯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，然后到构件厂去加工制造。摘要：楼梯是现代建筑中最具功能性的要素之一，是建筑中与人接触最普遍最密切的建筑构件，它不仅在功能上起到楼层之间的联系，而且还对人们的生理和心理起着重要的影响。无论是在室内还是在室外，楼梯都具有中心性的特殊属性。生活中楼梯也是人们的生命安全通道，以往设计中有些设计人员只是认为楼梯是附属部分，只注意梁、板、柱配筋设计的保证，而忽略了楼梯，因而保证楼梯设计的安全性，提高对楼梯的认识也是本文的宗旨。