摘要：采用有限元软件3D3S对合肥市瑶海旭辉售楼部大堂钢结构旋转楼梯进行了受力分析，抛弃传统钢结构箱型截面，采用纯钢结构板作为主受力构件，以达到轻盈，通透的建筑艺术效果。
关键词：钢结构；180°旋转楼梯；自振频率；峰值加速度
近年来随着综合国力的提升与去产能等大环境的影响，我国钢结构方面的设计和施工已日趋成熟, 各种形式和结构体系的钢结构都有许多工程实例。旋转楼梯与普通楼梯不同，最大的特点是其螺旋
式上升的体型，具有很强的动态美感。因其造型美观，占地少等优点，在公共建筑中得到越来越多的使用。对360°钢结构旋转楼梯而言，选用钢板利用其自身拥有平面内与平面外刚度，以实现轻盈，通透等建筑效果而被广泛应用。而180°钢结构旋转楼梯则无法完全通过钢板自身平面外刚度来满足建筑效果。随着建筑材料和建造技术特别是现代建筑结构计算技术的迅猛发展, 钢旋转楼梯将给予人们更大的想象余地和创造空间, 研究180°钢结构旋转楼梯将有利于设计工作的开展,具有实际意义。
1 工程概况
旭辉瑶海E1805地块项目位于合肥市瑶海区，甲方对售楼部展示要求较高，应客户要求在一层大堂入户处预留跨度约22m，层高4.5m，旋转弧度180°的展示楼梯。为了凸显此项目为精品工程，展示跨中不能设置梯柱等可显性支点，以实现轻巧，美观，通透，现代化的建筑构思，从而对售楼部的整体起到“画龙点睛”之笔。这对结构设计带来巨大的挑战。
2 结构方案确定
根据建筑方案构思，其楼梯建筑风格主要应提现其轻盈，现代化。
若采用常规现浇混凝土板式或梁式楼梯，因施工难度大，外形无法实现建筑效果要求。因此抛弃混凝土楼梯方案，采用材质较轻，强度较大，承载能力高，易施工等优点明显的钢结构形式进行设计。
在钢材选用上，采用Q345B钢，强度足够满足设计，两侧梯梁采用550mm高，25mm厚钢板。在接近旋转楼梯跨中处，从主体混凝土结构柱上增设隐藏式550x25x18箱型截面悬挑钢梁，以减少计算跨度且满足建筑效果。为了增加其自身刚度与舒适度要求，在两侧梯梁中部继续增设400mm高，25mm厚钢板，最后在每处踏步下设置300x150x10mm截面矩管将此三块板焊接形成统一整体。
3 有限元分析计算
目前市面上有多种国内外的有限元分析计算程序，其计算原理均采用基于变分、插值为基础的有限元发。对于计算钢结构旋转楼梯内里只要有结构静力分析，动力分析，非线性弹塑性分析，稳定性分析等功能即可。因此采用空间结构建模快速且运行稳定的同济大学研究的3D3S 14.0.1有限元软件进行建模分析。
3.1 计算模型
计算采用同济大学出品 3D3S 14.0.1有限元软件，有限元模型如图一所示。
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图一 展示楼梯有限元模型
1）截面数据及荷载取值：三块钢板截面采用箱型截面550x30x12.5x25mm、400x30x12.5x25mm进行等效替代钢板建模（截面惯性矩及塑性抵抗矩相近）。考虑后期装修荷载较大，楼梯板面恒荷载取4.0 kN/ m2，活荷载取3.5 kN/m2。两侧梯梁输入1.0 kN/m栏杆线荷载。
2）材料性能数据:构件的材料均为国产Q345B 钢, 材料为各向
同性, C：≤0.20%，Si≤0.50%，Mn：≤1.70%，P≤0.035%，S：≤0.035%，Nb≤0.07%，V：≤0.15%，Ti≤0.20%，Cr≤0.30%，Ni：≤0.50%，Cu：≤0.30%，N：≤0.012%，Mo：≤0.10%。E =2 .06 ×105 MPa，μ=0.3, σB =215 MPa ，ρ=7 .85 ×10-9 kg/mm3。
3）边界条件：楼梯踏步起始与终止处与主体结构连接均为刚接假定。
3.2 计算结果
1）应力：钢板应力最大值为148MPa(悬挑梁处），满足规范要求[1]。
2）位移：变形量是结构安全的重要标准，当结构变形较大
时，稳定性较差，容易破坏，且不满足舒适性要求在荷载设计值作用下，最大向下位移为12.6mm（出现在第一段旋转楼梯外侧跨中钢板处），满足《钢结构设计规范》结构构件变形允许值要求[1]。
3）舒适度：自振频率4.77HZ≥4HZ，峰值加速度0.137m/s2≤0.15m/s2，满足规范要求[2]。
4 工程展示
在整个施工过程中我们将始终把质量管理放在首位，要求每一道工序、每一个部位都必须是上道工序为下道工序提供精品，把质量责任分解到各个岗位、各个环节、各个工种，做到凡事有章可循，凡事有据可查，凡事有人负责。针对施工中较常见的质量通病，特定一系列预防措施，防患于未然。钢材及焊接材料的品种，规格，性能必须符合现行国家产品标准和设计要求。焊工必须经过考试合格，并取得合格证书，持证焊工必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊。涂料、涂装厚度、涂层厚度应符合设计要求。
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图二 工程展示
5 结语
1）旋转楼梯由于内外弧长不同，导致内外侧钢板刚度差异较大，且180°旋转楼梯平面外无法通过自身刚度满足计算需求。设计中应通过多增设钢板与加强钢板与钢板间的连接，从而提高其对刚度、承载力、位移、自振频率的贡献结果表明，在静力荷载作用下楼梯
各结构最大应力及结构最大位移均满足设计规范要求[3]。
2）此次设计钢材强度利用率较低，最大时仅为44%。此旋转楼梯竖向位移以及强度不起控制作用，主要受舒适度控制。因此钢材可以采用强度较低的Q235B级钢进行设计以节省成本。
3）人行荷载产生的质量对大跨钢楼梯的频率会产生一定影响，需要在舒适度分析时，区分不同场景，选择合适的数值。
参考规范：
1.钢结构设计标准 GB50017-2017；
2.高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010；
3.钢结构设计手册 第四版；