SAP2000之懸挑鋼樓梯設(shè)計(jì)

摘要：本文就利用SAP2000進(jìn)行懸挑鋼樓梯的設(shè)計(jì)過程做了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的判定做了分析

關(guān)鍵詞：sap2000;懸挑鋼樓梯;應(yīng)力比

前言

在商業(yè)建筑之中建筑師為了追求更完美更實(shí)用的建筑，往往對(duì)結(jié)構(gòu)要求較高，有時(shí)候甚至突破常規(guī)的結(jié)構(gòu)選型，用一些很少用的結(jié)構(gòu)型式以滿足建筑的功能需要，比如懸挑樓梯等構(gòu)件。

2014年9月我們單位接到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)是為蒼溪一個(gè)商業(yè)綜合體做附屬鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中里面就包含了一些懸挑樓梯的設(shè)計(jì)。懸挑樓梯設(shè)計(jì)用常規(guī)的軟件無(wú)法建模計(jì)算，只能借用一些特殊的軟件，我們選用了國(guó)際通用有限元分析軟件SAP2000。SAP2000作為國(guó)際最權(quán)威最通用的有限元分析軟件已經(jīng)被大量的用于各種構(gòu)件的計(jì)算分析。本文就SAP2000用于懸挑樓梯的設(shè)計(jì)做一些淺顯的分析。

項(xiàng)目概況：本項(xiàng)目位于四川省蒼溪縣。基本情況為：抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地面粗糙度類別：B。根據(jù)抗震規(guī)范8.1.3條本項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)不考慮地震作用。

樓梯的外形尺寸如圖一所示：

分析計(jì)算

第一步建模，

根據(jù)懸挑樓梯的特點(diǎn)，只能用懸挑折梁作為主要受力構(gòu)件，這個(gè)梁的跨度有6米，按照鋼結(jié)構(gòu)垮高比1/15-1/20且考慮了懸挑作用，我們選用了HN400X200X8X13的軋制型鋼作為受力構(gòu)件。考慮到是公共商業(yè)建筑我們每跑梯段設(shè)置了3根受力構(gòu)件。

SAP2000自身的建模功能并不太好，但是他跟很多國(guó)際通用繪圖軟件是可以相互導(dǎo)入導(dǎo)出的，因此懸挑樓梯的建模我們是先在AUTOCAD里面建的線模，然后再導(dǎo)入到SAP2000里面定義截面。需要注意的是在CAD里面建線模的時(shí)有幾點(diǎn)需要注意

1.各種構(gòu)件需要嚴(yán)格的分層，比如柱，梁，板等構(gòu)件需要建在不同的層里面。

2.構(gòu)件不要放在0層里面

3.不要用多義線

4.需要在三維空間里面建模。

需要注意的是CAD的線模要以.DXF的形式保存，不能以我們常用的.DWG格式保存。建好線模之后就可以導(dǎo)入到SAP2000里面去了。在SAP2000里面定義好各個(gè)構(gòu)件的截面型式并定義好支座及約束，該懸挑樓梯支撐在上下2層樓的框架梁上面，因此幾個(gè)支點(diǎn)我們都定義為固結(jié)。在模型里面我們用一塊50mm的混凝土斜板來(lái)模擬了樓梯踏步與梯步的剛度和重量。并加上恒載1.5KN/M2的面荷載，活載3.5 KN/M2的面荷載.樓梯邊梁按照1.2 KN/M的線荷載。樓梯的自重由程序自動(dòng)計(jì)算。

模型簡(jiǎn)圖如下：

第二步

基本模型建好之后就可以設(shè)定各種參數(shù)。由于sap2000是有限元分析軟件，所以所有構(gòu)件必須剖分。一個(gè)板單元大概是0.7x0.9米左右，梁?jiǎn)卧凑瞻鍐卧慕稽c(diǎn)劃分。

荷載組合我們進(jìn)行了四種荷載組合：其中強(qiáng)度組合三種a：1.2恒+1.4活;b：1.35恒+0.98活，c：a和b的包絡(luò);變形組合一種：1.0恒+1.0活。

程序一般會(huì)自動(dòng)計(jì)算自身的模態(tài)。

第三步計(jì)算結(jié)果的分析與判定

SAP2000進(jìn)行整體計(jì)算之后我們首先需要看的是整體指標(biāo)：變形及動(dòng)力學(xué)特征比如周期、頻率等。變形按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A，最大允許變形為30mm，本項(xiàng)目的的最大變形為28mm，小于規(guī)范要求，但由于是商業(yè)建筑對(duì)變形的要求控制比較嚴(yán)格，故我們可以通過預(yù)先起拱的方式來(lái)減少變形。在這里需要說(shuō)明的是由于是室外的商業(yè)樓梯我們必須滿足舒適度的要求，參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）3.7.7樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz。這一條往往被人忽略。本樓梯的第一自振周期對(duì)應(yīng)的頻率為8.23Hz，滿足規(guī)范要求。本項(xiàng)目的撓度及模態(tài)圖如下：

看完整體指標(biāo)之后就是構(gòu)件層面上的設(shè)計(jì)，這一步必須進(jìn)入到設(shè)計(jì)gt;鋼框架設(shè)計(jì)這一步否則只是一個(gè)整體計(jì)算結(jié)果，無(wú)法滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的需要，而且必須選擇中國(guó)規(guī)范并按照中國(guó)規(guī)范修改里面的參數(shù)。修改完成之后才能進(jìn)行構(gòu)件層面上的設(shè)計(jì)，這個(gè)步驟需要反復(fù)直到所有的構(gòu)件滿足并合理之后才算完成。

結(jié)束語(yǔ)：考慮到是懸挑鋼樓梯，因此我們對(duì)應(yīng)力比控制得比普通的樓梯要嚴(yán)格一些，并且我們從前面的擾度變形來(lái)看起控制作用的并不是強(qiáng)度而是變形。正確的使用SAP2000，我們作出了合理的設(shè)計(jì)，順利通過審圖并且得到了業(yè)主的認(rèn)可。通過我們這次對(duì)純懸挑鋼樓梯的設(shè)計(jì)并且對(duì)有限元軟件分析的使用，幫助我們以后對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的分析起到了提高作用。