一種直角式三梯段懸挑樓梯分析設計

向飛

摘要：在現代建筑中樓梯不僅作為消防疏散，銜接建筑各功能區域的重要構件，越來越多的建筑師選擇將其作為制造某種特殊建筑效果的關鍵元素，在樓梯的形式上多選取非常規特殊結構。本文介紹了一種直角式三梯段懸挑樓梯，利用有限元軟件對其整體建模分析其受力特點，為結構設計提供理論依據。

關鍵詞：懸挑樓梯；樓梯設計；節點構造

引言：在現代公共建筑設計過程中，越來越多的樓梯不再僅局限于只具備最基本的交通功能。在高檔寫字樓、大型商場、體育館、博物館、影劇院等一些復雜公共建筑中，造型獨特，結構新穎的樓梯設計常常被建筑師作為一種有效的建筑表達元素，對整個建筑作品的品質的提升起到畫龍點睛的作用。如在某國企辦公大樓的入門大廳口，建筑師設計了一直角式三梯段懸挑樓梯，該樓梯支承于上下樓面，中間梯段不設置任何梯梁、梯柱等中間支座，視覺沖突強烈，空間感觀較好，如圖1所示。

直角式三梯段懸挑樓梯是一種復雜的三維空間結構，而結構設計人員在設計此類異形樓梯時，并沒有現成結構設計軟件進行計算分析。本文采用有限元軟件對圖1所示的直角式三梯段懸挑樓梯建立有限元模型（圖2），對其進行詳細計算分析與設計。

1、工程概況

某國企辦公大樓大廳直角式三梯段懸挑樓梯結構見圖1，該樓梯共分為三個梯段、兩個平臺板，踏步高度為150mm，寬300mm，鋼筋采用HRB400，混凝土強度采用C30。梯板梯板厚度通常取軸線長度的1/35，經計算本工程梯板理論計算厚度為290mm，則取梯板厚度取為300mm。

2、靜力計算分析

采用有限元軟件對直角式三梯段懸挑樓梯建模分析時，為簡化，只保留梯段中間截面，兩側薄板考慮其荷載等效，則實際建模如圖2所示。假定梯板上下端與樓層交接處約束為固接，整個模型在空間上其實就是各梯段和平臺板組合而成的空間剛架，梯段考慮附加恒荷載標準值為：gk=1.5kN/m2， 活荷載標準值為：qk=3.5kN/m2，兩側線荷載為1kN/m。

將模型劃分為5段（3個梯段、2個平臺），根據程序計算內力結果，可以看出與上下樓面支座連接的梯段內力較大，受力情況也最為復雜，是整個結構體系支撐的重點，而作為銜接三梯段的中間平臺，內力存在突變，徑向剪力Vr較大，是樓梯結構體系能否作為一個整體共同受力的關鍵，在設計施工時應注重視上述兩個部位的構造處理。

3、樓梯結構設計

根據情況預先設定的搜索步距（400mm），得到每個計算段內的計算截面數，再根據有限元計算的每個截面的內力計算相應的截面配筋，可分析出每一段所有截面三個配筋（上下縱筋、左右縱筋和箍筋）的最大值及其相應的位置，并以其為標準沿各個計算段通長配置鋼筋。

為在構造上確保固定端支座的實現，在實際設計中，支座的設計處理尤為重要，首先應滿足梯段內的縱向鋼筋能夠可靠的錨固于結構板內，錨固長度滿足抗震錨固長度[laE]的要求，同時在梯段與底部樓板交接處，附加12@200U形加強箍筋，并在底板內彎錨，彎錨長度同樣需滿足抗震錨固長度[laE]的要求。

4、樓梯變形分析

根據有限元計算分析所得的結構位移云圖可以看出，梯段首尾兩梯段豎向位移較小，中間梯段位移較大，在同一截面內，梯段內側位移小，外側位移大。結構最大位移為于中間梯段跨中的外側，最大豎向位移為4mm，遠遠小于撓度限值（[l/400=2×（2400+900）+4500/400=27.75mm]），滿足規范要求。

5、結論

（1）樓梯的結構形式越來越復雜，對于本文所述的直角式三梯段懸挑樓梯，根據有限元軟件計算分析結果，判斷結構的整體受力情況，進行針對性的結構設計。

（2）直角式三梯段懸挑樓梯能夠實現的關鍵因素是對支座處鋼筋構造加強節點的做法，以及施工質量切實的保證。即要在懸挑樓梯上下端支座處將梯段的鋼筋切實的錨固，使其符合計算的假定條件。

（3）本文所述的直角式三梯段懸挑樓梯所采用的有限元計算方法、支座節點構造做法、配筋方式都能夠滿足規范的各項要求，該樓梯現已完成施工并通過了各項指標的檢測。

參考文獻：

[1] 混凝土結構構造手冊 中國有色工程有限公司主編 中國建筑工業出版社 2016.1

[2] 混凝土結構設計規范 GB 50010-2010

[3] 鋼筋混凝土薄殼結構設計規程 JGJ/T 22-98

[4] 樓梯.陽臺和雨蓬設計 程文瀼主編 東南大學出版社 1993.1第一版