中山圖書館大跨度旋轉鋼樓梯設計方法

姜 新

(華東建筑設計研究院有限公司華東都市建筑設計研究總院，上海 200070)

1 工程概況

中山市中山紀念圖書館(新館)，位于廣東省中山市，于2019年11月12日建成開館。旋轉樓梯位于少兒閱覽區，從1層±0通向2層6.200標高。該樓梯旋轉半徑4 m(內側)、6.1 m(外側)，踏步寬2.1 m，旋轉角度289°，為大跨度旋轉樓梯(見圖1)。旋轉樓梯在標高2 m,4 m處設置休息平臺，樓梯兩側為600高扶手欄板。該樓梯建成后的實景圖如圖2所示。

2 結構計算分析

中山市中山紀念圖書館主體結構為鋼筋混凝土框架結構體系。本樓梯設計時，主體結構已施工完成，為減小對主體結構的影響，該樓梯采用鋼結構。鋼結構旋轉樓梯自重小，便于施工。常規鋼板梁旋轉樓梯在豎向荷載作用下，承受彎矩、剪力、扭矩及軸力的共同作用，受力復雜[1]。本項目設計時，考慮到鋼樓梯的旋轉半徑和旋轉角度均較大，未采用常規鋼板梁的結構形式。充分利用樓梯兩側扶手欄板，將樓梯梁設計成梯形截面箱型梁，以增強梯梁的抗扭、抗彎剛度[3]。樓梯踏步板采用8 mm厚花紋鋼板與箱型梁采用焊接連接，箱梁截面詳見圖3。

筆者在本項目中采用SAP2000軟件對旋轉鋼樓梯進行分析，SAP2000作為一款通用結構分析設計軟件，對鋼結構三維模型具有較好的適用性。樓梯梯梁按框架單元模擬，并考慮踏步板實際剛度。因主體結構已施工完畢，為盡量減小對原結構的破壞，梯梁支座采用鉸接支座[4]。

設計主要步驟：1)將旋轉樓梯的三維犀牛線模導入SAP2000；2)定義截面尺寸、布置荷載、定義支座；3)計算分析及結構設計。初步設計時，僅考慮樓梯兩端的支座約束，對樓梯踏步板施加2 kN/m2的附加恒載，及3.5 kN/m2的活荷載。荷載組合為：①1.3恒+1.5活；②1.0恒+1.0活[2]。荷載基本組合①控制結構強度；荷載標準組合②控制結構變形。計算模型詳見圖4。

經計算，在荷載標準組合①作用下，最大應力比為1.4(見圖5)，超過規范限值1.0；在荷載標準組合②作用下最大豎向位移為102 mm，撓度1/197(見圖6)，超過規范限值1/400。通過以上計算發現，只在梯梁兩端設置支座，無法滿足設計要求。

3 改進方法

對于大尺度旋轉鋼樓梯計算不滿足規范要求的情況，本項目利用樓梯起跑段下部凈高較小，無建筑功能要求，因此在離起步約1/3處增加支點，以減小梯梁的跨度。設計通過在此位置布置混凝土梁上立柱，再從柱頂設置水平挑梁(詳見圖7)，將該梁(XL1)作為鋼樓梯的支座。在后期內裝階段，將樓梯起跑端至改支座范圍進行外包處理，內部凈空作為儲藏功能。

經計算，梯梁增設支座后，最大應力比為0.78(見圖8)，小于規范限值1.0；梯梁最大豎向位移為21.3 mm，撓度1/943(見圖9)，滿足規范撓度容許值。

4 支座設計

為保證樓梯起跑端、結尾端與主體結構可靠連接，樓梯箱型梁采用連接板與支座預埋件，通過高強螺栓相連[5]。預埋件布置于原結構混凝土梁，起跑端節點設計大樣詳見圖10。結尾端箱梁通過連接板支撐于原結構牛腿上，詳見圖11。

新增的中間支座為保證上下段樓梯箱梁能協調變形，避免產生次彎矩，將梯梁與混凝土梁連接節點設計成銷軸連接，該節點可以在平面內轉動，傳遞軸力和剪力；為保證耳板在平面外的穩定性，在耳板外側設置兩塊120×85×20的加勁板，銷軸采用直徑32的螺栓，銷軸連接節點詳見圖12，圖13。

5 結語

對大跨度旋轉鋼樓梯，結構設計分析可采用SAP2000有限元分析方法，計算分析鋼樓梯的強度及變形。對僅設兩個端支座難以滿足規范要求的大跨度旋轉鋼樓梯，可以通過利用樓梯兩側的欄板設計成剛度較強的箱型截面梁，并在起跑段下部凈高較低且無建筑使用功能的區域增設支座。同時，新增的支座只需承受軸力和剪力，因此該位置使用銷軸支座具有較好的設計效果。通過以上措施可以有效解決大跨度旋轉鋼樓梯的強度和變形要求。