關于鋼板斜梯梁鋼樓梯的設計探討

劉 明，敖曉欽，陳琳琳，盧 哲，黃柏楊

(中南建筑設計院股份有限公司,湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著鋼結構在民用建筑中的應用日益廣泛,鋼結構樓梯的形式也越來越多。鋼材相比鋼筋混凝土具有更好的抗拉性能,同等荷載條件下,鋼結構樓梯的構件截面小,自重小,跨度可以更大,整體效果更輕盈,形態更多樣。民用建筑鋼樓梯的踏步板可采用Z字形鋼板且上面澆筑30 mm～50 mm厚細石混凝土的形式;休息平臺板可采用帶肋鋼板上澆筑細石混凝土的形式;斜梯梁一般采用槽鋼、鋼板及其他形式型鋼截面[1]。一般民用鋼結構房屋的鋼樓梯跨度不大,斜梯梁采用鋼板形式更為輕巧(見圖1)。

本文首先給出了鋼板斜梯梁的計算假定,并依據規范進行了理論分析;其次,通過SAP2000軟件建立了鋼樓梯梯段的有限元模型,對梯段寬度變化時踏步的變形規律進行研究,并對設計時在踏步下方增設縱向肋條的作用效果進行了分析;最后參照相關手冊,通過舉例計算總結了鋼樓梯平臺板的計算過程。

1 鋼板斜梯梁的計算假定

鋼板斜梯梁一般作為壓彎梁設計,承受踏步板單向傳遞的豎向力,其兩端簡支在上下平臺梁或者鋼梯柱上。鋼板在平面外的回轉半徑非常小,因此受壓彎內力作用下較容易平面外失穩,但Z形踏步板很好的給其提供了側向支撐,如圖2所示。計算時斜梯梁的平面外計算長度可近似取Z形踏步板豎向鋼板的間距。對于民用建筑,樓梯踏步寬度約在280 mm～300 mm,斜梯梁平面外的計算長度相比平面內大大減小。鋼板梁截面示意圖見圖3。

由《鋼結構設計規范》[2]5.2.2條公式5.2.2-3可知,彎矩作用平面外穩定應力與軸心受壓構件穩定系數φy和均勻彎曲受彎構件整體穩定系數φb有直接關系,這兩個系數越大,構件穩定性越好。

而根據規范附錄C和附錄B可知兩個系數均與平面外的長細比λy有關,λy越小其值越大。

另外：

其中,loy為平面外的計算長度;ly為平面外實際無支撐長度;iy為構件截面對y軸的回轉半徑。

由于踏步與鋼板梁連接,鋼板梁平面外的實際無支撐長度由原來的鋼樓梯梯段跨度縮小為豎直踏步板的間距。對于此種形式鋼板梁,雖然iy較小,但ly也非常小,因此其平面外長細比λy大大減小,軸心受壓構件穩定系數φy和均勻彎曲受彎構件整體穩定系數φb大大提高。

從另外一個角度看,兩側鋼板梁與中間踏步形成了一個近似倒放的H形截面鋼梁,鋼板梁平面外反而是H形截面鋼梁的強軸,具有較大的回轉半徑及抗側向失穩能力。

因此,雖然鋼板梁自身具有較小的平面外回轉半徑,但采用鋼板梁作為斜梯梁并不會導致平面外的穩定應力難以滿足,設計時仍主要由彎矩作用平面內的強度、穩定及撓度控制。

2 鋼樓梯踏步的設計

2.1 踏步常規計算

鋼樓梯踏步多采用Z字形的鋼板,上面澆筑一定厚度的細石混凝土,混凝土與鋼板之間采用分散的鋼筋抗剪鍵進行咬合,如圖2所示。

2.2 踏步段的計算分析

關于踏步鋼板的設計,簡化其受力,水平踏步鋼板可以看做簡支于兩側的豎向踏步板上,其跨度約280 mm～300 mm,則水平踏步板的強度和撓度計算如下。

以280 mm踏步寬、150 mm踏步高為例,踏步厚度取5 mm,則每米梯段寬其承載力應滿足以下要求:

M≤W×f。

q≤91 kN/m2。

這表明從強度方面計算水平踏步板自重及活荷載總的設計值可以到達91 kN/m2,遠遠高于一般的設計荷載。

撓度計算：

q

由此可見,相比之下水平踏步板的設計主要是撓度控制,但是在前述設定的計算條件下,5 mm的水平踏步板的允許承載力仍有較大的富余,因此設計時往往不做計算按構造取值即可。

豎直踏步板計算時可以認為簡支于兩側的鋼板斜梯梁上,因為其強軸在彎矩作用平面內,且每一個豎直踏步段承擔的荷載作用面也較小,一般均滿足。

除了踏步鋼板外,設計時一般在踏步鋼板面澆筑一定厚度的細石混凝土,一方面有助于后期建筑面磚的施工,另一方面也增加了踏步鋼板的整體豎向剛度,降低了人行活動下的變形和振動。

2.3 踏步的數值模擬研究

在前述計算分析時假定水平踏步板簡支在豎直踏步板上,而豎直踏步板簡支在兩側鋼板斜梯梁上,這是基于梯段寬度較小時豎直踏步鋼板剛度較大而作出的近似假定,設計結果是滿足工程安全的。但是當梯段較寬時,其受力路徑是否如上所述就需要進行更具體的判斷。

采用SAP2000軟件,建立了6種梯段寬度的鋼板梁鋼樓梯有限元計算模型,梯段寬度分別為1 200 mm，1 500 mm，1 800 mm，2 100 mm，2 500 mm，2 800 mm,梯段跨度均為3 m,踏步板采用5 mm厚的鋼板,鋼板斜梯梁和踏步板均采用殼單元進行模擬,踏步面施加的荷載包括恒載2 kN/m2和活荷載3.5 kN/m2。計算模型如圖4所示,分析完成后,找出水平踏步板和豎直踏步板的最大位移,對兩者進行了比較,如表1所示。

表1 恒載+活載作用下不同梯段寬度的位移值

由上述結果可知,隨著梯段寬度由1 200 mm增加到2 800 mm,水平踏步板和豎向踏步板的位移差越來越小,由42.7%減小為3.53%。在梯段寬度較小時水平踏步板的豎向位移遠大于豎向踏步板,但是梯段寬度較大時,水平踏步板和豎向踏步板的豎向位移趨近于一致,這表明兩者的剛度差越來越小,受力時已經不存在明顯的主次關系。此時,不能再簡單的認為水平踏步板簡支于豎直踏步板上,而是整個踏步鋼板支撐在兩側的鋼板斜梯梁上。因此,設計時若遇到梯段寬度較大的情況應選擇正確的計算方法。

2.4 踏步增設縱向肋條的數值模擬研究

在設計中,當梯段寬度較大時,除了增加踏步板厚外往往采用在Z字形踏步板下面增設縱向肋條的方式改善踏步板的受力及變形,如圖5，圖6所示。增設縱向肋條是否能改善踏步板的受力和變形，當梯段寬度達到多少時采用縱向肋條比較合適以及縱向肋條設置的規格等這些問題卻并不明確。因此,本文采用SAP2000軟件建立了5種不同寬度的梯段有限元計算模型進行相關的分析,分別為1 500 mm，1 800 mm，2 100 mm，2 500 mm，2 800 mm,梯段跨度均為3 m,模型的前提條件同上一節。在實際工程中縱向肋條與踏步的水平板和豎直板采用雙面角焊縫連接,模型中縱向肋條采用殼單元模擬,焊縫連接假定為完全約束,通過細分有限元網格的尺寸,保證單元間共節點來實現,如圖7所示。研究時采用了如下兩種工況：

工況一:縱向肋條厚6 mm,肋條底部至踏步拐點的距離為50 mm(如圖5所示),在計算模型中肋條根據殼單元周邊的節點自動劃分網格。對比1 500 mm,1 800 mm,2 100 mm,2 500 mm,2 800 mm等5種梯段寬度下未設置肋條與梯段中央設置肋條情況下的踏步位移。

工況二:縱向肋條厚8 mm,肋條底部至踏步拐點的距離為100 mm。對比1 500 mm,1 800 mm,2 100 mm,2 500 mm,2 800 mm等五種梯段寬度下未設置肋條與梯段中央設置肋條情況下的踏步位移。

荷載作用下踏步的最大位移值如表2所示,根據表2可知,在踏步下方中間位置設置肋條能減小踏步的豎向位移幅值,兩種工況下減小的幅度均在10%以內,其效果并不明顯。相比工況一,工況二中肋條厚度和高度均增加了,但是對于踏步豎向位移幅值的卻并無較大改善。圖8給出了各種梯段寬度下未設置肋條和工況二的踏步的豎向位移等值線圖。

表2 恒載+活載作用下不同梯段寬度的踏步下方未設置肋條與設置肋條的踏步最大位移值

從圖8中可以看出,無論是哪一種梯段寬度,在踏步下方中間加一道縱向肋條均改善了踏步豎向位移的等值線分布,使得整個踏步位移有所減小,并且這種趨勢隨著梯段寬度的減小而變得更為明顯。

為了研究單個梯段增加縱向肋條的數量和位置對踏步的影響,針對2 800的梯段寬度的踏步模型,在梯段寬度1/3和2/3位置踏步下方各加了一道縱向肋條,共兩道,如圖9所示。

經過計算,此種情況的最大位移幅值比只設置一道縱向肋條的幅值要大,接近未設置肋條的情況。其等值線分布圖如圖10所示,相比之下位移改善情況較只設置一道肋條也會差一些,與未設置肋條較為接近。

因此,在同等情況下設置縱向肋條時設置在梯段寬度的中間位置最有效,梯段寬度較小時可只設置一道,梯段寬度較大而設置多道時建議設置數量為奇數。

3 平臺板的計算

鋼樓梯的平臺板的形式可以根據實際情況靈活采用。當平臺處有梯柱、吊柱等組成的框架時,可采用混凝土形式的平臺板,也可采用薄鋼板上澆筑細石混凝土形成平臺板,薄鋼板下方一般焊接一定間距的鋼板加勁肋或者角鋼,如圖11所示;當休息平臺和樓面平臺處沒有梯柱時,一般采用折線形斜梯梁,斜梯梁直接與框架柱連接,此時在平臺位置宜采用后一種形式的平臺板,自重較小。此處重點講述薄鋼板平臺板的計算。

薄鋼板與加勁肋組合形成平臺板的計算可以參照《鋼結構設計手冊》[3],按下述原則計算。

計算時鋼板部分和加勁肋部分分開考慮。對于鋼板部分,將加勁肋視為其支座,按照單向板計算。根據前述樓梯踏步平板的計算可知,當加勁肋間距在300 mm左右時,鋼板的承載力有較大的富余,故一般情況下直接取5 mm～6 mm即可。

對于加勁肋,可按兩端簡支的T形截面計算其強度和撓度,T形截面翼緣取加勁肋每側各15倍薄鋼板厚度,如圖12所示。作用于該T形截面上的荷載取兩個加勁肋之間范圍的總荷載。加勁肋的高度一般取跨度的1/12～1/15,厚度不宜小于5 mm。

舉例計算:平臺鋼板厚5 mm,加勁肋間距300 mm,厚度8 mm,高度120 mm,跨度1 500 mm(即為休息平臺的寬度),鋼材的材質均為Q235。恒載標準值計算為0.03×25+0.005×78=1.14 kN/m2,活載標準值3.5 kN/m2。承載力計算時設計荷載為1.2×1.14+1.4×3.5=6.27 kN/m2,則T型截面承擔的設計線荷載為6.27×0.3=1.881 kN/m;撓度計算時荷載組合標準值1.0×1.14+1.0×3.5=4.64 kN/m2,則T型截面承擔的線荷載為1.392 kN/m。

T型截面腹板下端的彈性截面模量:W=32 012 mm3。

跨中最大彎矩:

故強度滿足。

根據《鋼結構設計規范》附錄A,取：

故撓度滿足。

4 結論

1)鋼樓梯中Z字形踏步對鋼板斜梯梁的側向約束使得斜梯梁的平面外計算長度大大減小,彌補了鋼板平面外回轉半徑較小導致的平面外易失穩的缺陷,采用鋼板作為斜梯梁是完全可行的。

2)鋼樓梯梯段寬度較小時,水平踏步板和豎直踏步板的豎向位移差較大,兩者剛度相差較大,計算時水平踏步板可近似看作支撐在豎直踏步板上;隨著梯段寬度的增大,水平踏步板和豎直踏步板的豎向位移差越來越小,兩者的剛度差越來越小,協同受力,支撐于兩側的斜梯梁上,計算時水平踏步板和豎直踏步板不能再分開計算,應選擇正確的計算方法。梯段寬度較大時踏步板厚的計算有待繼續研究。

3)在踏步下方增設縱向肋條對踏步板的豎向位移有改善,但作用有限;縱向肋條的厚度及高度對踏步豎向位移的影響也不大;設置縱向肋條時建議在梯段寬度的中間設置,數量為奇數為宜。

4)鋼樓梯平臺板可采用帶肋的薄鋼板,計算時近似為T形截面進行強度和撓度的計算。