SAP2000之懸挑鋼樓梯設計

摘要：本文就利用SAP2000進行懸挑鋼樓梯的設計過程做了簡要的分析，并對結果進行計算結果的判定做了分析

關鍵詞：sap2000;懸挑鋼樓梯;應力比

前言

在商業建筑之中建筑師為了追求更完美更實用的建筑，往往對結構要求較高，有時候甚至突破常規的結構選型，用一些很少用的結構型式以滿足建筑的功能需要，比如懸挑樓梯等構件。

2014年9月我們單位接到一個設計任務是為蒼溪一個商業綜合體做附屬鋼結構的設計，其中里面就包含了一些懸挑樓梯的設計。懸挑樓梯設計用常規的軟件無法建模計算，只能借用一些特殊的軟件，我們選用了國際通用有限元分析軟件SAP2000。SAP2000作為國際最權威最通用的有限元分析軟件已經被大量的用于各種構件的計算分析。本文就SAP2000用于懸挑樓梯的設計做一些淺顯的分析。

項目概況：本項目位于四川省蒼溪縣。基本情況為：抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度類別：B。根據抗震規范8.1.3條本項目的鋼結構不考慮地震作用。

樓梯的外形尺寸如圖一所示：

分析計算

第一步建模，

根據懸挑樓梯的特點，只能用懸挑折梁作為主要受力構件，這個梁的跨度有6米，按照鋼結構垮高比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件。考慮到是公共商業建筑我們每跑梯段設置了3根受力構件。

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

1.各種構件需要嚴格的分層，比如柱，梁，板等構件需要建在不同的層里面。

2.構件不要放在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入到SAP2000里面去了。在SAP2000里面定義好各個構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，因此幾個支點我們都定義為固結。在模型里面我們用一塊50mm的混凝土斜板來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計算。

模型簡圖如下：

第二步

基本模型建好之后就可以設定各種參數。由于sap2000是有限元分析軟件，所以所有構件必須剖分。一個板單元大概是0.7x0.9米左右，梁單元按照板單元的交點劃分。

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

程序一般會自動計算自身的模態。

第三步計算結果的分析與判定

SAP2000進行整體計算之后我們首先需要看的是整體指標：變形及動力學特征比如周期、頻率等。變形按照鋼結構設計規范附錄A，最大允許變形為30mm，本項目的的最大變形為28mm，小于規范要求，但由于是商業建筑對變形的要求控制比較嚴格，故我們可以通過預先起拱的方式來減少變形。在這里需要說明的是由于是室外的商業樓梯我們必須滿足舒適度的要求，參考《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）3.7.7樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3Hz。這一條往往被人忽略。本樓梯的第一自振周期對應的頻率為8.23Hz，滿足規范要求。本項目的撓度及模態圖如下：

看完整體指標之后就是構件層面上的設計，這一步必須進入到設計gt;鋼框架設計這一步否則只是一個整體計算結果，無法滿足我們設計的需要，而且必須選擇中國規范并按照中國規范修改里面的參數。修改完成之后才能進行構件層面上的設計，這個步驟需要反復直到所有的構件滿足并合理之后才算完成。

結束語：考慮到是懸挑鋼樓梯，因此我們對應力比控制得比普通的樓梯要嚴格一些，并且我們從前面的擾度變形來看起控制作用的并不是強度而是變形。正確的使用SAP2000，我們作出了合理的設計，順利通過審圖并且得到了業主的認可。通過我們這次對純懸挑鋼樓梯的設計并且對有限元軟件分析的使用，幫助我們以后對復雜構件的分析起到了提高作用。