印鐵車間輕型鋼螺旋藝術樓梯的有限元分析與設計

羅鈞，劉有為，趙曉斌，曾如財

（重慶市建筑科學研究院，重慶400042）

印鐵車間輕型鋼螺旋藝術樓梯的有限元分析與設計

羅鈞，劉有為，趙曉斌，曾如財

（重慶市建筑科學研究院，重慶400042）

該文以原重慶鵝嶺印制二廠印鐵車間改造工程中的輕型鋼螺旋藝術樓梯為背景，建立了考慮支承結構剛度的空間曲桿整體模型，進行了該輕型鋼螺旋藝術樓梯在變形、應力和動力特性方面的分析，為類似輕型鋼螺旋藝術樓梯的設計提供參考。

螺旋樓梯；鋼結構；空間曲桿整體模型

1 工程概況

老舊廠房具有獨特的工業氣息，反映著一座城市的歷史文化，改造利用舊廠房，恢復老工業園區的活力，能夠在滿足經濟發展的同時，保護工業時代的歷史印記。原重慶印制二廠印鐵車間為地上3層鋼筋混凝土砌體混合結構，現擬將該車間改造為酒店使用。該酒店位于重慶鵝嶺印制二廠文化創意園區，為滿足藝術性的要求，建筑師在一層設置兩個上夾層的輕型鋼螺旋藝術樓梯，外徑為3.24m，內徑為2.16m，樓梯底部不設立柱，樓梯總高度為4.03m，踏步高度為150mm，中心線踏步寬度為300mm，樓梯效果如圖1所示。

圖1 螺旋樓梯效果圖

輕型鋼螺旋藝術樓梯結構輕盈，造型美觀，但弧形梯梁受彎剪扭共同作用，受力情況復雜[1]。其次，為保證螺旋樓梯具有輕盈的藝術特點，該螺旋藝術樓梯不設踢步板和底板，踏步板為鏤空鋼板，如何進行該輕型鋼螺旋藝術樓梯的結構布置、強度和動力性能計算是必須要解決的問題。因此，本文基于有限元分析軟件，采用考慮支承結構剛度的空間曲桿整體模型對該螺旋樓梯進行計算分析，考察了鋼螺旋藝術樓梯在恒載、樓面活載和溫度荷載作用下的位移和內力情況，進行了螺旋樓梯的動力特性分析，為類似輕型鋼螺旋藝術樓梯的設計提供參考。

2 結構計算與分析

2.1 結構布置

因該螺旋藝術樓梯不設柱，為保證弧形梯梁具有足夠的抵抗彎剪扭作用的能力，選用箱梁鋼梯貫通布置，初選截面為□150mm×300mm×12mm；該螺旋藝術樓梯的踏步板為鏤空鋼板，其協調內外弧形梯梁內力和變形的能力有限，為增強螺旋藝術樓梯的整體性，每隔一塊踏步板設置兩L形截面角鋼以連接兩側梯梁，L形角鋼截面為L60mm×6mm，增設L形角鋼踏步板如圖2所示。螺旋藝術樓梯下部設置鋼筋混凝土獨立基礎，上部通過截面為□250mm×400mm×12mm的懸臂梁與夾層梁相連接。

圖2 帶角鋼踏步板

2.2 模型建立

采用有限元軟件建立該螺旋藝術樓梯的空間曲桿整體有限元模型。梯梁和帶角鋼的踏步均采用梁單元進行模擬，未增加角鋼的踏步板剛度較小，在計算模型中忽略其協調梯梁受力的作用，僅作為導荷構件。樓梯扶手作為線荷載施加于內外側箱型梯梁上。鋼材均為Q235。

已有研究表明，邊界條件對螺旋樓梯的受力具有較大的影響。該工程樓梯下部設置鋼筋混凝土獨立基礎，可簡化為剛接；樓梯上部通過截面為□250mm×400mm×12mm的懸臂梁與夾層梁相連接，不宜直接簡化為剛接，故工程將懸臂梁和上部樓梯平臺結構均考慮在內，建立了考慮支承結構剛度的空間曲桿螺旋樓梯有限元模型，如圖3所示。

圖3 建立的空間曲桿模型

2.3 靜力分析

2.3.1 荷載取值

螺旋藝術樓梯的附加恒載標準值Gk1取1.0kN/m2，扶手線荷載標準值Gk2取1.0kN/m2，樓梯活荷載標準值Qk1取3.5kN/m2[2]。其次，鋼結構對氣溫變化較為敏感，且工程螺旋樓梯支座為剛接，應考慮螺旋樓梯受降溫和升溫的影響，最大溫降Tk1和最大溫升Tk2取值為30℃。考慮荷載分項系數和組合值系數，可得該螺旋樓梯的荷載組合如表1所示。

表1 螺旋樓梯的荷載組合

2.3.2 位移計算結果

對建立的空間曲桿有限元整體模型進行靜力分析，得到兩個螺旋樓梯LT1、LT2內外側弧形梯梁各節點在各荷載組合下的豎向位移包絡曲線如圖4所示。

圖4 螺旋樓梯弧形梁豎向位移包絡

從圖4可以看出，螺旋樓梯外側弧形梯梁的最大豎向位移明顯大于內側弧形梯梁的最大豎向位移，原因在于內側弧形梯梁弧長明顯小于外側弧形梯梁，其豎向剛度較外側弧形梯梁大。

為進行對比，本文計算了未考慮支撐結構剛度情況的兩端剛接螺旋樓梯弧形梁豎向位移包絡，計算結果如圖5所示。

兩種模型計算得到的LT1和LT2內外側梯梁的最大值如表2所示。對比圖4、圖5和表2可以看出，未考慮支撐結構剛度情況的兩端剛接螺旋樓梯模型計算結果最大偏小量達到47.8%，表明支撐結構剛度的影響需要在計算模型中加以考慮。

表2 螺旋樓梯弧形梁的最大位移(mm)

2.3.3 應力計算結果

對建立的空間曲桿有限元整體模型進行靜力分析，得到兩個螺旋樓梯LT1、LT2內外側弧形梯梁各單元在各荷載組合下的應力包絡如圖6所示。

圖6 螺旋樓梯弧形梁應力包絡

從圖6可以看出，弧形梁應力滿足設計要求，除端部應力較大外，螺旋樓梯的應力分布較為均勻。

2.4 動力特性分析

工程中輕型鋼螺旋藝術樓梯具有質量輕的特點，在使用荷載下可能存在舒適度的問題。目前國內規范主要通過控制結構的自振頻率來考察結構的舒適度。工程中鋼螺旋藝術樓梯外側梯梁長度超過10m，為確保鋼螺旋藝術樓梯的正常使用，有必要對其自振頻率進行分析。

對建立的空間曲桿有限元整體模型進行動力分析，得到鋼螺旋樓梯的自振頻率如表3和表4所示，計算結果滿足設計要求[3]。

表3 螺旋樓梯1的自振頻率

表4 螺旋樓梯2的自振頻率

3 結論

本文采用有限元軟件建立了考慮支撐結構剛度的空間曲桿整體模型，進行了螺旋樓梯的豎向變形、應力計算和動力特性分析，分析結果表明：

（1）螺旋樓梯的設計應考慮支撐結構剛度對計算結果的影響。在進行螺旋樓梯建模計算時，應盡量采用考慮支撐結構剛度的整體模型。

（2）輕型鋼螺旋藝術樓梯具有結構輕盈，造型美觀的藝術特點，但在使用荷載下可能存在舒適度的問題，后續可進行相應的測試及試驗來研究該類輕型結構的舒適度問題。

[1]王喆，程蓓，申林，等.鋼結構螺旋樓梯的設計[J].鋼結構，2006，21（5）：22-24.

[2]中國建筑科學研究院.GB 50009-2012建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]北京市市政工程研究院.GJJ 69-95城市人行天橋與

責任編輯：孫蘇，李紅

新報摘

重慶印制二廠的蝶變

重慶印制二廠文創公園的前身、位于鵝嶺正街1號的印制二廠曾經是國民政府中央銀行制幣廠。解放后，重慶人在生活中使用的糧票、肉票、代金券等一律帶色的紙片兒，一度都是由這里生產。

曾經的工業巨頭，在2014年，被一名叫周迓昕的商人發現。如今已是貳廠文創執行董事的周迓昕和他的團隊從去年5月開始，引進國際知名文創園“TESTBED”進入中國市場，并將中國第一個該品牌的藝術文化園區落戶在渝中區。年近8旬，近3萬平方米的老廠房正經歷著一場蝶變。

英國設計師艾爾索普的理念就是要保留二廠原來的建筑，再加一些新的設計元素，打造更多的空間，讓新舊建筑完美融合。而不同于后街文化園的業態布局，貳廠文創園定位為年輕、時尚、創意、文藝等原創品牌。

目前重慶印制二廠文創園已引進“隱居”美術館酒店、“領尚1號”茶藝、“真理客廳”生活美學館、嶺空間當代藝術中心、感懶樹、美國精釀啤酒館、意商會“外交官俱樂部”、卡萌攝影等20余家企業及機構簽約入駐園區，簽約面積已達到70%。（摘自：《重慶晚報》）

Finite Element Analysis and Design of Light Steel Spiral Artistic Staircase in Printing Workshop

Based on the reconstruction of the light steel spiral artistic staircase in the printing workshop of TESTBED 2,this paper establishes an integrate spatial curve rod model considering the stiffness of supporting structure and analyzes the deformation,stress and the dynamic characteristics of the light special steel staircase,offering some references for similar steel spiral staircases.

spiral stairs;steel structure;integrate spatial curve rod model

TU318+.2

A

1671-9107（2017）06-0051-03

基金論文：該文為重慶市建設科技計劃項目“老舊工業廠房改造再利用技術及工程管理綜合研究”（項目編號：城科字2015第（1-36）號）系列研究論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.06.051

2017-05-09

羅鈞（1986-），男，四川資陽人，博士，主要從事建筑結構檢測鑒定、加固設計、加固施工等工作。