中山图书馆大跨度旋转钢楼梯设计方法

姜 新

(华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院，上海 200070)

1 工程概况

中山市中山纪念图书馆(新馆)，位于广东省中山市，于2019年11月12日建成开馆。旋转楼梯位于少儿阅览区，从1层±0通向2层6.200标高。该楼梯旋转半径4 m(内侧)、6.1 m(外侧)，踏步宽2.1 m，旋转角度289°，为大跨度旋转楼梯(见图1)。旋转楼梯在标高2 m,4 m处设置休息平台，楼梯两侧为600高扶手栏板。该楼梯建成后的实景图如图2所示。

2 结构计算分析

中山市中山纪念图书馆主体结构为钢筋混凝土框架结构体系。本楼梯设计时，主体结构已施工完成，为减小对主体结构的影响，该楼梯采用钢结构。钢结构旋转楼梯自重小，便于施工。常规钢板梁旋转楼梯在竖向荷载作用下，承受弯矩、剪力、扭矩及轴力的共同作用，受力复杂[1]。本项目设计时，考虑到钢楼梯的旋转半径和旋转角度均较大，未采用常规钢板梁的结构形式。充分利用楼梯两侧扶手栏板，将楼梯梁设计成梯形截面箱型梁，以增强梯梁的抗扭、抗弯刚度[3]。楼梯踏步板采用8 mm厚花纹钢板与箱型梁采用焊接连接，箱梁截面详见图3。

笔者在本项目中采用SAP2000软件对旋转钢楼梯进行分析，SAP2000作为一款通用结构分析设计软件，对钢结构三维模型具有较好的适用性。楼梯梯梁按框架单元模拟，并考虑踏步板实际刚度。因主体结构已施工完毕，为尽量减小对原结构的破坏，梯梁支座采用铰接支座[4]。

设计主要步骤：1)将旋转楼梯的三维犀牛线模导入SAP2000；2)定义截面尺寸、布置荷载、定义支座；3)计算分析及结构设计。初步设计时，仅考虑楼梯两端的支座约束，对楼梯踏步板施加2 kN/m2的附加恒载，及3.5 kN/m2的活荷载。荷载组合为：①1.3恒+1.5活；②1.0恒+1.0活[2]。荷载基本组合①控制结构强度；荷载标准组合②控制结构变形。计算模型详见图4。

经计算，在荷载标准组合①作用下，最大应力比为1.4(见图5)，超过规范限值1.0；在荷载标准组合②作用下最大竖向位移为102 mm，挠度1/197(见图6)，超过规范限值1/400。通过以上计算发现，只在梯梁两端设置支座，无法满足设计要求。

3 改进方法

对于大尺度旋转钢楼梯计算不满足规范要求的情况，本项目利用楼梯起跑段下部净高较小，无建筑功能要求，因此在离起步约1/3处增加支点，以减小梯梁的跨度。设计通过在此位置布置混凝土梁上立柱，再从柱顶设置水平挑梁(详见图7)，将该梁(XL1)作为钢楼梯的支座。在后期内装阶段，将楼梯起跑端至改支座范围进行外包处理，内部净空作为储藏功能。

经计算，梯梁增设支座后，最大应力比为0.78(见图8)，小于规范限值1.0；梯梁最大竖向位移为21.3 mm，挠度1/943(见图9)，满足规范挠度容许值。

4 支座设计

为保证楼梯起跑端、结尾端与主体结构可靠连接，楼梯箱型梁采用连接板与支座预埋件，通过高强螺栓相连[5]。预埋件布置于原结构混凝土梁，起跑端节点设计大样详见图10。结尾端箱梁通过连接板支撑于原结构牛腿上，详见图11。

新增的中间支座为保证上下段楼梯箱梁能协调变形，避免产生次弯矩，将梯梁与混凝土梁连接节点设计成销轴连接，该节点可以在平面内转动，传递轴力和剪力；为保证耳板在平面外的稳定性，在耳板外侧设置两块120×85×20的加劲板，销轴采用直径32的螺栓，销轴连接节点详见图12，图13。

5 结语

对大跨度旋转钢楼梯，结构设计分析可采用SAP2000有限元分析方法，计算分析钢楼梯的强度及变形。对仅设两个端支座难以满足规范要求的大跨度旋转钢楼梯，可以通过利用楼梯两侧的栏板设计成刚度较强的箱型截面梁，并在起跑段下部净高较低且无建筑使用功能的区域增设支座。同时，新增的支座只需承受轴力和剪力，因此该位置使用销轴支座具有较好的设计效果。通过以上措施可以有效解决大跨度旋转钢楼梯的强度和变形要求。