某钢螺旋梯道的设计及计算方法研究

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1、广东建材2016年第5期设计与装饰某钢螺旋梯道的设计及计算方法研究牛伟迪(同济大学建筑设计研究院集团有限公司)【摘要】本文针对某钢螺旋梯道，采用空间梁单元结构模型和空间梁一板混合单元模型两种方法，对该梯道进行建模计算。通过对两种模型的计算结果分析比较发现：该螺旋梯道应力及位移满足规范要求；空间梁单元结构模型建模过程简单，便于应用，计算结果偏安全，适用于工程应用；空间梁一板混合单元结构模型建模较为复杂，能够更好地考虑横梁对整体结构的影响，计算结果相对精确。【关键词】钢结构；螺旋梯道；空间梁单元结构模型；空间梁一板混合单元结构模

2、型1前言梯道的造型在一些对景观要求较高的桥梁设计中，往往会起到锦上添花的作用。螺旋梯道以其优美飘逸的外形曲线，得到了业主和广大设计人员的认可。某桥梁全长305m，位于某公园内，对景观要求比较高，因此根据需求在主桥两侧对称布置四座钢螺旋梯道。钢螺旋梯道一般可采用空间梁单元结构模型、空间梁一板混合单元结构模型和空间板单元结构模型。空间梁单元结构模型采用梁单元模拟梯梁，踏步视为横梁连接两个梯梁，同样采用梁单元模拟，此种模型忽略了横梁与梯梁之间的“蒙皮效应”对提高结构整体性的贡献，建模过程简单，便于应用；空间梁一板混合单元结构模型将

3、梯梁视为空间梁单元，踏步按板单元处理，此种模型可准确地模拟踏步的受力情况以及其对梯梁的约束作用，建模过程相对复杂；空间板单元模型将梯梁与踏步均采用板单元模拟，计算结果能准确反映结构受力和变形情况，建模过程复杂，不便于工程应用。为方便工程应用并使计算结果能够相互验证，本次计算分别采用空间梁单元结构模型和空间梁一板混合单元结构模型对该梯道进行建模计算，并对计算结果进行分析对比。2工程概况该梯道总体布置如图l所示；梯道由内外两片梯梁和踏步组成：梯道中心跨径为12．4m，最外侧跨径18．8m，最内侧跨径8．1m；在跨中设置休息平台；

4、梯道内半径1900m，外半径3900m；梯道两侧箱梁尺寸为400×200×16ⅢIII；踏步采用L型钢尺寸为320×150×lO衄；根据设计，梯道仅在两端分别设置桥台桥墩，休息平台处不立墩，要求梯道一跨完成；下部结构采用桩柱式桥。900。瞄．15x320=●800192015xj20=4950150∞I··千·广量’土尸羚≮●●平●“～⋯≮●伽量!螋18■‘“j<¨F1”8苴J_，J『#j广]立面L图1梯道总体布置图(单位：mm)设计与装饰广东建材2016年第5期墩、轻型桥台，梯梁分别与桥墩、桥台固结。3结构计算与分析3．1

5、建模计算梯道采用结构钢Q345qC(GB／T714—2008)。作用在该梯道的荷载包括：(1)恒荷载：①自重，程序自动计入重量，自重系数取一1：②二期恒载：6cm沥青混凝土，Y=24kN／m3：③栏杆：单侧按鲨生计。m(2)人群荷载：计算采用两车道加载；按《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69—95)条文3．1．3．2取用：人群荷载加载长度L按中线跨度13m取值，半桥宽度B=0．9m。(3)温度作用：整体温度作用按±30℃考虑：梯度升温按照桥面钢板升温15℃计算，梯度降温按桥面板降温7．5℃计算。(4)基础变位：基础

6、沉降取10姗。梯道两端固结。采用容许应力法进行验算。荷载工况包括：荷载组合l：恒载+人群+支座位移，对应应力提高系数1；荷载组合2：恒载+人群+支座位移，对应应力提高系数1．25。计算采用有限元软件Midas／Civil2015(Ver．8．3．2R1)，建立如下两种模型：模型1——空间梁单元结构模型，如图2所示；模型2——空间梁一板混合单元结构模型，如图3所示：图2空间梁单元结构模型图3空间梁一板混合单元结构模型3．2计算结果分析根据有限元软件的计算，提取计算结果如下。3．2．1模型1应力计算结果(1)模型1应力计算结果梯

7、梁剪力和扭矩见附录；横梁剪力和扭矩很小，可一54一不考虑弯曲剪应力影响，有效应力可参照图5。观察图4，梯梁最大拉应力出现在梯梁上端，最大压应力出现在梯梁底部；梯梁应力由梯梁两端向跨中休息平台呈逐渐减小趋势；应力在休息平台处有所增加。观察图5，横梁最大应力出现在休息平台附近；横梁应力由平台向梯梁两端呈逐渐减小趋势。通过观察可知，梯梁最不利位置出现在梯梁两端；横梁最不利位置出现在跨中休息平台处。，一～黧一善警氏、～、8；’7，j二、：、、

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9、7。：’弋rnJ组i}1A：)、Ir『ji／J乜络l纠bJinfj2最人ilifjj／J乜络}訇图_4模型】梯道梁应力包络图(MPa)、心㈠，∥，。，l—i蕊辩∥：霞誊童。i≤毪ii}鼍荽譬罐．?m=E=嚣搿、≤t二一；；八≤浮篇、：：=、＼、、、1、j“1一·j、、、垂霉“、心、}喜萎·