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第卷第期年月結(jié)構(gòu)工程師氏大型鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯的設(shè)計(jì)與施工吳水根朱大宇魯辰達(dá)同濟(jì)大學(xué)，上海提要主要介紹某大型鋼結(jié)構(gòu)螺旋樓梯在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件制作加工過(guò)程中所遇到的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題及其解決方法，從中探討如何做到設(shè)計(jì)制作和施工過(guò)程的相互交融，并闡述了設(shè)計(jì)制作和施工人員緊密合作對(duì)于整個(gè)工程順利實(shí)施的重要性。
關(guān)健詞螺旋樓梯，計(jì)算模型，拼裝，焊縫，彈性豎向位移由已印即印引言主要位置，業(yè)主要求樓梯要給人以輕盈通透的感覺(jué)，對(duì)酒店的整體起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的效果。
近年來(lái)我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)和施工已日趨成熟，各種型式和結(jié)構(gòu)體系的鋼結(jié)構(gòu)都有了許多工程實(shí)例。
人們?cè)诶娩摬膭?chuàng)造新的結(jié)構(gòu)型式的同時(shí)，也在設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域中遇到了很多問(wèn)題，設(shè)計(jì)和施工規(guī)范落后于實(shí)踐的現(xiàn)象常常出現(xiàn)。
在這種情況下，設(shè)計(jì)過(guò)程制作過(guò)程和施工過(guò)程常常交叉融合在一起，這就需要工程設(shè)計(jì)制作加工和施工人員緊密合作，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行周密細(xì)致的分析，針對(duì)具體的工程情況得到安全合理技術(shù)可行的設(shè)計(jì)和施工方案。
設(shè)計(jì)方案的確定工程概況某五星級(jí)酒店度假村的主樓為一海邊的五層建筑，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
整個(gè)建筑正立面面向大海，主人口大堂兩側(cè)有兩座對(duì)稱布置的室外螺旋樓梯。
雖然僅為兩座樓梯，但由于位于整個(gè)建筑主立面的根據(jù)業(yè)主的要求，該螺旋樓梯先后進(jìn)行了三次方案修改，具體如下最初方案采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外徑樓梯寬度從地下室頂面（標(biāo)高一旋轉(zhuǎn)后上升至二層樓面（標(biāo)高十由于該方案采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，整個(gè)樓梯設(shè)置了一定數(shù)量的混凝土墻體作為豎向傳力構(gòu)件，業(yè)主認(rèn)為這些墻體會(huì)在一定程度上阻礙客人眺望大海的視野，從而影響整個(gè)建筑的通透性，故該方案未被采納。
第二方案采用鋼結(jié)構(gòu)，將外徑改為樓梯寬度改為旋轉(zhuǎn)后上升至標(biāo)高并通過(guò)一段長(zhǎng)的水平直線段連接于二層樓面，在標(biāo)高十和巧處分別設(shè)置圓心角為的扇形休息平臺(tái)，樓梯立面如圖所示。
為滿足業(yè)主的要求，取消了所有影響視線的墻體，僅將樓梯與一二層樓面的連接點(diǎn)作為支點(diǎn)。
樓梯主體采用螺旋形梁式結(jié)構(gòu)，梁體為壁的兩室箱形截面，截面尺寸從如圖所示。
但業(yè)主認(rèn)為樓梯的截面高度過(guò)大，同樣存在通透性的問(wèn)題，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)不夠輕盈，起不到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用，需進(jìn)一步進(jìn)行修改和優(yōu)化。
最終方案仍采用鋼結(jié)構(gòu)，在第二方案的基礎(chǔ)上將梁截面高度減小到功同時(shí)根據(jù)業(yè)主的要求將截面寬度增加為最終變?yōu)榈乃氖蚁湫谓孛?，如圖所示。
辦乙的苗因叫律O一價(jià)。
叻的8的工價(jià)co門千只鑫沈泛飛二二二二汀一~一氣、一舊鬢聳鄉(xiāng)一到X.門優(yōu)仁叱玉乙之乙魁鑷圖樓梯立面圖區(qū)乍卜甲習(xí)戶哪昭一側(cè)勺日目二方案的梁很面助最終方案的粱截面圖兩種方案的樓梯梁截面工程難點(diǎn)問(wèn)題及解決設(shè)計(jì)計(jì)算模型的確定本工程設(shè)計(jì)計(jì)算模型的建立較為復(fù)雜，樓梯本身為一螺旋形鋼結(jié)構(gòu)，下端新建一根混凝土梁作為其支承，而上端與已建的二層混凝土邊梁連接。
結(jié)構(gòu)形狀節(jié)點(diǎn)約束條件以及邊界條件的選擇等都對(duì)結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性有很大的影響。
同時(shí)，目前并沒(méi)有相關(guān)規(guī)范對(duì)于此類鋼結(jié)構(gòu)的變形長(zhǎng)細(xì)比和構(gòu)造問(wèn)題等作出詳細(xì)規(guī)定，設(shè)計(jì)和計(jì)算的難度很大。
針對(duì)這些間題，最終選擇了0結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算。
考慮到與樓梯連接的混凝土結(jié)構(gòu)剛度的影響，對(duì)已建混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，模型中加人了部分混凝土結(jié)構(gòu)，包括下端新建的混凝土梁和上端二層的部分樓面。
1）計(jì)算模型整個(gè)螺旋樓梯采用多段直桿單元進(jìn)行模擬，各桿單元之間采用剛性連接。
為了控制整個(gè)樓梯的豎向變形，上下端與混凝土結(jié)構(gòu)連接處按剛接考慮，并在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。
下端新建的混凝土梁兩端根據(jù)實(shí)際情況視為鉸接，上端的二層部分混凝土樓面根據(jù)柱的位置設(shè)置支座，并偏安全地按鉸接計(jì)算。
計(jì)算模型見(jiàn)圖）內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表明，箱形鋼梁內(nèi)部的應(yīng)力較小，梁身強(qiáng)度完全足夠，但由于支座處的內(nèi)力較大，因此與箱形鋼梁相連的棍凝土結(jié)構(gòu)以及連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。
工程施工期作用，因此近似計(jì)算時(shí)可取出其中一段，將其幾何長(zhǎng)度乘以后作為計(jì)算長(zhǎng)度，由此得到的對(duì)弱軸方向的長(zhǎng)細(xì)比約為參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》一第條和第條對(duì)于容許長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定是滿足的。
截面尺寸的細(xì)化圖計(jì)算模型位移經(jīng)計(jì)算，箱形鋼梁的最大豎向位移為6.
參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》一中表第項(xiàng)的規(guī)定，樓梯梁的撓度允許值[.
甩而實(shí)際樓梯的長(zhǎng)度為按此計(jì)算的最大豎向位移僅為同時(shí)參考該規(guī)范第條的規(guī)定，該位移量并不影響結(jié)構(gòu)的正常使用和觀感。）長(zhǎng)細(xì)比整個(gè)樓梯的軸力分布為標(biāo)高一段和一段受壓，其余各段受拉，各段的長(zhǎng)度約為從整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀來(lái)看，相鄰的各段之間起到了部分的相互支撐巡叫設(shè)計(jì)時(shí)考慮與箱形鋼梁上下表面垂直的截面高度為但放樣時(shí)發(fā)現(xiàn)該截面并不是一個(gè)平面。
事實(shí)上，由于梁體軸線是一空間的螺旋線，而梁本身有一定的寬度（因此在旋升某一角度后，處于同一輻射線上的各點(diǎn)應(yīng)上升同一高度并處于同一標(biāo)高，但不同在半徑處該角度所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)是不同的半徑越大，弧長(zhǎng)就越長(zhǎng)。
由此可見(jiàn)，不同半徑處，梁體的坡度也是不同的半徑大處坡度小。
與梁體各點(diǎn)都垂直的截面必定為一扭曲面。
這樣的截面形狀對(duì)于制作加工來(lái)說(shuō)是不可能的。
為了解決這一間題，在制作加工時(shí)改為以垂直于水平面的截面為依據(jù)。
根據(jù)梁體的設(shè)計(jì)尺寸，近似得到了沿輻射線垂直于水平面的截面尺寸和腹板二和處）每的展開(kāi)尺寸，如圖所示。
酬一仍一囚8仍一胃工絲一NS門一共李亡二1二沿輻射線垂直于水平面的截面尺寸侶呂中門或/多呂甲團(tuán)。
NS的98仍廿寸卜門90的甲寸二）腹板展開(kāi)圖（每圖放樣參考圖眼山梁體的制作和工廠焊縫的設(shè)計(jì)本工程的梁體為一焊接的四室箱形截面，因此焊縫的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到制作加工的過(guò)程和焊接施工的可行性，尤其應(yīng)注意內(nèi)部三塊腹板和頂?shù)装搴附拥目赡苄浴?p>通過(guò)和制作方的討論，確定了如下的制作方案先將鋼板卷在圓柱模具上進(jìn)行端腹板的放樣和下料，然后根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸搭設(shè)鋼模架并進(jìn)行底板的放樣和下料，最后蓋上頂板。
按此工藝過(guò)程，相應(yīng)的各部分焊縫為兩端腹板和頂?shù)装宓倪B接采用坡口焊，坡口分別留設(shè)在頂板和底板上內(nèi)部三塊腹板和底板的連接采用雙面角焊縫，和頂板的連接采用在頂板上的間斷開(kāi)槽塞焊。
這樣既符合制作加工的順序，又方便了焊接，保證了焊接的質(zhì)量。
作，并在工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接。
根據(jù)樓梯自身的形狀，將工地拼裝縫留設(shè)在螺旋段與平臺(tái)段的連接處。
然而，接頭的形式直接影響拼裝焊接可能性和整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能若將各制作段的面板腹板和底板接頭均留設(shè)在同一位置，勢(shì)必造成該處工地焊縫密集，從而使該處材質(zhì)硬化并產(chǎn)生過(guò)大的焊接應(yīng)力，另外也使箱體內(nèi)部三塊腹板的對(duì)接焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)方制作方和施工方進(jìn)行了詳細(xì)的討論研究和周密的分析計(jì)算，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范的要求，最終決定將各段在接頭處的腹板制作成長(zhǎng)短交錯(cuò)狀，相鄰腹板錯(cuò)平臺(tái)段面板在現(xiàn)場(chǎng)焊接（見(jiàn)圖這種接頭形式既方便了現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，又保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能，同時(shí)也滿足了相應(yīng)規(guī)范的要求。
螺旋段與平臺(tái)段的現(xiàn)場(chǎng)連接由于本螺旋梯體量較大，因此在工廠分段制梁折角線圖螺旋段與平臺(tái)段的連接彈性豎向位移的預(yù)留螺旋梯安裝后在自重和活載的作用下必然出現(xiàn)豎向位移，該豎向位移會(huì)因施工工況的不同而有所變化（如安裝順序和支撐的設(shè)置情況等），且該豎向位移并非均勻。
根據(jù)計(jì)算，在螺旋梯上下端節(jié)點(diǎn)連接于混凝土主體的情況下，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在旋升至了的區(qū)域，最大位移約在旋升（即螺旋段與標(biāo)高水平直線段的交點(diǎn)）處，位移約32.
參考《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程一第條和第條的規(guī)定，同時(shí)考慮到應(yīng)盡量使標(biāo)高的水平直線段在今后的使用過(guò)程中保持水平，制作時(shí)可將螺旋段在該處預(yù)留部分余量，使安裝時(shí)高于設(shè)計(jì)高度且將該預(yù)留量均布到各旋升高度。
同時(shí)，在施工時(shí)架設(shè)滿堂支撐，待整個(gè)螺旋梯安裝完畢后按一定的順序拆除支撐，并在拆撐過(guò)程中觀測(cè)螺旋梯的下沉量。
下轉(zhuǎn)第頁(yè)工程施工結(jié)構(gòu)工期之間的數(shù)據(jù)傳輸。
首先，它將模型的屬性傳遞給分析模塊，分析完成后，再將分析結(jié)果傳遞給虛擬環(huán)境。
不論是模型屬性還是分析結(jié)果，其數(shù)據(jù)量都是很大的。
如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，是非常重要的。
通常，有兩種方法文本文件傳遞和內(nèi)存?zhèn)鬟f。
文本文件傳遞方式即采用文本文件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的傳遞。
因?yàn)橐话愕挠邢拊浖季哂形谋疚募斎撕洼敵龉δ埽虼?，可以利用現(xiàn)有的有限元軟件來(lái)代替結(jié)構(gòu)分析模塊，這樣，開(kāi)發(fā)的工作量比較少。
但是因?yàn)槲募鬟f方式是對(duì)硬盤(pán)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，其速度較慢，很難達(dá)到虛擬環(huán)境的速度要求。
內(nèi)存?zhèn)鬟f方式即數(shù)據(jù)的交互完全在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中完成。
因其存取速度很快，完全可以滿足實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境的要求。
但是，采用這種模式，必須自行開(kāi)發(fā)有限元分析模塊，因此，開(kāi)發(fā)的工作量比較大。
從兩種傳輸模式來(lái)看，因速度是影響虛擬環(huán)境性能的重要因素，采用內(nèi)存?zhèn)鬟f模式無(wú)疑具有較高的適用性。
加快設(shè)計(jì)的進(jìn)度，使設(shè)計(jì)工作更人性化，更富有創(chuàng)造性，而且在目前的技術(shù)上是可行的。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)輸人和輸出設(shè)備的普及，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域必將有更廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)結(jié)論基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅將大大王飛，王波，楊湘龍等。
上虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)。
計(jì)算機(jī)工程，S郊隴似以婦多，目R以婦他嘆州似。
腸盯川腸呢壇t出犯t刃哪戮腸眼，郎，壓地塊比芍滬刀八門l鄧（上接第60頁(yè)結(jié)語(yǔ)參考文獻(xiàn)，I一，隨著設(shè)計(jì)和施工水平的進(jìn)步，新型的鋼結(jié)構(gòu)層出不窮，由于鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)。
在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中常常出現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。
在這種情況下，設(shè)計(jì)過(guò)程制作過(guò)程和施工過(guò)程三者相互滲透，這就要求設(shè)計(jì)方制作方和施工方緊密合作，根據(jù)具體的工程情況尋求安全合理技術(shù)可行的設(shè)計(jì)和施工方案，以保證整個(gè)工程的順利實(shí)施。
中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范一中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范一中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程（一中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（一飛……
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