第卷第期年月结构工程师氏大型钢结构螺旋楼梯的设计与施工吴水根朱大宇鲁辰达同济大学，上海提要主要介绍某大型钢结构螺旋楼梯在结构设计和构件制作加工过程中所遇到的技术难点问题及其解决方法，从中探讨如何做到设计制作和施工过程的相互交融，并阐述了设计制作和施工人员紧密合作对于整个工程顺利实施的重要性。

关健词螺旋楼梯，计算模型，拼装，焊缝，弹性竖向位移由已印即印引言主要位置，业主要求楼梯要给人以轻盈通透的感觉，对酒店的整体起到画龙点睛的效果。

近年来我国在钢结构方面的设计和施工已日趋成熟，各种型式和结构体系的钢结构都有了许多工程实例。

人们在利用钢材创造新的结构型式的同时，也在设计和施工领域中遇到了很多问题，设计和施工规范落后于实践的现象常常出现。

在这种情况下，设计过程制作过程和施工过程常常交叉融合在一起，这就需要工程设计制作加工和施工人员紧密合作，对结构进行周密细致的分析，针对具体的工程情况得到安全合理技术可行的设计和施工方案。

设计方案的确定工程概况某五星级酒店度假村的主楼为一海边的五层建筑，采用钢筋混凝土框架结构，部分区域为预应力混凝土结构。

整个建筑正立面面向大海，主人口大堂两侧有两座对称布置的室外螺旋楼梯。

虽然仅为两座楼梯，但由于位于整个建筑主立面的根据业主的要求，该螺旋楼梯先后进行了三次方案修改，具体如下最初方案采用钢筋混凝土结构，外径楼梯宽度从地下室顶面（标高一旋转后上升至二层楼面（标高十由于该方案采用钢筋混凝土结构，为保证结构的强度和稳定性，整个楼梯设置了一定数量的混凝土墙体作为竖向传力构件，业主认为这些墙体会在一定程度上阻碍客人眺望大海的视野，从而影响整个建筑的通透性，故该方案未被采纳。

第二方案采用钢结构，将外径改为楼梯宽度改为旋转后上升至标高并通过一段长的水平直线段连接于二层楼面，在标高十和巧处分别设置圆心角为的扇形休息平台，楼梯立面如图所示。

为满足业主的要求，取消了所有影响视线的墙体，仅将楼梯与一二层楼面的连接点作为支点。

楼梯主体采用螺旋形梁式结构，梁体为壁的两室箱形截面，截面尺寸从如图所示。

但业主认为楼梯的截面高度过大，同样存在通透性的问题，同时整个结构不够轻盈，起不到画龙点睛的作用，需进一步进行修改和优化。

最终方案仍采用钢结构，在第二方案的基础上将梁截面高度减小到功同时根据业主的要求将截面宽度增加为最终变为的四室箱形截面，如图所示。

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叻的8的工价co门千只鑫沈泛飞二二二二汀一~一气、一旧鬓耸乡一到X.门优仁叱玉乙之乙魁镊图楼梯立面图区乍卜甲习户哪昭一侧勺日目二方案的梁很面助最终方案的粱截面图两种方案的楼梯梁截面工程难点问题及解决设计计算模型的确定本工程设计计算模型的建立较为复杂，楼梯本身为一螺旋形钢结构，下端新建一根混凝土梁作为其支承，而上端与已建的二层混凝土边梁连接。

结构形状节点约束条件以及边界条件的选择等都对结构分析的准确性有很大的影响。

同时，目前并没有相关规范对于此类钢结构的变形长细比和构造问题等作出详细规定，设计和计算的难度很大。

针对这些间题，最终选择了0结构分析程序进行计算。

考虑到与楼梯连接的混凝土结构刚度的影响，对已建混凝土结构进行验算，模型中加人了部分混凝土结构，包括下端新建的混凝土梁和上端二层的部分楼面。

1）计算模型整个螺旋楼梯采用多段直杆单元进行模拟，各杆单元之间采用刚性连接。

为了控制整个楼梯的竖向变形，上下端与混凝土结构连接处按刚接考虑，并在节点的设计中实现。

下端新建的混凝土梁两端根据实际情况视为铰接，上端的二层部分混凝土楼面根据柱的位置设置支座，并偏安全地按铰接计算。

计算模型见图）内力计算结果表明，箱形钢梁内部的应力较小，梁身强度完全足够，但由于支座处的内力较大，因此与箱形钢梁相连的棍凝土结构以及连接节点应进行详细的设计和验算。

工程施工期作用，因此近似计算时可取出其中一段，将其几何长度乘以后作为计算长度，由此得到的对弱轴方向的长细比约为参考钢结构设计规范》一第条和第条对于容许长细比的规定是满足的。

截面尺寸的细化图计算模型位移经计算，箱形钢梁的最大竖向位移为6.

参考《钢结构设计规范》一中表第项的规定，楼梯梁的挠度允许值[.

甩而实际楼梯的长度为按此计算的最大竖向位移仅为同时参考该规范第条的规定，该位移量并不影响结构的正常使用和观感。）长细比整个楼梯的轴力分布为标高一段和一段受压，其余各段受拉，各段的长度约为从整个结构的形状来看，相邻的各段之间起到了部分的相互支撑巡叫设计时考虑与箱形钢梁上下表面垂直的截面高度为但放样时发现该截面并不是一个平面。

事实上，由于梁体轴线是一空间的螺旋线，而梁本身有一定的宽度（因此在旋升某一角度后，处于同一辐射线上的各点应上升同一高度并处于同一标高，但不同在半径处该角度所对应的弧长是不同的半径越大，弧长就越长。

由此可见，不同半径处，梁体的坡度也是不同的半径大处坡度小。

与梁体各点都垂直的截面必定为一扭曲面。

这样的截面形状对于制作加工来说是不可能的。

为了解决这一间题，在制作加工时改为以垂直于水平面的截面为依据。

根据梁体的设计尺寸，近似得到了沿辐射线垂直于水平面的截面尺寸和腹板二和处）每的展开尺寸，如图所示。

酬一仍一囚8仍一胃工丝一NS门一共李亡二1二沿辐射线垂直于水平面的截面尺寸侣吕中门或/多吕甲团。

NS的98仍廿寸卜门90的甲寸二）腹板展开图（每图放样参考图眼山梁体的制作和工厂焊缝的设计本工程的梁体为一焊接的四室箱形截面，因此焊缝的设计应充分考虑到制作加工的过程和焊接施工的可行性，尤其应注意内部三块腹板和顶底板焊接的可能性。

通过和制作方的讨论，确定了如下的制作方案先将钢板卷在圆柱模具上进行端腹板的放样和下料，然后根据设计尺寸搭设钢模架并进行底板的放样和下料，最后盖上顶板。

按此工艺过程，相应的各部分焊缝为两端腹板和顶底板的连接采用坡口焊，坡口分别留设在顶板和底板上内部三块腹板和底板的连接采用双面角焊缝，和顶板的连接采用在顶板上的间断开槽塞焊。

这样既符合制作加工的顺序，又方便了焊接，保证了焊接的质量。

作，并在工地现场拼装焊接。

根据楼梯自身的形状，将工地拼装缝留设在螺旋段与平台段的连接处。

然而，接头的形式直接影响拼装焊接可能性和整个结构的受力性能若将各制作段的面板腹板和底板接头均留设在同一位置，势必造成该处工地焊缝密集，从而使该处材质硬化并产生过大的焊接应力，另外也使箱体内部三块腹板的对接焊无法实现。

为解决这一问题，设计方制作方和施工方进行了详细的讨论研究和周密的分析计算，同时根据相应规范的要求，最终决定将各段在接头处的腹板制作成长短交错状，相邻腹板错平台段面板在现场焊接（见图这种接头形式既方便了现场拼装焊接，又保证了整个结构的受力性能，同时也满足了相应规范的要求。

螺旋段与平台段的现场连接由于本螺旋梯体量较大，因此在工厂分段制梁折角线图螺旋段与平台段的连接弹性竖向位移的预留螺旋梯安装后在自重和活载的作用下必然出现竖向位移，该竖向位移会因施工工况的不同而有所变化（如安装顺序和支撑的设置情况等），且该竖向位移并非均匀。

根据计算，在螺旋梯上下端节点连接于混凝土主体的情况下，最大位移点出现在旋升至了的区域，最大位移约在旋升（即螺旋段与标高水平直线段的交点）处，位移约32.

参考《高层民用建筑钢结构技术规程一第条和第条的规定，同时考虑到应尽量使标高的水平直线段在今后的使用过程中保持水平，制作时可将螺旋段在该处预留部分余量，使安装时高于设计高度且将该预留量均布到各旋升高度。

同时，在施工时架设满堂支撑，待整个螺旋梯安装完毕后按一定的顺序拆除支撑，并在拆撑过程中观测螺旋梯的下沉量。

下转第页工程施工结构工期之间的数据传输。

首先，它将模型的属性传递给分析模块，分析完成后，再将分析结果传递给虚拟环境。

不论是模型属性还是分析结果，其数据量都是很大的。

如何快速准确地进行数据传递，是非常重要的。

通常，有两种方法文本文件传递和内存传递。

文本文件传递方式即采用文本文件进行模型数据和结果数据的传递。

因为一般的有限元软件都具有文本文件输人和输出功能，因此，可以利用现有的有限元软件来代替结构分析模块，这样，开发的工作量比较少。

但是因为文件传递方式是对硬盘数据的读写操作，其速度较慢，很难达到虚拟环境的速度要求。

内存传递方式即数据的交互完全在计算机内存中完成。

因其存取速度很快，完全可以满足实时虚拟环境的要求。

但是，采用这种模式，必须自行开发有限元分析模块，因此，开发的工作量比较大。

从两种传输模式来看，因速度是影响虚拟环境性能的重要因素，采用内存传递模式无疑具有较高的适用性。

加快设计的进度，使设计工作更人性化，更富有创造性，而且在目前的技术上是可行的。

随着计算机技术的发展，随着虚拟现实输人和输出设备的普及，虚拟现实技术在结构设计领域必将有更广泛的应用前景。

参考文献结论基于虚拟现实技术进行结构设计不仅将大大王飞，王波，杨湘龙等。

上虚拟现实仿真的实现。

计算机工程，S郊陇似以妇多，目R以妇他叹州似。

肠盯川肠呢坛t出犯t刃哪戮肠眼，郎，压地块比芍沪刀八门l邓（上接第60页结语参考文献，I一，随着设计和施工水平的进步，新型的钢结构层出不穷，由于钢结构自身的特点。

在设计和施工过程中常常出现相关的技术问题。

在这种情况下，设计过程制作过程和施工过程三者相互渗透，这就要求设计方制作方和施工方紧密合作，根据具体的工程情况寻求安全合理技术可行的设计和施工方案，以保证整个工程的顺利实施。

中华人民共和国国家标准。

钢结构设计规范一中华人民共和国国家标准。

钢结构工程施工质量验收规范一中华人民共和国行业标准。

建筑钢结构焊接技术规程（一中华人民共和国行业标准。

高层民用建筑钢结构技术规程（一飞……

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