一种直角式三梯段悬挑楼梯分析设计

向飞

摘要：在现代建筑中楼梯不仅作为消防疏散，衔接建筑各功能区域的重要构件，越来越多的建筑师选择将其作为制造某种特殊建筑效果的关键元素，在楼梯的形式上多选取非常规特殊结构。本文介绍了一种直角式三梯段悬挑楼梯，利用有限元软件对其整体建模分析其受力特点，为结构设计提供理论依据。

关键词：悬挑楼梯；楼梯设计；节点构造

引言：在现代公共建筑设计过程中，越来越多的楼梯不再仅局限于只具备最基本的交通功能。在高档写字楼、大型商场、体育馆、博物馆、影剧院等一些复杂公共建筑中，造型独特，结构新颖的楼梯设计常常被建筑师作为一种有效的建筑表达元素，对整个建筑作品的品质的提升起到画龙点睛的作用。如在某国企办公大楼的入门大厅口，建筑师设计了一直角式三梯段悬挑楼梯，该楼梯支承于上下楼面，中间梯段不设置任何梯梁、梯柱等中间支座，视觉冲突强烈，空间感观较好，如图1所示。

直角式三梯段悬挑楼梯是一种复杂的三维空间结构，而结构设计人员在设计此类异形楼梯时，并没有现成结构设计软件进行计算分析。本文采用有限元软件对图1所示的直角式三梯段悬挑楼梯建立有限元模型（图2），对其进行详细计算分析与设计。

1、工程概况

某国企办公大楼大厅直角式三梯段悬挑楼梯结构见图1，该楼梯共分为三个梯段、两个平台板，踏步高度为150mm，宽300mm，钢筋采用HRB400，混凝土强度采用C30。梯板梯板厚度通常取轴线长度的1/35，经计算本工程梯板理论计算厚度为290mm，则取梯板厚度取为300mm。

2、静力计算分析

采用有限元软件对直角式三梯段悬挑楼梯建模分析时，为简化，只保留梯段中间截面，两侧薄板考虑其荷载等效，则实际建模如图2所示。假定梯板上下端与楼层交接处约束为固接，整个模型在空间上其实就是各梯段和平台板组合而成的空间刚架，梯段考虑附加恒荷载标准值为：gk=1.5kN/m2， 活荷载标准值为：qk=3.5kN/m2，两侧线荷载为1kN/m。

将模型划分为5段（3个梯段、2个平台），根据程序计算内力结果，可以看出与上下楼面支座连接的梯段内力较大，受力情况也最为复杂，是整个结构体系支撑的重点，而作为衔接三梯段的中间平台，内力存在突变，径向剪力Vr较大，是楼梯结构体系能否作为一个整体共同受力的关键，在设计施工时应注重视上述两个部位的构造处理。

3、楼梯结构设计

根据情况预先设定的搜索步距（400mm），得到每个计算段内的计算截面数，再根据有限元计算的每个截面的内力计算相应的截面配筋，可分析出每一段所有截面三个配筋（上下纵筋、左右纵筋和箍筋）的最大值及其相应的位置，并以其为标准沿各个计算段通长配置钢筋。

为在构造上确保固定端支座的实现，在实际设计中，支座的设计处理尤为重要，首先应满足梯段内的纵向钢筋能够可靠的锚固于结构板内，锚固长度满足抗震锚固长度[laE]的要求，同时在梯段与底部楼板交接处，附加12@200U形加强箍筋，并在底板内弯锚，弯锚长度同样需满足抗震锚固长度[laE]的要求。

4、楼梯变形分析

根据有限元计算分析所得的结构位移云图可以看出，梯段首尾两梯段竖向位移较小，中间梯段位移较大，在同一截面内，梯段内侧位移小，外侧位移大。结构最大位移为于中间梯段跨中的外侧，最大竖向位移为4mm，远远小于挠度限值（[l/400=2×（2400+900）+4500/400=27.75mm]），满足规范要求。

5、结论

（1）楼梯的结构形式越来越复杂，对于本文所述的直角式三梯段悬挑楼梯，根据有限元软件计算分析结果，判断结构的整体受力情况，进行针对性的结构设计。

（2）直角式三梯段悬挑楼梯能够实现的关键因素是对支座处钢筋构造加强节点的做法，以及施工质量切实的保证。即要在悬挑楼梯上下端支座处将梯段的钢筋切实的锚固，使其符合计算的假定条件。

（3）本文所述的直角式三梯段悬挑楼梯所采用的有限元计算方法、支座节点构造做法、配筋方式都能够满足规范的各项要求，该楼梯现已完成施工并通过了各项指标的检测。

参考文献：

[1] 混凝土结构构造手册 中国有色工程有限公司主编 中国建筑工业出版社 2016.1

[2] 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010

[3] 鋼筋混凝土薄壳结构设计规程 JGJ/T 22-98

[4] 楼梯.阳台和雨蓬设计 程文瀼主编 东南大学出版社 1993.1第一版