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    钢结构螺旋楼梯的设计与施工

    2019-02-10   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港编辑部获悉:结构设计的刚度和强度严重不足时,会造成结构的迅速破坏,这在钢结构设计中是首先应考虑的。不合理地选用高强度、高性能的钢材,涉及到采购费用的增加,选用不合适的钢材则会造成严重的事故。通常情况下,应力类型、结构自重载荷所占的比例,加载速度及大小、板材厚度、环境温度是选择钢材抗冲击级别的主要决定因素。
      
      塑性转化温度这种温度主要与裂纹的产生有关,在此温度以上,只有当缺口根部产生塑性流动后才会产生脆性裂缝。而在此温度以下,在不明显的缺口塑性时,就会产生脆性破坏。
      
      破坏外形转化温度这种与裂缝的扩展相联系,它代表了由纤维状的剪切破坏向明显的结晶状破坏或劈裂破坏的转变。高于破坏外形转化温度时,不会发生劈裂类破坏。破坏外形转化温度的真正意义,是指在此温度以下,钢结构存在突然破坏的可能性。
      
      通常破坏外形转化温度总是高于塑性转化温度。在某种试验条件下,这2种转化温度可能发生在同一温度下,但破坏外形转化温度绝不会低于塑性转化温度。
      
      当钢结构使用环境温度低于破坏外形转化温度时,结构存在着较大的突然破坏(脆性断裂)的可能性,只要钢结构使用环境温度高于塑性转化温度,结构产生破坏前,必然在初始裂纹处产生局部变形,这些塑性变形是吸收能量的。但钢结构使用环境温度低于塑性转化温度时,要产生脆性破坏,只要很小的局部变形就足够了。而此时当脆性破坏一经发生,结构便以极快的速度扩展开来,导致整个钢结构的完全失效。
      
      2钢结构材料选用注意事项2.1应力类型及大小对选材的影响钢结构所受载荷在不同的部位应力状态是不同的,载荷应力状态对结构脆性破坏的影响和敏感度是最重要的。对选材而言,简单的静载拉、压应力和2向、3向应力状态有较大区别。而疲劳载荷应力循环特性如脉动循环、对称循环等和应力幅的不同,对结构材料的选择所起的作用更为重要。另外,因焊接等产生的残余应力、结构自重载荷引起的应力大小、结构构造设计及应力集中情况等对结构材料选择的影响也有很大作用。通常,结构受力复杂,应力集中情况严重,则材料选择一般要考虑选择抗疲劳、对应力集中不太敏感的材料。
      
      对于给定的材料,当它处在低于破坏转化温度时,可以找到1个应力值,在此应力值下,脆性破坏不会进行扩展。尽管应力值增大,脆性破坏的可能性也增大,但是几乎不存在1个不会导致发生脆性破坏扩展的最低应力值。对于脆性破坏而言,材料的冲击韧性和使用环境温度比应力值的大小要重要。若应力值取的过低,对于结构设计的尺寸和重量都有较大影响,也是极不经济的。因此在保证实际结构刚度和强度(当然包括动刚度和疲劳强度,这里所述实际结构,特指要考虑结构初始缺陷)的前提下,材料的冲击韧性和使用环境温度是选材的主要依据。
      
      2.2板材厚度对选材的影响钢材在不同尺寸时的承载能力也不同。厚度较大的板材其转化温度也较高,之所以这样,是因为成品状态下其金相组织较为不利。厚板的金相组织及屈服强度和冲击功总是随板厚的增加而降低,同时板材厚度越大,其应力集中情况也越严重。
      
      通常标准中给出的是标准试样在一定热处理状态和指定温度条件下的力学性能,不能简单地用于选材和验算。有的材料在标准中给出了不同厚度时《起重运输机械》2004 (8)的力学性能,可按此条件下的力学性能值做分析计算。否则可与供应商索取有关数据,必要时,要补做试验取得相关数据。
      
      FEM标准中给出了板材厚度对脆性断裂影响的估算公式,可参照使用。
      
      一般,板厚小于12 mm的板材无论是沸腾钢还是半镇静钢,其冲击功都不会存在什么问题, 14~24 mm的板材应注意,而大于26 mm的板材其冲击功值较低,选材要特别谨慎,可能的话尽量不用。
      
      2.3环境温度对选材的影响环境温度对钢材承载能力的影响很大。在不同环境温度条件下钢材的冲击(功)韧性值的大小也不同。在指定的环境温度条件下,起重机钢结构所用钢材的冲击功必须大于某数值,否则有可能导致结构的脆性断裂。
      
      中国钢管信息港编辑部获悉:结构的脆性断裂也有可能在中、低应力值作用下发生。而因选材不合理,钢材的转化温度低于环境温度时发生脆性断裂的概率往往较大。
      
      转化温度是试件或结构由通常希望的塑性行为转变为脆性行为的温度。转化温度分为2类,第一类主要取决于裂缝产生前和裂缝开始扩展是塑性形变的量,与缺口处金属的塑性相关第二类主要取决于裂缝的广泛扩展,用来衡量破坏外形的转变。
      
      在弹性范围内的疲劳载荷,如果在循环载荷的作用下没有形成疲劳裂纹,则其对转化温度的影响很小。而当形成疲劳裂纹,由于尖锐裂纹所起的不利应力状态,会提高塑性转化温度。这一点在断裂力学有关论述中可以得到验证。
      
      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。
      
      中国钢管信息港编辑部获悉: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。
      
      当然,破坏外形转化温度和塑性转化温度的获得需要大量的试验工作,我国国内这方面的工作尚未有更多的资料提供。可以从不同类型钢材在不同温度条件下的冲击功值考虑,在相应的环境温度条件下选择钢材种类。
      
      3钢结构设计中应注意的事项通常,设计依据的理论基础是材料在弹性条件下承载,假定为连续应力,在存在应力集中的部位考虑裕度(应力集中系数),同时对材料的屈服应力按一定的安全系数折减控制静强度。在承受循环载荷时,在循环特性条件下其最大应力与最小应力的关系,按照具体构造对应的应力集中系数验算疲劳寿命。再以刚度值作标准控制结构的静、动刚度,以控制结构变形及振动频率和幅度。
      
      钢结构中应力集中处的真实情况往往难以搞清。过去可以利用光弹性试验等手段研究局部结构的应力分布,现在则采用有限元分析软件定量分析应力集中处的应力分布及大小。这样便可通过改变局部的构造设计降低应力集中的程度。
      
      结构设计的合理性对于防止脆性破坏能起到非常显著的效果,好的结构构造设计会使其应力集中情况大为改观,从而在更大的程度上控制疲劳初始裂纹产生的根源。
      
      但是对于结构设计而言,首先要搞清楚其最低工作环境温度,尤其在考虑预防脆性破坏时更应如此。因此北方地区室外用钢结构就存在选材问题,采用低碳沸腾钢和半镇静钢,尤其是厚度大于10~12 mm板材存在较大的脆性破坏可能性。厚度大于10~12 mm的板材应选择镇静钢,厚度大于20~24 mm的板材则应选择细晶粒镇静钢。工作环境温度越低,选材越应严格。
      
      《起重运输机械》2004 (8)另外,在设计上应尽量避免结构尺寸的突变,不同厚度钢板对接的处理就是一个重要问题。设计规范之所以对其做出规定,就是控制联接处的尺寸突变。中、薄板结构的压折翻边要留有足够的弯曲半径。
      
      现代设计的钢结构脆性破坏大多情况与设计环节中焊接问题有关。从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起结构破坏以及脆性破坏的情况较为普遍,因此焊接材料的选择、焊缝形式、焊接工艺参数的确定都是应认真考虑的重要问题。钢材的可焊性、焊条或焊丝的牌号对结构的承载尤其是在疲劳载荷作用下能否预防裂纹的产生起着决定性作用,而施焊电流、焊前预热温度等工艺参数对预防裂纹的产生则起着更重要的影响作用。
      
      一般情况下,采用对接焊缝比采用搭接焊缝好,因为采用搭接焊缝必然存在偏心和应力集中,采用间断焊缝虽对结构变形影响较小,但由于外露的弧坑很多,而弧坑是焊缝中最易产生裂纹的地方,所以要引起重视。另外要避免焊缝交叉,板材拼接必须交叉时,应避免出现十字交叉,改用T型交叉,对杆件在空间交叉时,可通过设置过渡连接件把焊缝分开。对2向和3向拉伸的结构设计尤其要避免焊缝的积聚和交叉。
      
      在指定的材料和使用条件下,合理的结构设计尤其是局部构造设计是经济的预防措施。
      
      4制造环节中应注意的事项脆性破坏是从一处或几处裂纹的产生开始的,因此制造过程中的电弧擦伤、焊接裂纹、冲孔、剪切边缘等都可能会造成裂纹的产生和扩散。而从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起的情况则更为普遍,因此焊接工艺参数的确定和工艺过程的控制及其施工质量的检验和控制是至关重要的。实践证明,焊前预热对结构抗疲劳裂纹的效果非常显著,对于室外的厚板焊接尤其要采用焊前预热工艺。
      
      剪切下料对结构脆性破坏的影响已有试验验证,在试验中,在较低的应力水平下就产生了裂纹和破坏。刨边加工若切削量过大会产生类似于剪切的情况,除非在焊接过程中,剪切边缘得到重新熔化,否则产生裂纹的可能性很大。
      
      有时为了解决板材的波浪变形或调整起重机桥架拱度,采用火焰加热的办法,通常的加热温度都高于370℃,此时如果环境温度较低,会使金属局部区域冷却过快产生不好影响。
      
      残余应力对钢结构脆性破坏的影响很大,有时残余应力会达到屈服极限,因此消除残余应力是非常必要的,而时效对于残余应力的释放起到了一定的作用。尺寸不大的重要构件、板厚较大、含碳量、合金含量较高的构件可以采用退火等热处理工艺措施来消除残余应力,此时热影响区金属的塑性和韧性有所改善,溶解在金属中的氢将有更多的机会逸散,而尺寸庞大的构件采取任何时效处理几乎都是不现实的,所以采用焊前局部加热可以较好的解决残余应力无法消除的问题。通过采用振动的办法消除残余应力有一定的作用,但效果不太显著,也没有具体效果的验证。
      
      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。
      
      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。中国钢管信息港编辑部获悉
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