陈世云 潘志鹏
1.陕西建工第五建设集团有限公司 710000 2.HMD陕西汉米敦建筑设计有限公司 710000
一、工程概况
悬吊坡道的建筑构想通透性好、与周围环境协调一致。该坡道环绕中心螺旋而上，是地下两层的竖向连接通道。坡道水平投影为椭圆环，坡道中心线为椭圆，坡道宽3.0m，外圈总长约164m，内圈总长约144m，中心线长度约154m。坡道中间设平台。旋转坡道采用钢结构，截面采用箱型截面，上下两端支承在钢筋混凝土结构上、外圈与混凝土环梁之间每隔一定间距设置钢拉杆，平台坡道外侧与混凝土环梁之间设置三个可承受压力、沿坡道向可动的支座，当拉杆受压时亦改为可承受压力、沿坡道向可动的支座。坡道从底板绕中心顺时针螺旋式上升至休息平台，然后再上升至上一层楼板，整个坡道由休息平台分为上半圈和下半圈，两坡道高度分别为5.5m、4.1m，中心线长度分别约为81m和61m。整个坡道不设柱，除坡道上下两端支座外，坡道大部分重量由坡道外侧的拉杆传至混凝土环梁。
二、设计依据
2.1 设计依据的规范、规程：
《钢结构设计规范》 （GB 50017-2003）
《建筑结构荷载规范》 （GB 50009-2012）
《城市人行天桥与人行地道技术规范》 （CJJ 69-1995）
《建筑抗震设计规范》 （GB 50011-2010）
2.2设计原则与标准
（1）变形控制标准
旋转坡道挠度值：由永久和可变荷载标准组合引起的竖向挠度应≤L/400；根据专家意见，在人群荷载作用下旋转坡道内外侧的相对挠度应不大于坡道宽度的1/150。
（2）自振频率控制标准
旋转坡道的第一阶竖向自振频率应>3Hz。
（3）设计计算与应力分析
通过建立有限元整体模型对结构进行非线性内力分析。内力分析时应计入结构及装饰层自重、人群、温度及地震力等荷载的作用。由于旋转坡道结构较为复杂，需对坡道结构的特征点选取不同工况进行复杂应力状态下的强度验算。
（4）抗震标准
本工程的各单元均为乙类建筑，抗震设防烈度七度，场地土类别为Ⅳ类，场地土特征周期为0.9s，设计基本地震加速度0.1g，属设计地震第一组，水平地震影响系数最大值为αmax=0.08。
（5）稳定性验算
鉴于旋转坡道结构型式复杂，局部稳定性验算除按照《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中的有关规定进行验算并采取相应构造措施外，对应力条件复杂部位根据以往的设计、施工经验设置相应的构造措施。
三、计算假定、计算模型和计算参数
根据该大跨度悬吊坡道的建筑要求，提出箱型坡道结构设计方案。由厚度为16mm的钢板围接而成，中间设有12mm的纵向隔板和横向隔板。螺旋坡道主截面为倒梯形，如下图所示。值得注意的是，限于建筑要求，坡道采用单侧拉杆悬吊，导致结构体系扭转效应较大。因此整个截面设计为斜梯形，使得坡道横断面上的重心向外侧偏置。坡道两端分别置于-6.3m楼层和3.6m楼层的支点作为坡道支座，中间平台处设置撑杆支座。
螺旋坡道主截面(中心线尺寸)
3.1、计算基本假定
（1）坐标系：整体坐标系：选取竖直向上为z轴正向，x轴为坡道平面椭圆长轴方向，y轴为坡道平面椭圆短轴方向；局部坐标系：选取X轴为坡道纵向延伸（椭圆切线）方向，Y轴为坡道宽度法线方向，坡道上方向为Z轴正向。
（2）荷载方向：作用于坡道板的恒、活荷载方向为竖直向下。
（3）活载分布：取四种人群活荷载不利分布情况来分别计算，即活载全分布于坡道内半宽（靠近椭圆中心侧）与活载全分布于坡道外半宽（拉杆侧）以及坡道的下半段活载全分布和平台及坡道的上半段活载全分布。
3.2、边界约束
坡道起始端支座的平动与转动六个自由度约束；中间平台支座为铰支座；坡道终端为铰支座；钢拉杆拉在楼板环梁上的端部视为固定铰支座(三向位移约束)；拉杆为轴力构件，不承受弯矩。坡道上端混凝土悬挑梁的刚度为：kz1为360kN/mm(坡道外侧)，kz2为36kN/mm(坡道内侧)。
3.3 计算模型单元选用及参数
下表为最大横向挠度计算结果及对应的工况，最大横向挠度的产生位置均在平台附近。坡道的横向挠度满足前述的变形控制标准。
五、分析结论
旋转坡道建筑造型新颖独特，但结构设计复杂。通过详细的计算和分析，本结构能满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的规范要求，结论如下：
1、标准组合下钢楼梯的最大x向位移-26.17mm、最大y向位移-16.77mm、最大z向位移-20.4mm，内外侧位移相对值-20.09mm，满足专家设定的位移要求。
2、计算中拉杆的最大拉力值是拉杆11为386.8kN(工况：1.2G+1.4Qb-T),最大压力值是拉杆11为-178.2kN(工况：1.2G+1.4Qt+T)。钢楼梯在吊杆支座处存在应力集中最大主应力为245MPa(ABAQUS)，这可以通过设置加劲肋来解决。
3、根据旋梯整体稳定性分析，12mm厚1m高纵向隔板会发生屈曲，设计时在隔板中部增加构造加劲肋。吊杆支座处横向隔板之间同样加短加劲肋。
4、通过ABAQUS程序建模、分析过程中考虑了结构的几何非线性。本工程设计计算符合相关规范和专家指定的要求，结构是安全的。
5、经过分析发现结构存在如下特点：1.结构的一阶频率小于2HZ，相应振型以结构局部平动为主；结构以竖向振动为主的最小频率大于3HZ。2.若吊杆与坡道面垂直，此种情况下吊杆对顺坡道向的位移没有约束，因此结构的一阶频率(整体平动)较低，吊杆与坡道延伸向夹角对结构的平动频率影响很大，夹角越小结构的一阶平动频率越低，因此吊杆尽量不要垂直桥面布置；3.由于吊杆约束坡道横向的位移，因此较短的吊杆(同时也是与坡道面夹角较小的吊杆)对温度变化的影响特别敏感，因此施工过程中要严格控制施工精度。
参考文献：
[1].GB 50011-2010，《建筑抗震设计规范》
[2].GB 50017-2003，《钢结构设计规范》
[3].《建筑结构荷载规范》 （GB 50009-2012）
[4].《城市人行天桥与人行地道技术规范》 （CJJ 69-1995）
[5].ABAQUS User Manual
论文作者:陈世云,潘志鹏
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/18
标签：坡道论文; 支座论文; 吊杆论文; 结构论文; 拉杆论文; 荷载论文; 挠度论文; 《防护工程》2018年第13期论文;