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    鋼結構螺旋樓梯的設計與施工

    2019-02-10   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港編輯部獲悉:結構設計的剛度和強度嚴重不足時,會造成結構的迅速破壞,這在鋼結構設計中是首先應考慮的。不合理地選用高強度、高性能的鋼材,涉及到采購費用的增加,選用不合適的鋼材則會造成嚴重的事故。通常情況下,應力類型、結構自重載荷所占的比例,加載速度及大小、板材厚度、環境溫度是選擇鋼材抗沖擊級別的主要決定因素。
      
      塑性轉化溫度這種溫度主要與裂紋的產生有關,在此溫度以上,只有當缺口根部產生塑性流動后才會產生脆性裂縫。而在此溫度以下,在不明顯的缺口塑性時,就會產生脆性破壞。
      
      破壞外形轉化溫度這種與裂縫的擴展相聯系,它代表了由纖維狀的剪切破壞向明顯的結晶狀破壞或劈裂破壞的轉變。高于破壞外形轉化溫度時,不會發生劈裂類破壞。破壞外形轉化溫度的真正意義,是指在此溫度以下,鋼結構存在突然破壞的可能性。
      
      通常破壞外形轉化溫度總是高于塑性轉化溫度。在某種試驗條件下,這2種轉化溫度可能發生在同一溫度下,但破壞外形轉化溫度絕不會低于塑性轉化溫度。
      
      當鋼結構使用環境溫度低于破壞外形轉化溫度時,結構存在著較大的突然破壞(脆性斷裂)的可能性,只要鋼結構使用環境溫度高于塑性轉化溫度,結構產生破壞前,必然在初始裂紋處產生局部變形,這些塑性變形是吸收能量的。但鋼結構使用環境溫度低于塑性轉化溫度時,要產生脆性破壞,只要很小的局部變形就足夠了。而此時當脆性破壞一經發生,結構便以極快的速度擴展開來,導致整個鋼結構的完全失效。
      
      2鋼結構材料選用注意事項2.1應力類型及大小對選材的影響鋼結構所受載荷在不同的部位應力狀態是不同的,載荷應力狀態對結構脆性破壞的影響和敏感度是最重要的。對選材而言,簡單的靜載拉、壓應力和2向、3向應力狀態有較大區別。而疲勞載荷應力循環特性如脈動循環、對稱循環等和應力幅的不同,對結構材料的選擇所起的作用更為重要。另外,因焊接等產生的殘余應力、結構自重載荷引起的應力大小、結構構造設計及應力集中情況等對結構材料選擇的影響也有很大作用。通常,結構受力復雜,應力集中情況嚴重,則材料選擇一般要考慮選擇抗疲勞、對應力集中不太敏感的材料。
      
      對于給定的材料,當它處在低于破壞轉化溫度時,可以找到1個應力值,在此應力值下,脆性破壞不會進行擴展。盡管應力值增大,脆性破壞的可能性也增大,但是幾乎不存在1個不會導致發生脆性破壞擴展的最低應力值。對于脆性破壞而言,材料的沖擊韌性和使用環境溫度比應力值的大小要重要。若應力值取的過低,對于結構設計的尺寸和重量都有較大影響,也是極不經濟的。因此在保證實際結構剛度和強度(當然包括動剛度和疲勞強度,這里所述實際結構,特指要考慮結構初始缺陷)的前提下,材料的沖擊韌性和使用環境溫度是選材的主要依據。
      
      2.2板材厚度對選材的影響鋼材在不同尺寸時的承載能力也不同。厚度較大的板材其轉化溫度也較高,之所以這樣,是因為成品狀態下其金相組織較為不利。厚板的金相組織及屈服強度和沖擊功總是隨板厚的增加而降低,同時板材厚度越大,其應力集中情況也越嚴重。
      
      通常標準中給出的是標準試樣在一定熱處理狀態和指定溫度條件下的力學性能,不能簡單地用于選材和驗算。有的材料在標準中給出了不同厚度時《起重運輸機械》2004 (8)的力學性能,可按此條件下的力學性能值做分析計算。否則可與供應商索取有關數據,必要時,要補做試驗取得相關數據。
      
      FEM標準中給出了板材厚度對脆性斷裂影響的估算公式,可參照使用。
      
      一般,板厚小于12 mm的板材無論是沸騰鋼還是半鎮靜鋼,其沖擊功都不會存在什么問題, 14~24 mm的板材應注意,而大于26 mm的板材其沖擊功值較低,選材要特別謹慎,可能的話盡量不用。
      
      2.3環境溫度對選材的影響環境溫度對鋼材承載能力的影響很大。在不同環境溫度條件下鋼材的沖擊(功)韌性值的大小也不同。在指定的環境溫度條件下,起重機鋼結構所用鋼材的沖擊功必須大于某數值,否則有可能導致結構的脆性斷裂。
      
      中國鋼管信息港編輯部獲悉:結構的脆性斷裂也有可能在中、低應力值作用下發生。而因選材不合理,鋼材的轉化溫度低于環境溫度時發生脆性斷裂的概率往往較大。
      
      轉化溫度是試件或結構由通常希望的塑性行為轉變為脆性行為的溫度。轉化溫度分為2類,第一類主要取決于裂縫產生前和裂縫開始擴展是塑性形變的量,與缺口處金屬的塑性相關第二類主要取決于裂縫的廣泛擴展,用來衡量破壞外形的轉變。
      
      在彈性范圍內的疲勞載荷,如果在循環載荷的作用下沒有形成疲勞裂紋,則其對轉化溫度的影響很小。而當形成疲勞裂紋,由于尖銳裂紋所起的不利應力狀態,會提高塑性轉化溫度。這一點在斷裂力學有關論述中可以得到驗證。
      
      近年來我國在鋼結構方面的設計和施工已日趨成熟,各種型式和結構體系的鋼結構都有了許多工程實例。
      
      人們在利用鋼材創造新的結構型式的同時,也在設計和施工領域中遇到了很多問題,設計和施工規范落后于實踐的現象常常出現。
      
      在這種情況下,設計過程制作過程和施工過程常常交叉融合在一起,這就需要工程設計制作加工和施工人員緊密合作,對結構進行周密細致的分析,針對具體的工程情況得到安全合理技術可行的設計和施工方案。
      
      設計方案的確定工程概況某五星級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構,部分區域為預應力混凝土結構。
      
      整個建筑正立面面向大海,主人口大堂兩側有兩座對稱布置的室外螺旋樓梯。
      
      雖然僅為兩座樓梯,但由于位于整個建筑主立面的根據業主的要求,該螺旋樓梯先后進行了三次方案修改,具體如下最初方案采用鋼筋混凝土結構,外徑樓梯寬度從地下室頂面(標高一旋轉后上升至二層樓面(標高十由于該方案采用鋼筋混凝土結構,為保證結構的強度和穩定性,整個樓梯設置了一定數量的混凝土墻體作為豎向傳力構件,業主認為這些墻體會在一定程度上阻礙客人眺望大海的視野,從而影響整個建筑的通透性,故該方案未被采納。
      
      第二方案采用鋼結構,將外徑改為樓梯寬度改為旋轉后上升至標高并通過一段長的水平直線段連接于二層樓面,在標高十和巧處分別設置圓心角為的扇形休息平臺,樓梯立面如圖所示。
      
      中國鋼管信息港編輯部獲悉:為滿足業主的要求,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作為支點。
      
      樓梯主體采用螺旋形梁式結構,梁體為壁的兩室箱形截面,截面尺寸從如圖所示。
      
      但業主認為樓梯的截面高度過大,同樣存在通透性的問題,同時整個結構不夠輕盈,起不到畫龍點睛的作用,需進一步進行修改和優化。
      
      最終方案仍采用鋼結構,在第二方案的基礎上將梁截面高度減小到功同時根據業主的要求將截面寬度增加為最終變為的四室箱形截面。
      
      當然,破壞外形轉化溫度和塑性轉化溫度的獲得需要大量的試驗工作,我國國內這方面的工作尚未有更多的資料提供。可以從不同類型鋼材在不同溫度條件下的沖擊功值考慮,在相應的環境溫度條件下選擇鋼材種類。
      
      3鋼結構設計中應注意的事項通常,設計依據的理論基礎是材料在彈性條件下承載,假定為連續應力,在存在應力集中的部位考慮裕度(應力集中系數),同時對材料的屈服應力按一定的安全系數折減控制靜強度。在承受循環載荷時,在循環特性條件下其最大應力與最小應力的關系,按照具體構造對應的應力集中系數驗算疲勞壽命。再以剛度值作標準控制結構的靜、動剛度,以控制結構變形及振動頻率和幅度。
      
      鋼結構中應力集中處的真實情況往往難以搞清。過去可以利用光彈性試驗等手段研究局部結構的應力分布,現在則采用有限元分析軟件定量分析應力集中處的應力分布及大小。這樣便可通過改變局部的構造設計降低應力集中的程度。
      
      結構設計的合理性對于防止脆性破壞能起到非常顯著的效果,好的結構構造設計會使其應力集中情況大為改觀,從而在更大的程度上控制疲勞初始裂紋產生的根源。
      
      但是對于結構設計而言,首先要搞清楚其最低工作環境溫度,尤其在考慮預防脆性破壞時更應如此。因此北方地區室外用鋼結構就存在選材問題,采用低碳沸騰鋼和半鎮靜鋼,尤其是厚度大于10~12 mm板材存在較大的脆性破壞可能性。厚度大于10~12 mm的板材應選擇鎮靜鋼,厚度大于20~24 mm的板材則應選擇細晶粒鎮靜鋼。工作環境溫度越低,選材越應嚴格。
      
      《起重運輸機械》2004 (8)另外,在設計上應盡量避免結構尺寸的突變,不同厚度鋼板對接的處理就是一個重要問題。設計規范之所以對其做出規定,就是控制聯接處的尺寸突變。中、薄板結構的壓折翻邊要留有足夠的彎曲半徑。
      
      現代設計的鋼結構脆性破壞大多情況與設計環節中焊接問題有關。從焊縫附近的熱影響區疲勞初始裂紋開始擴展引起結構破壞以及脆性破壞的情況較為普遍,因此焊接材料的選擇、焊縫形式、焊接工藝參數的確定都是應認真考慮的重要問題。鋼材的可焊性、焊條或焊絲的牌號對結構的承載尤其是在疲勞載荷作用下能否預防裂紋的產生起著決定性作用,而施焊電流、焊前預熱溫度等工藝參數對預防裂紋的產生則起著更重要的影響作用。
      
      一般情況下,采用對接焊縫比采用搭接焊縫好,因為采用搭接焊縫必然存在偏心和應力集中,采用間斷焊縫雖對結構變形影響較小,但由于外露的弧坑很多,而弧坑是焊縫中最易產生裂紋的地方,所以要引起重視。另外要避免焊縫交叉,板材拼接必須交叉時,應避免出現十字交叉,改用T型交叉,對桿件在空間交叉時,可通過設置過渡連接件把焊縫分開。對2向和3向拉伸的結構設計尤其要避免焊縫的積聚和交叉。
      
      在指定的材料和使用條件下,合理的結構設計尤其是局部構造設計是經濟的預防措施。
      
      4制造環節中應注意的事項脆性破壞是從一處或幾處裂紋的產生開始的,因此制造過程中的電弧擦傷、焊接裂紋、沖孔、剪切邊緣等都可能會造成裂紋的產生和擴散。而從焊縫附近的熱影響區疲勞初始裂紋開始擴展引起的情況則更為普遍,因此焊接工藝參數的確定和工藝過程的控制及其施工質量的檢驗和控制是至關重要的。實踐證明,焊前預熱對結構抗疲勞裂紋的效果非常顯著,對于室外的厚板焊接尤其要采用焊前預熱工藝。
      
      剪切下料對結構脆性破壞的影響已有試驗驗證,在試驗中,在較低的應力水平下就產生了裂紋和破壞。刨邊加工若切削量過大會產生類似于剪切的情況,除非在焊接過程中,剪切邊緣得到重新熔化,否則產生裂紋的可能性很大。
      
      有時為了解決板材的波浪變形或調整起重機橋架拱度,采用火焰加熱的辦法,通常的加熱溫度都高于370℃,此時如果環境溫度較低,會使金屬局部區域冷卻過快產生不好影響。
      
      殘余應力對鋼結構脆性破壞的影響很大,有時殘余應力會達到屈服極限,因此消除殘余應力是非常必要的,而時效對于殘余應力的釋放起到了一定的作用。尺寸不大的重要構件、板厚較大、含碳量、合金含量較高的構件可以采用退火等熱處理工藝措施來消除殘余應力,此時熱影響區金屬的塑性和韌性有所改善,溶解在金屬中的氫將有更多的機會逸散,而尺寸龐大的構件采取任何時效處理幾乎都是不現實的,所以采用焊前局部加熱可以較好的解決殘余應力無法消除的問題。通過采用振動的辦法消除殘余應力有一定的作用,但效果不太顯著,也沒有具體效果的驗證。
      
      結構形狀節點約束條件以及邊界條件的選擇等都對結構分析的準確性有很大的影響。
      
      同時,目前并沒有相關規范對于此類鋼結構的變形長細比和構造問題等作出詳細規定,設計和計算的難度很大。
      
      針對這些間題,最終選擇了0結構分析程序進行計算。
      
      考慮到與樓梯連接的混凝土結構剛度的影響,對已建混凝土結構進行驗算,模型中加人了部分混凝土結構,包括下端新建的混凝土梁和上端二層的部分樓面。
      
      1)計算模型整個螺旋樓梯采用多段直桿單元進行模擬,各桿單元之間采用剛性連接。
      
      為了控制整個樓梯的豎向變形,上下端與混凝土結構連接處按剛接考慮,并在節點的設計中實現。
      
      下端新建的混凝土梁兩端根據實際情況視為鉸接,上端的二層部分混凝土樓面根據柱的位置設置支座,并偏安全地按鉸接計算。
      
      計算模型見圖)內力計算結果表明,箱形鋼梁內部的應力較小,梁身強度完全足夠,但由于支座處的內力較大,因此與箱形鋼梁相連的棍凝土結構以及連接節點應進行詳細的設計和驗算。
      
      工程施工期作用,因此近似計算時可取出其中一段,將其幾何長度乘以后作為計算長度,由此得到的對弱軸方向的長細比約為參考鋼結構設計規范》一第條和第條對于容許長細比的規定是滿足的。
      
      截面尺寸的細化圖計算模型位移經計算,箱形鋼梁的最大豎向位移為6.
      
      參考《鋼結構設計規范》一中表第項的規定,樓梯梁的撓度允許值[.
      
      甩而實際樓梯的長度為按此計算的最大豎向位移僅為同時參考該規范第條的規定,該位移量并不影響結構的正常使用和觀感。)長細比整個樓梯的軸力分布為標高一段和一段受壓,其余各段受拉,各段的長度約為從整個結構的形狀來看,相鄰的各段之間起到了部分的相互支撐巡叫設計時考慮與箱形鋼梁上下表面垂直的截面高度為但放樣時發現該截面并不是一個平面。
      
      事實上,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應上升同一高度并處于同一標高,但不同在半徑處該角度所對應的弧長是不同的半徑越大,弧長就越長。
      
      由此可見,不同半徑處,梁體的坡度也是不同的半徑大處坡度小。
      
      與梁體各點都垂直的截面必定為一扭曲面。
      
      這樣的截面形狀對于制作加工來說是不可能的。
      
      為了解決這一間題,在制作加工時改為以垂直于水平面的截面為依據。
      
      根據梁體的設計尺寸,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)每的展開尺寸,如圖所示。
      
      通過和制作方的討論,確定了如下的制作方案先將鋼板卷在圓柱模具上進行端腹板的放樣和下料,然后根據設計尺寸搭設鋼模架并進行底板的放樣和下料,最后蓋上頂板。
      
      按此工藝過程,相應的各部分焊縫為兩端腹板和頂底板的連接采用坡口焊,坡口分別留設在頂板和底板上內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,保證了焊接的質量。
      
      作,并在工地現場拼裝焊接。
      
      根據樓梯自身的形狀,將工地拼裝縫留設在螺旋段與平臺段的連接處。
      
      然而,接頭的形式直接影響拼裝焊接可能性和整個結構的受力性能若將各制作段的面板腹板和底板接頭均留設在同一位置,勢必造成該處工地焊縫密集,從而使該處材質硬化并產生過大的焊接應力,另外也使箱體內部三塊腹板的對接焊無法實現。
      
      為解決這一問題,設計方制作方和施工方進行了詳細的討論研究和周密的分析計算,同時根據相應規范的要求,最終決定將各段在接頭處的腹板制作成長短交錯狀,相鄰腹板錯平臺段面板在現場焊接又保證了整個結構的受力性能,同時也滿足了相應規范的要求。
      
      螺旋段與平臺段的現場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段的連接彈性豎向位移的預留螺旋梯安裝后在自重和活載的作用下必然出現豎向位移,該豎向位移會因施工工況的不同而有所變化(如安裝順序和支撐的設置情況等),且該豎向位移并非均勻。中國鋼管信息港編輯部獲悉
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