旋轉樓梯與普通樓梯不同，最大的特點是其螺旋式上升的體型，具有很強的動態美感。因其造型美觀，占地少等優點，在公共建筑中得到越來越多的使用。旋轉樓梯的建造一般采用混凝土材料的較多，但由于其造型獨特，不便于施工，而且混凝土結構往往自重較大。因此近年來較大弧度、較大跨度的旋轉樓梯則越來越多的采用鋼結構的形式。
普通平直樓梯無論在結構計算、設計和構造方法上都較為成熟。但是旋轉樓梯，特別是對于不符合國標圖集15J401《鋼梯》適用條件的旋轉樓梯，其構件截面尺寸、節點及反力等均不能直接從圖集中查到，使用常規設計軟件來建模分析就顯得力不從心。因此對于這類旋轉樓梯，必須借助有限元軟件進行計算分析。本文就是采用大型有限元分析軟件ANSYS，通過APDL語言編寫鋼結構螺旋樓梯計算程序，通過輸入幾何參數得到其變形和受力情況。
工程概況
云南某30層的大廈大堂內部需增加一座旋轉樓梯，其建筑構想是使其輕巧、美觀。此樓梯初步設計成橢圓形，最大跨度大約為10m，總高度為15m，呈720°旋轉。由于通過的人流量大，樓梯踏面寬度取2m，美觀需求，在外觀上設計為類橢圓形，及在樓梯中間不設立支柱，這使樓梯的設計增加了難度。
樓梯結構布置及模型建立
旋樓梯的梁處于復雜的受力狀態，因此旋樓梯與原混凝土結構連接的挑梁和旋轉樓梯的主梁全部采用矩形截面梁，矩形截面梁的優點是材料分布比較合理，其次結構受力合理，尤其抗扭剛度較大，并增強其平面穩定承載力，而且加工方便，外形美觀。
在組成箱形截面的鋼板選擇上，厚度要適中。鋼板太厚，結構自重太大，浪費鋼材；鋼板太薄，雖然節省材料，但結構整體撓度增大，鋼結構局部容易失穩，且鋼樓梯上支座處的焊縫強度不夠，影響結構的安全。由于美觀的原因，鋼樓梯梁的截面不能過大，為了保證結構的安全和使用過程中的舒適度，鋼梁的支座處全部采用剛接。鋼梁和混凝土結構之間的錨栓連接也為剛接。
在材料上，選用Q235鋼。樓梯兩個主梁截面尺寸取600mm×180mm×18mm，支撐樓梯的挑梁截面尺寸取750mm×250mm×22mm，踏步與休息平臺使用厚10mm的鋼板與主梁剛性連接組成空間結構。在樓梯鋼梁下部增加厚度為6mm的封板，既能增加樓梯的整體剛度及穩定性，又滿足了美觀的要求。
文中采用有限元分析軟件ANSYS對樓梯建模。樓梯由主梁、挑梁、踏步及封板組成，在有限元模型中梁采用BEAM188單元，板采用SHELL181單元。有限元模型見圖2和圖3所示。
結果分析
計算載荷考慮靜荷載與活荷載的共同作用1.2×w+1.4xqa。式中，w為恒載；qa為活荷載。該旋轉樓梯踏板面荷載考慮20mm厚的大理石面層、20mm厚的水泥沙漿臥底荷載等恒載取值為2.0kN/m2，同時考慮鋼樓梯結構自重。根據《建筑結構荷載規范》樓梯活載取為2.5kN/m2。
1、應力分析
強度應力主要計算第一主應力見圖4和Mises應力見圖5，從圖中可以看出，第一主應力的最大值為75MP。Mises應力最大值為85.289MPa，均小于材料屈服強度。兩個應力的最大值均發生在挑梁與混凝土結構的接觸部位，而在主梁和踏步上分布較均勻，鋼板焊接區域未見較大應力，且應力大小均小于材料屈服強度，可見，該鋼旋轉樓梯滿足承載力設計要求。
2、變形分析
變形量是結構安全的重要標準，當結構變形較大時，穩定性較差，容易破壞，且不滿足舒適性要求。可以看出旋轉樓梯最大位移發生在遠離約束的一側，且最大位移為12.902mm，滿足《鋼結構設計規范》結構構件變形允許值要求。
結語
文中針對某大型鋼結構旋轉樓梯建設工程，運用有限元分析軟件對其進行了整體建模。在靜荷載作用下對樓梯的整體強度和變形進行計算分析，由此對結構設計進行了指導。結果表明，在靜力荷載作用下樓梯各結構最大應力及結構最大位移均滿足設計規范要求。該實例分析可為類似工程提供技術手段和參考。
