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参数化,让螺旋楼梯设计如此简单, Dlubal德儒巴软件应用

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螺旋楼梯,造型优美且节省空间,备受欢迎。


由于其螺旋上升的形态,其建模较为复杂,且内外半径设计中可能会变,如果没有高效的建立和修改模型的方法,设计效率会显著降低。

参数化,让螺旋楼梯设计如此简单, Dlubal德儒巴软件应用

此外,主受力构件承受轴力、弯矩、剪力和扭矩,现有规范公式不能考虑扭矩的影响,因此强度不好验算。此外,舒适度和刚度的计算也很重要。


那么,如何高效地进行螺旋楼梯的建模与计算呢?




 参数化,让设计如此高效 



1.梁元模型,一键建模


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Dlubal RFEM软件自带螺旋楼梯建模助手,可一键生成!


2.壳元模型,一键导入Rhino


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如果需要按照壳元模型分析详细应力,可Rhino中建立曲面模型,RFEM官方插件一键导入!



3.参数化修改模型


如果设计的差不多了,甲方突然提出修改内外半径,不要慌,我们可以一键修改!


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你要做的就是,按照柱面坐标系,给内外两圈节点,分配两个半径参数R1,R2即可。改模型的时候,只需表格里修改R1和R2即可,模型自动更新。


4.参数化修改荷载


踏步内侧窄,外侧宽,梁元模拟时,均布面压力要换算为梯形线荷载。可以将这个计算过程,记录在“编辑参数”表格。用半径、踏步角度算出内外踏步宽度,然后宽度乘以压力就是线荷载。


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半径或者压力荷载修改时,该线荷载自动更新。此思路,可用到其他任何结构,任何规范的荷载,只要有公式,均可参数化。



 螺旋楼梯受力特点(梁元 ) 


基本参数

内径0.7m,外径2.2m,高度8m,旋转角720度

恒载1.25kpa,活载3kpa

截面规格

主梁-B200x400x16x16,Q235

踏步-L160x(201~528)x6,Q235


以下结果除变形图标准组合外,其他均为1.3恒+1.5活


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两端的轴力、剪力较中间大,内侧梁主受力。



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扭矩分布较均匀,强轴弯矩两端大,内侧梁主受力,外侧梁可优化为较小截面。



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踏步内侧负弯矩,外部由于外环梁刚接以及较内侧竖向变形大,受正弯矩。



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变形12mm,(挠度1/732,内半径0.7m,720度),频率高于步行频率,可避开共振。



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主梁支座附近Von-Mises应力较大


结果来看,内侧主梁主受力

内侧梁短,符合力沿最短路径传递规律

除了承受轴力、剪力、弯矩外,还承受较大扭矩


规范公式无法直接验算,故从有效应力角度衡量

支座附近应力较大,设计需要加强




 螺旋楼梯受力特点(壳元 ) 


梁元模型,用线建模

速度快,用来方案推敲,截面初选足够

但是想要了解更详细的应力分布

支座处反力分布

用壳元才能得到详细结果



总反力对比

                梁元模型                        壳元模型

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合计Fz=248Kn

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合计Fz=240Kn


两个模型总反力基本一致。梁元可能由于踏步/主梁相交处,自重重叠,会比壳元略大。梁元结果来看,内梁主要受力。



支座端板法向反力分布

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内梁底部

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内梁顶部


最大拉应力均出现在内侧腹板与上翼缘交界处。节点设计时需注意。



变形对比

              梁元模型                        壳元模型

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12.1mm

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12.9mm


壳元模型,变形比梁元大6.6%



一阶频率对比

              梁元模型                        壳元模型

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7.388Hz

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6.939Hz


梁元模型,频率比壳元大6.5%



内梁底部上翼缘应力

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平滑前(160Mpa)

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平滑后(107Mpa)


壳元分析,边界点处的应力集中,可通过“平滑区功能”很好解决。



内力/应力平滑功能

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平滑前

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平滑后(平滑半径30mm)


平滑区域可以是矩形、圆形、椭圆之一,范围可调。


内力平滑,可以使得支座附近设计内力更合理;应力平滑,可以消除应力集中。



 总结 


  1. 螺旋楼梯建模助手:建模一键化

  2. 参数功能:模型尺寸、荷载大小,修改一键化

  3. Rhino接口:曲面模型,一键导入

  4. 梁元VS壳元:结构方案设计,梁元精度足够,

    但是壳元可以获得更为详细的应力和反力分布

  5. 壳元模拟时,平滑区的功能让设计取值更合理

  6. 梁元中,踏步主梁刚接,而壳元中,踏步仅与主梁腹板连接,内部没有横向加劲板且腹板高度较大的情况下,达不到梁元模型中的刚接程度,故刚度指标有6%左右差异

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Dlubal德儒巴软件

微信号|Dlubal

网址|www.dlubal.com/zh

Bilibili|德国Dlubal软件公司


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作者: ganggouren

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