钢楼梯之家 楼梯设计 参数化,让螺旋楼梯设计如此简单, Dlubal德儒巴软件应用

参数化,让螺旋楼梯设计如此简单, Dlubal德儒巴软件应用

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。

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

 

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

 

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!

 

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。

 

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

 

两端的轴力、剪力较中间大,内侧梁主受力。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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

合计Fz=248Kn

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

内梁底部

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

12.1mm

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

7.388Hz

6.939Hz

 

梁元模型,频率比壳元大6.5%

内梁底部上翼缘应力

平滑前(160Mpa)

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

平滑前

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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作者: ganglouti

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