CN113175168B - 一种超轻量化韧性楼梯 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超轻量化韧性楼梯，包括折板和分别设于所述折板两端的两块肋板，所述折板整体为阶梯状，所述折板和两块所述肋板一体浇筑成型，所述折板包括折板正面和折板背面，所述肋板的上部为与所述折板正面平齐的阶梯状，所述肋板的下表面为伸出所述折板背面的斜面。本发明提供的楼梯结构肋板不直接承受荷载，而是与折板共同承受荷载且变形一致，所述的超轻量化韧性楼梯采用高性能混凝土浇筑，大幅提高了结构的韧性。该发明旨在解决现有技术中的梁式和板式楼梯结构自重大，吊装困难，且无法满足大跨度结构挠度规范要求且影响人行舒适性的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于装配式建筑技术领域，尤其涉及一种超轻量化韧性楼梯。
背景技术
楼梯为建筑中的常用构件。传统的预制装配式楼梯多为普通混凝土板式楼梯，结构自重大，导致施工现场所需塔吊的吨位较大。采用该结构成本较高，材料耗费、模具人工成本、运输成本、现场吊装大吨位塔吊租赁成本都较高。
现有技术中，中国专利CN107386548A提供了一种预制装配式轻型梁式楼梯，采取折板式预制梁式楼梯，其中用料上采用高强混凝土和镀锌焊接钢丝网进行设计，折板的受力单元采用“Z”型，其中踏面板作为其上下翼缘，踢面板作为其腹板，对其传力机制进行分析，其传力机制为荷载→踏步板→边梁→平台板→主体结构→地基。该预制装配式轻型梁式楼梯按照梁式楼梯设计，楼梯板的荷载全部传到梁上，当跨度较大时，为保证梁的受力强度，梁高会很高，影响结构的功能需求；结构刚度较小，无法满足大跨度结构挠度规范要求，影响人行舒适性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，本发明提出了一种超轻量化韧性楼梯，该超轻量化韧性楼梯旨在解决现有技术中的梁式和板式楼梯结构自重大，吊装困难，且无法满足大跨度结构挠度规范要求且影响人行舒适性的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出了一种超轻量化韧性楼梯，包括折板和分别设于所述折板两端的两块肋板，所述折板整体为阶梯状，所述折板和两块所述肋板一体浇筑成型，所述折板包括折板正面和折板背面，所述肋板的上部为与所述折板正面平齐的阶梯状，所述肋板的下表面为伸出所述折板背面的斜面，所述超轻量化韧性楼梯还包括沿所述超轻量化韧性楼梯的跨度方向设置的纵向筋和沿所述踏板的宽度方向设置的横向筋，所述纵向筋整体为与所述折板形状配合的阶梯状，所述纵向筋的数量为多根，所述纵向筋设于所述折板和/或所述肋板内，所述横向筋的两端分别伸入两块所述肋板内，所述纵向筋和所述横向筋共同形成钢筋笼骨架。
优选的，所述折板包括多个依次组合拼接的踏步楼梯单元，所述踏步楼梯单元整体为直角板状，所述踏步楼梯单元包括踏板和与所述踏板垂直的梯段。
优选的，每块所述肋板内均设有一根斜向底筋，所述斜向底筋设于所述肋板靠近所述折板背面的一侧，所述斜向底筋的直径大于所述纵向筋的直径。
优选的，所述踏板表面设置凸起或凹陷的防滑部。
优选的，所述踏板的厚度为30-70mm，所述梯段的厚度为30-100mm，所述肋板的宽度为30-80mm。
优选的，相邻所述纵向筋之间的间距为150-200mm，所述纵向筋的直径为4-8mm。
优选的，在所述折板中，位于所述超轻量化韧性楼梯的最顶部的梯段设为上梯段，位于所述超轻量化韧性楼梯的最底部的梯段设为下梯段，所述上梯段的厚度值比单块所述踏板厚度值至少大30mm，所述下梯段的厚度值比单块所述踏板厚度值至少大30mm。
优选的，在所述折板中，位于所述超轻量化韧性楼梯的最顶部的踏板设为顶踏，位于所述超轻量化韧性楼梯的最底部的踏板设为底踏，所述顶踏和所述底踏上均设有预留螺栓孔。
优选的，所述折板和两块所述肋板由高性能混凝土一体浇筑成型。
优选的，所述高性能混凝土为超高性能混凝土或高韧性混凝土或纤维混凝土或高强混凝土，所述高性能混凝土中掺入纤维，所述纤维掺量的体积百分比为0.5-2％。
(三)有益效果
本发明与现有技术对比，本发明超轻量化韧性楼梯的有益效果主要包括：
与现有技术相比，本发明一种超轻量化韧性楼梯，与梁式楼梯传力不同，本发明提供的楼梯结构踢段作为腹板不考虑剪应力对挠度的影响，“Z”型折板受力形式可等效成板壳结构，折板与肋板共同承受荷载且形变协调一致，肋板提高了楼梯的整体刚度，降低了挠度，满足大跨度的设计要求，楼梯采用新结构形式和高性能混凝土，大幅降低了楼梯板的厚度从而减轻了结构自重。
本发明提供的楼梯结构肋板不直接承受荷载，而是与折板共同承受荷载且变形一致，所述的超轻量化韧性楼梯采用高性能混凝土浇筑，大幅提高了结构的韧性。
本发明一种超轻量化韧性楼梯，采用新结构形式和高性能混凝土，可满足大跨度剪刀梯的承载力和挠度要求，自重仅为同层高普通板式楼梯自重的30％-40％，具有自重小，现场吊装塔吊吨位小，楼梯强度和刚度较大，抗震性能好，结构受力传力明确合理，结构通用性强，模具可重复利用，生产制作成本低，现场吊装施工方便快速且楼梯外形简洁轻巧美观。本发明自重轻，材料省，传力机制良好满足大跨度要求，具有广阔的工程应用前景。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施方式1的超轻量化韧性楼梯的整体结构示意图一(正面)；
图2为本发明实施方式1的超轻量化韧性楼梯的整体结构示意图二(背面)；
图3为本发明实施方式1的超轻量化韧性楼梯中的钢筋笼结构示意图；
图4为本发明实施方式1的超轻量化韧性楼梯的均布荷载加载示意图；
图5为本发明实施方式1的超轻量化韧性楼梯在荷载传导后的结构变形示意图；
图6为本发明实施方式2的超轻量化韧性楼梯的整体结构示意图；
图7为利用本发明实施方式2的超轻量化韧性楼梯安装成单跑分段式楼梯结构的示意图；
图8为本发明实施方式3的超轻量化韧性楼梯的整体结构示意图；
图9为利用本发明实施方式3的超轻量化韧性楼梯安装成剪刀梯的示意图。
附图标记说明：
1.折板，2.肋板，3.纵向筋，4.横向筋，5.斜向底筋，6.防滑部，7.螺栓孔，8.中间梯梁，9.连接螺栓，010.休息平台梁，011.休息平台板，012.剪力墙，01.折板正面，02.折板反面，11.踏板，12.梯段，111.顶踏，112.底踏，121.上梯段，122.下梯段。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请重点参考图1-3，一种超轻量化韧性楼梯，包括折板1和分别设于折板1两端的两块肋板2，折板1整体为阶梯状，折板1和两块肋板2一体浇筑成型，折板1包括折板正面01和折板背面02，肋板2的上部为与折板正面01平齐的阶梯状，肋板2的下表面为伸出折板背面02的斜面。
根据本发明的具体实施方式，超轻量化韧性楼梯还包括沿超轻量化韧性楼梯的跨度方向设置纵向筋3和沿踏板11的宽度方向设置的横向筋4，纵向筋3整体为与折板1形状配合的阶梯状，纵向筋3的数量为多根，纵向筋3设于折板1和肋板2内，横向筋4的两端分别伸入两块肋板2内，纵向筋3和横向筋4共同形成钢筋笼骨架。具体实施时，位于楼梯上下端且与休息平台搭接的踏板内的横向筋4须加密布置，间距优选为40-60mm。需要说明的是，实施例1中，折板1和肋板2内均设有纵向筋3。当然纵向筋3也可只设于肋板2内。
更具体地，每块肋板2内均设有一根斜向底筋5，斜向底筋5设于肋板2靠近折板背面02的一侧，斜向底筋5的直径大于纵向筋3的直径。斜向底筋5的数量少于纵向筋3的数量，将斜向底筋5的直径设置较大，可保证钢筋笼各处的强度满足使用要求。
更具体地，踏板11的厚度为30-70mm，梯段12的厚度为30-100mm，肋板2的宽度为30-80mm。本实施方式中，折板1中的踏板11和梯段12呈90°设置，肋板2与折板1一体化浇筑成型，肋板2与折板1的表面处于同一平面，折板1的传力方式等效为板壳结构，即：折板1与肋板2共同受荷传力，变形协调一致。更具体地，肋板2的有效高度优选为50-70mm，楼梯的踏板11长度和梯段12高度满足工程实际需求和模数。
更具体地，折板1和两块肋板2由高性能混凝土一体浇筑成型，
更具体地，高性能混凝土为超高性能混凝土或高韧性混凝土或纤维混凝土或高强混凝土，高性能混凝土中掺入纤维，所述纤维掺量的体积百分比为0.5-2％。纤维为钢纤维、聚丙烯纤维和碳纤维中的一种或多种的组合。
上述实施方式中，折板1内配置的纵向筋3为构造钢筋，直径优选为6mm，不参与结构受力，钢筋的形状为“Z”型，弯折90°，与折板1的形状一致。本发明采用上述结构，并用高性能混凝土，可满足大跨度剪刀梯的承载力和挠度要求，自重仅为同层高普通板式楼梯自重的30％-40％，自重小，现场吊装塔吊吨位小，楼梯强度和刚度较大，抗震性能好，结构受力传力明确合理，结构通用性强，模具可重复利用，生产制作成本低，现场吊装施工方便快速且楼梯外形简洁轻巧美观。
如图4-5，与梁式楼梯传力不同，本发明提供的楼梯结构踢段12作为腹板不考虑剪应力对挠度的影响，“Z”型折板1受力形式可等效成板壳结构，折板1与肋板2共同承受荷载且形变协调一致，肋板2提高了楼梯的整体刚度，降低了挠度，满足大跨度的设计要求。
根据本发明的具体实施方式，在折板1中，位于超轻量化韧性楼梯的最顶部的梯段12设为上梯段121，位于超轻量化韧性楼梯的最底部的梯段12设为下梯段122，上梯段121的厚度值比单块踏板11厚度值至少大30mm，下梯段122的厚度值比单块踏板11厚度值至少大30mm。采用该结构，利于在保证强度的前提下，尽量减少本发明一种超轻量化韧性楼梯的自重。
根据本发明的具体实施方式，在折板1中，位于超轻量化韧性楼梯的最顶部的踏板11设为顶踏111，位于超轻量化韧性楼梯的最底部的踏板11设为底踏112，顶踏111和底踏112上均设有预留螺栓孔7。具体实施时，底踏112预留螺栓孔7，与休息平台板011预留的螺栓套筒对应，采用螺杆、栓钉等拧紧固定。本实施方式中，与休息平台板011搭接的底踏112的边为平直状。
根据本发明的具体实施方式，折板1包括多个依次组合拼接的踏步楼梯单元，楼梯单元整体为直角板状，楼梯单元包括踏板11和与踏板11垂直的梯段12。
纵向筋3之间的间距为150-200mm，纵向筋3的直径为4-8mm。纵向筋3的直径优选为6mm。采用该结构在保证强度的同时，可尽量减少钢筋用量。
本发明一种超轻量化韧性楼梯，可组合成如图9所示的剪刀梯结构，一跨层高可为2.8m、2.9m、3m整体预制，也可为如图7所示单跑楼梯结构，在楼梯中间段断开设置梯梁，楼梯上部踏板11与休息平台搭接，下部踏板11与梯梁搭接，降低了楼梯的跨度，从而减薄了楼梯折板1厚度。本发明一种超轻量化韧性楼梯，还可组合成双跑楼梯。
实施例2
参考附图6-7，本实施方式中的超轻量化韧性楼梯与实施例1的超轻量化韧性楼梯的结构基本相同，二者主要区别是：顶踏111a的边和底踏112a的边均为凸起状，凸起的部位设置预留螺栓孔7，保证楼梯踏板11与休息平台板011有足够的接触面，满足受力要求。当踏板11预留螺栓孔7位置设置为凸起时，在该位置设置加强筋，以保证强度。利用本发明实施方式2的超轻量化韧性楼梯安装成单跑分段式楼梯，分段式楼梯结构可满足单跑的要求，采用该结构，单个楼梯的跨度降低，从而可进一步减少楼梯板的厚度。楼梯一端与中间梯梁8通过连接螺栓9连接，另一端通过连接螺栓9与休息平台梁010连接。整个楼梯间结构还包括休息平台板011和剪力墙012。
实施例3
参考附图8-9，本实施方式中的超轻量化韧性楼梯与实施例1的超轻量化韧性楼梯的结构基本相同，二者主要区别是：本实施例的超轻量化韧性楼梯的跨度更大，利于形成剪刀梯结构；且本实施方式中的上梯段121a和下梯段122a在荷载作用下应力较大，厚度加厚，比楼梯板厚30-50mm。楼梯搭接踏板通过连接螺栓9与休息平台梁010连接。整个楼梯间结构还包括休息平台板011和剪力墙012。
下面对本发明一种超轻量化韧性楼梯的成本进行分析，以实施例3所示的结构为分析对象，其层高为3m，该结构称为“3米层高超轻量化韧性楼梯”，对比对象为3米层高普通预制楼梯。对二者的材料用量、造价和结构总重量进行统计，结果如表1所示，
表1：3米层高超轻量化韧性楼梯和普通预制楼梯对比表
对比可知，本发明提供的一种超轻量化韧性楼梯的自重仅为普通预制楼梯的40％，材料成本略高于普通预制楼梯，由于材料用量和自重小，人工成本、运输成本和现场塔吊吨位成本远低于普通楼梯，折算成综合成本，本发明提供的一种超轻量化韧性楼梯也具有一定的经济优势。
下面采用ABAQUS有限元计算，分析实施例2和实施例3中的超轻量化韧性楼梯，在设计荷载下的应力和挠度，其荷载组合系数与标准值分别根据《建筑结构荷载规范》取值，为1.3×DL+1.5×LL＝1.3×1.5+1.5×3.5＝7.2kN/m3。其中，DL为恒载，LL为活载。有限元计算结果如下表2所示。
表2：实施例2和实施例3有限元分析表
从实验结果看出，本发明实施例的两种结果形式的楼梯，挠度满足规范要求，最大应力小于高性能混凝土最大的拉应力9MPa，满足要求。
本发明提供的楼梯结构肋板不直接承受荷载，而是与折板共同承受荷载且变形一致，所述的超轻量化韧性楼梯采用高性能混凝土浇筑，大幅提高了结构的韧性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种超轻量化韧性楼梯，其特征在于，包括折板和分别设于所述折板两端的两块肋板，所述折板整体为阶梯状，所述折板包括多个依次组合拼接的踏步楼梯单元，所述踏步楼梯单元包括踏板和与所述踏板垂直的梯段，所述折板和两块所述肋板一体浇筑成型，所述折板包括折板正面和折板背面，所述肋板的上部为与所述折板正面平齐的阶梯状，所述肋板的下表面为伸出所述折板背面的斜面，所述超轻量化韧性楼梯还包括沿所述超轻量化韧性楼梯的跨度方向设置的纵向筋和沿所述踏板的宽度方向设置的横向筋，所述纵向筋整体为与所述折板形状配合的阶梯状，所述纵向筋的数量为多根，所述纵向筋设于所述折板和/或所述肋板内，所述横向筋的两端分别伸入两块所述肋板内，所述纵向筋和所述横向筋共同形成钢筋笼骨架，所述折板和两块所述肋板由高性能混凝土一体浇筑成型。
2.根据权利要求1所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，所述踏步楼梯单元整体为直角板状。
3.根据权利要求2所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，每块所述肋板内均设有一根斜向底筋，所述斜向底筋设于所述肋板靠近所述折板背面的一侧，所述斜向底筋的直径大于所述纵向筋的直径。
4.根据权利要求3所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，所述踏板表面设置凸起或凹陷的防滑部。
5.根据权利要求4所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，其特征在于，所述踏板的厚度为30-70mm，所述梯段的厚度为30-100mm，所述肋板的宽度为30-80mm。
6.根据权利要求5所述的超轻量化韧性楼梯，相邻所述纵向筋之间的间距为150-200mm，所述纵向筋的直径为4-8mm。
7.根据权利要求6所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，在所述折板中，位于所述超轻量化韧性楼梯的最顶部的梯段设为上梯段，位于所述超轻量化韧性楼梯的最底部的梯段设为下梯段，所述上梯段的厚度值比单块所述踏板厚度值至少大30mm，所述下梯段的厚度值比单块所述踏板厚度值至少大30mm。
8.根据权利要求7所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，在所述折板中，位于所述超轻量化韧性楼梯的最顶部的踏板设为顶踏，位于所述超轻量化韧性楼梯的最底部的踏板设为底踏，所述顶踏和所述底踏上均设有预留螺栓孔。
9.根据权利要求1所述的超轻量化韧性楼梯，其特征在于，所述高性能混凝土为超高性能混凝土或高韧性混凝土或纤维混凝土或高强混凝土，所述高性能混凝土中掺入纤维，所述纤维掺量的体积百分比为0.5-2％。
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