李 兵，龍海豐

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

由于鋼結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢，目前鋼結(jié)構(gòu)已成為我國高速公路收費大棚的主要結(jié)構(gòu)形式。甲方對收費大棚外立面的要求越來越高，應當利用鋼結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出獨特新穎的樣式，以滿足業(yè)主需求。為保證收費大棚結(jié)構(gòu)安全，完美展示收費大棚造型，應結(jié)合實際情況從多種結(jié)構(gòu)方案中進行比選，以滿足建筑造型和經(jīng)濟效益的雙重要求。

1 高速公路收費大棚設(shè)計的共性

高速公路收費大棚的安全主要由結(jié)構(gòu)控制，為增強收費大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性，收費大棚在長期發(fā)展中，已逐步形成了一定設(shè)計共性，主要體現(xiàn)在以下兩點。

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)空間。此類大棚通常采用平板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示。

圖1 某網(wǎng)架模型

該鋼結(jié)構(gòu)形式不會造成較大的結(jié)構(gòu)立面起伏。此外，為體現(xiàn)簡潔大方的造型，收費大棚鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)間距一般均較大，同時鋼結(jié)構(gòu)橫向柱距應以收費廣場平面為依據(jù)進行設(shè)計，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗來看，鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)間距一般處于12～25m 范圍內(nèi)。為防止高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)影響道路車輛正常通行，收費大棚鋼結(jié)構(gòu)應合理控制其凈高，其數(shù)值須在5.5m 以上，若收費大棚最外側(cè)車道為超寬車道，則需將收費大棚鋼結(jié)構(gòu)懸挑長度設(shè)計為5.5～8m。結(jié)合上述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)來看，收費大棚選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為適合。此外，通常采用正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，因其穩(wěn)定性較好且平面規(guī)則美觀，不會影響高度公路收費大棚車輛的通行。該結(jié)構(gòu)形式下，鋼結(jié)構(gòu)的加工形式簡單便捷，裝備化程度高，可以有效提高施工周期，以取得顯著的經(jīng)濟和社會效益。

（2）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計情況。相較于其他工程中的鋼結(jié)構(gòu)，高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)整體造型形式相對特別，在設(shè)計期間，為保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，可將收費大棚鋼柱及柱腳帶入模型中整體計算，考慮到加工及現(xiàn)場施工誤差等因素，一般將鋼柱及網(wǎng)架的桿件應力比控制在0.90 以內(nèi)，豎向撓度控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。同時將鋼柱設(shè)置為多點支承，在鋼結(jié)構(gòu)過渡板上部位置設(shè)置支座，其鉸接于網(wǎng)架下弦支承點上。

2 高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 鋼結(jié)構(gòu)計算

在高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，需在綜合考慮風荷載、重力荷載基礎(chǔ)上，精準計算鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。在實際設(shè)計期間，需使屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度允許值低于1/250，懸挑部分的撓度允許值需控制在1/125 以內(nèi)。計算鋼結(jié)構(gòu)桿件時，將桿件節(jié)點看作鉸接，釋放鋼結(jié)構(gòu)強軸、弱軸約束，使桿件在強軸、弱軸兩個方向均可扭轉(zhuǎn)，以保證鋼結(jié)構(gòu)桿件僅可受到軸向力影響。

2.2 抗震設(shè)計

通常情況下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度在Ⅷ度以上時須考慮地震作用，在鋼結(jié)構(gòu)屋蓋網(wǎng)架設(shè)計過程中，應注意驗算鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的豎直方向、水平方向的抗震情況，懸挑部分的鋼結(jié)需驗算其豎向抗震數(shù)據(jù)。為進一步保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，應以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）為依據(jù)，參考其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度抗震等級要求展開設(shè)計計算，而在設(shè)計期間，收費大棚地震阻尼比參數(shù)取值0.04，振型數(shù)取6～10。

2.3 桿件節(jié)點設(shè)計

為保障高速公路收費大棚整體安全性，其桿件設(shè)計時可適當提高標準，將鋼結(jié)構(gòu)受拉桿件長細比允許限值控制在1/200 以內(nèi)，受壓桿件長細比允許限值控制在1/150 以內(nèi)，網(wǎng)架支座桿件等關(guān)鍵桿件長細比允許限值控制在1/120 以內(nèi)，同時使收費大棚鋼管截面超過?60×3.5。桿件鋼結(jié)構(gòu)截面計算設(shè)計后，應進一步對桿件鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，要求重復計算鋼結(jié)構(gòu)的應力及位移等參數(shù)，以實際數(shù)據(jù)為依據(jù)優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)桿件等。在收費大棚鋼結(jié)構(gòu)體系中，多用螺栓球節(jié)點為網(wǎng)架節(jié)點，根據(jù)套筒接觸面情況控制螺栓球大小，同時在設(shè)計期間組織球體碰撞驗算工作，為后續(xù)高質(zhì)量鋼結(jié)構(gòu)施工奠定基礎(chǔ)。結(jié)合高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)體系的跨度大來看，因鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架制作所承受的反力較大，故需至少運用四個螺栓將其連接，以此保障鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.4 荷載取值設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)恒荷載主要為收費大棚的建筑裝飾，及鍍鋅板、彩鋼板等結(jié)構(gòu)材料，此外，交通機電設(shè)備等同樣可形成鋼結(jié)構(gòu)恒荷載。收費大棚主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，建筑四周為四面敞開式形式，且鋼結(jié)構(gòu)坡度主要依靠支托、檁條實現(xiàn)，故結(jié)合收費大棚整體鋼結(jié)構(gòu)樣式來看，其能夠受到風荷載影響，故在設(shè)計收費大棚鋼結(jié)構(gòu)使，應考慮鋼結(jié)構(gòu)正向與側(cè)向所受到的風荷載作用力。在實際設(shè)計期間，應按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）確定收費大棚鋼結(jié)構(gòu)正向、側(cè)向的風荷載取值情況，同時綜合考慮收費大棚鋼結(jié)構(gòu)實際形式及當?shù)靥鞖馇闆r，對正向、側(cè)向風荷載參數(shù)進行修正，以此確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計期間能夠正確取值風荷載。為最大限度提高高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，保障鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應立足于實際精準計算重力荷載與風荷載，以此方可保障設(shè)計質(zhì)量。

3 高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化實例分析

3.1 工程概況

為增強本次收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析現(xiàn)實意義，本次選取某高速公路收費大棚項目為實例，立足于實際討論高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計情況。該收費大棚整體采用鋼結(jié)構(gòu)，收費大棚凈高度、結(jié)構(gòu)跨度、跨中建筑高度、分別為6.6m、25m、14.6m，結(jié)合業(yè)主要求收費大棚須打造特色化及地域化造型，這進一步提高了高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。在該高速公路收費大棚中，部分造型需依托于玻璃幕墻完成設(shè)計，為避免鋼結(jié)構(gòu)使用阻礙玻璃幕墻的建設(shè)，故排除了張弦立體拱架鋼結(jié)構(gòu)，為保障收費大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并確保收費大棚設(shè)計造型呈現(xiàn)效果，需對收費大棚鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過方案對比選出最佳鋼結(jié)構(gòu)方案。在此高速公路收費大棚項目中，首先對收費大棚施工現(xiàn)場進行全面外業(yè)勘察，結(jié)合收費大棚造型要求，最終制定出兩種鋼結(jié)構(gòu)方案。方案一：選取網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，采用桿件與桿件之間的不間斷緊密連接，將其連接為一個整體結(jié)構(gòu)，以此搭建出整個收費大棚造型。方案二：選用四邊形桁架拱結(jié)構(gòu)，采用橫向連接的方式，將兩榀四邊形桁架拱連接為整個結(jié)構(gòu)，以此呈現(xiàn)出收費大棚的整體造型[1]。在上述兩種高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)方案中，所用到鋼材均為Q235B 規(guī)格的材料。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)選型對比

為驗證上述兩種高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)方案的可行性，案例項目通過構(gòu)建有限元模型的方式加以計算驗證。案例項目選用同濟大學3D3S 軟件構(gòu)建有限元模型，模擬收費大棚實際造型，此外在案例項目中，兩種方案柱腳均采用鋼接約束性條件，以此確保所構(gòu)建的空間有限元模型符合方案情況。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》選取荷載值，具體如下：①恒荷載：自重系數(shù)選取1.05，收費大棚彩鋼琉璃瓦材料、輕型玻璃材料（含吊頂）區(qū)域自重分別定為0.5kN/m2、0.9kN/m2。②活荷載與風荷載分別定為0.5kN/m2、0.4kN/m2，其中風荷載數(shù)值為基本風壓值。③地震荷載。地震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2g），設(shè)計地震分組為第一組，根據(jù)場地特征將特征周期定為0.35s，按照Ⅱ類建筑場地進行設(shè)置，將鋼結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為0.035。根據(jù)此高速公路收費大棚整體造型情況構(gòu)建有限元模型，并將上述荷載加入其中。對兩種鋼結(jié)構(gòu)方案進行對比，以此得出兩種方案下的數(shù)據(jù)。根據(jù)空間有限元模型分析兩種鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)，方案一與方案二的桿件單元最大應力值分別為125.6MPa、109.9MPa；標準荷載條件下?lián)隙葦?shù)據(jù)分別為49.9mm、38.7mm；收費大棚支座最大水平反力分別為751kN、1151kN；鋼材用量分別為151t、205t。對方案一與方案二的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方案鋼結(jié)構(gòu)的單元應力情況相仿，方案一的撓度性能大于方案二數(shù)值，但從支座最大水平反力、鋼材用量角度來看，方案一遠低于方案二，經(jīng)對比分析，案例高速公路收費大棚項目最終選取方案一作為鋼結(jié)構(gòu)方案。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

3.3.1 優(yōu)化腹桿結(jié)構(gòu)

通過構(gòu)建空間有限元的方式對兩種鋼結(jié)構(gòu)方案進行對比分析，最終選取了方案一設(shè)計情況，為進一步提高鋼結(jié)構(gòu)性能，對部分設(shè)計細節(jié)進行優(yōu)化。原方案腹桿結(jié)構(gòu)連接形式為焊接球連接，不利于后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，故為便于后續(xù)施工便捷，保障鋼材安裝效果及焊接精度，將原有的焊接球連接改為螺栓球連接，為后續(xù)高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)奠定基礎(chǔ)[2]。

3.3.2 優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)

原方案一鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在細節(jié)方面有待完善，應做好細節(jié)優(yōu)化，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在原方案一中，是將屋面及吊頂造型折算為恒荷載帶入模型中計算，但考慮到屋面及吊頂造型復雜，相關(guān)桿件的截面規(guī)格難以把握，對結(jié)構(gòu)實際造成的安全影響可能會估計不足，同時造型中桿件的截面規(guī)格又會影響大棚結(jié)構(gòu)通透性及仰視效果，所以需將屋面及吊頂中的主要桿件帶入模型計算。對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案整體情況進行重新分析，并將計算結(jié)果重新反饋給建筑專業(yè)。經(jīng)調(diào)整優(yōu)化后，需將撓度性能數(shù)據(jù)控制在標準范圍內(nèi)，同時將應力比調(diào)節(jié)在0.8～0.9 之間。

3.3.3 結(jié)構(gòu)自振特性

借助子空間迭代方式階段收費大棚鋼結(jié)構(gòu)自振頻率及周期，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的自振頻率及周期較小，且伴隨有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。進一步展開高速公路收費大棚的鋼結(jié)構(gòu)反應譜分析，最終得出了優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)抗震性能及地震響應情況，將案例高速公路收費大棚所屬抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.20g），采用模擬分析的形式了解鋼結(jié)構(gòu)的地震反應情況，計算鋼結(jié)構(gòu)位移數(shù)值及最大應力值，水平方面的最大應力值與位移數(shù)值分別為16.92MPa、5.03mm，豎直方向的最大應力值與位移數(shù)值分別為20.25MPa、42.32mm，最后發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)豎直方向存在較大位移，但卻滿足建設(shè)標準，此外水平與豎直方向的最大應力值均低于215MPa，故收費大棚遭遇地震時鋼結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，可良好規(guī)避安全質(zhì)量事故。除此之外，為進一步保障抗震效果，對原方案一的鋼結(jié)構(gòu)柱腳進行了調(diào)整優(yōu)化，運用固定埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)置柱腳，盡可能提升鋼結(jié)構(gòu)抗震性能。

為更好地使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計成果應用于工程實際，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計中綜合考慮焊接設(shè)計。由于鋼結(jié)構(gòu)焊接工程量較大，所以要求結(jié)構(gòu)施工前應進行焊接試驗工作，對比焊條性能，進行電弧穩(wěn)定性試驗、飛濺率試驗、焊縫金屬擴散氫含量試驗、焊縫脫渣性能試驗等，以此選出最佳焊接材料，并明確焊接參數(shù)，以確保焊接施工質(zhì)量，使鋼結(jié)構(gòu)各部件可良好連接[3]。鋼結(jié)構(gòu)吊裝時需由專業(yè)人員從旁指揮，通過統(tǒng)一指揮保障鋼結(jié)構(gòu)吊裝效果。吊裝期間注意控制起吊速度，鋼結(jié)構(gòu)材料離開地面后應注意保持平衡，同時檢查鋼架軸線與圖紙軸線是否一致，若發(fā)現(xiàn)誤差需及時調(diào)整，避免因細節(jié)問題造成安全質(zhì)量隱患。按照設(shè)計優(yōu)化情況完成鋼結(jié)構(gòu)安裝后，需注意檢查安裝穩(wěn)定性，復核安裝參數(shù)，并采用自檢、互檢、專檢的形式進行檢查驗收，以此保障高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，切實呈現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的效果。

4 結(jié)語

綜上所述，對某高速公路收費大棚案例選出兩種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，采用空間有限元的形式進行數(shù)據(jù)對比分析后，選用了方案一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式并對其優(yōu)點做了介紹。為進一步提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計效果，從腹桿結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)方面進行了優(yōu)化，并分析了結(jié)構(gòu)自振特性，以此保障高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)安全性及抗震性能。通過對此案例的分析，希望給類似收費大棚工程的設(shè)計和優(yōu)化提供有益借鑒。