大跨拱形空間鋼結構設計

崔 令

(河北建筑設計研究院有限責任公司，河北石家莊 050000)

1 工程概況

邯鄲至大名高速公路是邯鄲市規劃“三縱兩橫一環”高速公路網中的重要一“橫”，對于完善邯鄲市區域高速公路網的布局結構，滿足區間交通需求，密切邯鄲市與周邊省市之間的交通聯系具有重要意義。建成之后也將成為山西及河北南部地區連接膠東半島的又一條便捷出海通道。邯鄲市區收費站位于邯鄲市區東南外環處，其中收費棚建筑面積2 600 m2，共設五個車道，結構采用鋼框架結構，沿道路方向1跨，跨度18 m，垂直道路方向5跨，中跨為22.8 m，其余跨均為17.1 m，結構主體高度12.75 m。建筑效果見圖1。

圖1 邯鄲市收費棚效果圖

2 地基基礎設計

擬建場地區為華北沖擊平原，施工土層由上至下分別為素填土和性狀稍有不同的粉質粘土。

根據地質勘察資料，獨立基礎落在第②層粉質粘土上，粉質粘土層地基承載力特征值fak=110 kPa?！?.000相當于絕對標高 59.225。

基礎計算采用PKPM計算程序中的JCCAD，采用鋼柱下獨立基礎，柱腳采用剛性柱腳即鋼柱插入內框架柱做法，具體做法詳見圖2。

圖2 柱腳做法圖

3 結構設計

3.1 結構設計基本概況

1)本工程結構設計基準期為50年，設計使用年限為50年，建筑安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為丙級，框架抗震等級四級，抗震設防烈度:7度，設計基本地震加速度:0.15g，設計地震分組:第2組，建筑場地類別:Ⅲ，特征周期 0.55。

2)四面均為開敞結構，故不考慮抗風。

3)結構頂面活荷載標準值:考慮檢修及積雪荷載取2.0 kN/m2。

3.2 結構體系

結構采用鋼框架結構，主體主要由兩部分組成，即下部5跨拱形主框架和上部的曲面屋頂框架，屋頂框架與拱形框架在拱頂相連，鋼柱、拱形梁及柱頂橫梁構成結構整體受力體系。整體結構效果簡潔、美觀，充滿曲線之美，但受力也較為復雜且存在薄弱部位，即拱頂拱梁與屋面框架梁的連接處若節點設計考慮不周則易出現安全隱患。

結構平面長度91.2 m，寬18 m，長寬比5.06，滿足7度抗震情況長寬比小于6.5的要求。結構整體及局部詳見圖3～圖6。

圖3 主框架結構

圖4 屋頂框架

3.3 主要構件斷面

鋼框架柱是本工程主要抗側力結構構件，承擔主要的水平及豎向荷載，尺寸為:800 mm×800 mm厚度24 mm，框架梁:箱1 000 mm×600 mm×24 mm×20 mm(梁高×翼緣寬×腹板厚×翼緣厚)。

圖5 整體框架

圖6 正立面

3.4 結構計算分析

結構整體計算分析:采用中國建筑標準設計研究院編制的《SAP2000軟件》(V11.0.4版)。建立計算模型時先在AutoCAD中建立結構的三維軸網，然后導入到SAP2000中，再在各軸網上布置框架并設置各種荷載及分析工況，接著進行各工況計算，最后進行鋼結構設計，驗算各構件屈服及穩定應力比。計算結果介紹如下。

SAP2000計算分析結果:結構設計地震力振型組合數取12個，表1列出前T1～T6。第一振型為x向平動，第二振型為y向平動，第三振型為扭轉，T3/T1=0.76＜0.9。x方向結構相對位移為1/609，y方向結構相對位移為1/1 508，均小于1/250抗震規范規定的限值。整體和局部構件穩定性驗算也可以通過。計算結果顯示由鋼框架柱、柱頂橫梁、柱間大跨拱梁與屋頂平梁組成的整體空間框架體系受力體系具有較好的抗側剛度及抗扭剛度。

表1 各振型周期表

4 結構措施及新技術應用

1)拱梁與平梁重合處連接。結構拱頂處拱梁與屋面斜梁相交并連接，但是理論上的連接處僅為一點，如圖7a)，7b)所示，此處為上下結構連接的一個薄弱部位，施工中難以保證連接強度。為解決這一問題，本工程采用了局部近似連接的方法，將結合點改造為一個上下雙箱梁，如圖7c)，7d)所示，并在兩側分別與屋頂斜梁和拱梁焊接，該措施很好的解決了連接強度問題。

圖7 拱梁與平梁重合處連接示意圖

2)拱形結構施工中的拼接問題。由于結構中存在連續多跨拱梁，且跨度很大，最大達22.8 m，分段在高空安裝存在很大困難，且很難保證施工精度，一旦出現誤差難以糾正。針對此問題，本工程采用半個單榀框架地面拼裝，然后整體吊裝的方法有效的解決了問題。吊裝過程中拱梁底的水平拉桿為受壓狀態，經過驗算其穩定性，此施工方法可以實現。

3)為了保證屋面結構的面內穩定性，提高其面內剛度，在屋面框架梁下面對稱設置了8道斜拉桿，拉桿直徑32 mm，長度12 m～14 m。由于拉桿長度過長，撓度過大，現場施工中采用了梁底焊接掛鉤吊住拉桿的辦法解決了這一問題。

5 結語

本工程現已施工完畢，施工期間設計與施工單位反復溝通，使建筑效果得以成功實現并保證了施工工藝的可行性，希望可以對以后的類似工程有所借鑒。