某高速公路收費站網架設計探討

【摘要】本文通過山西省平定至陽曲高速公路主線收費站網架的建筑與結構設計，結合工程實際情況分析了網架設計中的柱子選型、網架設計以及整體分析等方面的問題，從而探討了網架設計的一般思路和方法，并對工程的關鍵節點進行了介紹說明，對同類的建筑設計有一定的參考價值。

【關鍵詞】高速公路；收費站；網架設計

引言

高速公路是城市間進行物質、文化、以及信息的出入口，也是向外界展示自己的重要通道，而作為高速公路的主要樞紐——高速公路收費站，它的形象體現著當地的文化和文明。在紛繁的高速公路收費站中，有許多的結構形式被采用，尤其是鋼結構，以其通透輕盈的建筑外形，被許多收費站所采用，網架結構形式、鋼框架結構形式以及桁架結構形式都是幾種常見的收費站建筑的結構形式，但網架結構又以其靈動的建筑外形被大多數收費站所采用。

1.項目概況

山西省平定至陽曲高速公路主線收費站，收費站共有10個車道，長度為62.6m，寬度為19.8m。收費站最高處為26.40m，屋面標高為9.00m，如圖1所示。網架收費站底部經過吊頂以后，出入指示燈的最低點高度為6.5m，滿足相關交通規范中對于通行高度的要求。該收費站造型為張拉的弓箭，通過收費站的效果圖可以看出結構磅礴的氣勢。在寬闊的高速公路的入口，這樣的一種收費站造型，寓意為蓄勢待發，象征著本地經濟的騰飛，頂部張拉的拉索像弓箭上的弦，使得建筑本身更加生動。

2.收費站建筑設計

收費站網架設計的關鍵在于能夠通過建筑造型設計最大限度的體現業主所要求的效果圖所反映的外形，但是這樣的設計是建立在結構穩定并且造型可以實現的基礎上。由于該收費站最左側的弓背一側是斜向上的，在結構設計的時候，這樣的高聳結構并不能很好的保證結構整體的穩定性，因此，經過與業主協調，收費站的建筑設計將原有的斜向上的弓背，調整為豎直向上，這樣設計，既保證了與原設計效果圖方案基本一致，又保證了結構自身的安全。

考慮到收費站左側的柱列比較高，高度達到26.40m，而高速公路收費站大多建在郊外，沒有周邊建筑群的遮擋，風荷載較大。柱子側面沿高度依次設立了四組大小不同的孔，既增加了建筑的通透性，又緩解了風荷載對該建筑造成的影響。

3.收費站結構設計

3.1設計荷載

高速公路收費站網架在結構設計階段主要考慮恒荷載、活荷載、風荷載、溫度效應和地震荷載，荷載設計標準值取值如下：

（1）恒荷載：除網架結構自重外，考慮屋面板、檁條及連接件重，上弦恒載取0.5 KN/m2，考慮到燈具的懸掛荷載，下弦恒載取0.3 KN/m2。

（2）活荷載：屋面活載取0.5 KN/m2，作用在網架上弦。

（3）風荷載：當地50年一遇基本風壓0.4 KN/m2。

（4）雪荷載：當地50年一遇基本雪壓0.25 KN/m2。

（5）溫度荷載：溫度荷載采用+40℃、-20℃（結構施工安裝時的溫度與使用過程中溫度的最大差值）。

（6）抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組。

3.2柱子結構選型

該收費站共有10根柱子，除最左側兩根柱子高度為26.40m外，其余柱子頂部的標高均為5.75m。根據建筑所體現出來的張拉的弓箭的特色以及建筑施工圖所體現出來的建筑特征，由于邊柱需要配合建筑造型所表現出來的弓背的造型，采用漸變的格構式鋼管柱組合截面，鋼管截面采用ф351×10，由于分肢鋼管高度為26.4m，柱子截面較高，為了保證柱子自身的整體穩定性，每肢鋼管內灌C30混凝土，并且預留通氣孔，以緩解使用環境的溫度變化所引起的鋼管內外壓力不同造成的變形。

收費站其余柱子均采用ф800×12的鋼管混凝土柱形式，內灌C30混凝土，頂標高為5.75m。柱頂采用550x550×18的鋼板作為蓋板，放置網架支座，為了保證其穩定性，蓋板沿著周圈布置了6塊100×200×16的鋼板作為加勁肋。所有鋼柱的柱腳均采用M30地腳錨栓與下部獨立基礎相連。

3.3網架結構選型

為了使網架和最左側鋼柱能夠完美的達到建筑效果圖所要求的弧度，本建筑的主體結構選用局部加層的網架結構，共設置了四個腹桿層，五個弦桿層，以使連接部位過渡更加圓潤，體現張拉的弓箭的力與美，網架局部示意如圖2所示。

網架主體采用正方四角錐雙層網架結構，在對應的柱子中心位置通過設置柱帽，使網架自重以及上弦球頂部屋面材料的荷載，通過柱帽桿傳力至網架支座處。經過設計分析，網架受力合理，支座處最大的豎向反力為382KN，支座設計為平板壓力支座，支座球處的豎向肋板為厚度為18mm的鋼板，過渡板和底板的厚度均為30mm，設計滿足規范要求。

由于網架的短向跨度為9.00m，因此根據工程經驗對網架厚度進行估計，1/12 X9000=750mm，1/6 X9000=1500mm，結合網格的數目以及設計的經濟性原則，最終網架厚度取1.5m，柱帽距離支座的垂直高度為1.0m。

3.4結構整體分析

收費站采用結構分析設計軟件PKPM中STS模塊進行了整體分析，由于分析模型如圖3所示。將上部網架分析得到的支座處分荷載，以節點荷載的形式加載在對應的柱頂位置，在最左側的立柱建模時，采用建立兩層的方式，將荷載加在下部一層的柱頂位置，模擬工程荷載，并且在距離9.00m的兩根格構式柱之間等距離設置了五根連接梁。通過在柱頭上設置虛梁的方式，將結構中的柱子聯系起來。

（1）桿件及截面選擇

收費站在設計時應用了MST2014進行了網架部分的設計，假定桿件所受到軸向作用力，參數選擇的時候認為桿件之間的連接為鉸接，通過在網架模型上施加在節點上的各種模擬荷載，考慮了地震作用以及溫度效應的影響，最終選定了大多數桿件為ф60x3.50，局部為ф76x4.00、ф89x4.00的截面形式的Q235熱軋無縫鋼管，球節點選用實心的螺栓球節點，材料為GB699中的45號鋼鍛造，配套使用的封板及錐頭的材料也是Q235鋼。

（2）網架撓度控制

網架在撓度方面的控制至關重要，撓度一般體現在網架計算文件中為豎向的位移。控制了網架的撓度，在很多情況下可以避免網架自身失穩引起的工程事故。通過軟件的分析計算，網架中節點的最大豎向位移值為27.0mm，變形滿足《空間網格結構技術規程》JGJ 7-2010表3.5.1的規定，即空間網架結構的最大撓度值在減去預起拱值后不應超過容許撓度值：用作屋蓋L/250， L為短向跨度[2]。即9000x1/250=36mm，滿足設計的要求。

（3）關鍵節點設計

鋼結構設計中，節點的設計顯得尤為關鍵。本工程中，有一些關鍵性的節點，比如鋼梁和格構式鋼管柱之間的連接。由于兩根變截面的格構式鋼管柱間距為9.00m，為了保證柱子在平面外的穩定性，兩根格構式鋼管柱之間每隔4m設置一道HM550X300X11X18的鋼梁相連，共設置五道，如圖3所示。由于格構式柱的分肢采用的是鋼管形式，而鋼梁的截面采用的是H型鋼形式，兩者之間的連接如果采用坡口全熔透焊，即實現的是梁與柱的剛性連接，將會使施加在鋼梁上的作用力，比如風荷載、地震作用力產生的效應，以彎矩的形式作用在節點連接處，造成鋼管的平面外不穩定。

最佳的方案是在鋼管上作一截小短梁，小短梁的截面大小與鋼梁截面大小相同，通過鋼梁腹板前后加連接板的形式，用高強螺栓連接起來，實現理想鉸接連接形式，目的是為了減小因為風力引起的附加荷載對格構柱的影響。此時，小短梁與鋼管之間，通過環板的形式，套在鋼管上，并且設置加肋板保證兩塊環板之間連接的可靠性，環板與小短梁梁之間設置過渡板，以緩解應力集中造成的不良影響。

4.結語

本文通過山西省平定至陽曲高速公路主線收費站網架的建筑與結構設計，結合工程實際情況分析了網架設計中的柱子選型、網架設計以及整體分析等方面的問題，從而探討了網架設計的一般思路和方法，對同類的建筑設計有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]蘇麗.高速公路設計研究.長安大學碩士學位論文，2012：45-46.

[2]JGJ7-2010.空間網格結構技術規程.中華人民共和國住房和城鄉建設部，2011.

[3]GB50011-2010.建筑抗震設計規范.中華人民共和國住房和城鄉建設部，2010.

[4]JGJ7-2010.空間網格結構技術規程.中國建筑科學研究院，2010.

作者簡介：

任媛（1984— ），女，山西孝義人，講師，研究方向為鋼結構、高等職業教育研究。