網架結構收費大棚設計分析與應用

王展

摘要：空間網架是當前使用較為普遍的一種輕鋼結構類型，具有用鋼量小、整體性好、制作安裝便捷、施工難度小、質量易于控制、安裝周期短等優點，主要運用于大、中跨的公共建筑中，具有較為廣泛的適用性。隨著電子計算的迅速發展，解決了結構高次超靜定問題，使得空間網架的設計變的相對簡單，本論述主要從結構設計角度出發對空間網架進行分析。關鍵詞：空間網架;結構設計;收費大棚

中圖分類號：TU356文獻標志碼：A

0引言

網架結構是收費大棚常用的一種結構形式，是由多跟桿件組合而成額網格狀高次超靜定空間桿件體系。該結構具有空間剛度好、可實現大跨度需求、用料省、施工速度快、安裝方便、施工質量易于控制等優點。在實際工程中應用非常廣泛。

1收費大棚特點

收費大棚的柱距由收費車道的數量、車道寬度確定，根據建筑立面的要求，收費大棚在與行車方向垂直的柱距通常為2～ 6個收費車道，中間車道為3.2 m或3.5 m，在兩邊瞄有超寬車道，超寬車道寬度為4.5 m。相鄰收費車道間設置有2.2 m寬的收費島。

收費大棚的網架結構上面鋪設有屋面板，屋面板上面設置有站名以及甘肅高速的logo;網架下掛有照明的燈具以及交安、機電工程的設施及指示牌等。收費大棚的四邊需通過柱子外挑出3～ 6 m，用以遮擋車道的雨水以及收費亭。

對于車道數較多的收費站，為保證收費人員安全，在收費廣場下還設置有地下通道，在進行收費大棚的設計時，網架的柱子還應避開地下通道。

2結構設計

收費大棚計算采用同磊3d3s Design進行。

2.1結構建模

在網架設計中通常會選擇四角錐體中的正方四角錐網架，該網架具有受力均勻，空間剛度大等特點?？绺弑瓤扇?/15。為避免相鄰桿件夾角太小，廠家加工和安裝困難，相鄰桿件間的夾角需不小于30°[1] 。在網架支座的選擇上優先選用上弦支承方式。收費大棚沿行車方向的邊長一般不太長，可采用小立柱找坡的方式進行屋面排水。鋼柱采用圓鋼管，下端與基礎剛性連接。在進行網架設計之前，通常將桿件定義為，后期進行構件截面放大見表1所列。

雖然網架結構在其平面內，可認為剛度為無窮大。但是對于單根柱來說，網架支座局部并不能給鋼柱提供足夠的側向支撐，其約束可近似看作是在較接與自由之間。鋼柱下部通常與基礎采用剛性連接，加之，收費大棚上側設置有混凝土收費島，整體剛度較大，可認為是剛接，故柱計算長度系數取值為2.03，需在模型中自行輸入。

在結構建模中，應盡量將網架與下部鋼柱的模型都建在一起，這樣可以利用柱頂的變形協調條件，在受力分析中充分考慮二者的剛度影響，計算結構更加精準、可靠。

2.2荷載及地震作用

2.2.1恒活荷載

收費大棚的使用功能及工作環境比較類似，荷載也比較類似。

上部恒荷載主要包括網架結構上部的小立柱、標條、屋面板、屋面板上的銘牌及支撐銘牌的三角鋼架。

上部活荷載按照規范進行取值，并與雪荷載比較，取大值。

下部恒荷載主要包括建筑飾面、機電及交安設備、標牌等。

2.2.2風荷載

收費站通常設置于郊區和城鄉的邊緣，建筑物較少，地面粗糙度一般為B類。設計風壓為100年一遇，收費大棚為四面開敞型構筑物，建筑物的上、下、左、右、前、后六個面或多或少都受到風荷載的作用。風荷載的體形系數按照《建筑結構荷載規范>[2]8.3.1條第2、27項選取。

2.2.3地震作用

根據本地區抗震設防烈度，考慮水平地震作用O 對于8、9度抗震設防地區，還需考慮豎向地震的作用。計算中阻尼比取0.04。

2.2.4其他荷載

根據收費大棚的實際情況，輸入附加重量、溫度荷載等。

將各荷載按照不同的荷載工況進行組合，荷載組合中應注意勾選“是否按照可靠度規范取值”。

2.3結構設計

2.3.1允許撓度

網架結構的容許撓度，用作屋蓋時不得超過網架短向跨度的l/250o 一般情況下，按強度控制而選用的網架桿件不會因為這樣的剛度要求而加大截面。至于一些跨度特別大的網架，即使采用了較小的高度（如跨度的1/16），只要選擇恰當的網架形式，其撓度仍可滿足小于1/250跨度的要求岬

2.3.2長細比

桿件的長細比分如下幾種情況：受壓構件允許長細比為1/180;一般受拉構件為1/400;支座周邊的受拉桿件為1/300;直接承受動力荷載的桿件為l/250o 2.3.3桿件截面的選擇

桿件的選擇遵照以下幾個原則：（1）為方便桿件的加工與后期的現場安裝，桿件的截面種類不易過多，一般中跨度網架可控制到10種以內;（2）應選用常用的標準圓鋼種類;（3）在相同截面下，優先選用薄壁截面的桿件，有利于壓桿穩定。

2.3.4支座節點

常用的支座形式有：平板壓力支座、單面弧形壓力支座、雙面弧形壓力支座、球餃壓力支座、單面弧形拉力支座、板式橡膠支座等。一般收費大棚的支座節點多采用平板壓力支座，一般采用四個螺栓連接，通過過渡鋼板與下部支承柱連接。

3工程實例

3.1項目概況

某公路收費大棚采用雙層平板網架結構，根據收費車道數、收費島、車道寬度，并結合建筑造型及機電設備平面布置。收費大棚網架平面尺寸為48.1 mx20m，行車方向設置2排柱子，柱距為13 m，兩側懸挑長度均為3.5 m;垂直行車方向設置4排柱子，自左到右柱距分別為11.1m、12.1 m，懸挑長度分別為6.9 m。網架高度為0.9 m。

該地區基本風壓為0.35 kN/m2（100年一遇），抗震設防烈度為7度0.15 g，設計使用年限為50年，結構安全性等級為二級。

3.2結構設計

網格形式采用正放四角錐，將全部網架桿件設置為甲60X3.5截面，釋放桿件強、弱軸兩端節點。節點類型為螺栓球，采用上弦支承，根據建筑檐口高度及基礎頂設計標高，鋼柱底定義為剛性約束，設計使用鋼材均采用Q345B級鋼。工況0：上弦恒載為0.50 kN/m2，下弦恒載為0.30 kN/m2;工況1：上弦活載為0.50 kN/m2，工況2（風荷載）：基本風壓取為0.35 kN/m>收費大棚上表面風荷載體形系數取為-L3，迎風面體形系數取為0.8，背風面體形系數取為-0.5，兩個側面體形系數取為-0.7。工況3（風荷載）：基本風壓取為0.35 kN/m。，收費大棚上表面風荷載體形系數取為-1.3，迎風面、背風面體形系數取為-0.7，左側面體形系數為0.8，右側體形系數為-0.5?？拐鹪O防烈度為7度0.15 go并考慮豎向地震作用影響，見表2所列。

經計算，網架結構在最不利工況下，網架部分的最大豎向位移為-36.41 mm，鋼柱的最大水平位移為35.5 mm，計算結果均滿足規范的相關要求，網架節點最不利組合下最大、最小位移數值詳見表3所列，鋼柱柱頂節點最不利組合下最大、最小位移數值詳見表4所列。

在模型的構件及節點設計過程中，對網架構件及鋼柱的應力比分別進行限定，將控制應力比設定在0.85～ 0.90，對所有網架桿件進行截面放大。每進行一次截面優化及調整需要再進行內力計算，重復調整直至應力滿足設計要求，將桿件長細比控制在1/180⑷。鋼柱的長細比按照《鋼結構設計標準》⑸要求的1/150進行控制。網架結構應力分布圖如圖1所示。

桿件和螺栓球設計完成后，需要進行網架支座的設計，網架支座節點受力復雜，除收到壓力、拉力、扭矩外，還有側移和轉動⑵。設計中需同時滿足網架底板尺寸驗算、底板厚度驗算、球與十字板焊縫驗算、螺栓受剪等多項節點驗算。

設計完成后，需要對鋼結構的含鋼量進行驗算，查看是否在正常用鋼量范圍內，可以作為一種對模型的校核方式。網架平面布置圖如圖2所示。

4結構優缺點

公路沿線常用的收費大棚所采用的結構形式有空間網架結構、鋼框架結構、鋼筋混凝土框架結構等，其中以空間網架結構運用最為廣泛。

網架結構通過桿件之間的相互作用，連接成為整體，作為一種空間受力體系，各桿件主要承受軸向拉壓力，受力合理，其整體性好、空間剛度大、結構穩定強。

網架結構靠桿件的軸向拉壓力傳遞荷載，類似于鋼筋混凝土結構中的上、下側縱向鋼筋的受力方式，但與鋼筋混凝土構件相比，其減少了大量的混凝土用量，減輕了自重的70%～ 80%，材料強度得到充分利用。與普通實腹式鋼結構相比，其減輕了腹板的重量，可節約鋼材20%～ 50%。

由于網架結構輕質的特點，其在地震發生時產生的地震力也比較小，利用鋼材具有優良延性的特點，可通過其自身的變形協調，消耗大量的地震作用。此外，網架結構通常空間剛度大，確保結構穩定，不會倒塌，故具備優良的抗震性能。

相比于普通鋼結構高跨比的1/8—1/10，普通鋼筋混凝土結構高跨比1/10-1/18，網架結構高跨比只有1/13-1/18，相同跨度的建構筑物，采用網架結構能降低建筑物的高度，有利于空間的利用。目前，大跨度的網架可以做到60m以上。

隨著網架結構的發展，在行業內形成了較為固定的圓鋼管規格，在網架設計完成后，桿件表中會形成大量尺寸規格相同的桿件，利于工廠批量生產，生產質量好、效率高，生產完成后直接運輸至現場組裝，施工周期短“。

在設計過程中，通過對網架進行拉伸，可以形成各種不同形狀、樣式的平面造型。結合不同裝飾材料的外包，可以形成不同地域、不同民族文化的建筑效果，網架結構造型輕巧，造型多變。

5結束語

介紹了公路沿線收費大棚的特點及大棚網架結構，該結構具有大開間、空間布置靈活等特點。通過分析可以看出，合理的網架網格結構布置及正確的荷載施加，尤其是風荷載的作用，對網架結構設計至關重要。

參考文獻：

[1]中國建筑科學研究院.空間網格結構技術規程：JG]7—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]中國建筑科學研究院，建筑結構荷載規范：GB50009—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]張毅剛，薛素鐸，楊慶山.大跨空間結構（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2014.

[4]高銘.高速公路沿線網架結構收費大棚結構設計要點分析[J].江西建材，2019（2）：38-39.

[5]中冶京誠工程技術有限公司.鋼結構設計標準：GB50017-2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[6]馬克儉，張華剛，鄭濤，新型建筑空間網格結構理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.