某高速公路收費大棚鋼結構設計與優化研究

李 兵，龍海豐

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

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

1 高速公路收費大棚設計的共性

高速公路收費大棚的安全主要由結構控制，為增強收費大棚結構穩定性及安全性，收費大棚在長期發展中，已逐步形成了一定設計共性，主要體現在以下兩點。

（1）網架結構空間。此類大棚通常采用平板式網架結構形式，如圖1 所示。

圖1 某網架模型

該鋼結構形式不會造成較大的結構立面起伏。此外，為體現簡潔大方的造型，收費大棚鋼結構柱網間距一般均較大，同時鋼結構橫向柱距應以收費廣場平面為依據進行設計，結合以往設計經驗來看，鋼結構柱網間距一般處于12～25m 范圍內。為防止高速公路收費大棚鋼結構影響道路車輛正常通行，收費大棚鋼結構應合理控制其凈高，其數值須在5.5m 以上，若收費大棚最外側車道為超寬車道，則需將收費大棚鋼結構懸挑長度設計為5.5～8m。結合上述鋼結構設計參數來看，收費大棚選擇網架結構較為適合。此外，通常采用正放四角錐網架結構形式，因其穩定性較好且平面規則美觀，不會影響高度公路收費大棚車輛的通行。該結構形式下，鋼結構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，以取得顯著的經濟和社會效益。

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

2 高速公路收費大棚鋼結構設計要點

2.1 鋼結構計算

在高速公路收費大棚鋼結構設計期間，需在綜合考慮風荷載、重力荷載基礎上，精準計算鋼結構相關參數。在實際設計期間，需使屋蓋網架結構的撓度允許值低于1/250，懸挑部分的撓度允許值需控制在1/125 以內。計算鋼結構桿件時，將桿件節點看作鉸接，釋放鋼結構強軸、弱軸約束，使桿件在強軸、弱軸兩個方向均可扭轉，以保證鋼結構桿件僅可受到軸向力影響。

2.2 抗震設計

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

2.3 桿件節點設計

為保障高速公路收費大棚整體安全性，其桿件設計時可適當提高標準，將鋼結構受拉桿件長細比允許限值控制在1/200 以內，受壓桿件長細比允許限值控制在1/150 以內，網架支座桿件等關鍵桿件長細比允許限值控制在1/120 以內，同時使收費大棚鋼管截面超過?60×3.5。桿件鋼結構截面計算設計后，應進一步對桿件鋼結構進行優化，要求重復計算鋼結構的應力及位移等參數，以實際數據為依據優化鋼結構桿件等。在收費大棚鋼結構體系中，多用螺栓球節點為網架節點，根據套筒接觸面情況控制螺栓球大小，同時在設計期間組織球體碰撞驗算工作，為后續高質量鋼結構施工奠定基礎。結合高速公路收費大棚鋼結構體系的跨度大來看，因鋼結構網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，以此保障鋼結構穩定性。

2.4 荷載取值設計

鋼結構恒荷載主要為收費大棚的建筑裝飾，及鍍鋅板、彩鋼板等結構材料，此外，交通機電設備等同樣可形成鋼結構恒荷載。收費大棚主體結構為鋼結構，建筑四周為四面敞開式形式，且鋼結構坡度主要依靠支托、檁條實現，故結合收費大棚整體鋼結構樣式來看，其能夠受到風荷載影響，故在設計收費大棚鋼結構使，應考慮鋼結構正向與側向所受到的風荷載作用力。在實際設計期間，應按照《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）確定收費大棚鋼結構正向、側向的風荷載取值情況，同時綜合考慮收費大棚鋼結構實際形式及當地天氣情況，對正向、側向風荷載參數進行修正，以此確保鋼結構設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構設計情況，保障鋼結構穩定性，應立足于實際精準計算重力荷載與風荷載，以此方可保障設計質量。

3 高速公路收費大棚鋼結構設計優化實例分析

3.1 工程概況

為增強本次收費大棚鋼結構設計優化分析現實意義，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構設計情況。該收費大棚整體采用鋼結構，收費大棚凈高度、結構跨度、跨中建筑高度、分別為6.6m、25m、14.6m，結合業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構設計難度。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計，為避免鋼結構使用阻礙玻璃幕墻的建設，故排除了張弦立體拱架鋼結構，為保障收費大棚結構穩定性，并確保收費大棚設計造型呈現效果，需對收費大棚鋼結構進行優化設計，通過方案對比選出最佳鋼結構方案。在此高速公路收費大棚項目中，首先對收費大棚施工現場進行全面外業勘察，結合收費大棚造型要求，最終制定出兩種鋼結構方案。方案一：選取網架結構形式，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構，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構，采用橫向連接的方式，將兩榀四邊形桁架拱連接為整個結構，以此呈現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構方案中，所用到鋼材均為Q235B 規格的材料。

3.2 鋼結構選型對比

為驗證上述兩種高速公路收費大棚鋼結構方案的可行性，案例項目通過構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，以此確保所構建的空間有限元模型符合方案情況。按照《建筑結構荷載規范（GB 50009—2012）》選取荷載值，具體如下：①恒荷載：自重系數選取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，其中風荷載數值為基本風壓值。③地震荷載。地震設防烈度為Ⅷ度（0.2g），設計地震分組為第一組，根據場地特征將特征周期定為0.35s，按照Ⅱ類建筑場地進行設置，將鋼結構阻尼比設置為0.035。根據此高速公路收費大棚整體造型情況構建有限元模型，并將上述荷載加入其中。對兩種鋼結構方案進行對比，以此得出兩種方案下的數據。根據空間有限元模型分析兩種鋼結構數據參數，方案一與方案二的桿件單元最大應力值分別為125.6MPa、109.9MPa；標準荷載條件下撓度數據分別為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構數據參數進行對比分析，發現兩種方案鋼結構的單元應力情況相仿，方案一的撓度性能大于方案二數值，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構方案。

3.3 鋼結構優化設計分析

3.3.1 優化腹桿結構

通過構建空間有限元的方式對兩種鋼結構方案進行對比分析，最終選取了方案一設計情況，為進一步提高鋼結構性能，對部分設計細節進行優化。原方案腹桿結構連接形式為焊接球連接，不利于后續鋼結構施工作業，故為便于后續施工便捷，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，為后續高速公路收費大棚鋼結構施工作業奠定基礎[2]。

3.3.2 優化整體結構

原方案一鋼結構設計在細節方面有待完善，應做好細節優化，保障結構穩定性。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，相關桿件的截面規格難以把握，對結構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格又會影響大棚結構通透性及仰視效果，所以需將屋面及吊頂中的主要桿件帶入模型計算。對鋼結構設計方案整體情況進行重新分析，并將計算結果重新反饋給建筑專業。經調整優化后，需將撓度性能數據控制在標準范圍內，同時將應力比調節在0.8～0.9 之間。

3.3.3 結構自振特性

借助子空間迭代方式階段收費大棚鋼結構自振頻率及周期，經數據分析后，發現鋼結構的自振頻率及周期較小，且伴隨有扭轉現象。進一步展開高速公路收費大棚的鋼結構反應譜分析，最終得出了優化后的鋼結構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防烈度為Ⅷ度（0.20g），采用模擬分析的形式了解鋼結構的地震反應情況，計算鋼結構位移數值及最大應力值，水平方面的最大應力值與位移數值分別為16.92MPa、5.03mm，豎直方向的最大應力值與位移數值分別為20.25MPa、42.32mm，最后發現鋼結構豎直方向存在較大位移，但卻滿足建設標準，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構處于彈性狀態，可良好規避安全質量事故。除此之外，為進一步保障抗震效果，對原方案一的鋼結構柱腳進行了調整優化，運用固定埋入式結構設置柱腳，盡可能提升鋼結構抗震性能。

為更好地使鋼結構設計成果應用于工程實際，需在結構設計中綜合考慮焊接設計。由于鋼結構焊接工程量較大，所以要求結構施工前應進行焊接試驗工作，對比焊條性能，進行電弧穩定性試驗、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，以確保焊接施工質量，使鋼結構各部件可良好連接[3]。鋼結構吊裝時需由專業人員從旁指揮，通過統一指揮保障鋼結構吊裝效果。吊裝期間注意控制起吊速度，鋼結構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，若發現誤差需及時調整，避免因細節問題造成安全質量隱患。按照設計優化情況完成鋼結構安裝后，需注意檢查安裝穩定性，復核安裝參數，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構施工質量，切實呈現優化設計的效果。

4 結語

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