某大跨度、長(zhǎng)懸挑鋼管桁架收費(fèi)站雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周先祥

（中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司，安徽蕪湖241000）

1 工程概況

某公鐵長(zhǎng)江大橋收費(fèi)站將鳩茲鳥展翅飛翔的造型融入設(shè)計(jì)中，如圖1 所示。屋頂投影面積為4 068m2，總高度19.8m，總長(zhǎng)135m，中間跨度67.2m，兩端各懸挑33.9m，結(jié)構(gòu)布置采用縱向組合空間矩形桁架與橫向平面桁架疊合，結(jié)構(gòu)布置與建筑造型緊密結(jié)合，如圖2 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)立面布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)體系分析

2.1 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

根據(jù)方案造型，通過(guò)各種試算并與建筑專業(yè)協(xié)商，考慮在每端中間收費(fèi)島上增加豎向構(gòu)件，在頂部開叉，保證縱向組合空間矩形桁架的下弦桿都有支撐，更改結(jié)構(gòu)方案后，優(yōu)化了桁架桿件截面，用鋼量減少了10kg/m2，結(jié)構(gòu)懸挑端變形也得到了改善，最大變形減少了20mm，同時(shí)，增加了結(jié)構(gòu)的冗余度，保證了結(jié)構(gòu)安全，詳見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 原結(jié)構(gòu)方案（每端2 根樹形柱）

圖4 現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案 （增加豎向支撐）

初步設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)屋蓋縱向檐口位置用檁條兼做系桿將各榀橫向平面桁架連接（見(jiàn)圖5 和圖6），橫向桁架變形較大，應(yīng)力比局部超限，后通過(guò)比較采用封口邊桁架和系桿對(duì)結(jié)構(gòu)的影響后，決定采用封邊桁架結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)周期變小，結(jié)構(gòu)剛度變大，整個(gè)屋蓋的變形也比原結(jié)構(gòu)方案小10mm，桿件的應(yīng)力比也得到了控制。

圖5 原結(jié)構(gòu)方案局部（檐口檁條兼做系桿）

圖6 原結(jié)構(gòu)方案 （檐口增加變桁架）

2.2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)通過(guò)6 根樹形柱支撐縱向組合空間矩形桁架[1，2]，并在樹形柱的位置采用橫向桁架加強(qiáng)支座的整體性，組合空間矩形桁架跨度67.2m，兩端懸挑33.9m，組合空間矩形桁架高3.6～4.5m，寬9m。以縱向組合空間矩形桁架為基礎(chǔ)，添加橫向懸挑平面桁架，橫向懸挑平面桁架每側(cè)懸挑9m，橫向懸挑桁架之間采用水平支撐進(jìn)行連接，端頭采用封邊桁架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。樹形柱和縱向空間矩形桁架模型與橫向懸挑平面桁架模型按建筑造型共同組成整體結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。桁架形狀根據(jù)建筑曲線找形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑造型緊密結(jié)合，充分體現(xiàn)了建筑效果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不斷優(yōu)化桿件截面，最終確定樹形柱主要截面采用φ560mm×20mm，鋼管桁架主要截面為φ121mm×4mm～φ377mm×16mm，鋼材采用Q355B。荷載根據(jù)建筑做法及GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定取值。

圖7 整體結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 兩種有限元軟件主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表1 的計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)果計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)采用2 種軟件進(jìn)行對(duì)比校核，計(jì)算結(jié)果基本吻合，確保了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

表1 主要計(jì)算結(jié)果匯總表

3.2 靜力特性

3.2.1 應(yīng)力分析

從計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)整體受力對(duì)稱均勻，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在組合空間矩形桁架懸挑支座處，為150MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在豎形柱上，為200MPa，最大應(yīng)力比約控制在0.7，計(jì)算結(jié)果基本符合常規(guī)力學(xué)知識(shí)?？紤]到本項(xiàng)目跨度大，懸挑長(zhǎng)，豎向構(gòu)件少的不利因素，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)樹形柱區(qū)域采用增加支撐數(shù)量的措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，增加了結(jié)構(gòu)冗余度，保證了結(jié)構(gòu)安全性。具體應(yīng)力分布詳見(jiàn)圖8。

3.2.2 變形分析

結(jié)構(gòu)豎向變形基本對(duì)稱，其中懸挑端部最大撓度132mm，跨中反拱12mm，均滿足規(guī)范的要求，如圖9 所示。設(shè)計(jì)時(shí)要求懸挑端適當(dāng)起拱，從而進(jìn)一步控制豎向變形。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 變形云圖

3.3 動(dòng)力特性

特征值分析采用子空間疊代法，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，前幾階振型均為整體振動(dòng)，未出現(xiàn)局部振動(dòng)。第一階振型以縱向振動(dòng)為主，并伴隨局部上下振動(dòng)，這是由于跨度大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱向剛度和豎向剛度弱，計(jì)算時(shí)需適當(dāng)考慮豎向風(fēng)荷載和地震力的影響；第二振型為扭轉(zhuǎn)振型，由于結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，扭轉(zhuǎn)剛度差，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)早；第三振型為橫向平動(dòng)。第一扭轉(zhuǎn)振型周期和第一平動(dòng)振型周期比值小于0.9，滿足規(guī)范要求，可以避免結(jié)構(gòu)過(guò)早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞。通過(guò)以上分析可知結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本滿足要求，結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，且未出現(xiàn)局部振動(dòng)。

3.4 抗連續(xù)性倒塌分析

按照J(rèn)GJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，采用拆除重要構(gòu)件的方法對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行抗連續(xù)性倒塌驗(yàn)算。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，現(xiàn)考慮其中一個(gè)樹形柱的一個(gè)重要分叉支撐失效對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，由于樹形柱分叉支撐失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺少一個(gè)重要的支撐點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的懸挑和跨度均帶來(lái)不利影響。設(shè)計(jì)中采用拆除法，對(duì)豎向荷載采用動(dòng)力放大系數(shù)，對(duì)拆除區(qū)域的豎向荷載動(dòng)力放大系數(shù)取2，其余均取1，抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)中進(jìn)行鋼材正截面承載力驗(yàn)算時(shí)，鋼材強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值的1.25 倍，因此，最大應(yīng)力比不能超過(guò)1.25方能保證結(jié)構(gòu)不倒塌[3～5]。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)某一根樹形柱關(guān)鍵支撐構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比未超過(guò)1.25，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)可以滿足抗連續(xù)性倒塌的要求（見(jiàn)圖10）。

圖10 樹形柱關(guān)鍵支撐構(gòu)件破壞后應(yīng)力云圖

4 節(jié)點(diǎn)計(jì)算及設(shè)計(jì)

4.1 相貫節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法

本項(xiàng)目采用將圓鋼管直接相貫焊接，相貫節(jié)點(diǎn)為主管連通，對(duì)支管進(jìn)行相貫線切割后，再焊接連接到主管上。本工程管桁架節(jié)點(diǎn)處相連桿件多，節(jié)點(diǎn)類型有空間TK 型、空間KTK型和空間KK 型等更為復(fù)雜的空間節(jié)點(diǎn)[6]。

由于本項(xiàng)目相貫節(jié)點(diǎn)種類多，設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)充分研究，采用以下3 種措施進(jìn)行復(fù)核：（1）對(duì)于簡(jiǎn)單相貫節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范理論公式直接復(fù)核承載力；（2）對(duì)于較為復(fù)雜的空間相貫節(jié)點(diǎn)，能區(qū)分主、次管的情況，可采用3D3S 有限元軟件相貫節(jié)點(diǎn)復(fù)核功能進(jìn)行復(fù)核，使用該功能時(shí)，要注意人為指定好主管和支管，對(duì)于多根桿件交匯時(shí)可將節(jié)點(diǎn)承載力打折，考慮到本項(xiàng)目的重要性，折減系數(shù)取0.75；（3）對(duì)于無(wú)法區(qū)分主次管的相貫節(jié)點(diǎn)，采用大型通用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行詳細(xì)分析，本工程樹形柱根部由4 根鋼管相貫焊在一起，普通有限元采用的桿件單元不能精確進(jìn)行計(jì)算，由于樹形柱的重要性，對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)用ANSYS 進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析，采用Solid45實(shí)體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分模擬，將各鋼管內(nèi)力在整體模型中讀取并施加到相應(yīng)位置[7，8]，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示，左側(cè)2 根鋼管直接連接縱向組合空間矩形桁架，受力直接，應(yīng)力大，右側(cè)兩根鋼管分擔(dān)的荷載小，整體計(jì)算應(yīng)力云圖結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力100MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 柱腳節(jié)點(diǎn)選擇

本工程跨度大，豎向構(gòu)件少，柱底彎矩大，采用外露式柱腳對(duì)抗震性能不利，且對(duì)錨栓要求過(guò)高；埋入式柱腳是將鋼柱插入基礎(chǔ)中，本工程柱腳為變截面柱腳，插入基礎(chǔ)時(shí)，由于截面過(guò)大會(huì)影響基礎(chǔ)鋼筋綁扎及混凝土澆筑質(zhì)量；當(dāng)采用外包柱腳時(shí)，一般要求外包混凝土高度是2.5 倍鋼柱截面高度，而本工程柱腳為多根鋼管相匯形成倒三角形狀，柱腳為變截面，最下端為800mm，首先不能很準(zhǔn)確確定鋼管直徑的取值，而且由于建筑造型的要求外包混凝土不能過(guò)高。

本工程嘗試采用將外露式柱腳與外包式柱腳混用，分別按外露式柱腳和外包式柱腳計(jì)算柱腳承載力均可以滿足要求，既彌補(bǔ)了外露式柱腳抗震性能弱的缺點(diǎn)又彌補(bǔ)了外包式柱腳外包混凝土構(gòu)造高度偏小的問(wèn)題，具體如圖12 所示。

圖11 柱腳節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

圖12 分叉柱腳節(jié)點(diǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

由于某長(zhǎng)江公鐵大橋收費(fèi)站造型呈鳥翅狀，屋蓋形狀比較復(fù)雜。為充分展現(xiàn)建筑效果，分析了結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力特性，在滿足規(guī)范的前提下，對(duì)薄弱部位進(jìn)一步加強(qiáng)。由于樹形柱的重要性，采用了拆除法分析了結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌能力。鋼管連接采用圓鋼管相貫焊接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，針對(duì)不同的類型運(yùn)用了相應(yīng)的方法進(jìn)行復(fù)核。采用外露和外包混合式柱腳，提高了柱腳節(jié)點(diǎn)安全性。保證了結(jié)構(gòu)的安全、合理性和造型美觀。