網(wǎng)架結(jié)構(gòu)收費(fèi)大棚設(shè)計分析與應(yīng)用

王展

摘要：空間網(wǎng)架是當(dāng)前使用較為普遍的一種輕鋼結(jié)構(gòu)類型，具有用鋼量小、整體性好、制作安裝便捷、施工難度小、質(zhì)量易于控制、安裝周期短等優(yōu)點(diǎn)，主要運(yùn)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(fā)展，解決了結(jié)構(gòu)高次超靜定問題，使得空間網(wǎng)架的設(shè)計變的相對簡單，本論述主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)對空間網(wǎng)架進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：空間網(wǎng)架;結(jié)構(gòu)設(shè)計;收費(fèi)大棚

中圖分類號：TU356文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是收費(fèi)大棚常用的一種結(jié)構(gòu)形式，是由多跟桿件組合而成額網(wǎng)格狀高次超靜定空間桿件體系。該結(jié)構(gòu)具有空間剛度好、可實現(xiàn)大跨度需求、用料省、施工速度快、安裝方便、施工質(zhì)量易于控制等優(yōu)點(diǎn)。在實際工程中應(yīng)用非常廣泛。

1收費(fèi)大棚特點(diǎn)

收費(fèi)大棚的柱距由收費(fèi)車道的數(shù)量、車道寬度確定，根據(jù)建筑立面的要求，收費(fèi)大棚在與行車方向垂直的柱距通常為2～ 6個收費(fèi)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(fèi)車道間設(shè)置有2.2 m寬的收費(fèi)島。

收費(fèi)大棚的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上面鋪設(shè)有屋面板，屋面板上面設(shè)置有站名以及甘肅高速的logo;網(wǎng)架下掛有照明的燈具以及交安、機(jī)電工程的設(shè)施及指示牌等。收費(fèi)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(fèi)亭。

對于車道數(shù)較多的收費(fèi)站，為保證收費(fèi)人員安全，在收費(fèi)廣場下還設(shè)置有地下通道，在進(jìn)行收費(fèi)大棚的設(shè)計時，網(wǎng)架的柱子還應(yīng)避開地下通道。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

收費(fèi)大棚計算采用同磊3d3s Design進(jìn)行。

2.1結(jié)構(gòu)建模

在網(wǎng)架設(shè)計中通常會選擇四角錐體中的正方四角錐網(wǎng)架，該網(wǎng)架具有受力均勻，空間剛度大等特點(diǎn)?？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(wǎng)架支座的選擇上優(yōu)先選用上弦支承方式。收費(fèi)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(jìn)行屋面排水。鋼柱采用圓鋼管，下端與基礎(chǔ)剛性連接。在進(jìn)行網(wǎng)架設(shè)計之前，通常將桿件定義為，后期進(jìn)行構(gòu)件截面放大見表1所列。

雖然網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)，可認(rèn)為剛度為無窮大。但是對于單根柱來說，網(wǎng)架支座局部并不能給鋼柱提供足夠的側(cè)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(chǔ)采用剛性連接，加之，收費(fèi)大棚上側(cè)設(shè)置有混凝土收費(fèi)島，整體剛度較大，可認(rèn)為是剛接，故柱計算長度系數(shù)取值為2.03，需在模型中自行輸入。

在結(jié)構(gòu)建模中，應(yīng)盡量將網(wǎng)架與下部鋼柱的模型都建在一起，這樣可以利用柱頂?shù)淖冃螀f(xié)調(diào)條件，在受力分析中充分考慮二者的剛度影響，計算結(jié)構(gòu)更加精準(zhǔn)、可靠。

2.2荷載及地震作用

2.2.1恒活荷載

收費(fèi)大棚的使用功能及工作環(huán)境比較類似，荷載也比較類似。

上部恒荷載主要包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上部的小立柱、標(biāo)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(guī)范進(jìn)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(jī)電及交安設(shè)備、標(biāo)牌等。

2.2.2風(fēng)荷載

收費(fèi)站通常設(shè)置于郊區(qū)和城鄉(xiāng)的邊緣，建筑物較少，地面粗糙度一般為B類。設(shè)計風(fēng)壓為100年一遇，收費(fèi)大棚為四面開敞型構(gòu)筑物，建筑物的上、下、左、右、前、后六個面或多或少都受到風(fēng)荷載的作用。風(fēng)荷載的體形系數(shù)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>[2]8.3.1條第2、27項選取。

2.2.3地震作用

根據(jù)本地區(qū)抗震設(shè)防烈度，考慮水平地震作用O 對于8、9度抗震設(shè)防地區(qū)，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(jù)收費(fèi)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(jìn)行組合，荷載組合中應(yīng)注意勾選“是否按照可靠度規(guī)范取值”。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1允許撓度

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的容許撓度，用作屋蓋時不得超過網(wǎng)架短向跨度的l/250o 一般情況下，按強(qiáng)度控制而選用的網(wǎng)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(wǎng)架，即使采用了較小的高度（如跨度的1/16），只要選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)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(xì)比

桿件的長細(xì)比分如下幾種情況：受壓構(gòu)件允許長細(xì)比為1/180;一般受拉構(gòu)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(xiàn)場安裝，桿件的截面種類不易過多，一般中跨度網(wǎng)架可控制到10種以內(nèi);（2）應(yīng)選用常用的標(biāo)準(zhǔn)圓鋼種類;（3）在相同截面下，優(yōu)先選用薄壁截面的桿件，有利于壓桿穩(wěn)定。

2.3.4支座節(jié)點(diǎn)

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(fèi)大棚的支座節(jié)點(diǎn)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(fèi)大棚采用雙層平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，根據(jù)收費(fèi)車道數(shù)、收費(fèi)島、車道寬度，并結(jié)合建筑造型及機(jī)電設(shè)備平面布置。收費(fèi)大棚網(wǎng)架平面尺寸為48.1 mx20m，行車方向設(shè)置2排柱子，柱距為13 m，兩側(cè)懸挑長度均為3.5 m;垂直行車方向設(shè)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(wǎng)架高度為0.9 m。

該地區(qū)基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2（100年一遇），抗震設(shè)防烈度為7度0.15 g，設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全性等級為二級。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)格形式采用正放四角錐，將全部網(wǎng)架桿件設(shè)置為甲60X3.5截面，釋放桿件強(qiáng)、弱軸兩端節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)類型為螺栓球，采用上弦支承，根據(jù)建筑檐口高度及基礎(chǔ)頂設(shè)計標(biāo)高，鋼柱底定義為剛性約束，設(shè)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(fēng)荷載）：基本風(fēng)壓取為0.35 kN/m>收費(fèi)大棚上表面風(fēng)荷載體形系數(shù)取為-L3，迎風(fēng)面體形系數(shù)取為0.8，背風(fēng)面體形系數(shù)取為-0.5，兩個側(cè)面體形系數(shù)取為-0.7。工況3（風(fēng)荷載）：基本風(fēng)壓取為0.35 kN/m。，收費(fèi)大棚上表面風(fēng)荷載體形系數(shù)取為-1.3，迎風(fēng)面、背風(fēng)面體形系數(shù)取為-0.7，左側(cè)面體形系數(shù)為0.8，右側(cè)體形系數(shù)為-0.5?？拐鹪O(shè)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(jīng)計算，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在最不利工況下，網(wǎng)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(jié)果均滿足規(guī)范的相關(guān)要求，網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)最不利組合下最大、最小位移數(shù)值詳見表3所列，鋼柱柱頂節(jié)點(diǎn)最不利組合下最大、最小位移數(shù)值詳見表4所列。

在模型的構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計過程中，對網(wǎng)架構(gòu)件及鋼柱的應(yīng)力比分別進(jìn)行限定，將控制應(yīng)力比設(shè)定在0.85～ 0.90，對所有網(wǎng)架桿件進(jìn)行截面放大。每進(jìn)行一次截面優(yōu)化及調(diào)整需要再進(jìn)行內(nèi)力計算，重復(fù)調(diào)整直至應(yīng)力滿足設(shè)計要求，將桿件長細(xì)比控制在1/180⑷。鋼柱的長細(xì)比按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》⑸要求的1/150進(jìn)行控制。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖如圖1所示。

桿件和螺栓球設(shè)計完成后，需要進(jìn)行網(wǎng)架支座的設(shè)計，網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，除收到壓力、拉力、扭矩外，還有側(cè)移和轉(zhuǎn)動⑵。設(shè)計中需同時滿足網(wǎng)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(jié)點(diǎn)驗算。

設(shè)計完成后，需要對鋼結(jié)構(gòu)的含鋼量進(jìn)行驗算，查看是否在正常用鋼量范圍內(nèi)，可以作為一種對模型的校核方式。網(wǎng)架平面布置圖如圖2所示。

4結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

公路沿線常用的收費(fèi)大棚所采用的結(jié)構(gòu)形式有空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)等，其中以空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)運(yùn)用最為廣泛。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定強(qiáng)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靠桿件的軸向拉壓力傳遞荷載，類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的上、下側(cè)縱向鋼筋的受力方式，但與鋼筋混凝土構(gòu)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(qiáng)度得到充分利用。與普通實腹式鋼結(jié)構(gòu)相比，其減輕了腹板的重量，可節(jié)約鋼材20%～ 50%。

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)輕質(zhì)的特點(diǎn)，其在地震發(fā)生時產(chǎn)生的地震力也比較小，利用鋼材具有優(yōu)良延性的特點(diǎn)，可通過其自身的變形協(xié)調(diào)，消耗大量的地震作用。此外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常空間剛度大，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會倒塌，故具備優(yōu)良的抗震性能。

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

隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在行業(yè)內(nèi)形成了較為固定的圓鋼管規(guī)格，在網(wǎng)架設(shè)計完成后，桿件表中會形成大量尺寸規(guī)格相同的桿件，利于工廠批量生產(chǎn)，生產(chǎn)質(zhì)量好、效率高，生產(chǎn)完成后直接運(yùn)輸至現(xiàn)場組裝，施工周期短“。

在設(shè)計過程中，通過對網(wǎng)架進(jìn)行拉伸，可以形成各種不同形狀、樣式的平面造型。結(jié)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型輕巧，造型多變。

5結(jié)束語

介紹了公路沿線收費(fèi)大棚的特點(diǎn)及大棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有大開間、空間布置靈活等特點(diǎn)。通過分析可以看出，合理的網(wǎng)架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)布置及正確的荷載施加，尤其是風(fēng)荷載的作用，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國建筑科學(xué)研究院.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JG]7—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]中國建筑科學(xué)研究院，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]張毅剛，薛素鐸，楊慶山.大跨空間結(jié)構(gòu)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]高銘.高速公路沿線網(wǎng)架結(jié)構(gòu)收費(fèi)大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)分析[J].江西建材，2019（2）：38-39.

[5]中冶京誠工程技術(shù)有限公司.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB50017-2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[6]馬克儉，張華剛，鄭濤，新型建筑空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.