南寧外環(huán)高速公路某收費(fèi)大棚雙橢圓拱肋設(shè)計(jì)方案分析

李錦彌

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

高速公路收費(fèi)站的收費(fèi)大棚除了應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)安全可靠和車輛通行順暢的要求外，還應(yīng)體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐拿袼罪L(fēng)情和時(shí)代特征等文化要素，體現(xiàn)個(gè)性化、不雷同，因此收費(fèi)大棚的建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮多種因素和有所創(chuàng)新，較為復(fù)雜。

南寧外環(huán)高速公路路線起于安吉，連接已有的南寧環(huán)城高速公路安吉互通立交，終于玉洞，接已建成通車的南寧環(huán)城高速公路南環(huán)段，主線全長81.538 km，沿線主要控制點(diǎn)有高峰、五塘、那容、南寧港、八鯉、新江。其中某一控制點(diǎn)的收費(fèi)站收費(fèi)大棚并未采用傳統(tǒng)的網(wǎng)架平頂結(jié)構(gòu)，而選用了雙橢圓大拱與懸索相結(jié)合的造型，充分體現(xiàn)出時(shí)代風(fēng)貌，給人以新穎、別致的深刻印象，令人難忘，該建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方面亦有一定挑戰(zhàn)。本文以該收費(fèi)大棚項(xiàng)目為工程案例，介紹其設(shè)計(jì)方面的考慮要點(diǎn)，以期為今后類似工程項(xiàng)目提供技術(shù)參考。

1 工程概況

該收費(fèi)站由收費(fèi)大棚、辦公樓、職工公寓、食堂、門衛(wèi)室、變電房、水塔、污水處理站等多個(gè)建筑單體組成，不計(jì)收費(fèi)大棚，收費(fèi)站總建筑面積為1 600 m2，場區(qū)用地面積為4 000 m2，其中，建筑占地為720 m2，道路停車場面積為1 926.67 m2，綠化面積為746.67 m2。收費(fèi)大棚收費(fèi)通道為五進(jìn)九出，總建筑面積為750 m2，一層，建筑高度為16.0 m，建成運(yùn)營后車道凈高有6.100～6.514 m，建筑類別為二類建筑，耐火等級為Ⅱ級，屋面防水等級為Ⅱ級。大棚采用“拱結(jié)構(gòu)+框架結(jié)構(gòu)”的方式，拱肋由雙橢圓曲線勾勒出外形，為變截面高度拱，取用了橢圓的大半弧線，拱腳跨度為51.934 m，屬于大跨結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的柱頂用鋼結(jié)構(gòu)形成懸索造型，主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱、梁、板等主要構(gòu)件采用C25普通混凝土，拱肋和框架的基礎(chǔ)為人工挖孔樁基礎(chǔ)。大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6°，抗震等級為四級，基本風(fēng)壓取值為0.35 kN/m2。地質(zhì)勘察表明，場地土的類型為中軟土，Ⅱ類場地，屬于對建筑抗震不利地段。收費(fèi)大棚的建筑整體效果如圖1所示，大拱正立面尺寸見圖2。

圖1 收費(fèi)大棚整體效果圖

圖2 收費(fèi)大棚拱肋立面尺寸圖(mm)

2 建筑方案分析

收費(fèi)大棚為雙拱肋設(shè)計(jì)，通過每側(cè)四根水平異形系梁形成整體。拱主要起景觀造型的作用，可以營造出宏偉、穩(wěn)固、踏實(shí)的效果，但當(dāng)拱的跨度不大時(shí)，又容易產(chǎn)生壓抑的反面效果。本大棚拱肋由大、小兩橢圓曲線組合而成，截面高度光滑、連續(xù)改變，截面寬度保持2.000 m不變，拱肋頂部截面高度最小(為500 mm)，離地表(±0.000 m標(biāo)高)2.0 m處拱肋截面高度最大(為2.6 m)，往下2.0 m的拱肋繼續(xù)按既定橢圓曲線內(nèi)收，拱腳與樁基承臺(tái)結(jié)合處的截面高度再減小(為2.402 m)，因此此拱肋實(shí)際使用了橢圓的大半部分(見圖2)。拱肋外輪廓最寬處為55.600 m，拱腳中心跨度達(dá)51.934 m，跨度較大。系梁起景觀營造和參與結(jié)構(gòu)受力的作用，能給人以防止斜拱向外傾覆的安全感。框架結(jié)構(gòu)起承載屋蓋和景觀造型的雙重作用，利用其兩側(cè)的斜柱和屋頂以上懸鏈線形的鋼構(gòu)架，形成懸索造型，以懸索的輕盈感打破厚重的拱體帶來的壓抑感，再通過鋼纜將懸索與大拱連接，仿佛懸索與拱交織，相互借力，相映成趣。兩拱肋向拱平外傾斜5°，呈相互分離趨勢，從斜側(cè)面看，給人以展翅之意和欲倒而不倒的震撼感。兩拱的拱頂截面中心較拱腳截面中心分開距離為2.756 m。

3 結(jié)構(gòu)方案分析

3.1 拱肋材料選擇

由于拱肋跨度大，并且向拱平面外傾斜5°，景觀效果營造和受力上要求截面尺寸相應(yīng)較大，且是變截面。根據(jù)主材種類，可選用的結(jié)構(gòu)方案有三種，各方案分析評述如下：

(1)鋼結(jié)構(gòu)拱肋：較容易通過工廠預(yù)制加工，在現(xiàn)場安裝，施工效率高，但需要考慮失穩(wěn)問題。用鋼量較大，對于以造型功能為主的構(gòu)件，鋼材強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法得到充分利用。而且，鋼拱肋需要定期進(jìn)行防腐維護(hù)，其內(nèi)部難以涂漆，因此耐腐蝕性能不佳，維護(hù)成本較高，因此此方案無明顯優(yōu)勢。

(2)鋼-混凝土組合拱肋：可考慮采用的組合方式有兩種，即內(nèi)部型鋼骨架與外部鋼筋混凝土組合和外部鋼管與內(nèi)填混凝土組合。后者同樣需要定期進(jìn)行外部防腐涂裝維護(hù)。這兩種組合方式主要用于解決截面尺寸受限與承載力需求較高的矛盾，克服鋼結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)和防腐維護(hù)的不足。但本收費(fèi)大棚景觀造型大拱截面尺寸不受限制，對承載力要求低，因此采用該組合結(jié)構(gòu)不太經(jīng)濟(jì)。

(3)鋼筋混凝土拱肋：用鋼量小，建造成本低，耐久性好，易維護(hù)，與鋼筋混凝土基礎(chǔ)更容易連接，這些是鋼筋混凝土方案的顯著優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是自重大，地震響應(yīng)大，無法預(yù)制，需要現(xiàn)場立模施工，工期較長。

經(jīng)過綜合比較分析，認(rèn)為鋼筋混凝土拱肋在滿足功能要求、耐久性要求、抗震要求和可施工的前提下，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，因此最終選用鋼筋混凝土拱肋方案。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

兩大拱肋向拱平面外傾雖只有5°，但在地基條件一般的情況下，因混凝土拱肋體積和重量大，產(chǎn)生的拱腳傾覆彎矩非常大，特別在順道路方向水平地震作用下，拱肋可能傾覆，安全性難以保證，給基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來極大困難，將大幅增加基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用。因此在兩座拱肋的兩端各設(shè)置了4道水平系梁(見圖1)，平衡了拱腳傾覆力矩。此外，兩拱同側(cè)拱腳還設(shè)置暗埋的水平基礎(chǔ)拉梁，與水平系梁一道將兩拱聯(lián)成整體，形成自平衡體系。在自重作用下，每一拱肋的拱腳水平推力很大，可使拱腳樁基礎(chǔ)承受過大剪力。為此，同一拱肋的兩拱腳也設(shè)置暗埋基礎(chǔ)拉梁，可減小樁基承臺(tái)體積和樁直徑。

3.3 結(jié)構(gòu)分析方法

此景觀大拱實(shí)際是一座空間結(jié)構(gòu)，常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件無法建模并準(zhǔn)確地分析受力，因此本工程采用AutoCAD軟件與大型通用有限元軟件SAP2000聯(lián)合建立拱肋、水平系梁、基礎(chǔ)拉梁的整體模型，充分考慮可能出現(xiàn)的不利工況，進(jìn)行受力分析，再根據(jù)內(nèi)力值確定拱肋和基礎(chǔ)的鋼筋配置。

建模流程為：根據(jù)建筑施工圖給定的拱肋各截面形心三維坐標(biāo)，在AutoCAD軟件中生成多個(gè)Point，將各Point按順序用Line連接，建立三維空間單曲線模型，整個(gè)大拱由多根Line組成，最后保存為DXF格式模型文件；由SAP2000軟件導(dǎo)入該DXF格式模型，導(dǎo)入時(shí)，為所有Line賦予Frame桿單元，并指定Z坐標(biāo)為高度方向；在SAP2000軟件中定義各段Frame單元的平均截面尺寸和材料參數(shù)，賦給相應(yīng)的Frame單元。

邊界條件設(shè)置為：一端拱腳為固定約束，另一端拱腳只約束豎向位移和繞X、Y、Z三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，讓拱腳的水平推力和水平平動(dòng)由基礎(chǔ)拉梁承擔(dān)。因?yàn)槭召M(fèi)大棚周邊地形空曠，需要考慮風(fēng)荷載的作用，以保證足夠的安全度。由于拱與框架結(jié)構(gòu)相互分離，不傳力，因此拱上只需考慮自重、升溫、降溫、風(fēng)荷載各自單獨(dú)作用和共同作用五種工況。自重由SAP2000軟件根據(jù)所輸入的拱肋截面尺寸自動(dòng)計(jì)算；風(fēng)荷載取值則根據(jù)拱肋離開地表高度按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)和迎風(fēng)面高度以均布線荷載的方式分段施加，只需在拱肋截面中心標(biāo)高為12.046～15.750m的區(qū)段施加；風(fēng)壓等效換算線荷載值為0.482～0.781kN/m；升、降溫幅度根據(jù)南寧本地氣象資料均取為8 ℃。建立的SAP2000有限元模型如圖3所示。

3.4 拱肋受力及變形分析

在自重、降溫和風(fēng)荷載共同作用(作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合)下，大拱的計(jì)算變形如圖4所示。計(jì)算得到的拱頂最大豎向撓度為24.8mm，跨度為1/209.4，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖3 SAP2000有限元分析模型圖

圖4 SAP2000計(jì)算變形示意圖(自重+降溫+風(fēng))

3.5 自振特性和抗震性能初步分析

拱肋上小下大的變截面高度外形與水平地震作用的剪力和彎矩分布趨勢基本一致，因此是有利于抗震的。圖5給出了大拱體系的前三階自振振型及相應(yīng)的周期、頻率，周期值略高于地質(zhì)勘察報(bào)告所給出的地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35s，但差距不大，在同一數(shù)量級，因此仍需采取必要的抗震措施，保證大拱體系的抗震性能。具體措施有：(1)地震作用效應(yīng)采用反應(yīng)譜法計(jì)算得到，作用效應(yīng)組合分為考慮地震作用和不考慮地震作用兩種；(2)利用兩拱之間的連接構(gòu)件——八根拱肋系梁和四道地下拱腳拉梁，使拱肋與拉梁構(gòu)成自平衡體系，在中、強(qiáng)震作用下應(yīng)確保拱肋與所有系梁、拉梁不發(fā)生脫離，即可保證拱肋不致于傾覆，因此配筋時(shí)須保證縱向鋼筋足夠的錨固長度，并適當(dāng)提高拱肋和拉梁的配箍率。

(a)第一振型(兩拱同向橫擺，周期T1=0.422 s，頻率f1=2.371 Hz)

(b)第二振型(兩拱同步豎向起伏，周期T2=0.386 s，頻率f2=2.591 Hz)

(c)第三振型(兩拱反向橫擺，周期T1=0.381 s，頻率f1=2.624 1 Hz)

4 結(jié)語

每座高速公路收費(fèi)站的收費(fèi)大棚都應(yīng)具有其獨(dú)特性，它是反映當(dāng)?shù)厝宋暮蜁r(shí)代特征的重要載體。作為一種文化標(biāo)志，收費(fèi)大棚應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)令人難忘、一睹外觀便知所在的藝術(shù)效果。本文介紹的南寧某收費(fèi)站收費(fèi)大棚一改收費(fèi)大棚普遍采用的平而寬的屋頂造型和鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，運(yùn)用了拱+索這兩種剛?cè)嵯酀?jì)的設(shè)計(jì)元素，將兩者自然地融合為一體，既穩(wěn)重，又不失輕巧，此風(fēng)格的收費(fèi)大棚相對較少。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，大跨度雙橢圓曲線變截面拱肋基本符合力與美協(xié)調(diào)統(tǒng)一的經(jīng)典設(shè)計(jì)理念；在材料種類和結(jié)構(gòu)類型選擇上，應(yīng)根據(jù)可施工性、經(jīng)濟(jì)性、設(shè)計(jì)難度確定最終方案；結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)從整體受力上設(shè)計(jì)成自平衡體系，減小基礎(chǔ)受力并有利于提高抗震性能，降低造價(jià)；對于帶有斜向曲線的空間結(jié)構(gòu)，可采用CAD和有限元軟件建立空間模型進(jìn)行受力分析；邊界條件應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，既滿足受力平衡條件又偏于安全；荷載應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，不可漏計(jì)作用種類；作用效應(yīng)組合應(yīng)考慮同時(shí)出現(xiàn)的可能性，取最不利內(nèi)力值作為構(gòu)件材料用量的依據(jù)。