某高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

李 兵，龍海豐

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

由于鋼結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，目前鋼結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)高速公路收費(fèi)大棚的主要結(jié)構(gòu)形式。甲方對(duì)收費(fèi)大棚外立面的要求越來(lái)越高，應(yīng)當(dāng)利用鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出獨(dú)特新穎的樣式，以滿足業(yè)主需求。為保證收費(fèi)大棚結(jié)構(gòu)安全，完美展示收費(fèi)大棚造型，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況從多種結(jié)構(gòu)方案中進(jìn)行比選，以滿足建筑造型和經(jīng)濟(jì)效益的雙重要求。

1 高速公路收費(fèi)大棚設(shè)計(jì)的共性

高速公路收費(fèi)大棚的安全主要由結(jié)構(gòu)控制，為增強(qiáng)收費(fèi)大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性，收費(fèi)大棚在長(zhǎng)期發(fā)展中，已逐步形成了一定設(shè)計(jì)共性，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)空間。此類大棚通常采用平板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示。

圖1 某網(wǎng)架模型

該鋼結(jié)構(gòu)形式不會(huì)造成較大的結(jié)構(gòu)立面起伏。此外，為體現(xiàn)簡(jiǎn)潔大方的造型，收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)間距一般均較大，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)橫向柱距應(yīng)以收費(fèi)廣場(chǎng)平面為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)間距一般處于12～25m 范圍內(nèi)。為防止高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)影響道路車輛正常通行，收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)合理控制其凈高，其數(shù)值須在5.5m 以上，若收費(fèi)大棚最外側(cè)車道為超寬車道，則需將收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5.5～8m。結(jié)合上述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)看，收費(fèi)大棚選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為適合。此外，通常采用正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，因其穩(wěn)定性較好且平面規(guī)則美觀，不會(huì)影響高度公路收費(fèi)大棚車輛的通行。該結(jié)構(gòu)形式下，鋼結(jié)構(gòu)的加工形式簡(jiǎn)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(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（2）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。相較于其他工程中的鋼結(jié)構(gòu)，高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)整體造型形式相對(duì)特別，在設(shè)計(jì)期間，為保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，可將收費(fèi)大棚鋼柱及柱腳帶入模型中整體計(jì)算，考慮到加工及現(xiàn)場(chǎng)施工誤差等因素，一般將鋼柱及網(wǎng)架的桿件應(yīng)力比控制在0.90 以內(nèi)，豎向撓度控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。同時(shí)將鋼柱設(shè)置為多點(diǎn)支承，在鋼結(jié)構(gòu)過(guò)渡板上部位置設(shè)置支座，其鉸接于網(wǎng)架下弦支承點(diǎn)上。

2 高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

在高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，需在綜合考慮風(fēng)荷載、重力荷載基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，需使屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(nèi)。計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)桿件時(shí)，將桿件節(jié)點(diǎn)看作鉸接，釋放鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)軸、弱軸約束，使桿件在強(qiáng)軸、弱軸兩個(gè)方向均可扭轉(zhuǎn)，以保證鋼結(jié)構(gòu)桿件僅可受到軸向力影響。

2.2 抗震設(shè)計(jì)

通常情況下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度在Ⅷ度以上時(shí)須考慮地震作用，在鋼結(jié)構(gòu)屋蓋網(wǎng)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的豎直方向、水平方向的抗震情況，懸挑部分的鋼結(jié)需驗(yàn)算其豎向抗震數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，應(yīng)以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）為依據(jù)，參考其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度抗震等級(jí)要求展開(kāi)設(shè)計(jì)計(jì)算，而在設(shè)計(jì)期間，收費(fèi)大棚地震阻尼比參數(shù)取值0.04，振型數(shù)取6～10。

2.3 桿件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為保障高速公路收費(fèi)大棚整體安全性，其桿件設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)，將鋼結(jié)構(gòu)受拉桿件長(zhǎng)細(xì)比允許限值控制在1/200 以內(nèi)，受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比允許限值控制在1/150 以內(nèi)，網(wǎng)架支座桿件等關(guān)鍵桿件長(zhǎng)細(xì)比允許限值控制在1/120 以內(nèi)，同時(shí)使收費(fèi)大棚鋼管截面超過(guò)?60×3.5。桿件鋼結(jié)構(gòu)截面計(jì)算設(shè)計(jì)后，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)桿件鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，要求重復(fù)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移等參數(shù)，以實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)桿件等。在收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)體系中，多用螺栓球節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，根據(jù)套筒接觸面情況控制螺栓球大小，同時(shí)在設(shè)計(jì)期間組織球體碰撞驗(yàn)算工作，為后續(xù)高質(zhì)量鋼結(jié)構(gòu)施工奠定基礎(chǔ)。結(jié)合高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)體系的跨度大來(lái)看，因鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架制作所承受的反力較大，故需至少運(yùn)用四個(gè)螺栓將其連接，以此保障鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.4 荷載取值設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)恒荷載主要為收費(fèi)大棚的建筑裝飾，及鍍鋅板、彩鋼板等結(jié)構(gòu)材料，此外，交通機(jī)電設(shè)備等同樣可形成鋼結(jié)構(gòu)恒荷載。收費(fèi)大棚主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，建筑四周為四面敞開(kāi)式形式，且鋼結(jié)構(gòu)坡度主要依靠支托、檁條實(shí)現(xiàn)，故結(jié)合收費(fèi)大棚整體鋼結(jié)構(gòu)樣式來(lái)看，其能夠受到風(fēng)荷載影響，故在設(shè)計(jì)收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)使，應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)正向與側(cè)向所受到的風(fēng)荷載作用力。在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，應(yīng)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）確定收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)正向、側(cè)向的風(fēng)荷載取值情況，同時(shí)綜合考慮收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際形式及當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，對(duì)正向、側(cè)向風(fēng)荷載參數(shù)進(jìn)行修正，以此確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間能夠正確取值風(fēng)荷載。為最大限度提高高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，保障鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)立足于實(shí)際精準(zhǔn)計(jì)算重力荷載與風(fēng)荷載，以此方可保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例分析

3.1 工程概況

為增強(qiáng)本次收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析現(xiàn)實(shí)意義，本次選取某高速公路收費(fèi)大棚項(xiàng)目為實(shí)例，立足于實(shí)際討論高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。該收費(fèi)大棚整體采用鋼結(jié)構(gòu)，收費(fèi)大棚凈高度、結(jié)構(gòu)跨度、跨中建筑高度、分別為6.6m、25m、14.6m，結(jié)合業(yè)主要求收費(fèi)大棚須打造特色化及地域化造型，這進(jìn)一步提高了高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。在該高速公路收費(fèi)大棚中，部分造型需依托于玻璃幕墻完成設(shè)計(jì)，為避免鋼結(jié)構(gòu)使用阻礙玻璃幕墻的建設(shè)，故排除了張弦立體拱架鋼結(jié)構(gòu)，為保障收費(fèi)大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并確保收費(fèi)大棚設(shè)計(jì)造型呈現(xiàn)效果，需對(duì)收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)方案對(duì)比選出最佳鋼結(jié)構(gòu)方案。在此高速公路收費(fèi)大棚項(xiàng)目中，首先對(duì)收費(fèi)大棚施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面外業(yè)勘察，結(jié)合收費(fèi)大棚造型要求，最終制定出兩種鋼結(jié)構(gòu)方案。方案一：選取網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(gè)整體結(jié)構(gòu)，以此搭建出整個(gè)收費(fèi)大棚造型。方案二：選用四邊形桁架拱結(jié)構(gòu)，采用橫向連接的方式，將兩榀四邊形桁架拱連接為整個(gè)結(jié)構(gòu)，以此呈現(xiàn)出收費(fèi)大棚的整體造型[1]。在上述兩種高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)方案中，所用到鋼材均為Q235B 規(guī)格的材料。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)選型對(duì)比

為驗(yàn)證上述兩種高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)方案的可行性，案例項(xiàng)目通過(guò)構(gòu)建有限元模型的方式加以計(jì)算驗(yàn)證。案例項(xiàng)目選用同濟(jì)大學(xué)3D3S 軟件構(gòu)建有限元模型，模擬收費(fèi)大棚實(shí)際造型，此外在案例項(xiàng)目中，兩種方案柱腳均采用鋼接約束性條件，以此確保所構(gòu)建的空間有限元模型符合方案情況。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》選取荷載值，具體如下：①恒荷載：自重系數(shù)選取1.05，收費(fèi)大棚彩鋼琉璃瓦材料、輕型玻璃材料（含吊頂）區(qū)域自重分別定為0.5kN/m2、0.9kN/m2。②活荷載與風(fēng)荷載分別定為0.5kN/m2、0.4kN/m2，其中風(fēng)荷載數(shù)值為基本風(fēng)壓值。③地震荷載。地震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，根據(jù)場(chǎng)地特征將特征周期定為0.35s，按照Ⅱ類建筑場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)置，將鋼結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為0.035。根據(jù)此高速公路收費(fèi)大棚整體造型情況構(gòu)建有限元模型，并將上述荷載加入其中。對(duì)兩種鋼結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比，以此得出兩種方案下的數(shù)據(jù)。根據(jù)空間有限元模型分析兩種鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)，方案一與方案二的桿件單元最大應(yīng)力值分別為125.6MPa、109.9MPa；標(biāo)準(zhǔn)荷載條件下?lián)隙葦?shù)據(jù)分別為49.9mm、38.7mm；收費(fèi)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(duì)方案一與方案二的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方案鋼結(jié)構(gòu)的單元應(yīng)力情況相仿，方案一的撓度性能大于方案二數(shù)值，但從支座最大水平反力、鋼材用量角度來(lái)看，方案一遠(yuǎn)低于方案二，經(jīng)對(duì)比分析，案例高速公路收費(fèi)大棚項(xiàng)目最終選取方案一作為鋼結(jié)構(gòu)方案。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.3.1 優(yōu)化腹桿結(jié)構(gòu)

通過(guò)構(gòu)建空間有限元的方式對(duì)兩種鋼結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析，最終選取了方案一設(shè)計(jì)情況，為進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)性能，對(duì)部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。原方案腹桿結(jié)構(gòu)連接形式為焊接球連接，不利于后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，故為便于后續(xù)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(xù)高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)奠定基礎(chǔ)[2]。

3.3.2 優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)

原方案一鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在細(xì)節(jié)方面有待完善，應(yīng)做好細(xì)節(jié)優(yōu)化，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jì)算，但考慮到屋面及吊頂造型復(fù)雜，相關(guān)桿件的截面規(guī)格難以把握，對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際造成的安全影響可能會(huì)估計(jì)不足，同時(shí)造型中桿件的截面規(guī)格又會(huì)影響大棚結(jié)構(gòu)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(jì)算。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案整體情況進(jìn)行重新分析，并將計(jì)算結(jié)果重新反饋給建筑專業(yè)。經(jīng)調(diào)整優(yōu)化后，需將撓度性能數(shù)據(jù)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，同時(shí)將應(yīng)力比調(diào)節(jié)在0.8～0.9 之間。

3.3.3 結(jié)構(gòu)自振特性

借助子空間迭代方式階段收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)自振頻率及周期，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的自振頻率及周期較小，且伴隨有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。進(jìn)一步展開(kāi)高速公路收費(fèi)大棚的鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析，最終得出了優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)抗震性能及地震響應(yīng)情況，將案例高速公路收費(fèi)大棚所屬抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.20g），采用模擬分析的形式了解鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)情況，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)位移數(shù)值及最大應(yīng)力值，水平方面的最大應(yīng)力值與位移數(shù)值分別為16.92MPa、5.03mm，豎直方向的最大應(yīng)力值與位移數(shù)值分別為20.25MPa、42.32mm，最后發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)豎直方向存在較大位移，但卻滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，此外水平與豎直方向的最大應(yīng)力值均低于215MPa，故收費(fèi)大棚遭遇地震時(shí)鋼結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，可良好規(guī)避安全質(zhì)量事故。除此之外，為進(jìn)一步保障抗震效果，對(duì)原方案一的鋼結(jié)構(gòu)柱腳進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，運(yùn)用固定埋入式結(jié)構(gòu)設(shè)置柱腳，盡可能提升鋼結(jié)構(gòu)抗震性能。

為更好地使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于工程實(shí)際，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合考慮焊接設(shè)計(jì)。由于鋼結(jié)構(gòu)焊接工程量較大，所以要求結(jié)構(gòu)施工前應(yīng)進(jìn)行焊接試驗(yàn)工作，對(duì)比焊條性能，進(jìn)行電弧穩(wěn)定性試驗(yàn)、飛濺率試驗(yàn)、焊縫金屬擴(kuò)散氫含量試驗(yàn)、焊縫脫渣性能試驗(yàn)等，以此選出最佳焊接材料，并明確焊接參數(shù)，以確保焊接施工質(zhì)量，使鋼結(jié)構(gòu)各部件可良好連接[3]。鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)需由專業(yè)人員從旁指揮，通過(guò)統(tǒng)一指揮保障鋼結(jié)構(gòu)吊裝效果。吊裝期間注意控制起吊速度，鋼結(jié)構(gòu)材料離開(kāi)地面后應(yīng)注意保持平衡，同時(shí)檢查鋼架軸線與圖紙軸線是否一致，若發(fā)現(xiàn)誤差需及時(shí)調(diào)整，避免因細(xì)節(jié)問(wèn)題造成安全質(zhì)量隱患。按照設(shè)計(jì)優(yōu)化情況完成鋼結(jié)構(gòu)安裝后，需注意檢查安裝穩(wěn)定性，復(fù)核安裝參數(shù)，并采用自檢、互檢、專檢的形式進(jìn)行檢查驗(yàn)收，以此保障高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，切實(shí)呈現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)某高速公路收費(fèi)大棚案例選出兩種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用空間有限元的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，選用了方案一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式并對(duì)其優(yōu)點(diǎn)做了介紹。為進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，從腹桿結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了結(jié)構(gòu)自振特性，以此保障高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)安全性及抗震性能。通過(guò)對(duì)此案例的分析，希望給類似收費(fèi)大棚工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有益借鑒。