某高速公路收費站網(wǎng)架設(shè)計探討

【摘要】本文通過山西省平定至陽曲高速公路主線收費站網(wǎng)架的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合工程實際情況分析了網(wǎng)架設(shè)計中的柱子選型、網(wǎng)架設(shè)計以及整體分析等方面的問題，從而探討了網(wǎng)架設(shè)計的一般思路和方法，并對工程的關(guān)鍵節(jié)點進行了介紹說明，對同類的建筑設(shè)計有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】高速公路；收費站；網(wǎng)架設(shè)計

引言

高速公路是城市間進行物質(zhì)、文化、以及信息的出入口，也是向外界展示自己的重要通道，而作為高速公路的主要樞紐——高速公路收費站，它的形象體現(xiàn)著當?shù)氐奈幕臀拿?。在紛繁的高速公路收費站中，有許多的結(jié)構(gòu)形式被采用，尤其是鋼結(jié)構(gòu)，以其通透輕盈的建筑外形，被許多收費站所采用，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式、鋼框架結(jié)構(gòu)形式以及桁架結(jié)構(gòu)形式都是幾種常見的收費站建筑的結(jié)構(gòu)形式，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)又以其靈動的建筑外形被大多數(shù)收費站所采用。

1.項目概況

山西省平定至陽曲高速公路主線收費站，收費站共有10個車道，長度為62.6m，寬度為19.8m。收費站最高處為26.40m，屋面標高為9.00m，如圖1所示。網(wǎng)架收費站底部經(jīng)過吊頂以后，出入指示燈的最低點高度為6.5m，滿足相關(guān)交通規(guī)范中對于通行高度的要求。該收費站造型為張拉的弓箭，通過收費站的效果圖可以看出結(jié)構(gòu)磅礴的氣勢。在寬闊的高速公路的入口，這樣的一種收費站造型，寓意為蓄勢待發(fā)，象征著本地經(jīng)濟的騰飛，頂部張拉的拉索像弓箭上的弦，使得建筑本身更加生動。

2.收費站建筑設(shè)計

收費站網(wǎng)架設(shè)計的關(guān)鍵在于能夠通過建筑造型設(shè)計最大限度的體現(xiàn)業(yè)主所要求的效果圖所反映的外形，但是這樣的設(shè)計是建立在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且造型可以實現(xiàn)的基礎(chǔ)上。由于該收費站最左側(cè)的弓背一側(cè)是斜向上的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，這樣的高聳結(jié)構(gòu)并不能很好的保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，因此，經(jīng)過與業(yè)主協(xié)調(diào)，收費站的建筑設(shè)計將原有的斜向上的弓背，調(diào)整為豎直向上，這樣設(shè)計，既保證了與原設(shè)計效果圖方案基本一致，又保證了結(jié)構(gòu)自身的安全。

考慮到收費站左側(cè)的柱列比較高，高度達到26.40m，而高速公路收費站大多建在郊外，沒有周邊建筑群的遮擋，風荷載較大。柱子側(cè)面沿高度依次設(shè)立了四組大小不同的孔，既增加了建筑的通透性，又緩解了風荷載對該建筑造成的影響。

3.收費站結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1設(shè)計荷載

高速公路收費站網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段主要考慮恒荷載、活荷載、風荷載、溫度效應和地震荷載，荷載設(shè)計標準值取值如下：

（1）恒荷載：除網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重外，考慮屋面板、檁條及連接件重，上弦恒載取0.5 KN/m2，考慮到燈具的懸掛荷載，下弦恒載取0.3 KN/m2。

（2）活荷載：屋面活載取0.5 KN/m2，作用在網(wǎng)架上弦。

（3）風荷載：當?shù)?0年一遇基本風壓0.4 KN/m2。

（4）雪荷載：當?shù)?0年一遇基本雪壓0.25 KN/m2。

（5）溫度荷載：溫度荷載采用+40℃、-20℃（結(jié)構(gòu)施工安裝時的溫度與使用過程中溫度的最大差值）。

（6）抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組。

3.2柱子結(jié)構(gòu)選型

該收費站共有10根柱子，除最左側(cè)兩根柱子高度為26.40m外，其余柱子頂部的標高均為5.75m。根據(jù)建筑所體現(xiàn)出來的張拉的弓箭的特色以及建筑施工圖所體現(xiàn)出來的建筑特征，由于邊柱需要配合建筑造型所表現(xiàn)出來的弓背的造型，采用漸變的格構(gòu)式鋼管柱組合截面，鋼管截面采用ф351×10，由于分肢鋼管高度為26.4m，柱子截面較高，為了保證柱子自身的整體穩(wěn)定性，每肢鋼管內(nèi)灌C30混凝土，并且預留通氣孔，以緩解使用環(huán)境的溫度變化所引起的鋼管內(nèi)外壓力不同造成的變形。

收費站其余柱子均采用ф800×12的鋼管混凝土柱形式，內(nèi)灌C30混凝土，頂標高為5.75m。柱頂采用550x550×18的鋼板作為蓋板，放置網(wǎng)架支座，為了保證其穩(wěn)定性，蓋板沿著周圈布置了6塊100×200×16的鋼板作為加勁肋。所有鋼柱的柱腳均采用M30地腳錨栓與下部獨立基礎(chǔ)相連。

3.3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選型

為了使網(wǎng)架和最左側(cè)鋼柱能夠完美的達到建筑效果圖所要求的弧度，本建筑的主體結(jié)構(gòu)選用局部加層的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，共設(shè)置了四個腹桿層，五個弦桿層，以使連接部位過渡更加圓潤，體現(xiàn)張拉的弓箭的力與美，網(wǎng)架局部示意如圖2所示。

網(wǎng)架主體采用正方四角錐雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在對應的柱子中心位置通過設(shè)置柱帽，使網(wǎng)架自重以及上弦球頂部屋面材料的荷載，通過柱帽桿傳力至網(wǎng)架支座處。經(jīng)過設(shè)計分析，網(wǎng)架受力合理，支座處最大的豎向反力為382KN，支座設(shè)計為平板壓力支座，支座球處的豎向肋板為厚度為18mm的鋼板，過渡板和底板的厚度均為30mm，設(shè)計滿足規(guī)范要求。

由于網(wǎng)架的短向跨度為9.00m，因此根據(jù)工程經(jīng)驗對網(wǎng)架厚度進行估計，1/12 X9000=750mm，1/6 X9000=1500mm，結(jié)合網(wǎng)格的數(shù)目以及設(shè)計的經(jīng)濟性原則，最終網(wǎng)架厚度取1.5m，柱帽距離支座的垂直高度為1.0m。

3.4結(jié)構(gòu)整體分析

收費站采用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件PKPM中STS模塊進行了整體分析，由于分析模型如圖3所示。將上部網(wǎng)架分析得到的支座處分荷載，以節(jié)點荷載的形式加載在對應的柱頂位置，在最左側(cè)的立柱建模時，采用建立兩層的方式，將荷載加在下部一層的柱頂位置，模擬工程荷載，并且在距離9.00m的兩根格構(gòu)式柱之間等距離設(shè)置了五根連接梁。通過在柱頭上設(shè)置虛梁的方式，將結(jié)構(gòu)中的柱子聯(lián)系起來。

（1）桿件及截面選擇

收費站在設(shè)計時應用了MST2014進行了網(wǎng)架部分的設(shè)計，假定桿件所受到軸向作用力，參數(shù)選擇的時候認為桿件之間的連接為鉸接，通過在網(wǎng)架模型上施加在節(jié)點上的各種模擬荷載，考慮了地震作用以及溫度效應的影響，最終選定了大多數(shù)桿件為ф60x3.50，局部為ф76x4.00、ф89x4.00的截面形式的Q235熱軋無縫鋼管，球節(jié)點選用實心的螺栓球節(jié)點，材料為GB699中的45號鋼鍛造，配套使用的封板及錐頭的材料也是Q235鋼。

（2）網(wǎng)架撓度控制

網(wǎng)架在撓度方面的控制至關(guān)重要，撓度一般體現(xiàn)在網(wǎng)架計算文件中為豎向的位移?？刂屏司W(wǎng)架的撓度，在很多情況下可以避免網(wǎng)架自身失穩(wěn)引起的工程事故。通過軟件的分析計算，網(wǎng)架中節(jié)點的最大豎向位移值為27.0mm，變形滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 7-2010表3.5.1的規(guī)定，即空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大撓度值在減去預起拱值后不應超過容許撓度值：用作屋蓋L/250， L為短向跨度[2]。即9000x1/250=36mm，滿足設(shè)計的要求。

（3）關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，節(jié)點的設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。本工程中，有一些關(guān)鍵性的節(jié)點，比如鋼梁和格構(gòu)式鋼管柱之間的連接。由于兩根變截面的格構(gòu)式鋼管柱間距為9.00m，為了保證柱子在平面外的穩(wěn)定性，兩根格構(gòu)式鋼管柱之間每隔4m設(shè)置一道HM550X300X11X18的鋼梁相連，共設(shè)置五道，如圖3所示。由于格構(gòu)式柱的分肢采用的是鋼管形式，而鋼梁的截面采用的是H型鋼形式，兩者之間的連接如果采用坡口全熔透焊，即實現(xiàn)的是梁與柱的剛性連接，將會使施加在鋼梁上的作用力，比如風荷載、地震作用力產(chǎn)生的效應，以彎矩的形式作用在節(jié)點連接處，造成鋼管的平面外不穩(wěn)定。

最佳的方案是在鋼管上作一截小短梁，小短梁的截面大小與鋼梁截面大小相同，通過鋼梁腹板前后加連接板的形式，用高強螺栓連接起來，實現(xiàn)理想鉸接連接形式，目的是為了減小因為風力引起的附加荷載對格構(gòu)柱的影響。此時，小短梁與鋼管之間，通過環(huán)板的形式，套在鋼管上，并且設(shè)置加肋板保證兩塊環(huán)板之間連接的可靠性，環(huán)板與小短梁梁之間設(shè)置過渡板，以緩解應力集中造成的不良影響。

4.結(jié)語

本文通過山西省平定至陽曲高速公路主線收費站網(wǎng)架的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合工程實際情況分析了網(wǎng)架設(shè)計中的柱子選型、網(wǎng)架設(shè)計以及整體分析等方面的問題，從而探討了網(wǎng)架設(shè)計的一般思路和方法，對同類的建筑設(shè)計有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]蘇麗.高速公路設(shè)計研究.長安大學碩士學位論文，2012：45-46.

[2]JGJ7-2010.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011.

[3]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范.中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[4]JGJ7-2010.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.中國建筑科學研究院，2010.

作者簡介：

任媛（1984— ），女，山西孝義人，講師，研究方向為鋼結(jié)構(gòu)、高等職業(yè)教育研究。