南宁外环高速公路某收费大棚双椭圆拱肋设计方案分析

李锦弥

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

高速公路收费站的收费大棚除了应满足结构安全可靠和车辆通行顺畅的要求外，还应体现当地的民俗风情和时代特征等文化要素，体现个性化、不雷同，因此收费大棚的建筑设计和结构设计需考虑多种因素和有所创新，较为复杂。

南宁外环高速公路路线起于安吉，连接已有的南宁环城高速公路安吉互通立交，终于玉洞，接已建成通车的南宁环城高速公路南环段，主线全长81.538 km，沿线主要控制点有高峰、五塘、那容、南宁港、八鲤、新江。其中某一控制点的收费站收费大棚并未采用传统的网架平顶结构，而选用了双椭圆大拱与悬索相结合的造型，充分体现出时代风貌，给人以新颖、别致的深刻印象，令人难忘，该建筑在结构设计和施工方面亦有一定挑战。本文以该收费大棚项目为工程案例，介绍其设计方面的考虑要点，以期为今后类似工程项目提供技术参考。

1 工程概况

该收费站由收费大棚、办公楼、职工公寓、食堂、门卫室、变电房、水塔、污水处理站等多个建筑单体组成，不计收费大棚，收费站总建筑面积为1 600 m2，场区用地面积为4 000 m2，其中，建筑占地为720 m2，道路停车场面积为1 926.67 m2，绿化面积为746.67 m2。收费大棚收费通道为五进九出，总建筑面积为750 m2，一层，建筑高度为16.0 m，建成运营后车道净高有6.100～6.514 m，建筑类别为二类建筑，耐火等级为Ⅱ级，屋面防水等级为Ⅱ级。大棚采用“拱结构+框架结构”的方式，拱肋由双椭圆曲线勾勒出外形，为变截面高度拱，取用了椭圆的大半弧线，拱脚跨度为51.934 m，属于大跨结构。框架结构的柱顶用钢结构形成悬索造型，主体采用钢筋混凝土结构，柱、梁、板等主要构件采用C25普通混凝土，拱肋和框架的基础为人工挖孔桩基础。大棚的结构设计安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6°，抗震等级为四级，基本风压取值为0.35 kN/m2。地质勘察表明，场地土的类型为中软土，Ⅱ类场地，属于对建筑抗震不利地段。收费大棚的建筑整体效果如图1所示，大拱正立面尺寸见图2。

图1 收费大棚整体效果图

图2 收费大棚拱肋立面尺寸图(mm)

2 建筑方案分析

收费大棚为双拱肋设计，通过每侧四根水平异形系梁形成整体。拱主要起景观造型的作用，可以营造出宏伟、稳固、踏实的效果，但当拱的跨度不大时，又容易产生压抑的反面效果。本大棚拱肋由大、小两椭圆曲线组合而成，截面高度光滑、连续改变，截面宽度保持2.000 m不变，拱肋顶部截面高度最小(为500 mm)，离地表(±0.000 m标高)2.0 m处拱肋截面高度最大(为2.6 m)，往下2.0 m的拱肋继续按既定椭圆曲线内收，拱脚与桩基承台结合处的截面高度再减小(为2.402 m)，因此此拱肋实际使用了椭圆的大半部分(见图2)。拱肋外轮廓最宽处为55.600 m，拱脚中心跨度达51.934 m，跨度较大。系梁起景观营造和参与结构受力的作用，能给人以防止斜拱向外倾覆的安全感。框架结构起承载屋盖和景观造型的双重作用，利用其两侧的斜柱和屋顶以上悬链线形的钢构架，形成悬索造型，以悬索的轻盈感打破厚重的拱体带来的压抑感，再通过钢缆将悬索与大拱连接，仿佛悬索与拱交织，相互借力，相映成趣。两拱肋向拱平外倾斜5°，呈相互分离趋势，从斜侧面看，给人以展翅之意和欲倒而不倒的震撼感。两拱的拱顶截面中心较拱脚截面中心分开距离为2.756 m。

3 结构方案分析

3.1 拱肋材料选择

由于拱肋跨度大，并且向拱平面外倾斜5°，景观效果营造和受力上要求截面尺寸相应较大，且是变截面。根据主材种类，可选用的结构方案有三种，各方案分析评述如下：

(1)钢结构拱肋：较容易通过工厂预制加工，在现场安装，施工效率高，但需要考虑失稳问题。用钢量较大，对于以造型功能为主的构件，钢材强度远远无法得到充分利用。而且，钢拱肋需要定期进行防腐维护，其内部难以涂漆，因此耐腐蚀性能不佳，维护成本较高，因此此方案无明显优势。

(2)钢-混凝土组合拱肋：可考虑采用的组合方式有两种，即内部型钢骨架与外部钢筋混凝土组合和外部钢管与内填混凝土组合。后者同样需要定期进行外部防腐涂装维护。这两种组合方式主要用于解决截面尺寸受限与承载力需求较高的矛盾，克服钢结构易失稳和防腐维护的不足。但本收费大棚景观造型大拱截面尺寸不受限制，对承载力要求低，因此采用该组合结构不太经济。

(3)钢筋混凝土拱肋：用钢量小，建造成本低，耐久性好，易维护，与钢筋混凝土基础更容易连接，这些是钢筋混凝土方案的显著优点。缺点是自重大，地震响应大，无法预制，需要现场立模施工，工期较长。

经过综合比较分析，认为钢筋混凝土拱肋在满足功能要求、耐久性要求、抗震要求和可施工的前提下，经济性最优，因此最终选用钢筋混凝土拱肋方案。

3.2 结构构件布置

两大拱肋向拱平面外倾虽只有5°，但在地基条件一般的情况下，因混凝土拱肋体积和重量大，产生的拱脚倾覆弯矩非常大，特别在顺道路方向水平地震作用下，拱肋可能倾覆，安全性难以保证，给基础设计带来极大困难，将大幅增加基础建设费用。因此在两座拱肋的两端各设置了4道水平系梁(见图1)，平衡了拱脚倾覆力矩。此外，两拱同侧拱脚还设置暗埋的水平基础拉梁，与水平系梁一道将两拱联成整体，形成自平衡体系。在自重作用下，每一拱肋的拱脚水平推力很大，可使拱脚桩基础承受过大剪力。为此，同一拱肋的两拱脚也设置暗埋基础拉梁，可减小桩基承台体积和桩直径。

3.3 结构分析方法

此景观大拱实际是一座空间结构，常规的结构设计软件无法建模并准确地分析受力，因此本工程采用AutoCAD软件与大型通用有限元软件SAP2000联合建立拱肋、水平系梁、基础拉梁的整体模型，充分考虑可能出现的不利工况，进行受力分析，再根据内力值确定拱肋和基础的钢筋配置。

建模流程为：根据建筑施工图给定的拱肋各截面形心三维坐标，在AutoCAD软件中生成多个Point，将各Point按顺序用Line连接，建立三维空间单曲线模型，整个大拱由多根Line组成，最后保存为DXF格式模型文件；由SAP2000软件导入该DXF格式模型，导入时，为所有Line赋予Frame杆单元，并指定Z坐标为高度方向；在SAP2000软件中定义各段Frame单元的平均截面尺寸和材料参数，赋给相应的Frame单元。

边界条件设置为：一端拱脚为固定约束，另一端拱脚只约束竖向位移和绕X、Y、Z三轴的转动，让拱脚的水平推力和水平平动由基础拉梁承担。因为收费大棚周边地形空旷，需要考虑风荷载的作用，以保证足够的安全度。由于拱与框架结构相互分离，不传力，因此拱上只需考虑自重、升温、降温、风荷载各自单独作用和共同作用五种工况。自重由SAP2000软件根据所输入的拱肋截面尺寸自动计算；风荷载取值则根据拱肋离开地表高度按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和迎风面高度以均布线荷载的方式分段施加，只需在拱肋截面中心标高为12.046～15.750m的区段施加；风压等效换算线荷载值为0.482～0.781kN/m；升、降温幅度根据南宁本地气象资料均取为8 ℃。建立的SAP2000有限元模型如图3所示。

3.4 拱肋受力及变形分析

在自重、降温和风荷载共同作用(作用效应标准组合)下，大拱的计算变形如图4所示。计算得到的拱顶最大竖向挠度为24.8mm，跨度为1/209.4，满足设计规范要求。

图3 SAP2000有限元分析模型图

图4 SAP2000计算变形示意图(自重+降温+风)

3.5 自振特性和抗震性能初步分析

拱肋上小下大的变截面高度外形与水平地震作用的剪力和弯矩分布趋势基本一致，因此是有利于抗震的。图5给出了大拱体系的前三阶自振振型及相应的周期、频率，周期值略高于地质勘察报告所给出的地震动反应谱特征周期0.35s，但差距不大，在同一数量级，因此仍需采取必要的抗震措施，保证大拱体系的抗震性能。具体措施有：(1)地震作用效应采用反应谱法计算得到，作用效应组合分为考虑地震作用和不考虑地震作用两种；(2)利用两拱之间的连接构件——八根拱肋系梁和四道地下拱脚拉梁，使拱肋与拉梁构成自平衡体系，在中、强震作用下应确保拱肋与所有系梁、拉梁不发生脱离，即可保证拱肋不致于倾覆，因此配筋时须保证纵向钢筋足够的锚固长度，并适当提高拱肋和拉梁的配箍率。

(a)第一振型(两拱同向横摆，周期T1=0.422 s，频率f1=2.371 Hz)

(b)第二振型(两拱同步竖向起伏，周期T2=0.386 s，频率f2=2.591 Hz)

(c)第三振型(两拱反向横摆，周期T1=0.381 s，频率f1=2.624 1 Hz)

4 结语

每座高速公路收费站的收费大棚都应具有其独特性，它是反映当地人文和时代特征的重要载体。作为一种文化标志，收费大棚应尽可能实现令人难忘、一睹外观便知所在的艺术效果。本文介绍的南宁某收费站收费大棚一改收费大棚普遍采用的平而宽的屋顶造型和钢网架结构，运用了拱+索这两种刚柔相济的设计元素，将两者自然地融合为一体，既稳重，又不失轻巧，此风格的收费大棚相对较少。在结构设计方面，大跨度双椭圆曲线变截面拱肋基本符合力与美协调统一的经典设计理念；在材料种类和结构类型选择上，应根据可施工性、经济性、设计难度确定最终方案；结构构件布置应从整体受力上设计成自平衡体系，减小基础受力并有利于提高抗震性能，降低造价；对于带有斜向曲线的空间结构，可采用CAD和有限元软件建立空间模型进行受力分析；边界条件应结合地质勘察报告的参数进行合理设置，既满足受力平衡条件又偏于安全；荷载应充分考虑实际情况，不可漏计作用种类；作用效应组合应考虑同时出现的可能性，取最不利内力值作为构件材料用量的依据。