某高速公路收费大棚钢结构设计与优化研究

李 兵，龙海丰

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

由于钢结构具有显著的优势，目前钢结构已成为我国高速公路收费大棚的主要结构形式。甲方对收费大棚外立面的要求越来越高，应当利用钢结构特点设计出独特新颖的样式，以满足业主需求。为保证收费大棚结构安全，完美展示收费大棚造型，应结合实际情况从多种结构方案中进行比选，以满足建筑造型和经济效益的双重要求。

1 高速公路收费大棚设计的共性

高速公路收费大棚的安全主要由结构控制，为增强收费大棚结构稳定性及安全性，收费大棚在长期发展中，已逐步形成了一定设计共性，主要体现在以下两点。

（1）网架结构空间。此类大棚通常采用平板式网架结构形式，如图1 所示。

图1 某网架模型

该钢结构形式不会造成较大的结构立面起伏。此外，为体现简洁大方的造型，收费大棚钢结构柱网间距一般均较大，同时钢结构横向柱距应以收费广场平面为依据进行设计，结合以往设计经验来看，钢结构柱网间距一般处于12～25m 范围内。为防止高速公路收费大棚钢结构影响道路车辆正常通行，收费大棚钢结构应合理控制其净高，其数值须在5.5m 以上，若收费大棚最外侧车道为超宽车道，则需将收费大棚钢结构悬挑长度设计为5.5～8m。结合上述钢结构设计参数来看，收费大棚选择网架结构较为适合。此外，通常采用正放四角锥网架结构形式，因其稳定性较好且平面规则美观，不会影响高度公路收费大棚车辆的通行。该结构形式下，钢结构的加工形式简单便捷，装备化程度高，可以有效提高施工周期，以取得显著的经济和社会效益。

（2）整体结构设计情况。相较于其他工程中的钢结构，高速公路收费大棚钢结构整体造型形式相对特别，在设计期间，为保障钢结构设计质量，可将收费大棚钢柱及柱脚带入模型中整体计算，考虑到加工及现场施工误差等因素，一般将钢柱及网架的杆件应力比控制在0.90 以内，竖向挠度控制在规范允许的范围内。同时将钢柱设置为多点支承，在钢结构过渡板上部位置设置支座，其铰接于网架下弦支承点上。

2 高速公路收费大棚钢结构设计要点

2.1 钢结构计算

在高速公路收费大棚钢结构设计期间，需在综合考虑风荷载、重力荷载基础上，精准计算钢结构相关参数。在实际设计期间，需使屋盖网架结构的挠度允许值低于1/250，悬挑部分的挠度允许值需控制在1/125 以内。计算钢结构杆件时，将杆件节点看作铰接，释放钢结构强轴、弱轴约束，使杆件在强轴、弱轴两个方向均可扭转，以保证钢结构杆件仅可受到轴向力影响。

2.2 抗震设计

通常情况下，网架结构抗震设防烈度在Ⅷ度以上时须考虑地震作用，在钢结构屋盖网架设计过程中，应注意验算钢结构网架的竖直方向、水平方向的抗震情况，悬挑部分的钢结需验算其竖向抗震数据。为进一步保障钢结构设计质量，应以《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）为依据，参考其钢结构设防烈度抗震等级要求展开设计计算，而在设计期间，收费大棚地震阻尼比参数取值0.04，振型数取6～10。

2.3 杆件节点设计

为保障高速公路收费大棚整体安全性，其杆件设计时可适当提高标准，将钢结构受拉杆件长细比允许限值控制在1/200 以内，受压杆件长细比允许限值控制在1/150 以内，网架支座杆件等关键杆件长细比允许限值控制在1/120 以内，同时使收费大棚钢管截面超过ϕ60×3.5。杆件钢结构截面计算设计后，应进一步对杆件钢结构进行优化，要求重复计算钢结构的应力及位移等参数，以实际数据为依据优化钢结构杆件等。在收费大棚钢结构体系中，多用螺栓球节点为网架节点，根据套筒接触面情况控制螺栓球大小，同时在设计期间组织球体碰撞验算工作，为后续高质量钢结构施工奠定基础。结合高速公路收费大棚钢结构体系的跨度大来看，因钢结构网架制作所承受的反力较大，故需至少运用四个螺栓将其连接，以此保障钢结构稳定性。

2.4 荷载取值设计

钢结构恒荷载主要为收费大棚的建筑装饰，及镀锌板、彩钢板等结构材料，此外，交通机电设备等同样可形成钢结构恒荷载。收费大棚主体结构为钢结构，建筑四周为四面敞开式形式，且钢结构坡度主要依靠支托、檩条实现，故结合收费大棚整体钢结构样式来看，其能够受到风荷载影响，故在设计收费大棚钢结构使，应考虑钢结构正向与侧向所受到的风荷载作用力。在实际设计期间，应按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）确定收费大棚钢结构正向、侧向的风荷载取值情况，同时综合考虑收费大棚钢结构实际形式及当地天气情况，对正向、侧向风荷载参数进行修正，以此确保钢结构设计期间能够正确取值风荷载。为最大限度提高高速公路收费大棚钢结构设计情况，保障钢结构稳定性，应立足于实际精准计算重力荷载与风荷载，以此方可保障设计质量。

3 高速公路收费大棚钢结构设计优化实例分析

3.1 工程概况

为增强本次收费大棚钢结构设计优化分析现实意义，本次选取某高速公路收费大棚项目为实例，立足于实际讨论高速公路收费大棚钢结构设计情况。该收费大棚整体采用钢结构，收费大棚净高度、结构跨度、跨中建筑高度、分别为6.6m、25m、14.6m，结合业主要求收费大棚须打造特色化及地域化造型，这进一步提高了高速公路收费大棚钢结构设计难度。在该高速公路收费大棚中，部分造型需依托于玻璃幕墙完成设计，为避免钢结构使用阻碍玻璃幕墙的建设，故排除了张弦立体拱架钢结构，为保障收费大棚结构稳定性，并确保收费大棚设计造型呈现效果，需对收费大棚钢结构进行优化设计，通过方案对比选出最佳钢结构方案。在此高速公路收费大棚项目中，首先对收费大棚施工现场进行全面外业勘察，结合收费大棚造型要求，最终制定出两种钢结构方案。方案一：选取网架结构形式，采用杆件与杆件之间的不间断紧密连接，将其连接为一个整体结构，以此搭建出整个收费大棚造型。方案二：选用四边形桁架拱结构，采用横向连接的方式，将两榀四边形桁架拱连接为整个结构，以此呈现出收费大棚的整体造型[1]。在上述两种高速公路收费大棚钢结构方案中，所用到钢材均为Q235B 规格的材料。

3.2 钢结构选型对比

为验证上述两种高速公路收费大棚钢结构方案的可行性，案例项目通过构建有限元模型的方式加以计算验证。案例项目选用同济大学3D3S 软件构建有限元模型，模拟收费大棚实际造型，此外在案例项目中，两种方案柱脚均采用钢接约束性条件，以此确保所构建的空间有限元模型符合方案情况。按照《建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）》选取荷载值，具体如下：①恒荷载：自重系数选取1.05，收费大棚彩钢琉璃瓦材料、轻型玻璃材料（含吊顶）区域自重分别定为0.5kN/m2、0.9kN/m2。②活荷载与风荷载分别定为0.5kN/m2、0.4kN/m2，其中风荷载数值为基本风压值。③地震荷载。地震设防烈度为Ⅷ度（0.2g），设计地震分组为第一组，根据场地特征将特征周期定为0.35s，按照Ⅱ类建筑场地进行设置，将钢结构阻尼比设置为0.035。根据此高速公路收费大棚整体造型情况构建有限元模型，并将上述荷载加入其中。对两种钢结构方案进行对比，以此得出两种方案下的数据。根据空间有限元模型分析两种钢结构数据参数，方案一与方案二的杆件单元最大应力值分别为125.6MPa、109.9MPa；标准荷载条件下挠度数据分别为49.9mm、38.7mm；收费大棚支座最大水平反力分别为751kN、1151kN；钢材用量分别为151t、205t。对方案一与方案二的钢结构数据参数进行对比分析，发现两种方案钢结构的单元应力情况相仿，方案一的挠度性能大于方案二数值，但从支座最大水平反力、钢材用量角度来看，方案一远低于方案二，经对比分析，案例高速公路收费大棚项目最终选取方案一作为钢结构方案。

3.3 钢结构优化设计分析

3.3.1 优化腹杆结构

通过构建空间有限元的方式对两种钢结构方案进行对比分析，最终选取了方案一设计情况，为进一步提高钢结构性能，对部分设计细节进行优化。原方案腹杆结构连接形式为焊接球连接，不利于后续钢结构施工作业，故为便于后续施工便捷，保障钢材安装效果及焊接精度，将原有的焊接球连接改为螺栓球连接，为后续高速公路收费大棚钢结构施工作业奠定基础[2]。

3.3.2 优化整体结构

原方案一钢结构设计在细节方面有待完善，应做好细节优化，保障结构稳定性。在原方案一中，是将屋面及吊顶造型折算为恒荷载带入模型中计算，但考虑到屋面及吊顶造型复杂，相关杆件的截面规格难以把握，对结构实际造成的安全影响可能会估计不足，同时造型中杆件的截面规格又会影响大棚结构通透性及仰视效果，所以需将屋面及吊顶中的主要杆件带入模型计算。对钢结构设计方案整体情况进行重新分析，并将计算结果重新反馈给建筑专业。经调整优化后，需将挠度性能数据控制在标准范围内，同时将应力比调节在0.8～0.9 之间。

3.3.3 结构自振特性

借助子空间迭代方式阶段收费大棚钢结构自振频率及周期，经数据分析后，发现钢结构的自振频率及周期较小，且伴随有扭转现象。进一步展开高速公路收费大棚的钢结构反应谱分析，最终得出了优化后的钢结构抗震性能及地震响应情况，将案例高速公路收费大棚所属抗震设防烈度为Ⅷ度（0.20g），采用模拟分析的形式了解钢结构的地震反应情况，计算钢结构位移数值及最大应力值，水平方面的最大应力值与位移数值分别为16.92MPa、5.03mm，竖直方向的最大应力值与位移数值分别为20.25MPa、42.32mm，最后发现钢结构竖直方向存在较大位移，但却满足建设标准，此外水平与竖直方向的最大应力值均低于215MPa，故收费大棚遭遇地震时钢结构处于弹性状态，可良好规避安全质量事故。除此之外，为进一步保障抗震效果，对原方案一的钢结构柱脚进行了调整优化，运用固定埋入式结构设置柱脚，尽可能提升钢结构抗震性能。

为更好地使钢结构设计成果应用于工程实际，需在结构设计中综合考虑焊接设计。由于钢结构焊接工程量较大，所以要求结构施工前应进行焊接试验工作，对比焊条性能，进行电弧稳定性试验、飞溅率试验、焊缝金属扩散氢含量试验、焊缝脱渣性能试验等，以此选出最佳焊接材料，并明确焊接参数，以确保焊接施工质量，使钢结构各部件可良好连接[3]。钢结构吊装时需由专业人员从旁指挥，通过统一指挥保障钢结构吊装效果。吊装期间注意控制起吊速度，钢结构材料离开地面后应注意保持平衡，同时检查钢架轴线与图纸轴线是否一致，若发现误差需及时调整，避免因细节问题造成安全质量隐患。按照设计优化情况完成钢结构安装后，需注意检查安装稳定性，复核安装参数，并采用自检、互检、专检的形式进行检查验收，以此保障高速公路收费大棚钢结构施工质量，切实呈现优化设计的效果。

4 结语

综上所述，对某高速公路收费大棚案例选出两种钢结构设计方案，采用空间有限元的形式进行数据对比分析后，选用了方案一网架结构形式并对其优点做了介绍。为进一步提升钢结构设计效果，从腹杆结构、整体结构方面进行了优化，并分析了结构自振特性，以此保障高速公路收费大棚钢结构安全性及抗震性能。通过对此案例的分析，希望给类似收费大棚工程的设计和优化提供有益借鉴。