某高速公路收费站网架设计探讨

作者：任媛

来源：《中国房地产业》 2016年第3期

文/ 任媛 山西职业技术学院 山西太原 030006

【摘要】本文通过山西省平定至阳曲高速公路主线收费站网架的建筑与结构设计，结合工程实际情况分析了网架设计中的柱子选型、网架设计以及整体分析等方面的问题，从而探讨了网架设计的一般思路和方法，并对工程的关键节点进行了介绍说明，对同类的建筑设计有一定的参考价值。

【关键词】高速公路；收费站；网架设计

引言

高速公路是城市间进行物质、文化、以及信息的出入口，也是向外界展示自己的重要通道，而作为高速公路的主要枢纽——高速公路收费站，它的形象体现着当地的文化和文明。在纷繁的高速公路收费站中，有许多的结构形式被采用，尤其是钢结构，以其通透轻盈的建筑外形，被许多收费站所采用，网架结构形式、钢框架结构形式以及桁架结构形式都是几种常见的收费站建筑的结构形式，但网架结构又以其灵动的建筑外形被大多数收费站所采用。

1. 项目概况

山西省平定至阳曲高速公路主线收费站，收费站共有10 个车道，长度为62.6m，宽度为19.8m。收费站最高处为26.40m，屋面标高为9.00m, 如图1 所示。网架收费站底部经过吊顶以后，出入指示灯的最低点高度为6.5m，满足相关交通规范中对于通行高度的要求。该收费站造型为张拉的弓箭，通过收费站的效果图可以看出结构磅礴的气势。在宽阔的高速公路的入口，这样的一种收费站造型，寓意为蓄势待发，象征着本地经济的腾飞，顶部张拉的拉索像弓箭上的弦，使得建筑本身更加生动。

2. 收费站建筑设计

收费站网架设计的关键在于能够通过建筑造型设计最大限度的体现业主所要求的效果图所反映的外形，但是这样的设计是建立在结构稳定并且造型可以实现的基础上。由于该收费站最左侧的弓背一侧是斜向上的，在结构设计的时候，这样的高耸结构并不能很好的保证结构整体的稳定性，因此，经过与业主协调，收费站的建筑设计将原有的斜向上的弓背，调整为竖直向上，这样设计，既保证了与原设计效果图方案基本一致，又保证了结构自身的安全。

考虑到收费站左侧的柱列比较高，高度达到26.40m，而高速公路收费站大多建在郊外，没有周边建筑群的遮挡，风荷载较大。柱子侧面沿高度依次设立了四组大小不同的孔，既增加了建筑的通透性，又缓解了风荷载对该建筑造成的影响。

3. 收费站结构设计

3.1 设计荷载

高速公路收费站网架在结构设计阶段主要考虑恒荷载、活荷载、风荷载、温度效应和地震荷载，荷载设计标准值取值如下:

（1）恒荷载: 除网架结构自重外，考虑屋面板、檩条及连接件重，上弦恒载取0.5 KN/m2，考虑到灯具的悬挂荷载，下弦恒载取0.3KN/m2。

（2）活荷载: 屋面活载取0.5 KN/m2，作用在网架上弦。

（3）风荷载: 当地50 年一遇基本风压0.4KN/m2。

（4）雪荷载: 当地50 年一遇基本雪压0.25KN/m2。

（5）温度荷载: 温度荷载采用+40℃、-20℃（结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值）。

（6）抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。

3.2 柱子结构选型

该收费站共有10 根柱子，除最左侧两根柱子高度为26.40m 外，其余柱子顶部的标高均为5.75m。根据建筑所体现出来的张拉的弓箭的特色以及建筑施工图所体现出来的建筑特征，由于边柱需要配合建筑造型所表现出来的弓背的造型，采用渐变的格构式钢管柱组合截面，钢管截面采用ф351×10，由于分肢钢管高度为26.4m，柱子截面较高，为了保证柱子自身的整体稳定性，每肢钢管内灌C30 混凝土，并且预留通气孔，以缓解使用环境的温度变化所引起的钢管内外压力不同造成的变形。

收费站其余柱子均采用ф800×12 的钢管混凝土柱形式，内灌C30 混凝土，顶标高为5.75m。柱顶采用550x550×18 的钢板作为盖板，放置网架支座，为了保证其稳定性，盖板沿着周圈布置了6 块100×200×16 的钢板作为加劲肋。所有钢柱的柱脚均采用M30 地脚锚栓与下部基础相连。

3.3 网架结构选型

为了使网架和最左侧钢柱能够完美的达到建筑效果图所要求的弧度，本建筑的主体结构选用局部加层的网架结构，共设置了四个腹杆层，五个弦杆层，以使连接部位过渡更加圆润，体现张拉的弓箭的力与美，网架局部示意如图2 所示。

网架主体采用正方四角锥双层网架结构，在对应的柱子中心位置通过设置柱帽，使网架自重以及上弦球顶部屋面材料的荷载，通过柱帽杆传力至网架支座处。经过设计分析，网架受力合理，支座处最大的竖向反力为382KN，支座设计为平板压力支座，支座球处的竖向肋板为厚度为18mm 的钢板，过渡板和底板的厚度均为30mm，设计满足规范要求。

由于网架的短向跨度为9.00m， 因此根据工程经验对网架厚度进行估计，

1/12X9000=750mm，1/6 X9000=1500mm，结合网格的数目以及设计的经济性原则，最终网架厚度取1.5m，柱帽距离支座的垂直高度为1.0m。

3.4 结构整体分析

收费站采用结构分析设计软件PKPM 中STS 模块进行了整体分析，由于分析模型如图3所示。将上部网架分析得到的支座处分荷载，以节点荷载的形式加载在对应的柱顶位置，在最左侧的立柱建模时，采用建立两层的方式，将荷载加在下部一层的柱顶位置，模拟工程荷载，并且在距离9.00m 的两根格构式柱之间等距离设置了五根连接梁。通过在柱头上设置虚梁的方式，将结构中的柱子联系起来。

（1）杆件及截面选择

收费站在设计时应用了MST2014 进行了网架部分的设计，假定杆件所受到轴向作用力，参数选择的时候认为杆件之间的连接为铰接，通过在网架模型上施加在节点上的各种模拟荷载，考虑了地震作用以及温度效应的影响，最终选定了大多数杆件为ф60x3.50，局部为ф76x4.00、фx4.00 的截面形式的Q235 热轧无缝钢管，球节点选用实心的螺栓球节点，材料为GB699中的45 号钢锻造，配套使用的封板及锥头的材料也是Q235 钢。

（2）网架挠度控制

网架在挠度方面的控制至关重要，挠度一般体现在网架计算文件中为竖向的位移。控制了网架的挠度，在很多情况下可以避免网架自身失稳引起的工程事故。通过软件的分析计算，网架中节点的最大竖向位移值为27.0mm，变形满足《空间网格结构技术规程》JGJ 7-2010 表3.5.1 的规定，即空间网架结构的最大挠度值在减去预起拱值后不应超过容许挠度值: 用作屋盖L/250，L 为短向跨度[2]。即9000x1/250=36mm， 满足设计的要求。

（3）关键节点设计

钢结构设计中，节点的设计显得尤为关键。本工程中，有一些关键性的节点，比如钢梁和格构式钢管柱之间的连接。由于两根变截面的格构式钢管柱间距为9.00m，为了保证柱子在平面外的稳定性，两根格构式钢管柱之间每隔4m 设置一道HM550X300X11X18 的钢梁相连，共设置五道，如图3 所示。由于格构式柱的分肢采用的是钢管形式，而钢梁的截面采用的是H 型钢形式，两者之间的连接如果采用坡口全熔透焊，即实现的是梁与柱的刚性连接，将会使施加在钢梁上的作用力，比如风荷载、地震作用力产生的效应，以弯矩的形式作用在节点连接处，造成钢管的平面外不稳定。

最佳的方案是在钢管上作一截小短梁，小短梁的截面大小与钢梁截面大小相同，通过钢梁腹板前后加连接板的形式，用高强螺栓连接起来，实现理想铰接连接形式，目的是为了减小因为风力引起的附加荷载对格构柱的影响。此时，小短梁与钢管之间，通过环板的形式，套在钢管上，并且设置加肋板保证两块环板之间连接的可靠性，环板与小短梁梁之间设置过渡板，以缓解应力集中造成的不良影响。

4. 结语

本文通过山西省平定至阳曲高速公路主线收费站网架的建筑与结构设计，结合工程实际情况分析了网架设计中的柱子选型、网架设计以及整体分析等方面的问题，从而探讨了网架设计的一般思路和方法，对同类的建筑设计有一定的参考价值。

作者简介:

任媛（1984— ），女，山西孝义人，讲师，研究方向为钢结构、高等职业教育研究。