某大跨度、長懸挑鋼管桁架收費站雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

周先祥

（中鐵時代建筑設(shè)計院有限公司，安徽蕪湖241000）

1 工程概況

某公鐵長江大橋收費站將鳩茲鳥展翅飛翔的造型融入設(shè)計中，如圖1 所示。屋頂投影面積為4 068m2，總高度19.8m，總長135m，中間跨度67.2m，兩端各懸挑33.9m，結(jié)構(gòu)布置采用縱向組合空間矩形桁架與橫向平面桁架疊合，結(jié)構(gòu)布置與建筑造型緊密結(jié)合，如圖2 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)立面布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)體系分析

2.1 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

根據(jù)方案造型，通過各種試算并與建筑專業(yè)協(xié)商，考慮在每端中間收費島上增加豎向構(gòu)件，在頂部開叉，保證縱向組合空間矩形桁架的下弦桿都有支撐，更改結(jié)構(gòu)方案后，優(yōu)化了桁架桿件截面，用鋼量減少了10kg/m2，結(jié)構(gòu)懸挑端變形也得到了改善，最大變形減少了20mm，同時，增加了結(jié)構(gòu)的冗余度，保證了結(jié)構(gòu)安全，詳見圖3 和圖4。

圖3 原結(jié)構(gòu)方案（每端2 根樹形柱）

圖4 現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案 （增加豎向支撐）

初步設(shè)計時，整個屋蓋縱向檐口位置用檁條兼做系桿將各榀橫向平面桁架連接（見圖5 和圖6），橫向桁架變形較大，應(yīng)力比局部超限，后通過比較采用封口邊桁架和系桿對結(jié)構(gòu)的影響后，決定采用封邊桁架結(jié)構(gòu)。通過計算結(jié)果可知，整個結(jié)構(gòu)周期變小，結(jié)構(gòu)剛度變大，整個屋蓋的變形也比原結(jié)構(gòu)方案小10mm，桿件的應(yīng)力比也得到了控制。

圖5 原結(jié)構(gòu)方案局部（檐口檁條兼做系桿）

圖6 原結(jié)構(gòu)方案 （檐口增加變桁架）

2.2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

結(jié)構(gòu)通過6 根樹形柱支撐縱向組合空間矩形桁架[1，2]，并在樹形柱的位置采用橫向桁架加強支座的整體性，組合空間矩形桁架跨度67.2m，兩端懸挑33.9m，組合空間矩形桁架高3.6～4.5m，寬9m。以縱向組合空間矩形桁架為基礎(chǔ)，添加橫向懸挑平面桁架，橫向懸挑平面桁架每側(cè)懸挑9m，橫向懸挑桁架之間采用水平支撐進行連接，端頭采用封邊桁架加強結(jié)構(gòu)整體性。樹形柱和縱向空間矩形桁架模型與橫向懸挑平面桁架模型按建筑造型共同組成整體結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。桁架形狀根據(jù)建筑曲線找形，結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑造型緊密結(jié)合，充分體現(xiàn)了建筑效果。根據(jù)計算結(jié)果，不斷優(yōu)化桿件截面，最終確定樹形柱主要截面采用φ560mm×20mm，鋼管桁架主要截面為φ121mm×4mm～φ377mm×16mm，鋼材采用Q355B。荷載根據(jù)建筑做法及GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定取值。

圖7 整體結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 兩種有限元軟件主要計算結(jié)果對比

從表1 的計算結(jié)果可知，結(jié)果計算指標均滿足規(guī)范要求，設(shè)計時采用2 種軟件進行對比校核，計算結(jié)果基本吻合，確保了計算模型的準確性。

表1 主要計算結(jié)果匯總表

3.2 靜力特性

3.2.1 應(yīng)力分析

從計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)整體受力對稱均勻，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在組合空間矩形桁架懸挑支座處，為150MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在豎形柱上，為200MPa，最大應(yīng)力比約控制在0.7，計算結(jié)果基本符合常規(guī)力學知識。考慮到本項目跨度大，懸挑長，豎向構(gòu)件少的不利因素，設(shè)計時根據(jù)計算結(jié)果對樹形柱區(qū)域采用增加支撐數(shù)量的措施對結(jié)構(gòu)進行加強，增加了結(jié)構(gòu)冗余度，保證了結(jié)構(gòu)安全性。具體應(yīng)力分布詳見圖8。

3.2.2 變形分析

結(jié)構(gòu)豎向變形基本對稱，其中懸挑端部最大撓度132mm，跨中反拱12mm，均滿足規(guī)范的要求，如圖9 所示。設(shè)計時要求懸挑端適當起拱，從而進一步控制豎向變形。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 變形云圖

3.3 動力特性

特征值分析采用子空間疊代法，通過計算結(jié)果可知，前幾階振型均為整體振動，未出現(xiàn)局部振動。第一階振型以縱向振動為主，并伴隨局部上下振動，這是由于跨度大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱向剛度和豎向剛度弱，計算時需適當考慮豎向風荷載和地震力的影響；第二振型為扭轉(zhuǎn)振型，由于結(jié)構(gòu)細長，扭轉(zhuǎn)剛度差，從而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)早；第三振型為橫向平動。第一扭轉(zhuǎn)振型周期和第一平動振型周期比值小于0.9，滿足規(guī)范要求，可以避免結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞。通過以上分析可知結(jié)構(gòu)動力特性基本滿足要求，結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，且未出現(xiàn)局部振動。

3.4 抗連續(xù)性倒塌分析

按照JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求，采用拆除重要構(gòu)件的方法對關(guān)鍵部位進行抗連續(xù)性倒塌驗算。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，現(xiàn)考慮其中一個樹形柱的一個重要分叉支撐失效對結(jié)構(gòu)的影響，由于樹形柱分叉支撐失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺少一個重要的支撐點，對結(jié)構(gòu)的懸挑和跨度均帶來不利影響。設(shè)計中采用拆除法，對豎向荷載采用動力放大系數(shù)，對拆除區(qū)域的豎向荷載動力放大系數(shù)取2，其余均取1，抗連續(xù)性倒塌設(shè)計中進行鋼材正截面承載力驗算時，鋼材強度取標準值的1.25 倍，因此，最大應(yīng)力比不能超過1.25方能保證結(jié)構(gòu)不倒塌[3～5]。

從計算結(jié)果可以看出，當某一根樹形柱關(guān)鍵支撐構(gòu)件失效后，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比未超過1.25，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)可以滿足抗連續(xù)性倒塌的要求（見圖10）。

圖10 樹形柱關(guān)鍵支撐構(gòu)件破壞后應(yīng)力云圖

4 節(jié)點計算及設(shè)計

4.1 相貫節(jié)點計算方法

本項目采用將圓鋼管直接相貫焊接，相貫節(jié)點為主管連通，對支管進行相貫線切割后，再焊接連接到主管上。本工程管桁架節(jié)點處相連桿件多，節(jié)點類型有空間TK 型、空間KTK型和空間KK 型等更為復(fù)雜的空間節(jié)點[6]。

由于本項目相貫節(jié)點種類多，設(shè)計時經(jīng)過充分研究，采用以下3 種措施進行復(fù)核：（1）對于簡單相貫節(jié)點，可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范理論公式直接復(fù)核承載力；（2）對于較為復(fù)雜的空間相貫節(jié)點，能區(qū)分主、次管的情況，可采用3D3S 有限元軟件相貫節(jié)點復(fù)核功能進行復(fù)核，使用該功能時，要注意人為指定好主管和支管，對于多根桿件交匯時可將節(jié)點承載力打折，考慮到本項目的重要性，折減系數(shù)取0.75；（3）對于無法區(qū)分主次管的相貫節(jié)點，采用大型通用有限元軟件ANSYS 進行詳細分析，本工程樹形柱根部由4 根鋼管相貫焊在一起，普通有限元采用的桿件單元不能精確進行計算，由于樹形柱的重要性，對柱腳節(jié)點用ANSYS 進行了詳細的有限元分析，采用Solid45實體單元進行有限元網(wǎng)格劃分模擬，將各鋼管內(nèi)力在整體模型中讀取并施加到相應(yīng)位置[7，8]，計算結(jié)果如圖11 所示，左側(cè)2 根鋼管直接連接縱向組合空間矩形桁架，受力直接，應(yīng)力大，右側(cè)兩根鋼管分擔的荷載小，整體計算應(yīng)力云圖結(jié)果顯示節(jié)點最大應(yīng)力100MPa，滿足設(shè)計要求。

4.2 柱腳節(jié)點選擇

本工程跨度大，豎向構(gòu)件少，柱底彎矩大，采用外露式柱腳對抗震性能不利，且對錨栓要求過高；埋入式柱腳是將鋼柱插入基礎(chǔ)中，本工程柱腳為變截面柱腳，插入基礎(chǔ)時，由于截面過大會影響基礎(chǔ)鋼筋綁扎及混凝土澆筑質(zhì)量；當采用外包柱腳時，一般要求外包混凝土高度是2.5 倍鋼柱截面高度，而本工程柱腳為多根鋼管相匯形成倒三角形狀，柱腳為變截面，最下端為800mm，首先不能很準確確定鋼管直徑的取值，而且由于建筑造型的要求外包混凝土不能過高。

本工程嘗試采用將外露式柱腳與外包式柱腳混用，分別按外露式柱腳和外包式柱腳計算柱腳承載力均可以滿足要求，既彌補了外露式柱腳抗震性能弱的缺點又彌補了外包式柱腳外包混凝土構(gòu)造高度偏小的問題，具體如圖12 所示。

圖11 柱腳節(jié)點應(yīng)力圖

圖12 分叉柱腳節(jié)點圖

5 結(jié)語

由于某長江公鐵大橋收費站造型呈鳥翅狀，屋蓋形狀比較復(fù)雜。為充分展現(xiàn)建筑效果，分析了結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性，在滿足規(guī)范的前提下，對薄弱部位進一步加強。由于樹形柱的重要性，采用了拆除法分析了結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌能力。鋼管連接采用圓鋼管相貫焊接節(jié)點，根據(jù)管桁架相貫節(jié)點的復(fù)雜性，針對不同的類型運用了相應(yīng)的方法進行復(fù)核。采用外露和外包混合式柱腳，提高了柱腳節(jié)點安全性。保證了結(jié)構(gòu)的安全、合理性和造型美觀。