南寧外環高速公路某收費大棚雙橢圓拱肋設計方案分析

李錦彌

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

高速公路收費站的收費大棚除了應滿足結構安全可靠和車輛通行順暢的要求外，還應體現當地的民俗風情和時代特征等文化要素，體現個性化、不雷同，因此收費大棚的建筑設計和結構設計需考慮多種因素和有所創新，較為復雜。

南寧外環高速公路路線起于安吉，連接已有的南寧環城高速公路安吉互通立交，終于玉洞，接已建成通車的南寧環城高速公路南環段，主線全長81.538 km，沿線主要控制點有高峰、五塘、那容、南寧港、八鯉、新江。其中某一控制點的收費站收費大棚并未采用傳統的網架平頂結構，而選用了雙橢圓大拱與懸索相結合的造型，充分體現出時代風貌，給人以新穎、別致的深刻印象，令人難忘，該建筑在結構設計和施工方面亦有一定挑戰。本文以該收費大棚項目為工程案例，介紹其設計方面的考慮要點，以期為今后類似工程項目提供技術參考。

1 工程概況

該收費站由收費大棚、辦公樓、職工公寓、食堂、門衛室、變電房、水塔、污水處理站等多個建筑單體組成，不計收費大棚，收費站總建筑面積為1 600 m2，場區用地面積為4 000 m2，其中，建筑占地為720 m2，道路停車場面積為1 926.67 m2，綠化面積為746.67 m2。收費大棚收費通道為五進九出，總建筑面積為750 m2，一層，建筑高度為16.0 m，建成運營后車道凈高有6.100～6.514 m，建筑類別為二類建筑，耐火等級為Ⅱ級，屋面防水等級為Ⅱ級。大棚采用“拱結構+框架結構”的方式，拱肋由雙橢圓曲線勾勒出外形，為變截面高度拱，取用了橢圓的大半弧線，拱腳跨度為51.934 m，屬于大跨結構。框架結構的柱頂用鋼結構形成懸索造型，主體采用鋼筋混凝土結構，柱、梁、板等主要構件采用C25普通混凝土，拱肋和框架的基礎為人工挖孔樁基礎。大棚的結構設計安全等級為二級，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6°，抗震等級為四級，基本風壓取值為0.35 kN/m2。地質勘察表明，場地土的類型為中軟土，Ⅱ類場地，屬于對建筑抗震不利地段。收費大棚的建筑整體效果如圖1所示，大拱正立面尺寸見圖2。

圖1 收費大棚整體效果圖

圖2 收費大棚拱肋立面尺寸圖(mm)

2 建筑方案分析

收費大棚為雙拱肋設計，通過每側四根水平異形系梁形成整體。拱主要起景觀造型的作用，可以營造出宏偉、穩固、踏實的效果，但當拱的跨度不大時，又容易產生壓抑的反面效果。本大棚拱肋由大、小兩橢圓曲線組合而成，截面高度光滑、連續改變，截面寬度保持2.000 m不變，拱肋頂部截面高度最小(為500 mm)，離地表(±0.000 m標高)2.0 m處拱肋截面高度最大(為2.6 m)，往下2.0 m的拱肋繼續按既定橢圓曲線內收，拱腳與樁基承臺結合處的截面高度再減小(為2.402 m)，因此此拱肋實際使用了橢圓的大半部分(見圖2)。拱肋外輪廓最寬處為55.600 m，拱腳中心跨度達51.934 m，跨度較大。系梁起景觀營造和參與結構受力的作用，能給人以防止斜拱向外傾覆的安全感。框架結構起承載屋蓋和景觀造型的雙重作用，利用其兩側的斜柱和屋頂以上懸鏈線形的鋼構架，形成懸索造型，以懸索的輕盈感打破厚重的拱體帶來的壓抑感，再通過鋼纜將懸索與大拱連接，仿佛懸索與拱交織，相互借力，相映成趣。兩拱肋向拱平外傾斜5°，呈相互分離趨勢，從斜側面看，給人以展翅之意和欲倒而不倒的震撼感。兩拱的拱頂截面中心較拱腳截面中心分開距離為2.756 m。

3 結構方案分析

3.1 拱肋材料選擇

由于拱肋跨度大，并且向拱平面外傾斜5°，景觀效果營造和受力上要求截面尺寸相應較大，且是變截面。根據主材種類，可選用的結構方案有三種，各方案分析評述如下：

(1)鋼結構拱肋：較容易通過工廠預制加工，在現場安裝，施工效率高，但需要考慮失穩問題。用鋼量較大，對于以造型功能為主的構件，鋼材強度遠遠無法得到充分利用。而且，鋼拱肋需要定期進行防腐維護，其內部難以涂漆，因此耐腐蝕性能不佳，維護成本較高，因此此方案無明顯優勢。

(2)鋼-混凝土組合拱肋：可考慮采用的組合方式有兩種，即內部型鋼骨架與外部鋼筋混凝土組合和外部鋼管與內填混凝土組合。后者同樣需要定期進行外部防腐涂裝維護。這兩種組合方式主要用于解決截面尺寸受限與承載力需求較高的矛盾，克服鋼結構易失穩和防腐維護的不足。但本收費大棚景觀造型大拱截面尺寸不受限制，對承載力要求低，因此采用該組合結構不太經濟。

(3)鋼筋混凝土拱肋：用鋼量小，建造成本低，耐久性好，易維護，與鋼筋混凝土基礎更容易連接，這些是鋼筋混凝土方案的顯著優點。缺點是自重大，地震響應大，無法預制，需要現場立模施工，工期較長。

經過綜合比較分析，認為鋼筋混凝土拱肋在滿足功能要求、耐久性要求、抗震要求和可施工的前提下，經濟性最優，因此最終選用鋼筋混凝土拱肋方案。

3.2 結構構件布置

兩大拱肋向拱平面外傾雖只有5°，但在地基條件一般的情況下，因混凝土拱肋體積和重量大，產生的拱腳傾覆彎矩非常大，特別在順道路方向水平地震作用下，拱肋可能傾覆，安全性難以保證，給基礎設計帶來極大困難，將大幅增加基礎建設費用。因此在兩座拱肋的兩端各設置了4道水平系梁(見圖1)，平衡了拱腳傾覆力矩。此外，兩拱同側拱腳還設置暗埋的水平基礎拉梁，與水平系梁一道將兩拱聯成整體，形成自平衡體系。在自重作用下，每一拱肋的拱腳水平推力很大，可使拱腳樁基礎承受過大剪力。為此，同一拱肋的兩拱腳也設置暗埋基礎拉梁，可減小樁基承臺體積和樁直徑。

3.3 結構分析方法

此景觀大拱實際是一座空間結構，常規的結構設計軟件無法建模并準確地分析受力，因此本工程采用AutoCAD軟件與大型通用有限元軟件SAP2000聯合建立拱肋、水平系梁、基礎拉梁的整體模型，充分考慮可能出現的不利工況，進行受力分析，再根據內力值確定拱肋和基礎的鋼筋配置。

建模流程為：根據建筑施工圖給定的拱肋各截面形心三維坐標，在AutoCAD軟件中生成多個Point，將各Point按順序用Line連接，建立三維空間單曲線模型，整個大拱由多根Line組成，最后保存為DXF格式模型文件；由SAP2000軟件導入該DXF格式模型，導入時，為所有Line賦予Frame桿單元，并指定Z坐標為高度方向；在SAP2000軟件中定義各段Frame單元的平均截面尺寸和材料參數，賦給相應的Frame單元。

邊界條件設置為：一端拱腳為固定約束，另一端拱腳只約束豎向位移和繞X、Y、Z三軸的轉動，讓拱腳的水平推力和水平平動由基礎拉梁承擔。因為收費大棚周邊地形空曠，需要考慮風荷載的作用，以保證足夠的安全度。由于拱與框架結構相互分離，不傳力，因此拱上只需考慮自重、升溫、降溫、風荷載各自單獨作用和共同作用五種工況。自重由SAP2000軟件根據所輸入的拱肋截面尺寸自動計算；風荷載取值則根據拱肋離開地表高度按《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)和迎風面高度以均布線荷載的方式分段施加，只需在拱肋截面中心標高為12.046～15.750m的區段施加；風壓等效換算線荷載值為0.482～0.781kN/m；升、降溫幅度根據南寧本地氣象資料均取為8 ℃。建立的SAP2000有限元模型如圖3所示。

3.4 拱肋受力及變形分析

在自重、降溫和風荷載共同作用(作用效應標準組合)下，大拱的計算變形如圖4所示。計算得到的拱頂最大豎向撓度為24.8mm，跨度為1/209.4，滿足設計規范要求。

圖3 SAP2000有限元分析模型圖

圖4 SAP2000計算變形示意圖(自重+降溫+風)

3.5 自振特性和抗震性能初步分析

拱肋上小下大的變截面高度外形與水平地震作用的剪力和彎矩分布趨勢基本一致，因此是有利于抗震的。圖5給出了大拱體系的前三階自振振型及相應的周期、頻率，周期值略高于地質勘察報告所給出的地震動反應譜特征周期0.35s，但差距不大，在同一數量級，因此仍需采取必要的抗震措施，保證大拱體系的抗震性能。具體措施有：(1)地震作用效應采用反應譜法計算得到，作用效應組合分為考慮地震作用和不考慮地震作用兩種；(2)利用兩拱之間的連接構件——八根拱肋系梁和四道地下拱腳拉梁，使拱肋與拉梁構成自平衡體系，在中、強震作用下應確保拱肋與所有系梁、拉梁不發生脫離，即可保證拱肋不致于傾覆，因此配筋時須保證縱向鋼筋足夠的錨固長度，并適當提高拱肋和拉梁的配箍率。

(a)第一振型(兩拱同向橫擺，周期T1=0.422 s，頻率f1=2.371 Hz)

(b)第二振型(兩拱同步豎向起伏，周期T2=0.386 s，頻率f2=2.591 Hz)

(c)第三振型(兩拱反向橫擺，周期T1=0.381 s，頻率f1=2.624 1 Hz)

4 結語

每座高速公路收費站的收費大棚都應具有其獨特性，它是反映當地人文和時代特征的重要載體。作為一種文化標志，收費大棚應盡可能實現令人難忘、一睹外觀便知所在的藝術效果。本文介紹的南寧某收費站收費大棚一改收費大棚普遍采用的平而寬的屋頂造型和鋼網架結構，運用了拱+索這兩種剛柔相濟的設計元素，將兩者自然地融合為一體，既穩重，又不失輕巧，此風格的收費大棚相對較少。在結構設計方面，大跨度雙橢圓曲線變截面拱肋基本符合力與美協調統一的經典設計理念；在材料種類和結構類型選擇上，應根據可施工性、經濟性、設計難度確定最終方案；結構構件布置應從整體受力上設計成自平衡體系，減小基礎受力并有利于提高抗震性能，降低造價；對于帶有斜向曲線的空間結構，可采用CAD和有限元軟件建立空間模型進行受力分析；邊界條件應結合地質勘察報告的參數進行合理設置，既滿足受力平衡條件又偏于安全；荷載應充分考慮實際情況，不可漏計作用種類；作用效應組合應考慮同時出現的可能性，取最不利內力值作為構件材料用量的依據。