大跨度鋼結(jié)構(gòu)在交通建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

陳立棟，蒙 飛，劉曉燕，劉旭峰，張 勇

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都）

引言

大跨度建筑的形成和發(fā)展很好地滿足了人們對(duì)建筑大空間的使用需求，成為現(xiàn)代社會(huì)建筑的重要組成部分。大跨度鋼結(jié)構(gòu)是大跨度建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)靈活多變的結(jié)構(gòu)體系能夠很好地適應(yīng)大跨度建筑的空間和外觀需求。因此，加大對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究力度，對(duì)于大跨度建筑的推廣和發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[1]。大跨度建筑能夠創(chuàng)造開敞明亮的大空間，被廣泛應(yīng)用于體育館、禮堂、機(jī)場(chǎng)、火車站等大型公共建筑。隨著城市建設(shè)的不斷進(jìn)步，大空間建筑結(jié)構(gòu)越來(lái)越呈現(xiàn)出復(fù)雜化和多元化，對(duì)大跨度建筑空間布置的合理性和外觀造型的多樣性提出了更高的要求。

1 大跨度建筑的結(jié)構(gòu)類型

目前國(guó)內(nèi)研究成果對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)的定義并不明確?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中提出9 度和9 度以上區(qū)域跨度大于18 m 的屋架和8 度區(qū)域跨度大于24 m 的屋架為大跨度結(jié)構(gòu)，并應(yīng)考慮其豎向地震力[2]。田靜輝認(rèn)為大跨度建筑結(jié)構(gòu)指的是建筑結(jié)構(gòu)跨度在30 m 以上的建筑結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)形式中，跨度要在60 m以上才能被稱為大跨度建筑[3]。

大跨度建筑結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于大跨度連廊或者需要大空間的建筑體系中，比如連接雙塔樓的大跨度連廊，需要容納上萬(wàn)觀眾的大型體育館、音樂廳和大禮堂，需要開敞空間進(jìn)行信息匯總的大型監(jiān)控室，需要大空間進(jìn)行人員組織的大型客運(yùn)站、航站樓，高速公路收費(fèi)棚等交通建筑。大跨度建筑結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)前所采用的大跨度空間建筑結(jié)構(gòu)類型主要包括鋼框架、鋼桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼和膜結(jié)構(gòu)，也在持續(xù)地發(fā)展形成新類型的大跨度建筑結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的建筑空間表現(xiàn)形式及多變的建筑形態(tài)[4-5]。

2 大跨度交通建筑結(jié)構(gòu)形式

建筑結(jié)構(gòu)形式直接影響著建筑使用者的體驗(yàn)感。以火車站、機(jī)場(chǎng)、客運(yùn)站等為代表的交通建筑，由于需要集散大量的人流，通常采用大跨度的結(jié)構(gòu)形式來(lái)滿足其功能布置需求。交通建筑使用者往往想要及時(shí)掌握建筑內(nèi)的交通流線和空間布局，以順利地完成登機(jī)和乘車。大跨度建筑結(jié)構(gòu)將整個(gè)流程都覆蓋在同一個(gè)大跨結(jié)構(gòu)下，形成了“室外化”的空間感，具有較強(qiáng)的建筑透明性與視野廣度，更有利于使用者掌握建筑空間交通流線，并提升對(duì)建筑體的環(huán)境感受[6]。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式滿足了站臺(tái)、航站樓、車站等建筑的空間布局、外觀形象和建筑體量等方面的需求。大型機(jī)場(chǎng)航站樓和火車站往往也因其巨大的建筑體量和獨(dú)特的外觀造型而成為地標(biāo)性建筑，并反應(yīng)著區(qū)域性的文化特征。隨著工程實(shí)例的積累和課題研究的深入，大跨度建筑的結(jié)構(gòu)形式往往隨著建筑跨度和空間布局的變化而有所優(yōu)化，國(guó)內(nèi)重要的大跨度交通建筑結(jié)構(gòu)形式如表1 所示[7-10]。

表1 大跨度交通建筑結(jié)構(gòu)形式

從表1 可以看出，大型機(jī)場(chǎng)航站樓為追求大空間，常常采用網(wǎng)架或者網(wǎng)殼作為屋蓋結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔明了，可以作為外露屋蓋結(jié)構(gòu)，并且配合空間布置采用玻璃作為采光點(diǎn)。大跨度網(wǎng)架或者網(wǎng)殼常?？梢赃_(dá)到跨度100 m 及其以上，極大地滿足了建筑大空間的需要，是一種成熟的大跨度結(jié)構(gòu)形式。通常此類交通建筑具有舒展的形態(tài)和豐富的外觀造型，也通常作為地標(biāo)性建筑和展現(xiàn)地方文化的重要標(biāo)志。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，區(qū)域間經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，交通量日益增大，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。全國(guó)各地多條高速正在進(jìn)行擴(kuò)容，如川渝地區(qū)的成南高速公路、成渝高速公路和成自瀘高速公路等。收費(fèi)棚也從以前的4 車道、6 車道擴(kuò)容增加到了10 車道、14 車道甚至更多。為滿足多車道使用功能的需要和外觀形象的訴求，全國(guó)新建了大量的大跨度收費(fèi)棚。2015 年12 月建成的合寧高速吳莊主線收費(fèi)站擁有36 個(gè)車道，收費(fèi)廣場(chǎng)橫向?qū)挾?01.5 m，為目前全國(guó)最大的收費(fèi)站[11]?？聵蚴召M(fèi)站大跨度收費(fèi)棚跨度85.1 m，采用剛架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)由共五榀大截面實(shí)腹箱形剛架組成，矢跨比約1/19，跨中高跨比為1/65，剛架柱向外傾斜11°，支承在10 個(gè)抗震球鉸支座上[12]。G76 廈蓉高速（隆納）瀘州收費(fèi)棚跨徑122.4 m，高24.35 m，為四川省跨徑最大的收費(fèi)站。G93 成渝高速資陽(yáng)收費(fèi)站、成自瀘赤高速自貢東收費(fèi)站等也采用大跨度結(jié)構(gòu)來(lái)滿足區(qū)域性日益增長(zhǎng)的通行需求。部分大跨度收費(fèi)棚結(jié)構(gòu)信息詳見表2。

表2 大跨度收費(fèi)棚結(jié)構(gòu)信息

3 大跨度交通建筑結(jié)構(gòu)實(shí)例

大跨度交通建筑結(jié)構(gòu)常采用鋼管桁架、鋼網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)形式。其中，鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系既能滿足復(fù)雜多變的造型需求，又能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)荷載的清晰傳遞。鋼管的管壁較薄，幾何特性好，抗扭性能好，抗彎剛度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。將空間桁架應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)，既能靈活地適應(yīng)建筑的造型變化，又具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

本文以某鋼管空間桁架結(jié)構(gòu)為實(shí)例，展示大跨度收費(fèi)棚采用空間桁架作為結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法等。該大跨度收費(fèi)棚結(jié)構(gòu)抗震烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.30 g，所在場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。收費(fèi)棚跨度約51.34 m，寬度約17.5 m，頂高約11.5 m，中間凈高約7.5 m，罩棚投影面積約977 m2，設(shè)4 入4 出共8 車道，建筑立面見圖1。

圖1 收費(fèi)棚建筑效果

3.1 結(jié)構(gòu)選型和布置

為滿足收費(fèi)棚大氣的建筑外形，結(jié)構(gòu)體系采用大跨度結(jié)構(gòu)，保證中部交通空間開敞明亮，避免立柱的遮擋，保證駕乘人員在高速公路上擁有開闊的視野。若采用實(shí)腹式鋼框架，由于結(jié)構(gòu)跨度較大，H 型鋼梁截面較大，造成鋼材浪費(fèi)；若采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件和水平網(wǎng)架的銜接不易處理，結(jié)構(gòu)斜柱的造型不利于網(wǎng)架支座的布置，且球節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，數(shù)量眾多，現(xiàn)場(chǎng)拼裝量大。通過綜合考慮結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及施工效率等因素，本工程大跨度收費(fèi)棚結(jié)構(gòu)采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系。

為實(shí)現(xiàn)大跨度的建筑外形并保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，收費(fèi)棚正立面和背立面采用相同的兩榀大型空間桁架作為主要的受力構(gòu)件，中間用4 榀小型空間桁架和13 榀平面桁架作為橫向支撐，保證兩榀大型空間桁架在橫向的穩(wěn)定性，并形成整體受力的結(jié)構(gòu)體系。17 榀橫向支撐之間局部規(guī)律性地采用交叉支撐以保證桿件長(zhǎng)細(xì)比滿足規(guī)范要求。荷載工況考慮：屋面恒載0.5 kN/m2，吊頂恒載0.4 kN/m2，屋面活荷載0.5 kN/m2，基本雪壓0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，溫度作用和地震作用。該結(jié)構(gòu)荷載傳遞路徑清晰合理，結(jié)構(gòu)整體性較好，能很好地抵抗風(fēng)荷載和地震作用等水平荷載。本工程采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S 進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)三維模型如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

3.2 構(gòu)件尺寸

從結(jié)構(gòu)三維模型可以看出，本項(xiàng)目采用的空間桁架結(jié)構(gòu)體系很好地適應(yīng)了該大跨度收費(fèi)棚兩側(cè)斜柱的造型，并實(shí)現(xiàn)了豎向受力構(gòu)件和水平受力構(gòu)件的荷載傳遞和構(gòu)件連接。本工程結(jié)構(gòu)水平桁架部分高度按3.3 m 布置，保證0.7 m 的空間布置水電管網(wǎng)，且減小桁架高度保證經(jīng)濟(jì)性，其余部分均與建筑專業(yè)尺寸和線條保持一致。鋼結(jié)構(gòu)鋼材采用Q235B，在滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，盡量統(tǒng)一相同部位構(gòu)件的截面尺寸，保證構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比滿足規(guī)范要求，并使得結(jié)構(gòu)在荷載作用下構(gòu)件最大應(yīng)力比接近0.7。通過軟件計(jì)算，兩榀大型空間桁架上下弦均采用?194×12，腹桿采用?83×5；中間4 榀小型空間桁架和13 榀平面桁架上下弦及交叉支撐均采用?121×6，腹桿采用?83×5。本工程充分發(fā)揮了空間桁架傳力清晰，造型靈活多變的特點(diǎn)，滿足外觀造型的前提下，保證結(jié)構(gòu)體系合理安全。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程為拱形大跨度結(jié)構(gòu)，柱腳水平推力較大，并且存在一定的傾角。為保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，本工程結(jié)構(gòu)柱腳實(shí)行剛接設(shè)計(jì)，管桁架鋼管柱腳采用加勁肋剛接的形式來(lái)保證結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定。對(duì)每個(gè)立柱的6跟落地鋼管采用剛性連接與混凝土短柱柱端的底板相連，充分保證了柱腳的穩(wěn)固。柱腳設(shè)計(jì)能夠有效地抵抗鋼管柱的內(nèi)力，支座構(gòu)造示意詳見圖3。

圖3 支座構(gòu)造示意

3.4 模態(tài)分析

經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件3D3S 分析計(jì)算，計(jì)算前18 階振型。X 向和Y 向振型質(zhì)量參與系數(shù)分別為95.29%和98.46%。結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)恿μ匦匀绫? 所示。結(jié)構(gòu)的第一階周期為0.2940s，振型表現(xiàn)為X 向平動(dòng)；第二階周期為0.2914s，振型表現(xiàn)為豎向振動(dòng)；第三階周期為0.2638s，振型表現(xiàn)為Y 向平動(dòng)。結(jié)構(gòu)第一周期以平動(dòng)為主，符合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本預(yù)期。

表3 大跨度空間桁架動(dòng)力特性

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了大跨度建筑的結(jié)構(gòu)類型，并展示了大跨度鋼結(jié)構(gòu)在交通建筑領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)機(jī)場(chǎng)、火車站、客運(yùn)站和收費(fèi)棚等大跨度交通建筑的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了歸納總結(jié)。以空間鋼管桁架大跨度收費(fèi)棚作為案例，介紹了大跨度收費(fèi)棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為大跨度收費(fèi)棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考案例。