网架结构收费大棚设计与应用实例

网架结构收费大棚设计与应用实例

徐创泽，臧兴震

甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030

摘要：空间网架结构一种轻钢结构类型，目前在实际应用中较为普遍的，具有用钢量小、整体性好、制作安装便捷、施工难度小、质量易于控制、安装周期短等优点。在一些大中跨度的公共建筑及大跨屋顶上较为常见。由于电子计算的进步，使得结构高次超静定问题得以解决，从而使得空间网架的设计变的相对简单，本文结合工程实例对网架结构进行结构分析。

关键词：空间网架；结构设计；应用

引言：

网架结构在高速公路收费大棚上应用较多，是一种由多跟杆件与节点组合而成的网格状高次超静定空间杆件体系。该结构具有空间刚度好、可满足大跨度要求，具有用料省、施工速度快、安装方便、施工质量易于控制等优点[1]。在实际工程中应用较为普遍。

1、收费大棚特点

收费大棚的跨度由收费车道的数量、车道宽度确定，收费大棚单跨跨度由建筑专业结合车道数及车道宽度确定。收费站中间车道宽度一般为3.5m，两侧各设置一个设置宽度为4.5m的超宽车道。相邻收费车道间设置有宽度为2.2m的收费岛，收费岛上设置成品收费亭。

收费大棚的网架结构上面铺设檩条、屋面板，屋面板上面架立对应的吸塑发光站名以及logo；网架下部根据实际需求设置照明灯具以及指示牌、显示大屏等。收费大棚垂直于车道行车方向的两侧需外挑出6m左右，需覆盖外侧的超宽车道，平行于车道行车方向的两侧根据实际情况外挑出3-4m，用以遮挡车道的雨水以及收费亭。

为满足收费人员穿行需求及安全，在收费广场设置有地下人行通道或者地上人行天桥，设计人行通道或者天桥时应注意避开收费大棚网架的柱子及基础。

2、结构设计

收费大棚计算软件采用同磊3d3s Design有限元程序进行计算分析。

（1）结构建模

在网架设计中通常会选择四角锥体中的正放四角锥网架，支承形式可选为下弦支承或上弦支撑，采用下弦支撑时，应在支座边形成边桁架。网架具有受力均匀，空间刚度大等特点。根据规范要求，网架高跨比可取为1/10~1/18，结构设计时综合考虑安全性及经济性，高跨比通常取为1/15。实际施工时，若相邻杆件夹角太小将无法安装，因此在设计阶段控制相邻杆件间的夹角需不小于30°。[1]条件允许时网架支撑形式优先选用上弦支承方式，因为上弦支撑时杆件受力形式均为受拉，下弦支撑时杆件在支座附近受压，稳定不易满足。收费大棚排水方式一般采用小立柱找坡的方式进行屋面排水。在屋面设置排水天沟。网架钢柱一般采用圆钢管，下端与基础刚性连接，上端与网架通过支座连接。网架杆件采用圆钢管，在设计初期截面尺寸采用软件默认尺寸，后期通过计算进行构件截面优选，网架常用圆钢管规格表详见表一。

表一 网架常用圆钢管规格表

一般认为网架结构在其平面内刚度为无穷大，但是对于单根柱来说，网架支座局部并不能给钢柱提供足够的侧向支撑，其约束可近似看作是在铰接与自由之间。钢柱下部与基础采用刚性连接，加之，同时基础埋置与有混凝土收费岛内，整体刚度较大，可认为是刚接，参考《钢结构设计标准》[2]，偏于保守的将柱计算长度系数取为2.03，需在模型中自行输入。

结构建模时应将网架与钢柱整体建模，这样可在计算时利用柱顶的变形协调条件，在受力分析时考虑二者的刚度差异及相互影响，使得计算结果更加精确、可靠。

（2）荷载及地震作用

1. 恒活荷载

收费大棚一般位于高速公路出入口处，使用场景及工作环境接近，网架形式通常为平板网架，故恒活荷载也基本一致。

网架恒荷载主要包括网架自重、上部的檩条、小立柱、屋面板、建筑饰面、吸塑发光站名、钢支架及网架下部的照明灯具、指示牌、显示大屏等。

网架活荷载活载按照《建筑结构荷载规范》进行取值，活载与雪荷载作为一对互斥荷载输入，取大值[3]。

2. 风荷载

收费站一般设置于高速公路出入口处，多为城市郊区或乡镇，建筑物较少，地面粗糙度一般为按B类设计，网架高度一般小于10m，参考《建筑结构荷载规范》8.2.1条，分压高度变化系数取1.0。设计基本风压按网架所在地位置查《建筑结构荷载规范》附录E，按100年一遇选用。收费大棚为四面开敞型构筑物，网架各个面均承受风压或风吸作用。风荷载的体形系数按照《建筑结构荷载规范》8.3.1条选用[3]。

3. 地震作用

根据收费大棚实际所在地位置，查《中国地震动参数区划图》[4]，确定收费大棚抗震设防烈度、设计地震基本加速度、设计地震分组及特征周期。收费大棚抗震设防类别为标准设防类。根据《建筑抗震设计规范》[5]确定结构抗震等级，按对应抗震设防烈度及抗震等级进行地震作用计算并采取相应的抗震措施。收费大棚为四面开敞型网架结构，阻尼比取0.04。

4. 其他荷载

网架计算时应考虑温度荷载，根据实际情况输入构件最大升温及最大降温。

还应根据实际情况输入对应的附加重量等。

将各类荷载按照不同的荷载工况进行组合，荷载组合应按照最新可靠度规范进行组合，恒载组合值系数为1.3，活载组合值系数为1.5，最终按照最不利组合进行结构设计。

（3）结构设计

a、允许挠度

收费大棚网架结构的容许挠度按照《空间网格结构技术规程》3.5.1条中屋盖结构的规定进行取值，取短向跨度的1/250。采用预先起拱时，起拱值不大于短向跨度的1/300。[1]

b、长细比

收费大棚网架结构构件长细比按受压构件、受拉构件等不同取值不同。

受压构件长细比限值为180;一般受拉构件长细比限值为400；支座周边的受拉杆件长细比限值为300。

c、杆件截面的选择

收费大棚网架结构杆件截面种类不易过多，一般控制在10中以内，选用常用的标准圆钢管截面。综合考虑安全性及经济性，最小杆件截面定义为φ60×3.5。

d、支座节点

收费大棚网架支座类型主要有正向平板支座、斜向平板支座及橡胶支座。平板网架多选用正向平板支座，由3d3s软件自动设计，主要由十字板、螺栓、支座底板构成，并通过过渡钢板与下部钢柱连接。

3、工程实例

（1）项目概况

甘肃省兰州市某高速公路收费大棚采用双层平板网架结构，收费站车道布置为3入4出，中间车道宽度为3.5m，两侧超宽车道宽度为4.5m。收费大棚网架平面尺寸为41.8mx19.1m，平行于车道方向柱距为13m，共2排柱子，两侧悬挑长度均为4.55m；垂直于车道方向柱距自左到右分别为5.7m、17.1m、5.7m，共4排柱子，两侧悬挑长度均为为6.65m。网架厚度为1.0m。网架平面尺寸详见图一。

图一  网架平面布置图

兰州市抗震设防烈度为8度0.20g，设计基本风压为0.35kN/㎡（100年一遇），基本雪压为0.20kN/㎡（100年一遇），结构年限为50年，结构安全性等级为二级。

（2）结构设计

网架类型为正放四角锥网架，杆件截面尺寸采用软件默认尺寸,在结构建模模块中释放杆件两端节点。节点类型类型采用螺栓球，支撑方式为上弦支承，柱顶标高为7m，钢柱底支座形式定义为固接,钢柱及网架钢材材质定义为Q355B级钢。荷载工况中共定义3中工况，依次为工况0（恒载）、工况1（活载）、工况2（风荷载）。其中上下弦恒载根据实际情况分别取0.50kN/㎡、0.30kN/㎡；上弦活载取0.50kN/㎡；基本风压取为0.35kN/㎡，网架上表面风荷载体形系数取为-1.3，迎风面体形系数取为-0.8，背风面体形系数取为0.5，两个侧面体形系数取为-0.7。抗震设防烈度为8度0.20g，考虑竖向地震作用影响，软件计算时采用的主要荷载组合详见表二。

表二 荷载组合

最终计算结果由最不利工况计算结果确定，网架结构在最不利工况下，网架节点最大竖向位移为36.41mm,钢柱的最大水平位移为35.5mm,竖向位移及水平位移均满足规范要求，网架节点及钢柱柱顶节点在最不利工况组合下位移数值详见表三、表四。

表三 网架节点最不利组合下位移数值汇总

表四  钢柱柱顶节点最不利组合下位移数值汇总

在设计过程中，模型内力计算前将所有杆件及钢柱应力比设限定在定在0.30-0.90之间，内力计算时所有网架杆件进行截面优选。重复迭代计算至应力比满足限定值为止。杆件挠度、长细比、应力比均满足规范要求。钢柱的长细比按照《钢结构设计标准》

[2]要求的1/150进行控制。网架应力比分布图详见图二。

图二  网架结构应力分布图

内力计算完成后进行螺栓球及支座设计，螺栓球设计时首先在网架中定义螺栓球，然后拟合螺栓孔，再进行螺栓球设计。支座设计时首先定义网架支座，支座类型选为正向平板支座，网架支座设计时需考虑支座节点受到的压力、拉力、扭矩、侧移及转动。网架支座设计时需同时进行十字板高度、厚度、焊缝验算及网架底板尺寸、厚度验算，还需进行螺栓受剪、受拉、受压等多项验算，本项目各项验算均满足规范要求[6]。

设计完成后，验算每平米含钢量，本项目网架钢材总重为19.2t，每平米重量为24kg，在合理范围内。

4、结构优缺点
收费大棚常用的结构形式主要有网架结构、膜结构、钢框架结构、钢筋混凝土框架结构等，其中网架结构由于跨度大，抗震性能好、施工周期短，造价经济而运用最为广泛[7]。

网架结构高跨比最大可做到1/18，均大于钢框架结构及混凝土框架结构，可有效增大建筑物跨度及高度，便于充分利用空间及设计造型。网架结构重量轻、刚度大、抗震性能较好。相比于混凝土框架结构，其自重可减轻约70-80%，相比于实腹式钢结构，其自重可减轻约20-50%。网架结构杆件均为工厂制作，可批量生产，质量易于控制，生产完成后直接运输至现场组装，施工周期短。[8]

网架结构缺点主要为汇交于球节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂，施工精度要求高。

5、结语
上文结合工程实例介绍了网架结构收费大棚的建模及计算结果，通过分析可知，正确施加荷载，合理设置约束条件，是网架计算的重要前提。网架结构具有跨度大，自重轻等优势。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.空间网格结构技术规程: JGJ 7—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2]中冶京诚工程技术有限公司.钢结构设计标准: GB 50017—2017[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.

[3]中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范: GB 50009—2012[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[4]中国建筑科学研究院.中国地震动参数区划图: GB 18306—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

[5]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范（2016年版）: GB 50011—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.

[6]张毅刚、薛素铎、杨庆山.大跨空间结构（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2014.

[7]高铭.高速公路沿线网架结构收费大棚结构设计要点分析[J].江西建材,2019(02)-0038-02.

[8]马克俭,张华刚,郑涛著.新型建筑空间网格结构理论与实践[M]. 人民交通出版社, 2006.