某大跨度、长悬挑钢管桁架收费站雨棚结构设计

周先祥

（中铁时代建筑设计院有限公司，安徽芜湖241000）

1 工程概况

某公铁长江大桥收费站将鸠兹鸟展翅飞翔的造型融入设计中，如图1 所示。屋顶投影面积为4 068m2，总高度19.8m，总长135m，中间跨度67.2m，两端各悬挑33.9m，结构布置采用纵向组合空间矩形桁架与横向平面桁架叠合，结构布置与建筑造型紧密结合，如图2 所示。

图1 结构立面布置图

图2 结构平面布置图

2 结构体系分析

2.1 结构方案优化

根据方案造型，通过各种试算并与建筑专业协商，考虑在每端中间收费岛上增加竖向构件，在顶部开叉，保证纵向组合空间矩形桁架的下弦杆都有支撑，更改结构方案后，优化了桁架杆件截面，用钢量减少了10kg/m2，结构悬挑端变形也得到了改善，最大变形减少了20mm，同时，增加了结构的冗余度，保证了结构安全，详见图3 和图4。

图3 原结构方案（每端2 根树形柱）

图4 现结构方案 （增加竖向支撑）

初步设计时，整个屋盖纵向檐口位置用檩条兼做系杆将各榀横向平面桁架连接（见图5 和图6），横向桁架变形较大，应力比局部超限，后通过比较采用封口边桁架和系杆对结构的影响后，决定采用封边桁架结构。通过计算结果可知，整个结构周期变小，结构刚度变大，整个屋盖的变形也比原结构方案小10mm，杆件的应力比也得到了控制。

图5 原结构方案局部（檐口檩条兼做系杆）

图6 原结构方案 （檐口增加变桁架）

2.2 结构体系设计

结构通过6 根树形柱支撑纵向组合空间矩形桁架[1，2]，并在树形柱的位置采用横向桁架加强支座的整体性，组合空间矩形桁架跨度67.2m，两端悬挑33.9m，组合空间矩形桁架高3.6～4.5m，宽9m。以纵向组合空间矩形桁架为基础，添加横向悬挑平面桁架，横向悬挑平面桁架每侧悬挑9m，横向悬挑桁架之间采用水平支撑进行连接，端头采用封边桁架加强结构整体性。树形柱和纵向空间矩形桁架模型与横向悬挑平面桁架模型按建筑造型共同组成整体结构，如图7 所示。桁架形状根据建筑曲线找形，结构设计与建筑造型紧密结合，充分体现了建筑效果。根据计算结果，不断优化杆件截面，最终确定树形柱主要截面采用φ560mm×20mm，钢管桁架主要截面为φ121mm×4mm～φ377mm×16mm，钢材采用Q355B。荷载根据建筑做法及GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的规定取值。

图7 整体结构模型

3 结构计算分析

3.1 两种有限元软件主要计算结果对比

从表1 的计算结果可知，结果计算指标均满足规范要求，设计时采用2 种软件进行对比校核，计算结果基本吻合，确保了计算模型的准确性。

表1 主要计算结果汇总表

3.2 静力特性

3.2.1 应力分析

从计算结果可知，结构整体受力对称均匀，最大拉应力出现在组合空间矩形桁架悬挑支座处，为150MPa，最大压应力出现在竖形柱上，为200MPa，最大应力比约控制在0.7，计算结果基本符合常规力学知识。考虑到本项目跨度大，悬挑长，竖向构件少的不利因素，设计时根据计算结果对树形柱区域采用增加支撑数量的措施对结构进行加强，增加了结构冗余度，保证了结构安全性。具体应力分布详见图8。

3.2.2 变形分析

结构竖向变形基本对称，其中悬挑端部最大挠度132mm，跨中反拱12mm，均满足规范的要求，如图9 所示。设计时要求悬挑端适当起拱，从而进一步控制竖向变形。

图8 应力云图

图9 变形云图

3.3 动力特性

特征值分析采用子空间叠代法，通过计算结果可知，前几阶振型均为整体振动，未出现局部振动。第一阶振型以纵向振动为主，并伴随局部上下振动，这是由于跨度大导致结构纵向刚度和竖向刚度弱，计算时需适当考虑竖向风荷载和地震力的影响；第二振型为扭转振型，由于结构细长，扭转刚度差，从而导致扭转振型出现早；第三振型为横向平动。第一扭转振型周期和第一平动振型周期比值小于0.9，满足规范要求，可以避免结构过早出现扭转破坏。通过以上分析可知结构动力特性基本满足要求，结构具有一定的刚度，且未出现局部振动。

3.4 抗连续性倒塌分析

按照JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》和JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》的相关要求，采用拆除重要构件的方法对关键部位进行抗连续性倒塌验算。由于结构的对称性，现考虑其中一个树形柱的一个重要分叉支撑失效对结构的影响，由于树形柱分叉支撑失效，导致结构缺少一个重要的支撑点，对结构的悬挑和跨度均带来不利影响。设计中采用拆除法，对竖向荷载采用动力放大系数，对拆除区域的竖向荷载动力放大系数取2，其余均取1，抗连续性倒塌设计中进行钢材正截面承载力验算时，钢材强度取标准值的1.25 倍，因此，最大应力比不能超过1.25方能保证结构不倒塌[3～5]。

从计算结果可以看出，当某一根树形柱关键支撑构件失效后，结构最大应力比未超过1.25，屋盖钢结构可以满足抗连续性倒塌的要求（见图10）。

图10 树形柱关键支撑构件破坏后应力云图

4 节点计算及设计

4.1 相贯节点计算方法

本项目采用将圆钢管直接相贯焊接，相贯节点为主管连通，对支管进行相贯线切割后，再焊接连接到主管上。本工程管桁架节点处相连杆件多，节点类型有空间TK 型、空间KTK型和空间KK 型等更为复杂的空间节点[6]。

由于本项目相贯节点种类多，设计时经过充分研究，采用以下3 种措施进行复核：（1）对于简单相贯节点，可以根据钢结构规范理论公式直接复核承载力；（2）对于较为复杂的空间相贯节点，能区分主、次管的情况，可采用3D3S 有限元软件相贯节点复核功能进行复核，使用该功能时，要注意人为指定好主管和支管，对于多根杆件交汇时可将节点承载力打折，考虑到本项目的重要性，折减系数取0.75；（3）对于无法区分主次管的相贯节点，采用大型通用有限元软件ANSYS 进行详细分析，本工程树形柱根部由4 根钢管相贯焊在一起，普通有限元采用的杆件单元不能精确进行计算，由于树形柱的重要性，对柱脚节点用ANSYS 进行了详细的有限元分析，采用Solid45实体单元进行有限元网格划分模拟，将各钢管内力在整体模型中读取并施加到相应位置[7，8]，计算结果如图11 所示，左侧2 根钢管直接连接纵向组合空间矩形桁架，受力直接，应力大，右侧两根钢管分担的荷载小，整体计算应力云图结果显示节点最大应力100MPa，满足设计要求。

4.2 柱脚节点选择

本工程跨度大，竖向构件少，柱底弯矩大，采用外露式柱脚对抗震性能不利，且对锚栓要求过高；埋入式柱脚是将钢柱插入基础中，本工程柱脚为变截面柱脚，插入基础时，由于截面过大会影响基础钢筋绑扎及混凝土浇筑质量；当采用外包柱脚时，一般要求外包混凝土高度是2.5 倍钢柱截面高度，而本工程柱脚为多根钢管相汇形成倒三角形状，柱脚为变截面，最下端为800mm，首先不能很准确确定钢管直径的取值，而且由于建筑造型的要求外包混凝土不能过高。

本工程尝试采用将外露式柱脚与外包式柱脚混用，分别按外露式柱脚和外包式柱脚计算柱脚承载力均可以满足要求，既弥补了外露式柱脚抗震性能弱的缺点又弥补了外包式柱脚外包混凝土构造高度偏小的问题，具体如图12 所示。

图11 柱脚节点应力图

图12 分叉柱脚节点图

5 结语

由于某长江公铁大桥收费站造型呈鸟翅状，屋盖形状比较复杂。为充分展现建筑效果，分析了结构的静力和动力特性，在满足规范的前提下，对薄弱部位进一步加强。由于树形柱的重要性，采用了拆除法分析了结构的抗连续性倒塌能力。钢管连接采用圆钢管相贯焊接节点，根据管桁架相贯节点的复杂性，针对不同的类型运用了相应的方法进行复核。采用外露和外包混合式柱脚，提高了柱脚节点安全性。保证了结构的安全、合理性和造型美观。