大跨度钢结构在交通建筑领域的应用

陈立栋，蒙 飞，刘晓燕，刘旭峰，张 勇

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都）

引言

大跨度建筑的形成和发展很好地满足了人们对建筑大空间的使用需求，成为现代社会建筑的重要组成部分。大跨度钢结构是大跨度建筑的主要结构形式，钢结构灵活多变的结构体系能够很好地适应大跨度建筑的空间和外观需求。因此，加大对大跨度钢结构设计的研究力度，对于大跨度建筑的推广和发展具有深远意义[1]。大跨度建筑能够创造开敞明亮的大空间，被广泛应用于体育馆、礼堂、机场、火车站等大型公共建筑。随着城市建设的不断进步，大空间建筑结构越来越呈现出复杂化和多元化，对大跨度建筑空间布置的合理性和外观造型的多样性提出了更高的要求。

1 大跨度建筑的结构类型

目前国内研究成果对大跨度建筑结构的定义并不明确。《建筑抗震设计规范》中提出9 度和9 度以上区域跨度大于18 m 的屋架和8 度区域跨度大于24 m 的屋架为大跨度结构，并应考虑其竖向地震力[2]。田静辉认为大跨度建筑结构指的是建筑结构跨度在30 m 以上的建筑结构，在钢结构形式中，跨度要在60 m以上才能被称为大跨度建筑[3]。

大跨度建筑结构主要应用于大跨度连廊或者需要大空间的建筑体系中，比如连接双塔楼的大跨度连廊，需要容纳上万观众的大型体育馆、音乐厅和大礼堂，需要开敞空间进行信息汇总的大型监控室，需要大空间进行人员组织的大型客运站、航站楼，高速公路收费棚等交通建筑。大跨度建筑结构以钢结构为主，当前所采用的大跨度空间建筑结构类型主要包括钢框架、钢桁架、网架、网壳和膜结构，也在持续地发展形成新类型的大跨度建筑结构，以适应不同的建筑空间表现形式及多变的建筑形态[4-5]。

2 大跨度交通建筑结构形式

建筑结构形式直接影响着建筑使用者的体验感。以火车站、机场、客运站等为代表的交通建筑，由于需要集散大量的人流，通常采用大跨度的结构形式来满足其功能布置需求。交通建筑使用者往往想要及时掌握建筑内的交通流线和空间布局，以顺利地完成登机和乘车。大跨度建筑结构将整个流程都覆盖在同一个大跨结构下，形成了“室外化”的空间感，具有较强的建筑透明性与视野广度，更有利于使用者掌握建筑空间交通流线，并提升对建筑体的环境感受[6]。

大跨度钢结构的结构形式满足了站台、航站楼、车站等建筑的空间布局、外观形象和建筑体量等方面的需求。大型机场航站楼和火车站往往也因其巨大的建筑体量和独特的外观造型而成为地标性建筑，并反应着区域性的文化特征。随着工程实例的积累和课题研究的深入，大跨度建筑的结构形式往往随着建筑跨度和空间布局的变化而有所优化，国内重要的大跨度交通建筑结构形式如表1 所示[7-10]。

表1 大跨度交通建筑结构形式

从表1 可以看出，大型机场航站楼为追求大空间，常常采用网架或者网壳作为屋盖结构。网架结构形式简洁明了，可以作为外露屋盖结构，并且配合空间布置采用玻璃作为采光点。大跨度网架或者网壳常常可以达到跨度100 m 及其以上，极大地满足了建筑大空间的需要，是一种成熟的大跨度结构形式。通常此类交通建筑具有舒展的形态和丰富的外观造型，也通常作为地标性建筑和展现地方文化的重要标志。

近年来，随着经济高速发展，区域间经济活动频繁，交通量日益增大，对交通基础设施建设提出了更高的要求。全国各地多条高速正在进行扩容，如川渝地区的成南高速公路、成渝高速公路和成自泸高速公路等。收费棚也从以前的4 车道、6 车道扩容增加到了10 车道、14 车道甚至更多。为满足多车道使用功能的需要和外观形象的诉求，全国新建了大量的大跨度收费棚。2015 年12 月建成的合宁高速吴庄主线收费站拥有36 个车道，收费广场横向宽度201.5 m，为目前全国最大的收费站[11]。柯桥收费站大跨度收费棚跨度85.1 m，采用刚架结构体系，结构由共五榀大截面实腹箱形刚架组成，矢跨比约1/19，跨中高跨比为1/65，刚架柱向外倾斜11°，支承在10 个抗震球铰支座上[12]。G76 厦蓉高速（隆纳）泸州收费棚跨径122.4 m，高24.35 m，为四川省跨径最大的收费站。G93 成渝高速资阳收费站、成自泸赤高速自贡东收费站等也采用大跨度结构来满足区域性日益增长的通行需求。部分大跨度收费棚结构信息详见表2。

表2 大跨度收费棚结构信息

3 大跨度交通建筑结构实例

大跨度交通建筑结构常采用钢管桁架、钢网架等结构形式。其中，钢管桁架结构体系既能满足复杂多变的造型需求，又能实现结构荷载的清晰传递。钢管的管壁较薄，几何特性好，抗扭性能好，抗弯刚度较大，结构稳定性好。将空间桁架应用于大跨度结构，既能灵活地适应建筑的造型变化，又具有很强的结构稳定性。

本文以某钢管空间桁架结构为实例，展示大跨度收费棚采用空间桁架作为结构形式的结构布置、构件尺寸和基础设计方法等。该大跨度收费棚结构抗震烈度为8 度，设计基本加速度为0.30 g，所在场地设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。收费棚跨度约51.34 m，宽度约17.5 m，顶高约11.5 m，中间净高约7.5 m，罩棚投影面积约977 m2，设4 入4 出共8 车道，建筑立面见图1。

图1 收费棚建筑效果

3.1 结构选型和布置

为满足收费棚大气的建筑外形，结构体系采用大跨度结构，保证中部交通空间开敞明亮，避免立柱的遮挡，保证驾乘人员在高速公路上拥有开阔的视野。若采用实腹式钢框架，由于结构跨度较大，H 型钢梁截面较大，造成钢材浪费；若采用网架结构，竖向构件和水平网架的衔接不易处理，结构斜柱的造型不利于网架支座的布置，且球节点构造复杂，数量众多，现场拼装量大。通过综合考虑结构经济性、节点构造及施工效率等因素，本工程大跨度收费棚结构采用空间桁架结构体系。

为实现大跨度的建筑外形并保证结构的稳定性，收费棚正立面和背立面采用相同的两榀大型空间桁架作为主要的受力构件，中间用4 榀小型空间桁架和13 榀平面桁架作为横向支撑，保证两榀大型空间桁架在横向的稳定性，并形成整体受力的结构体系。17 榀横向支撑之间局部规律性地采用交叉支撑以保证杆件长细比满足规范要求。荷载工况考虑：屋面恒载0.5 kN/m2，吊顶恒载0.4 kN/m2，屋面活荷载0.5 kN/m2，基本雪压0.5 kN/m2，基本风压0.3 kN/m2，温度作用和地震作用。该结构荷载传递路径清晰合理，结构整体性较好，能很好地抵抗风荷载和地震作用等水平荷载。本工程采用结构设计软件3D3S 进行结构建模和计算分析，结构三维模型如图2 所示。

图2 结构三维模型

3.2 构件尺寸

从结构三维模型可以看出，本项目采用的空间桁架结构体系很好地适应了该大跨度收费棚两侧斜柱的造型，并实现了竖向受力构件和水平受力构件的荷载传递和构件连接。本工程结构水平桁架部分高度按3.3 m 布置，保证0.7 m 的空间布置水电管网，且减小桁架高度保证经济性，其余部分均与建筑专业尺寸和线条保持一致。钢结构钢材采用Q235B，在满足安全性和经济性的前提下，尽量统一相同部位构件的截面尺寸，保证构件长细比满足规范要求，并使得结构在荷载作用下构件最大应力比接近0.7。通过软件计算，两榀大型空间桁架上下弦均采用Ø194×12，腹杆采用Ø83×5；中间4 榀小型空间桁架和13 榀平面桁架上下弦及交叉支撑均采用Ø121×6，腹杆采用Ø83×5。本工程充分发挥了空间桁架传力清晰，造型灵活多变的特点，满足外观造型的前提下，保证结构体系合理安全。

3.3 基础设计

本工程为拱形大跨度结构，柱脚水平推力较大，并且存在一定的倾角。为保证基础的稳定性，本工程结构柱脚实行刚接设计，管桁架钢管柱脚采用加劲肋刚接的形式来保证结构基础的稳定。对每个立柱的6跟落地钢管采用刚性连接与混凝土短柱柱端的底板相连，充分保证了柱脚的稳固。柱脚设计能够有效地抵抗钢管柱的内力，支座构造示意详见图3。

图3 支座构造示意

3.4 模态分析

经结构计算软件3D3S 分析计算，计算前18 阶振型。X 向和Y 向振型质量参与系数分别为95.29%和98.46%。结构主要动力特性如表3 所示。结构的第一阶周期为0.2940s，振型表现为X 向平动；第二阶周期为0.2914s，振型表现为竖向振动；第三阶周期为0.2638s，振型表现为Y 向平动。结构第一周期以平动为主，符合结构抗震设计的基本预期。

表3 大跨度空间桁架动力特性

结束语

本文介绍了大跨度建筑的结构类型，并展示了大跨度钢结构在交通建筑领域的应用实例，对机场、火车站、客运站和收费棚等大跨度交通建筑的结构形式进行了归纳总结。以空间钢管桁架大跨度收费棚作为案例，介绍了大跨度收费棚的结构设计方法，为大跨度收费棚的结构设计提供了参考案例。