目前我省高速收费雨棚结构形式以钢结构平板网架为主, 钢网架具有屋面刚度大、施工简单、自重轻、工程造价低等优点;但平板网架造型比较简单, 只能完成收费雨棚的使用功能;如何能将钢网架结构形式与建筑造型有效地结合, 达到收费雨棚使用功能和建筑美观要求的完美统一, 是我省高速公路收费雨棚设计面临的一个问题。

本工程为沈阳绕城高速公路白塔堡收费站雨蓬, 收费站进出口门数为6进8出, 收费雨蓬总长度为73.8m, 最大进深长度16.2m, 钢网架顶标高为9.4m, 钢架最高点高度为13.9m;根据建筑专业外观要求, 本工程存在建筑跨度大, 屋面水平, 悬挑跨度大、建筑造型复杂等特点, 综合以往高速公路收费雨棚设计经验, 综合考虑钢网架、桁架、钢排架等结构形式, 并结合本工程建筑特点, 以结构设计“安全、经济、适用”为原则, 本工程主体结构部分可采用钢网架结构形式;钢网架与钢桁架和钢排架等结构形式比较, 具有自重低, 整体屋面刚度大, 现场施工较方便, 施工现场焊接量较少, 综合工程造价较低等优点, 故本工程采用钢网架结构形式。屋面钢架造型采用在混凝土柱顶设置钢管格构柱, 并在钢管格构柱间设置钢管格构梁, 形成整榀钢架, 增强钢架刚度。钢网架中部跨四车道, 即跨度为21.6m;钢网架边跨三车道, 即跨度为16.2m;网架端部悬挑9.9m, 网架高度即上下弦网架螺栓球中心垂直距离为1.8m;网架共设四排支座, 每排支座设四根钢筋混凝土柱作为网架支座;根据建筑造型, 在网架中间跨支座混凝土柱顶设置钢柱, 并升至13.9m, 通过钢梁连接成一榀钢架, 以满足建筑造型要求。

效果图见图1。

本工程建筑抗震设防分类为丙类, 建筑结构的安全等级为二级, 建筑设计使用年限为50年,

抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g;设计地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅱ类。基本风压0.55k N/m2, 基本雪压0.50k N/m2, 屋面静荷载考虑檩条及屋面板自重等, 取0.40k N/m2, 屋面活荷载为0.50k N/m2, 网架下弦荷载因考虑屋面吊顶, 网架下弦静荷载取0.20k N/m2;地面粗糙度为B类;本工程整体计算采用浙江大学空间结构研究中心开发的钢网架结构分析设计软件MSTCAD;网架节点为螺栓球连接方式, 型式为正方四角锥双层网架, 支承形式为框架柱顶多点支承。网架钢管采用Q235B级钢, 可选用高频电焊钢管或无缝钢管 (结构平面布置图见图2) ;本工程竖向荷载和风荷载为主要控制荷载, 本工程基础采用柱下独立基础;本工程结构关于结构中心线对称。混凝土柱间交叉造型采用方钢200×4, 与混凝土柱预埋钢板焊接;网架顶部钢架采用从混凝土柱顶升起的格构式钢管柱与钢梁连接, 形成一榀钢架;网架柱顶拉索一端与钢架连接, 一端与上弦螺栓球连接, 保证拉索受力直接作用在网架上弦螺栓球上。网架网格大小为1.8m×1.8m, 网架高度因悬挑跨度较大, 采用1.8m厚;螺栓球直径为130mm。

网架杆件采用高频电焊钢管或无缝钢管, 规格大部为60×3.5圆管和76×4.0圆管;网架支座和钢架等钢材均采用Q235B级钢。螺栓球节点应由钢球、高强度螺栓、套筒、紧固螺钉、锥头等零件组成。本工程采用MSTCAD软件计算, 结构整体计算结果均满足现行规范要求, 其中上弦杆在竖向荷载和风荷的基本组合下的最大内力为90k N, 最大应力为146.4N/mm2, 位于网架悬挑端支座上部杆件;下弦杆最大内力为89.6k N, 最大应力为132.4N/mm2, 位于网架悬挑端支座下部杆件;腹杆最大应力为175N/mm2, 位于网架悬挑端支座附近杆件;钢网架在竖向荷载和风荷的标准组合下的最大变形为29mm, 位于钢网架的悬挑端部, 网架其余位置在竖向荷载和风荷的标准组合下的最大变形为13mm, 位于21.6m跨钢网架的中间部分;根据《空间网格结构技术规程》 (JGJ7-2010) , 悬挑部分结构挠度容许值为L/125 (L为短向跨度) , 屋盖结构为L/250, 经核查, 结构挠度均满足规范要求。因收费雨棚属于室外结构, 故对整个收费雨棚钢结构构件防腐蚀要求较高, 特采用如下措施保证钢结构的防腐蚀和耐久性。

(1) 除锈:在制作前钢材表面应进行喷射 (丸、砂) 除锈处理, 除锈的质量等级为Sa2级标准。

(2) 涂漆:钢材经除锈处理后应立即喷涂铁红环氧底漆1遍, 环氧云铁中间漆2遍, 然后涂氯化橡胶面漆2遍, 漆膜总厚度不应小于125μm。面漆颜色同收费站雨棚主体外饰材料颜色。

(3) 涂漆时应注意, 凡是高强度螺栓连接摩擦面范围内, 不允许涂刷油漆或有油污。并且所有外露钢结构部件均刷涂防火涂料, 耐火极限1 h。屋面板采用镀锌压型钢板, 排水双面找坡, 横向用槽钢引入雨水管, 雨水管、电线管应注意隐蔽。因钢网架结构受力特点为螺栓球直接承担荷载, 通过螺栓球节点传给各受力杆件, 因此网架上的荷载应直接作用在螺栓球节点上, 杆件不承受荷载, 故收费站雨棚站名通过斜撑与网架上弦螺栓球连接。

本工程因网架长度达73.8m, 设计中需考虑温差变化对结构的影响, 故在网架支座节点中采取长圆孔的办法, 让网架在不影响结构整体受力的情况下, 随温度变化可以达到一定程度的伸缩, 避免网架结构产生附加温度应力和温度变形, 节点见附图3。

屋面钢柱以混凝土柱顶支座, 在混凝土柱顶预埋钢板, 钢柱采用钢管格构柱形式, 钢柱钢管根部与混凝土柱顶预埋钢板焊接, 并在钢管根部设置钢板肋, 以增强钢管与柱顶预埋钢板的连接强度。钢柱钢管为避免与钢网架杆件相碰, 采用矩形钢管格构柱;如钢管与网架腹杆相碰时, 为保证网架整体结构的稳定性, 钢管切坡口, 与网架腹杆焊接, 节点见图4。连接钢管格构柱间的梁也采用钢管格构形式, 与钢管柱直接焊接;屋面钢架钢缆索规格为5×13钢丝束, 直径为20mm, 标称破断荷载为426k N;钢丝的极限抗拉强度为1670MPa;钢缆索的锚具选用与钢索规格配套的IV型锚具 (双耳内旋式) ;钢索与钢柱上部和网架上弦球节点连接。

钢管格构柱中钢管采用热轧无缝圆钢管, 支管与主管之间的连接沿支管全周用带坡口的角焊缝, 焊脚尺寸为6mm, 支管端部与主管相交处的相交线以及支管之间的相交线应使用自动切管机切割, 未封闭的钢管端部均应用4mm厚钢板焊接封口, 焊脚高度4mm。

本工程中基础采用钢筋混凝土柱下独立基础, 框架柱及基础混凝土强度等级采用C30;本工程为收费人员方便, 设置了地下通道, 地下通道采用钢筋混凝土箱型结构, 混凝土壁厚300mm, 地下通道混凝土采用C35防水混凝土, 抗渗等级P6;地下通道与雨棚作为两个相对独立的结构单体。

本工程建筑造型比较复杂, 结构设计中, 为完成使用功能及建筑造型要求, 综合考虑各种结构形式, 最终整体结构采用钢网架, 建筑造型通过钢管格构柱等辅助措施来实现, 较好地达到了建筑造型与结构形式的统一。本工程采用钢网架既降低了工程造价, 又减小了施工难度, 为我省高速公路收费雨棚设计在钢平板网架的基础上, 拓宽了设计思路, 即采取一定结构辅助措施, 完成建筑造型要求。本工程已竣工并投入使用, 目前使用状况良好。