某高速公路收费站多坡屋面力学性能研究
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【摘 要】高速公路作为交通建筑的重要组成部分，其通行能力直接关系到高速公路的通行质量，因此，高速公路收费站设计已成为加快高速公路建设的重要内容。本文将以某高速公路收费站为例具体分析其多坡屋面的力学性能，以期为其他地区的收费站建设提供参考资料。
【关键词】高速公路收费站；多坡屋面；力学性能
对于复杂的相交斜屋面，其梁板布置难度往往更大，因此需要单独计算梁柱受力情况，通过分析某高速公路收费站多坡屋面受力状况可以为今后类似工程设计提供一些帮助和建议。
1 某高速公路收费站工程实例分析
某高速公路收费站办公楼地上2层，塔楼部分局部3层，建筑面积740平方米，框架结构，建筑屋面为四坡和两坡交错设计，受到建筑面积及建筑造型的限制，屋面高低错落。由于收费站功能的特殊性，一般对建筑层高有着特殊的要求，因此在檐口层高位置不设置楼板，具体建筑屋顶平面及立面如图1所示。
图1 某高速公路收费站办公楼屋顶平面、立面设计
2 力学性能分析
2.1 梁板布置形式受力分析
多坡屋面中最常见的两种布置形式是直梁平板布置形式和折梁折板布置形式，而且现实设计中往往同时使用这两种布置形式。直梁平板布置形式和折梁折板布置形式在许多方面都存在明显不同，在结合使用中需要合理确定每种布置形式的工程量。直梁平板布置形式是将梁做成拱形支架梁，这种布置形式以屋面屋脊线为核心，是普通坡屋面梁的常见布置形式，其最大的优势将屋脊梁与边梁的作用点集中在一个平面上，梁为直梁，板为平板，因此受力分析比较简单，相应地配筋计算也比较明确。另外一种是折梁折板布置形式，即直接放弃屋脊梁而以框架柱为核心，将梁布置在沿轴线的柱上，从而形成框架梁，由于此时框架梁穿过屋脊形成折梁，导致屋面被分割形成折板，因此，梁板受力路径更加复杂，受力计算量也更大[1]。对比这两种布置形式不难发现，第一种在梁板受力分析上更具优势，且对屋面板的施工相对简单，但是并不完全适合多坡屋面设计，如果在多坡屋面设计中强行使用这种梁板布置形式必然会影响其受力效果。此外，这种布置形式还会增加对于复杂的多坡屋面屋脊梁的受力分析难度，导致多梁重合。相比较而言，第二种布置形式在整体结构受力上更具优势，可工整、明确的划分各个屋面，由于框架梁的围合空间较小，即使是在大空间设计上也可通过施加次梁的方式来控制各个分隔区。在结合使用上述两种梁板布置形式的过程中需要结合工程实际和施工要求进行综合分析，在全面评估的基础上确定每种布置形式的施工量，从而在受力分析、空间结构上共同发挥两种布置形式的最大优势。
2.2 屋面折梁受力计算分析
屋面折梁所受水平荷载受到保温材料、吊顶、装饰材料等的影响，如果按照等效原理进行计算分析，当折梁跨度较大时，由于没有考虑到截面和配筋的影响必然会影响折梁的受力分析，导致分析结果出现偏差。因此，在受力分析时应当针对屋面折梁的受力特点构建单独的模型进行计算[2]。由于该办公楼的檐口层不需设置楼板，因此部分折梁并不具备水平方向的荷载抵御能力，只能由梁底的支撑结构来承担水平推力，如果支撑结构设计不合理就会无法有效承担水平推力从而带来安全隐患。在不同支撑方式下可采取平面弯矩计算方法或拱效性弯矩计算方法。结合设计经验可以发现，第一种计算方法没有将拱效应因素考虑进去，因此计算得出的弯矩就很大，第二种方法从结构变形的角度考虑了拱作用因素，因此计算得出的弯矩相对较小[3]。在弯矩计算时应当充分考虑到拱效应或拱作用的影响，合理选取计算方法以免发生配筋不合理的情况。
3 研究结论
通过分析某高速公路收费站办公楼多坡屋面受力情况可以得出以下结论：（1）以屋面屋脊线为核心布置拱形支架梁的方法不适合复杂屋面，从整体受力角度讲，建议采用框架柱形式，也就是沿轴线布置折梁。（2）在折梁计算分析中应当合理选择计算模型，只有这样才能确保计算模型能够真实反映折梁受力状态和水平推力作用，确保支撑结构的设计符合安全性标准。（3）在条件允许的情况下应当尽可能在檐口层高处布置梁，确保结构构件能够有效抵抗屋面折梁所产生的水平推力，以免水平推力全部或直接作用在支撑结构上。
4 结语
近年来，多坡屋面结构形式逐渐受到建筑设计师的青睐，虽然多坡屋面在造型上更加优美，但同时也增加了梁板及屋面折梁的受力计算难度。本文通过某高速公路收费站的工程实例分析得出三个结论，一是沿轴线布置折梁更加适合多坡屋面设计，二是折梁计算分析模型的选取直接关系到支撑结构设计安全性，三是在檐口层布置高梁能够减小支撑结构的受力。合理规划设计高速公路收费站是提高公路运行能力的重要途径，因此，对于采用多坡屋面建筑形式的收费站工程应当从上述三个角度进行分析，在综合评估的基础上提高设计水平。
参考文献：
[1]王敬丰，凌闯，梁浩，等.镁合金动态力学性能的研究现状及发展方向[J].材料导报，2010（07）.
[2]贾福源，徐灵通，刘勇.多坡屋面梁布置及受力分析[J].建筑结构，2010（S1）.
[3]王勤，刘伟.混凝土坡屋面结构设计优化分析[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2015（03）.