姜小鋒，龍絳珠，鄭長(zhǎng)威

（福州大學(xué)陽(yáng)光學(xué)院，福建 福州 350015）

0 前 言

隨著城市道路的發(fā)展，道路使用者對(duì)道路是否安全暢通能否順利快捷地抵達(dá)目的地越來(lái)越重視，對(duì)城市道路配套設(shè)施的要求也越來(lái)越高。單向懸臂式交通標(biāo)志桿以其占地面積小，內(nèi)容直觀易分辯等特點(diǎn)在道路標(biāo)志桿中占有較大比重，因傳統(tǒng)的型鋼制作交通標(biāo)志桿相對(duì)材料用量較大，連接較為復(fù)雜，為方便設(shè)計(jì)制作，常常將結(jié)構(gòu)形式、受力條件進(jìn)行偏安全簡(jiǎn)化，從而造成較大的材料浪費(fèi)。鑒于此，本文利用Midas Civil對(duì)單向懸臂式交通標(biāo)志桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)功能及模型凈空的條件下，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面型式、構(gòu)件尺寸進(jìn)行了比選，設(shè)計(jì)出了一款新型單向懸臂式交通標(biāo)志桿，該標(biāo)志桿不僅能滿足其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求，而且制作安裝方便、自重輕、材料用量節(jié)約、外形美觀大方、實(shí)用性強(qiáng)。

1 設(shè)計(jì)原則

交通標(biāo)志桿設(shè)計(jì)不僅要考慮其設(shè)計(jì)要求中標(biāo)明的凈空條件，還要使其在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及變形情況等多方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求；同時(shí)交通標(biāo)志桿也必須兼顧其使用和施工的合理性，對(duì)其安全性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行統(tǒng)籌分析。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)思路

本文以福州市區(qū)一般道路單向懸臂式交通標(biāo)志桿為例，以滿足一般道路最低凈高度5m為交通標(biāo)志桿凈空設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)受到水平風(fēng)荷載和豎向結(jié)構(gòu)自重兩個(gè)方向的荷載作用。設(shè)計(jì)方案采用桁架式結(jié)構(gòu)，各桿件彼此間采用兩端焊接連接而成。為使桿件受力充分，提高材料利用率，采用立柱加斜撐懸臂梁的形式；為了防止水平方向荷載造成斜撐懸臂梁的失穩(wěn)問(wèn)題，增加結(jié)構(gòu)的整體受力性能，在懸臂梁上的橫桿之間增加橫撐和斜桿；為了使整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，提高抗扭能力，在懸臂梁上、下兩根主橫梁之間也加上豎直撐桿，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力均勻和變形協(xié)調(diào)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，如圖1。

2.2 模型設(shè)計(jì)及計(jì)算

Midas Civil數(shù)學(xué)模型建立步驟：建立節(jié)點(diǎn)和單元→定義材料和截面特性→定義荷載及荷載組→定義邊界→定義施工階段→運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析。各項(xiàng)設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)要介紹如下。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)及單元的建立

根據(jù)模型各構(gòu)件位置進(jìn)行節(jié)點(diǎn)建立，并根據(jù)實(shí)際模型進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)連接得到結(jié)構(gòu)單元。

2.2.2 材料選擇

設(shè)計(jì)交通標(biāo)志桿選擇材料類型為型號(hào)Q235的鋼材，通過(guò)鋼材選擇的規(guī)范，選擇相應(yīng)規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料即可得到該材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。

2.2.3 構(gòu)件截面選擇

通過(guò)Midas Civil可以更改各個(gè)構(gòu)件的截面特性，通過(guò)模擬分析得出相同材料在相同條件下因構(gòu)件截面型式不同其受力性能及位移情況會(huì)有所不同。

通過(guò)對(duì)各種類型桿件的比較選擇最適合該標(biāo)志桿的桿件，如圖2。

本案例對(duì)各種不同構(gòu)件截面型式，利用Midas Civil軟件進(jìn)行受力性能及位移情況分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相同材料做成的桿件在相同荷載組合作用下因?yàn)榻孛嫘褪讲煌錀U件位移值會(huì)有很大區(qū)別。圓管的位移值較小，箱型桿件位移次之，工字型桿件位移最大。所以在制作交通標(biāo)志桿時(shí)優(yōu)先考慮圓管型構(gòu)件截面型式。

2.2.4 定義邊界形式

根據(jù)實(shí)際施工情況，本案例交通標(biāo)志桿采用法蘭盤與基礎(chǔ)通過(guò)螺栓連接所以它的邊界條件采用一般支支承，其平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)全約束，即結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固結(jié)。

2.2.5 荷載及荷載組合

豎向恒載：本案例以尺寸為4000mm×2400mm×3.0mm標(biāo)志牌為例，交通標(biāo)志牌和交通標(biāo)志桿自重假定為60kg進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,即豎向荷載為0.588kN。

橫向荷載：作用在交通標(biāo)志牌和交通標(biāo)志桿上的風(fēng)荷載。通過(guò)資料查閱得知福州市區(qū)50年一遇風(fēng)壓為0.7kN/m2，故本案例將作用在標(biāo)志桿上的風(fēng)荷載值假定為6.72kN進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

將自重荷載和風(fēng)荷載進(jìn)行組合形成組合荷載。

2.3 計(jì)算仿真與分析

采用以上組合荷載通過(guò)Midas Civil軟件進(jìn)行模擬加載進(jìn)行分析、處理、計(jì)算。經(jīng)計(jì)算處理，即可得出位移圖和應(yīng)力圖，如圖3、圖4所示。

也就是說(shuō)，給標(biāo)志桿橫向斜梁外端部標(biāo)志牌懸掛位置施加一個(gè)組合荷載：側(cè)向6.72kN的水平荷載與0.588kN的豎向荷載組合。通過(guò)Midascivil軟件模擬加載分析計(jì)算，可以得出發(fā)生最大位移的地方位于交通標(biāo)志桿橫向斜梁末端，最大位移值為55mm＜80mm[允許最大位移值]。最大應(yīng)力發(fā)生在交通標(biāo)志桿基座處，最大應(yīng)力值為117MPa＜160MPa[許用應(yīng)力]。因此，整個(gè)交通標(biāo)志桿在使用中是安全可靠的。

通過(guò)以上分析，桁架結(jié)構(gòu)桿件多而密，且共同受力，具備很強(qiáng)的抗扭性能，而且利用短橫桿與斜桿對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力也起到很好的協(xié)調(diào)作用，結(jié)構(gòu)在受到最大荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求，故本方案可行。

3 結(jié)構(gòu)特色

3.1 自重更輕更節(jié)省材料

新型交通標(biāo)志桿采用較細(xì)空心圓管焊接而成的桁架式結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)直接用型鋼制作的交通標(biāo)志桿更節(jié)省材料，能讓各個(gè)構(gòu)件受力達(dá)到很好地協(xié)調(diào)，從而充分利用材料的受力性能，做到物盡其用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3.2 制作安裝更方便

鋼管間采用一般焊接，不需要特殊工藝要求，制作方便，在工廠進(jìn)行桿件制作，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。標(biāo)志桿與基座采用法蘭盤與混凝土基礎(chǔ)中預(yù)埋的螺栓進(jìn)行連接，標(biāo)志桿本身重量較輕，不需要大型起重設(shè)備，裝拆方便。

3.3 造型更美觀

桁架式標(biāo)志桿相對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)志桿造型更輕盈、美觀，可以起到美化道路景觀的效果。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)采用Midas civil軟件分析設(shè)計(jì)出一種新型單向懸臂式交通標(biāo)志桿，使得傳統(tǒng)單向懸臂式交通標(biāo)志桿得到改善，提高了交通標(biāo)志桿的經(jīng)濟(jì)、安全性能，為交通標(biāo)志桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。

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