劉文彬

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

0 引言

戶外廣告設(shè)施主要用于商業(yè)用途，其一般布置在人流量較大、人口較密集的區(qū)域或交通要道的兩側(cè)。其結(jié)構(gòu)形式有3種：落地式廣告牌、墻面式廣告牌和屋頂式廣告牌。其中落地式廣告牌由面板結(jié)構(gòu)、立柱和基礎(chǔ)組成，其高度一般較高但立柱截面尺寸相對(duì)較小，從受力類型分析，屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感的高聳懸臂構(gòu)筑物。

現(xiàn)階段常見的戶外落地廣告設(shè)施，主要是雙面平面式單柱落地廣告牌，其面板結(jié)構(gòu)與立柱連接主要采用空間桁架，在強(qiáng)風(fēng)作用下已有大量雙面平面式單柱落地廣告牌發(fā)生倒塌，其安全性及抗震能力均不滿足要求。近幾年三面體單柱落地廣告設(shè)施開始普及，其較雙面平面式單柱落地廣告牌在各種荷載作用下受力更加復(fù)雜，因此對(duì)沿海地震區(qū)的三面體單柱落地廣告設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全及抗震分析應(yīng)更加細(xì)致準(zhǔn)確。

目前三面體單柱落地廣告設(shè)施主要是采用單角鋼焊接而成空間桁架結(jié)構(gòu)，其有重量輕，施工安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)檢測(cè)鑒定，大多數(shù)此種類型的廣告牌橫梁桁架及支撐桁架承載力均不滿足要求，柱頂水平位移也超出規(guī)范限值，其結(jié)構(gòu)整體不滿足安全及抗震要求。

針對(duì)以上情況，部分三面體單柱落地廣告設(shè)施采用圓管鋼梁構(gòu)件替代橫梁桁架及支撐桁架，且關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，其剛度較大，但同時(shí)存在重量較重，施工安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)，且其傳力路線與空間桁架結(jié)構(gòu)不同，在風(fēng)及地震作用下的計(jì)算分析結(jié)果也存在較大差異。

1 工程概況

某戶外落地廣告設(shè)施為三面體單柱落地廣告牌，采用PHC管樁基礎(chǔ)，上部由圓鋼管立柱、外挑圓管鋼梁、面板支承圓管鋼梁及桁架面板組成，無(wú)相關(guān)設(shè)計(jì)資料，現(xiàn)已投入使用13年左右，整體外觀如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀整體外觀

2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢查

2.1 地基基礎(chǔ)檢查

上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移觀測(cè)結(jié)果表明現(xiàn)狀該廣告牌上部結(jié)構(gòu)最大水平位移為H/1214，未超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]的限值要求，現(xiàn)場(chǎng)檢查也未發(fā)現(xiàn)周邊地面出現(xiàn)因地基不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫及土體隆起等現(xiàn)象；現(xiàn)場(chǎng)局部開挖檢查基礎(chǔ)工作狀況，結(jié)果表明，樁基承臺(tái)尺寸為5.00m×5.00m，承臺(tái)高度為1.50m，現(xiàn)狀樁基承臺(tái)未見開裂，樁身也未見開裂；現(xiàn)狀地基基礎(chǔ)工作狀態(tài)正常。

2.2 上部結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件布置及尺寸

現(xiàn)場(chǎng)檢查該廣告牌上部結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件類型及布置、實(shí)測(cè)構(gòu)件截面尺寸。結(jié)果表明：該廣告牌高度約為27.00m，其中標(biāo)高24.55m以下采用直徑為2.00m圓鋼管立柱，柱底采用40根M64螺栓與承臺(tái)連接且設(shè)有厚度為20mm加勁板，在標(biāo)高24.55m至標(biāo)高27.00m段采用直徑為1.50m圓鋼管立柱；在標(biāo)高25.85m處設(shè)置3根外挑長(zhǎng)度約為3.15m圓管鋼梁，外挑圓管鋼梁根部與圓鋼管立柱焊接，在距圓鋼管立柱1.00m處設(shè)有圓形法蘭盤，外挑圓管鋼梁端部設(shè)有3根面板支承圓管鋼梁，3根面板支承圓管鋼梁組成邊長(zhǎng)均約為12.00m的等邊三角形；各面板支承圓管鋼梁上均焊有空間桁架結(jié)構(gòu)面板，桁架面板各構(gòu)件均采用等邊角鋼焊接而成，斜腹桿與桁架主桿件焊接處設(shè)有節(jié)點(diǎn)板；廣告牌各組成結(jié)構(gòu)如圖2～圖7所示，各桿件截面尺寸如表1所示。

圖2 現(xiàn)狀柱底外觀

圖3 廣告牌立面示意圖

圖4 廣告牌構(gòu)件平面示意圖(a)(單位：mm)

圖5 廣告牌構(gòu)件平面示意圖(b)

圖6 內(nèi)側(cè)桁架立面示意圖(單位mm)

圖7 外側(cè)桁架立面示意圖

桿件名稱截面尺寸(mm)圓鋼管立柱(下)圓鋼管2000×20圓鋼管立柱(上)圓鋼管1500×17外挑圓管鋼梁圓鋼管600×10面板支承圓管鋼梁圓鋼管600×10桁架主桿件-豎杠角鋼75×7桁架主桿件-水平杠角鋼75×7斜腹桿角鋼50×5聯(lián)系桿角鋼50×5固定面板附加豎杠角鋼40×4

2.3 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類及整體布置評(píng)估

根據(jù)上述檢查結(jié)果，按各種構(gòu)件的受力屬性及重要性分類，將圓鋼管立柱及外挑圓管鋼梁定義為主要受力構(gòu)件，將面板支承圓管鋼梁定義為一般受力構(gòu)件，將桁架面板定義為圍護(hù)構(gòu)件。

以上各種構(gòu)件布置合理，形成完整的體系，相較于全部采用單角鋼焊接而成空間桁架結(jié)構(gòu)，其主次構(gòu)件層次分明，各構(gòu)件傳力途徑更加清楚明確。

2.4 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接節(jié)點(diǎn)檢查

現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)構(gòu)件各連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，結(jié)果表明各連接點(diǎn)焊縫飽滿，未見少焊、漏焊，經(jīng)超聲波檢測(cè)，所檢關(guān)鍵部位焊縫符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[2]規(guī)定的二級(jí)焊縫質(zhì)量等級(jí)；各螺栓連接節(jié)點(diǎn)亦未見明顯異常，焊縫及螺栓節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀如圖8～圖9所示。

現(xiàn)狀上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未見明顯屈曲變形，但構(gòu)件表面均存在不同程度的銹蝕，后期應(yīng)采取除銹、修復(fù)及重新涂裝等修復(fù)措施。

圖8 外挑圓管鋼梁上圓形法蘭盤

圖9 外挑圓管鋼梁端部外觀

3 結(jié)構(gòu)安全計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，采用同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的3D3S結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)該廣告牌進(jìn)行空間建模分析計(jì)算，模型如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在計(jì)算時(shí)，地面粗糙度取為B類，鋼材牌號(hào)取為Q235B，彈性模量取為2.06×105MPa，質(zhì)量密度取為7850kg/m3，且在對(duì)這種對(duì)風(fēng)荷載敏感的高聳構(gòu)筑物分析時(shí)，對(duì)風(fēng)荷載基本風(fēng)壓w0、風(fēng)振系數(shù)βz、雷諾數(shù)Re、風(fēng)荷載體形系數(shù)μs等參數(shù)更應(yīng)仔細(xì)計(jì)算分析，由于相關(guān)規(guī)范對(duì)同一參數(shù)計(jì)算均有規(guī)定，在計(jì)算分析時(shí)，可按照最新版規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算分析，例如風(fēng)振系數(shù)取值在《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]及新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]有不同規(guī)定，對(duì)于本落地廣告牌在計(jì)算分析時(shí)，考慮到新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]的規(guī)定是在結(jié)合近幾年的研究成果及大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)前一版規(guī)范相關(guān)規(guī)定的修改，因此按照新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算更符合實(shí)際情況。

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)

按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.1.3條及5.1.4條規(guī)定，戶外廣告牌的使用期一般不宜超過(guò)30年，因此該廣告牌安全等級(jí)為一級(jí)，取結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)γ0=1.2。

3.2 基本風(fēng)壓

該廣告牌基本風(fēng)壓按重現(xiàn)期為30年風(fēng)壓取值，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]E.3.4條規(guī)定計(jì)算該廣告牌所處地區(qū)重現(xiàn)期為30年風(fēng)壓值得：

x30=x10+(x100-x10)(ln30/ln10-1)=0.72kN/m2

考慮到該廣告牌為對(duì)風(fēng)敏感的構(gòu)筑物，因此宜適當(dāng)加大風(fēng)荷載值，具體計(jì)算時(shí)可根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]4.2.2條規(guī)定，在承載力計(jì)算時(shí)，對(duì)基本風(fēng)壓再放大1.1倍后，可得到：

w0=1.1×0.72=0.79kN/m2

3.3 順風(fēng)向風(fēng)振及風(fēng)振系數(shù)

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]8.4.1條及8.4.3條規(guī)定，對(duì)于此基本自振周期大于0.25s的高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，計(jì)算外挑圓鋼梁標(biāo)高處風(fēng)振系數(shù)得：

3.4 橫風(fēng)向風(fēng)振

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]8.5.1條及8.5.3條規(guī)定，對(duì)該廣告牌進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振校核，計(jì)算得：

臨界風(fēng)速vcr=D/(T1St)=14.71m/s

雷諾數(shù)Re=6900vcrD=2.03×106

3×105≤Re≤3.5×106，發(fā)生超臨界范圍的風(fēng)振，可不作處理。

3.5 風(fēng)荷載體形系數(shù)

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]表8.3.1項(xiàng)30規(guī)定，圓鋼管立柱風(fēng)荷載體形系數(shù)取為μs。

廣告牌面風(fēng)荷載體形系數(shù)按下式計(jì)算：

3.6 結(jié)構(gòu)安全荷載效應(yīng)基本組合

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]3.2.3條規(guī)定主要考察風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全情況，按下式計(jì)算結(jié)構(gòu)安全荷載效應(yīng)基本組合：

γ0S=γ0×(γGjSGjk+γQwγLwSQwk)

3.7 結(jié)構(gòu)安全承載力驗(yàn)算結(jié)果(無(wú)地震作用)

經(jīng)計(jì)算可知：主要受力構(gòu)件圓鋼管立柱荷載效應(yīng)與抗力之比值為0.836，小于1.0，承載力滿足要求。

主要受力構(gòu)件外挑圓管鋼梁荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為0.438，小于1.0，承載力滿足要求。

一般受力的面板支承圓管鋼梁構(gòu)件荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為0.442，小于1.0，承載力滿足要求。

桁架面板圍護(hù)構(gòu)件荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為1.009，略大于1.0，承載力基本滿足要求。

3.8 結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算可知：在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，該落地廣告牌結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的水平位移為83.50mm，為該點(diǎn)離地高度的1/323，滿足《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.4.1條1/100的變形限值要求。

經(jīng)計(jì)算可知：在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，該落地廣告牌外挑圓管鋼梁最大撓度為15.60mm，約為鋼梁跨度的1/202，滿足《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.4.2條1/150的撓度限值要求。

3.9 螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算結(jié)果

按《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[6]3.1.1條規(guī)定，在最不利荷載組合時(shí)，法蘭盤連接螺栓接頭為承壓型連接，因此按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]5.9.2條規(guī)定，采用承壓型高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算方法確定剛性圓形法蘭盤連接螺栓最大拉力；計(jì)算得，剛性圓形法蘭盤連接螺栓彎矩和軸力產(chǎn)生的最大拉力為114.1kN。

按《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[6]4.2.5條規(guī)定，計(jì)算剪力及拉力共同作用下承壓型高強(qiáng)螺栓的連接承載力為：

4 結(jié)構(gòu)抗震承載力計(jì)算分析

按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]4.3.1條及4.3.2條規(guī)定，對(duì)于此廣告牌的懸臂梁結(jié)構(gòu)按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]4.3.5條計(jì)算豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。

4.1 地震荷載效應(yīng)基本組合

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]5.4.1條按下式計(jì)算地震荷載效應(yīng)基本組合：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

式中各作用荷載分項(xiàng)系數(shù)按表2取用。

表2 荷載分項(xiàng)系數(shù)

4.2 結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算結(jié)果

按上述四種考慮地震作用的工況進(jìn)行構(gòu)件抗震承載力分析，結(jié)果可知：

主要受力構(gòu)件圓鋼管立柱，一般受力的面板支承圓管鋼梁構(gòu)件及桁架面板圍護(hù)構(gòu)件考慮地震作用后的荷載效應(yīng)與抗力之比值小于無(wú)地震作用計(jì)算結(jié)果，且均小于1.0，抗震承載力滿足要求。

主要受力構(gòu)件外挑圓管鋼梁考慮地震作用后的荷載效應(yīng)與抗力之比值最大值為0.578，明顯大于無(wú)地震作用的計(jì)算結(jié)果，且其荷載組合由工況2控制，即豎向地震作用起主導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

(1)落地廣告牌為對(duì)風(fēng)荷載敏感的高聳懸臂構(gòu)筑物，應(yīng)重視對(duì)地基基礎(chǔ)的檢查，可通過(guò)局部開挖檢查，有條件時(shí)亦可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；上部結(jié)構(gòu)檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件現(xiàn)狀工作狀況進(jìn)行檢查。

(2)上部結(jié)構(gòu)分析計(jì)算前，應(yīng)明確廣告牌的使用期、安全等級(jí)、重要性系數(shù)、基本風(fēng)壓、風(fēng)振系數(shù)、雷諾數(shù)、風(fēng)荷載體形系數(shù)等與風(fēng)荷載相關(guān)的參數(shù)，鑒于廣告牌對(duì)風(fēng)荷載敏感可考慮適當(dāng)加大風(fēng)荷載值。

(3)對(duì)構(gòu)件承載力、圓形法蘭盤螺栓節(jié)點(diǎn)承載力、結(jié)構(gòu)變形、懸臂梁撓度等相關(guān)指標(biāo)均應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的要求。

(4)不應(yīng)忽視廣告牌的懸臂梁結(jié)構(gòu)豎向地震作用，并將其與其他荷載進(jìn)行組合后進(jìn)行抗震承載力分析。

(5)對(duì)類似新建的工程，可借鑒參考該工程傳力途徑的設(shè)置、在各不同受力部位構(gòu)件規(guī)格的選用及在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處采用高強(qiáng)螺栓連接措施的設(shè)計(jì)思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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