萬曉鐘，徐匯賓，王 巖，周宜哲

(1.北京建工四建工程建設有限公司，北京 100075；2.中糧(北京)農業(yè)生態(tài)谷發(fā)展有限公司，北京 100000)

0 前 言

我國市場經(jīng)濟繁榮發(fā)展，廣告行業(yè)隨之迅猛發(fā)展，鋼結構巨幅廣告牌日漸增多。該類結構主要承受風荷載作用，長寬方向尺寸巨大，受力面積廣，結構橫斷面方向尺寸小，基礎采取鋼混結構，搭設與安裝較為方便。然而，該類結構一旦被巨風吹倒，危害性極大，近年廣告牌傷人時間常有發(fā)生[1]。因此，鋼結構廣告牌在設計、施工、維護等方面必須引起足夠重視。

本文通過對陜西省西安市城區(qū)某桁架式鋼結構廣告牌設施進行調查分析，利用ANSYS有限元分析軟件有限元分析軟件，建立有限元模型，對該鋼結構廣告牌進行受風載荷作用下的受力仿真分析，從基礎設計、結構選型、結構設計及施工特點多方面詳細分析其受力特性，從而確定桁架式廣告牌鋼結構是否符合安全性要求，以期為同類鋼結構廣告牌設計、施工提供經(jīng)驗。

1 工程概況

本工程廣告牌骨架為桁架結構，由方形鋼管焊接而成，中間跨截面為80×60×3(mm)，邊跨截面為60×3，前后架體之間腹桿通過40×40×3(mm方鋼管連接；底部通過四榀桁架進行支撐，支撐立柱上下弦采用90×90×4(mm方鋼管，腹桿采用50×50×3(mm方鋼管。本結構角焊縫均為角焊縫滿焊，焊腳高度hf=4 mm,焊縫等級為三級，鋼管端部必須采用4 mm鋼板圍焊封堵。鋼構件材質選用Q235B；焊條選用E43型。具體如圖1(a)～(c)。

(a) 正視圖

(b)背視圖

(c) 俯視圖

2 ANSYS有限元模型建模的建立

2.1 模型參數(shù)取值

模型主要參數(shù)包括單元屬性及材料參數(shù)。廣告牌桁架結構采用鋼材材料屬性如下：密度為7 800 kg/m3，彈性模量 2.06 × 105N/mm2，泊松比0.3，屈服強度 235 MPa；各方鋼管采用Beam188單元模擬；半剛性節(jié)點通過耦合重合節(jié)點 x、y、z 三 個方向自由度，彈簧單元Combin14模擬扭轉剛度來實現(xiàn)[2]；鋼管截面及厚度按照實際工況建立。

2.2 荷載及邊界條件設計

1)荷載計算。廣告牌結構主要荷載包括自重及風荷載作用；考慮到廣告牌結構主要由方鋼管組成，方鋼管的截面尺寸建模必須嚴格按照設計建模，以此施加結構自重荷載，保證計算精確性。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]相關規(guī)定，施加在戶外廣告牌上高度z處的單位面積風荷載標準值Wk應按以下公式計算：

Wk=βgzμslμzw0

式中，Wk為風荷載標準值，kN/m3;w0為基本風壓，陜西省西安市10年一遇的風壓為0.25 kN/m2,其中50年一遇的基本風壓為0.35 kN/m2，計算取值0.35 kN/m2；βgz為高度z處的陣風系數(shù)，根據(jù)規(guī)范本計算不考慮風振系數(shù)；μsl為風荷載局部體型系數(shù)，按照獨立墻體和圍墻進行計算取1.3；μz為風壓高度變化系數(shù)，經(jīng)查表計算取值0.65進行計算。

經(jīng)過計算得，風荷載標準值為：

Wk=1.3×0.35×0.65=0.295kN/m2

對平面進行迎風面受力荷載計算，將所受風載等效為節(jié)點力，計算如下：

Fk=3.0(跨度)×9.5(高度)×0.295/7(受力點)=1.2kN

同理，兩側懸挑部位，節(jié)點荷載為：

Fk=2.0×9.5×0.295/7=0.8kN

為使計算結果保守，加載風荷載時，使風荷載垂直作用于受力面板。

2)邊界條件。鋼結構廣告牌底部四榀桁架立柱為約束點，考慮三向約束，對于轉動約束完全釋放。

2.3 建立ANSYS有限元模型

計算模型嚴格按照實際尺寸進行建模，并施加計算得到的節(jié)點風荷載及自重，施加邊界條件，計算模型如圖2所示。

圖2 桁架式廣告牌ANSYS計算模型

3 計算結果與分析

通過ANSYS有限元軟件得到的有限元計算結果，變形結果如圖3所示,其應力結果如圖4～6所示。

3.1 變形分析

由圖3可知，廣告牌頂部結構最大位移為66 mm，結構搭設總高度為13 m，可知廣告牌位移角為1/200，總體變形較小，可滿足廣告牌安全及使用要求。

同時，考慮到廣告牌最大變形部位在頂端，可采取適當加固措施，減小廣告牌頂端變形，進一步加大結構安全系數(shù)。

3.2 應力分析

由圖4～6通過分析結果可知，在考慮最不利荷載的情況下，結構最大內力大小為135 MPa。考慮到廣告牌架體整體采用Q235型號鋼管，其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為均為205 MPa，計算結果小于材料Q235鋼管，因此該設計方案可滿足強度要求，結構安全。

圖3 水平方向位移

圖4 第一主應力計算結果

圖5 第三主應力計算結果

圖6 Misess屈服應力計算結果

3.3 抗傾覆分析

通過ANSYS提取計算結果可知，廣告牌水平方向總剪力為59 500 N，最大彎矩為1.33×107N·M。

則通過ANSYS計算得到最不利工況下的水平剪力為：

由于廣告牌受5根豎向桁架受力，則可知每個柱腳受到的剪力和彎矩為：

于是可知抗傾覆系數(shù)為：

故抗傾覆計算滿足要求。

3.4 基礎強度驗算分析

基礎底部最不利處位置的應力為[4]：

由豎向力產(chǎn)生的應力：

由土體產(chǎn)生的應力：

則總應力大小為：

本桁架式廣告牌基礎采用混凝土基礎，混凝土設計強度為C25，其故基礎強度滿足要求。

4 結 語

本文利用ANSYS有限元分析軟件對大型桁架式鋼結構受力狀況進行分析，對該結構可以得出以下幾點結論。

1)可采用原定設計方案進行該桁架式廣告牌施工，該種工況下鋼結構最大位移和應力值均小于允許值；結構抗傾覆能力及基礎設計均可達到規(guī)范要求；本桁架式廣告牌整體安全性滿足規(guī)范要求。

2)經(jīng)結構計算，廣告牌最大變形部位位于廣告牌頂端，可采取適當加固措施，減小廣告牌頂端變形，進一步加大結構安全系數(shù)。

3)可利用ANSYS有限元分析軟件進行大型桁架式廣告牌的安全性分析，通過數(shù)值模擬計算得到的結果和結論可為結構的安全評估提供有益參考。

[ID:009469]