王文彪

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

在路側(cè)設(shè)施迅速增設(shè)的同時，城市道路桿體數(shù)量繁冗、類型多樣、分布無序的問題日益突出，桿件的數(shù)量和密度已形成街頭的“桿件森林”，嚴(yán)重影響了市容環(huán)境和城市形象。因此，加強路側(cè)桿件管理，尋求集約化、精細化管理的新思路，是大型城市精細化管理的重要體現(xiàn)。搭載多部門、多類型設(shè)備設(shè)施，將路燈、指示牌、紅綠燈、監(jiān)控探頭等桿件集成整合的道路綜合桿，是道路附屬設(shè)施集成化布設(shè)的載體，為城市道路集約化管理提供了良好的解決方案。在改善城市景觀的同時，實現(xiàn)了城市道路公共空間附屬設(shè)施的集成運維，也為智慧城市物聯(lián)感知端提供了泛在網(wǎng)格化的搭載節(jié)點[1]。

為了貫徹落實創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，加強城市精細化管理，規(guī)范道路桿件及相關(guān)設(shè)施設(shè)置，切實改善市容市貌，創(chuàng)造有溫度、可感知的城市環(huán)境，上海市進行了合桿技術(shù)導(dǎo)則和地標(biāo)規(guī)范編制，并進行了大規(guī)模的道路合桿整治工程，效果顯著[2]。在綜合桿為道路路側(cè)物聯(lián)感知體系提供優(yōu)良服務(wù)的同時，也對自身結(jié)構(gòu)和承載能力提出了特殊要求。然而，由于綜合桿結(jié)構(gòu)型式不同于以往的路側(cè)桿件設(shè)施，其相關(guān)設(shè)計沒有相關(guān)工程項目進行參考，也沒有特定的設(shè)計規(guī)范參數(shù)取值，且搭載的設(shè)施數(shù)量眾多、類型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上部荷載受力形式不同，其基礎(chǔ)型式需進行專項設(shè)計。另外，在市政道路有限的地下空間條件下，基礎(chǔ)尺寸的合理確定，有利于大規(guī)模推廣建設(shè)，也為以綜合桿為載體的智慧城市物聯(lián)泛在感知體系提供安全保障，所以還應(yīng)對其基礎(chǔ)型式進行優(yōu)化合理設(shè)計。

1 工程概況

上海市某道路合桿整治工程，涉及市區(qū)近70 個路段共計60 多km 道路。建設(shè)內(nèi)容包括原有道路監(jiān)控桿、紅綠燈桿、標(biāo)牌桿、路燈桿等多種類型桿件的合并與拆除，并建設(shè)綜合桿，配套建設(shè)綜合管道、綜合箱和綜合電源箱[3]，見圖1。道路合桿整治工程項目涉及范圍廣，桿件類型和設(shè)施類型多種多樣，因而道路綜合桿搭載的設(shè)施組合多樣，上部荷載各不相同。從工程實施角度，宜盡量對基礎(chǔ)進行類型劃分，建立統(tǒng)一的幾種尺寸規(guī)格。

圖1 某道路合桿工程

2 上部荷載計算

通過對項目各類情況進行統(tǒng)計分析，綜合桿上由于搭載了標(biāo)牌、紅綠燈等面積較大的設(shè)施，其上部荷載主要由風(fēng)荷載決定。原路燈、標(biāo)牌、監(jiān)控等桿件設(shè)計對于風(fēng)荷載計算，有其行業(yè)規(guī)范或設(shè)計手冊可指導(dǎo)參考。而對于綜合桿這類新型結(jié)構(gòu)，其搭載的設(shè)施多樣，無法確定其是否可直接適用于某個規(guī)范，且無相關(guān)工程案例參考，因而需要對其上部荷載規(guī)范計算進行對比分析。

影響結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的因素較多，計算方法多樣。對于主要受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值有2 種形式。其一為平均風(fēng)壓加上脈動風(fēng)風(fēng)振的等效風(fēng)壓；其二為平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。我國及大多數(shù)國家主要采用后一種規(guī)范，它綜合考慮了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)。

2.1 規(guī)范對比

一種計算方法以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 135—2019）為主要代表，其主要通過設(shè)定設(shè)計年限的基本風(fēng)壓，考慮不同地面粗糙度、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)體型和陣風(fēng)系數(shù)來計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk。

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為風(fēng)振系數(shù)；μs為體型系數(shù)，本工程取1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，本工程取0.65；W0為基本風(fēng)壓，kN/m2，上海地區(qū)50 a 一遇基本風(fēng)壓W0為0.55 kN/m2。

《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對于桿類結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的規(guī)范計算公式與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相同，只是參數(shù)取值略有差別。

另外一種以《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018） 和《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》（JTG D82—2009）為主要代表，其主要通過設(shè)定設(shè)計年限的基本風(fēng)壓，考慮不同地面粗糙度、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)體型和陣風(fēng)系數(shù)來計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。其認為自然風(fēng)可分解為不隨時間變化的平均風(fēng)與隨時間變化的脈動風(fēng)的疊加。規(guī)范中將平均風(fēng)作用與風(fēng)的背景脈動兩部分合并，總的響應(yīng)與平均風(fēng)響應(yīng)之比稱為靜陣風(fēng)系數(shù)Gv，它是與地面粗糙程度、離地面高度以及水平加載長度相關(guān)的系數(shù)。

標(biāo)示牌所受風(fēng)荷載：

式中：Fwb為標(biāo)示牌所受的風(fēng)荷載，kN；ρ 為空氣密度，取為1.25 kg/m3；C 為風(fēng)力系數(shù)，根據(jù)《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》，標(biāo)示牌取C=1.2；Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速；Gv為靜陣風(fēng)系數(shù)；V 為風(fēng)速，根據(jù)上述規(guī)范附錄A，上海市離地10 m 高、50 a 一遇10 min 平均最大風(fēng)速為31.3 m/s；Wbi為第i 塊標(biāo)示牌的寬度；Hbi為第i 塊標(biāo)示牌的高度。

2.2 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果對比

根據(jù)各規(guī)范要求，計算可得3 種規(guī)范的結(jié)果，見表1。

表1 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk 規(guī)范對比表 單位：kN/m2

根據(jù)計算結(jié)果，《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》計算結(jié)果偏大。鑒于綜合桿整體高度不高，不屬于特大或高聳結(jié)構(gòu)，為路側(cè)附屬設(shè)施，故建議采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）進行計算。

2.3 上部荷載計算結(jié)果對比

本研究分析工程案例取桿件照明高度10 m，桿體下部直徑320 mm，上部直徑240 mm，上部副桿直徑160 mm。

道路綜合桿搭載的設(shè)施類型較多，包括路燈、道路標(biāo)牌、紅綠燈、監(jiān)控探頭等等，其搭載設(shè)施種類眾多，設(shè)施尺寸大小各異，因而桿件類型、尺寸等會變化。根據(jù)對大量桿件上部荷載的計算和統(tǒng)計，大致可以分為A～F 5 個等級。不同桿件類型和設(shè)施搭載情況下的上部荷載見表2。

表2 上部荷載等級劃分

3 基礎(chǔ)設(shè)計驗算

混凝土獨立擴大基礎(chǔ)是保證結(jié)構(gòu)安全的重要構(gòu)件，其設(shè)計原則應(yīng)該是既安全可靠又經(jīng)濟合理，設(shè)計時必須使基礎(chǔ)有足夠大的底面積和足夠的強度，國內(nèi)外對此作了很多研究[4-5]。

擴大基礎(chǔ)的設(shè)計參照規(guī)范比較明確，主要包括國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2001）和上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DG J08-11—2010），2 種規(guī)范對于基礎(chǔ)的驗算公式相同，均規(guī)定擴大基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)進行地基承載力、抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑動穩(wěn)定性、基礎(chǔ)自身承載力、軟弱下臥層等驗算。

3.1 基礎(chǔ)驗算

綜合桿所受荷載均為雙向偏心荷載。

（1）當(dāng)矩形基礎(chǔ)承受雙向偏心荷載時：

式中：Pk，max為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基礎(chǔ)邊緣最大壓力值；Pk，min為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基礎(chǔ)邊緣最小壓力值；Fk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的豎向力值；Gk為基礎(chǔ)自重（包括基礎(chǔ)上的土重） 標(biāo)準(zhǔn)值；A 為基礎(chǔ)底面面積；Mkx、Mky為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)對x、y 軸的力矩值；Wx、Wy為矩形基礎(chǔ)底面對x、y 軸的抵抗矩。

驗算判斷依據(jù)：Pk，max＜1.2 [[fa]]，其中[[fa]]為修正后的地基承載力特征值。

（2）結(jié)構(gòu)有沿豎向力產(chǎn)生彎矩和水平力產(chǎn)生彎矩合彎矩方向傾覆趨勢，驗算結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)k0須不小于1.6，計算式如下：

式中：k0為基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；S 為在截面重心至合力作用點的延長線上，自截面重心至驗算傾覆軸的距離，m；e0為所有外力的合力R 在驗算截面的作用點對基底重心軸的偏心距。

（3）抗滑動穩(wěn)定性系數(shù)kc須不小于1.3。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計選型

應(yīng)優(yōu)先選用擴大基礎(chǔ)類型，現(xiàn)場實施條件受限時，可采用樁基礎(chǔ)等類型。根據(jù)計算結(jié)果可知，綜合桿外力由風(fēng)荷載決定，且其主要以沿道路縱向彎矩為主，橫向彎矩相對較小。

綜合桿一般設(shè)置于路側(cè)設(shè)施帶，且盡量位于路側(cè)2 棵樹木中間。鑒于上海市樹穴寬度一般為1.5 m，以不占用既有管線為原則，基礎(chǔ)寬度確定為不大于1.5 m。從節(jié)約角度，確定為擴大基礎(chǔ)類型。

根據(jù)計算結(jié)果，確定外部荷載等級劃分為A～F 5 級。設(shè)定基礎(chǔ)埋深均為2.5 m，以充分利用土體自重。根據(jù)多次試算，不同荷載等級條件下的基礎(chǔ)尺寸見表3。

表3 基礎(chǔ)類型劃分

由表3 可見，基礎(chǔ)寬度方向設(shè)置相差不大，長度方向根據(jù)荷載情況，大致呈階梯增長，設(shè)置比較合理。設(shè)計或施工時，可根據(jù)上部搭載情況，初步判斷基礎(chǔ)類型，用于指導(dǎo)工程實施。

4 結(jié) 語

（1）對比分析了不同設(shè)計規(guī)范的風(fēng)荷載計算結(jié)果，分析了不同規(guī)范的計算模型和原理。對計算結(jié)果進行分析后，建議采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)進行計算。

（2）對各種設(shè)施搭載情況進行統(tǒng)計分析，確定了5 個上部荷載等級，便于工程實施時的上部荷載初步估計。

（3）對不同荷載情況，根據(jù)工程實際實施條件，確定基礎(chǔ)類型和設(shè)計邊界，根據(jù)規(guī)范設(shè)計要求，確定了5 個上部荷載等級下，優(yōu)化確定5 個基礎(chǔ)尺寸等級，便于設(shè)計選配和現(xiàn)場實施，利于合桿項目推進。