趙文婷，陳 林，馮成林，黎 輝

(四川華體照明科技股份有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

隨著城市的快速發(fā)展，城市道路要求承載的功能不斷提升。道路功能如照明系統(tǒng)、交通信號(hào)燈系統(tǒng)、交通安防監(jiān)控系統(tǒng)、標(biāo)志牌系統(tǒng)、5G基站系統(tǒng)、智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)等桿件林立雜亂，不僅嚴(yán)重影響城市文明風(fēng)貌，造成公共資源浪費(fèi)，且同一位置信息點(diǎn)過多易造成駕駛員或行人無法及時(shí)識(shí)別產(chǎn)生安全事故[1-5]。在此背景下，推進(jìn)實(shí)施城市道路智慧合桿工程，形成以城市智慧照明為基礎(chǔ)，視頻監(jiān)控、交通監(jiān)管、信息交互、環(huán)境監(jiān)測(cè)、無線通訊等多功能于一體的智慧合桿系統(tǒng)，使道路基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)共建共享，提高城市有限空間資源的利用率，已成為智慧城市精細(xì)化管理的必然趨勢(shì)[5-7]。

2017年上海設(shè)定建設(shè)智慧合桿整治工程并于2018年啟動(dòng)工程及標(biāo)準(zhǔn)文件的制訂，統(tǒng)籌各因素預(yù)計(jì)可將城區(qū)道路主干路與支路的原有桿件數(shù)量分別下降72%與65%[1,8]。隨后北京在中關(guān)村西區(qū)進(jìn)行多桿合一的試點(diǎn)工作。2019年武漢對(duì)軍運(yùn)會(huì)沿江大道線路進(jìn)行了道路綜合提升改造，經(jīng)過多桿合一改造后桿件減少了14%[2]。深圳、濟(jì)南、杭州、成都與長(zhǎng)沙等多地也陸續(xù)開展了多桿合一的試點(diǎn)與推廣工作，基于設(shè)施功能與荷載分析明確智慧合桿應(yīng)按“應(yīng)整合、可整合、獨(dú)立設(shè)置”三類開展設(shè)計(jì)[2-3,6]。未來幾年，隨著5G應(yīng)用的成熟與廣泛，5G站點(diǎn)的數(shù)量將翻倍，平均間距30 m、高度12 m左右的智慧綜合桿將會(huì)成為道路上搭載5G微站的最理想載體[1,2,9,10]。

鑒于目前城市道路功能的發(fā)展要求，智慧合桿的建設(shè)尤其迫切與重要。但目前智慧合桿建設(shè)處于初步階段，行業(yè)缺乏成熟的技術(shù)參考規(guī)范，且由于合桿具有搭載設(shè)備的多樣性與實(shí)際使用過程中受力的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)安全非常重要。同濟(jì)大學(xué)獨(dú)立開發(fā)的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(后簡(jiǎn)稱3D3S軟件)包含多類體系的結(jié)構(gòu)建造、受力分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、配套節(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工圖繪制等模塊，已應(yīng)用于機(jī)械車庫、電梯井道等鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受力分析[11-12]。針對(duì)智慧合桿的設(shè)計(jì)，3D3S軟件自動(dòng)讀取相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范并進(jìn)行實(shí)際使用環(huán)境中的模擬受力，建模計(jì)算過程簡(jiǎn)單快捷，受力分析合理全面，可充分提高智慧合桿的設(shè)計(jì)性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 3D3S軟件智慧合桿建模與荷載施加

以各大城市廣泛應(yīng)用的12 m雙臂柳葉智慧合桿設(shè)計(jì)為例進(jìn)行3D3S軟件的模擬建模，桿件所帶道路功能有路燈照明、球機(jī)監(jiān)控、交通信號(hào)燈、小指示標(biāo)牌、5G基站、顯示屏等，桿件大樣圖見圖1、2為效果圖。

圖1 12 m雙臂柳葉智慧合桿大樣圖(單位 mm)

圖2 12 m雙臂柳葉智慧合桿效果圖

1.1 桿件結(jié)構(gòu)分析

具體桿件結(jié)構(gòu)分析見表1。

表1 12 m雙臂柳葉智慧合桿桿件結(jié)構(gòu) /mm

1.2 3D3S軟件結(jié)構(gòu)建模

3D3S軟件建模操作非常簡(jiǎn)單，操作命令與CAD相同。針對(duì)智慧合桿，建模原則只需保證一定坐標(biāo)上的重量與迎風(fēng)面積相同即可。

基本步驟如下：

(1) 用線構(gòu)建桿件簡(jiǎn)圖，見圖3。需注意應(yīng)盡可能從坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0)建模，即將結(jié)構(gòu)支座設(shè)置于坐標(biāo)原點(diǎn)。建模時(shí)還需考慮桿件實(shí)際安裝時(shí)的方向問題，智慧合桿安裝于各大城市道路，一般默認(rèn)沿X方向?yàn)榇怪甭访娣较?，Y方向?yàn)槠叫新访娣较颉?/p>

圖3 12 m雙臂柳葉智慧 圖4 12 m雙臂柳葉智慧 合桿簡(jiǎn)圖 合桿模型

(2) 添加桿件，賦予每根線條實(shí)際截面，并在桿件相交處打斷。在截面庫中新增結(jié)構(gòu)中存在的所有截面，并將其對(duì)應(yīng)定義給相應(yīng)的線條。不規(guī)則部件與設(shè)備可用迎風(fēng)面積與重量相同的桿件替代。桿件定義完成后打斷所有相交桿件，還可根據(jù)需要進(jìn)行其他打斷，利于后續(xù)桿件受力計(jì)算。

(3) 調(diào)整桿件的方位與材性，并添加支座。桿件添加后需注意桿件的分布方位，如桿件是一個(gè)面正對(duì)前方還是一條棱邊正對(duì)前方，并給桿件定義相對(duì)應(yīng)的材料屬性，即鋼材具體標(biāo)號(hào)或其他材料屬性。支座原點(diǎn)如前所述應(yīng)盡可能設(shè)置于原點(diǎn)。

譬如主桿的創(chuàng)建，先于坐標(biāo)原點(diǎn)沿Z軸正方向繪制一根長(zhǎng)6 900 mm的直線，然后通過添加桿件命令，定義其截面為上下口徑分別為Φ245與Φ285壁厚7.75 mm的十二棱錐管，注意其默認(rèn)為一個(gè)面正對(duì)前方，并將桿件的材質(zhì)設(shè)定為Q355B。最終建模完成見圖4。

桿件建?？蓞⒖忌鲜霾襟E先繪制線條后定義截面，也可直接通過添加桿件命令里的直接畫桿件進(jìn)行建模，結(jié)果相同。

1.3 施加荷載

以桿件安裝于成都市區(qū)實(shí)際使用情況為例。桿件無其他附屬設(shè)施，因此無節(jié)點(diǎn)荷載，也無需考慮地震荷載與雪載等附加荷載，只承受風(fēng)載，一般情況下考慮兩個(gè)垂直方向的風(fēng)載。

基本步驟如下：

(1) 荷載工況設(shè)定，恒載及XY兩方向風(fēng)載，初步認(rèn)為Y方向風(fēng)載為對(duì)結(jié)構(gòu)最不利方向荷載。

(2) 風(fēng)總信息設(shè)定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]查詢確定成都50年一遇最大基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度為C類，且處于平坦地面，無需進(jìn)行風(fēng)壓高度系數(shù)的修正。

(3) 導(dǎo)荷載，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13-15]輸入風(fēng)載體型系數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)桿件自動(dòng)導(dǎo)荷載。

(4) 荷載組合，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[16]進(jìn)行不同荷載的快速組合，荷載施加完成。

模型施加荷載完成后可進(jìn)行各類荷載的顯示，檢查荷載施加是否正確。工況1-X方向荷載施加情況如圖5，工況2-Y方向荷載施加情況如圖6。

圖5 工況1-X方向荷載顯 圖6 工況2-Y方向荷載顯 示(單位 kN/m2) 示(單位 kN/m2)

2 3D3S軟件智慧合桿受力結(jié)果分析

自動(dòng)檢查模型無誤后即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)驗(yàn)算。根據(jù)桿件的不同材性選取對(duì)應(yīng)規(guī)范[17]對(duì)桿件進(jìn)行校核驗(yàn)算。最終受力結(jié)果見圖7。結(jié)果顯示，在多種荷載組合情況下，桿件最大應(yīng)力比0.527出現(xiàn)在橫臂根部，所有桿件都合格并有一定富余，滿足后期加載設(shè)備的可能。圖8為結(jié)構(gòu)最大支座反力圖，可知Y向風(fēng)載確為最不利荷載方向，合桿結(jié)構(gòu)繞X向彎矩值為52 kN.m。桿件受力分析完成。

圖7 智慧合桿應(yīng)力比圖

圖8 智慧合桿最大支座反力圖N1.X向剪切力 N2.Y向剪切力 N3.軸力 M1.繞X向彎矩 M2.繞Y向彎矩 M3.扭矩

合桿根部最大彎矩經(jīng)手動(dòng)粗略計(jì)算為45.2 kN.m，軟件結(jié)果與其數(shù)值相差較小，說明軟件計(jì)算結(jié)果可靠。計(jì)算過程如下：

總彎矩M=Σ部件迎風(fēng)面積×Wk×彎矩作用中心點(diǎn)

其中Wk為風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，具體計(jì)算參考標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。

主桿M1=(0.245+0.285)×6.9/2×0.35×0.9×

0.65×2.0544×6.9/2≈2.7 kN.m

副桿M2=0.18×3.4×0.35×1.3×0.65×3.0783×

8.6≈4.8 kN.m

燈頭M3=0.56×2×0.35×1.3×0.65×3.4638×

11.3≈13 kN.m

基站M4=0.54×1.2×0.35×1.3×0.65×3.5436×

11.7≈8 kN.m

顯示屏M5=2×1×0.35×1.3×0.65×1.7196×

4.5≈4.6 kN.m

橫臂M6=((0.1+0.189)×8/2×0.9+0.9×0.9×2×1.3+1×0.3×2×1.3+0.3×0.3×2×1.3)×0.35×0.65×

1.955×6.5≈12.1 kN.m

鑒于桿件受力較小，后續(xù)可根據(jù)需要與實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，如改小口徑或改薄壁厚等。操作過程更加簡(jiǎn)單，只需在截面庫中直接編輯原有截面尺寸或添加想要修改的桿件，荷載施加不變，結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)驗(yàn)算滿足要求即可。

其他造型復(fù)雜的景觀燈智慧合桿也可用3D3S軟件進(jìn)行受力分析，只是在建模時(shí)需要尋找最合適的建模方式與最恰當(dāng)?shù)慕孛娴刃鎿Q。

3 3D3S軟件智慧合桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3D3S軟件還可以進(jìn)行智慧合桿的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。比較便捷的是3D3S軟件可以直接讀入基礎(chǔ)反力文件，無需手動(dòng)輸入。根據(jù)設(shè)計(jì)要求與安裝路面的實(shí)際情況相應(yīng)填入基礎(chǔ)參數(shù)，如基礎(chǔ)柱的長(zhǎng)寬尺寸，基礎(chǔ)長(zhǎng)度寬度與埋深等信息，然后計(jì)算承載力特征值進(jìn)行驗(yàn)算。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般需考慮三個(gè)方面，地基承載力、抗傾覆能力與基礎(chǔ)脫開面積(即零受力區(qū)面積)。3D3S軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)很好的考慮了這幾個(gè)因素。根據(jù)實(shí)際情況，軟件還可根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)報(bào)告輸入其他限制條件進(jìn)行計(jì)算，并可導(dǎo)出基礎(chǔ)計(jì)算文件。

4 3D3S軟件應(yīng)用于智慧合桿設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

通過上述實(shí)例分析可以看出，3D3S軟件操作步驟簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)驗(yàn)算智能，建模完成后即可自動(dòng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行快速驗(yàn)算，省去復(fù)雜繁瑣的手算過程，降低人為計(jì)算錯(cuò)誤率。同時(shí)軟件在計(jì)算過程中可以充分考慮外界可能存在的環(huán)境因素與自身因素，如風(fēng)載荷與地震荷載、體型系數(shù)與風(fēng)壓高度變化系數(shù)，各種地區(qū)地貌最適宜的參數(shù)與修正系數(shù)等，結(jié)果更合理更安全。根據(jù)計(jì)算結(jié)果軟件還可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算優(yōu)化得到最適宜參數(shù)，使復(fù)雜智慧合桿的設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)更快捷。并且桿件受力分析完成后還可以自動(dòng)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)坑設(shè)計(jì)與柱腳節(jié)點(diǎn)輔助設(shè)計(jì)，在此不再贅述。最后3D3S軟件可以根據(jù)客戶需要出具力學(xué)計(jì)算報(bào)告，更具有說服力。

3D3S軟件在智慧合桿設(shè)計(jì)上也仍有待完善部分。一是目前并沒有路燈及智慧合桿的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范，軟件在計(jì)算時(shí)主要參考的是高聳結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、單管塔標(biāo)準(zhǔn)及架空送電線路等標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間會(huì)有行業(yè)間的細(xì)微差異；二是3D3S軟件建模時(shí)桿件截面無法進(jìn)行二次細(xì)化，如燈桿下方的檢修門開門等設(shè)計(jì)，在需要校核此處桿件強(qiáng)度時(shí)只能使用截面性能參數(shù)來進(jìn)行對(duì)比，因此在建模時(shí)需要尋找最有效合理的建模方式；三是在針對(duì)復(fù)雜燈型的不規(guī)則燈頭計(jì)算時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)其體型系數(shù)及某些參數(shù)的選取做出客觀規(guī)定，不同計(jì)算者可能出現(xiàn)不同計(jì)算結(jié)果；四是運(yùn)用3D3S軟件要求計(jì)算者熟讀各項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)才能更好的進(jìn)行細(xì)節(jié)處理及參數(shù)選取，如計(jì)算長(zhǎng)度的定義、撓度控制與桿件徑厚比控制等。

5 結(jié) 語

作為促進(jìn)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要手段，智慧合桿的推進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而3D3S軟件給智慧合桿的設(shè)計(jì)提供了合理有效安全的支持。3D3S軟件結(jié)構(gòu)建模簡(jiǎn)單，實(shí)際使用環(huán)境模擬全面，受力分析速度快，設(shè)計(jì)更具有快捷、經(jīng)濟(jì)與安全性，并能反饋出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與報(bào)告，給進(jìn)一步優(yōu)化驗(yàn)算提供指導(dǎo)。但設(shè)計(jì)時(shí)需尋找最合理的建模方式、荷載加載方式及細(xì)節(jié)處理方法，使其更好的符合工程實(shí)際。3D3S軟件在建筑行業(yè)已普遍使用，今后在智慧合桿設(shè)計(jì)領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。