孫啟程
上海市建設機械檢測中心有限公司 上海 200137
近年來,為加強戶外廣告及戶外招牌的設置管理、維護市容環(huán)境整潔有序、保障城市公共安全,上海市出臺了相關的法規(guī)(上海市人民政府第41號令),并配套有設置規(guī)范、檢測規(guī)范,規(guī)定了戶外廣告、戶外招牌在設置滿兩年后,應每年委托有資質的檢測單位進行安全檢測。
DB31/283—2015《戶外廣告設施設置技術規(guī)范》(以下簡稱“廣告規(guī)范”)、DB31/T 977—2016《戶外招牌設置技術規(guī)范》(以下簡稱“招牌規(guī)范”),在這2本上海市地方標準中,都規(guī)定了戶外廣告、招牌的檢測分項中應包含結構復核內容(如結構強度、剛度、穩(wěn)定性以及節(jié)點承載力、基礎抗傾覆性和錨栓強度等),且在以下情況時必須進行結構復核:未提供結構設計資料;既有結構與設計資料不相符;受力構件被腐蝕后的壁厚不符合設計要求;對結構現(xiàn)狀的安全存在疑義。
單角鋼焊接而成的輕型桁架,是戶外廣告、戶外招牌設置中最常見的結構類型。單角鋼因其受力良好、加工簡便、價格便宜等優(yōu)點,在廣告、招牌行業(yè)中被大量使用,但由于缺少資質單位設計、施工人員水平不高、經(jīng)費有限等客觀因素,導致廣告招牌的桁架大多不能按照規(guī)范要求制作。單角鋼輕型桁架節(jié)點大多為直接搭接,不設節(jié)點板,且多數(shù)未沿角鋼全截面滿焊,這給檢測工作及安全評定帶來一定難度。有限元分析軟件的運用,大大減輕了檢測人員在戶外廣告、招牌檢測中關于結構計算方面的工作量;然而軟件主要用于桁架整體的建模計算,節(jié)點的有限元分析難度相對較大且耗時較多?,F(xiàn)實中戶外廣告和招牌桁架結構的節(jié)點連接,往往不能滿足規(guī)范和圖集要求的構造措施,僅僅是針對桁架整體建模得出的桿件有限元分析結果,并不能完全真實地反映節(jié)點的承載力。本文旨在運用分析軟件與手算相結合的方法,為戶外廣告、招牌檢測中的結構復核及其評定提供一種可行的方法。
選取一塊結構形式為單角鋼焊接的戶外廣告(節(jié)點采用無節(jié)點板搭接連接),用有限元分析軟件SAP 2000進行建模計算。在得出桿件的有限元分析結果后,提取受力較大的桿件的內力,進一步做桁架節(jié)點焊縫的受力分析。
該戶外廣告(圖1)位于上海市區(qū)內某地,屬輕型桁架結構,節(jié)點均為搭接焊接;桁架結構總長40 m、高6 m、底標高約20 m(僅有橫向桁架,縱向僅設系桿連接);單榀桁架的節(jié)間距為1 m、弦高0.6 m;桁架的縱向間距為2 m,每間隔1榀桁架設置1組支座(每組支座分為3個固定點,分別位于單榀桁架的上下端和中間位置);桁架的弦桿截面為∠63 mm×6 mm,直腹桿、斜腹桿及縱向連系桿截面均為∠50 mm×5 mm;型材材質均為Q235;各桿件長細比均滿足廣告規(guī)范與招牌規(guī)范的要求。
圖1 戶外廣告實景
1)恒載。鋼材容重采用7.85 kN/m3,考慮廣告布、電器件等,乘以1.2的放大系數(shù),此荷載由程序自動計算。
2)風荷載。上海地區(qū)基本風壓ω0=0.55 kPa,地面粗糙度取C類,計算高度取至桁架中部,即23 m;根據(jù)GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定,該戶外廣告結構附著于建筑物外墻上,可按圍護結構計算,風荷載的各項系數(shù)取值為:陣風系數(shù)βgz=1.96,高度系數(shù)μz=0.78,體型系數(shù)μs=-2.0,風壓標準值ωk=ω0βgzμzμs=-1.69 kPa。
3)活荷載。戶外廣告實際活荷載較小,按經(jīng)驗可取0.3 kPa。
4)地震荷載。結構質量較輕(不到樓層質量的5%),對大樓主結構的周期無影響,按廣告規(guī)范的規(guī)定無需考慮抗震。
依據(jù)文獻[2]的結論及GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第7.6.1條的規(guī)定,桁架腹桿與弦桿位于同側,可不考慮角鋼強度的折減。
依據(jù)文獻[3]的結論,單角鋼連接可不考慮彎扭失穩(wěn)的影響,且所用型材均為國標熱軋等邊角鋼,不考慮寬厚比的影響;結合GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第5.1.5條的規(guī)定,戶外廣告鋼結構可按照平面桁架加載及計算,故計算模型的桁架節(jié)點均可按鉸接處理,即釋放直腹桿與斜腹桿兩端的彎矩以及起點的扭矩;支座僅有底板,未作加勁肋加強,剛度不足,按鉸支處理。
根據(jù)結構受力的對稱性,僅對部分桁架建模;選取9榀桁架共5組支座進行建模,最終的計算模型如圖2所示,圖中綠點表示鉸接節(jié)點。
圖2 廣告牌桁架計算模型
桁架的每個支座以2根M12化學錨栓錨固,滿足構造要求;桁架角鋼與錨固底板直接焊接,未設置加勁肋。支座的轉動剛度較小,可視為鉸支座,即限制3個平動自由度,釋放轉動自由度。
根據(jù)GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》及GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》的要求進行荷載組合,恒載分項系數(shù)取1.30(恒載起控制作用時取1.35,有利時取1.00),風荷載及活荷載分項系數(shù)取1.50,由程序自動計算各種荷載組合。
根據(jù)GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第5.1.5條第2款的規(guī)定,桁架可不考慮節(jié)點剛性引起的次彎矩效應。廣告牌桁架整體應力比計算結果如圖3所示。
圖3 桁架整體應力比
圖5的計算結果是綜合考慮了各桿件剛度(長細比)、強度、穩(wěn)定性等所得出的最大應力比,可見受力最大的上弦桿應力比為0.483,符合廣告規(guī)范要求。
中間支座的一榀桁架同時承受兩側風荷載及活荷載,受力較大,該榀桁架桿件的應力比計算結果如圖4所示。
圖4 桁架中間榀應力比
通過以上計算可知該桁架各桿件的剛度、強度及穩(wěn)定性均符合廣告規(guī)范的要求,此時提取桿件的內力作進一步的節(jié)點焊縫計算分析。由圖4可知,桁架中間節(jié)的弦桿及腹桿受力較大,此節(jié)點的實際構造及節(jié)點如圖5、圖6所示。
圖5 桁架中間節(jié)點構造
圖6 桁架中間節(jié)點大樣
提取此節(jié)點處直腹桿、斜腹桿的內力(圖7、圖8)。
圖7 斜腹桿1軸力圖
圖8 斜腹桿2軸力圖
1)按照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》的規(guī)定計算,角鋼肢背、肢尖、端面的焊縫受力分別記為N1、N2、N3。
2)直腹桿受軸力N=14.4 kN,采用三面圍焊,則計算得N3=34.1 kN。計算結果顯示,直腹桿角鋼的端面焊縫承載力已能滿足節(jié)點受力要求,兩側只需按構造要求焊接即可;按同樣方法計算可得 N1=N2=21.8 kN(肢尖和肢背的焊縫屬側面角焊縫,不考慮強度設計值增大系數(shù)),該節(jié)點焊縫承載力為N1+N2+N3=77.7 kN,利用率為14.4/77.7=0.185,此腹桿的應力比為0.046,雖然都滿足規(guī)范要求,但節(jié)點的承載力與桿件相比差了3.02倍。
3)斜腹桿1受軸力N=9.9 kN,L形圍焊,可得N3=30.7 kN,N1=41.4 kN,節(jié)點焊縫承載力為72.1 kN,利用率為9.9/72.1=0.137,桿件的應力比為0.168,承載力相差1.23倍,但節(jié)點利用率較小,偏安全。
4)按GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第12.2.6條的構造要求,各桿件之間間隔不小于20 mm,直腹桿采用兩面?zhèn)群?,焊縫長度39 mm,則N1=N2=16.2 kN,焊縫承載力為32.4 kN,利用率為14.4/32.4=0.44,桿件的應力比為0.046,相差8.56倍。
5)同第4條要求,斜腹桿1只焊接肢背,焊縫長度80 mm,則N1=39.2 kN,利用率為9.9/39.2=0.25,桿件的應力比為0.168,相差1.83倍,節(jié)點承載力仍偏安全。
6)將桁架的底標高設為40、60、120 m,分別計算桿件及節(jié)點焊縫的承載力,計算結果如表1所示。
表1 不同荷載條件下桿件及焊縫計算結果
1)桁架的弦桿、腹桿等應能滿足長細比限值的要求(剛度)。
2)弦桿作為主受力桿件承擔了大部分荷載,若弦桿與腹桿的剛度相差過大,則對結構整體的承載能力不利。
3)單角鋼桁架桿件的結構復核評定,應以節(jié)點的承載力為準;節(jié)點處的角鋼在搭接焊接時,宜按構造要求優(yōu)先采用三面圍焊;因空間或構造等原因無法做到三面圍焊時,應保證沿全截面滿焊;端面焊縫作為正面角焊縫,受力較好(有強度設計值增大系數(shù)),應滿焊;按此構造要求焊接的節(jié)點,在桿件應力比較小時(≤0.5),不需要單獨計算焊縫的承載力,檢測分項中的結構復核可評為a級。
4)風荷載較大時(當戶外招牌或廣告的底部高度大于60 m,或對風荷載敏感的結構形式,可將風壓標準值適當提高),應將節(jié)點的焊縫按實際構造進行承載力計算校核,并以節(jié)點焊縫的承載力作為結構復核評定的依據(jù)。
5)未按構造要求施焊的焊縫均應單獨校核承載力,并以節(jié)點焊縫承載力的結果作為結構復核分項的評定。
[1] 北京筑信達工程咨詢有限公司.SAP2000中文版技術指南及工程應用[M].北京:人民交通出版社,2018.
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[3] 康強文,童根樹.單肢連接的單角鋼壓桿承載力分析[J].鋼結構,2006,21(2):12-16.