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        智慧城市多功能標(biāo)志標(biāo)牌桿選型研究

        2022-03-08 01:42:20王敏姚云龍任高杰
        關(guān)鍵詞:智慧

        王敏,姚云龍,任高杰

        (華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310014)

        1 引言

        智慧城市多功能標(biāo)志標(biāo)牌桿(以下簡(jiǎn)稱智慧標(biāo)牌桿)是基于傳統(tǒng)市政桿件,有效融合照明、通信、安防、市政等功能于一體,根據(jù)不同的使用場(chǎng)景組合出功能適配的桿件,通過個(gè)性化設(shè)計(jì),使得智慧標(biāo)牌桿的設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度要求和經(jīng)濟(jì)適用中找到一個(gè)平衡點(diǎn),從而使智慧標(biāo)牌桿達(dá)到提高城市管理效率和空間利用率的目的。此類桿件除應(yīng)控制桿件應(yīng)力比,確保桿件各部位滿足強(qiáng)度要求,以及控制端部、節(jié)點(diǎn)位移外,還應(yīng)控制桿件造價(jià)。

        智慧標(biāo)牌桿挑臂通常根據(jù)城市使用習(xí)慣差異、標(biāo)牌面積大小等因素采用雙挑臂或三挑臂。本文以雙挑臂智慧標(biāo)牌桿為例,考慮常見智能化模塊,基于標(biāo)志標(biāo)牌大小變化時(shí)引起的桿身設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行論述。

        2 基本信息

        智慧標(biāo)牌桿采用模塊化概念進(jìn)行組合設(shè)計(jì),常用模塊有:標(biāo)志標(biāo)牌+5G 天線+照明+預(yù)留設(shè)備。

        選擇智慧標(biāo)牌桿(2.5 m×1.5 m),挑臂長(zhǎng)度5 m;智慧標(biāo)牌桿(4 m×2 m),挑臂長(zhǎng)度5 m 進(jìn)行對(duì)比分析。

        上段主桿采用鋁合金(6061),其底部?jī)?nèi)力較小滿足強(qiáng)度要求。下段主桿結(jié)構(gòu)采用Q355 或Q420,采用十二邊形錐度桿,其上端直徑統(tǒng)一采用240 mm,下端直徑和壁厚根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算確定;挑臂結(jié)構(gòu)鋼材采用Q235 或Q355,采用圓鋼管,壁厚根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算確定。所有節(jié)點(diǎn)均為剛性連接。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示,掛載設(shè)備參數(shù)見表1。

        圖1 智慧標(biāo)牌桿物理尺寸圖

        表1 掛載設(shè)備面積、高度及質(zhì)量

        3 計(jì)算方法

        3.1 有限元模型

        采用有限元軟件對(duì)主桿結(jié)構(gòu)及挑臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,主桿、挑臂均采用框架單元進(jìn)行模擬。

        桿件風(fēng)荷載計(jì)算按照有限元模型求得的基本自振周期,依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算[1]。

        3.2 荷載施加

        假定建設(shè)地點(diǎn)為密集建筑群的城市市區(qū)(地面粗糙度C類),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a,設(shè)計(jì)使用年限為50 a,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?;撅L(fēng)壓0.50 kN/m2,設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度7 度,0.10g,抗震設(shè)防類別為丙類,阻尼比采用0.01;不考慮裹冰荷載影響;經(jīng)過前期研究,地震荷載組合不起控制作用;多功能桿檢修均采用登高檢修車,因而研究過程計(jì)入恒載與風(fēng)荷載對(duì)智慧標(biāo)牌桿的影響。

        智慧標(biāo)牌桿主要由挑臂、上段主桿、下段主桿組成,3 部分構(gòu)件風(fēng)荷載按均布荷載沿桿身進(jìn)行布置,其中挑臂被標(biāo)牌遮擋部分不考慮均布風(fēng)荷載。掛載設(shè)備質(zhì)量及風(fēng)荷載按相應(yīng)集中力布置在計(jì)算作用點(diǎn)。

        4 設(shè)計(jì)實(shí)例

        4.1 模型選取

        模型根據(jù)控制單變量進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,遵循研究主桿數(shù)據(jù)變化時(shí),挑臂物理數(shù)據(jù)保持不變;研究挑臂數(shù)據(jù)變化時(shí),主桿物理數(shù)據(jù)保持不變,具體模型建立如下:

        模型一:智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m)研究下段主桿直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí),主桿下段厚度t=5 mm,挑臂采用φ140 mm×4 mm;

        模型二:智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)研究主桿直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí),主桿下段厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm,挑臂采用φ168 mm×4 mm;

        模型三:智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m)研究挑臂直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí),下段主桿直徑采用270 mm,厚度采用4 mm;挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm;

        模型四:智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)研究挑臂直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí),下段主桿直徑采用270 mm,厚度采用6 mm;挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm。

        4.2 應(yīng)力比對(duì)分析

        4.2.1 主桿應(yīng)力比對(duì)分析

        模型一、模型二下段主桿應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

        圖2 智慧標(biāo)牌桿主桿根部應(yīng)力比

        根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求[2],應(yīng)力比(計(jì)算強(qiáng)度/鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)≤1.0,桿身強(qiáng)度方為滿足設(shè)計(jì)要求。

        從圖2 可知,智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m)當(dāng)下段主桿采用壁厚為5 mm,鋼材采用Q355 時(shí),主桿根部直徑最小應(yīng)采用280 mm;當(dāng)采用鋼材采用Q420 時(shí),主桿根部直徑最小應(yīng)采用260 mm;智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)當(dāng)主桿采用壁厚為5 mm,鋼材采用Q355 時(shí),主桿根部直徑采用240~310 mm,應(yīng)力比驗(yàn)算不能滿足強(qiáng)度要求;當(dāng)主桿采用壁厚為5 mm,鋼材采用Q420 時(shí),主桿根部直徑最小應(yīng)采用310 mm;當(dāng)主桿采用壁厚為6 mm,當(dāng)采用鋼材為Q355 時(shí),主桿根部直徑最小應(yīng)采用300 mm;當(dāng)主桿采用壁厚為6 mm,當(dāng)采用鋼材為Q420時(shí),主桿根部直徑最小應(yīng)采用290 mm。

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明:下段主桿桿身直徑受指示牌面積大小影響較大,當(dāng)指示牌尺寸增大時(shí),主桿應(yīng)力增大,可以通過提高鋼材強(qiáng)度、增加壁厚和加大下段主桿直徑來控制下段主桿應(yīng)力比。

        4.2.2 挑臂應(yīng)力比對(duì)分析

        模型三、模型四下挑臂應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 雙挑臂多功能標(biāo)牌桿挑臂根部應(yīng)力比

        根據(jù)GB 50017—2017 規(guī)范要求,應(yīng)力比(計(jì)算強(qiáng)度/鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)≤1.0,挑臂強(qiáng)度方可滿足設(shè)計(jì)要求。

        從圖3a 可知,智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m)當(dāng)挑臂壁厚為4 mm,鋼材為Q235 時(shí),挑臂直徑最小應(yīng)采用159 mm;當(dāng)挑桿壁厚為4 mm,鋼材為Q355 時(shí),挑臂直徑最小應(yīng)采用133 mm;當(dāng)挑桿壁厚為5 mm,鋼材為Q235 時(shí),挑臂直徑最小應(yīng)采用146 mm;當(dāng)挑臂桿壁厚為5 mm,鋼材為Q355 時(shí),挑臂直徑可采用121 mm。

        從圖3b 可知,智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)當(dāng)挑臂桿壁厚為4 mm,鋼材為Q235 時(shí),挑臂直徑采用140~180 mm 均不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求;當(dāng)挑桿壁厚為4 mm,鋼材為Q355 時(shí),挑臂直徑最小應(yīng)采用168 mm;當(dāng)挑桿壁厚為5 mm,鋼材為Q235 時(shí),挑臂直徑最小應(yīng)采用180 mm;當(dāng)挑桿壁厚為5 mm,鋼材為Q355 時(shí),挑臂直徑應(yīng)采用146 mm。

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明:挑臂尺寸受指示牌面積大小影響較大,當(dāng)指示牌尺寸較大時(shí),挑臂應(yīng)力發(fā)生明顯增長(zhǎng),提高鋼材強(qiáng)度、增加壁厚能更加有效控制挑臂應(yīng)力比,同時(shí)加大主桿直徑也可以改善挑臂應(yīng)力比不足的情況。

        4.3 位移比對(duì)分析

        智慧標(biāo)牌桿變形主要包括主桿變形和挑臂變形,主要控制因素如下:(1)重力荷載作用下主桿的水平變形;(2)重力荷載作用下挑臂的垂直變形;(3)風(fēng)荷載作用下主桿的水平變形;(4)風(fēng)荷載作用下挑臂的水平變形。

        經(jīng)過前期研究,智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m)與智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)位移變化規(guī)律類似。本文以智慧標(biāo)牌桿(標(biāo)志牌4 m×2 m)位移變化進(jìn)行論述。計(jì)算結(jié)果如圖4~圖7 所示。

        圖4 重力作用下主桿挑臂連接處水平位移

        圖5 重力作用下挑臂端部垂直位移

        圖6 風(fēng)荷載作用下主桿頂部位移

        圖7 風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移

        根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及美觀角度,重力作用下主桿挑臂連接處水平位移宜控制在50 mm 以內(nèi);重力作用下挑臂端部垂直位移控制在1/33×挑臂長(zhǎng)度內(nèi),即挑臂長(zhǎng)度為5 m 時(shí)挑臂端部垂直位移控制在151 mm 以內(nèi)。由圖4、圖5 可知,智慧標(biāo)牌桿重力荷載作用下位移隨著挑臂直徑、挑臂厚度以及掛載設(shè)備質(zhì)量的增大而增大。由于智慧標(biāo)牌桿挑臂上設(shè)備質(zhì)量較小,在滿足強(qiáng)度應(yīng)力比要求的前提下,重力荷載作用下主桿挑臂連接處水平位移均小于50 mm;而挑臂端部垂直位移則可以通過預(yù)置上揚(yáng)角度來抵消其豎向變形。

        參考YD/T 5131—2019《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3],結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)置5G 天線的智慧標(biāo)牌桿位移控制在標(biāo)準(zhǔn)組合下1/33×桿身高度內(nèi),即當(dāng)采取本次計(jì)算模型桿件高度為10.5 m 時(shí),風(fēng)荷載作用下主桿頂部的位移控制在318 mm 以內(nèi)。由圖6 可知,風(fēng)荷載作用下頂部位移受到標(biāo)志牌大小,主桿壁厚,主桿根部直徑的影響。當(dāng)標(biāo)志牌尺寸為4 m×2 m,主桿下段鋼結(jié)構(gòu)壁厚為5mm 時(shí),主桿根部直徑不應(yīng)小于290 mm;當(dāng)標(biāo)志牌尺寸為4 m×2 m,主桿下段鋼結(jié)構(gòu)壁厚為6 mm 時(shí),主桿根部直徑不應(yīng)小于270 mm。

        根據(jù)經(jīng)驗(yàn),無監(jiān)控設(shè)備時(shí)風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移控制在500 mm 以內(nèi)。實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)結(jié)合掛載設(shè)備的性能要求,準(zhǔn)確確定掛載設(shè)備的面積和安裝位置,從而確定挑臂端部位移控制值。由圖7 可知,設(shè)備擋風(fēng)面積的增加對(duì)于風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移影響很大,增加挑臂壁厚,或者增大挑臂直徑對(duì)于挑臂位移均有改善作用。當(dāng)標(biāo)牌尺寸為4 m×2 m,挑臂厚度為5 mm 時(shí),挑臂直徑不應(yīng)小于152 mm;標(biāo)牌尺寸為4 m×2 m,挑臂厚度為6 mm 時(shí),挑臂端部位移均小于500 mm。

        綜合智慧標(biāo)牌桿以上特點(diǎn),控制桿件位移的過程中,風(fēng)荷載作用下桿件產(chǎn)生的位移相較于重力荷載下桿件產(chǎn)生的位移更起控制作用,增加主桿壁厚,增大主桿根部直徑可以有效控制桿件頂部位移;增加挑臂厚度,增大挑臂直徑可以有效控制挑臂端部位移。實(shí)際工程中應(yīng)該控制標(biāo)牌桿面積及挑臂長(zhǎng)度,必要時(shí)可以考慮增加挑臂數(shù)量或采用門架式等方案,從而達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的目的。

        5 結(jié)語

        基于有限元軟件對(duì)智慧標(biāo)牌桿的主桿結(jié)構(gòu)及挑臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,分別研究不同尺寸標(biāo)志牌在恒載與風(fēng)荷載作用下對(duì)桿件主要部位極限承載能力和位移的影響。研究表明:標(biāo)牌尺寸的大小對(duì)桿件方案確定起關(guān)鍵性作用。標(biāo)牌面積增大,風(fēng)荷載作用下桿件位移增加幅度變大。當(dāng)標(biāo)志牌面積較小時(shí),桿件承載力極限狀態(tài)起到控制作用;隨著標(biāo)志牌面積增大,除應(yīng)控制桿件應(yīng)力比外,同時(shí)應(yīng)關(guān)注風(fēng)荷載作用下桿件位移是否滿足需求。通過增加壁厚,加大桿件直徑可以有效控制桿件應(yīng)力比和位移。同時(shí)在位移滿足規(guī)范要求的前提下,提高桿件的鋼材型號(hào)可以更直接有效控制應(yīng)力比。

        在實(shí)際工程建設(shè)中,在滿足應(yīng)力比與位移的前提下,對(duì)多個(gè)可行方案進(jìn)行比選,選取用鋼量更少的方案,從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性要求。

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