張志偉，任 強(qiáng)

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266000）

城市道路交通標(biāo)志牌基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

張志偉，任 強(qiáng)

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266000）

為解決城市道路交通標(biāo)志牌基礎(chǔ)與市政管線之間的沖突，合理確定標(biāo)志牌基礎(chǔ)尺寸。首先采用有限元軟件對(duì)標(biāo)志牌振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析求得其自振周期，確定是否考慮順風(fēng)向風(fēng)振的影響；再依據(jù)新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，并在一定的約束條件下對(duì)基礎(chǔ)的尺寸進(jìn)行分析，合理確定基礎(chǔ)尺寸的大??；最后，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)標(biāo)志牌基礎(chǔ)與市政管線之間的沖突問(wèn)題提出了解決方案。

交通標(biāo)志牌；振動(dòng)模態(tài)；風(fēng)荷載計(jì)算；基礎(chǔ)尺寸

0　引言

在市政道路的建設(shè)過(guò)程中，道路交通標(biāo)志牌的設(shè)置是必不可少的一環(huán)。對(duì)于沿海地區(qū)，一些大型交通標(biāo)志牌受到的風(fēng)荷載較大。為滿足結(jié)構(gòu)安全要求，基礎(chǔ)所需要的混凝土的體量是很可觀的，但由于市政道路與公路不同，地下敷設(shè)相當(dāng)豐富的管線，特別是靠近路緣石附近，是地下管線爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。標(biāo)志牌基礎(chǔ)一般也正好設(shè)置于這一位置，因此與地下管線線位發(fā)生沖突在所難免，特別是一些大型標(biāo)志牌，由于基礎(chǔ)尺寸較大，這一問(wèn)題變得更加明顯。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文依據(jù)新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）［1］，對(duì)沿海地區(qū)某一大型標(biāo)志牌進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，進(jìn)而對(duì)標(biāo)志牌所需基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行合理分析，以盡量減少基礎(chǔ)與管線線位的沖突，并提出一些在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)注意的問(wèn)題。

1　計(jì)算及分析過(guò)程

1.1工程背景

青島沿海某一主干路，道路沿線交通標(biāo)志牌面板尺寸采用3 m×6 m，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。支承桿件采用3F桿，桿件與基礎(chǔ)之間采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，基礎(chǔ)尺寸暫定為a（寬）×l（長(zhǎng)）×h（高），立桿、橫梁及面板材料見(jiàn)表1。道路沿線敷設(shè)有給水、排水、電力、通信、燃?xì)獾裙芫€，部分管線線位與標(biāo)志牌基礎(chǔ)存在沖突。

1.2荷載分析及假定

標(biāo)志牌上的作用力可分為永久作用和可變作用兩類(lèi)［1］。永久作用主要包括桿件自重、標(biāo)志牌或固定設(shè)備自重、土壓力和地基變形等；可變作用包括風(fēng)荷載、覆冰荷載、雪荷載、安裝或檢修荷載、地震荷載、溫度荷載等。其中，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)承受的主要荷載。本文也著重研究風(fēng)荷載對(duì)標(biāo)志牌的作用，并在計(jì)算分析的過(guò)程中作如下的假定：

（1）假定風(fēng)荷載方向與標(biāo)志版面垂直，不計(jì)扭轉(zhuǎn)或位移對(duì)風(fēng)荷載的影響；

（2）基礎(chǔ)四周土的摩擦力和抗力忽略不計(jì)，作為安全儲(chǔ)備；

（3）忽略橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響。

圖1　交通標(biāo)志牌示意圖（單位：cm）

1.3標(biāo)志牌振動(dòng)模態(tài)分析

如前所述，本文主要考慮風(fēng)荷載對(duì)標(biāo)志牌的作用。影響風(fēng)荷載大小的因素有基本風(fēng)壓、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)。前面三項(xiàng)可由規(guī)范直接取值［1］，而風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振周期，然而在新版的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）以及《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS148-2003）［2］中對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期均要求采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算或采用近似計(jì)算，但是并未給出此類(lèi)構(gòu)件的近似計(jì)算公式。因此，有必要對(duì)標(biāo)志牌的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，從而求得與風(fēng)振系數(shù)有關(guān)的自振頻率、自振周期以及振型系數(shù)等參數(shù)。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的分析可借助于通用有限元軟件，比如ANSYS、SAP2000、MIDAS來(lái)實(shí)現(xiàn)［3，4］。本文即采用有限元分析軟件MIDAS/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散和模型的建立，將標(biāo)志牌劃分為59個(gè)梁?jiǎn)卧?8個(gè)板單元，立桿底部采用固結(jié)處理。具體的建模參數(shù)見(jiàn)表1。表2和圖2分別給出了前四階振動(dòng)模態(tài)的示意圖和計(jì)算結(jié)果。其中，一階模態(tài)自振頻率f=1.215 Hz，自振周期為T(mén)=0.823 s，振型系數(shù)為0.99。根據(jù)規(guī)范要求，自振周期大于0.25 s，需要考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振的影響［1］。

表1　建模參數(shù)

表2　各階模態(tài)自振頻率及振動(dòng)形式

1.4風(fēng)荷載計(jì)算

標(biāo)志牌風(fēng)荷載計(jì)算依據(jù)新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中8.1.1條計(jì)算：

式中：βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，沿海地區(qū)，地面粗糙度為A類(lèi)，查表取1.28；w0為基本風(fēng)壓（kN/m），取青島本地50 a一遇基本風(fēng)壓w0=0.6 kN/m2。

對(duì)于風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算，新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與舊版比較，變化較大，現(xiàn)依據(jù)新版規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于一般豎向懸臂型結(jié)構(gòu)，可僅考慮結(jié)構(gòu)第一振型的影響［1］，根據(jù)規(guī)范8.4.3條：

圖2　一階至四階模態(tài)示意圖

式中：g為峰值因子，可取2.5；I10為10 m高度名義湍流強(qiáng)度，對(duì)A類(lèi)地面粗糙度，可取0.12；R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子。

公式中R與Bz計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，限于篇幅，不再一一贅述。這里僅給出計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。表3公式中的參數(shù)的具體含義見(jiàn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）。

表3　風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果

1.5基礎(chǔ)尺寸的分析

按照上述步驟求出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值以后，即可計(jì)算基礎(chǔ)底面的傾覆力矩，一般情況下，確定基礎(chǔ)尺寸需要滿足的條件主要有：

（1）抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3；

（2）基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)不大于底面積的25%；

（3）滿足地基承載力要求。

從理論上說(shuō)，基礎(chǔ)尺寸可以有無(wú)數(shù)種組合，若給其加上一系列的約束條件，并提出一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)，這樣就可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用下面優(yōu)化原理來(lái)進(jìn)行求解。

優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型主要包括設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三方面。設(shè)計(jì)變量是指在優(yōu)化過(guò)程中所要選擇的基本參數(shù)，對(duì)于本文要研究的內(nèi)容來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)變量是標(biāo)志牌的基礎(chǔ)尺寸：a、l、h；目標(biāo)函數(shù)是衡量?jī)?yōu)化方案的標(biāo)準(zhǔn)，本文的目標(biāo)函數(shù)可采用基礎(chǔ)混凝土最小用量來(lái)表示，即min｛a×l×h｝；約束條件是在優(yōu)化的過(guò)程中所要考慮的種種限制，對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，包括基礎(chǔ)尺寸的合理范圍以及上面所需要滿足的三個(gè)條件等。具體的數(shù)學(xué)模型描述如下。

設(shè)計(jì)變量：基礎(chǔ)的尺寸a、l、h

目標(biāo)函數(shù)：min f（a、l、c）=a×l×c

約束條件：a1＜a＜a2

l1＜l＜l2

h1＜h＜h2

K＞1.2

P＜25%

式中：a、l、h為基礎(chǔ)尺寸；a1、a2、l1、l2、h1、h2為基礎(chǔ)尺寸的合理范圍；K為基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；P為基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)占底面積的比值。

上述數(shù)學(xué)模型是一個(gè)典型的非線性優(yōu)化問(wèn)題，可采用通用軟件Matlab中的fmincon函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［5］，這樣就會(huì)得到唯一的最優(yōu)解。

但是對(duì)于實(shí)際工程來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)尺寸不需要很精確的數(shù)值，可以編制相應(yīng)的計(jì)算表格進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行分析，得出如下規(guī)律：

（1）抗傾覆穩(wěn)定性較容易滿足，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)不大于底面積的25%成為主要的制約條件。

（2）基礎(chǔ)沿風(fēng)荷載方向尺寸越大，相同條件下所用混凝土體量越小。

（3）基礎(chǔ)平面尺寸越大，相同條件下基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)不大于底面積的25%，這一制約條件更容易滿足，而增加基礎(chǔ)的高度并不明顯。

2　解決方案

通過(guò)上述分析可知，標(biāo)志牌基礎(chǔ)的尺寸可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合施工中標(biāo)志牌基礎(chǔ)與管線線位沖突這一實(shí)際問(wèn)題，可采用以下解決方案：

（1）標(biāo)志牌基礎(chǔ)盡量與地下管線工程同步實(shí)施，實(shí)施過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)的位置、尺寸或管線局部的線位進(jìn)行相互避讓?zhuān)?/p>

（2）若標(biāo)志牌基礎(chǔ)施工時(shí)遇到已實(shí)施的管線，也可通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)的位置或尺寸避讓現(xiàn)狀管線，必要時(shí)可做成不規(guī)則的基礎(chǔ)形狀。

針對(duì)該工程而言，由于管線影響，部分標(biāo)志牌基礎(chǔ)寬度限制在1～1.5 m，據(jù)此擬定了一些常規(guī)的尺寸給實(shí)施單位選擇使用，見(jiàn)表4。

表4　部分基礎(chǔ)尺寸示例

從表4可以看出，在滿足抗傾覆穩(wěn)定要求及基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)要求的基礎(chǔ)上，混凝土體量的變化還是較大的。因此，若能采取合理的尺寸，可以從一定程度上減少混凝土的用量。從表4中還可以看出，基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)較大，若能放寬基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)所占底面積比例這一條件，基礎(chǔ)尺寸尚能進(jìn)一步減小。

另外，若在基礎(chǔ)實(shí)施的過(guò)程中實(shí)在無(wú)法與管線避讓?zhuān)稍诒ＷC管線安全的前提下，將管線與基礎(chǔ)澆筑成整體，必要時(shí)采用樁基礎(chǔ)形式。

3　結(jié)　語(yǔ)

道路標(biāo)志牌的自振周期一般較長(zhǎng)，計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振的影響不能忽視。在擬定標(biāo)志桿基礎(chǔ)尺寸時(shí)，可以有多種不同的組合，應(yīng)根據(jù)工程的不同的約束條件確定合理的尺寸，一方面可以有效解決與管線線位沖突這一問(wèn)題，另外一方面可以減少混凝土用量，降低投資。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)對(duì)標(biāo)志牌桿件結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)度螺栓連接按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）進(jìn)行設(shè)計(jì)或校核?；炷粱A(chǔ)則還應(yīng)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并配置相應(yīng)的受力鋼筋及構(gòu)造鋼筋，尤其對(duì)于非常規(guī)基礎(chǔ)，配筋應(yīng)予加強(qiáng)。

另外，在對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，新規(guī)范中一些參數(shù)的計(jì)算是基于房屋等建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型，對(duì)于道路標(biāo)志牌這種構(gòu)件類(lèi)型的適用性還有待進(jìn)一步研究。

［1］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］CECS148-2003，戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］劉成生，郭成喜，高金鎖.某鋼結(jié)構(gòu)廣告牌結(jié)構(gòu)分析［J］.工業(yè)建筑，2010（40）：553-555.

［4］張傳斌，楊邦成，姚激.標(biāo)志牌桿在風(fēng)荷載作用下的有限元［J］.特種結(jié)構(gòu)，2011（2）：22-24.

［5］楊世文，許小健.MATLAB優(yōu)化工具箱在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008（5）：1347-1349.

U491.5+2

A

1009-7716（2016）01-0022-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.008

2015-02-13

張志偉（1983-），男，山東德州人，工程師，從事道橋設(shè)計(jì)工作。