劉文彬

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

0 引言

戶外廣告設(shè)施主要用于商業(yè)用途，其一般布置在人流量較大、人口較密集的區(qū)域或交通要道的兩側(cè)。其結(jié)構(gòu)形式有3種：落地式廣告牌、墻面式廣告牌和屋頂式廣告牌。其中落地式廣告牌由面板結(jié)構(gòu)、立柱和基礎(chǔ)組成，其高度一般較高但立柱截面尺寸相對較小，從受力類型分析，屬于對風(fēng)荷載敏感的高聳懸臂構(gòu)筑物。

現(xiàn)階段常見的戶外落地廣告設(shè)施，主要是雙面平面式單柱落地廣告牌，其面板結(jié)構(gòu)與立柱連接主要采用空間桁架，在強風(fēng)作用下已有大量雙面平面式單柱落地廣告牌發(fā)生倒塌，其安全性及抗震能力均不滿足要求。近幾年三面體單柱落地廣告設(shè)施開始普及，其較雙面平面式單柱落地廣告牌在各種荷載作用下受力更加復(fù)雜，因此對沿海地震區(qū)的三面體單柱落地廣告設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全及抗震分析應(yīng)更加細致準(zhǔn)確。

目前三面體單柱落地廣告設(shè)施主要是采用單角鋼焊接而成空間桁架結(jié)構(gòu)，其有重量輕，施工安裝簡便等優(yōu)點，但經(jīng)過檢測鑒定，大多數(shù)此種類型的廣告牌橫梁桁架及支撐桁架承載力均不滿足要求，柱頂水平位移也超出規(guī)范限值，其結(jié)構(gòu)整體不滿足安全及抗震要求。

針對以上情況，部分三面體單柱落地廣告設(shè)施采用圓管鋼梁構(gòu)件替代橫梁桁架及支撐桁架，且關(guān)鍵節(jié)點采用螺栓連接，其剛度較大，但同時存在重量較重，施工安裝復(fù)雜等缺點，且其傳力路線與空間桁架結(jié)構(gòu)不同，在風(fēng)及地震作用下的計算分析結(jié)果也存在較大差異。

1 工程概況

某戶外落地廣告設(shè)施為三面體單柱落地廣告牌，采用PHC管樁基礎(chǔ)，上部由圓鋼管立柱、外挑圓管鋼梁、面板支承圓管鋼梁及桁架面板組成，無相關(guān)設(shè)計資料，現(xiàn)已投入使用13年左右，整體外觀如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀整體外觀

2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢查

2.1 地基基礎(chǔ)檢查

上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移觀測結(jié)果表明現(xiàn)狀該廣告牌上部結(jié)構(gòu)最大水平位移為H/1214，未超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]的限值要求，現(xiàn)場檢查也未發(fā)現(xiàn)周邊地面出現(xiàn)因地基不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫及土體隆起等現(xiàn)象；現(xiàn)場局部開挖檢查基礎(chǔ)工作狀況，結(jié)果表明，樁基承臺尺寸為5.00m×5.00m，承臺高度為1.50m，現(xiàn)狀樁基承臺未見開裂，樁身也未見開裂；現(xiàn)狀地基基礎(chǔ)工作狀態(tài)正常。

2.2 上部結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件布置及尺寸

現(xiàn)場檢查該廣告牌上部結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件類型及布置、實測構(gòu)件截面尺寸。結(jié)果表明：該廣告牌高度約為27.00m，其中標(biāo)高24.55m以下采用直徑為2.00m圓鋼管立柱，柱底采用40根M64螺栓與承臺連接且設(shè)有厚度為20mm加勁板，在標(biāo)高24.55m至標(biāo)高27.00m段采用直徑為1.50m圓鋼管立柱；在標(biāo)高25.85m處設(shè)置3根外挑長度約為3.15m圓管鋼梁，外挑圓管鋼梁根部與圓鋼管立柱焊接，在距圓鋼管立柱1.00m處設(shè)有圓形法蘭盤，外挑圓管鋼梁端部設(shè)有3根面板支承圓管鋼梁，3根面板支承圓管鋼梁組成邊長均約為12.00m的等邊三角形；各面板支承圓管鋼梁上均焊有空間桁架結(jié)構(gòu)面板，桁架面板各構(gòu)件均采用等邊角鋼焊接而成，斜腹桿與桁架主桿件焊接處設(shè)有節(jié)點板；廣告牌各組成結(jié)構(gòu)如圖2～圖7所示，各桿件截面尺寸如表1所示。

圖2 現(xiàn)狀柱底外觀

圖3 廣告牌立面示意圖

圖4 廣告牌構(gòu)件平面示意圖(a)(單位：mm)

圖5 廣告牌構(gòu)件平面示意圖(b)

圖6 內(nèi)側(cè)桁架立面示意圖(單位mm)

圖7 外側(cè)桁架立面示意圖

桿件名稱截面尺寸(mm)圓鋼管立柱(下)圓鋼管2000×20圓鋼管立柱(上)圓鋼管1500×17外挑圓管鋼梁圓鋼管600×10面板支承圓管鋼梁圓鋼管600×10桁架主桿件-豎杠角鋼75×7桁架主桿件-水平杠角鋼75×7斜腹桿角鋼50×5聯(lián)系桿角鋼50×5固定面板附加豎杠角鋼40×4

2.3 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類及整體布置評估

根據(jù)上述檢查結(jié)果，按各種構(gòu)件的受力屬性及重要性分類，將圓鋼管立柱及外挑圓管鋼梁定義為主要受力構(gòu)件，將面板支承圓管鋼梁定義為一般受力構(gòu)件，將桁架面板定義為圍護構(gòu)件。

以上各種構(gòu)件布置合理，形成完整的體系，相較于全部采用單角鋼焊接而成空間桁架結(jié)構(gòu)，其主次構(gòu)件層次分明，各構(gòu)件傳力途徑更加清楚明確。

2.4 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接節(jié)點檢查

現(xiàn)場重點對構(gòu)件各連接節(jié)點進行檢查，結(jié)果表明各連接點焊縫飽滿，未見少焊、漏焊，經(jīng)超聲波檢測，所檢關(guān)鍵部位焊縫符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[2]規(guī)定的二級焊縫質(zhì)量等級；各螺栓連接節(jié)點亦未見明顯異常，焊縫及螺栓節(jié)點現(xiàn)狀如圖8～圖9所示。

現(xiàn)狀上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未見明顯屈曲變形，但構(gòu)件表面均存在不同程度的銹蝕，后期應(yīng)采取除銹、修復(fù)及重新涂裝等修復(fù)措施。

圖8 外挑圓管鋼梁上圓形法蘭盤

圖9 外挑圓管鋼梁端部外觀

3 結(jié)構(gòu)安全計算分析

根據(jù)現(xiàn)場實際檢測結(jié)果，采用同濟大學(xué)研發(fā)的3D3S結(jié)構(gòu)分析軟件對該廣告牌進行空間建模分析計算，模型如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)計算模型

在計算時，地面粗糙度取為B類，鋼材牌號取為Q235B，彈性模量取為2.06×105MPa，質(zhì)量密度取為7850kg/m3，且在對這種對風(fēng)荷載敏感的高聳構(gòu)筑物分析時，對風(fēng)荷載基本風(fēng)壓w0、風(fēng)振系數(shù)βz、雷諾數(shù)Re、風(fēng)荷載體形系數(shù)μs等參數(shù)更應(yīng)仔細計算分析，由于相關(guān)規(guī)范對同一參數(shù)計算均有規(guī)定，在計算分析時，可按照最新版規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行計算分析，例如風(fēng)振系數(shù)取值在《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]及新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]有不同規(guī)定，對于本落地廣告牌在計算分析時，考慮到新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]的規(guī)定是在結(jié)合近幾年的研究成果及大量工程實踐的基礎(chǔ)上對前一版規(guī)范相關(guān)規(guī)定的修改，因此按照新版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算更符合實際情況。

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)

按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.1.3條及5.1.4條規(guī)定，戶外廣告牌的使用期一般不宜超過30年，因此該廣告牌安全等級為一級，取結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)γ0=1.2。

3.2 基本風(fēng)壓

該廣告牌基本風(fēng)壓按重現(xiàn)期為30年風(fēng)壓取值，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]E.3.4條規(guī)定計算該廣告牌所處地區(qū)重現(xiàn)期為30年風(fēng)壓值得：

x30=x10+(x100-x10)(ln30/ln10-1)=0.72kN/m2

考慮到該廣告牌為對風(fēng)敏感的構(gòu)筑物，因此宜適當(dāng)加大風(fēng)荷載值，具體計算時可根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]4.2.2條規(guī)定，在承載力計算時，對基本風(fēng)壓再放大1.1倍后，可得到：

w0=1.1×0.72=0.79kN/m2

3.3 順風(fēng)向風(fēng)振及風(fēng)振系數(shù)

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]8.4.1條及8.4.3條規(guī)定，對于此基本自振周期大于0.25s的高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，計算外挑圓鋼梁標(biāo)高處風(fēng)振系數(shù)得：

3.4 橫風(fēng)向風(fēng)振

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]8.5.1條及8.5.3條規(guī)定，對該廣告牌進行橫風(fēng)向風(fēng)振校核，計算得：

臨界風(fēng)速vcr=D/(T1St)=14.71m/s

雷諾數(shù)Re=6900vcrD=2.03×106

3×105≤Re≤3.5×106，發(fā)生超臨界范圍的風(fēng)振，可不作處理。

3.5 風(fēng)荷載體形系數(shù)

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]表8.3.1項30規(guī)定，圓鋼管立柱風(fēng)荷載體形系數(shù)取為μs。

廣告牌面風(fēng)荷載體形系數(shù)按下式計算：

3.6 結(jié)構(gòu)安全荷載效應(yīng)基本組合

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]3.2.3條規(guī)定主要考察風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全情況，按下式計算結(jié)構(gòu)安全荷載效應(yīng)基本組合：

γ0S=γ0×(γGjSGjk+γQwγLwSQwk)

3.7 結(jié)構(gòu)安全承載力驗算結(jié)果(無地震作用)

經(jīng)計算可知：主要受力構(gòu)件圓鋼管立柱荷載效應(yīng)與抗力之比值為0.836，小于1.0，承載力滿足要求。

主要受力構(gòu)件外挑圓管鋼梁荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為0.438，小于1.0，承載力滿足要求。

一般受力的面板支承圓管鋼梁構(gòu)件荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為0.442，小于1.0，承載力滿足要求。

桁架面板圍護構(gòu)件荷載效應(yīng)與抗力之比最大值為1.009，略大于1.0，承載力基本滿足要求。

3.8 結(jié)構(gòu)變形驗算結(jié)果

經(jīng)計算可知：在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，該落地廣告牌結(jié)構(gòu)頂點的水平位移為83.50mm，為該點離地高度的1/323，滿足《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.4.1條1/100的變形限值要求。

經(jīng)計算可知：在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，該落地廣告牌外挑圓管鋼梁最大撓度為15.60mm，約為鋼梁跨度的1/202，滿足《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]5.4.2條1/150的撓度限值要求。

3.9 螺栓連接節(jié)點承載力驗算結(jié)果

按《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[6]3.1.1條規(guī)定，在最不利荷載組合時，法蘭盤連接螺栓接頭為承壓型連接，因此按《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]5.9.2條規(guī)定，采用承壓型高強螺栓連接計算方法確定剛性圓形法蘭盤連接螺栓最大拉力；計算得，剛性圓形法蘭盤連接螺栓彎矩和軸力產(chǎn)生的最大拉力為114.1kN。

按《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[6]4.2.5條規(guī)定，計算剪力及拉力共同作用下承壓型高強螺栓的連接承載力為：

4 結(jié)構(gòu)抗震承載力計算分析

按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]4.3.1條及4.3.2條規(guī)定，對于此廣告牌的懸臂梁結(jié)構(gòu)按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]4.3.5條計算豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。

4.1 地震荷載效應(yīng)基本組合

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8]5.4.1條按下式計算地震荷載效應(yīng)基本組合：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

式中各作用荷載分項系數(shù)按表2取用。

表2 荷載分項系數(shù)

4.2 結(jié)構(gòu)抗震承載力驗算結(jié)果

按上述四種考慮地震作用的工況進行構(gòu)件抗震承載力分析，結(jié)果可知：

主要受力構(gòu)件圓鋼管立柱，一般受力的面板支承圓管鋼梁構(gòu)件及桁架面板圍護構(gòu)件考慮地震作用后的荷載效應(yīng)與抗力之比值小于無地震作用計算結(jié)果，且均小于1.0，抗震承載力滿足要求。

主要受力構(gòu)件外挑圓管鋼梁考慮地震作用后的荷載效應(yīng)與抗力之比值最大值為0.578，明顯大于無地震作用的計算結(jié)果，且其荷載組合由工況2控制，即豎向地震作用起主導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

(1)落地廣告牌為對風(fēng)荷載敏感的高聳懸臂構(gòu)筑物，應(yīng)重視對地基基礎(chǔ)的檢查，可通過局部開挖檢查，有條件時亦可通過現(xiàn)場荷載試驗進行驗證；上部結(jié)構(gòu)檢查時，應(yīng)重點對節(jié)點及構(gòu)件現(xiàn)狀工作狀況進行檢查。

(2)上部結(jié)構(gòu)分析計算前，應(yīng)明確廣告牌的使用期、安全等級、重要性系數(shù)、基本風(fēng)壓、風(fēng)振系數(shù)、雷諾數(shù)、風(fēng)荷載體形系數(shù)等與風(fēng)荷載相關(guān)的參數(shù)，鑒于廣告牌對風(fēng)荷載敏感可考慮適當(dāng)加大風(fēng)荷載值。

(3)對構(gòu)件承載力、圓形法蘭盤螺栓節(jié)點承載力、結(jié)構(gòu)變形、懸臂梁撓度等相關(guān)指標(biāo)均應(yīng)進行計算分析，滿足結(jié)構(gòu)強度及剛度的要求。

(4)不應(yīng)忽視廣告牌的懸臂梁結(jié)構(gòu)豎向地震作用，并將其與其他荷載進行組合后進行抗震承載力分析。

(5)對類似新建的工程，可借鑒參考該工程傳力途徑的設(shè)置、在各不同受力部位構(gòu)件規(guī)格的選用及在關(guān)鍵節(jié)點處采用高強螺栓連接措施的設(shè)計思路。

參 考 文 獻

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