三面體單柱落地廣告設施結構安全及抗震分析

劉文彬

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

0 引言

戶外廣告設施主要用于商業用途，其一般布置在人流量較大、人口較密集的區域或交通要道的兩側。其結構形式有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構、立柱和基礎組成，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，屬于對風荷載敏感的高聳懸臂構筑物。

現階段常見的戶外落地廣告設施，主要是雙面平面式單柱落地廣告牌，其面板結構與立柱連接主要采用空間桁架，在強風作用下已有大量雙面平面式單柱落地廣告牌發生倒塌，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雜，因此對沿海地震區的三面體單柱落地廣告設施的結構安全及抗震分析應更加細致準確。

目前三面體單柱落地廣告設施主要是采用單角鋼焊接而成空間桁架結構，其有重量輕，施工安裝簡便等優點，但經過檢測鑒定，大多數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范限值，其結構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施采用圓管鋼梁構件替代橫梁桁架及支撐桁架，且關鍵節點采用螺栓連接，其剛度較大，但同時存在重量較重，施工安裝復雜等缺點，且其傳力路線與空間桁架結構不同，在風及地震作用下的計算分析結果也存在較大差異。

1 工程概況

某戶外落地廣告設施為三面體單柱落地廣告牌，采用PHC管樁基礎，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，無相關設計資料，現已投入使用13年左右，整體外觀如圖1所示。

圖1 現狀整體外觀

2 結構現狀檢查

2.1 地基基礎檢查

上部結構側向位移觀測結果表明現狀該廣告牌上部結構最大水平位移為H/1214，未超出《民用建筑可靠性鑒定標準》[1]的限值要求，現場檢查也未發現周邊地面出現因地基不均勻沉降產生的裂縫及土體隆起等現象；現場局部開挖檢查基礎工作狀況，結果表明，樁基承臺尺寸為5.00m×5.00m，承臺高度為1.50m，現狀樁基承臺未見開裂，樁身也未見開裂；現狀地基基礎工作狀態正常。

2.2 上部結構形式、構件布置及尺寸

現場檢查該廣告牌上部結構形式、構件類型及布置、實測構件截面尺寸。結果表明：該廣告牌高度約為27.00m，其中標高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有厚度為20mm加勁板，在標高24.55m至標高27.00m段采用直徑為1.50m圓鋼管立柱；在標高25.85m處設置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處設有圓形法蘭盤，外挑圓管鋼梁端部設有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構面板，桁架面板各構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有節點板；廣告牌各組成結構如圖2～圖7所示，各桿件截面尺寸如表1所示。

圖2 現狀柱底外觀

圖3 廣告牌立面示意圖

圖4 廣告牌構件平面示意圖(a)(單位：mm)

圖5 廣告牌構件平面示意圖(b)

圖6 內側桁架立面示意圖(單位mm)

圖7 外側桁架立面示意圖

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聯系桿角鋼50×5固定面板附加豎杠角鋼40×4

2.3 上部結構構件分類及整體布置評估

根據上述檢查結果，按各種構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件，將面板支承圓管鋼梁定義為一般受力構件，將桁架面板定義為圍護構件。

以上各種構件布置合理，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構，其主次構件層次分明，各構件傳力途徑更加清楚明確。

2.4 上部結構構件及連接節點檢查

現場重點對構件各連接節點進行檢查，結果表明各連接點焊縫飽滿，未見少焊、漏焊，經超聲波檢測，所檢關鍵部位焊縫符合《鋼結構工程施工質量驗收規范》[2]規定的二級焊縫質量等級；各螺栓連接節點亦未見明顯異常，焊縫及螺栓節點現狀如圖8～圖9所示。

現狀上部結構構件未見明顯屈曲變形，但構件表面均存在不同程度的銹蝕，后期應采取除銹、修復及重新涂裝等修復措施。

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 結構安全計算分析

根據現場實際檢測結果，采用同濟大學研發的3D3S結構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 結構計算模型

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，質量密度取為7850kg/m3，且在對這種對風荷載敏感的高聳構筑物分析時，對風荷載基本風壓w0、風振系數βz、雷諾數Re、風荷載體形系數μs等參數更應仔細計算分析，由于相關規范對同一參數計算均有規定，在計算分析時，可按照最新版規范標準的規定進行計算分析，例如風振系數取值在《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]及新版《建筑結構荷載規范》[4]有不同規定，對于本落地廣告牌在計算分析時，考慮到新版《建筑結構荷載規范》[4]的規定是在結合近幾年的研究成果及大量工程實踐的基礎上對前一版規范相關規定的修改，因此按照新版《建筑結構荷載規范》計算更符合實際情況。

3.1 結構構件重要性系數

按《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]5.1.3條及5.1.4條規定，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，取結構構件重要性系數γ0=1.2。

3.2 基本風壓

該廣告牌基本風壓按重現期為30年風壓取值，按《建筑結構荷載規范》[4]E.3.4條規定計算該廣告牌所處地區重現期為30年風壓值得：

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

考慮到該廣告牌為對風敏感的構筑物，因此宜適當加大風荷載值，具體計算時可根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[5]4.2.2條規定，在承載力計算時，對基本風壓再放大1.1倍后，可得到：

w0=1.1×0.72=0.79kN/m2

3.3 順風向風振及風振系數

按《建筑結構荷載規范》[4]8.4.1條及8.4.3條規定，對于此基本自振周期大于0.25s的高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響，計算外挑圓鋼梁標高處風振系數得：

3.4 橫風向風振

按《建筑結構荷載規范》[4]8.5.1條及8.5.3條規定，對該廣告牌進行橫風向風振校核，計算得：

臨界風速vcr=D/(T1St)=14.71m/s

雷諾數Re=6900vcrD=2.03×106

3×105≤Re≤3.5×106，發生超臨界范圍的風振，可不作處理。

3.5 風荷載體形系數

按《建筑結構荷載規范》[4]表8.3.1項30規定，圓鋼管立柱風荷載體形系數取為μs。

廣告牌面風荷載體形系數按下式計算：

3.6 結構安全荷載效應基本組合

根據《建筑結構荷載規范》[4]3.2.3條規定主要考察風荷載作用下結構安全情況，按下式計算結構安全荷載效應基本組合：

γ0S=γ0×(γGjSGjk+γQwγLwSQwk)

3.7 結構安全承載力驗算結果(無地震作用)

經計算可知：主要受力構件圓鋼管立柱荷載效應與抗力之比值為0.836，小于1.0，承載力滿足要求。

主要受力構件外挑圓管鋼梁荷載效應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件荷載效應與抗力之比最大值為0.442，小于1.0，承載力滿足要求。

桁架面板圍護構件荷載效應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 結構變形驗算結果

經計算可知：在風荷載標準值作用下，該落地廣告牌結構頂點的水平位移為83.50mm，為該點離地高度的1/323，滿足《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]5.4.1條1/100的變形限值要求。

經計算可知：在風荷載標準值作用下，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《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]5.4.2條1/150的撓度限值要求。

3.9 螺栓連接節點承載力驗算結果

按《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[6]3.1.1條規定，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《高聳結構設計規范》[7]5.9.2條規定，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生的最大拉力為114.1kN。

按《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[6]4.2.5條規定，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 結構抗震承載力計算分析

按《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]4.3.1條及4.3.2條規定，對于此廣告牌的懸臂梁結構按《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[3]4.3.5條計算豎向地震作用標準值。

4.1 地震荷載效應基本組合

根據《建筑抗震設計規范》[8]5.4.1條按下式計算地震荷載效應基本組合：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

式中各作用荷載分項系數按表2取用。

表2 荷載分項系數

4.2 結構抗震承載力驗算結果

按上述四種考慮地震作用的工況進行構件抗震承載力分析，結果可知：

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

主要受力構件外挑圓管鋼梁考慮地震作用后的荷載效應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果，且其荷載組合由工況2控制，即豎向地震作用起主導作用。

5 結論

(1)落地廣告牌為對風荷載敏感的高聳懸臂構筑物，應重視對地基基礎的檢查，可通過局部開挖檢查，有條件時亦可通過現場荷載試驗進行驗證；上部結構檢查時，應重點對節點及構件現狀工作狀況進行檢查。

(2)上部結構分析計算前，應明確廣告牌的使用期、安全等級、重要性系數、基本風壓、風振系數、雷諾數、風荷載體形系數等與風荷載相關的參數，鑒于廣告牌對風荷載敏感可考慮適當加大風荷載值。

(3)對構件承載力、圓形法蘭盤螺栓節點承載力、結構變形、懸臂梁撓度等相關指標均應進行計算分析，滿足結構強度及剛度的要求。

(4)不應忽視廣告牌的懸臂梁結構豎向地震作用，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置、在各不同受力部位構件規格的選用及在關鍵節點處采用高強螺栓連接措施的設計思路。

參 考 文 獻

[1] GB50292-2015 民用建筑可靠性鑒定標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2] GB50205-2001 鋼結構工程施工質量驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[3] CECS148：2003 戶外廣告設施鋼結構技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4] GB50009-2012 建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] JGJ 82-2011 鋼結構高強度螺栓連接技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] GB50135-2006 高聳結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[8] GB50011-2010 建筑抗震設計規范 (2016年版) [S].北京：中國建筑工業出版社，2016.