大型桁架式廣告牌結構安全性校核分析

萬曉鐘，徐匯賓，王 巖，周宜哲

(1.北京建工四建工程建設有限公司，北京 100075；2.中糧(北京)農業(yè)生態(tài)谷發(fā)展有限公司，北京 100000)

0 前 言

我國市場經濟繁榮發(fā)展，廣告行業(yè)隨之迅猛發(fā)展，鋼結構巨幅廣告牌日漸增多。該類結構主要承受風荷載作用，長寬方向尺寸巨大，受力面積廣，結構橫斷面方向尺寸小，基礎采取鋼混結構，搭設與安裝較為方便。然而，該類結構一旦被巨風吹倒，危害性極大，近年廣告牌傷人時間常有發(fā)生[1]。因此，鋼結構廣告牌在設計、施工、維護等方面必須引起足夠重視。

本文通過對陜西省西安市城區(qū)某桁架式鋼結構廣告牌設施進行調查分析，利用ANSYS有限元分析軟件有限元分析軟件，建立有限元模型，對該鋼結構廣告牌進行受風載荷作用下的受力仿真分析，從基礎設計、結構選型、結構設計及施工特點多方面詳細分析其受力特性，從而確定桁架式廣告牌鋼結構是否符合安全性要求，以期為同類鋼結構廣告牌設計、施工提供經驗。

1 工程概況

本工程廣告牌骨架為桁架結構，由方形鋼管焊接而成，中間跨截面為80×60×3(mm)，邊跨截面為60×3，前后架體之間腹桿通過40×40×3(mm方鋼管連接；底部通過四榀桁架進行支撐，支撐立柱上下弦采用90×90×4(mm方鋼管，腹桿采用50×50×3(mm方鋼管。本結構角焊縫均為角焊縫滿焊，焊腳高度hf=4 mm,焊縫等級為三級，鋼管端部必須采用4 mm鋼板圍焊封堵。鋼構件材質選用Q235B；焊條選用E43型。具體如圖1(a)～(c)。

(a) 正視圖

(b)背視圖

(c) 俯視圖

2 ANSYS有限元模型建模的建立

2.1 模型參數取值

模型主要參數包括單元屬性及材料參數。廣告牌桁架結構采用鋼材材料屬性如下：密度為7 800 kg/m3，彈性模量 2.06 × 105N/mm2，泊松比0.3，屈服強度 235 MPa；各方鋼管采用Beam188單元模擬；半剛性節(jié)點通過耦合重合節(jié)點 x、y、z 三 個方向自由度，彈簧單元Combin14模擬扭轉剛度來實現(xiàn)[2]；鋼管截面及厚度按照實際工況建立。

2.2 荷載及邊界條件設計

1)荷載計算。廣告牌結構主要荷載包括自重及風荷載作用；考慮到廣告牌結構主要由方鋼管組成，方鋼管的截面尺寸建模必須嚴格按照設計建模，以此施加結構自重荷載，保證計算精確性。

根據《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]相關規(guī)定，施加在戶外廣告牌上高度z處的單位面積風荷載標準值Wk應按以下公式計算：

Wk=βgzμslμzw0

式中，Wk為風荷載標準值，kN/m3;w0為基本風壓，陜西省西安市10年一遇的風壓為0.25 kN/m2,其中50年一遇的基本風壓為0.35 kN/m2，計算取值0.35 kN/m2；βgz為高度z處的陣風系數，根據規(guī)范本計算不考慮風振系數；μsl為風荷載局部體型系數，按照獨立墻體和圍墻進行計算取1.3；μz為風壓高度變化系數，經查表計算取值0.65進行計算。

經過計算得，風荷載標準值為：

Wk=1.3×0.35×0.65=0.295kN/m2

對平面進行迎風面受力荷載計算，將所受風載等效為節(jié)點力，計算如下：

Fk=3.0(跨度)×9.5(高度)×0.295/7(受力點)=1.2kN

同理，兩側懸挑部位，節(jié)點荷載為：

Fk=2.0×9.5×0.295/7=0.8kN

為使計算結果保守，加載風荷載時，使風荷載垂直作用于受力面板。

2)邊界條件。鋼結構廣告牌底部四榀桁架立柱為約束點，考慮三向約束，對于轉動約束完全釋放。

2.3 建立ANSYS有限元模型

計算模型嚴格按照實際尺寸進行建模，并施加計算得到的節(jié)點風荷載及自重，施加邊界條件，計算模型如圖2所示。

圖2 桁架式廣告牌ANSYS計算模型

3 計算結果與分析

通過ANSYS有限元軟件得到的有限元計算結果，變形結果如圖3所示,其應力結果如圖4～6所示。

3.1 變形分析

由圖3可知，廣告牌頂部結構最大位移為66 mm，結構搭設總高度為13 m，可知廣告牌位移角為1/200，總體變形較小，可滿足廣告牌安全及使用要求。

同時，考慮到廣告牌最大變形部位在頂端，可采取適當加固措施，減小廣告牌頂端變形，進一步加大結構安全系數。

3.2 應力分析

由圖4～6通過分析結果可知，在考慮最不利荷載的情況下，結構最大內力大小為135 MPa?？紤]到廣告牌架體整體采用Q235型號鋼管，其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為均為205 MPa，計算結果小于材料Q235鋼管，因此該設計方案可滿足強度要求，結構安全。

圖3 水平方向位移

圖4 第一主應力計算結果

圖5 第三主應力計算結果

圖6 Misess屈服應力計算結果

3.3 抗傾覆分析

通過ANSYS提取計算結果可知，廣告牌水平方向總剪力為59 500 N，最大彎矩為1.33×107N·M。

則通過ANSYS計算得到最不利工況下的水平剪力為：

由于廣告牌受5根豎向桁架受力，則可知每個柱腳受到的剪力和彎矩為：

于是可知抗傾覆系數為：

故抗傾覆計算滿足要求。

3.4 基礎強度驗算分析

基礎底部最不利處位置的應力為[4]：

由豎向力產生的應力：

由土體產生的應力：

則總應力大小為：

本桁架式廣告牌基礎采用混凝土基礎，混凝土設計強度為C25，其故基礎強度滿足要求。

4 結 語

本文利用ANSYS有限元分析軟件對大型桁架式鋼結構受力狀況進行分析，對該結構可以得出以下幾點結論。

1)可采用原定設計方案進行該桁架式廣告牌施工，該種工況下鋼結構最大位移和應力值均小于允許值；結構抗傾覆能力及基礎設計均可達到規(guī)范要求；本桁架式廣告牌整體安全性滿足規(guī)范要求。

2)經結構計算，廣告牌最大變形部位位于廣告牌頂端，可采取適當加固措施，減小廣告牌頂端變形，進一步加大結構安全系數。

3)可利用ANSYS有限元分析軟件進行大型桁架式廣告牌的安全性分析，通過數值模擬計算得到的結果和結論可為結構的安全評估提供有益參考。

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