鋼結(jié)構(gòu)燈桿加固技術(shù)及安全性分析

金春峰 田 崗 方順女 張海軍 段艷芳 袁偉衡

(中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司，北京 100142)

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市道路公共照明系統(tǒng)也隨之快速發(fā)展和完善，鋼結(jié)構(gòu)形式的道路燈桿得到大量應(yīng)用，成為城市市政重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅北京市地區(qū)就大約有22萬(wàn)根道路燈桿，廣泛分布于北京市各個(gè)轄區(qū)的道路、立交橋、小區(qū)、學(xué)校、公園和景區(qū)等公共區(qū)域。由于鋼結(jié)構(gòu)燈桿長(zhǎng)期暴露于室外大氣環(huán)境中，常常會(huì)受到風(fēng)、雨、雪、高溫和嚴(yán)寒等不利天氣的影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)燈桿隨著使用年限的增長(zhǎng)不斷產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，對(duì)道路鋼結(jié)構(gòu)燈桿的使用安全造成嚴(yán)重影響。而目前，鮮有針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)燈桿的加固設(shè)計(jì)研究，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)燈桿安全治理工作不甚合理，且主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)工程上對(duì)于一些發(fā)生銹蝕的鋼結(jié)構(gòu)燈桿，多以整根替換的方式來(lái)消除安全隱患，而這種方式常會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。

2)現(xiàn)階段針對(duì)道路鋼結(jié)構(gòu)燈桿的加固設(shè)計(jì)還不太系統(tǒng)，有些加固設(shè)計(jì)不是過(guò)于粗糙，就是過(guò)于繁雜，導(dǎo)致加固效果不太理想，加固效率較低。

3)在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)燈桿進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，往往對(duì)水的影響不夠重視，即缺少對(duì)原燈桿結(jié)構(gòu)和加固裝置的防隔水設(shè)計(jì)，致使加固后燈桿短期再次發(fā)生銹蝕。

因此，如何有效地對(duì)銹蝕燈桿進(jìn)行加固治理，盡可能降低由此產(chǎn)生的損失與風(fēng)險(xiǎn)，更好地為城市居民提供安全便利的生活環(huán)境，已然成為城市建設(shè)者亟需解決的城市公共安全問(wèn)題。

2 燈桿病害形式

通過(guò)對(duì)北京市地區(qū)道路燈桿現(xiàn)狀的實(shí)地調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)，北京市道路燈桿結(jié)構(gòu)的破壞或病害形式主要表現(xiàn)為：傾倒、傾斜、主體結(jié)構(gòu)以及連接構(gòu)件銹蝕等。其中，以道路燈桿主體結(jié)構(gòu)及連接構(gòu)件銹蝕病害最為常見(jiàn)(如圖1～圖4所示)，約占道路燈桿病害形式的90%以上，且道路燈桿的這種銹蝕現(xiàn)象主要分布于桿體根部，尤其是在燈桿結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或土體的接觸部位，表現(xiàn)最為明顯。這主要是由于該部位不利于水的及時(shí)排出，且時(shí)常埋在土中，而土中一般又大多含有水分，使得燈桿根部周邊環(huán)境長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，致使燈桿根部銹蝕現(xiàn)象發(fā)生的概率相對(duì)較大，銹蝕程度與其他部位相比起來(lái)也相對(duì)較為嚴(yán)重。

3 燈桿加固方法

3.1 加固裝置

鑒于道路燈桿結(jié)構(gòu)的破壞多發(fā)生于根部，且呈環(huán)狀，本文提出一種道路鋼燈桿根部加固技術(shù)——環(huán)形套筒加固，該加固裝置主要包括加固套筒、肋板螺栓、底板螺栓和隔水套，如圖5所示。

3.2 適用范圍

本加固方法主要適用于對(duì)根部嚴(yán)重銹蝕型或銹斷型圓型燈桿的加固，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)道路鋼結(jié)構(gòu)圓型燈桿使用壽命的延續(xù)，一定程度上避免了整個(gè)替換帶來(lái)的資源浪費(fèi)。

3.3 加固步驟

針對(duì)根部嚴(yán)重銹蝕型或銹斷型鋼結(jié)構(gòu)圓型燈桿的加固，其加固流程為：

1)先對(duì)原燈桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)固定，拆卸底板螺栓，保留螺桿，去除多余的底板和肋板，環(huán)切根部銹蝕區(qū)域，并對(duì)待加固區(qū)域進(jìn)行清潔處理；

2)將結(jié)構(gòu)膠涂抹在燈桿待加固區(qū)和套筒內(nèi)側(cè)[2]，使燈桿與加固套筒緊緊貼合在一起，同時(shí)擰緊側(cè)固肋板處的緊固螺栓；

3)待燈桿與加固套筒成為一個(gè)整體后，將燈桿與加固套筒置于燈桿基礎(chǔ)上，擰緊底板螺栓；

4)粘貼隔水套，并對(duì)燈桿和加固裝置進(jìn)行必要的防腐處理。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

本文以北京城市道路某處的10 m燈桿為例，該10 m燈桿的桿身為圓錐形，材質(zhì)為Q235優(yōu)質(zhì)鋼，壁厚4 mm，外表面采用電鍍鋅進(jìn)行防腐處理，燈桿根部采用焊接與法蘭底板連接，燈桿上部采用單向懸挑結(jié)構(gòu)，用以懸掛燈頭設(shè)備，如圖6所示。目前，該燈桿現(xiàn)狀為：桿體根部腐蝕嚴(yán)重，且呈環(huán)形銹蝕狀態(tài)(如圖7所示)，嚴(yán)重影響到燈桿自身的安全使用，長(zhǎng)此以往燈桿在外力作用下有發(fā)生整體傾倒的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 加固裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)上述燈桿的病害形式，對(duì)其采用環(huán)形套筒進(jìn)行加固，套筒由兩片半圓形筒體組成，且半圓套筒下部設(shè)有底板，兩側(cè)外部有側(cè)固肋板，中間外部有中間肋板。其中，兩側(cè)固肋板各設(shè)有三個(gè)螺栓孔洞，兩底板各設(shè)有兩個(gè)螺栓孔洞。加固裝置設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖8。

4.3 基于有限元法的安全論證[3，4]

4.3.1模型及材料參數(shù)

根據(jù)燈桿、加固裝置以及連接螺栓的材料特征和尺寸形式，建立燈桿加固三維有限元模型(見(jiàn)圖9)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型及材料參數(shù)

4.3.2荷載及邊界設(shè)置

本計(jì)算模型所受荷載主要為結(jié)構(gòu)自重(永久荷載)與外界風(fēng)荷載(可變荷載)，自重又包括燈桿自重、加固裝置自重以及燈頭自重，風(fēng)荷載又包括燈桿所受風(fēng)載、加固裝置所受風(fēng)載以及燈頭所受風(fēng)載，具體如表2所示。其中，燈桿和加固裝置自重以慣性力形式施加；燈桿和加固裝置所受風(fēng)荷載以均布荷載形式施加；燈頭自重和燈頭所受風(fēng)荷載以集中力形式施加。本模型與基礎(chǔ)接觸的底板采用僅受壓彈性支撐，而伸入基礎(chǔ)的螺栓采用固定支撐，套筒與燈桿之間采用焊接接觸，側(cè)固肋板和底板與螺栓之間、側(cè)固肋板之間采用摩擦接觸。

表2 標(biāo)準(zhǔn)荷載設(shè)置參數(shù)

模擬結(jié)果分析如下。

根據(jù)GB 50068—2018工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求，對(duì)燈桿加固模型采用設(shè)計(jì)荷載(1.3×永久荷載+1.5×可變荷載)進(jìn)行計(jì)算，求得燈桿加固結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果，如表3所示。燈桿懸挑方向根部結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)圖10，圖11。

表3 有限元模擬結(jié)果

由表3和圖10,圖11可以看出，利用本文加固裝置對(duì)燈桿加固后，燈桿、套筒、肋板螺栓及底板螺栓等結(jié)構(gòu)均能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，即滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性。其中，當(dāng)風(fēng)向沿?zé)魲U懸挑方向時(shí)，在整體結(jié)構(gòu)中燈桿所受應(yīng)力最大，最大值位于燈桿洞口處，達(dá)207.0 MPa，低于燈桿屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；當(dāng)風(fēng)向垂直燈桿懸挑方向時(shí)，在整體結(jié)構(gòu)中底板螺栓所受應(yīng)力最大，最大值位于迎風(fēng)側(cè)底板螺栓與底板交界處，達(dá)223.4 MPa，低于螺栓屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

此外，不論風(fēng)向沿?zé)魲U懸挑方向，還是垂直燈桿懸挑方向，肋板螺栓所受最大應(yīng)力在整體結(jié)構(gòu)中均為最小，處于11.54 MPa～23.46 MPa之間。因此，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求下，肋板螺栓可適當(dāng)考慮選擇低強(qiáng)度螺栓。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)道路燈桿常見(jiàn)的根部環(huán)形銹蝕病害形式，提出了一種適用于燈桿根部銹蝕損傷的加固技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)燈桿根部的加固，實(shí)現(xiàn)燈桿結(jié)構(gòu)的再利用。同時(shí)，文章以常見(jiàn)的10 m道路燈桿為例，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)研究，并利用有限元手段驗(yàn)證了加固裝置的有效性，即加固后能夠滿(mǎn)足燈桿的使用安全。

此外，考慮到目前燈桿結(jié)構(gòu)還肩負(fù)著除照明外的其他功能，其上附加有道路指示牌、旗幟、中國(guó)結(jié)、燈籠、設(shè)備箱、各類(lèi)攝像頭等，一定程度上也增加了道路燈桿所受到的外部荷載，對(duì)道路燈桿結(jié)構(gòu)的安全使用產(chǎn)生了不利影響。因此，本文建議在加強(qiáng)燈桿檢測(cè)評(píng)定工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)燈桿時(shí)還要充分考慮燈桿的可能用途，適當(dāng)提高燈桿鋼材的強(qiáng)度等級(jí)。