高速公路樞紐設置擎天柱廣告牌安全性分析

王 楓

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前山西省高速公路路側非公路交通標志牌已全部拆除，下一步將統一規劃、統一設置、統一管理。但指導類文件較少，僅有《山西省人民政府辦公廳關于印發山西省公路沿線非公路交通標志設置管理辦法》及剛頒布的《山西省高速公路非公路標志牌管理辦法》作為指導文件，且對高速公路沿線設置非公路交通標志牌缺乏具體量化指標及安全性具體要求[2]。

高速公路沿線非公路交通標志牌有單柱雙面式擎天柱、單柱三面式擎天柱、單柱四面式擎天柱、跨線橋廣告牌等結構型式[3]。高速公路樞紐內廣告牌結構因其緊鄰高速公路，設置位置不合理、設計施工存在問題、后期管理不善、廣告牌數量過多等原因都會嚴重影響高速公路的正常運營，甚至會造成交通事故危及往來駕乘人員生命安全。故有必要對高速公路沿線廣告牌設置位置、結構尺寸、力學效應進行安全性分析，使增設在高速公路沿線的廣告牌布局合理、結構安全，充分發揮廣告牌對高速公路品質的提升作用。

1 工程概況

陵侯高速公路位于山西省晉城市境內，是山西省高速公路網的重要組成部分。陵侯高速常樂樞紐位于山西晉城市河西鎮常樂村，晉城市政府為宣傳當地轉型跨越發展主題、積極弘揚當地文化，擴大影響力，帶動當地經濟發展，向山西交控集團提出申請，擬在陵侯高速常樂樞紐高平方向主線右側環島處設置一處單柱四面式擎天柱非公路交通標志牌。

單柱四面式擎天柱廣告牌結構地面以上采用鋼結構形式，由面板、骨架、步道及立柱構成[4]。立柱長度為17.31 m，立柱采用Φ1 800×14 mm的鋼結構形式，鋼材采用Q235；面板四面尺寸均為長×高為20 m×6 m，標志牌面板上緣距地面高度為18 m，牌面龍骨及連接采用角鋼和槽鋼，鋼材采用Q235；承臺采用4.2 m×4.2 m×2.4 m的矩形承臺，下部基礎采用2 m×2 m×10 m的鋼筋混凝土樁基礎，C20混凝土澆筑。廣告牌設置位置見圖1。

圖1 廣告牌設置位置（單位：m）

2 行政審批依據

高速公路樞紐內設置擎天柱廣告牌行政審批的相關法律依據有《公路法》《中華人民共和國道路交通安全法》《公路安全保護條例》《山西省高速公路非公路標志牌管理辦法》等。

《公路法》第五十四條：“任何單位和個人未經縣級以上地方人民政府交通主管部門批準，不得在公路用地范圍內設置公路標志以外的其他標志。”

《中華人民共和國道路交通安全法》第三十二條：“因工程建設需要占用、挖掘道路，或者跨越、穿越道路架設、增設管線設施，應當事先征得道路主管部門的同意；影響交通安全的，還應當征得公安機關交通管理部門的同意。”

《公路安全保護條例》第十三條：“在公路建筑控制區內，除公路保護需要外，禁止修建建筑物和地面構筑物。”

由表4可以看出,其特征值數量級在103，由于初始施加面載荷為1.5 MPa，屈曲載荷是初始載荷與屈曲特征值的乘積，顯然得出其第一階屈曲載荷的數量級同樣在103，推力桿使用過程中載荷多數情況下在數量級102范圍內，較少能達到屈曲載荷的數量級，可見該結構斷裂失效為主要問題，失穩問題發生較少。實際零件只有少量出現結構彎曲嚴重問題，大量失效為推力桿部件斷裂，這與計算結果吻合。

《山西省高速公路非公路標志牌管理辦法》第八條：“申請設置非公路標志，應當符合設置規劃，取得設置許可后，方可組織實施。未經許可不得設置非公路標志。”

高速公路樞紐內用地屬于公路建設用地，前期已經征用，不存在征地困難，但在樞紐內設置四面式擎天柱廣告牌需向公路管理機構提出申請，進行行政審批登記并取得行政許可。

3 廣告牌安全性分析

3.1 高度要求評價

四面式擎天柱廣告牌的最大高度，目前尚無相關法規及標準給出定量指標。但從《戶外鋼結構獨立柱廣告牌圖集》07SG526可知，廣告牌最大設置高度為21 m，且經查閱相關文獻可知，廣告牌下緣距地面高度應大于等于10 m[5]。

該項目四面式廣告牌立柱長度為17.31 m，廣告牌面板上緣距地面高度為18 m，廣告牌面板下緣距地面高度為12 m，符合相關規定。

3.2 位置要求評價

四面式擎天柱廣告牌立柱位置至高速公路路基邊緣的垂直距離，目前尚無相關法規及標準給出定量指標。但國內學者已做了大量的理論計算、數值模擬、統計工作，經查閱相關文獻并總結現有研究成果可知，從車輛行駛安全性考慮，廣告牌立柱位置距路基邊緣最佳距離為4.8 m，對駕駛人員干擾最小；從廣告牌設置的經濟性考慮，廣告牌立柱位置距路基邊緣最佳距離為10 m[5]；從其他省份相關地標可知，廣告牌豎向投影線應位于公路路肩邊線之外，其任何部位不得侵入公路路面之上，且傾覆狀態下不得損壞公路主體及附屬設施，兼顧經濟性廣告牌立柱距路基坡腳線距離應大于等于廣告牌斜長的1.3倍[6]，廣告牌斜長見圖2。

圖2 廣告牌斜長示意圖（單位：m）

該項目四面式廣告牌立柱長度為17.31 m，廣告牌面板尺寸長×高為20 m×6 m，廣告牌面板上緣距地面高度為18 m，廣告牌面板下緣距地面高度為12 m，廣告牌斜長為20.59 m。立柱中心距高速公路主線及匝道路基坡腳線距離為30 m，滿足上述要求的最小距離。該項目設置的廣告牌未處于急彎、陡坡、連續長下坡、河道、橋梁、隧道、高壓線[7]等交通事故易發路段，未對公路邊坡、排水設施等功能造成不利影響，符合相關規定。

3.3 間距要求評價

《城市戶外廣告設施技術規范》（CJJ 149—2010）規定：“高速公路任意兩個大型高立柱戶外廣告設施的最小間距為500 m”。

該項目陵侯高速公路常樂樞紐內僅設一處擎天柱廣告牌，且樞紐處前后5 km范圍內目前尚無既有大型高立柱戶外廣告設施，符合相關規定。

3.4 構造要求評價

《戶外廣告設施鋼結構技術規程》（CECS 148—2003）規定了鋼結構廣告牌構件的構造要求，該項目鋼結構廣告牌的型鋼構件、連接螺栓、法拉盤及加勁肋等構造均符合相關規定。

4 四面式擎天柱廣告牌有限元數值分析

4.1 有限元模型概況

四面式擎天柱廣告牌結構的自重集中于結構頂部，面板主要承受風荷載作用，其受力特性決定了該結構是典型的高聳風敏感結構，在有限元數值分析計算中，風荷載的取值是進行受力計算的關鍵。本文通過Midas Civil[8]有限元分析軟件建立三維空間模型，模型共2 105個節點，2 868個單元。廣告牌立柱、樁基、骨架等結構均采用梁單元模擬[9]，所有節點均考慮剛性連接，并在樁基單元下部節點施加固定約束[10]。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

4.2 荷載的確定及本構模型

四面式擎天柱結構是平面對稱結構，考慮風荷載主方向和廣告牌面板成45°和90°[11]兩種工況，且不計入豎向及水平向地震荷載、雪荷載及其他活荷載。

作用在圍護結構上的風荷載標準值可依據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）8.1.1條計算，見式（1）。

廣告牌處地面粗糙類別為B類，βgz為陣風系數，地面高度18 m時βgz取1.642；μs為局部風壓體型系數，對于廣告牌結構，取μs=1.3；μz為風壓高度變化系數，地面高度18 m時μz取1.19；w0為基本風壓，kN/m2，山西晉城市高平市河西鎮常樂村w0=0.6 kN/m2；故Wk=1.642×1.3×1.19×0.6=1.524 kN/m2。廣告牌鋼構件的物理力學計算參數見表1。

表1 物理力學計算參數

4.3 廣告牌結構頂點水平位移驗算

依據《戶外廣告設施鋼結構技術規程》（CECS 148—2003）第5.4條：風荷載作用下廣告牌鋼結構牌面上緣水平位移不應超過該點離地高度的1/100，牌面上緣離地高度為18 m，水平位移限值為18 m×1/100=18 cm。由有限元分析可知，最不利工況下廣告牌結構的最大水平位移位于結構上緣頂點處，最大水平位移值為14.2 cm，廣告牌鋼結構頂點水平方向位移滿足規范要求。鋼結構水平位移見圖4。

圖4 鋼結構水平位移圖

4.4 廣告牌鋼結構應力驗算

由有限元分析可知，最不利工況下廣告牌結構鋼骨架、立柱最大應力為125.36 MPa，最大應力小于Q235鋼材強度設計值fd=190 MPa，故廣告牌結構鋼骨架、立柱的應力滿足規范要求。鋼結構應力見圖5。

圖5 鋼結構應力圖

5 結語

本文對高速公路樞紐內四面式擎天柱廣告牌的設置依據、要求進行了論述，并對其力學性能進行了受力分析，提出了樞紐范圍設置擎天柱廣告牌的安全性分析方法。

高速公路沿線廣告設施的安全要從規劃、勘察設計、行政審批、施工、監理、檢驗等多個環節進行風險控制。單柱四面式擎天柱鋼結構廣告牌在風荷載作用下的結構頂點水平位移及應力尤為關鍵，本文在數值分析計算時，未考慮樁-土的相互作用，使得廣告牌結構的整體剛度較實際略大，除此，鋼構件之間的連接全部按固結考慮，未考慮鋼構件間焊縫的實際焊接情況，這是下一步此類工程數值分析的研究方向。