戶外廣告、招牌檢測中單角鋼焊接桁架的計算分析與評定

孫啟程

上海市建設(shè)機械檢測中心有限公司 上海 200137

近年來，為加強戶外廣告及戶外招牌的設(shè)置管理、維護市容環(huán)境整潔有序、保障城市公共安全，上海市出臺了相關(guān)的法規(guī)（上海市人民政府第41號令），并配套有設(shè)置規(guī)范、檢測規(guī)范，規(guī)定了戶外廣告、戶外招牌在設(shè)置滿兩年后，應(yīng)每年委托有資質(zhì)的檢測單位進行安全檢測。

DB31/283—2015《戶外廣告設(shè)施設(shè)置技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“廣告規(guī)范”）、DB31/T 977—2016《戶外招牌設(shè)置技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“招牌規(guī)范”），在這2本上海市地方標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定了戶外廣告、招牌的檢測分項中應(yīng)包含結(jié)構(gòu)復(fù)核內(nèi)容（如結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性以及節(jié)點承載力、基礎(chǔ)抗傾覆性和錨栓強度等），且在以下情況時必須進行結(jié)構(gòu)復(fù)核：未提供結(jié)構(gòu)設(shè)計資料；既有結(jié)構(gòu)與設(shè)計資料不相符；受力構(gòu)件被腐蝕后的壁厚不符合設(shè)計要求；對結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的安全存在疑義。

單角鋼焊接而成的輕型桁架，是戶外廣告、戶外招牌設(shè)置中最常見的結(jié)構(gòu)類型。單角鋼因其受力良好、加工簡便、價格便宜等優(yōu)點，在廣告、招牌行業(yè)中被大量使用，但由于缺少資質(zhì)單位設(shè)計、施工人員水平不高、經(jīng)費有限等客觀因素，導(dǎo)致廣告招牌的桁架大多不能按照規(guī)范要求制作。單角鋼輕型桁架節(jié)點大多為直接搭接，不設(shè)節(jié)點板，且多數(shù)未沿角鋼全截面滿焊，這給檢測工作及安全評定帶來一定難度。有限元分析軟件的運用，大大減輕了檢測人員在戶外廣告、招牌檢測中關(guān)于結(jié)構(gòu)計算方面的工作量；然而軟件主要用于桁架整體的建模計算，節(jié)點的有限元分析難度相對較大且耗時較多。現(xiàn)實中戶外廣告和招牌桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接，往往不能滿足規(guī)范和圖集要求的構(gòu)造措施，僅僅是針對桁架整體建模得出的桿件有限元分析結(jié)果，并不能完全真實地反映節(jié)點的承載力。本文旨在運用分析軟件與手算相結(jié)合的方法，為戶外廣告、招牌檢測中的結(jié)構(gòu)復(fù)核及其評定提供一種可行的方法。

1 研究方法

選取一塊結(jié)構(gòu)形式為單角鋼焊接的戶外廣告（節(jié)點采用無節(jié)點板搭接連接），用有限元分析軟件SAP 2000進行建模計算。在得出桿件的有限元分析結(jié)果后，提取受力較大的桿件的內(nèi)力，進一步做桁架節(jié)點焊縫的受力分析。

1.1 桁架結(jié)構(gòu)信息

該戶外廣告（圖1）位于上海市區(qū)內(nèi)某地，屬輕型桁架結(jié)構(gòu)，節(jié)點均為搭接焊接；桁架結(jié)構(gòu)總長40 m、高6 m、底標(biāo)高約20 m（僅有橫向桁架，縱向僅設(shè)系桿連接）；單榀桁架的節(jié)間距為1 m、弦高0.6 m；桁架的縱向間距為2 m，每間隔1榀桁架設(shè)置1組支座（每組支座分為3個固定點，分別位于單榀桁架的上下端和中間位置）；桁架的弦桿截面為∠63 mm×6 mm，直腹桿、斜腹桿及縱向連系桿截面均為∠50 mm×5 mm；型材材質(zhì)均為Q235；各桿件長細比均滿足廣告規(guī)范與招牌規(guī)范的要求。

圖1 戶外廣告實景

1.2 荷載信息

1）恒載。鋼材容重采用7.85 kN/m3，考慮廣告布、電器件等，乘以1.2的放大系數(shù)，此荷載由程序自動計算。

2）風(fēng)荷載。上海地區(qū)基本風(fēng)壓ω0＝0.55 kPa，地面粗糙度取C類，計算高度取至桁架中部，即23 m；根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，該戶外廣告結(jié)構(gòu)附著于建筑物外墻上，可按圍護結(jié)構(gòu)計算，風(fēng)荷載的各項系數(shù)取值為：陣風(fēng)系數(shù)βgz＝1.96，高度系數(shù)μz＝0.78，體型系數(shù)μs＝－2.0，風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值ωk＝ω0βgzμzμs＝－1.69 kPa。

3）活荷載。戶外廣告實際活荷載較小，按經(jīng)驗可取0.3 kPa。

4）地震荷載。結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕（不到樓層質(zhì)量的5%），對大樓主結(jié)構(gòu)的周期無影響，按廣告規(guī)范的規(guī)定無需考慮抗震。

1.3 計算模型的建立

依據(jù)文獻[2]的結(jié)論及GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第7.6.1條的規(guī)定，桁架腹桿與弦桿位于同側(cè)，可不考慮角鋼強度的折減。

依據(jù)文獻[3]的結(jié)論，單角鋼連接可不考慮彎扭失穩(wěn)的影響，且所用型材均為國標(biāo)熱軋等邊角鋼，不考慮寬厚比的影響；結(jié)合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5.1.5條的規(guī)定，戶外廣告鋼結(jié)構(gòu)可按照平面桁架加載及計算，故計算模型的桁架節(jié)點均可按鉸接處理，即釋放直腹桿與斜腹桿兩端的彎矩以及起點的扭矩；支座僅有底板，未作加勁肋加強，剛度不足，按鉸支處理。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的對稱性，僅對部分桁架建模；選取9榀桁架共5組支座進行建模，最終的計算模型如圖2所示，圖中綠點表示鉸接節(jié)點。

圖2 廣告牌桁架計算模型

1.4 邊界條件

桁架的每個支座以2根M12化學(xué)錨栓錨固，滿足構(gòu)造要求；桁架角鋼與錨固底板直接焊接，未設(shè)置加勁肋。支座的轉(zhuǎn)動剛度較小，可視為鉸支座，即限制3個平動自由度，釋放轉(zhuǎn)動自由度。

1.5 荷載組合

根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求進行荷載組合，恒載分項系數(shù)取1.30（恒載起控制作用時取1.35，有利時取1.00），風(fēng)荷載及活荷載分項系數(shù)取1.50，由程序自動計算各種荷載組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 桁架桿件分析結(jié)果

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第5.1.5條第2款的規(guī)定，桁架可不考慮節(jié)點剛性引起的次彎矩效應(yīng)。廣告牌桁架整體應(yīng)力比計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 桁架整體應(yīng)力比

圖5的計算結(jié)果是綜合考慮了各桿件剛度（長細比）、強度、穩(wěn)定性等所得出的最大應(yīng)力比，可見受力最大的上弦桿應(yīng)力比為0.483，符合廣告規(guī)范要求。

中間支座的一榀桁架同時承受兩側(cè)風(fēng)荷載及活荷載，受力較大，該榀桁架桿件的應(yīng)力比計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 桁架中間榀應(yīng)力比

2.2 桁架桿件內(nèi)力提取

通過以上計算可知該桁架各桿件的剛度、強度及穩(wěn)定性均符合廣告規(guī)范的要求，此時提取桿件的內(nèi)力作進一步的節(jié)點焊縫計算分析。由圖4可知，桁架中間節(jié)的弦桿及腹桿受力較大，此節(jié)點的實際構(gòu)造及節(jié)點如圖5、圖6所示。

圖5 桁架中間節(jié)點構(gòu)造

圖6 桁架中間節(jié)點大樣

提取此節(jié)點處直腹桿、斜腹桿的內(nèi)力（圖7、圖8）。

圖7 斜腹桿1軸力圖

圖8 斜腹桿2軸力圖

2.3 桁架節(jié)點焊縫承載力計算

1）按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定計算，角鋼肢背、肢尖、端面的焊縫受力分別記為N1、N2、N3。

2）直腹桿受軸力N＝14.4 kN，采用三面圍焊，則計算得N3＝34.1 kN。計算結(jié)果顯示，直腹桿角鋼的端面焊縫承載力已能滿足節(jié)點受力要求，兩側(cè)只需按構(gòu)造要求焊接即可；按同樣方法計算可得 N1＝N2＝21.8 kN（肢尖和肢背的焊縫屬側(cè)面角焊縫，不考慮強度設(shè)計值增大系數(shù)），該節(jié)點焊縫承載力為N1＋N2＋N3＝77.7 kN，利用率為14.4/77.7＝0.185，此腹桿的應(yīng)力比為0.046，雖然都滿足規(guī)范要求，但節(jié)點的承載力與桿件相比差了3.02倍。

3）斜腹桿1受軸力N＝9.9 kN，L形圍焊，可得N3＝30.7 kN，N1＝41.4 kN，節(jié)點焊縫承載力為72.1 kN，利用率為9.9/72.1＝0.137，桿件的應(yīng)力比為0.168，承載力相差1.23倍，但節(jié)點利用率較小，偏安全。

4）按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第12.2.6條的構(gòu)造要求，各桿件之間間隔不小于20 mm，直腹桿采用兩面?zhèn)群福缚p長度39 mm，則N1＝N2＝16.2 kN，焊縫承載力為32.4 kN，利用率為14.4/32.4＝0.44，桿件的應(yīng)力比為0.046，相差8.56倍。

5）同第4條要求，斜腹桿1只焊接肢背，焊縫長度80 mm，則N1＝39.2 kN，利用率為9.9/39.2＝0.25，桿件的應(yīng)力比為0.168，相差1.83倍，節(jié)點承載力仍偏安全。

6）將桁架的底標(biāo)高設(shè)為40、60、120 m，分別計算桿件及節(jié)點焊縫的承載力，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同荷載條件下桿件及焊縫計算結(jié)果

3 結(jié)語

1）桁架的弦桿、腹桿等應(yīng)能滿足長細比限值的要求（剛度）。

2）弦桿作為主受力桿件承擔(dān)了大部分荷載，若弦桿與腹桿的剛度相差過大，則對結(jié)構(gòu)整體的承載能力不利。

3）單角鋼桁架桿件的結(jié)構(gòu)復(fù)核評定，應(yīng)以節(jié)點的承載力為準(zhǔn)；節(jié)點處的角鋼在搭接焊接時，宜按構(gòu)造要求優(yōu)先采用三面圍焊；因空間或構(gòu)造等原因無法做到三面圍焊時，應(yīng)保證沿全截面滿焊；端面焊縫作為正面角焊縫，受力較好（有強度設(shè)計值增大系數(shù)），應(yīng)滿焊；按此構(gòu)造要求焊接的節(jié)點，在桿件應(yīng)力比較小時（≤0.5），不需要單獨計算焊縫的承載力，檢測分項中的結(jié)構(gòu)復(fù)核可評為a級。

4）風(fēng)荷載較大時（當(dāng)戶外招牌或廣告的底部高度大于60 m，或?qū)︼L(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)形式，可將風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值適當(dāng)提高），應(yīng)將節(jié)點的焊縫按實際構(gòu)造進行承載力計算校核，并以節(jié)點焊縫的承載力作為結(jié)構(gòu)復(fù)核評定的依據(jù)。

5）未按構(gòu)造要求施焊的焊縫均應(yīng)單獨校核承載力，并以節(jié)點焊縫承載力的結(jié)果作為結(jié)構(gòu)復(fù)核分項的評定。

[1] 北京筑信達工程咨詢有限公司.SAP2000中文版技術(shù)指南及工程應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2018.

[2] 陳紹蕃.單邊連接單角鋼壓桿的計算與構(gòu)造[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2008,25(2):72-78.

[3] 康強文,童根樹.單肢連接的單角鋼壓桿承載力分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2006,21(2):12-16.