東南沿海省份高速公路交通標志結構設計分析

■羅 亮

（福建省交通規劃設計院有限公司， 福州 350004）

交通標志通常是在道路交通中起傳遞信息作用的安全設施，引導道路使用者有序使用道路，促進道路交通安全，提高道路運行效率的基礎設施。交通標志一般由標志版面、橫梁、立柱、法蘭、地腳螺栓、基礎等幾部分組成，根據不同的使用要求分為柱式、懸臂式、門架式等結構類型。為使交通標志在各種環境條件下，能夠固定不間斷地發揮功能，結構設計時應充分考慮其力學強度、剛度、穩定性，保證滿足結構設計承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。 由于交通標志結構型式簡單、 具有較強的通用性， 設計單位在設計過程中通常采用通用型交通標志結構，即采用通用的設計參數、尺寸、規格。

風荷載作為交通標志結構設計的控制因素，應得到設計人員的充分重視，標志結構破壞通常都發生在惡劣的臺風天氣。 各地區所處的地理環境不同，受海洋氣候的影響，風環境也有很大的差別，以福建省為例，根據DBJ/T13-141-2011《福建建筑結構風壓規程》[1]三明、南平、龍巖等內陸地區50 年一遇基本風壓均不大于0.4 kN/m2，福州、泉州、莆田等地區50 年一遇基本風壓均不大于0.8 kN/m2，而部分沿海地區如平潭、東山等50 年一遇基本風壓則達到1.3 kN/m2，由此可見沿海地區和內陸山區風壓有明顯的差異。 采用通用型交通標志結構存在明顯的經濟不合理性，同時沿海臺風效應明顯的地區也存在設計荷載不足的風險。 隨著社會的不斷進步，對于工程設計行業的要求也在不斷升級，結構設計不僅要求滿足其承載能力和正常使用要求，也要滿足低碳、節能、環保、綠色等“時代”需求。 高速公路交通標志結構設計也應提出新的要求，對山區和沿海選用不同等級風壓分級設計顯得尤為重要。

1 交通標志結構計算方法

交通標志上部結構一般采用鋼結構作為承載結構， 應采用以概率論為基礎的極限狀態設計方法，滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計；下部結構采用混凝土基礎，采用基礎工程理論設計。 計算承載能力極限狀態時采用荷載效應的基本組合，必要時考慮荷載效應的偶然組合；計算正常使用極限狀態時采用荷載效應的標準組合。

1.1 風荷載計算

交通標志結構設計時，通常由風荷載起控制作用[2]，根據《公路交通標志標線設置手冊》[3]中8.3.4條，交通標志版面和立柱所受風荷載標準值分別按公式1、2 計算。

式中ρ：空氣密度，取1.2258 g/m3；C：風力系數，標志板取1.2，立柱取0.8；v：設計風速（m/s）；Wb：標志版面寬度（mm）；Hb：標志版面高度（mm）；Wp：標志立柱寬度（mm）；Hpn：標志立柱外露高度（mm）。

1.2 強度計算

采用承載能力極限狀態對構件的強度驗算，保證荷載效應最不利組合設計值小于或等于結構抗力效應設計值[4]，按公式3、4 計算。

公式3 中γ0：結構重要性系數；S：承載能力極限狀態下作用組合的效應設計值；R：結構構件的抗力設計值。 公式4 中γG：永久荷載分項系數；γQ：可變荷載分項系數；SGK：永久荷載標準值GK計算的荷載效應值；SQK：可變荷載標準值QK計算的荷載效應值。

1.3 變形計算

采用正常極限狀態對構件的變形驗算，考慮長期作用影響的荷載效應組合設計值小于或等于正常使用的限制：

S：正常使用極限狀態荷載效應標準組合設計值；C：結構構件達到正常使用要求所規定的變形、應力、裂縫寬度和自振頻率等限值。

1.4 基礎驗算

1.4.1 地基承載力驗算

根據GB50007-2011 《建筑地基基礎設計規范》[5]中3.0.5 條，按地基承載力確定基礎底面積時，傳至基礎底面的荷載效應按正常使用狀態的標準組合，地基抗力采用地基承載力標準值，可采用以下計算。

pk：相應于標準組合時，基礎底面處的平均壓力（kPa）；pkmax：相應于標準組合時，基礎底面處的最大壓力（kPa）； fa：修正后的地基承載力特征值（kPa）。

1.4.2 地基穩定性驗算

式中N：上部結構傳至基礎的豎向力設計值；G：基礎重力，包括基礎上的土重；Ph：基底上部結構傳至基礎的水平力設計值；μ： 基礎底面對地基的摩擦系數。

2 標志材料消耗分析

2.1 計算參數選取

材料：上部鋼結構均采用Q235 碳素結構鋼，基礎采用C25 混凝土和HRB400 鋼筋。

風壓選取：以福建省為例，選取南平、福州、平潭3 個福建省內風壓差異明顯的代表區域進行研究，根據《福建建筑結構風壓規程》其對應的50 年一遇基本風壓分別為0.35 kN/m2，0.70 kN/m2，1.30 kN/m2。

安全設計等級：二級。

2.2 基本假設

為簡化計算條件， 忽略一些影響較小的次要因素，計算過程建立以下假設：（1）風荷載方向：風荷載為交通標志的控制荷載， 假設風荷載方向與標志板垂直。 （2）雙柱式標志：假設兩個立柱均勻受荷， 共同受力， 可簡化為兩個單柱式標志的形式。（3）懸臂式標志：橫梁數量多于1 根時，假設2 根橫梁共同均勻承載風荷載。 （4）標志基礎：混凝土基礎的埋置深度小于3 m， 假定忽略土體摩阻力和彈性抗力的影響。（5）不考慮地震作用對標志結構的影響。

2.3 構件設計

為簡單起見，對單柱、雙柱、單懸、雙懸結構標志各取1 種版面尺寸具有代表性的標志結構（圖1），其中單柱標志結構版面尺寸取2 200×1 500 mm，基礎采用單層基礎；雙柱標志結構版面尺寸取4 200×3 300 mm，基礎采用單層基礎；單懸臂標志結構版面尺寸取4 100×4 000 mm，基礎采用雙層基礎；雙懸臂標志結構版面尺寸取（4500×3200+4500×3200）mm，基礎采用雙層基礎。 標志結構在3 種不同風壓條件下，滿足正常的受力條件，對標志結構主材消耗情況進行分類對比分析。

圖1 標志結構示意圖

2.4 材料消耗結果對比

2.4.1 單柱式標志結構

由表1 可知，不同風壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態要求時，單柱式標志結構材料消耗差異較大。 以設計風壓為0.35 kN/m2為基準，當設計風壓為0.70 kN/m2時，由圖2 可知，立柱消耗量增加50.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加57.5%，基礎混凝土材料消耗量增加66.7%。 當設計風壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加127.1%，立柱法蘭盤材料消耗量增加153.1%， 基礎混凝土材料消耗量增加125.0%。

圖2 單柱標志結構材料消耗變化率

表1 不同風壓單柱標志結構設計結果

2.4.2 雙柱式標志結構

由表2 可知，不同風壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態要求時，雙柱式標志結構材料消耗差異較大。 以設計風壓為0.35 kN/m2為基準，當設計風壓為0.70 kN/m2時，由圖3 可知，立柱消耗量增加66.7%，立柱法蘭盤材料消耗量增加80.0%，基礎混凝土材料消耗量增加77.8%。 當設計風壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加123.7%，立柱法蘭盤材料消耗量增加116.0%，基礎混凝土材料消耗量增加160.2%。

圖3 雙柱標志結構材料消耗變化率

表2 不同風壓雙柱標志結構設計結果

2.4.3 單懸式標志結構

由表3 可知，不同風壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態要求時，單懸式標志結構材料消耗差異較大。 以設計風壓為0.35 kN/m2為基準，當設計風壓為0.70 kN/m2時，由圖4 可知，立柱消耗量增加61.1%，橫梁材料消耗量增加25.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加37.1%，基礎混凝土材料消耗量增加62.2%。 當設計風壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加235.6%，橫梁材料消耗量增加128.6%，立柱法蘭盤材料消耗量增加157.1%， 基礎混凝土材料消耗量增加173.1%。

表3 不同風壓單懸標志結構設計結果

圖4 單懸標志結構材料消耗變化率

2.4.4 雙懸式標志結構

由表4 可知，不同風壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態要求時，雙懸式標志結構材料消耗差異較大。 以設計風壓為0.35 kN/m2為基準，當設計風壓為0.70 kN/m2時，由圖5 可知，立柱消耗量增加61.1%，橫梁材料消耗量增加25.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加57.5%，基礎混凝土材料消耗量增加66.7%。 當設計風壓為1.30 kN/m2時， 立柱消耗量增加235.6%，橫梁材料消耗量增加100.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加153.1%，基礎混凝土材料消耗量增加174.5%。

圖5 雙懸標志結構材料消耗變化率

表4 不同風壓雙懸標志結構設計結果

綜上所述，對單柱、雙柱、單懸、雙懸4 種標志結構的分析， 同類標志結構材料消耗差異非常明顯，由此可知風荷載是影響交通標志結構受力的控制荷載。 氣候條件差異明顯的山區和沿海，出于節約資源和提高能源利用率的目的，高速公路交通標志結構按區域分級設計顯得十分必要。

2.5 標志結構分級設計方法

以沿海省份福建為例，根據《福建建筑結構風壓規程》3 種基本設計風壓0.70、1.0、1.30 kN/m2對應的設計風速分別為23.9、33.8、46.1 m/s，基本可以囊括山區和沿海的風力差異范圍。 上述交通標志結構不同風壓條件下的材料消耗的差異分析表明，其材料消耗變化率與設計風壓基本保持線性變化的規律，因此交通標志結構按照不同地區風壓分級設計時，風壓設計等級可以按照最小風壓和最大風壓之間等差遞增來選取，如某地最小風壓為1.0 kN/m2，最大風壓為2.0 kN/m2，取公差為0.20 kN/m2，則風壓等級可以分為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kN/m2若干等級，再對標志結構分級設計。 以福建省為例，50年一遇基本最小風壓為0.30 kN/m2， 最大風壓為1.30 kN/m2，考慮地區之間的協調性，綜合設計和施工的便捷， 建議交通標志結構設計時可以按照基本設計風壓0.40、0.85、1.30 kN/m23 個等級分級設計。

3 結論

（1）3 個不同風壓地區的交通標志結構的主材消耗具有明顯差異，通用型標志結構設計明顯不合理，山區和沿海交通標志應按不同風壓分級設計。

（2）交通標志結構在不同風壓條件下材料消耗與設計風壓基本保持線性變化的規律，因此交通標志結構按照不同地區風壓分級設計時，風壓設計等級可以按照最小風壓和最大風壓之間等差遞增來選取，為標志結構分級設計提供依據。