市政綜合桿副桿的性能分析與研究

樊月波

上海市嘉定區(qū)城市建設(shè)綜合管理事務(wù)中心 上海 201899

1 綜合桿發(fā)展背景

隨著城市功能的不斷完善，道路沿線各種桿件越來越多，路燈桿、交通信號桿、道路指示牌桿等名目繁多、高聳矗立，成了城市里抹不掉的“風(fēng)景”。桿件林立不僅容易給市民造成視覺混淆，也影響了市容市貌的整潔美觀。上海作為一座充滿活力的現(xiàn)代化國際大都市，為徹底改善城市面貌，于2018年啟動架空線入地和合桿整治工程，全面推進(jìn)道路綜合桿建設(shè)。

綜合桿的布設(shè)以交通安全及需求為主，按照“能合則合”的原則，對道路沿線各類桿件進(jìn)行綜合整合[1-2]。道路照明、信號燈、路名牌、智能監(jiān)控等設(shè)施充分利用綜合桿進(jìn)行設(shè)置，有效地實現(xiàn)了一桿多用。合理、有序使用城市空間，美化道路環(huán)境，大大提升了上海“大都市”的城市形象。

2 綜合桿部件化推進(jìn)原因及優(yōu)點

綜合桿布設(shè)區(qū)域，一般分為路口區(qū)域、路段區(qū)域和特殊區(qū)域，根據(jù)區(qū)域的不同，搭載設(shè)施會有很大變化。同時路段寬度變化、照度要求變化對桿體高度和其他物理尺寸都會有較大影響，因此要求綜合桿從物理尺寸和搭載設(shè)施方面能滿足千變?nèi)f化的需求，并從設(shè)計開始就進(jìn)行一路一設(shè)計，一桿一設(shè)計，屬于高度非標(biāo)化產(chǎn)品。

從綜合桿的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場擺放、安裝，施工進(jìn)度的提升及成本控制的需求分析，綜合桿又需要高度的標(biāo)準(zhǔn)化。

如何在2個互相矛盾的需求中間找出最適合的平衡點，是綜合桿研究的重中之重。為此，目前綜合桿部件化設(shè)計和卡槽式搭載成為解決兩大矛盾的基礎(chǔ)。

綜合桿基本組成如圖1所示，其基本部件分為主桿、橫臂、副桿、燈臂四大部件，主桿連接副桿和橫臂，作為整個結(jié)構(gòu)的荷載集合部件，橫臂主要滿足橫向空間的擴展，副桿主要滿足縱向空間的擴展，并在主桿、橫臂、副桿都設(shè)置卡槽作為設(shè)備安裝的位置。本文主要針對副桿進(jìn)行深入研究。

圖1 綜合桿基本組成

副桿作為綜合桿縱向擴展的主要部件，主要滿足主桿以上設(shè)施搭載，包括各種有高度要求的傳感器、燈臂、5G設(shè)施等。早期副桿選擇鋁合金材料，并上下焊接主副桿連接法蘭和天線連接法蘭（圖2）。四面卡槽是為了在任意位置和任意方向能夠加裝設(shè)備，選擇鋁合金材料是因為根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)，只有鋁合金能按照截面要求成形，做出卡槽的截面，同時有一定的強度，在外部荷載不大的前提下可使用[3-4]。

圖2 副桿結(jié)構(gòu)示意

3 副桿的設(shè)計需求

綜合桿副桿的設(shè)計需要滿足頂部天線安裝、燈臂組裝、傳感器安裝的需求，同時還要滿足進(jìn)出線預(yù)留孔、進(jìn)出線防水以及強度的需求。隨著項目功能及需求的變化，綜合桿副桿的需求也發(fā)生了變化，原先使用的副桿已經(jīng)無法滿足實際使用的需求。

最初的綜合桿設(shè)計中副桿最高要求為5.5 m，截至2021年，副桿的要求增加到7.5 m。最初副桿頂部法蘭天線為4G，所選用的天線為easy micro，其迎風(fēng)投影面積為0.2 m2，且只考慮120°輻射方向。從2020年開始，逐漸出現(xiàn)5G天線的搭載需求，且需要考慮360°輻射方向，因此其最大迎風(fēng)投影面積增加到0.6 m2。燈臂的長度從最初的不大于2 m增加到現(xiàn)在的不大于3 m。沿海地區(qū)開始使用綜合桿，其地形從最初只考慮C類地形，逐漸變?yōu)锳、B、C類地形都得考慮。

綜上所述，目前副桿所承受的荷載比最初設(shè)計時副桿所承受的荷載大大增加，從原先9 kN·m的抗力需求，增加到14 kN·m，鋁合金副桿物理參數(shù)為：直徑160 mm，截面慣性矩9 822 274.32 mm4，材質(zhì)6063A-T6，抗拉強度設(shè)計值160 MPa，熱影響抗拉強度設(shè)計值90 MPa，實際抗拉強度設(shè)計值90 MPa。

通過計算，鋁合金焊接副桿在9 kN·m彎矩作用下的應(yīng)力值為73.30 MPa；鋁合金焊接副桿在14 kN·m彎矩作用下的應(yīng)力值為114.03 MPa。

因此，通過計算可以判斷，鋁合金副桿可以承受9 kN·m的彎矩，但無法承受14 kN·m的彎矩。

4 鋁合金焊接副桿有限元分析

按照1∶1的三維模型，通過有限元分析，根據(jù)不同的受力狀況，得出鋁合金焊接副桿不同的結(jié)果，當(dāng)副桿承受9 kN·m彎矩的情況下，其型材內(nèi)部應(yīng)力最大值為89.31 MPa，最大位移為（57.30＋80） mm；當(dāng)副桿承受14 kN·m彎矩的情況下，其型材內(nèi)部應(yīng)力最大值為139.70 MPa，最大位移為（89.12＋80） mm。

根據(jù)GB 50429—2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求規(guī)定，6063A-T6原材料在焊接前提下，其熱影響區(qū)的抗拉設(shè)計值為90 MPa，當(dāng)外部荷載不大于9 kN·m時，鋁合金焊接的副桿能夠滿足強度要求，當(dāng)外部荷載增加到14 kN·m時，鋁合金焊接副桿強度已經(jīng)無法滿足外部荷載的需求，因此需要一種新的副桿模式既能滿足原來的功能需求，同時又能滿足更高的荷載需求。

5 新型鋼鋁結(jié)合副桿

為了滿足5G搭載需求，副桿要求在4個方向有卡槽，但鋼材的成形特點決定了無法按照截面的需求來形成卡槽的截面。鋁合金可以形成卡槽的截面，但鋁合金本身的強度低，在焊接以后，焊接位置周邊形成熱影響區(qū)，其強度更低，為了充分發(fā)揮鋼材的強度和鋁合金的成形能力，本文推出了鋼鋁結(jié)合副桿的模式（圖3）。

圖3 鋼鋁結(jié)合副桿示意

鋼鋁結(jié)合副桿采用異形截面鋼管作為副桿的主結(jié)構(gòu)，外部荷載通過鋼骨架傳遞到法蘭，所有焊接均為鋼結(jié)構(gòu)焊接，同時卡槽部分采用鋁合金材料，充分發(fā)揮鋁合金的成形優(yōu)勢，并通過空心螺栓或者拉鉚螺栓將鋁合金卡槽和鋼結(jié)構(gòu)骨架固定成一體，其固定位置同時作為出線口使用，可連接格蘭頭作為出線防水措施。鋼鋁結(jié)合副桿主結(jié)構(gòu)物理參數(shù)為：直徑160 mm，截面慣性矩5 016 984.79 mm4，材質(zhì)Q355B，抗拉強度設(shè)計值315 MPa，熱影響抗拉強度設(shè)計值無，實際抗拉強度設(shè)計值315 MPa。

通過計算鋼鋁結(jié)合副桿在14 kN·m彎矩作用下的應(yīng)力值為223.24 MPa。因此通過計算可以判斷，鋁合金副桿可以承受14 kN·m的彎矩。

6 鋼鋁結(jié)合副桿有限元分析

按照1∶1的三維模型，通過有限元分析，得出鋼鋁結(jié)合副桿承受14 kN·m彎矩的情況下，其應(yīng)力最大值為299.90 MPa，最大位移為（53.80＋80） mm。通過有限元分析，鋼鋁結(jié)合副桿可以承受14 kN·m的彎矩。

7 實驗室加載試驗

為了進(jìn)一步驗證理論數(shù)據(jù)，在實驗室根據(jù)1∶1比例進(jìn)行了加載試驗，試驗結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鋼鋁結(jié)合副桿實驗室試驗示意

9 kN·m外力荷載下鋁合金副桿力-位移和力-應(yīng)變檢測結(jié)果如表1所示，14 kN·m外力荷載下鋼鋁結(jié)合副桿力-位移和力-應(yīng)變檢測結(jié)果如表2所示。

表1 9 kN·m荷載下鋁合金副桿力-位移和力-應(yīng)變檢測結(jié)果

表2 14 kN·m荷載下鋼鋁結(jié)合副桿力-位移和力-應(yīng)變檢測結(jié)果

根據(jù)各向同性材料廣義胡克定律，鋁合金焊接副桿在9 kN·m彎矩作用下的最大應(yīng)力為87.49 MPa，鋼鋁結(jié)合副桿在14 kN·m彎矩作用下的最大應(yīng)力為248.26 MPa。

鋁合金副桿和鋼鋁結(jié)合副桿承受荷載能力比較結(jié)果如表3所示。

表3 鋁合金副桿和鋼鋁結(jié)合副桿承受荷載能力比較

8 結(jié)語

綜上所述，計算結(jié)果、模擬結(jié)果以及試驗結(jié)果基本接近，模擬和試驗結(jié)果略大于理論計算的結(jié)果，屬于正常的偏差。因此，鋼鋁結(jié)合副桿不但保持了原來鋁合金副桿的安裝、走線需求，而且抗荷載能力、抗變形能力也大幅度提高，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金副桿。隨著綜合桿技術(shù)發(fā)展和功能需求增加，鋼鋁結(jié)合副桿優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，將對推動新基建建設(shè)模式可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。