交通標志結構設計優化研究

原晉喜

（山西交科開發經營有限公司，山西太原 030006）

0 引言

交通標志是設置于道路視域范圍內，用圖形、文字、顏色及幾何符號等要素向交通參與者傳達一定信息的交通基礎設施。交通標志根據其所發揮的功能可分為指示標志、指路標志、警告標志、禁令標志等；按照支撐方式又可分為單柱式標志、雙柱式標志、單懸臂式標志、雙懸臂式標志、門架式標志以及附著式標志。

隨著我國公路交通建設事業的飛速發展，路網密布交錯，車流量速雙高的交通環境已經形成，交通標志在公路交通系統中起到的提高通行效率、保障交通安全的作用日益明顯。如何科學、合理地設計、設置交通標志成為公路交通設計的一項重要課題。

1 交通標志結構設計

在進行道路交通標志結構設計時，主要內容包括：荷載的計算與組合，上部結構的結構設計和強度、變形驗算，連接螺栓、地腳螺栓的結構設計和強度驗算，標志基礎的結構設計與驗算。

1.1 荷載的計算與組合

交通標志所受的荷載主要包括由標志板面、鋼結構等結構自重產生的永久荷載和可變荷載兩部分，在交通標志結構設計中可變荷載主要是指結構所受到的風荷載，并且，為簡化計算，通常風荷載也僅考慮與標志板面垂直方向的風荷載。

交通標志上部結構設計時通常采用以概率論為基礎的極限設計理論，即按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計[1]。

1.2 上部結構的設計和強度驗算

采用承載能力極限狀態對交通標志上部結構的立柱和橫梁的構件進行設計并進行強度驗算，使交通標志結構能夠滿足在最不利荷載組合條件下所產生的荷載效應設計值不大于結構的抗力效應值[2]，即：

式中：γ為標志結構重要性系數；δG為永久荷載（即標志結構自重）的設計值G在結構荷載截面中產生的應力效應；δQ為可變荷載（主要為風荷載）的設計值Q在結構荷載截面中產生的應力效應；f為結構構件的強度設計值。

1.3 上部結構的變形驗算

對交通標志上部結構的立柱與橫梁進行變形驗算一般采用正常使用極限狀態進行，結構變形驗算應當考慮結構所受荷載的長期效應組合，使結構所產生的變形小于或等于結構或構件的容許變形值，即：

式中：v為交通標志上部結構產生的變形值；vG為永久荷載（及標志結構自重G）標準值在交通標志結構中產生的變形值；vQ為可變荷載（主要是風荷載Q）標準值在交通標志結構中產生的變形值；[V]為結構或構件的容許變形值。

1.4 地腳螺栓與連接螺栓的設計與強度驗算

除附著式標志外，交通標志通過立柱及其附帶的法蘭盤與預埋于標志基礎中的地腳螺栓固定與標志基礎之上，地腳螺栓主要受到由標志結構自重和風荷載引起的彎矩產生的力矩作用，并且在上下法蘭界面還受到由風荷載所引起的剪力，因此地腳螺栓受力應滿足：

式中：Nmax為受拉應力最大的腳螺栓所承受的最大拉應力值；Ntb為地腳螺栓的承載力設計值；Nvb為地腳螺栓按受剪狀態計算的承載力設計值；Nv為地腳螺栓所承受的剪力平均值。

連接螺栓強度驗算主要是針對懸臂式、門架式等標志進行。對于偏向受力標志，承擔標志板面重量的橫梁其根部受到由自重和標志板面重力引起垂直向下方向的彎矩（螺栓受到拉應力）和剪力，在水平方向上則承受由風荷載引起的水平彎矩（螺栓受到拉應力）和剪力。將不同方向的彎矩和剪力組合后，應滿足：

1.5 標志基礎驗算

標志基礎坐落在經過強化處理的地基上，為標志上部結構提供支撐，其強度和穩定性直接決定標志能否正常使用，對交通標志基礎的驗算主要包括以下幾個方面：

a）基底應力驗算 標志基礎對基底產生的應力不應超過地基持力層的強度（即地基容許承載力）。

b）基底合力偏心距驗算 為使標志基礎基底受力均勻，避免造成基礎的不均勻沉降、裂縫、懸空等病害，標志基礎的基底合力偏心距不應小于基礎基底的核心半徑。

c）抗傾覆穩定性驗算 對于較大標志（風荷載產生偏心距）特別是懸臂式標志等傾覆風險較大的標志，應進行抗傾覆穩定性驗算，抗傾覆穩定系數可采用基底截面重心至壓力最大一邊的距離與外力合力偏心距之比來表示，一般要求抗傾覆穩定系數≥1.3。

d）抗滑穩定性驗算 為簡化起見，抗滑穩定性驗算忽略標志基礎側面與土基的摩擦阻力。抗滑穩定系數可用標志基礎基底與土基之間的摩擦阻力和水平推力的比值來表示，一般要求抗滑穩定系數≥1.3[3]。

2 設計理論優化

2.1 結構重要性系數修正

在計算交通標志結構所受到的可變荷載——風荷載時，標志板所受風荷載一般采用式（6）所示進行計算，需要注意，未被標志板遮擋的標志立柱、橫梁的迎風面所受到的風荷載計算方法也類似，只需要根據立柱、橫梁的不同形狀取用不同的風力系數即可，為節省篇幅，此處不再列出。

式中：Fw為標志板所受的風荷載，kN；γ為標志結構重要性系數；γQ為可變荷載（主要為風荷載）的分項系數，一般情況下，采用1.4；ρ為空氣密度，一般可取1.225 8 N·S2/m4；C為風力系數，標志板C為1.2；V為風速，m/s；Wi為第i塊標志板的寬度；Hi為第i塊標志板的高度；n為標志板的數量。

一般在設計時交通標志結構安全等級都按照二級考慮，因此式中的結構重要性系數γ統一取值為1。但考慮到交通標志所代表的功能重要性不同，設置位置不同，支撐形式不同，其結構安全性的要求也不可一概而論。例如：如果發生結構破壞，門架式、懸臂式等上部結構侵入路面上空的標志相較設置于路側的柱式標志危險性更大，對交通的影響也更大，對其結構的安全性要求理應更高。再如，指路標志、禁令標志等法律意義明確、重大，要比旅游區標志、公益標志等配套性標志對交通管理更為重要，對其結構重要性也應相應提高。另外，對于不同等級公路上設置的交通標志，其結構重要性系數也應有所區分。總之要根據公路等級、標志功能、支撐形式等具體確定，既要做到保證結構安全，又不過于保守，造成工程浪費。

2.2 車輛風荷載修正

在實際中，交通標志結構除受自然風荷載外，還受到由車輛（特別是大型車輛）快速行駛而引起的瞬時風荷載，根據相關研究當車速達到80 km/h 時形成的風速即可達到20 m/s 以上，超過風荷載計算所需最低風速，此時對于高度較高，剛度相對較低的標志有必要通過引入風振系數的方法來將車輛引起的風荷載的影響加入到風荷載計算中。另外，進行標志結構風荷載計算時，也可以先對自然風載和根據設計車速計算所得的車輛風荷載進行比較，再選用風速較大值。

2.3 雪荷載修正

在標志結構設計與驗算中一般只考慮結構自重和風荷載，結構自重一般按照式（7）計算：

式中：γG為永久荷載（結構自重）的分項系數，一般情況下，采用1.2；Gbi為第i塊標志板的重量；Gli為第i根橫梁的重量；Gz為標志立柱的重量；m為標志板數量；n為橫梁數量。

在北方地區，特別是對于懸臂式、門架式標志，雪荷載是一項不可忽視的可變荷載。雪荷載是指由于自然降雪或風吹雪作用在結構物頂面，進而形成的雪壓，屬于一種自然氣象荷載，其大小主要由降雪量以及積雪面積決定。雪壓標準值的計算式為SK=μr·S0，其中μr為積雪分布系數，就是地面基本雪壓換算為結構物頂面雪荷載的換算系數，其取值與結構物頂面坡度、朝向及風力等有關。S0為基本雪壓，kN/㎡，基本雪壓一般是按工程所在地空曠平坦地面上積雪自重的觀測數據，按照50 年一遇的頻率，通過概率統計確定的最大值。如無工程所在地相關統計資料也可按《全國基本雪壓分布圖》中相關數值計算。

一般情況下，交通標志的積雪面積應為懸臂橫梁、門架桁架的投影面積，但通常為了保證交通標志的可視性，在標志板面安裝時都會有一定的豎向傾角，加之有一些小型構件的存在，使得積雪面積有所擴大，因此在計算雪荷載引起的重力時可引入大于1 的雪荷載分項系數γs。綜上，式（7）可以修正為式（8），式中As為標志構件豎向投影面積，即積雪面積。

3 結語

交通標志結構形式多樣、受力復雜，功能、設置方式各不相同，在交通標志的結構設計中應充分考慮各項因素。本文提出了應在結構設計中區別不同標志的結構重要性系數，考慮車輛風荷載、雪荷載等優化設計建議，這些建議對優化標志結構設計提供了有益的參考。考慮不同公路等級、標志支撐結構形式、設置位置、標志功能重要度的標志結構的重要性系數應如何確定；車輛風荷載、標志板面到車輛的距離與標志所受到的風壓之間的函數關系如何；雪荷載分項系數的確定等還需要繼續觀察研究。