LED 顯示屏鋼結構的設計技巧

高 慶

（上海藝嘉智慧科技集團有限公司，上海 200000）

LED 顯示屏鋼結構的型式主要有立柱式、落地式、壁掛式、嵌入式、吊裝式等幾種組成。每種結構的支撐點及受力方式都有所不同。再加上周邊地質條件、環境因素的各種考量，實際設計時還得加上風壓、雪壓、地震系數等多重受力影響。因此，鋼結構作為一種特定的工程產品，其并沒有標準的結構模板，需要工程設計者根據現場條件、機箱結構、視覺效果及業主要求等多方面進行思考。

1 材料的分類

常用鋼結構材料按截面型式可分為H 型鋼、L 型鋼（角鋼）、C 型鋼、G 型鋼、方管、圓管等。H 型鋼常用于懸挑立柱主節點，L 型鋼（角鋼）常用于斜拉桿及平臺支撐，方管常用于室內外鋼結構龍骨，圓管多用于管桁架、鋼立柱、平臺扶手等。LED 鋼構設計相對簡單，實際上掌握H 型鋼、L 型鋼（角鋼）、方管、圓管的使用技巧即可。

2 材料的選擇

2.1 材料固有屬性

對于項目中所使用的材料，一般都需要從材料庫中選取，材料庫中的材料即對應的是市場所能夠購買到的材料，顯示屏鋼結構的材料一般都為Q235B。以矩形方管100×50×4 為例，在布置時需了解材料固有的主要受力面，才能做到經濟合理。矩形方管所對應截面X、Y 兩個方向的力學性能不同，設計中應充分利用受力大的截面，回避受力小的截面。顯然垂直于50 的面屬于最大受力方向[1]。

每種截面的材料猶如人的性格，根據截面是否實腹，結構是否對稱，X、Y 兩個方向上尺寸的差異而存在各自不同的特點。在實際設計中需要不斷總結經驗，掌握這些特點后才能物盡其用。

2.2 強度與剛度的平衡

強度是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此它是一個應力問題。極限強度的取值因材料的特性不同而異，對鋼材是取它的屈服點。

強度大就不容易被壓碎拉斷，剛度大則不容易變形。強度以“截面積×屈服應力”的形式體現，剛度是以截面分布是否遠離結構中軸的形式體現。如果強度夠大，剛度不足，單獨構件都不會出現破壞但整體結構會出現變形甚至倒塌。猶如積木倒塌一般，設計中需二者兼顧。

以懸臂結構為例：

假設有個長12m 的懸臂，當懸臂橫梁截面為400× 100×14mm 矩形管的情況下，自然撓度為58mm。將其厚度降低為8mm 的時候，橫梁撓度則降低為55.8mm。這里需要注意，控制變形的時候一定要兼顧強度。因為，此模型中的承載能力遠遠大于自身重量，所以可以調整。

調整后卻發現，截面面積降低后，撓度反而小了，為什么？因為截面下降所引起的撓度降低速度，遠遠沒有自重荷載降低所導致的撓度降低速度快。雖然剛度也有一定的下降，但是結構卻更加輕盈合理（注：截面調整的前提是需要保證強度沒有問題）。

實際安裝中，可能需要厚度與截面同時調整，以達到最快降低變形的目的。而截面3 所計算的調整，只是對截面做了放大，增加剛度的同時進一步增加了自重。雖然也可以滿足設計需求，但是卻非常的笨重。

故而，我們在分析結構變形時需找到控制原因，不能單獨放大截面，還應檢查構件厚度是否合理[2]。

2.3 材料的受力方向

前面講過，材料因截面的不對稱性，在不同方向所表現出的力學能力有所不同，在實際使用中需注意善于利用它們剛度較大的一面，避免剛度較小的一面成為主要受力面。下面用一個實際案例來做說明。

左側按照方管200×100 平置的方向布置，沒有充分發揮出200 面抗彎方面的性能，而是讓100 面抗彎，驗算完后局部應力突破了自身的承載極限。

經過對模型的詳細分析后發現，在沒有進行任何截面提高的情況下，繞構件繞中軸旋轉90 度，將200面作為主受力面，構件內應力僅僅達到承載能力的0.63。

綜上所述：在分析結構承載力時，還需檢查主要受力構件的性能有沒有完全發揮出來，而不是盲目地提高材料截面。

3 結構的搭建

3.1 室內靜置結構

隨著LED 行業室內小間距屏的興起，目前顯示屏項目大部分集中在室內，室外結構越來越少。室內LED鋼結構較室外LED 鋼結構設計要簡單一些。但依然有幾個要點需要在設計時注意[3]。

首先是抗傾覆的問題：靜置結構受到水平力，繞右側底邊棱旋轉時，圍繞底邊棱，自重所產生的逆時針的彎矩，與外部荷載水平力所產生的順時針彎矩相互制衡的關系，結構抗傾覆設計是否合理就與這樣的力學平衡計算有關。

為了簡化計算關系，引入了高度與厚度比值的概念。一般而言靜置結構是不是有良好的抗傾覆能力，在設計高度與厚度時需要控制它們之間的落差，簡稱高厚比。

當靜置結構底部有拉結時，在抗傾覆驗算規則不變的前提下，加入兩個固節點的支座反力，不同的是旋轉軸會從右側底邊棱線轉移到支座上。支座的跨度提供抵抗彎矩的力臂。

綜上所述，室內靜置結構需要優先考慮結構的高厚比，從體型上可以減少基礎受力大小，同時還需要清楚背后相互之間的運作關系，當客戶對體型提出具體要求時，能夠準確控制。

3.2 結構的骨架

無論是室內屏還是室外屏，鋼結構的布置可以采用有核心骨架與沒有核心骨架兩個思路去設計，具體采用哪一種需結合現場受力條件去選擇。當采用有核心骨架的方案時，對基層施加的力會集中在骨架底部[4]。適合能夠明確確定屏體下部為承重梁柱的場所，需要對應梁柱頂面去設計結構骨架。當采用沒有核心骨架的方案時，受力會比較均勻分散，但需要考慮平均荷載不能超出基面最薄弱點承載力。

LED 結構作為附著于樓體的衍生結構，首先需要分析基面的具體特點，靈活選擇結構布置方式。當有核心骨架時，需滿足核心荷載的承載要求以及骨架底部是否有足夠大的承載能力。當沒有核心骨架時，需保證拉結生根的每個點都不超出基面的承載能力[5]。

3.3 截面突變與重心、形心、剛心

在結構設計中，結構整體的布置需盡量均勻。另外，靠近支座方向結構的截面積需盡量大于或等于遠離支座方向的截面積，即盡量避免結構反向收縮。

因為當質量不均勻時，會形成重心偏移幾何中心的情況，從而使內部產生較大的彎扭。當外形不均勻時，結構承受的外部荷載則會偏心。剛度不均勻時，其內部應力傳遞會形成集中區域，增加荷載對結構影響。

剛度不均勻，剛心就會偏離幾何中心。外形不同，迎風面受力就會偏心。

綜上所述，可以看出，漢代，無論在立法領域還是司法領域，皇帝的權力都是有限的。有限皇權在立法領域中的存在，有助于法律反映民意，實現法律寬緩的立法理想。有限皇權在司法領域中的存在，有利于實現司法公正，防止冤假錯案的發生。漢代，有限皇權在法制領域中的實現，對推動兩漢的法制文明做出了積極貢獻。

因此，好的結構一般都是盡量追求重心、形心、剛心的“三心合一”，以減少內應力。

3.4 構件的穩定性

穩定性是鋼結構工程設計中需要重點考慮的內容之一，鋼結構失穩破壞的原因通常是其結構設計不合理，存在結構設計缺陷所致，要從根本上杜絕此類問題的發生，需通過加強對結構的整體穩定、局部穩定以及平面外穩定的設計，來克服結構設計缺陷[6]。

穩定主要是找出外部荷載與結構內部抵抗力間不穩定的平衡狀態，即變形開始急劇增長而需設法避免進入的狀態，因此它是一個變形問題。例如軸壓柱，當失穩時柱的側向撓度使柱中增加很大的附加彎矩，從而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度，此時，失穩是柱子破壞的主要原因。

一般情況下，構件受壓的時候很難完全發揮出自身的承載能力，因為長細構件在端部受壓的時候會達到一個遠遠小于內部承載能力的臨界值，就會喪失穩定狀態，這個臨界值叫臨界力。在做結構設計的時候應當知道受壓構件有臨界力的限值約束，并且盡量避免長細構件受壓的情況出現。

從穩定性的考量中引申出了長細比，實際項目驗算需要驗算實腹構件腹板翼緣的局部穩定與截面的整體穩定，都是為了排除未承載先失穩的不良情況。

3.5 鋼結構穩定性設計的原則

鋼結構布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求，目前鋼結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架。保證這些平面結構不出現平面外失穩，需要從結構整體布置來解決，如增加必要的支撐構件等。要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構布置相一致。

結構計算簡圖需與使用計算方法所依據的簡圖一致。當設計單層或多層框架結構時，通常不做框架穩定分析而只做框架柱的穩定計算。采用這種方法計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定分析得出，使柱穩定計算等效于框架穩定計算。

鋼結構的節點構造設計與構件的穩定計算應一致。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。

受彎鋼構件的板件局部穩定有兩種方式：一是以屈曲為承載能力的極限狀態，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構件整體失效前屈曲；二是允許板件在構件整體失效前屈曲，并利用其屈曲后強度，構件的承載能力由局部屈曲后的有效截面定。

軸心受壓構件和壓彎構件局部穩定有三種方式：一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比；二是控制腹板計算高度與其厚度之比；三是對于圓管截面的受壓構件，應控制外徑與壁厚之比。

綜上所述，主要構件受壓時，需注意構件的穩定性，構件的長細比需要控制在規范范圍內。鈑金薄板受壓，需要考慮薄板的局部穩定情況，避免零件發生大的形變。穩定性與受壓是伴生的關系。

4 結構繪圖

4.1 節點分析與埋件設計

對于布置比較簡單、受力情況單一的結構可以依靠經驗設計。對于內部布置復雜、受力情況比較復雜的結構，需要建模進行內力分析，布置材料截面進行驗算是否可行。在對結構建模計算結束后，拿到關鍵節點或預埋板處的內力圖表，需要進行局部坐標轉換，確認荷載大小，再進行詳細的節點連接措施或者預埋板的設計。根據桿端內力通過局部坐標轉化成連接板外力情況，設計節點連接板與螺栓布置。如果是固節點，通過查詢模型固節點反力，設計后置埋件。

一般對于有把握的節點與埋件可不進行驗算。對于復雜節點，業主要求提供反力或者后置埋件沒有把握時，需要進行節點驗算。

4.2 結構圖紙的表達層次

鋼結構作為空間立體結構，在制圖時需按從整體到局部的次序表達。如果表達層次比較混亂，一則容易遺漏結構重要節點復雜位置處的內容，二則給他人審核、校對、交底及施工過程的讀圖帶來困難。

一般按照如下順序布置即可：

1.繪制屏體整體概況，即屏體整體平面、立面圖。

2.繪制鋼結構框架整體平、立剖面，內部特殊部位有剖面圖時剖切符號需標注清楚。

3.按照剖面符號完整表達剖切面的內容，復雜處可再進行剖切視圖表達。

4.按照所有剖面符號，立面、平面視圖表達完整，內部布置做法可在剖切視圖上表達。

5.繪制細節節點大樣圖即可。

總而言之，按照清晰的層次表達設計內容，更方便設計及校核人員的閱讀、檢查和修改。

4.3 節點的處理經驗

對于復雜結構，鋼結構節點處理在鋼構制圖中占總出圖工作量的一半左右。結構整體布置完成后，對于重要的特殊的節點，一般都需要細化節點。

該部分設計需要通過平時設計與學習中積累的大量經驗，結合節點的特點做針對性處理。通過對連接板、加筋板、法蘭、螺栓、錨栓、后置筋與化學螺栓以及高強螺栓的應用，能夠保證每個桿端內力安全可靠地傳遞過去。該部分沒有具體的經驗可談，需要在實際項目中不斷積累，增加空間與變通能力。

5 結語

隨著新型鋼結構材料及設計理念的不斷發展，使得LED 顯示屏的鋼結構設計也在不斷進步。如何提高鋼結構材料的利用率，加快鋼結構施工過程中的搭建速度，降低施工過程中產生的能耗及污染，更優化的散熱結構及更便捷的拆裝方式，或許是我們今后需要關注的重點。