独立柱广告牌风灾风险评估技术研究

韩志惠　谈建国　方平治　常远勇

(1.上海市气象科学研究所,上海 200030; 2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;

3.中国气象局上海台风研究所,上海 200030)



独立柱广告牌风灾风险评估技术研究

韩志惠1,2，*谈建国1方平治3常远勇1

(1.上海市气象科学研究所,上海 200030; 2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;

3.中国气象局上海台风研究所,上海 200030)

摘要强风导致独立柱广告牌的破坏是城市不可忽视的安全隐患之一。利用CFD及有限元分析等方法对独立柱广告牌所受风荷载及变形进行了分析,结果表明,在对独立柱广告牌进行受力分析时,必须考虑来流方向因素导致的受力不均匀性。以独立柱广告牌的正常使用极限状态为目标,提出了一种综合考虑风速风向影响的广告牌风灾风险评估方法,以此来衡量独立柱广告牌在极端大风天气下可能的风灾风险程度,为此类广告牌的风灾评估提供技术支撑。

关键词独立柱广告牌, CFD方法, 有限元分析, 风灾风险评估

Wind-induced Damage Assessment of Single-column Billboards

HAN Zhihui1,2,*TAN Jianguo1FANG Pingzhi3CHANG Yuanyong1

(1.Shanghai Institute of Meteorological Science,Shanghai 200030,China; 2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in

Civil Engineering,Tongi University,Shanghai 200092,China; 3.Shanghai Typhoon Institute,CMA,Shanghai 200030,China)

AbstractDestruction of single-column billboard under strong wind is one of the potential risks that cannot be ignored in a city.Based on CFD and finite element analysis methods,the wind loading and deformation of single-column billboards are analyzed.The results show that the uneven force distribution due to inflow direction must be considered.Aiming at the serviceability limit state of single-column billboards,a wind-induced damage assessment method of billboard considering the influences of wind speed and direction is proposed to measure the risk level in extreme wind weather,providing a technical support for wind-induced damage assessment of similar billboards.

Keywordssingle-column billboard, CFD method, finite element analysis, wind-induced risk assessment

1引言

独立柱广告牌是城市户外媒体重要载体之一,在给广告商、销售商带来经济利益的同时,在城市也面临不可忽视的安全隐患,而风荷载是造成其破坏的主要原因。强风天气下,独立柱广告牌的倒塌可能会造成交通堵塞,严重时亦会对行人的安全构成极大危险[1]。如2010年台风“康森”登陆三亚期间,数吨重的广告牌倒塌就造成两起人员伤亡事故。因此,开展独立柱广告牌风灾评估技术研究,对于减少风灾损失,保障人民财产安全具有十分重要的意义。

近年来,随着城市户外广告牌安全与经济效益矛盾的日益突出,众多研究人员逐渐将研究重点转向这一领域。申晓明[2]利用结构可靠度法对不同面板尺寸、支撑条件的单立柱广告牌进行了损伤评估,并利用GIS开发了城市广告牌防风系统。宋芳芳[3]采用时程分析方法,对台风作用下广告牌面板、整体结构的失效模式进行了研究。艾晓秋[4]采用结构可靠度法对广告牌面板破坏强度进行了研究,并考虑了广告牌之间的干扰情况。而以上研究内容都是针对广告牌的承载能力极限状态进行风灾评估。

本文以独立柱广告牌的正常使用极限状态为目标,利用CFD[5-6]及有限元分析等方法对独立柱广告牌的受力进行分析,并在此基础上提出一种综合考虑风速风向影响的广告牌风灾风险评估方法,以此来衡量独立柱广告牌在极端大风天气下可能的风灾风险程度,为此类广告牌的风灾评估提供技术支撑。

2独立柱广告牌简介

现有的独立柱广告牌主要有两种结构型式:双面式和三面式。但是具体支撑形式不统一。本文中独立柱广告牌的结构型式及构件参数取值主要参考了《户外钢结构独立柱广告牌》标准图集[7](图1)。广告牌主体结构由立柱、面板结构和支撑体系三部分组成,面板结构表面覆盖铁皮和PVC膜布。广告牌总高为22 m,立柱高20.55 m,直径为1.35 m,壁厚0.02 m。面板尺寸为 18 m×6 m,覆面铁皮厚0.6 mm。面板骨架构件包括H型钢和角钢L75×5。支撑体系构件由H型钢、角钢L75×5和钢管梁组成。钢管梁直径为0.53 m,壁厚0.011 m。构件材质均为Q235钢。

图1　独立柱广告牌结构型式Fig.1　Structural style of single-column billboards

3风灾评估方法

通常情况下建筑结构是按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计的,因此在进行风灾评估时,可以针对这两种极限状态进行安全验算。前者用荷载与抗力的设计值作比较,以结构完全破坏为失效准则。而后者是采用荷载标准值效应(挠度、裂缝宽)与规定的判据指标(如允许挠度、允许裂缝宽)比较,以结构超出正常使用状态为判断依据。一般情况下,当结构超出正常使用状态时,并没有完全破坏。对于独立柱广告牌而言,当其变形超出相关规定时,可以认为已经失去了使用功能,因此本文以正常使用极限状态为目标进行独立柱广告牌的风灾评估。

采用风灾风险因子R来衡量独立柱广告牌在极端大风天气下可能的风灾风险程度。风灾风险因子定义为某种破坏形式量化指标与相对应阈值之比。独立柱广告牌存在着两种较危险的损坏形式:立柱顶点位移超过规定值而产生结构整体倾倒;横梁两端相对位移超过规定值而产生面板弯曲破坏。对于同时存在的多种损坏形式,风灾风险因子取最大值。因此独立柱广告牌的风灾风险因子表达式为

(1)

其中,下标top表示立柱顶点位移;下标torsion表示横梁相对位移;Δ为阈值,取值依据《上海市户外广告牌设施设置技术规范》对结构变形的规定:大型独立柱广告牌结构顶点水平位移不应大于H/150,H为顶点离地面高度;横梁挠度值不应大于L/150,L为横梁跨度。量化指标=fUfθ,fU,fθ,分别考虑了风速、风向对量化指标的影响。

独立柱广告牌风灾评估研究方法如下:①采用CFD方法得到独立柱广告牌表面风荷载的点体型系数;②对结构进行有限元建模,分析不同风速、风向下结构的变形特性;③通过对数据拟合得到独立柱广告牌的风灾风险因子计算公式;④对气象自动站风速资料进行插值,得到广告牌所处位置的风速数据;⑤计算来流风向与广告牌面板法向向量夹角,利用公式得到风灾风险因子。

4广告牌表面风荷载特性研究

目前在设计过程中,户外广告牌表面风荷载的取值沿用了《户外广告牌设施钢结构技术规程》(CECS 148:2003)中相关规定[8]。按照此方法,广告牌表面风载体型系数为单一值,而实际情况是各点的体型系数大小并不相等。本文通过CFD方法对独立柱广告牌表面风压进行数值模拟研究,模型及外形见图2。

图2　CFD模型及风向定义Fig.2　CFD model and definition of wind directions

4.1　计算参数

为了控制网格的质量,计算域采用子域法、Gambit提供的Size function等网格剖分技术进行划分,计算域内的网格以六面体和柱体网格为主,建筑周围采用非结构化的四面体网格。计算模型采用标准κ-ε湍流模型,压力速度耦合采用SIMPLE算法。

入流面采用速度入流边界条件。入口风速采用B类地貌风剖面。出流面采用压力出口边界条件。流域顶部和两侧采用对称边界条件。建筑物表面采用标准壁面函数以考虑钝体流动产生的分离流动特征,而地面采用文献[9]给出的修正壁面函数以保证数值模拟的精确性。修正的壁面函数由用户自定义函数(User Defined Function,UDF)编程实现。

由于结构具有对称性,对于双面式独立柱广告牌,只计算0°～90°风向角内的风压系数,每30°为间隔,共计4个工况;对于三面式独立柱广告牌,计算0°～60°风向角内的风压系数,每15°为间隔,共计5个工况。

4.2　数据处理方法

点体型系数定义为某一点的实际风压与该点高度来流风压的比值,即μsi=2pi/ρui2,其中,pi为广告牌表面在点i处法向方向风压值;ρ为空气密度;ui为该点高度处的来流风速。广告牌表面风载体型系数μs为点体型系数的面积加权值,μs=ΣμsiAi/ΣA。正值表示受风压力作用,负值表示受风吸力作用。

4.3　体型系数分布特性

由定义可知,点体型系数是将结构表面风压用相同高度来流风压无量纲化后的值,在一定程度上可以反映结构所受风荷载的大小。图3给出0°和60°风向角下双面式独立柱广告牌外表面的点体形系数分布规律。从图中可以看出,随着来流风向的改变,各表面点体型系数分布发生了显著的变化。

0°风向角下,面板1的外表面受到压力作用,面板中心位置压力最大,点体型系数最大值为0.98;而面板2的外表面受到吸力作用,面板中心位置吸力最小,边缘吸力最大,为-0.61。两个面板的风压分布都具有对称性,这是因为来流受到广告牌的阻挡而产生分离,并在广告牌后侧形成两个对称的漩涡。

而60°风向角下,风压分布不再具有对称性,面板1、面板2的外表面风压(压力或吸力)最大值都位于面板边缘,分别为0.98、-2.90。这说明斜风向角下,边缘处来流分离更为严重。随着来流的继续运动,风压沿来流方向呈逐渐减小趋势。

当广告牌表面风压分布不均匀时,由于面板两侧受到的风压对面板中心的弯矩作用大小不相等,必然会导致广告牌受到扭转力的作用。情况严重时,可能导致广告牌产生扭转破坏现象。而如果按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2010),广告牌表面风压分布具有左右对称性,并不会产生扭转效应。由此可见,在对独立柱广告牌进行受力分析时,必须考虑来流方向因素导致的受力不均匀性。

4.4　体型系数随风向角变化特性

将点体型系数进行面积加权可以得到面板表面的风荷载体型系数。图4为双面式、三面式独立柱广告牌各面板风荷载体型系数随风向角的变化曲线。这里给出的面板风荷载体型系数为各面板的外表面与内表面风荷载体型系数之差。按照《建筑结构荷载规范》规定,广告牌面板迎风面的风荷载体型系数取值为0.8,背风面的风荷载体型系数取值为-0.5,则整体体型系数应为1.3。

从图3(a)中可以看出,双面式独立柱广告牌各面板的风荷载体型系数都随风向角变化而变化。面板1的风荷载体型系数在0°风向角达到最大值为1.58,大于规范规定的1.3。而面板2的风荷载体型系数在所考察的风向角内都小于1.3,最大值仅为0.25。这是两块面板之间的互相干扰所致。同时由于两块面板相距较近,其内表面受力在量值几乎相等,且方向相反,在对结构进行整体受力分析时可以相互抵消,因此导致合力的最大值为1.34,与规范规定值相差很小。从图3(b)可以看出,三面式独立柱广告牌各面板体型系数也随风向角而变化,且面板1在0°、30°风向角下体型系数都大于规范取值,最大值为1.43。由于三面式独立柱广告牌的三个面受力方向不同,不能将其进行简单的加减组合,所以这里没有给出合力值。

图3　双面式独立柱广告牌外表面的点体形系数分布规律Fig.3　Distribution of shape coefficient for double-side single-column billboards

图4　风荷载体型系数随风向角变化曲线Fig.4　Shape coefficient as a function of wind direction

5广告牌变形分析

不同于一般的建筑结构,独立柱广告牌的结构重量主要集中在结构顶部,而且面板是主要的受力构件,这些特点决定了独立柱广告牌是非常典型的风敏感结构。因此风荷载的正确取值是进行风灾评估的关键所在。本文利用有限元软件 ANSYS对广告牌整体结构进行受力分析。其中,立柱及面板骨架构件以及支撑构件采用BEAM44单元,覆面铁皮采用SHELL63单元,所有连接点均假设为刚性结点。材料弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.3,密度为7.8×103kg/m3。

5.1　计算参数

根据《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS 148:2003)[8],施加在户外广告牌上高度z处的单位面积风荷载标准值wk=βzμsμzw0。式中,w0为10 m高度基本风压;μz为风压高度变化系数;w0μz为高度z处基本风压。本文在计算中直接采用独立柱广告牌面板中心高度19 m作为风速参考点,风速U取值范围为2~46 m/s,相应的风压为0.5ρU2。μs为风荷载体型系数,采用数值模拟结果。βz为风振系数,双面式、三面式独立柱广告牌弯矩振动的风振系数分别为1.51,1.59,扭转风振系数分别为1.63,2.65[10]。双面式独立柱广告牌的计算风向为0°～90°,每30°为间隔;三面式独立柱广告牌的计算风向为0°～60°,每15°为间隔。

5.2　双面式广告牌位移响应分析

对于独立柱广告牌而言,整体结构的倾倒及面板的弯曲破坏是两种非常危险的损坏形式,而与这两种损坏形式相对应的量化指标为立柱的顶点位移及横梁两端的相对位移,因此本文主要对这两种位移响应进行详细分析。

图5　双面式独立柱广告牌位移响应随风速变化曲线Fig.5　Displacement of double-side single-column billboard as a function of wind velocity

图5给出不同风速风向下,双面式独立柱广告牌的立柱顶点位移及横梁两端相对位移的计算值及拟合值。其中,拟合值=fUfθ,fU,fθ分别考虑了风速、风向对位移的影响,下文相同。立柱顶点位移拟合值由式(2)给出,横梁相对位移拟合值由式(3)给出。这里给出的横梁两端相对位移是所有横梁中相对最大的值。

(2a)

(2b)

(3a)

(3b)

从图5可以看出,立柱顶点位移及横梁相对位移都随着风速的增加而增大。对比不同风向下的计算结果可以发现,在相同风速下,立柱顶点位移在0°风向角达到最大值,而横梁两端相对位移则在60°风向角达到最大值。这是因为立柱顶点位移与广告牌的整体受力有关,而横梁两端相对位移则与面板的风荷载分布特性有关。可见,当来流方向与广告牌面板的法线成不同夹角时,双面式独立柱广告牌可能产生的损坏形式是不同的。因此,必须获得广告牌所在位置的风场资料,才能对广告牌的危险状态做出正确的判断。

5.3　三面式广告牌位移响应分析

图6给出不同风速风向下,三面式独立柱广告牌的立柱顶点位移及横梁两端相对位移的计算值及拟合值。立柱顶点位移拟合值由式(4)给出,横梁相对位移拟合值由式(5)给出。这里给出的横梁两端相对位移是所有横梁中相对最大的值。结果表明,三面式独立柱广告牌的立柱顶点位移及横梁相对位移随风速的变化趋势与双面式独立柱广告牌相同。但是,在不同风向角下立柱顶点位移随风速的变化曲线基本重合,说明结构整体倾倒的损坏形式对风向并不敏感。而横梁两端相对位移则在30°风向角达到最大值。

(4a)

(4b)

(5a)

1.79×10-2θ2+0.4712θ+1

(5b)

6应用实例

图6　三面式独立柱广告牌位移响应随风速变化曲线Fig.6　Displacement three-side single-column billboard as a function of wind velocity

利用本文提出的风灾风险因子计算方法,结合气象观测站风观测资料数据,可快速、方便地对独立柱广告牌进行风灾评估。以“海葵”台风影响期间,上海地区独立柱广告牌的风灾评估为例,

来说明本文所提方法的实用性。2012年11号“海葵”强台风是近几年影响上海最大的台风。受其影响,上海中心城区最大风力(阵风)达6～8级,郊区达9～10级,东部和南部沿海达11～12级。上海11个气象站最大风速为4.2(徐家汇)～18.4 m/s(金山),极大风速12.4～29.2 m/s。因“海葵”台风从上海西南方向经过,对崇明三岛影响较轻,故崇明东部沿海和横沙岛的风速相对较小。

图7　独立柱广告牌与高速公路相对位置示意图Fig.7　Location of single-columnbillboards along highway

上海地区的独立柱广告牌主要分布在上海绕城高速、外环高速、华夏高速、迎宾高速、沪嘉高速、沈海高速、京沪高速、沪渝高速、沪昆高速、申嘉湖高速、沪金高速、沪芦高速、新卫高速两侧。由前文的分析可知,独立柱广告牌的风灾风险因子不仅与风速有关,还与风向有关,而公式中所用的风向角度是指来流风速与广告牌面板法向向量的夹角。因此理论上,需要知道每块广告牌的具体方位。作为算例,本文假设高速公路两侧的双面式独立柱广告牌面板垂直于高速公路切线,而三面式独立柱广告牌面板的一个面板与高速公路切线平行(图7)。

图8给出“海葵”影响期间双面式、三面式独立柱广告牌的风灾风险分布图。所用风观测资料是“海葵”影响期间各气象站所测得的最大10 min平均风速资料。需要说明的是,气象站的风速资料一般为10 m高度观测结果,在利用本文式(2)-式(5)进行计算时需要将其转换为面板中心高度风速(本文面板中心高度为19 m)。按照风灾风险因子R的大小,将独立柱广告牌的风灾风险分为5个等级,见表1。当R>1时,说明独立柱广告牌已经超出正常使用极限状态,可以认为结构已经完全破坏。

从图8可以看出,总体上双面式、三面式独立柱广告牌的风灾风险等级分布规律相似,中部及北部地区处于中等风险以下,而南部地区处于中度及以上风险状态,这是受整体天气状况的影响。但是在部分路段,相比之下,三面式广告牌的风险等级要高于双面式广告牌,说明在“海葵”台风期间,这些路段的双面式广告牌是偏于安全的。

需要说明的是,由于钢构件锈蚀等原因会造成户外广告牌结构的刚度降低,因此在实际应用过程中,应依据广告牌的具体情况对本文给出的公式进行适当修正。此外,本文的“海葵”台风案例属于已经发生的天气过程,因此给出的广告牌风灾风险因子是确定性分析结果。对于一次即将发生的天气过程,可以结合气象部门的预报产品,对户外广告牌的风灾风险进行概率性分析。

图8　“海葵”期间独立柱广告牌风灾风险分布示意图Fig.8　Distribution of wind damage risk for single-column billboards during Haikui

表1独立柱广告牌风灾风险等级划分依据

Table 1　Levels of wind damage risk for single-cloumn billboards

7结论

本文以独立柱广告牌的正常使用极限状态为目标,利用CFD及有限元分析等方法对双面式、三面式独立柱广告牌所受风荷载及变形进行了分析,提出了一种综合考虑风速风向影响的广告牌风灾风险评估方法,以此来衡量独立柱广告牌在极端大风天气下可能的风灾风险程度,为此类广告牌的风灾评估提供技术支撑。主要结论如下:

(1) 0°风向角下,双面式独立柱广告牌两个面板的风压分布都具有对称性,而60°风向角下,风压分布不再具有对称性。当广告牌表面风压分布不均匀时,由于面板两侧受到的风压对面板中心的弯矩作用大小不相等,必然会导致广告牌受到扭转力的作用。由此可见,在对独立柱广告牌进行受力分析时,必须考虑来流方向因素导致的受力不均匀性。

(2) 独立柱广告牌各面板的风荷载体型系数都随风向角变化而变化。双面式独立柱广告牌面板1的风荷载体型系数在0°风向角达到最大值,为1.58,而面板2的风荷载体型系数在所考察的风向角内都小于1.3,最大值仅为0.25。三面式独立柱广告牌各面板体型系数也随风向角而变化,且面板1在0°、30°风向角下体型系数都大于规范取值,最大值为1.43。

(3) 独立柱广告牌立柱顶点位移及横梁相对位移都随着风速的增加而增大。在相同风速下,双面式独立柱广告牌立柱顶点位移在0°风向角达到最大值,而横梁两端相对位移则在60°风向角达到最大值。这是因为立柱顶点位移与广告牌的整体受力有关,而横梁两端相对位移则与面板的风荷载分布特性有关。可见,当来流方向与广告牌面板的法线成不同夹角时,双面式独立柱广告牌可能产生的损坏形式是不同的。因此,必须获得广告牌所在位置的风场资料,才能对广告牌的危险状态做出正确的判断。而三面式独立柱广告牌的立柱顶点位移在不同风向角下随风速的变化曲线基本重合,说明结构整体倾倒的损坏形式对风向并不敏感,而横梁两端相对位移则在30°风向角达到最大值。

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基金项目：公益性行业(气象)科研项目(GYHY201306055);中国气象局气象关键技术集成与应用项目(CMAGJ2014M18)

收稿日期：2014-05-14

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