三面体单柱落地广告设施结构安全及抗震分析

刘文彬

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

0 引言

户外广告设施主要用于商业用途，其一般布置在人流量较大、人口较密集的区域或交通要道的两侧。其结构形式有3种：落地式广告牌、墙面式广告牌和屋顶式广告牌。其中落地式广告牌由面板结构、立柱和基础组成，其高度一般较高但立柱截面尺寸相对较小，从受力类型分析，属于对风荷载敏感的高耸悬臂构筑物。

现阶段常见的户外落地广告设施，主要是双面平面式单柱落地广告牌，其面板结构与立柱连接主要采用空间桁架，在强风作用下已有大量双面平面式单柱落地广告牌发生倒塌，其安全性及抗震能力均不满足要求。近几年三面体单柱落地广告设施开始普及，其较双面平面式单柱落地广告牌在各种荷载作用下受力更加复杂，因此对沿海地震区的三面体单柱落地广告设施的结构安全及抗震分析应更加细致准确。

目前三面体单柱落地广告设施主要是采用单角钢焊接而成空间桁架结构，其有重量轻，施工安装简便等优点，但经过检测鉴定，大多数此种类型的广告牌横梁桁架及支撑桁架承载力均不满足要求，柱顶水平位移也超出规范限值，其结构整体不满足安全及抗震要求。

针对以上情况，部分三面体单柱落地广告设施采用圆管钢梁构件替代横梁桁架及支撑桁架，且关键节点采用螺栓连接，其刚度较大，但同时存在重量较重，施工安装复杂等缺点，且其传力路线与空间桁架结构不同，在风及地震作用下的计算分析结果也存在较大差异。

1 工程概况

某户外落地广告设施为三面体单柱落地广告牌，采用PHC管桩基础，上部由圆钢管立柱、外挑圆管钢梁、面板支承圆管钢梁及桁架面板组成，无相关设计资料，现已投入使用13年左右，整体外观如图1所示。

图1 现状整体外观

2 结构现状检查

2.1 地基基础检查

上部结构侧向位移观测结果表明现状该广告牌上部结构最大水平位移为H/1214，未超出《民用建筑可靠性鉴定标准》[1]的限值要求，现场检查也未发现周边地面出现因地基不均匀沉降产生的裂缝及土体隆起等现象；现场局部开挖检查基础工作状况，结果表明，桩基承台尺寸为5.00m×5.00m，承台高度为1.50m，现状桩基承台未见开裂，桩身也未见开裂；现状地基基础工作状态正常。

2.2 上部结构形式、构件布置及尺寸

现场检查该广告牌上部结构形式、构件类型及布置、实测构件截面尺寸。结果表明：该广告牌高度约为27.00m，其中标高24.55m以下采用直径为2.00m圆钢管立柱，柱底采用40根M64螺栓与承台连接且设有厚度为20mm加劲板，在标高24.55m至标高27.00m段采用直径为1.50m圆钢管立柱；在标高25.85m处设置3根外挑长度约为3.15m圆管钢梁，外挑圆管钢梁根部与圆钢管立柱焊接，在距圆钢管立柱1.00m处设有圆形法兰盘，外挑圆管钢梁端部设有3根面板支承圆管钢梁，3根面板支承圆管钢梁组成边长均约为12.00m的等边三角形；各面板支承圆管钢梁上均焊有空间桁架结构面板，桁架面板各构件均采用等边角钢焊接而成，斜腹杆与桁架主杆件焊接处设有节点板；广告牌各组成结构如图2～图7所示，各杆件截面尺寸如表1所示。

图2 现状柱底外观

图3 广告牌立面示意图

图4 广告牌构件平面示意图(a)(单位：mm)

图5 广告牌构件平面示意图(b)

图6 内侧桁架立面示意图(单位mm)

图7 外侧桁架立面示意图

杆件名称截面尺寸(mm)圆钢管立柱(下)圆钢管2000×20圆钢管立柱(上)圆钢管1500×17外挑圆管钢梁圆钢管600×10面板支承圆管钢梁圆钢管600×10桁架主杆件-竖杠角钢75×7桁架主杆件-水平杠角钢75×7斜腹杆角钢50×5联系杆角钢50×5固定面板附加竖杠角钢40×4

2.3 上部结构构件分类及整体布置评估

根据上述检查结果，按各种构件的受力属性及重要性分类，将圆钢管立柱及外挑圆管钢梁定义为主要受力构件，将面板支承圆管钢梁定义为一般受力构件，将桁架面板定义为围护构件。

以上各种构件布置合理，形成完整的体系，相较于全部采用单角钢焊接而成空间桁架结构，其主次构件层次分明，各构件传力途径更加清楚明确。

2.4 上部结构构件及连接节点检查

现场重点对构件各连接节点进行检查，结果表明各连接点焊缝饱满，未见少焊、漏焊，经超声波检测，所检关键部位焊缝符合《钢结构工程施工质量验收规范》[2]规定的二级焊缝质量等级；各螺栓连接节点亦未见明显异常，焊缝及螺栓节点现状如图8～图9所示。

现状上部结构构件未见明显屈曲变形，但构件表面均存在不同程度的锈蚀，后期应采取除锈、修复及重新涂装等修复措施。

图8 外挑圆管钢梁上圆形法兰盘

图9 外挑圆管钢梁端部外观

3 结构安全计算分析

根据现场实际检测结果，采用同济大学研发的3D3S结构分析软件对该广告牌进行空间建模分析计算，模型如图10所示。

图10 结构计算模型

在计算时，地面粗糙度取为B类，钢材牌号取为Q235B，弹性模量取为2.06×105MPa，质量密度取为7850kg/m3，且在对这种对风荷载敏感的高耸构筑物分析时，对风荷载基本风压w0、风振系数βz、雷诺数Re、风荷载体形系数μs等参数更应仔细计算分析，由于相关规范对同一参数计算均有规定，在计算分析时，可按照最新版规范标准的规定进行计算分析，例如风振系数取值在《户外广告设施钢结构技术规程》[3]及新版《建筑结构荷载规范》[4]有不同规定，对于本落地广告牌在计算分析时，考虑到新版《建筑结构荷载规范》[4]的规定是在结合近几年的研究成果及大量工程实践的基础上对前一版规范相关规定的修改，因此按照新版《建筑结构荷载规范》计算更符合实际情况。

3.1 结构构件重要性系数

按《户外广告设施钢结构技术规程》[3]5.1.3条及5.1.4条规定，户外广告牌的使用期一般不宜超过30年，因此该广告牌安全等级为一级，取结构构件重要性系数γ0=1.2。

3.2 基本风压

该广告牌基本风压按重现期为30年风压取值，按《建筑结构荷载规范》[4]E.3.4条规定计算该广告牌所处地区重现期为30年风压值得：

x30=x10+(x100-x10)(ln30/ln10-1)=0.72kN/m2

考虑到该广告牌为对风敏感的构筑物，因此宜适当加大风荷载值，具体计算时可根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]4.2.2条规定，在承载力计算时，对基本风压再放大1.1倍后，可得到：

w0=1.1×0.72=0.79kN/m2

3.3 顺风向风振及风振系数

按《建筑结构荷载规范》[4]8.4.1条及8.4.3条规定，对于此基本自振周期大于0.25s的高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响，计算外挑圆钢梁标高处风振系数得：

3.4 横风向风振

按《建筑结构荷载规范》[4]8.5.1条及8.5.3条规定，对该广告牌进行横风向风振校核，计算得：

临界风速vcr=D/(T1St)=14.71m/s

雷诺数Re=6900vcrD=2.03×106

3×105≤Re≤3.5×106，发生超临界范围的风振，可不作处理。

3.5 风荷载体形系数

按《建筑结构荷载规范》[4]表8.3.1项30规定，圆钢管立柱风荷载体形系数取为μs。

广告牌面风荷载体形系数按下式计算：

3.6 结构安全荷载效应基本组合

根据《建筑结构荷载规范》[4]3.2.3条规定主要考察风荷载作用下结构安全情况，按下式计算结构安全荷载效应基本组合：

γ0S=γ0×(γGjSGjk+γQwγLwSQwk)

3.7 结构安全承载力验算结果(无地震作用)

经计算可知：主要受力构件圆钢管立柱荷载效应与抗力之比值为0.836，小于1.0，承载力满足要求。

主要受力构件外挑圆管钢梁荷载效应与抗力之比最大值为0.438，小于1.0，承载力满足要求。

一般受力的面板支承圆管钢梁构件荷载效应与抗力之比最大值为0.442，小于1.0，承载力满足要求。

桁架面板围护构件荷载效应与抗力之比最大值为1.009，略大于1.0，承载力基本满足要求。

3.8 结构变形验算结果

经计算可知：在风荷载标准值作用下，该落地广告牌结构顶点的水平位移为83.50mm，为该点离地高度的1/323，满足《户外广告设施钢结构技术规程》[3]5.4.1条1/100的变形限值要求。

经计算可知：在风荷载标准值作用下，该落地广告牌外挑圆管钢梁最大挠度为15.60mm，约为钢梁跨度的1/202，满足《户外广告设施钢结构技术规程》[3]5.4.2条1/150的挠度限值要求。

3.9 螺栓连接节点承载力验算结果

按《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[6]3.1.1条规定，在最不利荷载组合时，法兰盘连接螺栓接头为承压型连接，因此按《高耸结构设计规范》[7]5.9.2条规定，采用承压型高强螺栓连接计算方法确定刚性圆形法兰盘连接螺栓最大拉力；计算得，刚性圆形法兰盘连接螺栓弯矩和轴力产生的最大拉力为114.1kN。

按《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[6]4.2.5条规定，计算剪力及拉力共同作用下承压型高强螺栓的连接承载力为：

4 结构抗震承载力计算分析

按《户外广告设施钢结构技术规程》[3]4.3.1条及4.3.2条规定，对于此广告牌的悬臂梁结构按《户外广告设施钢结构技术规程》[3]4.3.5条计算竖向地震作用标准值。

4.1 地震荷载效应基本组合

根据《建筑抗震设计规范》[8]5.4.1条按下式计算地震荷载效应基本组合：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

式中各作用荷载分项系数按表2取用。

表2 荷载分项系数

4.2 结构抗震承载力验算结果

按上述四种考虑地震作用的工况进行构件抗震承载力分析，结果可知：

主要受力构件圆钢管立柱，一般受力的面板支承圆管钢梁构件及桁架面板围护构件考虑地震作用后的荷载效应与抗力之比值小于无地震作用计算结果，且均小于1.0，抗震承载力满足要求。

主要受力构件外挑圆管钢梁考虑地震作用后的荷载效应与抗力之比值最大值为0.578，明显大于无地震作用的计算结果，且其荷载组合由工况2控制，即竖向地震作用起主导作用。

5 结论

(1)落地广告牌为对风荷载敏感的高耸悬臂构筑物，应重视对地基基础的检查，可通过局部开挖检查，有条件时亦可通过现场荷载试验进行验证；上部结构检查时，应重点对节点及构件现状工作状况进行检查。

(2)上部结构分析计算前，应明确广告牌的使用期、安全等级、重要性系数、基本风压、风振系数、雷诺数、风荷载体形系数等与风荷载相关的参数，鉴于广告牌对风荷载敏感可考虑适当加大风荷载值。

(3)对构件承载力、圆形法兰盘螺栓节点承载力、结构变形、悬臂梁挠度等相关指标均应进行计算分析，满足结构强度及刚度的要求。

(4)不应忽视广告牌的悬臂梁结构竖向地震作用，并将其与其他荷载进行组合后进行抗震承载力分析。

(5)对类似新建的工程，可借鉴参考该工程传力途径的设置、在各不同受力部位构件规格的选用及在关键节点处采用高强螺栓连接措施的设计思路。

参 考 文 献

[1] GB50292-2015 民用建筑可靠性鉴定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2] GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2001.

[3] CECS148：2003 户外广告设施钢结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6] JGJ 82-2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[7] GB50135-2006 高耸结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007.

[8] GB50011-2010 建筑抗震设计规范 (2016年版) [S].北京：中国建筑工业出版社，2016.