高建筑物上广告牌钢结构抗震校验

冯涛

（河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛066000）

1 引言

随着我国经济的迅速发展，城市地区很多高建筑物上的广告牌日益增多，广告牌的安全隐患问题也渐渐进入大众视线。大多数广告牌建在室外，不可避免地要经历风雨、地震等自然天气的影响，往往会造成很大的经济损失。因此，必须认真研究钢结构广告牌的抗震性能，保证高建筑物上的广告牌稳定性。

本文通过对石家庄城市郊区广告牌设施的调查，并通过建立有限元，对10m 高建筑上广告牌进行受地震载荷作用下受力仿真分析，最终将结果与国家现行标准《建筑结构载荷规范》相比较，确定广告牌是否符合标准。

2 受力分析与模型建立

2.1 材料参数与单元属性

本文分析的广告牌为安装在10m 高建筑物上的广告牌钢结构，位于石家庄市房屋较稀疏的城市郊区。结构中用到的材料参数如表1 所示。

表1 各材料参数

当材料受到的应力达到屈服应力时，就会产生塑性形变，即受到的作用力消除后，材料产生的形变不能完全消除。在实际情况中表现为受到地震作用产生变形后，在地震结束后形变不能完全消除，因为没有雪花钢和彩钢的具体钢材型号或材料参数，暂时将它们的屈服应力按Q215A 的屈服应力进行计算。雪花钢和彩钢面板的厚度均为1mm。

2.2 荷载作用标准

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》地震作用载荷的取值方法如下[1]：

根据CECS 148：2003《户外广告设施钢结构技术规程》[2]，石家庄市的地震烈度为7，故取αmax=0.08，进行地震安全性校核时，加载的惯性加速度为a=αmaxg=784mm/s2。

2.3 建立有限元模型

有限单元法的原理为：将无限自由度的连续体转换成有限自由度的离散化结构组合，最终通过结构力学中的矩阵方法对其进行求解[3]。钢结构中的薄壁板结构，包括广告牌面板、大字、Logo、角钢、方钢等，因为其尺寸远大于厚度，所以可以用壳单元模拟（见图1）。

图1 广告牌钢结构的有限元模型

图1 中的红色框内结构为加固部分。该有限元模型中共有壳单元576 989 个，梁单元8 061 个，连接用刚性单元53 228个，共计638 278 个单元。

2.4 边界条件

地震载荷作用下的施加载荷：给广告牌钢结构整体施加的惯性加速度与g=9 800mm/s2的重力加速度；约束：与屋顶水泥块连接的节点采用固定约束，即限制这些节点的6 个自由度位移均为零。

3 计算结果

3.1 南北向地震

将重力g=9 800mm/s2和南北向惯性力a=784mm/s2加载在钢结构上，得到钢结构的应力云图如图2 所示。

由图2 可以看出，结构中应力较大的部分为悬空的L4、L5 角钢部分，应力最大点出现在东面悬空部分的加固L4 角钢上。结构中受到的最大应力为92.2MPa，远小于其材料的屈服极限215MPa，所以结构在南北向地震中安全。

图2 结构受南北向地震载荷应力云图

去掉加固用的角钢后，应力最大点位于东面的固定支架上，如图3 所示，在南北向地震载荷下，位移最大的部分出现在东面支撑梁处，最大位移为9.6mm。

图3 无固定角钢结构受南北向地震载荷应力云图

3.2 东西向地震

将重力g=9 800mm/s2和南北向惯性力a=784mm/s2加载在钢结构上，得到钢结构的应力云图如图4 所示。由图4 可以看出，结构中受到的最大应力为95.5MPa，远小于其材料的屈服极限215MPa，所以，结构在东西向地震中安全。去掉加固用的角钢后，应力最大点位于东面的固定支架上，在东西向地震载荷下，位移最大的部分出现在东面支撑梁处，最大位移为12.1mm。

图4 结构受东西向地震载荷应力云图

4 结语

根据国家现行标准GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》[4]规定和有限元分析结果，给广告牌钢结构加载地震烈度为6的地震载荷后，求得钢结构在东西向水平地震和南北向水平地震中受到的最大应力均小于相应材料的屈服应力。其中，长度最大的东面斜撑梁受到的应力和产生的位移均为最大。广告牌钢结构在东西向和南北向水平地震中均安全，确保了钢结构广告牌的安全性，能避免仅凭经验设计存在的安全隐患。