大型户外单立柱广告设施在台风作用下的响应分析

2021-01-28王志潼

河南建材 2021年1期

王志潼

江苏交通文化传媒有限公司（210005）

我国东部沿海地区台风多发。近年来，“玛莉亚”、“利奇马”和“巴威”等台风对沿海地区造成了巨大的经济损失[1]。大型户外单立柱广告设施属于大柔度结构，抗风能力弱。已有较多台风造成大型户外单立柱广告设施、高层建筑和大跨度桥梁等大柔度结构破坏的案例。随着单立柱的高度增加，结构刚度下降较快，抗风设计成为结构安全的重要控制因素。因此，风荷载是大型户外单立柱广告设施的控制荷载之一。对大型户外单立柱广告设施进行抗风性能研究[2]，对于确保广告设施的稳定性、安全性和适用性，具有非常重要的意义。

1 工程概况

文章依托工程为江苏省境内某大型户外单立柱广告设施。该广告设施由基础、钢立柱、上部网架和面板构成。基础采用6 根29 m 钻孔灌注桩，桩端持力层为花岗岩；锚栓采用Q390 钢制作；立柱采用钢管结构，高度为45 m，立柱底部直径为2.1 m，顶部直径为1 m，钢管壁厚28 mm；上部广告牌有三个立面，采用桁架结构，钢管和桁架均采用Q235钢。图1 为单立柱广告设施结构示意图。

图1 单立柱广告设施结构示意图

2 结构动力特性分析

2.1 有限元计算模型

单立柱广告设施的动力特性分析采用离散结构的有限元方法。广告设施立柱采用变截面梁单元模拟，材料采用Q235 钢材（弹性模量为2.06×105MPa，密度为7 850 kg/m3）；广告设施网架及面板采用30 t 竖向集中荷载近似模拟。将荷载转化为集中质量，并考虑立柱顶端的鞭梢效应[3]。在立柱底端施加固结约束[4]，分析广告设施在自重及风荷载作用下的响应。结构模型如图2 所示。

图2 广告设施有限元模型示意图

2.2 计算荷载

1）结构自重:重力加速度取为9.8 N/m2。

2）风荷载:按照12 级台风施加风荷载。具体计算过程如下:

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），风荷载的计算公式为:

wk=βzμsμzw0

式中:wk为标准值；μs为体型系数，根据规范建议按0.6 取值；μz为风压高度变化系数（底面粗糙度为B 类，结构高度为45 m，根据规范建议取1.57）；w0为基本风压（12 级台风，按照 0.55 kN/m2取值）；bz为风振系数。

通过模态分析[5]，得到该广告设施的基本自振周期为2.207 s；根据规范要求，对于基本自振周期大于0.25 s 的高耸建筑或者构筑物，应考虑风压脉动[6]对广告设施上部板面产生顺风向风振的影响，风振系数βz的计算应按照如下公式计算:

式中:g为峰值因子，本工程可以取为2.5；I10为10 m 高度名义湍流强度，本工程应取为0.14；对于脉动风荷载，R为共振分量因子，根据规范要求进行计算，计算结果为2.74；Bz为背景分量因子，根据规范要求进行计算，计算结果为0.212。

风振系数βz的计算结果为1.433。

风荷载标准值wk可计算得到，wk=0.742 kN/m2，即立柱顶端风压标准值为0.742 kN/m2。所施加的风荷载由两部分组成，其一为钢管圆立柱自身所承受的风荷载，通过对单元施加梯形压力进行加载:立柱底端风压为0，立柱顶端风压为0.742 kN/m2，立柱整体按照倒三角形风压施加；其二为顶端广告牌所承受的风荷载，利用计算得到的顶端风压乘以广告牌面积得到平均风荷载值（0.742 kN/m2×108 m2=80.14 kN），以集中荷载的形式施加于广告牌形心位置。

3）荷载组合:1.2×自重＋1.4×风荷载。