高速公路枢纽设置擎天柱广告牌安全性分析

王 枫

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前山西省高速公路路侧非公路交通标志牌已全部拆除，下一步将统一规划、统一设置、统一管理。但指导类文件较少，仅有《山西省人民政府办公厅关于印发山西省公路沿线非公路交通标志设置管理办法》及刚颁布的《山西省高速公路非公路标志牌管理办法》作为指导文件，且对高速公路沿线设置非公路交通标志牌缺乏具体量化指标及安全性具体要求[2]。

高速公路沿线非公路交通标志牌有单柱双面式擎天柱、单柱三面式擎天柱、单柱四面式擎天柱、跨线桥广告牌等结构型式[3]。高速公路枢纽内广告牌结构因其紧邻高速公路，设置位置不合理、设计施工存在问题、后期管理不善、广告牌数量过多等原因都会严重影响高速公路的正常运营，甚至会造成交通事故危及往来驾乘人员生命安全。故有必要对高速公路沿线广告牌设置位置、结构尺寸、力学效应进行安全性分析，使增设在高速公路沿线的广告牌布局合理、结构安全，充分发挥广告牌对高速公路品质的提升作用。

1 工程概况

陵侯高速公路位于山西省晋城市境内，是山西省高速公路网的重要组成部分。陵侯高速常乐枢纽位于山西晋城市河西镇常乐村，晋城市政府为宣传当地转型跨越发展主题、积极弘扬当地文化，扩大影响力，带动当地经济发展，向山西交控集团提出申请，拟在陵侯高速常乐枢纽高平方向主线右侧环岛处设置一处单柱四面式擎天柱非公路交通标志牌。

单柱四面式擎天柱广告牌结构地面以上采用钢结构形式，由面板、骨架、步道及立柱构成[4]。立柱长度为17.31 m，立柱采用Φ1 800×14 mm的钢结构形式，钢材采用Q235；面板四面尺寸均为长×高为20 m×6 m，标志牌面板上缘距地面高度为18 m，牌面龙骨及连接采用角钢和槽钢，钢材采用Q235；承台采用4.2 m×4.2 m×2.4 m的矩形承台，下部基础采用2 m×2 m×10 m的钢筋混凝土桩基础，C20混凝土浇筑。广告牌设置位置见图1。

图1 广告牌设置位置（单位：m）

2 行政审批依据

高速公路枢纽内设置擎天柱广告牌行政审批的相关法律依据有《公路法》《中华人民共和国道路交通安全法》《公路安全保护条例》《山西省高速公路非公路标志牌管理办法》等。

《公路法》第五十四条：“任何单位和个人未经县级以上地方人民政府交通主管部门批准，不得在公路用地范围内设置公路标志以外的其他标志。”

《中华人民共和国道路交通安全法》第三十二条：“因工程建设需要占用、挖掘道路，或者跨越、穿越道路架设、增设管线设施，应当事先征得道路主管部门的同意；影响交通安全的，还应当征得公安机关交通管理部门的同意。”

《公路安全保护条例》第十三条：“在公路建筑控制区内，除公路保护需要外，禁止修建建筑物和地面构筑物。”

由表4可以看出,其特征值数量级在103，由于初始施加面载荷为1.5 MPa，屈曲载荷是初始载荷与屈曲特征值的乘积，显然得出其第一阶屈曲载荷的数量级同样在103，推力杆使用过程中载荷多数情况下在数量级102范围内，较少能达到屈曲载荷的数量级，可见该结构断裂失效为主要问题，失稳问题发生较少。实际零件只有少量出现结构弯曲严重问题，大量失效为推力杆部件断裂，这与计算结果吻合。

《山西省高速公路非公路标志牌管理办法》第八条：“申请设置非公路标志，应当符合设置规划，取得设置许可后，方可组织实施。未经许可不得设置非公路标志。”

高速公路枢纽内用地属于公路建设用地，前期已经征用，不存在征地困难，但在枢纽内设置四面式擎天柱广告牌需向公路管理机构提出申请，进行行政审批登记并取得行政许可。

3 广告牌安全性分析

3.1 高度要求评价

四面式擎天柱广告牌的最大高度，目前尚无相关法规及标准给出定量指标。但从《户外钢结构独立柱广告牌图集》07SG526可知，广告牌最大设置高度为21 m，且经查阅相关文献可知，广告牌下缘距地面高度应大于等于10 m[5]。

该项目四面式广告牌立柱长度为17.31 m，广告牌面板上缘距地面高度为18 m，广告牌面板下缘距地面高度为12 m，符合相关规定。

3.2 位置要求评价

四面式擎天柱广告牌立柱位置至高速公路路基边缘的垂直距离，目前尚无相关法规及标准给出定量指标。但国内学者已做了大量的理论计算、数值模拟、统计工作，经查阅相关文献并总结现有研究成果可知，从车辆行驶安全性考虑，广告牌立柱位置距路基边缘最佳距离为4.8 m，对驾驶人员干扰最小；从广告牌设置的经济性考虑，广告牌立柱位置距路基边缘最佳距离为10 m[5]；从其他省份相关地标可知，广告牌竖向投影线应位于公路路肩边线之外，其任何部位不得侵入公路路面之上，且倾覆状态下不得损坏公路主体及附属设施，兼顾经济性广告牌立柱距路基坡脚线距离应大于等于广告牌斜长的1.3倍[6]，广告牌斜长见图2。

图2 广告牌斜长示意图（单位：m）

该项目四面式广告牌立柱长度为17.31 m，广告牌面板尺寸长×高为20 m×6 m，广告牌面板上缘距地面高度为18 m，广告牌面板下缘距地面高度为12 m，广告牌斜长为20.59 m。立柱中心距高速公路主线及匝道路基坡脚线距离为30 m，满足上述要求的最小距离。该项目设置的广告牌未处于急弯、陡坡、连续长下坡、河道、桥梁、隧道、高压线[7]等交通事故易发路段，未对公路边坡、排水设施等功能造成不利影响，符合相关规定。

3.3 间距要求评价

《城市户外广告设施技术规范》（CJJ 149—2010）规定：“高速公路任意两个大型高立柱户外广告设施的最小间距为500 m”。

该项目陵侯高速公路常乐枢纽内仅设一处擎天柱广告牌，且枢纽处前后5 km范围内目前尚无既有大型高立柱户外广告设施，符合相关规定。

3.4 构造要求评价

《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148—2003）规定了钢结构广告牌构件的构造要求，该项目钢结构广告牌的型钢构件、连接螺栓、法拉盘及加劲肋等构造均符合相关规定。

4 四面式擎天柱广告牌有限元数值分析

4.1 有限元模型概况

四面式擎天柱广告牌结构的自重集中于结构顶部，面板主要承受风荷载作用，其受力特性决定了该结构是典型的高耸风敏感结构，在有限元数值分析计算中，风荷载的取值是进行受力计算的关键。本文通过Midas Civil[8]有限元分析软件建立三维空间模型，模型共2 105个节点，2 868个单元。广告牌立柱、桩基、骨架等结构均采用梁单元模拟[9]，所有节点均考虑刚性连接，并在桩基单元下部节点施加固定约束[10]。有限元模型见图3。

图3 有限元模型图

4.2 荷载的确定及本构模型

四面式擎天柱结构是平面对称结构，考虑风荷载主方向和广告牌面板成45°和90°[11]两种工况，且不计入竖向及水平向地震荷载、雪荷载及其他活荷载。

作用在围护结构上的风荷载标准值可依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）8.1.1条计算，见式（1）。

广告牌处地面粗糙类别为B类，βgz为阵风系数，地面高度18 m时βgz取1.642；μs为局部风压体型系数，对于广告牌结构，取μs=1.3；μz为风压高度变化系数，地面高度18 m时μz取1.19；w0为基本风压，kN/m2，山西晋城市高平市河西镇常乐村w0=0.6 kN/m2；故Wk=1.642×1.3×1.19×0.6=1.524 kN/m2。广告牌钢构件的物理力学计算参数见表1。

表1 物理力学计算参数

4.3 广告牌结构顶点水平位移验算

依据《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148—2003）第5.4条：风荷载作用下广告牌钢结构牌面上缘水平位移不应超过该点离地高度的1/100，牌面上缘离地高度为18 m，水平位移限值为18 m×1/100=18 cm。由有限元分析可知，最不利工况下广告牌结构的最大水平位移位于结构上缘顶点处，最大水平位移值为14.2 cm，广告牌钢结构顶点水平方向位移满足规范要求。钢结构水平位移见图4。

图4 钢结构水平位移图

4.4 广告牌钢结构应力验算

由有限元分析可知，最不利工况下广告牌结构钢骨架、立柱最大应力为125.36 MPa，最大应力小于Q235钢材强度设计值fd=190 MPa，故广告牌结构钢骨架、立柱的应力满足规范要求。钢结构应力见图5。

图5 钢结构应力图

5 结语

本文对高速公路枢纽内四面式擎天柱广告牌的设置依据、要求进行了论述，并对其力学性能进行了受力分析，提出了枢纽范围设置擎天柱广告牌的安全性分析方法。

高速公路沿线广告设施的安全要从规划、勘察设计、行政审批、施工、监理、检验等多个环节进行风险控制。单柱四面式擎天柱钢结构广告牌在风荷载作用下的结构顶点水平位移及应力尤为关键，本文在数值分析计算时，未考虑桩-土的相互作用，使得广告牌结构的整体刚度较实际略大，除此，钢构件之间的连接全部按固结考虑，未考虑钢构件间焊缝的实际焊接情况，这是下一步此类工程数值分析的研究方向。