户外广告、招牌检测中单角钢焊接桁架的计算分析与评定

2021-11-05孙启程

建筑施工 2021年7期

孙启程

上海市建设机械检测中心有限公司上海 200137

近年来，为加强户外广告及户外招牌的设置管理、维护市容环境整洁有序、保障城市公共安全，上海市出台了相关的法规（上海市人民政府第41号令），并配套有设置规范、检测规范，规定了户外广告、户外招牌在设置满两年后，应每年委托有资质的检测单位进行安全检测。

DB31/283—2015《户外广告设施设置技术规范》（以下简称“广告规范”）、DB31/T 977—2016《户外招牌设置技术规范》（以下简称“招牌规范”），在这2本上海市地方标准中，都规定了户外广告、招牌的检测分项中应包含结构复核内容（如结构强度、刚度、稳定性以及节点承载力、基础抗倾覆性和锚栓强度等），且在以下情况时必须进行结构复核：未提供结构设计资料；既有结构与设计资料不相符；受力构件被腐蚀后的壁厚不符合设计要求；对结构现状的安全存在疑义。

单角钢焊接而成的轻型桁架，是户外广告、户外招牌设置中最常见的结构类型。单角钢因其受力良好、加工简便、价格便宜等优点，在广告、招牌行业中被大量使用，但由于缺少资质单位设计、施工人员水平不高、经费有限等客观因素，导致广告招牌的桁架大多不能按照规范要求制作。单角钢轻型桁架节点大多为直接搭接，不设节点板，且多数未沿角钢全截面满焊，这给检测工作及安全评定带来一定难度。有限元分析软件的运用，大大减轻了检测人员在户外广告、招牌检测中关于结构计算方面的工作量；然而软件主要用于桁架整体的建模计算，节点的有限元分析难度相对较大且耗时较多。现实中户外广告和招牌桁架结构的节点连接，往往不能满足规范和图集要求的构造措施，仅仅是针对桁架整体建模得出的杆件有限元分析结果，并不能完全真实地反映节点的承载力。本文旨在运用分析软件与手算相结合的方法，为户外广告、招牌检测中的结构复核及其评定提供一种可行的方法。

1 研究方法

选取一块结构形式为单角钢焊接的户外广告（节点采用无节点板搭接连接），用有限元分析软件SAP 2000进行建模计算。在得出杆件的有限元分析结果后，提取受力较大的杆件的内力，进一步做桁架节点焊缝的受力分析。

1.1 桁架结构信息

该户外广告（图1）位于上海市区内某地，属轻型桁架结构，节点均为搭接焊接；桁架结构总长40 m、高6 m、底标高约20 m（仅有横向桁架，纵向仅设系杆连接）；单榀桁架的节间距为1 m、弦高0.6 m；桁架的纵向间距为2 m，每间隔1榀桁架设置1组支座（每组支座分为3个固定点，分别位于单榀桁架的上下端和中间位置）；桁架的弦杆截面为∠63 mm×6 mm，直腹杆、斜腹杆及纵向连系杆截面均为∠50 mm×5 mm；型材材质均为Q235；各杆件长细比均满足广告规范与招牌规范的要求。

图1 户外广告实景

1.2 荷载信息

1）恒载。钢材容重采用7.85 kN/m3，考虑广告布、电器件等，乘以1.2的放大系数，此荷载由程序自动计算。

2）风荷载。上海地区基本风压ω0＝0.55 kPa，地面粗糙度取C类，计算高度取至桁架中部，即23 m；根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，该户外广告结构附着于建筑物外墙上，可按围护结构计算，风荷载的各项系数取值为：阵风系数βgz＝1.96，高度系数μz＝0.78，体型系数μs＝－2.0，风压标准值ωk＝ω0βgzμzμs＝－1.69 kPa。

3）活荷载。户外广告实际活荷载较小，按经验可取0.3 kPa。

4）地震荷载。结构质量较轻（不到楼层质量的5%），对大楼主结构的周期无影响，按广告规范的规定无需考虑抗震。

1.3 计算模型的建立

依据文献[2]的结论及GB 50017—2017《钢结构设计标准》第7.6.1条的规定，桁架腹杆与弦杆位于同侧，可不考虑角钢强度的折减。

依据文献[3]的结论，单角钢连接可不考虑弯扭失稳的影响，且所用型材均为国标热轧等边角钢，不考虑宽厚比的影响；结合GB 50017—2017《钢结构设计标准》第5.1.5条的规定，户外广告钢结构可按照平面桁架加载及计算，故计算模型的桁架节点均可按铰接处理，即释放直腹杆与斜腹杆两端的弯矩以及起点的扭矩；支座仅有底板，未作加劲肋加强，刚度不足，按铰支处理。

根据结构受力的对称性，仅对部分桁架建模；选取9榀桁架共5组支座进行建模，最终的计算模型如图2所示，图中绿点表示铰接节点。

图2 广告牌桁架计算模型

1.4 边界条件

桁架的每个支座以2根M12化学锚栓锚固，满足构造要求；桁架角钢与锚固底板直接焊接，未设置加劲肋。支座的转动刚度较小，可视为铰支座，即限制3个平动自由度，释放转动自由度。

1.5 荷载组合

根据GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》及GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的要求进行荷载组合，恒载分项系数取1.30（恒载起控制作用时取1.35，有利时取1.00），风荷载及活荷载分项系数取1.50，由程序自动计算各种荷载组合。

2 结果与分析

2.1 桁架杆件分析结果

根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》第5.1.5条第2款的规定，桁架可不考虑节点刚性引起的次弯矩效应。广告牌桁架整体应力比计算结果如图3所示。

图3 桁架整体应力比

图5的计算结果是综合考虑了各杆件刚度（长细比）、强度、稳定性等所得出的最大应力比，可见受力最大的上弦杆应力比为0.483，符合广告规范要求。

中间支座的一榀桁架同时承受两侧风荷载及活荷载，受力较大，该榀桁架杆件的应力比计算结果如图4所示。

图4 桁架中间榀应力比

2.2 桁架杆件内力提取

通过以上计算可知该桁架各杆件的刚度、强度及稳定性均符合广告规范的要求，此时提取杆件的内力作进一步的节点焊缝计算分析。由图4可知，桁架中间节的弦杆及腹杆受力较大，此节点的实际构造及节点如图5、图6所示。

图5 桁架中间节点构造

图6 桁架中间节点大样

提取此节点处直腹杆、斜腹杆的内力（图7、图8）。

图7 斜腹杆1轴力图

图8 斜腹杆2轴力图

2.3 桁架节点焊缝承载力计算

1）按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》的规定计算，角钢肢背、肢尖、端面的焊缝受力分别记为N1、N2、N3。

2）直腹杆受轴力N＝14.4 kN，采用三面围焊，则计算得N3＝34.1 kN。计算结果显示，直腹杆角钢的端面焊缝承载力已能满足节点受力要求，两侧只需按构造要求焊接即可；按同样方法计算可得 N1＝N2＝21.8 kN（肢尖和肢背的焊缝属侧面角焊缝，不考虑强度设计值增大系数），该节点焊缝承载力为N1＋N2＋N3＝77.7 kN，利用率为14.4/77.7＝0.185，此腹杆的应力比为0.046，虽然都满足规范要求，但节点的承载力与杆件相比差了3.02倍。

3）斜腹杆1受轴力N＝9.9 kN，L形围焊，可得N3＝30.7 kN，N1＝41.4 kN，节点焊缝承载力为72.1 kN，利用率为9.9/72.1＝0.137，杆件的应力比为0.168，承载力相差1.23倍，但节点利用率较小，偏安全。

4）按GB 50017—2017《钢结构设计标准》第12.2.6条的构造要求，各杆件之间间隔不小于20 mm，直腹杆采用两面侧焊，焊缝长度39 mm，则N1＝N2＝16.2 kN，焊缝承载力为32.4 kN，利用率为14.4/32.4＝0.44，杆件的应力比为0.046，相差8.56倍。

5）同第4条要求，斜腹杆1只焊接肢背，焊缝长度80 mm，则N1＝39.2 kN，利用率为9.9/39.2＝0.25，杆件的应力比为0.168，相差1.83倍，节点承载力仍偏安全。

6）将桁架的底标高设为40、60、120 m，分别计算杆件及节点焊缝的承载力，计算结果如表1所示。

表1 不同荷载条件下杆件及焊缝计算结果

3 结语

1）桁架的弦杆、腹杆等应能满足长细比限值的要求（刚度）。

2）弦杆作为主受力杆件承担了大部分荷载，若弦杆与腹杆的刚度相差过大，则对结构整体的承载能力不利。

3）单角钢桁架杆件的结构复核评定，应以节点的承载力为准；节点处的角钢在搭接焊接时，宜按构造要求优先采用三面围焊；因空间或构造等原因无法做到三面围焊时，应保证沿全截面满焊；端面焊缝作为正面角焊缝，受力较好（有强度设计值增大系数），应满焊；按此构造要求焊接的节点，在杆件应力比较小时（≤0.5），不需要单独计算焊缝的承载力，检测分项中的结构复核可评为a级。

4）风荷载较大时（当户外招牌或广告的底部高度大于60 m，或对风荷载敏感的结构形式，可将风压标准值适当提高），应将节点的焊缝按实际构造进行承载力计算校核，并以节点焊缝的承载力作为结构复核评定的依据。

5）未按构造要求施焊的焊缝均应单独校核承载力，并以节点焊缝承载力的结果作为结构复核分项的评定。