智慧城市多功能标志标牌杆选型研究

王敏，姚云龙，任高杰

(华信咨询设计研究院有限公司，杭州 310014)

1 引言

智慧城市多功能标志标牌杆（以下简称智慧标牌杆）是基于传统市政杆件，有效融合照明、通信、安防、市政等功能于一体，根据不同的使用场景组合出功能适配的杆件，通过个性化设计，使得智慧标牌杆的设计在满足强度要求和经济适用中找到一个平衡点，从而使智慧标牌杆达到提高城市管理效率和空间利用率的目的。此类杆件除应控制杆件应力比，确保杆件各部位满足强度要求，以及控制端部、节点位移外，还应控制杆件造价。

智慧标牌杆挑臂通常根据城市使用习惯差异、标牌面积大小等因素采用双挑臂或三挑臂。本文以双挑臂智慧标牌杆为例，考虑常见智能化模块，基于标志标牌大小变化时引起的杆身设计数据变化进行论述。

2 基本信息

智慧标牌杆采用模块化概念进行组合设计，常用模块有：标志标牌+5G 天线+照明+预留设备。

选择智慧标牌杆（2.5 m×1.5 m），挑臂长度5 m；智慧标牌杆（4 m×2 m），挑臂长度5 m 进行对比分析。

上段主杆采用铝合金（6061），其底部内力较小满足强度要求。下段主杆结构采用Q355 或Q420，采用十二边形锥度杆，其上端直径统一采用240 mm,下端直径和壁厚根据实际需求计算确定；挑臂结构钢材采用Q235 或Q355，采用圆钢管，壁厚根据实际需求计算确定。所有节点均为刚性连接。计算简图如图1 所示，挂载设备参数见表1。

图1 智慧标牌杆物理尺寸图

表1 挂载设备面积、高度及质量

3 计算方法

3.1 有限元模型

采用有限元软件对主杆结构及挑臂结构进行计算，主杆、挑臂均采用框架单元进行模拟。

杆件风荷载计算按照有限元模型求得的基本自振周期，依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》进行计算[1]。

3.2 荷载施加

假定建设地点为密集建筑群的城市市区（地面粗糙度C类），结构设计基准期为50 a，设计使用年限为50 a，结构安全等级为二级。基本风压0.50 kN/m2，设计抗震设防烈度7 度，0.10g，抗震设防类别为丙类，阻尼比采用0.01；不考虑裹冰荷载影响；经过前期研究，地震荷载组合不起控制作用；多功能杆检修均采用登高检修车，因而研究过程计入恒载与风荷载对智慧标牌杆的影响。

智慧标牌杆主要由挑臂、上段主杆、下段主杆组成，3 部分构件风荷载按均布荷载沿杆身进行布置，其中挑臂被标牌遮挡部分不考虑均布风荷载。挂载设备质量及风荷载按相应集中力布置在计算作用点。

4 设计实例

4.1 模型选取

模型根据控制单变量进行数据的比对分析，遵循研究主杆数据变化时，挑臂物理数据保持不变；研究挑臂数据变化时，主杆物理数据保持不变，具体模型建立如下：

模型一：智慧标牌杆（标志牌2.5 m×1.5 m）研究下段主杆直径变化对内力及位移影响时，主杆下段厚度t=5 mm，挑臂采用φ140 mm×4 mm；

模型二：智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）研究主杆直径变化对内力及位移影响时，主杆下段厚度分别取用t=5 mm、t=6 mm，挑臂采用φ168 mm×4 mm；

模型三：智慧标牌杆（标志牌2.5 m×1.5 m）研究挑臂直径变化对内力及位移影响时，下段主杆直径采用270 mm，厚度采用4 mm；挑臂厚度分别取用t=5 mm、t=6 mm；

模型四：智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）研究挑臂直径变化对内力及位移影响时，下段主杆直径采用270 mm，厚度采用6 mm；挑臂厚度分别取用t=5 mm、t=6 mm。

4.2 应力比对分析

4.2.1 主杆应力比对分析

模型一、模型二下段主杆应力比计算结果如图2 所示。

图2 智慧标牌杆主杆根部应力比

根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》规范要求[2]，应力比（计算强度/钢材强度设计值）≤1.0，杆身强度方为满足设计要求。

从图2 可知，智慧标牌杆（标志牌2.5 m×1.5 m）当下段主杆采用壁厚为5 mm，钢材采用Q355 时，主杆根部直径最小应采用280 mm；当采用钢材采用Q420 时，主杆根部直径最小应采用260 mm；智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）当主杆采用壁厚为5 mm，钢材采用Q355 时，主杆根部直径采用240～310 mm，应力比验算不能满足强度要求；当主杆采用壁厚为5 mm，钢材采用Q420 时，主杆根部直径最小应采用310 mm；当主杆采用壁厚为6 mm，当采用钢材为Q355 时，主杆根部直径最小应采用300 mm；当主杆采用壁厚为6 mm，当采用钢材为Q420时，主杆根部直径最小应采用290 mm。

根据以上数据表明：下段主杆杆身直径受指示牌面积大小影响较大，当指示牌尺寸增大时，主杆应力增大，可以通过提高钢材强度、增加壁厚和加大下段主杆直径来控制下段主杆应力比。

4.2.2 挑臂应力比对分析

模型三、模型四下挑臂应力比计算结果如图3 所示。

图3 双挑臂多功能标牌杆挑臂根部应力比

根据GB 50017—2017 规范要求，应力比（计算强度/钢材强度设计值）≤1.0，挑臂强度方可满足设计要求。

从图3a 可知，智慧标牌杆（标志牌2.5 m×1.5 m）当挑臂壁厚为4 mm，钢材为Q235 时，挑臂直径最小应采用159 mm；当挑杆壁厚为4 mm，钢材为Q355 时，挑臂直径最小应采用133 mm；当挑杆壁厚为5 mm，钢材为Q235 时，挑臂直径最小应采用146 mm；当挑臂杆壁厚为5 mm，钢材为Q355 时，挑臂直径可采用121 mm。

从图3b 可知，智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）当挑臂杆壁厚为4 mm，钢材为Q235 时，挑臂直径采用140～180 mm 均不能满足设计强度要求；当挑杆壁厚为4 mm，钢材为Q355 时，挑臂直径最小应采用168 mm；当挑杆壁厚为5 mm，钢材为Q235 时，挑臂直径最小应采用180 mm；当挑杆壁厚为5 mm，钢材为Q355 时，挑臂直径应采用146 mm。

根据以上数据表明:挑臂尺寸受指示牌面积大小影响较大，当指示牌尺寸较大时，挑臂应力发生明显增长，提高钢材强度、增加壁厚能更加有效控制挑臂应力比，同时加大主杆直径也可以改善挑臂应力比不足的情况。

4.3 位移比对分析

智慧标牌杆变形主要包括主杆变形和挑臂变形，主要控制因素如下：（1）重力荷载作用下主杆的水平变形；（2）重力荷载作用下挑臂的垂直变形；（3）风荷载作用下主杆的水平变形；（4）风荷载作用下挑臂的水平变形。

经过前期研究，智慧标牌杆（标志牌2.5 m×1.5 m）与智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）位移变化规律类似。本文以智慧标牌杆（标志牌4 m×2 m）位移变化进行论述。计算结果如图4～图7 所示。

图4 重力作用下主杆挑臂连接处水平位移

图5 重力作用下挑臂端部垂直位移

图6 风荷载作用下主杆顶部位移

图7 风荷载作用下挑臂端部水平位移

根据工程经验及美观角度，重力作用下主杆挑臂连接处水平位移宜控制在50 mm 以内；重力作用下挑臂端部垂直位移控制在1/33×挑臂长度内，即挑臂长度为5 m 时挑臂端部垂直位移控制在151 mm 以内。由图4、图5 可知，智慧标牌杆重力荷载作用下位移随着挑臂直径、挑臂厚度以及挂载设备质量的增大而增大。由于智慧标牌杆挑臂上设备质量较小，在满足强度应力比要求的前提下，重力荷载作用下主杆挑臂连接处水平位移均小于50 mm；而挑臂端部垂直位移则可以通过预置上扬角度来抵消其竖向变形。

参考YD/T 5131—2019《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》[3]，结合工程经验，设置5G 天线的智慧标牌杆位移控制在标准组合下1/33×杆身高度内，即当采取本次计算模型杆件高度为10.5 m 时，风荷载作用下主杆顶部的位移控制在318 mm 以内。由图6 可知，风荷载作用下顶部位移受到标志牌大小，主杆壁厚，主杆根部直径的影响。当标志牌尺寸为4 m×2 m，主杆下段钢结构壁厚为5mm 时，主杆根部直径不应小于290 mm；当标志牌尺寸为4 m×2 m，主杆下段钢结构壁厚为6 mm 时，主杆根部直径不应小于270 mm。

根据经验，无监控设备时风荷载作用下挑臂端部水平位移控制在500 mm 以内。实际工程建设中应结合挂载设备的性能要求，准确确定挂载设备的面积和安装位置，从而确定挑臂端部位移控制值。由图7 可知，设备挡风面积的增加对于风荷载作用下挑臂端部水平位移影响很大，增加挑臂壁厚，或者增大挑臂直径对于挑臂位移均有改善作用。当标牌尺寸为4 m×2 m，挑臂厚度为5 mm 时，挑臂直径不应小于152 mm；标牌尺寸为4 m×2 m，挑臂厚度为6 mm 时，挑臂端部位移均小于500 mm。

综合智慧标牌杆以上特点，控制杆件位移的过程中，风荷载作用下杆件产生的位移相较于重力荷载下杆件产生的位移更起控制作用，增加主杆壁厚，增大主杆根部直径可以有效控制杆件顶部位移；增加挑臂厚度，增大挑臂直径可以有效控制挑臂端部位移。实际工程中应该控制标牌杆面积及挑臂长度，必要时可以考虑增加挑臂数量或采用门架式等方案，从而达到满足设计要求的目的。

5 结语

基于有限元软件对智慧标牌杆的主杆结构及挑臂结构进行计算，分别研究不同尺寸标志牌在恒载与风荷载作用下对杆件主要部位极限承载能力和位移的影响。研究表明：标牌尺寸的大小对杆件方案确定起关键性作用。标牌面积增大，风荷载作用下杆件位移增加幅度变大。当标志牌面积较小时，杆件承载力极限状态起到控制作用；随着标志牌面积增大，除应控制杆件应力比外，同时应关注风荷载作用下杆件位移是否满足需求。通过增加壁厚，加大杆件直径可以有效控制杆件应力比和位移。同时在位移满足规范要求的前提下，提高杆件的钢材型号可以更直接有效控制应力比。

在实际工程建设中，在满足应力比与位移的前提下，对多个可行方案进行比选，选取用钢量更少的方案，从而实现经济性要求。