东南沿海省份高速公路交通标志结构设计分析

■罗 亮

（福建省交通规划设计院有限公司， 福州 350004）

交通标志通常是在道路交通中起传递信息作用的安全设施，引导道路使用者有序使用道路，促进道路交通安全，提高道路运行效率的基础设施。交通标志一般由标志版面、横梁、立柱、法兰、地脚螺栓、基础等几部分组成，根据不同的使用要求分为柱式、悬臂式、门架式等结构类型。为使交通标志在各种环境条件下，能够固定不间断地发挥功能，结构设计时应充分考虑其力学强度、刚度、稳定性，保证满足结构设计承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。 由于交通标志结构型式简单、 具有较强的通用性， 设计单位在设计过程中通常采用通用型交通标志结构，即采用通用的设计参数、尺寸、规格。

风荷载作为交通标志结构设计的控制因素，应得到设计人员的充分重视，标志结构破坏通常都发生在恶劣的台风天气。 各地区所处的地理环境不同，受海洋气候的影响，风环境也有很大的差别，以福建省为例，根据DBJ/T13-141-2011《福建建筑结构风压规程》[1]三明、南平、龙岩等内陆地区50 年一遇基本风压均不大于0.4 kN/m2，福州、泉州、莆田等地区50 年一遇基本风压均不大于0.8 kN/m2，而部分沿海地区如平潭、东山等50 年一遇基本风压则达到1.3 kN/m2，由此可见沿海地区和内陆山区风压有明显的差异。 采用通用型交通标志结构存在明显的经济不合理性，同时沿海台风效应明显的地区也存在设计荷载不足的风险。 随着社会的不断进步，对于工程设计行业的要求也在不断升级，结构设计不仅要求满足其承载能力和正常使用要求，也要满足低碳、节能、环保、绿色等“时代”需求。 高速公路交通标志结构设计也应提出新的要求，对山区和沿海选用不同等级风压分级设计显得尤为重要。

1 交通标志结构计算方法

交通标志上部结构一般采用钢结构作为承载结构， 应采用以概率论为基础的极限状态设计方法，满足承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；下部结构采用混凝土基础，采用基础工程理论设计。 计算承载能力极限状态时采用荷载效应的基本组合，必要时考虑荷载效应的偶然组合；计算正常使用极限状态时采用荷载效应的标准组合。

1.1 风荷载计算

交通标志结构设计时，通常由风荷载起控制作用[2]，根据《公路交通标志标线设置手册》[3]中8.3.4条，交通标志版面和立柱所受风荷载标准值分别按公式1、2 计算。

式中ρ：空气密度，取1.2258 g/m3；C：风力系数，标志板取1.2，立柱取0.8；v：设计风速（m/s）；Wb：标志版面宽度（mm）；Hb：标志版面高度（mm）；Wp：标志立柱宽度（mm）；Hpn：标志立柱外露高度（mm）。

1.2 强度计算

采用承载能力极限状态对构件的强度验算，保证荷载效应最不利组合设计值小于或等于结构抗力效应设计值[4]，按公式3、4 计算。

公式3 中γ0：结构重要性系数；S：承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；R：结构构件的抗力设计值。 公式4 中γG：永久荷载分项系数；γQ：可变荷载分项系数；SGK：永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；SQK：可变荷载标准值QK计算的荷载效应值。

1.3 变形计算

采用正常极限状态对构件的变形验算，考虑长期作用影响的荷载效应组合设计值小于或等于正常使用的限制：

S：正常使用极限状态荷载效应标准组合设计值；C：结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等限值。

1.4 基础验算

1.4.1 地基承载力验算

根据GB50007-2011 《建筑地基基础设计规范》[5]中3.0.5 条，按地基承载力确定基础底面积时，传至基础底面的荷载效应按正常使用状态的标准组合，地基抗力采用地基承载力标准值，可采用以下计算。

pk：相应于标准组合时，基础底面处的平均压力（kPa）；pkmax：相应于标准组合时，基础底面处的最大压力（kPa）； fa：修正后的地基承载力特征值（kPa）。

1.4.2 地基稳定性验算

式中N：上部结构传至基础的竖向力设计值；G：基础重力，包括基础上的土重；Ph：基底上部结构传至基础的水平力设计值；μ： 基础底面对地基的摩擦系数。

2 标志材料消耗分析

2.1 计算参数选取

材料：上部钢结构均采用Q235 碳素结构钢，基础采用C25 混凝土和HRB400 钢筋。

风压选取：以福建省为例，选取南平、福州、平潭3 个福建省内风压差异明显的代表区域进行研究，根据《福建建筑结构风压规程》其对应的50 年一遇基本风压分别为0.35 kN/m2，0.70 kN/m2，1.30 kN/m2。

安全设计等级：二级。

2.2 基本假设

为简化计算条件， 忽略一些影响较小的次要因素，计算过程建立以下假设：（1）风荷载方向：风荷载为交通标志的控制荷载， 假设风荷载方向与标志板垂直。 （2）双柱式标志：假设两个立柱均匀受荷， 共同受力， 可简化为两个单柱式标志的形式。（3）悬臂式标志：横梁数量多于1 根时，假设2 根横梁共同均匀承载风荷载。 （4）标志基础：混凝土基础的埋置深度小于3 m， 假定忽略土体摩阻力和弹性抗力的影响。（5）不考虑地震作用对标志结构的影响。

2.3 构件设计

为简单起见，对单柱、双柱、单悬、双悬结构标志各取1 种版面尺寸具有代表性的标志结构（图1），其中单柱标志结构版面尺寸取2 200×1 500 mm，基础采用单层基础；双柱标志结构版面尺寸取4 200×3 300 mm，基础采用单层基础；单悬臂标志结构版面尺寸取4 100×4 000 mm，基础采用双层基础；双悬臂标志结构版面尺寸取（4500×3200+4500×3200）mm，基础采用双层基础。 标志结构在3 种不同风压条件下，满足正常的受力条件，对标志结构主材消耗情况进行分类对比分析。

图1 标志结构示意图

2.4 材料消耗结果对比

2.4.1 单柱式标志结构

由表1 可知，不同风压条件下，满足承载能力和正常使用状态要求时，单柱式标志结构材料消耗差异较大。 以设计风压为0.35 kN/m2为基准，当设计风压为0.70 kN/m2时，由图2 可知，立柱消耗量增加50.0%，立柱法兰盘材料消耗量增加57.5%，基础混凝土材料消耗量增加66.7%。 当设计风压为1.30 kN/m2时，立柱消耗量增加127.1%，立柱法兰盘材料消耗量增加153.1%， 基础混凝土材料消耗量增加125.0%。

图2 单柱标志结构材料消耗变化率

表1 不同风压单柱标志结构设计结果

2.4.2 双柱式标志结构

由表2 可知，不同风压条件下，满足承载能力和正常使用状态要求时，双柱式标志结构材料消耗差异较大。 以设计风压为0.35 kN/m2为基准，当设计风压为0.70 kN/m2时，由图3 可知，立柱消耗量增加66.7%，立柱法兰盘材料消耗量增加80.0%，基础混凝土材料消耗量增加77.8%。 当设计风压为1.30 kN/m2时，立柱消耗量增加123.7%，立柱法兰盘材料消耗量增加116.0%，基础混凝土材料消耗量增加160.2%。

图3 双柱标志结构材料消耗变化率

表2 不同风压双柱标志结构设计结果

2.4.3 单悬式标志结构

由表3 可知，不同风压条件下，满足承载能力和正常使用状态要求时，单悬式标志结构材料消耗差异较大。 以设计风压为0.35 kN/m2为基准，当设计风压为0.70 kN/m2时，由图4 可知，立柱消耗量增加61.1%，横梁材料消耗量增加25.0%，立柱法兰盘材料消耗量增加37.1%，基础混凝土材料消耗量增加62.2%。 当设计风压为1.30 kN/m2时，立柱消耗量增加235.6%，横梁材料消耗量增加128.6%，立柱法兰盘材料消耗量增加157.1%， 基础混凝土材料消耗量增加173.1%。

表3 不同风压单悬标志结构设计结果

图4 单悬标志结构材料消耗变化率

2.4.4 双悬式标志结构

由表4 可知，不同风压条件下，满足承载能力和正常使用状态要求时，双悬式标志结构材料消耗差异较大。 以设计风压为0.35 kN/m2为基准，当设计风压为0.70 kN/m2时，由图5 可知，立柱消耗量增加61.1%，横梁材料消耗量增加25.0%，立柱法兰盘材料消耗量增加57.5%，基础混凝土材料消耗量增加66.7%。 当设计风压为1.30 kN/m2时， 立柱消耗量增加235.6%，横梁材料消耗量增加100.0%，立柱法兰盘材料消耗量增加153.1%，基础混凝土材料消耗量增加174.5%。

图5 双悬标志结构材料消耗变化率

表4 不同风压双悬标志结构设计结果

综上所述，对单柱、双柱、单悬、双悬4 种标志结构的分析， 同类标志结构材料消耗差异非常明显，由此可知风荷载是影响交通标志结构受力的控制荷载。 气候条件差异明显的山区和沿海，出于节约资源和提高能源利用率的目的，高速公路交通标志结构按区域分级设计显得十分必要。

2.5 标志结构分级设计方法

以沿海省份福建为例，根据《福建建筑结构风压规程》3 种基本设计风压0.70、1.0、1.30 kN/m2对应的设计风速分别为23.9、33.8、46.1 m/s，基本可以囊括山区和沿海的风力差异范围。 上述交通标志结构不同风压条件下的材料消耗的差异分析表明，其材料消耗变化率与设计风压基本保持线性变化的规律，因此交通标志结构按照不同地区风压分级设计时，风压设计等级可以按照最小风压和最大风压之间等差递增来选取，如某地最小风压为1.0 kN/m2，最大风压为2.0 kN/m2，取公差为0.20 kN/m2，则风压等级可以分为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kN/m2若干等级，再对标志结构分级设计。 以福建省为例，50年一遇基本最小风压为0.30 kN/m2， 最大风压为1.30 kN/m2，考虑地区之间的协调性，综合设计和施工的便捷， 建议交通标志结构设计时可以按照基本设计风压0.40、0.85、1.30 kN/m23 个等级分级设计。

3 结论

（1）3 个不同风压地区的交通标志结构的主材消耗具有明显差异，通用型标志结构设计明显不合理，山区和沿海交通标志应按不同风压分级设计。

（2）交通标志结构在不同风压条件下材料消耗与设计风压基本保持线性变化的规律，因此交通标志结构按照不同地区风压分级设计时，风压设计等级可以按照最小风压和最大风压之间等差递增来选取，为标志结构分级设计提供依据。