市政综合杆副杆的性能分析与研究

樊月波

上海市嘉定区城市建设综合管理事务中心 上海 201899

1 综合杆发展背景

随着城市功能的不断完善，道路沿线各种杆件越来越多，路灯杆、交通信号杆、道路指示牌杆等名目繁多、高耸矗立，成了城市里抹不掉的“风景”。杆件林立不仅容易给市民造成视觉混淆，也影响了市容市貌的整洁美观。上海作为一座充满活力的现代化国际大都市，为彻底改善城市面貌，于2018年启动架空线入地和合杆整治工程，全面推进道路综合杆建设。

综合杆的布设以交通安全及需求为主，按照“能合则合”的原则，对道路沿线各类杆件进行综合整合[1-2]。道路照明、信号灯、路名牌、智能监控等设施充分利用综合杆进行设置，有效地实现了一杆多用。合理、有序使用城市空间，美化道路环境，大大提升了上海“大都市”的城市形象。

2 综合杆部件化推进原因及优点

综合杆布设区域，一般分为路口区域、路段区域和特殊区域，根据区域的不同，搭载设施会有很大变化。同时路段宽度变化、照度要求变化对杆体高度和其他物理尺寸都会有较大影响，因此要求综合杆从物理尺寸和搭载设施方面能满足千变万化的需求，并从设计开始就进行一路一设计，一杆一设计，属于高度非标化产品。

从综合杆的产品设计、生产、运输、现场摆放、安装，施工进度的提升及成本控制的需求分析，综合杆又需要高度的标准化。

如何在2个互相矛盾的需求中间找出最适合的平衡点，是综合杆研究的重中之重。为此，目前综合杆部件化设计和卡槽式搭载成为解决两大矛盾的基础。

综合杆基本组成如图1所示，其基本部件分为主杆、横臂、副杆、灯臂四大部件，主杆连接副杆和横臂，作为整个结构的荷载集合部件，横臂主要满足横向空间的扩展，副杆主要满足纵向空间的扩展，并在主杆、横臂、副杆都设置卡槽作为设备安装的位置。本文主要针对副杆进行深入研究。

图1 综合杆基本组成

副杆作为综合杆纵向扩展的主要部件，主要满足主杆以上设施搭载，包括各种有高度要求的传感器、灯臂、5G设施等。早期副杆选择铝合金材料，并上下焊接主副杆连接法兰和天线连接法兰（图2）。四面卡槽是为了在任意位置和任意方向能够加装设备，选择铝合金材料是因为根据当时的技术，只有铝合金能按照截面要求成形，做出卡槽的截面，同时有一定的强度，在外部荷载不大的前提下可使用[3-4]。

图2 副杆结构示意

3 副杆的设计需求

综合杆副杆的设计需要满足顶部天线安装、灯臂组装、传感器安装的需求，同时还要满足进出线预留孔、进出线防水以及强度的需求。随着项目功能及需求的变化，综合杆副杆的需求也发生了变化，原先使用的副杆已经无法满足实际使用的需求。

最初的综合杆设计中副杆最高要求为5.5 m，截至2021年，副杆的要求增加到7.5 m。最初副杆顶部法兰天线为4G，所选用的天线为easy micro，其迎风投影面积为0.2 m2，且只考虑120°辐射方向。从2020年开始，逐渐出现5G天线的搭载需求，且需要考虑360°辐射方向，因此其最大迎风投影面积增加到0.6 m2。灯臂的长度从最初的不大于2 m增加到现在的不大于3 m。沿海地区开始使用综合杆，其地形从最初只考虑C类地形，逐渐变为A、B、C类地形都得考虑。

综上所述，目前副杆所承受的荷载比最初设计时副杆所承受的荷载大大增加，从原先9 kN·m的抗力需求，增加到14 kN·m，铝合金副杆物理参数为：直径160 mm，截面惯性矩9 822 274.32 mm4，材质6063A-T6，抗拉强度设计值160 MPa，热影响抗拉强度设计值90 MPa，实际抗拉强度设计值90 MPa。

通过计算，铝合金焊接副杆在9 kN·m弯矩作用下的应力值为73.30 MPa；铝合金焊接副杆在14 kN·m弯矩作用下的应力值为114.03 MPa。

因此，通过计算可以判断，铝合金副杆可以承受9 kN·m的弯矩，但无法承受14 kN·m的弯矩。

4 铝合金焊接副杆有限元分析

按照1∶1的三维模型，通过有限元分析，根据不同的受力状况，得出铝合金焊接副杆不同的结果，当副杆承受9 kN·m弯矩的情况下，其型材内部应力最大值为89.31 MPa，最大位移为（57.30＋80） mm；当副杆承受14 kN·m弯矩的情况下，其型材内部应力最大值为139.70 MPa，最大位移为（89.12＋80） mm。

根据GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》要求规定，6063A-T6原材料在焊接前提下，其热影响区的抗拉设计值为90 MPa，当外部荷载不大于9 kN·m时，铝合金焊接的副杆能够满足强度要求，当外部荷载增加到14 kN·m时，铝合金焊接副杆强度已经无法满足外部荷载的需求，因此需要一种新的副杆模式既能满足原来的功能需求，同时又能满足更高的荷载需求。

5 新型钢铝结合副杆

为了满足5G搭载需求，副杆要求在4个方向有卡槽，但钢材的成形特点决定了无法按照截面的需求来形成卡槽的截面。铝合金可以形成卡槽的截面，但铝合金本身的强度低，在焊接以后，焊接位置周边形成热影响区，其强度更低，为了充分发挥钢材的强度和铝合金的成形能力，本文推出了钢铝结合副杆的模式（图3）。

图3 钢铝结合副杆示意

钢铝结合副杆采用异形截面钢管作为副杆的主结构，外部荷载通过钢骨架传递到法兰，所有焊接均为钢结构焊接，同时卡槽部分采用铝合金材料，充分发挥铝合金的成形优势，并通过空心螺栓或者拉铆螺栓将铝合金卡槽和钢结构骨架固定成一体，其固定位置同时作为出线口使用，可连接格兰头作为出线防水措施。钢铝结合副杆主结构物理参数为：直径160 mm，截面惯性矩5 016 984.79 mm4，材质Q355B，抗拉强度设计值315 MPa，热影响抗拉强度设计值无，实际抗拉强度设计值315 MPa。

通过计算钢铝结合副杆在14 kN·m弯矩作用下的应力值为223.24 MPa。因此通过计算可以判断，铝合金副杆可以承受14 kN·m的弯矩。

6 钢铝结合副杆有限元分析

按照1∶1的三维模型，通过有限元分析，得出钢铝结合副杆承受14 kN·m弯矩的情况下，其应力最大值为299.90 MPa，最大位移为（53.80＋80） mm。通过有限元分析，钢铝结合副杆可以承受14 kN·m的弯矩。

7 实验室加载试验

为了进一步验证理论数据，在实验室根据1∶1比例进行了加载试验，试验结构如图4所示。

图4 钢铝结合副杆实验室试验示意

9 kN·m外力荷载下铝合金副杆力-位移和力-应变检测结果如表1所示，14 kN·m外力荷载下钢铝结合副杆力-位移和力-应变检测结果如表2所示。

表1 9 kN·m荷载下铝合金副杆力-位移和力-应变检测结果

表2 14 kN·m荷载下钢铝结合副杆力-位移和力-应变检测结果

根据各向同性材料广义胡克定律，铝合金焊接副杆在9 kN·m弯矩作用下的最大应力为87.49 MPa，钢铝结合副杆在14 kN·m弯矩作用下的最大应力为248.26 MPa。

铝合金副杆和钢铝结合副杆承受荷载能力比较结果如表3所示。

表3 铝合金副杆和钢铝结合副杆承受荷载能力比较

8 结语

综上所述，计算结果、模拟结果以及试验结果基本接近，模拟和试验结果略大于理论计算的结果，属于正常的偏差。因此，钢铝结合副杆不但保持了原来铝合金副杆的安装、走线需求，而且抗荷载能力、抗变形能力也大幅度提高，其性能远优于铝合金副杆。随着综合杆技术发展和功能需求增加，钢铝结合副杆优势日益显现，将对推动新基建建设模式可持续发展起到积极作用。