交通标志结构设计优化研究

原晋喜

（山西交科开发经营有限公司，山西太原 030006）

0 引言

交通标志是设置于道路视域范围内，用图形、文字、颜色及几何符号等要素向交通参与者传达一定信息的交通基础设施。交通标志根据其所发挥的功能可分为指示标志、指路标志、警告标志、禁令标志等；按照支撑方式又可分为单柱式标志、双柱式标志、单悬臂式标志、双悬臂式标志、门架式标志以及附着式标志。

随着我国公路交通建设事业的飞速发展，路网密布交错，车流量速双高的交通环境已经形成，交通标志在公路交通系统中起到的提高通行效率、保障交通安全的作用日益明显。如何科学、合理地设计、设置交通标志成为公路交通设计的一项重要课题。

1 交通标志结构设计

在进行道路交通标志结构设计时，主要内容包括：荷载的计算与组合，上部结构的结构设计和强度、变形验算，连接螺栓、地脚螺栓的结构设计和强度验算，标志基础的结构设计与验算。

1.1 荷载的计算与组合

交通标志所受的荷载主要包括由标志板面、钢结构等结构自重产生的永久荷载和可变荷载两部分，在交通标志结构设计中可变荷载主要是指结构所受到的风荷载，并且，为简化计算，通常风荷载也仅考虑与标志板面垂直方向的风荷载。

交通标志上部结构设计时通常采用以概率论为基础的极限设计理论，即按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计[1]。

1.2 上部结构的设计和强度验算

采用承载能力极限状态对交通标志上部结构的立柱和横梁的构件进行设计并进行强度验算，使交通标志结构能够满足在最不利荷载组合条件下所产生的荷载效应设计值不大于结构的抗力效应值[2]，即：

式中：γ为标志结构重要性系数；δG为永久荷载（即标志结构自重）的设计值G在结构荷载截面中产生的应力效应；δQ为可变荷载（主要为风荷载）的设计值Q在结构荷载截面中产生的应力效应；f为结构构件的强度设计值。

1.3 上部结构的变形验算

对交通标志上部结构的立柱与横梁进行变形验算一般采用正常使用极限状态进行，结构变形验算应当考虑结构所受荷载的长期效应组合，使结构所产生的变形小于或等于结构或构件的容许变形值，即：

式中：v为交通标志上部结构产生的变形值；vG为永久荷载（及标志结构自重G）标准值在交通标志结构中产生的变形值；vQ为可变荷载（主要是风荷载Q）标准值在交通标志结构中产生的变形值；[V]为结构或构件的容许变形值。

1.4 地脚螺栓与连接螺栓的设计与强度验算

除附着式标志外，交通标志通过立柱及其附带的法兰盘与预埋于标志基础中的地脚螺栓固定与标志基础之上，地脚螺栓主要受到由标志结构自重和风荷载引起的弯矩产生的力矩作用，并且在上下法兰界面还受到由风荷载所引起的剪力，因此地脚螺栓受力应满足：

式中：Nmax为受拉应力最大的脚螺栓所承受的最大拉应力值；Ntb为地脚螺栓的承载力设计值；Nvb为地脚螺栓按受剪状态计算的承载力设计值；Nv为地脚螺栓所承受的剪力平均值。

连接螺栓强度验算主要是针对悬臂式、门架式等标志进行。对于偏向受力标志，承担标志板面重量的横梁其根部受到由自重和标志板面重力引起垂直向下方向的弯矩（螺栓受到拉应力）和剪力，在水平方向上则承受由风荷载引起的水平弯矩（螺栓受到拉应力）和剪力。将不同方向的弯矩和剪力组合后，应满足：

1.5 标志基础验算

标志基础坐落在经过强化处理的地基上，为标志上部结构提供支撑，其强度和稳定性直接决定标志能否正常使用，对交通标志基础的验算主要包括以下几个方面：

a）基底应力验算 标志基础对基底产生的应力不应超过地基持力层的强度（即地基容许承载力）。

b）基底合力偏心距验算 为使标志基础基底受力均匀，避免造成基础的不均匀沉降、裂缝、悬空等病害，标志基础的基底合力偏心距不应小于基础基底的核心半径。

c）抗倾覆稳定性验算 对于较大标志（风荷载产生偏心距）特别是悬臂式标志等倾覆风险较大的标志，应进行抗倾覆稳定性验算，抗倾覆稳定系数可采用基底截面重心至压力最大一边的距离与外力合力偏心距之比来表示，一般要求抗倾覆稳定系数≥1.3。

d）抗滑稳定性验算 为简化起见，抗滑稳定性验算忽略标志基础侧面与土基的摩擦阻力。抗滑稳定系数可用标志基础基底与土基之间的摩擦阻力和水平推力的比值来表示，一般要求抗滑稳定系数≥1.3[3]。

2 设计理论优化

2.1 结构重要性系数修正

在计算交通标志结构所受到的可变荷载——风荷载时，标志板所受风荷载一般采用式（6）所示进行计算，需要注意，未被标志板遮挡的标志立柱、横梁的迎风面所受到的风荷载计算方法也类似，只需要根据立柱、横梁的不同形状取用不同的风力系数即可，为节省篇幅，此处不再列出。

式中：Fw为标志板所受的风荷载，kN；γ为标志结构重要性系数；γQ为可变荷载（主要为风荷载）的分项系数，一般情况下，采用1.4；ρ为空气密度，一般可取1.225 8 N·S2/m4；C为风力系数，标志板C为1.2；V为风速，m/s；Wi为第i块标志板的宽度；Hi为第i块标志板的高度；n为标志板的数量。

一般在设计时交通标志结构安全等级都按照二级考虑，因此式中的结构重要性系数γ统一取值为1。但考虑到交通标志所代表的功能重要性不同，设置位置不同，支撑形式不同，其结构安全性的要求也不可一概而论。例如：如果发生结构破坏，门架式、悬臂式等上部结构侵入路面上空的标志相较设置于路侧的柱式标志危险性更大，对交通的影响也更大，对其结构的安全性要求理应更高。再如，指路标志、禁令标志等法律意义明确、重大，要比旅游区标志、公益标志等配套性标志对交通管理更为重要，对其结构重要性也应相应提高。另外，对于不同等级公路上设置的交通标志，其结构重要性系数也应有所区分。总之要根据公路等级、标志功能、支撑形式等具体确定，既要做到保证结构安全，又不过于保守，造成工程浪费。

2.2 车辆风荷载修正

在实际中，交通标志结构除受自然风荷载外，还受到由车辆（特别是大型车辆）快速行驶而引起的瞬时风荷载，根据相关研究当车速达到80 km/h 时形成的风速即可达到20 m/s 以上，超过风荷载计算所需最低风速，此时对于高度较高，刚度相对较低的标志有必要通过引入风振系数的方法来将车辆引起的风荷载的影响加入到风荷载计算中。另外，进行标志结构风荷载计算时，也可以先对自然风载和根据设计车速计算所得的车辆风荷载进行比较，再选用风速较大值。

2.3 雪荷载修正

在标志结构设计与验算中一般只考虑结构自重和风荷载，结构自重一般按照式（7）计算：

式中：γG为永久荷载（结构自重）的分项系数，一般情况下，采用1.2；Gbi为第i块标志板的重量；Gli为第i根横梁的重量；Gz为标志立柱的重量；m为标志板数量；n为横梁数量。

在北方地区，特别是对于悬臂式、门架式标志，雪荷载是一项不可忽视的可变荷载。雪荷载是指由于自然降雪或风吹雪作用在结构物顶面，进而形成的雪压，属于一种自然气象荷载，其大小主要由降雪量以及积雪面积决定。雪压标准值的计算式为SK=μr·S0，其中μr为积雪分布系数，就是地面基本雪压换算为结构物顶面雪荷载的换算系数，其取值与结构物顶面坡度、朝向及风力等有关。S0为基本雪压，kN/㎡，基本雪压一般是按工程所在地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，按照50 年一遇的频率，通过概率统计确定的最大值。如无工程所在地相关统计资料也可按《全国基本雪压分布图》中相关数值计算。

一般情况下，交通标志的积雪面积应为悬臂横梁、门架桁架的投影面积，但通常为了保证交通标志的可视性，在标志板面安装时都会有一定的竖向倾角，加之有一些小型构件的存在，使得积雪面积有所扩大，因此在计算雪荷载引起的重力时可引入大于1 的雪荷载分项系数γs。综上，式（7）可以修正为式（8），式中As为标志构件竖向投影面积，即积雪面积。

3 结语

交通标志结构形式多样、受力复杂，功能、设置方式各不相同，在交通标志的结构设计中应充分考虑各项因素。本文提出了应在结构设计中区别不同标志的结构重要性系数，考虑车辆风荷载、雪荷载等优化设计建议，这些建议对优化标志结构设计提供了有益的参考。考虑不同公路等级、标志支撑结构形式、设置位置、标志功能重要度的标志结构的重要性系数应如何确定；车辆风荷载、标志板面到车辆的距离与标志所受到的风压之间的函数关系如何；雪荷载分项系数的确定等还需要继续观察研究。