獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究

韓志惠　談建國(guó)　方平治　常遠(yuǎn)勇

(1.上海市氣象科學(xué)研究所,上海 200030; 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;

3.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030)

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獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究

韓志惠1,2，*談建國(guó)1方平治3常遠(yuǎn)勇1

(1.上海市氣象科學(xué)研究所,上海 200030; 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;

3.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030)

摘要強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致獨(dú)立柱廣告牌的破壞是城市不可忽視的安全隱患之一。利用CFD及有限元分析等方法對(duì)獨(dú)立柱廣告牌所受風(fēng)荷載及變形進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在對(duì)獨(dú)立柱廣告牌進(jìn)行受力分析時(shí),必須考慮來(lái)流方向因素導(dǎo)致的受力不均勻性。以獨(dú)立柱廣告牌的正常使用極限狀態(tài)為目標(biāo),提出了一種綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向影響的廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,以此來(lái)衡量獨(dú)立柱廣告牌在極端大風(fēng)天氣下可能的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度,為此類廣告牌的風(fēng)災(zāi)評(píng)估提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞獨(dú)立柱廣告牌, CFD方法, 有限元分析, 風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

Wind-induced Damage Assessment of Single-column Billboards

HAN Zhihui1,2,*TAN Jianguo1FANG Pingzhi3CHANG Yuanyong1

(1.Shanghai Institute of Meteorological Science,Shanghai 200030,China; 2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in

Civil Engineering,Tongi University,Shanghai 200092,China; 3.Shanghai Typhoon Institute,CMA,Shanghai 200030,China)

AbstractDestruction of single-column billboard under strong wind is one of the potential risks that cannot be ignored in a city.Based on CFD and finite element analysis methods,the wind loading and deformation of single-column billboards are analyzed.The results show that the uneven force distribution due to inflow direction must be considered.Aiming at the serviceability limit state of single-column billboards,a wind-induced damage assessment method of billboard considering the influences of wind speed and direction is proposed to measure the risk level in extreme wind weather,providing a technical support for wind-induced damage assessment of similar billboards.

Keywordssingle-column billboard, CFD method, finite element analysis, wind-induced risk assessment

1引言

獨(dú)立柱廣告牌是城市戶外媒體重要載體之一,在給廣告商、銷售商帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí),在城市也面臨不可忽視的安全隱患,而風(fēng)荷載是造成其破壞的主要原因。強(qiáng)風(fēng)天氣下,獨(dú)立柱廣告牌的倒塌可能會(huì)造成交通堵塞,嚴(yán)重時(shí)亦會(huì)對(duì)行人的安全構(gòu)成極大危險(xiǎn)[1]。如2010年臺(tái)風(fēng)“康森”登陸三亞期間,數(shù)噸重的廣告牌倒塌就造成兩起人員傷亡事故。因此,開(kāi)展獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)評(píng)估技術(shù)研究,對(duì)于減少風(fēng)災(zāi)損失,保障人民財(cái)產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

近年來(lái),隨著城市戶外廣告牌安全與經(jīng)濟(jì)效益矛盾的日益突出,眾多研究人員逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向這一領(lǐng)域。申曉明[2]利用結(jié)構(gòu)可靠度法對(duì)不同面板尺寸、支撐條件的單立柱廣告牌進(jìn)行了損傷評(píng)估,并利用GIS開(kāi)發(fā)了城市廣告牌防風(fēng)系統(tǒng)。宋芳芳[3]采用時(shí)程分析方法,對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下廣告牌面板、整體結(jié)構(gòu)的失效模式進(jìn)行了研究。艾曉秋[4]采用結(jié)構(gòu)可靠度法對(duì)廣告牌面板破壞強(qiáng)度進(jìn)行了研究,并考慮了廣告牌之間的干擾情況。而以上研究?jī)?nèi)容都是針對(duì)廣告牌的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)災(zāi)評(píng)估。

本文以獨(dú)立柱廣告牌的正常使用極限狀態(tài)為目標(biāo),利用CFD[5-6]及有限元分析等方法對(duì)獨(dú)立柱廣告牌的受力進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上提出一種綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向影響的廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,以此來(lái)衡量獨(dú)立柱廣告牌在極端大風(fēng)天氣下可能的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度,為此類廣告牌的風(fēng)災(zāi)評(píng)估提供技術(shù)支撐。

2獨(dú)立柱廣告牌簡(jiǎn)介

現(xiàn)有的獨(dú)立柱廣告牌主要有兩種結(jié)構(gòu)型式:雙面式和三面式。但是具體支撐形式不統(tǒng)一。本文中獨(dú)立柱廣告牌的結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)件參數(shù)取值主要參考了《戶外鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立柱廣告牌》標(biāo)準(zhǔn)圖集[7](圖1)。廣告牌主體結(jié)構(gòu)由立柱、面板結(jié)構(gòu)和支撐體系三部分組成,面板結(jié)構(gòu)表面覆蓋鐵皮和PVC膜布。廣告牌總高為22 m,立柱高20.55 m,直徑為1.35 m,壁厚0.02 m。面板尺寸為 18 m×6 m,覆面鐵皮厚0.6 mm。面板骨架構(gòu)件包括H型鋼和角鋼L75×5。支撐體系構(gòu)件由H型鋼、角鋼L75×5和鋼管梁組成。鋼管梁直徑為0.53 m,壁厚0.011 m。構(gòu)件材質(zhì)均為Q235鋼。

圖1　獨(dú)立柱廣告牌結(jié)構(gòu)型式Fig.1　Structural style of single-column billboards

3風(fēng)災(zāi)評(píng)估方法

通常情況下建筑結(jié)構(gòu)是按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,因此在進(jìn)行風(fēng)災(zāi)評(píng)估時(shí),可以針對(duì)這兩種極限狀態(tài)進(jìn)行安全驗(yàn)算。前者用荷載與抗力的設(shè)計(jì)值作比較,以結(jié)構(gòu)完全破壞為失效準(zhǔn)則。而后者是采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)(撓度、裂縫寬)與規(guī)定的判據(jù)指標(biāo)(如允許撓度、允許裂縫寬)比較,以結(jié)構(gòu)超出正常使用狀態(tài)為判斷依據(jù)。一般情況下,當(dāng)結(jié)構(gòu)超出正常使用狀態(tài)時(shí),并沒(méi)有完全破壞。對(duì)于獨(dú)立柱廣告牌而言,當(dāng)其變形超出相關(guān)規(guī)定時(shí),可以認(rèn)為已經(jīng)失去了使用功能,因此本文以正常使用極限狀態(tài)為目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)評(píng)估。

采用風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子R來(lái)衡量獨(dú)立柱廣告牌在極端大風(fēng)天氣下可能的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度。風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子定義為某種破壞形式量化指標(biāo)與相對(duì)應(yīng)閾值之比。獨(dú)立柱廣告牌存在著兩種較危險(xiǎn)的損壞形式:立柱頂點(diǎn)位移超過(guò)規(guī)定值而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)整體傾倒;橫梁兩端相對(duì)位移超過(guò)規(guī)定值而產(chǎn)生面板彎曲破壞。對(duì)于同時(shí)存在的多種損壞形式,風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子取最大值。因此獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子表達(dá)式為

(1)

其中,下標(biāo)top表示立柱頂點(diǎn)位移;下標(biāo)torsion表示橫梁相對(duì)位移;Δ為閾值,取值依據(jù)《上海市戶外廣告牌設(shè)施設(shè)置技術(shù)規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)定:大型獨(dú)立柱廣告牌結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移不應(yīng)大于H/150,H為頂點(diǎn)離地面高度;橫梁撓度值不應(yīng)大于L/150,L為橫梁跨度。量化指標(biāo)=fUfθ,fU,fθ,分別考慮了風(fēng)速、風(fēng)向?qū)α炕笜?biāo)的影響。

獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)評(píng)估研究方法如下:①采用CFD方法得到獨(dú)立柱廣告牌表面風(fēng)荷載的點(diǎn)體型系數(shù);②對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,分析不同風(fēng)速、風(fēng)向下結(jié)構(gòu)的變形特性;③通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算公式;④對(duì)氣象自動(dòng)站風(fēng)速資料進(jìn)行插值,得到廣告牌所處位置的風(fēng)速數(shù)據(jù);⑤計(jì)算來(lái)流風(fēng)向與廣告牌面板法向向量夾角,利用公式得到風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子。

4廣告牌表面風(fēng)荷載特性研究

目前在設(shè)計(jì)過(guò)程中,戶外廣告牌表面風(fēng)荷載的取值沿用了《戶外廣告牌設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 148:2003)中相關(guān)規(guī)定[8]。按照此方法,廣告牌表面風(fēng)載體型系數(shù)為單一值,而實(shí)際情況是各點(diǎn)的體型系數(shù)大小并不相等。本文通過(guò)CFD方法對(duì)獨(dú)立柱廣告牌表面風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬研究,模型及外形見(jiàn)圖2。

圖2　CFD模型及風(fēng)向定義Fig.2　CFD model and definition of wind directions

4.1　計(jì)算參數(shù)

為了控制網(wǎng)格的質(zhì)量,計(jì)算域采用子域法、Gambit提供的Size function等網(wǎng)格剖分技術(shù)進(jìn)行劃分,計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格以六面體和柱體網(wǎng)格為主,建筑周圍采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型,壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

入流面采用速度入流邊界條件。入口風(fēng)速采用B類地貌風(fēng)剖面。出流面采用壓力出口邊界條件。流域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件。建筑物表面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)以考慮鈍體流動(dòng)產(chǎn)生的分離流動(dòng)特征,而地面采用文獻(xiàn)[9]給出的修正壁面函數(shù)以保證數(shù)值模擬的精確性。修正的壁面函數(shù)由用戶自定義函數(shù)(User Defined Function,UDF)編程實(shí)現(xiàn)。

由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,對(duì)于雙面式獨(dú)立柱廣告牌,只計(jì)算0°～90°風(fēng)向角內(nèi)的風(fēng)壓系數(shù),每30°為間隔,共計(jì)4個(gè)工況;對(duì)于三面式獨(dú)立柱廣告牌,計(jì)算0°～60°風(fēng)向角內(nèi)的風(fēng)壓系數(shù),每15°為間隔,共計(jì)5個(gè)工況。

4.2　數(shù)據(jù)處理方法

點(diǎn)體型系數(shù)定義為某一點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)壓與該點(diǎn)高度來(lái)流風(fēng)壓的比值,即μsi=2pi/ρui2,其中,pi為廣告牌表面在點(diǎn)i處法向方向風(fēng)壓值;ρ為空氣密度;ui為該點(diǎn)高度處的來(lái)流風(fēng)速。廣告牌表面風(fēng)載體型系數(shù)μs為點(diǎn)體型系數(shù)的面積加權(quán)值,μs=ΣμsiAi/ΣA。正值表示受風(fēng)壓力作用,負(fù)值表示受風(fēng)吸力作用。

4.3　體型系數(shù)分布特性

由定義可知,點(diǎn)體型系數(shù)是將結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓用相同高度來(lái)流風(fēng)壓無(wú)量綱化后的值,在一定程度上可以反映結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的大小。圖3給出0°和60°風(fēng)向角下雙面式獨(dú)立柱廣告牌外表面的點(diǎn)體形系數(shù)分布規(guī)律。從圖中可以看出,隨著來(lái)流風(fēng)向的改變,各表面點(diǎn)體型系數(shù)分布發(fā)生了顯著的變化。

0°風(fēng)向角下,面板1的外表面受到壓力作用,面板中心位置壓力最大,點(diǎn)體型系數(shù)最大值為0.98;而面板2的外表面受到吸力作用,面板中心位置吸力最小,邊緣吸力最大,為-0.61。兩個(gè)面板的風(fēng)壓分布都具有對(duì)稱性,這是因?yàn)閬?lái)流受到廣告牌的阻擋而產(chǎn)生分離,并在廣告牌后側(cè)形成兩個(gè)對(duì)稱的漩渦。

而60°風(fēng)向角下,風(fēng)壓分布不再具有對(duì)稱性,面板1、面板2的外表面風(fēng)壓(壓力或吸力)最大值都位于面板邊緣,分別為0.98、-2.90。這說(shuō)明斜風(fēng)向角下,邊緣處來(lái)流分離更為嚴(yán)重。隨著來(lái)流的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),風(fēng)壓沿來(lái)流方向呈逐漸減小趨勢(shì)。

當(dāng)廣告牌表面風(fēng)壓分布不均勻時(shí),由于面板兩側(cè)受到的風(fēng)壓對(duì)面板中心的彎矩作用大小不相等,必然會(huì)導(dǎo)致廣告牌受到扭轉(zhuǎn)力的作用。情況嚴(yán)重時(shí),可能導(dǎo)致廣告牌產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象。而如果按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2010),廣告牌表面風(fēng)壓分布具有左右對(duì)稱性,并不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。由此可見(jiàn),在對(duì)獨(dú)立柱廣告牌進(jìn)行受力分析時(shí),必須考慮來(lái)流方向因素導(dǎo)致的受力不均勻性。

4.4　體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化特性

將點(diǎn)體型系數(shù)進(jìn)行面積加權(quán)可以得到面板表面的風(fēng)荷載體型系數(shù)。圖4為雙面式、三面式獨(dú)立柱廣告牌各面板風(fēng)荷載體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。這里給出的面板風(fēng)荷載體型系數(shù)為各面板的外表面與內(nèi)表面風(fēng)荷載體型系數(shù)之差。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定,廣告牌面板迎風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值為0.8,背風(fēng)面的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值為-0.5,則整體體型系數(shù)應(yīng)為1.3。

從圖3(a)中可以看出,雙面式獨(dú)立柱廣告牌各面板的風(fēng)荷載體型系數(shù)都隨風(fēng)向角變化而變化。面板1的風(fēng)荷載體型系數(shù)在0°風(fēng)向角達(dá)到最大值為1.58,大于規(guī)范規(guī)定的1.3。而面板2的風(fēng)荷載體型系數(shù)在所考察的風(fēng)向角內(nèi)都小于1.3,最大值僅為0.25。這是兩塊面板之間的互相干擾所致。同時(shí)由于兩塊面板相距較近,其內(nèi)表面受力在量值幾乎相等,且方向相反,在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析時(shí)可以相互抵消,因此導(dǎo)致合力的最大值為1.34,與規(guī)范規(guī)定值相差很小。從圖3(b)可以看出,三面式獨(dú)立柱廣告牌各面板體型系數(shù)也隨風(fēng)向角而變化,且面板1在0°、30°風(fēng)向角下體型系數(shù)都大于規(guī)范取值,最大值為1.43。由于三面式獨(dú)立柱廣告牌的三個(gè)面受力方向不同,不能將其進(jìn)行簡(jiǎn)單的加減組合,所以這里沒(méi)有給出合力值。

圖3　雙面式獨(dú)立柱廣告牌外表面的點(diǎn)體形系數(shù)分布規(guī)律Fig.3　Distribution of shape coefficient for double-side single-column billboards

圖4　風(fēng)荷載體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化曲線Fig.4　Shape coefficient as a function of wind direction

5廣告牌變形分析

不同于一般的建筑結(jié)構(gòu),獨(dú)立柱廣告牌的結(jié)構(gòu)重量主要集中在結(jié)構(gòu)頂部,而且面板是主要的受力構(gòu)件,這些特點(diǎn)決定了獨(dú)立柱廣告牌是非常典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。因此風(fēng)荷載的正確取值是進(jìn)行風(fēng)災(zāi)評(píng)估的關(guān)鍵所在。本文利用有限元軟件 ANSYS對(duì)廣告牌整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。其中,立柱及面板骨架構(gòu)件以及支撐構(gòu)件采用BEAM44單元,覆面鐵皮采用SHELL63單元,所有連接點(diǎn)均假設(shè)為剛性結(jié)點(diǎn)。材料彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.8×103kg/m3。

5.1　計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 148:2003)[8],施加在戶外廣告牌上高度z處的單位面積風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=βzμsμzw0。式中,w0為10 m高度基本風(fēng)壓;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0μz為高度z處基本風(fēng)壓。本文在計(jì)算中直接采用獨(dú)立柱廣告牌面板中心高度19 m作為風(fēng)速參考點(diǎn),風(fēng)速U取值范圍為2~46 m/s,相應(yīng)的風(fēng)壓為0.5ρU2。μs為風(fēng)荷載體型系數(shù),采用數(shù)值模擬結(jié)果。βz為風(fēng)振系數(shù),雙面式、三面式獨(dú)立柱廣告牌彎矩振動(dòng)的風(fēng)振系數(shù)分別為1.51,1.59,扭轉(zhuǎn)風(fēng)振系數(shù)分別為1.63,2.65[10]。雙面式獨(dú)立柱廣告牌的計(jì)算風(fēng)向?yàn)?°～90°,每30°為間隔;三面式獨(dú)立柱廣告牌的計(jì)算風(fēng)向?yàn)?°～60°,每15°為間隔。

5.2　雙面式廣告牌位移響應(yīng)分析

對(duì)于獨(dú)立柱廣告牌而言,整體結(jié)構(gòu)的傾倒及面板的彎曲破壞是兩種非常危險(xiǎn)的損壞形式,而與這兩種損壞形式相對(duì)應(yīng)的量化指標(biāo)為立柱的頂點(diǎn)位移及橫梁兩端的相對(duì)位移,因此本文主要對(duì)這兩種位移響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5　雙面式獨(dú)立柱廣告牌位移響應(yīng)隨風(fēng)速變化曲線Fig.5　Displacement of double-side single-column billboard as a function of wind velocity

圖5給出不同風(fēng)速風(fēng)向下,雙面式獨(dú)立柱廣告牌的立柱頂點(diǎn)位移及橫梁兩端相對(duì)位移的計(jì)算值及擬合值。其中,擬合值=fUfθ,fU,fθ分別考慮了風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ξ灰频挠绊?下文相同。立柱頂點(diǎn)位移擬合值由式(2)給出,橫梁相對(duì)位移擬合值由式(3)給出。這里給出的橫梁兩端相對(duì)位移是所有橫梁中相對(duì)最大的值。

(2a)

(2b)

(3a)

(3b)

從圖5可以看出,立柱頂點(diǎn)位移及橫梁相對(duì)位移都隨著風(fēng)速的增加而增大。對(duì)比不同風(fēng)向下的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在相同風(fēng)速下,立柱頂點(diǎn)位移在0°風(fēng)向角達(dá)到最大值,而橫梁兩端相對(duì)位移則在60°風(fēng)向角達(dá)到最大值。這是因?yàn)榱⒅旤c(diǎn)位移與廣告牌的整體受力有關(guān),而橫梁兩端相對(duì)位移則與面板的風(fēng)荷載分布特性有關(guān)。可見(jiàn),當(dāng)來(lái)流方向與廣告牌面板的法線成不同夾角時(shí),雙面式獨(dú)立柱廣告牌可能產(chǎn)生的損壞形式是不同的。因此,必須獲得廣告牌所在位置的風(fēng)場(chǎng)資料,才能對(duì)廣告牌的危險(xiǎn)狀態(tài)做出正確的判斷。

5.3　三面式廣告牌位移響應(yīng)分析

圖6給出不同風(fēng)速風(fēng)向下,三面式獨(dú)立柱廣告牌的立柱頂點(diǎn)位移及橫梁兩端相對(duì)位移的計(jì)算值及擬合值。立柱頂點(diǎn)位移擬合值由式(4)給出,橫梁相對(duì)位移擬合值由式(5)給出。這里給出的橫梁兩端相對(duì)位移是所有橫梁中相對(duì)最大的值。結(jié)果表明,三面式獨(dú)立柱廣告牌的立柱頂點(diǎn)位移及橫梁相對(duì)位移隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)與雙面式獨(dú)立柱廣告牌相同。但是,在不同風(fēng)向角下立柱頂點(diǎn)位移隨風(fēng)速的變化曲線基本重合,說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體傾倒的損壞形式對(duì)風(fēng)向并不敏感。而橫梁兩端相對(duì)位移則在30°風(fēng)向角達(dá)到最大值。

(4a)

(4b)

(5a)

1.79×10-2θ2+0.4712θ+1

(5b)

6應(yīng)用實(shí)例

圖6　三面式獨(dú)立柱廣告牌位移響應(yīng)隨風(fēng)速變化曲線Fig.6　Displacement three-side single-column billboard as a function of wind velocity

利用本文提出的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算方法,結(jié)合氣象觀測(cè)站風(fēng)觀測(cè)資料數(shù)據(jù),可快速、方便地對(duì)獨(dú)立柱廣告牌進(jìn)行風(fēng)災(zāi)評(píng)估。以“?？迸_(tái)風(fēng)影響期間,上海地區(qū)獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)評(píng)估為例,

來(lái)說(shuō)明本文所提方法的實(shí)用性。2012年11號(hào)“?？睆?qiáng)臺(tái)風(fēng)是近幾年影響上海最大的臺(tái)風(fēng)。受其影響,上海中心城區(qū)最大風(fēng)力(陣風(fēng))達(dá)6～8級(jí),郊區(qū)達(dá)9～10級(jí),東部和南部沿海達(dá)11～12級(jí)。上海11個(gè)氣象站最大風(fēng)速為4.2(徐家匯)～18.4 m/s(金山),極大風(fēng)速12.4～29.2 m/s。因“?？迸_(tái)風(fēng)從上海西南方向經(jīng)過(guò),對(duì)崇明三島影響較輕,故崇明東部沿海和橫沙島的風(fēng)速相對(duì)較小。

圖7　獨(dú)立柱廣告牌與高速公路相對(duì)位置示意圖Fig.7　Location of single-columnbillboards along highway

上海地區(qū)的獨(dú)立柱廣告牌主要分布在上海繞城高速、外環(huán)高速、華夏高速、迎賓高速、滬嘉高速、沈海高速、京滬高速、滬渝高速、滬昆高速、申嘉湖高速、滬金高速、滬蘆高速、新衛(wèi)高速兩側(cè)。由前文的分析可知,獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子不僅與風(fēng)速有關(guān),還與風(fēng)向有關(guān),而公式中所用的風(fēng)向角度是指來(lái)流風(fēng)速與廣告牌面板法向向量的夾角。因此理論上,需要知道每塊廣告牌的具體方位。作為算例,本文假設(shè)高速公路兩側(cè)的雙面式獨(dú)立柱廣告牌面板垂直于高速公路切線,而三面式獨(dú)立柱廣告牌面板的一個(gè)面板與高速公路切線平行(圖7)。

圖8給出“?？庇绊懫陂g雙面式、三面式獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布圖。所用風(fēng)觀測(cè)資料是“?？庇绊懫陂g各氣象站所測(cè)得的最大10 min平均風(fēng)速資料。需要說(shuō)明的是,氣象站的風(fēng)速資料一般為10 m高度觀測(cè)結(jié)果,在利用本文式(2)-式(5)進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要將其轉(zhuǎn)換為面板中心高度風(fēng)速(本文面板中心高度為19 m)。按照風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子R的大小,將獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí),見(jiàn)表1。當(dāng)R>1時(shí),說(shuō)明獨(dú)立柱廣告牌已經(jīng)超出正常使用極限狀態(tài),可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞。

從圖8可以看出,總體上雙面式、三面式獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布規(guī)律相似,中部及北部地區(qū)處于中等風(fēng)險(xiǎn)以下,而南部地區(qū)處于中度及以上風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),這是受整體天氣狀況的影響。但是在部分路段,相比之下,三面式廣告牌的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)要高于雙面式廣告牌,說(shuō)明在“海葵”臺(tái)風(fēng)期間,這些路段的雙面式廣告牌是偏于安全的。

需要說(shuō)明的是,由于鋼構(gòu)件銹蝕等原因會(huì)造成戶外廣告牌結(jié)構(gòu)的剛度降低,因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)依據(jù)廣告牌的具體情況對(duì)本文給出的公式進(jìn)行適當(dāng)修正。此外,本文的“?？迸_(tái)風(fēng)案例屬于已經(jīng)發(fā)生的天氣過(guò)程,因此給出的廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子是確定性分析結(jié)果。對(duì)于一次即將發(fā)生的天氣過(guò)程,可以結(jié)合氣象部門的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)戶外廣告牌的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行概率性分析。

圖8　“?？逼陂g獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布示意圖Fig.8　Distribution of wind damage risk for single-column billboards during Haikui

表1獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分依據(jù)

Table 1　Levels of wind damage risk for single-cloumn billboards

7結(jié)論

本文以獨(dú)立柱廣告牌的正常使用極限狀態(tài)為目標(biāo),利用CFD及有限元分析等方法對(duì)雙面式、三面式獨(dú)立柱廣告牌所受風(fēng)荷載及變形進(jìn)行了分析,提出了一種綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向影響的廣告牌風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,以此來(lái)衡量獨(dú)立柱廣告牌在極端大風(fēng)天氣下可能的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度,為此類廣告牌的風(fēng)災(zāi)評(píng)估提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下:

(1) 0°風(fēng)向角下,雙面式獨(dú)立柱廣告牌兩個(gè)面板的風(fēng)壓分布都具有對(duì)稱性,而60°風(fēng)向角下,風(fēng)壓分布不再具有對(duì)稱性。當(dāng)廣告牌表面風(fēng)壓分布不均勻時(shí),由于面板兩側(cè)受到的風(fēng)壓對(duì)面板中心的彎矩作用大小不相等,必然會(huì)導(dǎo)致廣告牌受到扭轉(zhuǎn)力的作用。由此可見(jiàn),在對(duì)獨(dú)立柱廣告牌進(jìn)行受力分析時(shí),必須考慮來(lái)流方向因素導(dǎo)致的受力不均勻性。

(2) 獨(dú)立柱廣告牌各面板的風(fēng)荷載體型系數(shù)都隨風(fēng)向角變化而變化。雙面式獨(dú)立柱廣告牌面板1的風(fēng)荷載體型系數(shù)在0°風(fēng)向角達(dá)到最大值,為1.58,而面板2的風(fēng)荷載體型系數(shù)在所考察的風(fēng)向角內(nèi)都小于1.3,最大值僅為0.25。三面式獨(dú)立柱廣告牌各面板體型系數(shù)也隨風(fēng)向角而變化,且面板1在0°、30°風(fēng)向角下體型系數(shù)都大于規(guī)范取值,最大值為1.43。

(3) 獨(dú)立柱廣告牌立柱頂點(diǎn)位移及橫梁相對(duì)位移都隨著風(fēng)速的增加而增大。在相同風(fēng)速下,雙面式獨(dú)立柱廣告牌立柱頂點(diǎn)位移在0°風(fēng)向角達(dá)到最大值,而橫梁兩端相對(duì)位移則在60°風(fēng)向角達(dá)到最大值。這是因?yàn)榱⒅旤c(diǎn)位移與廣告牌的整體受力有關(guān),而橫梁兩端相對(duì)位移則與面板的風(fēng)荷載分布特性有關(guān)?？梢?jiàn),當(dāng)來(lái)流方向與廣告牌面板的法線成不同夾角時(shí),雙面式獨(dú)立柱廣告牌可能產(chǎn)生的損壞形式是不同的。因此,必須獲得廣告牌所在位置的風(fēng)場(chǎng)資料,才能對(duì)廣告牌的危險(xiǎn)狀態(tài)做出正確的判斷。而三面式獨(dú)立柱廣告牌的立柱頂點(diǎn)位移在不同風(fēng)向角下隨風(fēng)速的變化曲線基本重合,說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體傾倒的損壞形式對(duì)風(fēng)向并不敏感,而橫梁兩端相對(duì)位移則在30°風(fēng)向角達(dá)到最大值。

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收稿日期：2014-05-14

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