高速公路收費站廣告牌的受力與安全分析

趙英培 李華

摘 要：隨著我國高速公路的迅猛發(fā)展，高速公路兩側(cè)、收費站場和服務(wù)區(qū)逐漸成為理想的廣告投放場所。高速公路范圍內(nèi)的廣告設(shè)施結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足安全和穩(wěn)定要求，避免倒塌或脫落影響道路通行和行車安全。本文以某收費站場廣告牌為例，建立有限元計算模型對廣告牌的受力和安全性進(jìn)行了驗算分析，并提出了廣告牌與站棚之間的最小距離。

關(guān)鍵詞：高速公路;廣告設(shè)施;有限元;驗算分析

中圖分類號：U270.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0118-03

Abstract： With the rapid development of expressways in China， both sides of expressways， toll stations and service areas have gradually become ideal places for advertising. The structure of advertising facilities within the expressway shall meet the requirements of safety and stability， and avoid collapse or falling off affecting road traffic and driving safety. This paper took a billboard in a toll station as an example， established a finite element calculation model to analyze the force and safety of the billboard， and proposed the minimum distance between the billboard and the stand.

Keywords： expressway;advertising facilities;finite element;checking analysis

廣告是最大、最快、最廣泛的信息傳遞媒介，通過廣告，企業(yè)能把產(chǎn)品與勞務(wù)的特性、功能、用途及供應(yīng)廠家等信息傳遞給消費者，溝通產(chǎn)需雙方的聯(lián)系，引起消費者的注意與興趣，促進(jìn)購買。廣告能激發(fā)和誘導(dǎo)消費，廣告造成的視覺、感覺映象以及誘導(dǎo)往往會勾起消費者的現(xiàn)實購買欲望。廣告能較好地介紹產(chǎn)品知識、指導(dǎo)消費，可以全面介紹產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、用途等，消除購買者的疑慮和消費后的后顧之憂，使其產(chǎn)生購買欲望。隨著我國高速公路的迅猛發(fā)展，為了追求速度和舒適，越來越多的人選擇高速客運，這也為高速戶外廣告的發(fā)展提供了一個新的機(jī)遇。高速公路兩側(cè)廣告塔、跨線橋梁護(hù)欄外側(cè)、收費站場和服務(wù)區(qū)是一種理想的廣告投放場所，已成為眾多商家推介產(chǎn)品、樹立品牌、展示企業(yè)形象的理想選擇。但是，一旦高速公路范圍內(nèi)的廣告設(shè)施出現(xiàn)倒塌或掉落等，將直接危及高速公路正常通行和行車安全。因此，在高速公路范圍設(shè)置的廣告設(shè)施應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計，必須保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

1 工程概況

某高速公路收費站廣告牌設(shè)置于下站口站棚前后，牌面設(shè)計總長為63.0 m，高度為5.0 m，設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。廣告牌結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、鋼管立柱、橫向鋼骨架、連接桁架和廣告牌面等部分組成。廣告牌立柱采用Φ1 020 mm×10 mm鋼管立柱，廣告牌橫向骨架和連接桁架采用Φ140 mm×6 mm、Φ114 mm×5 mm、Φ89 mm×4 mm、Φ60 mm×3 mm等Q235鋼管焊接組成。

2 廣告牌的設(shè)計參數(shù)

2.1 廣告牌的設(shè)計材質(zhì)

本設(shè)計采用全鋼結(jié)構(gòu)戶外廣告牌，立柱、牌面骨架和和連接桁架全部采用Q235鋼材拼焊而成，鋼管技術(shù)參數(shù)滿足《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》（GB/T 8162—2018）的相關(guān)要求[1]，鋼材力學(xué)技術(shù)指標(biāo)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）的要求[2]。廣告牌牌面采用鍍鋅鐵皮材質(zhì)。

2.2 主要設(shè)計荷載

廣告牌結(jié)構(gòu)主要承受包括以結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、雪荷載等為主的荷載效應(yīng)，其中，風(fēng)荷載起到控制作用。

2.2.1 風(fēng)荷載的計算。本設(shè)計分別按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[3]和《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148—2003）[4]計算風(fēng)荷載，取兩者較大值作為驗算荷載值。風(fēng)荷載的取值和廣告牌所處地區(qū)基本風(fēng)壓、地表類型、計算高度相關(guān)，風(fēng)荷載具體計算結(jié)果如表1所示。本設(shè)計中，風(fēng)荷載驗算標(biāo)準(zhǔn)值取0.93 kN/m2。

2.2.2 雪荷載的計算。根據(jù)設(shè)計資料和廣告牌結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.40 kN/m2。

3 廣告牌驗算與結(jié)果分析

3.1 廣告牌的驗算內(nèi)容

驗算的主要內(nèi)容為廣告牌自身結(jié)構(gòu)的受力安全情況、結(jié)構(gòu)的位移情況及對站棚的影響，具體涉及以下三個方面：最不利工況下廣告牌結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度驗算;在最不利荷載工況作用下廣告牌鋼結(jié)構(gòu)的水平位移驗算;分析和評估廣告牌鋼結(jié)構(gòu)對臨近收費站站棚的影響[5]。

3.2 廣告牌有限元計算模型

為了解結(jié)構(gòu)的靜力性能，本研究對該廣告牌進(jìn)行了力學(xué)性能分析。采用專用有限元程序MIDAS/Civil，建立該廣告牌的空間有限元模型進(jìn)行受力分析;根據(jù)廣告牌設(shè)計圖紙，采用有限元計算軟件MIDAS/Civil建立廣告牌計算模型，如圖2所示。橫向鋼骨架、連接桁架、鋼管立柱均采用梁單元模擬，廣告牌面采用板單元模擬，桿件截面及材料參數(shù)根據(jù)設(shè)計取值，模型邊界根據(jù)實際連接或錨固情況確定[6]。有限元建模的過程步驟如下。

3.2.1 定義材料。操作順序都可以按下列步驟來執(zhí)行：選擇設(shè)計材料類型（鋼材、混凝土、組合材料、自定義）→選擇的規(guī)范→選擇相應(yīng)規(guī)范數(shù)據(jù)庫中的材料;對于自定義材料，輸入各種控制參數(shù)的數(shù)據(jù)，包括彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)和容重等。

3.2.2 截面定義。通過程序提供的截面特性計算器來生成截面數(shù)據(jù)。

3.2.3 建立節(jié)點。節(jié)點是有限元模型最基本的單位。一般可以采用捕捉柵格網(wǎng)、輸入坐標(biāo)、復(fù)制已有節(jié)點和分割已有節(jié)點等方法來建立新的節(jié)點。另外，在復(fù)制單元的同時，程序會自動生成構(gòu)成單元的節(jié)點。

3.2.4 建立單元。在MIDAS/Civil中可以通過多種方法來建立單元，包括連接已有節(jié)點建立單元、對已有單元進(jìn)行分割建立新的單元、擴(kuò)展已有節(jié)點或單元生成更高維數(shù)的單元、導(dǎo)入AUTOCAD的DXF文件來生成單元等。

3.2.5 定義邊界條件。MIDAS/Civil里比較常用的邊界包括一般支撐、節(jié)點彈性支撐、面彈性支撐和剛性連接等邊界條件的定義方法。一般支撐是應(yīng)用最廣的邊界條件，選擇要施加一般支撐的節(jié)點，選擇約束自由度方向即完成一般支撐的定義。

3.2.6 定義自重荷載。MIDAS/Civil對結(jié)構(gòu)的自重荷載可以通過程序來自動計算。程序計算自重的方法是以材料的容重、截面面積、單元構(gòu)件長度和自重系數(shù)為基礎(chǔ)，自動計算結(jié)構(gòu)自重。在定義自重時，首先要定義自重荷載的荷載工況名稱，并定義自重所屬的荷載組，然后輸入自重系數(shù)即可。

3.2.7 風(fēng)荷載定義。將均布面荷載直接布置于廣告牌面上。

3.2.8 雪荷載定義。將均布荷載直接布置于梁單元上。

在進(jìn)行廣告牌強(qiáng)度復(fù)核時，本設(shè)計考慮如下承載能力極限狀態(tài)基本組合。組合1是1.2自重+1.4風(fēng)荷載（單側(cè)風(fēng)）+0.7雪荷載;組合2是1.2自重+1.4雪荷載+0.7風(fēng)荷載（單側(cè)風(fēng)）。在進(jìn)行廣告牌水平位移驗算時，按照《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS148—2003），本設(shè)計主要考慮風(fēng)荷載（標(biāo)準(zhǔn)值）的作用。

3.3 驗算結(jié)果分析

3.3.1 自身強(qiáng)度和受力驗算。如圖3所示，在荷載組合1作用下，廣告牌鋼結(jié)構(gòu)桿件最大拉應(yīng)力為97.08 MPa，最大壓應(yīng)力為-104.51 MPa。在荷載組2合作用下，廣告牌最大拉應(yīng)力為50.64 MPa，最大壓應(yīng)力為-53.50 MPa;廣告牌自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

3.3.2 結(jié)構(gòu)水平位移驗算。按《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS148—2003）計算水平位移時，主要考慮風(fēng)荷載（標(biāo)準(zhǔn)值）的作用。如圖4所示，廣告牌鋼結(jié)構(gòu)頂點的水平位移最大值為18.541 mm，不超過該點離地高度（12.2 m）的1/100，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)水平位移滿足要求。廣告牌與收費站棚之間的最小凈距為50 mm，廣告牌在最大位移下不會與站棚發(fā)生碰撞，不會影響站棚安全。

4 結(jié)語

本文利用有限元計算軟件MIDAS/Civil，建立了某高速公路收費站場廣告牌的計算模型，并通過計算確定了作用在廣告上的有關(guān)荷載。有限元計算分析結(jié)果表明，在驗算荷載的最不利組合下，結(jié)構(gòu)桿件最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均不超過材料設(shè)計值，廣告牌自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求;在風(fēng)荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)頂點的水平位移最大值不超過該點離地高度的1/100，結(jié)構(gòu)水平位移滿足要求;為避免站棚與廣告牌發(fā)生碰撞，廣告牌與站棚間的最小間距應(yīng)不小于廣告牌離地高度的1%。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.結(jié)構(gòu)用無縫鋼管：GB/T 8162—2018[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[3]交通運輸部.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS148—2003[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[5]李志豪.大型戶外單立柱廣告牌的風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)的試驗研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2018：107.

[6]宮文天.大型戶外廣告牌結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2019：22-23.