智慧城市多功能標(biāo)志標(biāo)牌桿選型研究

王敏，姚云龍，任高杰

(華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014)

1 引言

智慧城市多功能標(biāo)志標(biāo)牌桿（以下簡(jiǎn)稱智慧標(biāo)牌桿）是基于傳統(tǒng)市政桿件，有效融合照明、通信、安防、市政等功能于一體，根據(jù)不同的使用場(chǎng)景組合出功能適配的桿件，通過個(gè)性化設(shè)計(jì)，使得智慧標(biāo)牌桿的設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度要求和經(jīng)濟(jì)適用中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，從而使智慧標(biāo)牌桿達(dá)到提高城市管理效率和空間利用率的目的。此類桿件除應(yīng)控制桿件應(yīng)力比，確保桿件各部位滿足強(qiáng)度要求，以及控制端部、節(jié)點(diǎn)位移外，還應(yīng)控制桿件造價(jià)。

智慧標(biāo)牌桿挑臂通常根據(jù)城市使用習(xí)慣差異、標(biāo)牌面積大小等因素采用雙挑臂或三挑臂。本文以雙挑臂智慧標(biāo)牌桿為例，考慮常見智能化模塊，基于標(biāo)志標(biāo)牌大小變化時(shí)引起的桿身設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行論述。

2 基本信息

智慧標(biāo)牌桿采用模塊化概念進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，常用模塊有：標(biāo)志標(biāo)牌+5G 天線+照明+預(yù)留設(shè)備。

選擇智慧標(biāo)牌桿（2.5 m×1.5 m），挑臂長(zhǎng)度5 m；智慧標(biāo)牌桿（4 m×2 m），挑臂長(zhǎng)度5 m 進(jìn)行對(duì)比分析。

上段主桿采用鋁合金（6061），其底部?jī)?nèi)力較小滿足強(qiáng)度要求。下段主桿結(jié)構(gòu)采用Q355 或Q420，采用十二邊形錐度桿，其上端直徑統(tǒng)一采用240 mm,下端直徑和壁厚根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算確定；挑臂結(jié)構(gòu)鋼材采用Q235 或Q355，采用圓鋼管，壁厚根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算確定。所有節(jié)點(diǎn)均為剛性連接。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示，掛載設(shè)備參數(shù)見表1。

圖1 智慧標(biāo)牌桿物理尺寸圖

表1 掛載設(shè)備面積、高度及質(zhì)量

3 計(jì)算方法

3.1 有限元模型

采用有限元軟件對(duì)主桿結(jié)構(gòu)及挑臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，主桿、挑臂均采用框架單元進(jìn)行模擬。

桿件風(fēng)荷載計(jì)算按照有限元模型求得的基本自振周期，依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算[1]。

3.2 荷載施加

假定建設(shè)地點(diǎn)為密集建筑群的城市市區(qū)（地面粗糙度C類），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。基本風(fēng)壓0.50 kN/m2，設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度7 度，0.10g，抗震設(shè)防類別為丙類，阻尼比采用0.01；不考慮裹冰荷載影響；經(jīng)過前期研究，地震荷載組合不起控制作用；多功能桿檢修均采用登高檢修車，因而研究過程計(jì)入恒載與風(fēng)荷載對(duì)智慧標(biāo)牌桿的影響。

智慧標(biāo)牌桿主要由挑臂、上段主桿、下段主桿組成，3 部分構(gòu)件風(fēng)荷載按均布荷載沿桿身進(jìn)行布置，其中挑臂被標(biāo)牌遮擋部分不考慮均布風(fēng)荷載。掛載設(shè)備質(zhì)量及風(fēng)荷載按相應(yīng)集中力布置在計(jì)算作用點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 模型選取

模型根據(jù)控制單變量進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，遵循研究主桿數(shù)據(jù)變化時(shí)，挑臂物理數(shù)據(jù)保持不變；研究挑臂數(shù)據(jù)變化時(shí)，主桿物理數(shù)據(jù)保持不變，具體模型建立如下：

模型一：智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m）研究下段主桿直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí)，主桿下段厚度t=5 mm，挑臂采用φ140 mm×4 mm；

模型二：智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）研究主桿直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí)，主桿下段厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm，挑臂采用φ168 mm×4 mm；

模型三：智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m）研究挑臂直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí)，下段主桿直徑采用270 mm，厚度采用4 mm；挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm；

模型四：智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）研究挑臂直徑變化對(duì)內(nèi)力及位移影響時(shí)，下段主桿直徑采用270 mm，厚度采用6 mm；挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm。

4.2 應(yīng)力比對(duì)分析

4.2.1 主桿應(yīng)力比對(duì)分析

模型一、模型二下段主桿應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 智慧標(biāo)牌桿主桿根部應(yīng)力比

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求[2]，應(yīng)力比（計(jì)算強(qiáng)度/鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）≤1.0，桿身強(qiáng)度方為滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖2 可知，智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m）當(dāng)下段主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q355 時(shí)，主桿根部直徑最小應(yīng)采用280 mm；當(dāng)采用鋼材采用Q420 時(shí)，主桿根部直徑最小應(yīng)采用260 mm；智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）當(dāng)主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q355 時(shí)，主桿根部直徑采用240～310 mm，應(yīng)力比驗(yàn)算不能滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q420 時(shí)，主桿根部直徑最小應(yīng)采用310 mm；當(dāng)主桿采用壁厚為6 mm，當(dāng)采用鋼材為Q355 時(shí)，主桿根部直徑最小應(yīng)采用300 mm；當(dāng)主桿采用壁厚為6 mm，當(dāng)采用鋼材為Q420時(shí)，主桿根部直徑最小應(yīng)采用290 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明：下段主桿桿身直徑受指示牌面積大小影響較大，當(dāng)指示牌尺寸增大時(shí)，主桿應(yīng)力增大，可以通過提高鋼材強(qiáng)度、增加壁厚和加大下段主桿直徑來控制下段主桿應(yīng)力比。

4.2.2 挑臂應(yīng)力比對(duì)分析

模型三、模型四下挑臂應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 雙挑臂多功能標(biāo)牌桿挑臂根部應(yīng)力比

根據(jù)GB 50017—2017 規(guī)范要求，應(yīng)力比（計(jì)算強(qiáng)度/鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）≤1.0，挑臂強(qiáng)度方可滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖3a 可知，智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m）當(dāng)挑臂壁厚為4 mm，鋼材為Q235 時(shí)，挑臂直徑最小應(yīng)采用159 mm；當(dāng)挑桿壁厚為4 mm，鋼材為Q355 時(shí)，挑臂直徑最小應(yīng)采用133 mm；當(dāng)挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q235 時(shí)，挑臂直徑最小應(yīng)采用146 mm；當(dāng)挑臂桿壁厚為5 mm，鋼材為Q355 時(shí)，挑臂直徑可采用121 mm。

從圖3b 可知，智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）當(dāng)挑臂桿壁厚為4 mm，鋼材為Q235 時(shí)，挑臂直徑采用140～180 mm 均不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；當(dāng)挑桿壁厚為4 mm，鋼材為Q355 時(shí)，挑臂直徑最小應(yīng)采用168 mm；當(dāng)挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q235 時(shí)，挑臂直徑最小應(yīng)采用180 mm；當(dāng)挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q355 時(shí)，挑臂直徑應(yīng)采用146 mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)表明:挑臂尺寸受指示牌面積大小影響較大，當(dāng)指示牌尺寸較大時(shí)，挑臂應(yīng)力發(fā)生明顯增長(zhǎng)，提高鋼材強(qiáng)度、增加壁厚能更加有效控制挑臂應(yīng)力比，同時(shí)加大主桿直徑也可以改善挑臂應(yīng)力比不足的情況。

4.3 位移比對(duì)分析

智慧標(biāo)牌桿變形主要包括主桿變形和挑臂變形，主要控制因素如下：（1）重力荷載作用下主桿的水平變形；（2）重力荷載作用下挑臂的垂直變形；（3）風(fēng)荷載作用下主桿的水平變形；（4）風(fēng)荷載作用下挑臂的水平變形。

經(jīng)過前期研究，智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌2.5 m×1.5 m）與智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）位移變化規(guī)律類似。本文以智慧標(biāo)牌桿（標(biāo)志牌4 m×2 m）位移變化進(jìn)行論述。計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7 所示。

圖4 重力作用下主桿挑臂連接處水平位移

圖5 重力作用下挑臂端部垂直位移

圖6 風(fēng)荷載作用下主桿頂部位移

圖7 風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及美觀角度，重力作用下主桿挑臂連接處水平位移宜控制在50 mm 以內(nèi)；重力作用下挑臂端部垂直位移控制在1/33×挑臂長(zhǎng)度內(nèi)，即挑臂長(zhǎng)度為5 m 時(shí)挑臂端部垂直位移控制在151 mm 以內(nèi)。由圖4、圖5 可知，智慧標(biāo)牌桿重力荷載作用下位移隨著挑臂直徑、挑臂厚度以及掛載設(shè)備質(zhì)量的增大而增大。由于智慧標(biāo)牌桿挑臂上設(shè)備質(zhì)量較小，在滿足強(qiáng)度應(yīng)力比要求的前提下，重力荷載作用下主桿挑臂連接處水平位移均小于50 mm；而挑臂端部垂直位移則可以通過預(yù)置上揚(yáng)角度來抵消其豎向變形。

參考YD/T 5131—2019《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置5G 天線的智慧標(biāo)牌桿位移控制在標(biāo)準(zhǔn)組合下1/33×桿身高度內(nèi)，即當(dāng)采取本次計(jì)算模型桿件高度為10.5 m 時(shí)，風(fēng)荷載作用下主桿頂部的位移控制在318 mm 以內(nèi)。由圖6 可知，風(fēng)荷載作用下頂部位移受到標(biāo)志牌大小，主桿壁厚，主桿根部直徑的影響。當(dāng)標(biāo)志牌尺寸為4 m×2 m，主桿下段鋼結(jié)構(gòu)壁厚為5mm 時(shí)，主桿根部直徑不應(yīng)小于290 mm；當(dāng)標(biāo)志牌尺寸為4 m×2 m，主桿下段鋼結(jié)構(gòu)壁厚為6 mm 時(shí)，主桿根部直徑不應(yīng)小于270 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，無監(jiān)控設(shè)備時(shí)風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移控制在500 mm 以內(nèi)。實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)結(jié)合掛載設(shè)備的性能要求，準(zhǔn)確確定掛載設(shè)備的面積和安裝位置，從而確定挑臂端部位移控制值。由圖7 可知，設(shè)備擋風(fēng)面積的增加對(duì)于風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移影響很大，增加挑臂壁厚，或者增大挑臂直徑對(duì)于挑臂位移均有改善作用。當(dāng)標(biāo)牌尺寸為4 m×2 m，挑臂厚度為5 mm 時(shí)，挑臂直徑不應(yīng)小于152 mm；標(biāo)牌尺寸為4 m×2 m，挑臂厚度為6 mm 時(shí)，挑臂端部位移均小于500 mm。

綜合智慧標(biāo)牌桿以上特點(diǎn)，控制桿件位移的過程中，風(fēng)荷載作用下桿件產(chǎn)生的位移相較于重力荷載下桿件產(chǎn)生的位移更起控制作用，增加主桿壁厚，增大主桿根部直徑可以有效控制桿件頂部位移；增加挑臂厚度，增大挑臂直徑可以有效控制挑臂端部位移。實(shí)際工程中應(yīng)該控制標(biāo)牌桿面積及挑臂長(zhǎng)度，必要時(shí)可以考慮增加挑臂數(shù)量或采用門架式等方案，從而達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的目的。

5 結(jié)語

基于有限元軟件對(duì)智慧標(biāo)牌桿的主桿結(jié)構(gòu)及挑臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，分別研究不同尺寸標(biāo)志牌在恒載與風(fēng)荷載作用下對(duì)桿件主要部位極限承載能力和位移的影響。研究表明：標(biāo)牌尺寸的大小對(duì)桿件方案確定起關(guān)鍵性作用。標(biāo)牌面積增大，風(fēng)荷載作用下桿件位移增加幅度變大。當(dāng)標(biāo)志牌面積較小時(shí)，桿件承載力極限狀態(tài)起到控制作用；隨著標(biāo)志牌面積增大，除應(yīng)控制桿件應(yīng)力比外，同時(shí)應(yīng)關(guān)注風(fēng)荷載作用下桿件位移是否滿足需求。通過增加壁厚，加大桿件直徑可以有效控制桿件應(yīng)力比和位移。同時(shí)在位移滿足規(guī)范要求的前提下，提高桿件的鋼材型號(hào)可以更直接有效控制應(yīng)力比。

在實(shí)際工程建設(shè)中，在滿足應(yīng)力比與位移的前提下，對(duì)多個(gè)可行方案進(jìn)行比選，選取用鋼量更少的方案，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性要求。