交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

原晉喜

（山西交科開發(fā)經(jīng)營有限公司，山西太原 030006）

0 引言

交通標(biāo)志是設(shè)置于道路視域范圍內(nèi)，用圖形、文字、顏色及幾何符號等要素向交通參與者傳達一定信息的交通基礎(chǔ)設(shè)施。交通標(biāo)志根據(jù)其所發(fā)揮的功能可分為指示標(biāo)志、指路標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志等；按照支撐方式又可分為單柱式標(biāo)志、雙柱式標(biāo)志、單懸臂式標(biāo)志、雙懸臂式標(biāo)志、門架式標(biāo)志以及附著式標(biāo)志。

隨著我國公路交通建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，路網(wǎng)密布交錯，車流量速雙高的交通環(huán)境已經(jīng)形成，交通標(biāo)志在公路交通系統(tǒng)中起到的提高通行效率、保障交通安全的作用日益明顯。如何科學(xué)、合理地設(shè)計、設(shè)置交通標(biāo)志成為公路交通設(shè)計的一項重要課題。

1 交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行道路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要內(nèi)容包括：荷載的計算與組合，上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度、變形驗算，連接螺栓、地腳螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度驗算，標(biāo)志基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算。

1.1 荷載的計算與組合

交通標(biāo)志所受的荷載主要包括由標(biāo)志板面、鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的永久荷載和可變荷載兩部分，在交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計中可變荷載主要是指結(jié)構(gòu)所受到的風(fēng)荷載，并且，為簡化計算，通常風(fēng)荷載也僅考慮與標(biāo)志板面垂直方向的風(fēng)荷載。

交通標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常采用以概率論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計理論，即按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計[1]。

1.2 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和強度驗算

采用承載能力極限狀態(tài)對交通標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)的立柱和橫梁的構(gòu)件進行設(shè)計并進行強度驗算，使交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)能夠滿足在最不利荷載組合條件下所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)設(shè)計值不大于結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)值[2]，即：

式中：γ為標(biāo)志結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；δG為永久荷載（即標(biāo)志結(jié)構(gòu)自重）的設(shè)計值G在結(jié)構(gòu)荷載截面中產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)；δQ為可變荷載（主要為風(fēng)荷載）的設(shè)計值Q在結(jié)構(gòu)荷載截面中產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)；f為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度設(shè)計值。

1.3 上部結(jié)構(gòu)的變形驗算

對交通標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)的立柱與橫梁進行變形驗算一般采用正常使用極限狀態(tài)進行，結(jié)構(gòu)變形驗算應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)所受荷載的長期效應(yīng)組合，使結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形小于或等于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的容許變形值，即：

式中：v為交通標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形值；vG為永久荷載（及標(biāo)志結(jié)構(gòu)自重G）標(biāo)準(zhǔn)值在交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變形值；vQ為可變荷載（主要是風(fēng)荷載Q）標(biāo)準(zhǔn)值在交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變形值；[V]為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的容許變形值。

1.4 地腳螺栓與連接螺栓的設(shè)計與強度驗算

除附著式標(biāo)志外，交通標(biāo)志通過立柱及其附帶的法蘭盤與預(yù)埋于標(biāo)志基礎(chǔ)中的地腳螺栓固定與標(biāo)志基礎(chǔ)之上，地腳螺栓主要受到由標(biāo)志結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載引起的彎矩產(chǎn)生的力矩作用，并且在上下法蘭界面還受到由風(fēng)荷載所引起的剪力，因此地腳螺栓受力應(yīng)滿足：

式中：Nmax為受拉應(yīng)力最大的腳螺栓所承受的最大拉應(yīng)力值；Ntb為地腳螺栓的承載力設(shè)計值；Nvb為地腳螺栓按受剪狀態(tài)計算的承載力設(shè)計值；Nv為地腳螺栓所承受的剪力平均值。

連接螺栓強度驗算主要是針對懸臂式、門架式等標(biāo)志進行。對于偏向受力標(biāo)志，承擔(dān)標(biāo)志板面重量的橫梁其根部受到由自重和標(biāo)志板面重力引起垂直向下方向的彎矩（螺栓受到拉應(yīng)力）和剪力，在水平方向上則承受由風(fēng)荷載引起的水平彎矩（螺栓受到拉應(yīng)力）和剪力。將不同方向的彎矩和剪力組合后，應(yīng)滿足：

1.5 標(biāo)志基礎(chǔ)驗算

標(biāo)志基礎(chǔ)坐落在經(jīng)過強化處理的地基上，為標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)提供支撐，其強度和穩(wěn)定性直接決定標(biāo)志能否正常使用，對交通標(biāo)志基礎(chǔ)的驗算主要包括以下幾個方面：

a）基底應(yīng)力驗算 標(biāo)志基礎(chǔ)對基底產(chǎn)生的應(yīng)力不應(yīng)超過地基持力層的強度（即地基容許承載力）。

b）基底合力偏心距驗算 為使標(biāo)志基礎(chǔ)基底受力均勻，避免造成基礎(chǔ)的不均勻沉降、裂縫、懸空等病害，標(biāo)志基礎(chǔ)的基底合力偏心距不應(yīng)小于基礎(chǔ)基底的核心半徑。

c）抗傾覆穩(wěn)定性驗算 對于較大標(biāo)志（風(fēng)荷載產(chǎn)生偏心距）特別是懸臂式標(biāo)志等傾覆風(fēng)險較大的標(biāo)志，應(yīng)進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)可采用基底截面重心至壓力最大一邊的距離與外力合力偏心距之比來表示，一般要求抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥1.3。

d）抗滑穩(wěn)定性驗算 為簡化起見，抗滑穩(wěn)定性驗算忽略標(biāo)志基礎(chǔ)側(cè)面與土基的摩擦阻力?？够€(wěn)定系數(shù)可用標(biāo)志基礎(chǔ)基底與土基之間的摩擦阻力和水平推力的比值來表示，一般要求抗滑穩(wěn)定系數(shù)≥1.3[3]。

2 設(shè)計理論優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)修正

在計算交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)所受到的可變荷載——風(fēng)荷載時，標(biāo)志板所受風(fēng)荷載一般采用式（6）所示進行計算，需要注意，未被標(biāo)志板遮擋的標(biāo)志立柱、橫梁的迎風(fēng)面所受到的風(fēng)荷載計算方法也類似，只需要根據(jù)立柱、橫梁的不同形狀取用不同的風(fēng)力系數(shù)即可，為節(jié)省篇幅，此處不再列出。

式中：Fw為標(biāo)志板所受的風(fēng)荷載，kN；γ為標(biāo)志結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；γQ為可變荷載（主要為風(fēng)荷載）的分項系數(shù)，一般情況下，采用1.4；ρ為空氣密度，一般可取1.225 8 N·S2/m4；C為風(fēng)力系數(shù)，標(biāo)志板C為1.2；V為風(fēng)速，m/s；Wi為第i塊標(biāo)志板的寬度；Hi為第i塊標(biāo)志板的高度；n為標(biāo)志板的數(shù)量。

一般在設(shè)計時交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)安全等級都按照二級考慮，因此式中的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ統(tǒng)一取值為1。但考慮到交通標(biāo)志所代表的功能重要性不同，設(shè)置位置不同，支撐形式不同，其結(jié)構(gòu)安全性的要求也不可一概而論。例如：如果發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，門架式、懸臂式等上部結(jié)構(gòu)侵入路面上空的標(biāo)志相較設(shè)置于路側(cè)的柱式標(biāo)志危險性更大，對交通的影響也更大，對其結(jié)構(gòu)的安全性要求理應(yīng)更高。再如，指路標(biāo)志、禁令標(biāo)志等法律意義明確、重大，要比旅游區(qū)標(biāo)志、公益標(biāo)志等配套性標(biāo)志對交通管理更為重要，對其結(jié)構(gòu)重要性也應(yīng)相應(yīng)提高。另外，對于不同等級公路上設(shè)置的交通標(biāo)志，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)也應(yīng)有所區(qū)分?？傊鶕?jù)公路等級、標(biāo)志功能、支撐形式等具體確定，既要做到保證結(jié)構(gòu)安全，又不過于保守，造成工程浪費。

2.2 車輛風(fēng)荷載修正

在實際中，交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)除受自然風(fēng)荷載外，還受到由車輛（特別是大型車輛）快速行駛而引起的瞬時風(fēng)荷載，根據(jù)相關(guān)研究當(dāng)車速達到80 km/h 時形成的風(fēng)速即可達到20 m/s 以上，超過風(fēng)荷載計算所需最低風(fēng)速，此時對于高度較高，剛度相對較低的標(biāo)志有必要通過引入風(fēng)振系數(shù)的方法來將車輛引起的風(fēng)荷載的影響加入到風(fēng)荷載計算中。另外，進行標(biāo)志結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算時，也可以先對自然風(fēng)載和根據(jù)設(shè)計車速計算所得的車輛風(fēng)荷載進行比較，再選用風(fēng)速較大值。

2.3 雪荷載修正

在標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算中一般只考慮結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)自重一般按照式（7）計算：

式中：γG為永久荷載（結(jié)構(gòu)自重）的分項系數(shù)，一般情況下，采用1.2；Gbi為第i塊標(biāo)志板的重量；Gli為第i根橫梁的重量；Gz為標(biāo)志立柱的重量；m為標(biāo)志板數(shù)量；n為橫梁數(shù)量。

在北方地區(qū)，特別是對于懸臂式、門架式標(biāo)志，雪荷載是一項不可忽視的可變荷載。雪荷載是指由于自然降雪或風(fēng)吹雪作用在結(jié)構(gòu)物頂面，進而形成的雪壓，屬于一種自然氣象荷載，其大小主要由降雪量以及積雪面積決定。雪壓標(biāo)準(zhǔn)值的計算式為SK=μr·S0，其中μr為積雪分布系數(shù)，就是地面基本雪壓換算為結(jié)構(gòu)物頂面雪荷載的換算系數(shù)，其取值與結(jié)構(gòu)物頂面坡度、朝向及風(fēng)力等有關(guān)。S0為基本雪壓，kN/㎡，基本雪壓一般是按工程所在地空曠平坦地面上積雪自重的觀測數(shù)據(jù)，按照50 年一遇的頻率，通過概率統(tǒng)計確定的最大值。如無工程所在地相關(guān)統(tǒng)計資料也可按《全國基本雪壓分布圖》中相關(guān)數(shù)值計算。

一般情況下，交通標(biāo)志的積雪面積應(yīng)為懸臂橫梁、門架桁架的投影面積，但通常為了保證交通標(biāo)志的可視性，在標(biāo)志板面安裝時都會有一定的豎向傾角，加之有一些小型構(gòu)件的存在，使得積雪面積有所擴大，因此在計算雪荷載引起的重力時可引入大于1 的雪荷載分項系數(shù)γs。綜上，式（7）可以修正為式（8），式中As為標(biāo)志構(gòu)件豎向投影面積，即積雪面積。

3 結(jié)語

交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)形式多樣、受力復(fù)雜，功能、設(shè)置方式各不相同，在交通標(biāo)志的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮各項因素。本文提出了應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中區(qū)別不同標(biāo)志的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，考慮車輛風(fēng)荷載、雪荷載等優(yōu)化設(shè)計建議，這些建議對優(yōu)化標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益的參考?？紤]不同公路等級、標(biāo)志支撐結(jié)構(gòu)形式、設(shè)置位置、標(biāo)志功能重要度的標(biāo)志結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)應(yīng)如何確定；車輛風(fēng)荷載、標(biāo)志板面到車輛的距離與標(biāo)志所受到的風(fēng)壓之間的函數(shù)關(guān)系如何；雪荷載分項系數(shù)的確定等還需要繼續(xù)觀察研究。