LED 顯示屏鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計技巧

高 慶

（上海藝嘉智慧科技集團(tuán)有限公司，上海 200000）

LED 顯示屏鋼結(jié)構(gòu)的型式主要有立柱式、落地式、壁掛式、嵌入式、吊裝式等幾種組成。每種結(jié)構(gòu)的支撐點及受力方式都有所不同。再加上周邊地質(zhì)條件、環(huán)境因素的各種考量，實際設(shè)計時還得加上風(fēng)壓、雪壓、地震系數(shù)等多重受力影響。因此，鋼結(jié)構(gòu)作為一種特定的工程產(chǎn)品，其并沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模板，需要工程設(shè)計者根據(jù)現(xiàn)場條件、機(jī)箱結(jié)構(gòu)、視覺效果及業(yè)主要求等多方面進(jìn)行思考。

1 材料的分類

常用鋼結(jié)構(gòu)材料按截面型式可分為H 型鋼、L 型鋼（角鋼）、C 型鋼、G 型鋼、方管、圓管等。H 型鋼常用于懸挑立柱主節(jié)點，L 型鋼（角鋼）常用于斜拉桿及平臺支撐，方管常用于室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)龍骨，圓管多用于管桁架、鋼立柱、平臺扶手等。LED 鋼構(gòu)設(shè)計相對簡單，實際上掌握H 型鋼、L 型鋼（角鋼）、方管、圓管的使用技巧即可。

2 材料的選擇

2.1 材料固有屬性

對于項目中所使用的材料，一般都需要從材料庫中選取，材料庫中的材料即對應(yīng)的是市場所能夠購買到的材料，顯示屏鋼結(jié)構(gòu)的材料一般都為Q235B。以矩形方管100×50×4 為例，在布置時需了解材料固有的主要受力面，才能做到經(jīng)濟(jì)合理。矩形方管所對應(yīng)截面X、Y 兩個方向的力學(xué)性能不同，設(shè)計中應(yīng)充分利用受力大的截面，回避受力小的截面。顯然垂直于50 的面屬于最大受力方向[1]。

每種截面的材料猶如人的性格，根據(jù)截面是否實腹，結(jié)構(gòu)是否對稱，X、Y 兩個方向上尺寸的差異而存在各自不同的特點。在實際設(shè)計中需要不斷總結(jié)經(jīng)驗，掌握這些特點后才能物盡其用。

2.2 強(qiáng)度與剛度的平衡

強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度，因此它是一個應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值因材料的特性不同而異，對鋼材是取它的屈服點。

強(qiáng)度大就不容易被壓碎拉斷，剛度大則不容易變形。強(qiáng)度以“截面積×屈服應(yīng)力”的形式體現(xiàn)，剛度是以截面分布是否遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中軸的形式體現(xiàn)。如果強(qiáng)度夠大，剛度不足，單獨構(gòu)件都不會出現(xiàn)破壞但整體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)變形甚至倒塌。猶如積木倒塌一般，設(shè)計中需二者兼顧。

以懸臂結(jié)構(gòu)為例：

假設(shè)有個長12m 的懸臂，當(dāng)懸臂橫梁截面為400× 100×14mm 矩形管的情況下，自然撓度為58mm。將其厚度降低為8mm 的時候，橫梁撓度則降低為55.8mm。這里需要注意，控制變形的時候一定要兼顧強(qiáng)度。因為，此模型中的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身重量，所以可以調(diào)整。

調(diào)整后卻發(fā)現(xiàn)，截面面積降低后，撓度反而小了，為什么？因為截面下降所引起的撓度降低速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有自重荷載降低所導(dǎo)致的撓度降低速度快。雖然剛度也有一定的下降，但是結(jié)構(gòu)卻更加輕盈合理（注：截面調(diào)整的前提是需要保證強(qiáng)度沒有問題）。

實際安裝中，可能需要厚度與截面同時調(diào)整，以達(dá)到最快降低變形的目的。而截面3 所計算的調(diào)整，只是對截面做了放大，增加剛度的同時進(jìn)一步增加了自重。雖然也可以滿足設(shè)計需求，但是卻非常的笨重。

故而，我們在分析結(jié)構(gòu)變形時需找到控制原因，不能單獨放大截面，還應(yīng)檢查構(gòu)件厚度是否合理[2]。

2.3 材料的受力方向

前面講過，材料因截面的不對稱性，在不同方向所表現(xiàn)出的力學(xué)能力有所不同，在實際使用中需注意善于利用它們剛度較大的一面，避免剛度較小的一面成為主要受力面。下面用一個實際案例來做說明。

左側(cè)按照方管200×100 平置的方向布置，沒有充分發(fā)揮出200 面抗彎方面的性能，而是讓100 面抗彎，驗算完后局部應(yīng)力突破了自身的承載極限。

經(jīng)過對模型的詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，在沒有進(jìn)行任何截面提高的情況下，繞構(gòu)件繞中軸旋轉(zhuǎn)90 度，將200面作為主受力面，構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力僅僅達(dá)到承載能力的0.63。

綜上所述：在分析結(jié)構(gòu)承載力時，還需檢查主要受力構(gòu)件的性能有沒有完全發(fā)揮出來，而不是盲目地提高材料截面。

3 結(jié)構(gòu)的搭建

3.1 室內(nèi)靜置結(jié)構(gòu)

隨著LED 行業(yè)室內(nèi)小間距屏的興起，目前顯示屏項目大部分集中在室內(nèi)，室外結(jié)構(gòu)越來越少。室內(nèi)LED鋼結(jié)構(gòu)較室外LED 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡單一些。但依然有幾個要點需要在設(shè)計時注意[3]。

首先是抗傾覆的問題：靜置結(jié)構(gòu)受到水平力，繞右側(cè)底邊棱旋轉(zhuǎn)時，圍繞底邊棱，自重所產(chǎn)生的逆時針的彎矩，與外部荷載水平力所產(chǎn)生的順時針彎矩相互制衡的關(guān)系，結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計是否合理就與這樣的力學(xué)平衡計算有關(guān)。

為了簡化計算關(guān)系，引入了高度與厚度比值的概念。一般而言靜置結(jié)構(gòu)是不是有良好的抗傾覆能力，在設(shè)計高度與厚度時需要控制它們之間的落差，簡稱高厚比。

當(dāng)靜置結(jié)構(gòu)底部有拉結(jié)時，在抗傾覆驗算規(guī)則不變的前提下，加入兩個固節(jié)點的支座反力，不同的是旋轉(zhuǎn)軸會從右側(cè)底邊棱線轉(zhuǎn)移到支座上。支座的跨度提供抵抗彎矩的力臂。

綜上所述，室內(nèi)靜置結(jié)構(gòu)需要優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)的高厚比，從體型上可以減少基礎(chǔ)受力大小，同時還需要清楚背后相互之間的運作關(guān)系，當(dāng)客戶對體型提出具體要求時，能夠準(zhǔn)確控制。

3.2 結(jié)構(gòu)的骨架

無論是室內(nèi)屏還是室外屏，鋼結(jié)構(gòu)的布置可以采用有核心骨架與沒有核心骨架兩個思路去設(shè)計，具體采用哪一種需結(jié)合現(xiàn)場受力條件去選擇。當(dāng)采用有核心骨架的方案時，對基層施加的力會集中在骨架底部[4]。適合能夠明確確定屏體下部為承重梁柱的場所，需要對應(yīng)梁柱頂面去設(shè)計結(jié)構(gòu)骨架。當(dāng)采用沒有核心骨架的方案時，受力會比較均勻分散，但需要考慮平均荷載不能超出基面最薄弱點承載力。

LED 結(jié)構(gòu)作為附著于樓體的衍生結(jié)構(gòu)，首先需要分析基面的具體特點，靈活選擇結(jié)構(gòu)布置方式。當(dāng)有核心骨架時，需滿足核心荷載的承載要求以及骨架底部是否有足夠大的承載能力。當(dāng)沒有核心骨架時，需保證拉結(jié)生根的每個點都不超出基面的承載能力[5]。

3.3 截面突變與重心、形心、剛心

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)整體的布置需盡量均勻。另外，靠近支座方向結(jié)構(gòu)的截面積需盡量大于或等于遠(yuǎn)離支座方向的截面積，即盡量避免結(jié)構(gòu)反向收縮。

因為當(dāng)質(zhì)量不均勻時，會形成重心偏移幾何中心的情況，從而使內(nèi)部產(chǎn)生較大的彎扭。當(dāng)外形不均勻時，結(jié)構(gòu)承受的外部荷載則會偏心。剛度不均勻時，其內(nèi)部應(yīng)力傳遞會形成集中區(qū)域，增加荷載對結(jié)構(gòu)影響。

剛度不均勻，剛心就會偏離幾何中心。外形不同，迎風(fēng)面受力就會偏心。

綜上所述，可以看出，漢代，無論在立法領(lǐng)域還是司法領(lǐng)域，皇帝的權(quán)力都是有限的。有限皇權(quán)在立法領(lǐng)域中的存在，有助于法律反映民意，實現(xiàn)法律寬緩的立法理想。有限皇權(quán)在司法領(lǐng)域中的存在，有利于實現(xiàn)司法公正，防止冤假錯案的發(fā)生。漢代，有限皇權(quán)在法制領(lǐng)域中的實現(xiàn)，對推動兩漢的法制文明做出了積極貢獻(xiàn)。

因此，好的結(jié)構(gòu)一般都是盡量追求重心、形心、剛心的“三心合一”，以減少內(nèi)應(yīng)力。

3.4 構(gòu)件的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中需要重點考慮的內(nèi)容之一，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷所致，要從根本上杜絕此類問題的發(fā)生，需通過加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計，來克服結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷[6]。

穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長而需設(shè)法避免進(jìn)入的狀態(tài)，因此它是一個變形問題。例如軸壓柱，當(dāng)失穩(wěn)時柱的側(cè)向撓度使柱中增加很大的附加彎矩，從而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度，此時，失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。

一般情況下，構(gòu)件受壓的時候很難完全發(fā)揮出自身的承載能力，因為長細(xì)構(gòu)件在端部受壓的時候會達(dá)到一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)部承載能力的臨界值，就會喪失穩(wěn)定狀態(tài)，這個臨界值叫臨界力。在做結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)知道受壓構(gòu)件有臨界力的限值約束，并且盡量避免長細(xì)構(gòu)件受壓的情況出現(xiàn)。

從穩(wěn)定性的考量中引申出了長細(xì)比，實際項目驗算需要驗算實腹構(gòu)件腹板翼緣的局部穩(wěn)定與截面的整體穩(wěn)定，都是為了排除未承載先失穩(wěn)的不良情況。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的原則

鋼結(jié)構(gòu)布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求，目前鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，如增加必要的支撐構(gòu)件等。要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計算需與結(jié)構(gòu)布置相一致。

結(jié)構(gòu)計算簡圖需與使用計算方法所依據(jù)的簡圖一致。當(dāng)設(shè)計單層或多層框架結(jié)構(gòu)時，通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計算。采用這種方法計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。

鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計與構(gòu)件的穩(wěn)定計算應(yīng)一致。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。

受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定有兩種方式：一是以屈曲為承載能力的極限狀態(tài)，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構(gòu)件整體失效前屈曲；二是允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲，并利用其屈曲后強(qiáng)度，構(gòu)件的承載能力由局部屈曲后的有效截面定。

軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定有三種方式：一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比；二是控制腹板計算高度與其厚度之比；三是對于圓管截面的受壓構(gòu)件，應(yīng)控制外徑與壁厚之比。

綜上所述，主要構(gòu)件受壓時，需注意構(gòu)件的穩(wěn)定性，構(gòu)件的長細(xì)比需要控制在規(guī)范范圍內(nèi)。鈑金薄板受壓，需要考慮薄板的局部穩(wěn)定情況，避免零件發(fā)生大的形變。穩(wěn)定性與受壓是伴生的關(guān)系。

4 結(jié)構(gòu)繪圖

4.1 節(jié)點分析與埋件設(shè)計

對于布置比較簡單、受力情況單一的結(jié)構(gòu)可以依靠經(jīng)驗設(shè)計。對于內(nèi)部布置復(fù)雜、受力情況比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要建模進(jìn)行內(nèi)力分析，布置材料截面進(jìn)行驗算是否可行。在對結(jié)構(gòu)建模計算結(jié)束后，拿到關(guān)鍵節(jié)點或預(yù)埋板處的內(nèi)力圖表，需要進(jìn)行局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確認(rèn)荷載大小，再進(jìn)行詳細(xì)的節(jié)點連接措施或者預(yù)埋板的設(shè)計。根據(jù)桿端內(nèi)力通過局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成連接板外力情況，設(shè)計節(jié)點連接板與螺栓布置。如果是固節(jié)點，通過查詢模型固節(jié)點反力，設(shè)計后置埋件。

一般對于有把握的節(jié)點與埋件可不進(jìn)行驗算。對于復(fù)雜節(jié)點，業(yè)主要求提供反力或者后置埋件沒有把握時，需要進(jìn)行節(jié)點驗算。

4.2 結(jié)構(gòu)圖紙的表達(dá)層次

鋼結(jié)構(gòu)作為空間立體結(jié)構(gòu)，在制圖時需按從整體到局部的次序表達(dá)。如果表達(dá)層次比較混亂，一則容易遺漏結(jié)構(gòu)重要節(jié)點復(fù)雜位置處的內(nèi)容，二則給他人審核、校對、交底及施工過程的讀圖帶來困難。

一般按照如下順序布置即可：

1.繪制屏體整體概況，即屏體整體平面、立面圖。

2.繪制鋼結(jié)構(gòu)框架整體平、立剖面，內(nèi)部特殊部位有剖面圖時剖切符號需標(biāo)注清楚。

3.按照剖面符號完整表達(dá)剖切面的內(nèi)容，復(fù)雜處可再進(jìn)行剖切視圖表達(dá)。

4.按照所有剖面符號，立面、平面視圖表達(dá)完整，內(nèi)部布置做法可在剖切視圖上表達(dá)。

5.繪制細(xì)節(jié)節(jié)點大樣圖即可。

總而言之，按照清晰的層次表達(dá)設(shè)計內(nèi)容，更方便設(shè)計及校核人員的閱讀、檢查和修改。

4.3 節(jié)點的處理經(jīng)驗

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點處理在鋼構(gòu)制圖中占總出圖工作量的一半左右。結(jié)構(gòu)整體布置完成后，對于重要的特殊的節(jié)點，一般都需要細(xì)化節(jié)點。

該部分設(shè)計需要通過平時設(shè)計與學(xué)習(xí)中積累的大量經(jīng)驗，結(jié)合節(jié)點的特點做針對性處理。通過對連接板、加筋板、法蘭、螺栓、錨栓、后置筋與化學(xué)螺栓以及高強(qiáng)螺栓的應(yīng)用，能夠保證每個桿端內(nèi)力安全可靠地傳遞過去。該部分沒有具體的經(jīng)驗可談，需要在實際項目中不斷積累，增加空間與變通能力。

5 結(jié)語

隨著新型鋼結(jié)構(gòu)材料及設(shè)計理念的不斷發(fā)展，使得LED 顯示屏的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也在不斷進(jìn)步。如何提高鋼結(jié)構(gòu)材料的利用率，加快鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的搭建速度，降低施工過程中產(chǎn)生的能耗及污染，更優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)及更便捷的拆裝方式，或許是我們今后需要關(guān)注的重點。