新型交通標(biāo)志桿的優(yōu)化設(shè)計

姜小鋒，龍絳珠，鄭長威

（福州大學(xué)陽光學(xué)院，福建 福州 350015）

0 前 言

隨著城市道路的發(fā)展，道路使用者對道路是否安全暢通能否順利快捷地抵達(dá)目的地越來越重視，對城市道路配套設(shè)施的要求也越來越高。單向懸臂式交通標(biāo)志桿以其占地面積小，內(nèi)容直觀易分辯等特點在道路標(biāo)志桿中占有較大比重，因傳統(tǒng)的型鋼制作交通標(biāo)志桿相對材料用量較大，連接較為復(fù)雜，為方便設(shè)計制作，常常將結(jié)構(gòu)形式、受力條件進行偏安全簡化，從而造成較大的材料浪費。鑒于此，本文利用Midas Civil對單向懸臂式交通標(biāo)志桿進行優(yōu)化設(shè)計，在滿足設(shè)計功能及模型凈空的條件下，對其結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面型式、構(gòu)件尺寸進行了比選，設(shè)計出了一款新型單向懸臂式交通標(biāo)志桿，該標(biāo)志桿不僅能滿足其強度、剛度、穩(wěn)定性的要求，而且制作安裝方便、自重輕、材料用量節(jié)約、外形美觀大方、實用性強。

1 設(shè)計原則

交通標(biāo)志桿設(shè)計不僅要考慮其設(shè)計要求中標(biāo)明的凈空條件，還要使其在強度、剛度、穩(wěn)定性及變形情況等多方面達(dá)到設(shè)計要求；同時交通標(biāo)志桿也必須兼顧其使用和施工的合理性，對其安全性與經(jīng)濟性進行統(tǒng)籌分析。

2 設(shè)計過程

2.1 設(shè)計思路

本文以福州市區(qū)一般道路單向懸臂式交通標(biāo)志桿為例，以滿足一般道路最低凈高度5m為交通標(biāo)志桿凈空設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)受到水平風(fēng)荷載和豎向結(jié)構(gòu)自重兩個方向的荷載作用。設(shè)計方案采用桁架式結(jié)構(gòu)，各桿件彼此間采用兩端焊接連接而成。為使桿件受力充分，提高材料利用率，采用立柱加斜撐懸臂梁的形式；為了防止水平方向荷載造成斜撐懸臂梁的失穩(wěn)問題，增加結(jié)構(gòu)的整體受力性能，在懸臂梁上的橫桿之間增加橫撐和斜桿；為了使整個結(jié)構(gòu)成為一個整體，提高抗扭能力，在懸臂梁上、下兩根主橫梁之間也加上豎直撐桿，使整個結(jié)構(gòu)的受力均勻和變形協(xié)調(diào)，整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，如圖1。

2.2 模型設(shè)計及計算

Midas Civil數(shù)學(xué)模型建立步驟：建立節(jié)點和單元→定義材料和截面特性→定義荷載及荷載組→定義邊界→定義施工階段→運行結(jié)構(gòu)分析。各項設(shè)計及計算過程簡要介紹如下。

2.2.1 節(jié)點及單元的建立

根據(jù)模型各構(gòu)件位置進行節(jié)點建立，并根據(jù)實際模型進行各節(jié)點連接得到結(jié)構(gòu)單元。

2.2.2 材料選擇

設(shè)計交通標(biāo)志桿選擇材料類型為型號Q235的鋼材，通過鋼材選擇的規(guī)范，選擇相應(yīng)規(guī)范數(shù)據(jù)庫中的材料即可得到該材料的各項力學(xué)性能。

2.2.3 構(gòu)件截面選擇

通過Midas Civil可以更改各個構(gòu)件的截面特性，通過模擬分析得出相同材料在相同條件下因構(gòu)件截面型式不同其受力性能及位移情況會有所不同。

通過對各種類型桿件的比較選擇最適合該標(biāo)志桿的桿件，如圖2。

本案例對各種不同構(gòu)件截面型式，利用Midas Civil軟件進行受力性能及位移情況分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相同材料做成的桿件在相同荷載組合作用下因為截面型式不同其桿件位移值會有很大區(qū)別。圓管的位移值較小，箱型桿件位移次之，工字型桿件位移最大。所以在制作交通標(biāo)志桿時優(yōu)先考慮圓管型構(gòu)件截面型式。

2.2.4 定義邊界形式

根據(jù)實際施工情況，本案例交通標(biāo)志桿采用法蘭盤與基礎(chǔ)通過螺栓連接所以它的邊界條件采用一般支支承，其平動和轉(zhuǎn)動全約束，即結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)固結(jié)。

2.2.5 荷載及荷載組合

豎向恒載：本案例以尺寸為4000mm×2400mm×3.0mm標(biāo)志牌為例，交通標(biāo)志牌和交通標(biāo)志桿自重假定為60kg進行設(shè)計計算,即豎向荷載為0.588kN。

橫向荷載：作用在交通標(biāo)志牌和交通標(biāo)志桿上的風(fēng)荷載。通過資料查閱得知福州市區(qū)50年一遇風(fēng)壓為0.7kN/m2，故本案例將作用在標(biāo)志桿上的風(fēng)荷載值假定為6.72kN進行設(shè)計計算。

將自重荷載和風(fēng)荷載進行組合形成組合荷載。

2.3 計算仿真與分析

采用以上組合荷載通過Midas Civil軟件進行模擬加載進行分析、處理、計算。經(jīng)計算處理，即可得出位移圖和應(yīng)力圖，如圖3、圖4所示。

也就是說，給標(biāo)志桿橫向斜梁外端部標(biāo)志牌懸掛位置施加一個組合荷載：側(cè)向6.72kN的水平荷載與0.588kN的豎向荷載組合。通過Midascivil軟件模擬加載分析計算，可以得出發(fā)生最大位移的地方位于交通標(biāo)志桿橫向斜梁末端，最大位移值為55mm＜80mm[允許最大位移值]。最大應(yīng)力發(fā)生在交通標(biāo)志桿基座處，最大應(yīng)力值為117MPa＜160MPa[許用應(yīng)力]。因此，整個交通標(biāo)志桿在使用中是安全可靠的。

通過以上分析，桁架結(jié)構(gòu)桿件多而密，且共同受力，具備很強的抗扭性能，而且利用短橫桿與斜桿對結(jié)構(gòu)的整體受力也起到很好的協(xié)調(diào)作用，結(jié)構(gòu)在受到最大荷載時，結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求，故本方案可行。

3 結(jié)構(gòu)特色

3.1 自重更輕更節(jié)省材料

新型交通標(biāo)志桿采用較細(xì)空心圓管焊接而成的桁架式結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)直接用型鋼制作的交通標(biāo)志桿更節(jié)省材料，能讓各個構(gòu)件受力達(dá)到很好地協(xié)調(diào)，從而充分利用材料的受力性能，做到物盡其用，達(dá)到經(jīng)濟合理的目的。

3.2 制作安裝更方便

鋼管間采用一般焊接，不需要特殊工藝要求，制作方便，在工廠進行桿件制作，在現(xiàn)場進行拼裝。標(biāo)志桿與基座采用法蘭盤與混凝土基礎(chǔ)中預(yù)埋的螺栓進行連接，標(biāo)志桿本身重量較輕，不需要大型起重設(shè)備，裝拆方便。

3.3 造型更美觀

桁架式標(biāo)志桿相對傳統(tǒng)標(biāo)志桿造型更輕盈、美觀，可以起到美化道路景觀的效果。

4 結(jié) 論

本文通過采用Midas civil軟件分析設(shè)計出一種新型單向懸臂式交通標(biāo)志桿，使得傳統(tǒng)單向懸臂式交通標(biāo)志桿得到改善，提高了交通標(biāo)志桿的經(jīng)濟、安全性能，為交通標(biāo)志桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了一個新的設(shè)計優(yōu)化思路。

[1]錢令希.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2]蔣玉川,傅昶彬,閻慧群.MIDAS在結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[3]CECS148:2003，戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[4]JTGD82-2009，公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[5]吳永盛,謝云.Midas/civil軟件在臨時結(jié)構(gòu)計算的運用[J].福建建筑,2012(4).

[6]王磊,楊培誠,王佳.Midas/civil在鋼管樁支架設(shè)計中的應(yīng)用[J].交通科技,2010(4).

[7]王成立.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析[J].低碳世界,2014(6).

[8]杜振華,鐘光忠,胡華萬.Midas在鋼混組合截面計算中的應(yīng)用[J].四川建筑,2010(1).

[9]周廷軍,樊國坤.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討[J].世界家苑,2014(5).

[10]夏保祥,楊漢忠,賈寧.一種新型交通標(biāo)志門架的設(shè)計與應(yīng)用[J].公路,2008(10).

[11]劉強,毛曉龍.Midas／Civil在鋼棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國水運,2014(6).