城市道路交通標志牌基礎設計研究

張志偉，任 強

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266000）

城市道路交通標志牌基礎設計研究

張志偉，任 強

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266000）

為解決城市道路交通標志牌基礎與市政管線之間的沖突，合理確定標志牌基礎尺寸。首先采用有限元軟件對標志牌振動模態進行分析求得其自振周期，確定是否考慮順風向風振的影響；再依據新版《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）進行風荷載計算，并在一定的約束條件下對基礎的尺寸進行分析，合理確定基礎尺寸的大??；最后，結合實際工程對標志牌基礎與市政管線之間的沖突問題提出了解決方案。

交通標志牌；振動模態；風荷載計算；基礎尺寸

0　引言

在市政道路的建設過程中，道路交通標志牌的設置是必不可少的一環。對于沿海地區，一些大型交通標志牌受到的風荷載較大。為滿足結構安全要求，基礎所需要的混凝土的體量是很可觀的，但由于市政道路與公路不同，地下敷設相當豐富的管線，特別是靠近路緣石附近，是地下管線爭奪的焦點。標志牌基礎一般也正好設置于這一位置，因此與地下管線線位發生沖突在所難免，特別是一些大型標志牌，由于基礎尺寸較大，這一問題變得更加明顯。

針對上述問題，本文依據新版《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）［1］，對沿海地區某一大型標志牌進行風荷載計算，進而對標志牌所需基礎尺寸進行合理分析，以盡量減少基礎與管線線位的沖突，并提出一些在設計及施工中應注意的問題。

1　計算及分析過程

1.1工程背景

青島沿海某一主干路，道路沿線交通標志牌面板尺寸采用3 m×6 m，其結構如圖1所示。支承桿件采用3F桿，桿件與基礎之間采用高強度螺栓進行連接，基礎尺寸暫定為a（寬）×l（長）×h（高），立桿、橫梁及面板材料見表1。道路沿線敷設有給水、排水、電力、通信、燃氣等管線，部分管線線位與標志牌基礎存在沖突。

1.2荷載分析及假定

標志牌上的作用力可分為永久作用和可變作用兩類［1］。永久作用主要包括桿件自重、標志牌或固定設備自重、土壓力和地基變形等；可變作用包括風荷載、覆冰荷載、雪荷載、安裝或檢修荷載、地震荷載、溫度荷載等。其中，風荷載是結構承受的主要荷載。本文也著重研究風荷載對標志牌的作用，并在計算分析的過程中作如下的假定：

（1）假定風荷載方向與標志版面垂直，不計扭轉或位移對風荷載的影響；

（2）基礎四周土的摩擦力和抗力忽略不計，作為安全儲備；

（3）忽略橫風向風振和扭轉風振的影響。

圖1　交通標志牌示意圖（單位：cm）

1.3標志牌振動模態分析

如前所述，本文主要考慮風荷載對標志牌的作用。影響風荷載大小的因素有基本風壓、風荷載體型系數、風壓高度變化系數、風振系數。前面三項可由規范直接取值［1］，而風振系數的計算需要計算結構的自振周期，然而在新版的《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）以及《戶外廣告設施鋼結構技術規程》（CECS148-2003）［2］中對結構的自振周期均要求采用結構動力學計算或采用近似計算，但是并未給出此類構件的近似計算公式。因此，有必要對標志牌的振動模態進行分析，從而求得與風振系數有關的自振頻率、自振周期以及振型系數等參數。

結構振動模態的分析可借助于通用有限元軟件，比如ANSYS、SAP2000、MIDAS來實現［3，4］。本文即采用有限元分析軟件MIDAS/Civil進行結構的離散和模型的建立，將標志牌劃分為59個梁單元和48個板單元，立桿底部采用固結處理。具體的建模參數見表1。表2和圖2分別給出了前四階振動模態的示意圖和計算結果。其中，一階模態自振頻率f=1.215 Hz，自振周期為T=0.823 s，振型系數為0.99。根據規范要求，自振周期大于0.25 s，需要考慮風壓脈動對結構順風向風振的影響［1］。

表1　建模參數

表2　各階模態自振頻率及振動形式

1.4風荷載計算

標志牌風荷載計算依據新版《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）中8.1.1條計算：

式中：βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數，取1.3；μz為風壓高度變化系數，沿海地區，地面粗糙度為A類，查表取1.28；w0為基本風壓（kN/m），取青島本地50 a一遇基本風壓w0=0.6 kN/m2。

對于風振系數的計算，新版《建筑結構荷載規范》與舊版比較，變化較大，現依據新版規范進行計算。對于一般豎向懸臂型結構，可僅考慮結構第一振型的影響［1］，根據規范8.4.3條：

圖2　一階至四階模態示意圖

式中：g為峰值因子，可取2.5；I10為10 m高度名義湍流強度，對A類地面粗糙度，可取0.12；R為脈動風荷載的共振分量因子；Bz為脈動風荷載的背景分量因子。

公式中R與Bz計算過程較為繁瑣，限于篇幅，不再一一贅述。這里僅給出計算結果，見表3。表3公式中的參數的具體含義見《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）。

表3　風荷載標準值計算結果

1.5基礎尺寸的分析

按照上述步驟求出風荷載標準值以后，即可計算基礎底面的傾覆力矩，一般情況下，確定基礎尺寸需要滿足的條件主要有：

（1）抗傾覆穩定系數不小于1.3；

（2）基礎底面零應力區不大于底面積的25%；

（3）滿足地基承載力要求。

從理論上說，基礎尺寸可以有無數種組合，若給其加上一系列的約束條件，并提出一個明確的目標函數，這樣就可以建立相應的數學模型，采用下面優化原理來進行求解。

優化的數學模型主要包括設計變量、目標函數和約束條件三方面。設計變量是指在優化過程中所要選擇的基本參數，對于本文要研究的內容來說，設計變量是標志牌的基礎尺寸：a、l、h；目標函數是衡量優化方案的標準，本文的目標函數可采用基礎混凝土最小用量來表示，即min｛a×l×h｝；約束條件是在優化的過程中所要考慮的種種限制，對于本文來說，包括基礎尺寸的合理范圍以及上面所需要滿足的三個條件等。具體的數學模型描述如下。

設計變量：基礎的尺寸a、l、h

目標函數：min f（a、l、c）=a×l×c

約束條件：a1＜a＜a2

l1＜l＜l2

h1＜h＜h2

K＞1.2

P＜25%

式中：a、l、h為基礎尺寸；a1、a2、l1、l2、h1、h2為基礎尺寸的合理范圍；K為基礎抗傾覆穩定系數；P為基礎底面零應力區占底面積的比值。

上述數學模型是一個典型的非線性優化問題，可采用通用軟件Matlab中的fmincon函數進行優化計算［5］，這樣就會得到唯一的最優解。

但是對于實際工程來說，基礎尺寸不需要很精確的數值，可以編制相應的計算表格進行計算。通過對基礎尺寸進行分析，得出如下規律：

（1）抗傾覆穩定性較容易滿足，基礎底面零應力區不大于底面積的25%成為主要的制約條件。

（2）基礎沿風荷載方向尺寸越大，相同條件下所用混凝土體量越小。

（3）基礎平面尺寸越大，相同條件下基礎底面零應力區不大于底面積的25%，這一制約條件更容易滿足，而增加基礎的高度并不明顯。

2　解決方案

通過上述分析可知，標志牌基礎的尺寸可以在一定的范圍內進行調整，結合施工中標志牌基礎與管線線位沖突這一實際問題，可采用以下解決方案：

（1）標志牌基礎盡量與地下管線工程同步實施，實施過程中可以通過調整基礎的位置、尺寸或管線局部的線位進行相互避讓；

（2）若標志牌基礎施工時遇到已實施的管線，也可通過調整基礎的位置或尺寸避讓現狀管線，必要時可做成不規則的基礎形狀。

針對該工程而言，由于管線影響，部分標志牌基礎寬度限制在1～1.5 m，據此擬定了一些常規的尺寸給實施單位選擇使用，見表4。

表4　部分基礎尺寸示例

從表4可以看出，在滿足抗傾覆穩定要求及基礎底面零應力區要求的基礎上，混凝土體量的變化還是較大的。因此，若能采取合理的尺寸，可以從一定程度上減少混凝土的用量。從表4中還可以看出，基礎抗傾覆穩定系數較大，若能放寬基礎底面零應力區所占底面積比例這一條件，基礎尺寸尚能進一步減小。

另外，若在基礎實施的過程中實在無法與管線避讓，可在保證管線安全的前提下，將管線與基礎澆筑成整體，必要時采用樁基礎形式。

3　結　語

道路標志牌的自振周期一般較長，計算風荷載時風壓脈動對結構順風向風振的影響不能忽視。在擬定標志桿基礎尺寸時，可以有多種不同的組合，應根據工程的不同的約束條件確定合理的尺寸，一方面可以有效解決與管線線位沖突這一問題，另外一方面可以減少混凝土用量，降低投資。

在實際的設計過程中，還應對標志牌桿件結構及高強度螺栓連接按照《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）進行設計或校核?；炷粱A則還應依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）進行結構計算，并配置相應的受力鋼筋及構造鋼筋，尤其對于非常規基礎，配筋應予加強。

另外，在對橫風向風振系數進行分析時，新規范中一些參數的計算是基于房屋等建筑結構類型，對于道路標志牌這種構件類型的適用性還有待進一步研究。

［1］GB 50009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［2］CECS148-2003，戶外廣告設施鋼結構技術規程［S］.

［3］劉成生，郭成喜，高金鎖.某鋼結構廣告牌結構分析［J］.工業建筑，2010（40）：553-555.

［4］張傳斌，楊邦成，姚激.標志牌桿在風荷載作用下的有限元［J］.特種結構，2011（2）：22-24.

［5］楊世文，許小健.MATLAB優化工具箱在結構優化設計中的應用［J］.科學技術與工程，2008（5）：1347-1349.

U491.5+2

A

1009-7716（2016）01-0022-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.008

2015-02-13

張志偉（1983-），男，山東德州人，工程師，從事道橋設計工作。