高建筑物上廣告牌鋼結構抗震校驗

馮濤

（河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島066000）

1 引言

隨著我國經濟的迅速發展，城市地區很多高建筑物上的廣告牌日益增多，廣告牌的安全隱患問題也漸漸進入大眾視線。大多數廣告牌建在室外，不可避免地要經歷風雨、地震等自然天氣的影響，往往會造成很大的經濟損失。因此，必須認真研究鋼結構廣告牌的抗震性能，保證高建筑物上的廣告牌穩定性。

本文通過對石家莊城市郊區廣告牌設施的調查，并通過建立有限元，對10m 高建筑上廣告牌進行受地震載荷作用下受力仿真分析，最終將結果與國家現行標準《建筑結構載荷規范》相比較，確定廣告牌是否符合標準。

2 受力分析與模型建立

2.1 材料參數與單元屬性

本文分析的廣告牌為安裝在10m 高建筑物上的廣告牌鋼結構，位于石家莊市房屋較稀疏的城市郊區。結構中用到的材料參數如表1 所示。

表1 各材料參數

當材料受到的應力達到屈服應力時，就會產生塑性形變，即受到的作用力消除后，材料產生的形變不能完全消除。在實際情況中表現為受到地震作用產生變形后，在地震結束后形變不能完全消除，因為沒有雪花鋼和彩鋼的具體鋼材型號或材料參數，暫時將它們的屈服應力按Q215A 的屈服應力進行計算。雪花鋼和彩鋼面板的厚度均為1mm。

2.2 荷載作用標準

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》地震作用載荷的取值方法如下[1]：

根據CECS 148：2003《戶外廣告設施鋼結構技術規程》[2]，石家莊市的地震烈度為7，故取αmax=0.08，進行地震安全性校核時，加載的慣性加速度為a=αmaxg=784mm/s2。

2.3 建立有限元模型

有限單元法的原理為：將無限自由度的連續體轉換成有限自由度的離散化結構組合，最終通過結構力學中的矩陣方法對其進行求解[3]。鋼結構中的薄壁板結構，包括廣告牌面板、大字、Logo、角鋼、方鋼等，因為其尺寸遠大于厚度，所以可以用殼單元模擬（見圖1）。

圖1 廣告牌鋼結構的有限元模型

圖1 中的紅色框內結構為加固部分。該有限元模型中共有殼單元576 989 個，梁單元8 061 個，連接用剛性單元53 228個，共計638 278 個單元。

2.4 邊界條件

地震載荷作用下的施加載荷：給廣告牌鋼結構整體施加的慣性加速度與g=9 800mm/s2的重力加速度；約束：與屋頂水泥塊連接的節點采用固定約束，即限制這些節點的6 個自由度位移均為零。

3 計算結果

3.1 南北向地震

將重力g=9 800mm/s2和南北向慣性力a=784mm/s2加載在鋼結構上，得到鋼結構的應力云圖如圖2 所示。

由圖2 可以看出，結構中應力較大的部分為懸空的L4、L5 角鋼部分，應力最大點出現在東面懸空部分的加固L4 角鋼上。結構中受到的最大應力為92.2MPa，遠小于其材料的屈服極限215MPa，所以結構在南北向地震中安全。

圖2 結構受南北向地震載荷應力云圖

去掉加固用的角鋼后，應力最大點位于東面的固定支架上，如圖3 所示，在南北向地震載荷下，位移最大的部分出現在東面支撐梁處，最大位移為9.6mm。

圖3 無固定角鋼結構受南北向地震載荷應力云圖

3.2 東西向地震

將重力g=9 800mm/s2和南北向慣性力a=784mm/s2加載在鋼結構上，得到鋼結構的應力云圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，結構中受到的最大應力為95.5MPa，遠小于其材料的屈服極限215MPa，所以，結構在東西向地震中安全。去掉加固用的角鋼后，應力最大點位于東面的固定支架上，在東西向地震載荷下，位移最大的部分出現在東面支撐梁處，最大位移為12.1mm。

圖4 結構受東西向地震載荷應力云圖

4 結語

根據國家現行標準GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》[4]規定和有限元分析結果，給廣告牌鋼結構加載地震烈度為6的地震載荷后，求得鋼結構在東西向水平地震和南北向水平地震中受到的最大應力均小于相應材料的屈服應力。其中，長度最大的東面斜撐梁受到的應力和產生的位移均為最大。廣告牌鋼結構在東西向和南北向水平地震中均安全，確保了鋼結構廣告牌的安全性，能避免僅憑經驗設計存在的安全隱患。