大型戶外單立柱廣告設施在臺風作用下的響應分析

王志潼

江蘇交通文化傳媒有限公司（210005）

我國東部沿海地區臺風多發。近年來，“瑪莉亞”、“利奇馬”和“巴威”等臺風對沿海地區造成了巨大的經濟損失[1]。大型戶外單立柱廣告設施屬于大柔度結構，抗風能力弱。已有較多臺風造成大型戶外單立柱廣告設施、高層建筑和大跨度橋梁等大柔度結構破壞的案例。隨著單立柱的高度增加，結構剛度下降較快，抗風設計成為結構安全的重要控制因素。因此，風荷載是大型戶外單立柱廣告設施的控制荷載之一。對大型戶外單立柱廣告設施進行抗風性能研究[2]，對于確保廣告設施的穩定性、安全性和適用性，具有非常重要的意義。

1 工程概況

文章依托工程為江蘇省境內某大型戶外單立柱廣告設施。該廣告設施由基礎、鋼立柱、上部網架和面板構成?；A采用6 根29 m 鉆孔灌注樁，樁端持力層為花崗巖；錨栓采用Q390 鋼制作；立柱采用鋼管結構，高度為45 m，立柱底部直徑為2.1 m，頂部直徑為1 m，鋼管壁厚28 mm；上部廣告牌有三個立面，采用桁架結構，鋼管和桁架均采用Q235鋼。圖1 為單立柱廣告設施結構示意圖。

圖1 單立柱廣告設施結構示意圖

2 結構動力特性分析

2.1 有限元計算模型

單立柱廣告設施的動力特性分析采用離散結構的有限元方法。廣告設施立柱采用變截面梁單元模擬，材料采用Q235 鋼材 （彈性模量為2.06×105MPa，密度為7 850 kg/m3）；廣告設施網架及面板采用30 t 豎向集中荷載近似模擬。將荷載轉化為集中質量，并考慮立柱頂端的鞭梢效應[3]。在立柱底端施加固結約束[4]，分析廣告設施在自重及風荷載作用下的響應。結構模型如圖2 所示。

圖2 廣告設施有限元模型示意圖

2.2 計算荷載

1）結構自重:重力加速度取為9.8 N/m2。

2）風荷載:按照12 級臺風施加風荷載。具體計算過程如下:

根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），風荷載的計算公式為:

wk=βzμsμzw0

式中:wk為標準值；μs為體型系數，根據規范建議按0.6 取值；μz為風壓高度變化系數（底面粗糙度為B 類，結構高度為45 m，根據規范建議取1.57）；w0為基本風壓（12 級臺風，按照 0.55 kN/m2取值）；bz為風振系數。

通過模態分析[5]，得到該廣告設施的基本自振周期為2.207 s；根據規范要求，對于基本自振周期大于0.25 s 的高聳建筑或者構筑物，應考慮風壓脈動[6]對廣告設施上部板面產生順風向風振的影響，風振系數βz的計算應按照如下公式計算:

式中:g為峰值因子，本工程可以取為2.5；I10為10 m 高度名義湍流強度，本工程應取為0.14；對于脈動風荷載，R為共振分量因子，根據規范要求進行計算，計算結果為2.74；Bz為背景分量因子，根據規范要求進行計算，計算結果為0.212。

風振系數βz的計算結果為1.433。

風荷載標準值wk可計算得到，wk=0.742 kN/m2，即立柱頂端風壓標準值為0.742 kN/m2。所施加的風荷載由兩部分組成，其一為鋼管圓立柱自身所承受的風荷載，通過對單元施加梯形壓力進行加載:立柱底端風壓為0，立柱頂端風壓為0.742 kN/m2，立柱整體按照倒三角形風壓施加；其二為頂端廣告牌所承受的風荷載，利用計算得到的頂端風壓乘以廣告牌面積得到平均風荷載值 （0.742 kN/m2×108 m2=80.14 kN），以集中荷載的形式施加于廣告牌形心位置。

3）荷載組合:1.2×自重＋1.4×風荷載。

2.3 計算結果

通過結構自振特性分析，可以得到廣告設施橫向振動的前三階模態，如圖3 所示。因此，結構基本自振周期為2.207 s。

圖3 結構振動模態及自振周期

3 風荷載作用結果分析

3.1 結構變形分析

經過計算表明，在組合效應下，結構最大變形出現在頂端，最大位移為34.7 cm。頂端最大位移偏離量與高度的比值為0.77%，小于《戶外廣告設施鋼結構技術規程》（CECS 148:2003）規定的1%，滿足靜風穩定性要求。結構偏移如圖4 所示。

圖4 結構變形圖

3.2 結構內力分析

在組合效應下，結構最大軸力、剪力和彎矩均出現在底部，最大軸力為776.7 kN，最大剪力為112.2 kN，最大彎矩為4 712.2 kN·m。結構內力如圖5 所示。

圖5 結構內力圖

3.3 結構組合應力分析

鋼立柱截面組合應力最大值沿高度方向的分布如圖6 所示。在組合效應[7]下，由于采用了變截面設計，截面最大應力出現在距底面28 m 的第二、三節段交界處，最大應力值為73.6 MPa，遠低于Q235鋼材屈服強度，廣告設施立柱安全。

4 結語

通過對戶外大型單立柱廣告設施進行動力特性分析、結構變形分析、內力分析和組合應力分析，得到以下結論:

1）結構動力特性表明，該單立柱廣告設施的自振周期達到2.207 s，屬于大柔度結構，風振對其影響顯著，所以在廣告設施設計時應考慮風振影響。

2）在12 級臺風的作用下，該單立柱廣告設施出現的最大位移偏移量小于規范允許值，穩定性滿足要求。在常見風速范圍內，該單立柱廣告設施不容易出現顯著的失穩現象。州影響的對比分析[J].浙江大學學報(理學版),2020,47(5):582-592.

圖6 結構截面組合應力最大值分布