大型戶外單立柱廣告設(shè)施在臺(tái)風(fēng)作用下的響應(yīng)分析

王志潼

江蘇交通文化傳媒有限公司（210005）

我國(guó)東部沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)多發(fā)。近年來(lái)，“瑪莉亞”、“利奇馬”和“巴威”等臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。大型戶外單立柱廣告設(shè)施屬于大柔度結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)能力弱。已有較多臺(tái)風(fēng)造成大型戶外單立柱廣告設(shè)施、高層建筑和大跨度橋梁等大柔度結(jié)構(gòu)破壞的案例。隨著單立柱的高度增加，結(jié)構(gòu)剛度下降較快，抗風(fēng)設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)安全的重要控制因素。因此，風(fēng)荷載是大型戶外單立柱廣告設(shè)施的控制荷載之一。對(duì)大型戶外單立柱廣告設(shè)施進(jìn)行抗風(fēng)性能研究[2]，對(duì)于確保廣告設(shè)施的穩(wěn)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(nèi)某大型戶外單立柱廣告設(shè)施。該廣告設(shè)施由基礎(chǔ)、鋼立柱、上部網(wǎng)架和面板構(gòu)成。基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(gè)立面，采用桁架結(jié)構(gòu)，鋼管和桁架均采用Q235鋼。圖1 為單立柱廣告設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 單立柱廣告設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

2.1 有限元計(jì)算模型

單立柱廣告設(shè)施的動(dòng)力特性分析采用離散結(jié)構(gòu)的有限元方法。廣告設(shè)施立柱采用變截面梁?jiǎn)卧M，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(shè)施網(wǎng)架及面板采用30 t 豎向集中荷載近似模擬。將荷載轉(zhuǎn)化為集中質(zhì)量，并考慮立柱頂端的鞭梢效應(yīng)[3]。在立柱底端施加固結(jié)約束[4]，分析廣告設(shè)施在自重及風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 廣告設(shè)施有限元模型示意圖

2.2 計(jì)算荷載

1）結(jié)構(gòu)自重:重力加速度取為9.8 N/m2。

2）風(fēng)荷載:按照12 級(jí)臺(tái)風(fēng)施加風(fēng)荷載。具體計(jì)算過(guò)程如下:

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），風(fēng)荷載的計(jì)算公式為:

wk=βzμsμzw0

式中:wk為標(biāo)準(zhǔn)值；μs為體型系數(shù)，根據(jù)規(guī)范建議按0.6 取值；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)（底面粗糙度為B 類，結(jié)構(gòu)高度為45 m，根據(jù)規(guī)范建議取1.57）；w0為基本風(fēng)壓（12 級(jí)臺(tái)風(fēng)，按照 0.55 kN/m2取值）；bz為風(fēng)振系數(shù)。

通過(guò)模態(tài)分析[5]，得到該廣告設(shè)施的基本自振周期為2.207 s；根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于基本自振周期大于0.25 s 的高聳建筑或者構(gòu)筑物，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)[6]對(duì)廣告設(shè)施上部板面產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，風(fēng)振系數(shù)βz的計(jì)算應(yīng)按照如下公式計(jì)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(qiáng)度，本工程應(yīng)取為0.14；對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)荷載，R為共振分量因子，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為2.74；Bz為背景分量因子，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.212。

風(fēng)振系數(shù)βz的計(jì)算結(jié)果為1.433。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk可計(jì)算得到，wk=0.742 kN/m2，即立柱頂端風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值為0.742 kN/m2。所施加的風(fēng)荷載由兩部分組成，其一為鋼管圓立柱自身所承受的風(fēng)荷載，通過(guò)對(duì)單元施加梯形壓力進(jìn)行加載:立柱底端風(fēng)壓為0，立柱頂端風(fēng)壓為0.742 kN/m2，立柱整體按照倒三角形風(fēng)壓施加；其二為頂端廣告牌所承受的風(fēng)荷載，利用計(jì)算得到的頂端風(fēng)壓乘以廣告牌面積得到平均風(fēng)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(fēng)荷載。

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)結(jié)構(gòu)自振特性分析，可以得到廣告設(shè)施橫向振動(dòng)的前三階模態(tài)，如圖3 所示。因此，結(jié)構(gòu)基本自振周期為2.207 s。

圖3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)及自振周期

3 風(fēng)荷載作用結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算表明，在組合效應(yīng)下，結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)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(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148:2003）規(guī)定的1%，滿足靜風(fēng)穩(wěn)定性要求。結(jié)構(gòu)偏移如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)變形圖

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

在組合效應(yīng)下，結(jié)構(gòu)最大軸力、剪力和彎矩均出現(xiàn)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(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖5 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

3.3 結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力分析

鋼立柱截面組合應(yīng)力最大值沿高度方向的分布如圖6 所示。在組合效應(yīng)[7]下，由于采用了變截面設(shè)計(jì)，截面最大應(yīng)力出現(xiàn)在距底面28 m 的第二、三節(jié)段交界處，最大應(yīng)力值為73.6 MPa，遠(yuǎn)低于Q235鋼材屈服強(qiáng)度，廣告設(shè)施立柱安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)戶外大型單立柱廣告設(shè)施進(jìn)行動(dòng)力特性分析、結(jié)構(gòu)變形分析、內(nèi)力分析和組合應(yīng)力分析，得到以下結(jié)論:

1）結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表明，該單立柱廣告設(shè)施的自振周期達(dá)到2.207 s，屬于大柔度結(jié)構(gòu)，風(fēng)振對(duì)其影響顯著，所以在廣告設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)振影響。

2）在12 級(jí)臺(tái)風(fēng)的作用下，該單立柱廣告設(shè)施出現(xiàn)的最大位移偏移量小于規(guī)范允許值，穩(wěn)定性滿足要求。在常見(jiàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，該單立柱廣告設(shè)施不容易出現(xiàn)顯著的失穩(wěn)現(xiàn)象。州影響的對(duì)比分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2020,47(5):582-592.

圖6 結(jié)構(gòu)截面組合應(yīng)力最大值分布