道路綜合桿擴大基礎優化設計

王文彪

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

在路側設施迅速增設的同時，城市道路桿體數量繁冗、類型多樣、分布無序的問題日益突出，桿件的數量和密度已形成街頭的“桿件森林”，嚴重影響了市容環境和城市形象。因此，加強路側桿件管理，尋求集約化、精細化管理的新思路，是大型城市精細化管理的重要體現。搭載多部門、多類型設備設施，將路燈、指示牌、紅綠燈、監控探頭等桿件集成整合的道路綜合桿，是道路附屬設施集成化布設的載體，為城市道路集約化管理提供了良好的解決方案。在改善城市景觀的同時，實現了城市道路公共空間附屬設施的集成運維，也為智慧城市物聯感知端提供了泛在網格化的搭載節點[1]。

為了貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，加強城市精細化管理，規范道路桿件及相關設施設置，切實改善市容市貌，創造有溫度、可感知的城市環境，上海市進行了合桿技術導則和地標規范編制，并進行了大規模的道路合桿整治工程，效果顯著[2]。在綜合桿為道路路側物聯感知體系提供優良服務的同時，也對自身結構和承載能力提出了特殊要求。然而，由于綜合桿結構型式不同于以往的路側桿件設施，其相關設計沒有相關工程項目進行參考，也沒有特定的設計規范參數取值，且搭載的設施數量眾多、類型復雜，結構上部荷載受力形式不同，其基礎型式需進行專項設計。另外，在市政道路有限的地下空間條件下，基礎尺寸的合理確定，有利于大規模推廣建設，也為以綜合桿為載體的智慧城市物聯泛在感知體系提供安全保障，所以還應對其基礎型式進行優化合理設計。

1 工程概況

上海市某道路合桿整治工程，涉及市區近70 個路段共計60 多km 道路。建設內容包括原有道路監控桿、紅綠燈桿、標牌桿、路燈桿等多種類型桿件的合并與拆除，并建設綜合桿，配套建設綜合管道、綜合箱和綜合電源箱[3]，見圖1。道路合桿整治工程項目涉及范圍廣，桿件類型和設施類型多種多樣，因而道路綜合桿搭載的設施組合多樣，上部荷載各不相同。從工程實施角度，宜盡量對基礎進行類型劃分，建立統一的幾種尺寸規格。

圖1 某道路合桿工程

2 上部荷載計算

通過對項目各類情況進行統計分析，綜合桿上由于搭載了標牌、紅綠燈等面積較大的設施，其上部荷載主要由風荷載決定。原路燈、標牌、監控等桿件設計對于風荷載計算，有其行業規范或設計手冊可指導參考。而對于綜合桿這類新型結構，其搭載的設施多樣，無法確定其是否可直接適用于某個規范，且無相關工程案例參考，因而需要對其上部荷載規范計算進行對比分析。

影響結構風荷載的因素較多，計算方法多樣。對于主要受力結構，風荷載標準值有2 種形式。其一為平均風壓加上脈動風風振的等效風壓；其二為平均風壓乘以風振系數。我國及大多數國家主要采用后一種規范，它綜合考慮了結構在風荷載作用下的動力響應。

2.1 規范對比

一種計算方法以《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）和《高聳結構設計標準》（GB 135—2019）為主要代表，其主要通過設定設計年限的基本風壓，考慮不同地面粗糙度、結構高度、結構體型和陣風系數來計算風荷載標準值Wk。

式中：Wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為風振系數；μs為體型系數，本工程取1.3；μz為風壓高度變化系數，本工程取0.65；W0為基本風壓，kN/m2，上海地區50 a 一遇基本風壓W0為0.55 kN/m2。

《高聳結構設計標準》對于桿類結構風荷載的規范計算公式與《建筑結構荷載規范》相同，只是參數取值略有差別。

另外一種以《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018） 和《公路交通標志和標線設置規范》（JTG D82—2009）為主要代表，其主要通過設定設計年限的基本風壓，考慮不同地面粗糙度、結構高度、結構體型和陣風系數來計算風荷載標準值。其認為自然風可分解為不隨時間變化的平均風與隨時間變化的脈動風的疊加。規范中將平均風作用與風的背景脈動兩部分合并，總的響應與平均風響應之比稱為靜陣風系數Gv，它是與地面粗糙程度、離地面高度以及水平加載長度相關的系數。

標示牌所受風荷載：

式中：Fwb為標示牌所受的風荷載，kN；ρ 為空氣密度，取為1.25 kg/m3；C 為風力系數，根據《公路交通標志和標線設置規范》，標示牌取C=1.2；Vg為靜陣風風速；Gv為靜陣風系數；V 為風速，根據上述規范附錄A，上海市離地10 m 高、50 a 一遇10 min 平均最大風速為31.3 m/s；Wbi為第i 塊標示牌的寬度；Hbi為第i 塊標示牌的高度。

2.2 風荷載標準值計算結果對比

根據各規范要求，計算可得3 種規范的結果，見表1。

表1 風荷載標準值Wk 規范對比表 單位：kN/m2

根據計算結果，《公路橋梁抗風設計規范》和《高聳結構設計標準》計算結果偏大。鑒于綜合桿整體高度不高，不屬于特大或高聳結構，為路側附屬設施，故建議采用《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）進行計算。

2.3 上部荷載計算結果對比

本研究分析工程案例取桿件照明高度10 m，桿體下部直徑320 mm，上部直徑240 mm，上部副桿直徑160 mm。

道路綜合桿搭載的設施類型較多，包括路燈、道路標牌、紅綠燈、監控探頭等等，其搭載設施種類眾多，設施尺寸大小各異，因而桿件類型、尺寸等會變化。根據對大量桿件上部荷載的計算和統計，大致可以分為A～F 5 個等級。不同桿件類型和設施搭載情況下的上部荷載見表2。

表2 上部荷載等級劃分

3 基礎設計驗算

混凝土獨立擴大基礎是保證結構安全的重要構件，其設計原則應該是既安全可靠又經濟合理，設計時必須使基礎有足夠大的底面積和足夠的強度，國內外對此作了很多研究[4-5]。

擴大基礎的設計參照規范比較明確，主要包括國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2001）和上海市地方標準《地基基礎設計規范》（DG J08-11—2010），2 種規范對于基礎的驗算公式相同，均規定擴大基礎設計應進行地基承載力、抗傾覆穩定性、抗滑動穩定性、基礎自身承載力、軟弱下臥層等驗算。

3.1 基礎驗算

綜合桿所受荷載均為雙向偏心荷載。

（1）當矩形基礎承受雙向偏心荷載時：

式中：Pk，max為相應于荷載效應標準組合下基礎邊緣最大壓力值；Pk，min為相應于荷載效應標準組合下基礎邊緣最小壓力值；Fk為相應于荷載效應標準組合下上部結構傳至基礎的豎向力值；Gk為基礎自重（包括基礎上的土重） 標準值；A 為基礎底面面積；Mkx、Mky為相應于荷載效應標準組合下上部結構傳至基礎對x、y 軸的力矩值；Wx、Wy為矩形基礎底面對x、y 軸的抵抗矩。

驗算判斷依據：Pk，max＜1.2 [[fa]]，其中[[fa]]為修正后的地基承載力特征值。

（2）結構有沿豎向力產生彎矩和水平力產生彎矩合彎矩方向傾覆趨勢，驗算結構抗傾覆穩定性系數。抗傾覆穩定性系數k0須不小于1.6，計算式如下：

式中：k0為基礎抗傾覆穩定性系數；S 為在截面重心至合力作用點的延長線上，自截面重心至驗算傾覆軸的距離，m；e0為所有外力的合力R 在驗算截面的作用點對基底重心軸的偏心距。

（3）抗滑動穩定性系數kc須不小于1.3。

3.2 基礎設計選型

應優先選用擴大基礎類型，現場實施條件受限時，可采用樁基礎等類型。根據計算結果可知，綜合桿外力由風荷載決定，且其主要以沿道路縱向彎矩為主，橫向彎矩相對較小。

綜合桿一般設置于路側設施帶，且盡量位于路側2 棵樹木中間。鑒于上海市樹穴寬度一般為1.5 m，以不占用既有管線為原則，基礎寬度確定為不大于1.5 m。從節約角度，確定為擴大基礎類型。

根據計算結果，確定外部荷載等級劃分為A～F 5 級。設定基礎埋深均為2.5 m，以充分利用土體自重。根據多次試算，不同荷載等級條件下的基礎尺寸見表3。

表3 基礎類型劃分

由表3 可見，基礎寬度方向設置相差不大，長度方向根據荷載情況，大致呈階梯增長，設置比較合理。設計或施工時，可根據上部搭載情況，初步判斷基礎類型，用于指導工程實施。

4 結 語

（1）對比分析了不同設計規范的風荷載計算結果，分析了不同規范的計算模型和原理。對計算結果進行分析后，建議采用《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)進行計算。

（2）對各種設施搭載情況進行統計分析，確定了5 個上部荷載等級，便于工程實施時的上部荷載初步估計。

（3）對不同荷載情況，根據工程實際實施條件，確定基礎類型和設計邊界，根據規范設計要求，確定了5 個上部荷載等級下，優化確定5 個基礎尺寸等級，便于設計選配和現場實施，利于合桿項目推進。