智慧城市多功能標志標牌桿選型研究

王敏，姚云龍，任高杰

(華信咨詢設計研究院有限公司，杭州 310014)

1 引言

智慧城市多功能標志標牌桿（以下簡稱智慧標牌桿）是基于傳統市政桿件，有效融合照明、通信、安防、市政等功能于一體，根據不同的使用場景組合出功能適配的桿件，通過個性化設計，使得智慧標牌桿的設計在滿足強度要求和經濟適用中找到一個平衡點，從而使智慧標牌桿達到提高城市管理效率和空間利用率的目的。此類桿件除應控制桿件應力比，確保桿件各部位滿足強度要求，以及控制端部、節點位移外，還應控制桿件造價。

智慧標牌桿挑臂通常根據城市使用習慣差異、標牌面積大小等因素采用雙挑臂或三挑臂。本文以雙挑臂智慧標牌桿為例，考慮常見智能化模塊，基于標志標牌大小變化時引起的桿身設計數據變化進行論述。

2 基本信息

智慧標牌桿采用模塊化概念進行組合設計，常用模塊有：標志標牌+5G 天線+照明+預留設備。

選擇智慧標牌桿（2.5 m×1.5 m），挑臂長度5 m；智慧標牌桿（4 m×2 m），挑臂長度5 m 進行對比分析。

上段主桿采用鋁合金（6061），其底部內力較小滿足強度要求。下段主桿結構采用Q355 或Q420，采用十二邊形錐度桿，其上端直徑統一采用240 mm,下端直徑和壁厚根據實際需求計算確定；挑臂結構鋼材采用Q235 或Q355，采用圓鋼管，壁厚根據實際需求計算確定。所有節點均為剛性連接。計算簡圖如圖1 所示，掛載設備參數見表1。

圖1 智慧標牌桿物理尺寸圖

表1 掛載設備面積、高度及質量

3 計算方法

3.1 有限元模型

采用有限元軟件對主桿結構及挑臂結構進行計算，主桿、挑臂均采用框架單元進行模擬。

桿件風荷載計算按照有限元模型求得的基本自振周期，依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》進行計算[1]。

3.2 荷載施加

假定建設地點為密集建筑群的城市市區（地面粗糙度C類），結構設計基準期為50 a，設計使用年限為50 a，結構安全等級為二級。基本風壓0.50 kN/m2，設計抗震設防烈度7 度，0.10g，抗震設防類別為丙類，阻尼比采用0.01；不考慮裹冰荷載影響；經過前期研究，地震荷載組合不起控制作用；多功能桿檢修均采用登高檢修車，因而研究過程計入恒載與風荷載對智慧標牌桿的影響。

智慧標牌桿主要由挑臂、上段主桿、下段主桿組成，3 部分構件風荷載按均布荷載沿桿身進行布置，其中挑臂被標牌遮擋部分不考慮均布風荷載。掛載設備質量及風荷載按相應集中力布置在計算作用點。

4 設計實例

4.1 模型選取

模型根據控制單變量進行數據的比對分析，遵循研究主桿數據變化時，挑臂物理數據保持不變；研究挑臂數據變化時，主桿物理數據保持不變，具體模型建立如下：

模型一：智慧標牌桿（標志牌2.5 m×1.5 m）研究下段主桿直徑變化對內力及位移影響時，主桿下段厚度t=5 mm，挑臂采用φ140 mm×4 mm；

模型二：智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）研究主桿直徑變化對內力及位移影響時，主桿下段厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm，挑臂采用φ168 mm×4 mm；

模型三：智慧標牌桿（標志牌2.5 m×1.5 m）研究挑臂直徑變化對內力及位移影響時，下段主桿直徑采用270 mm，厚度采用4 mm；挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm；

模型四：智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）研究挑臂直徑變化對內力及位移影響時，下段主桿直徑采用270 mm，厚度采用6 mm；挑臂厚度分別取用t=5 mm、t=6 mm。

4.2 應力比對分析

4.2.1 主桿應力比對分析

模型一、模型二下段主桿應力比計算結果如圖2 所示。

圖2 智慧標牌桿主桿根部應力比

根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》規范要求[2]，應力比（計算強度/鋼材強度設計值）≤1.0，桿身強度方為滿足設計要求。

從圖2 可知，智慧標牌桿（標志牌2.5 m×1.5 m）當下段主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q355 時，主桿根部直徑最小應采用280 mm；當采用鋼材采用Q420 時，主桿根部直徑最小應采用260 mm；智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）當主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q355 時，主桿根部直徑采用240～310 mm，應力比驗算不能滿足強度要求；當主桿采用壁厚為5 mm，鋼材采用Q420 時，主桿根部直徑最小應采用310 mm；當主桿采用壁厚為6 mm，當采用鋼材為Q355 時，主桿根部直徑最小應采用300 mm；當主桿采用壁厚為6 mm，當采用鋼材為Q420時，主桿根部直徑最小應采用290 mm。

根據以上數據表明：下段主桿桿身直徑受指示牌面積大小影響較大，當指示牌尺寸增大時，主桿應力增大，可以通過提高鋼材強度、增加壁厚和加大下段主桿直徑來控制下段主桿應力比。

4.2.2 挑臂應力比對分析

模型三、模型四下挑臂應力比計算結果如圖3 所示。

圖3 雙挑臂多功能標牌桿挑臂根部應力比

根據GB 50017—2017 規范要求，應力比（計算強度/鋼材強度設計值）≤1.0，挑臂強度方可滿足設計要求。

從圖3a 可知，智慧標牌桿（標志牌2.5 m×1.5 m）當挑臂壁厚為4 mm，鋼材為Q235 時，挑臂直徑最小應采用159 mm；當挑桿壁厚為4 mm，鋼材為Q355 時，挑臂直徑最小應采用133 mm；當挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q235 時，挑臂直徑最小應采用146 mm；當挑臂桿壁厚為5 mm，鋼材為Q355 時，挑臂直徑可采用121 mm。

從圖3b 可知，智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）當挑臂桿壁厚為4 mm，鋼材為Q235 時，挑臂直徑采用140～180 mm 均不能滿足設計強度要求；當挑桿壁厚為4 mm，鋼材為Q355 時，挑臂直徑最小應采用168 mm；當挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q235 時，挑臂直徑最小應采用180 mm；當挑桿壁厚為5 mm，鋼材為Q355 時，挑臂直徑應采用146 mm。

根據以上數據表明:挑臂尺寸受指示牌面積大小影響較大，當指示牌尺寸較大時，挑臂應力發生明顯增長，提高鋼材強度、增加壁厚能更加有效控制挑臂應力比，同時加大主桿直徑也可以改善挑臂應力比不足的情況。

4.3 位移比對分析

智慧標牌桿變形主要包括主桿變形和挑臂變形，主要控制因素如下：（1）重力荷載作用下主桿的水平變形；（2）重力荷載作用下挑臂的垂直變形；（3）風荷載作用下主桿的水平變形；（4）風荷載作用下挑臂的水平變形。

經過前期研究，智慧標牌桿（標志牌2.5 m×1.5 m）與智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）位移變化規律類似。本文以智慧標牌桿（標志牌4 m×2 m）位移變化進行論述。計算結果如圖4～圖7 所示。

圖4 重力作用下主桿挑臂連接處水平位移

圖5 重力作用下挑臂端部垂直位移

圖6 風荷載作用下主桿頂部位移

圖7 風荷載作用下挑臂端部水平位移

根據工程經驗及美觀角度，重力作用下主桿挑臂連接處水平位移宜控制在50 mm 以內；重力作用下挑臂端部垂直位移控制在1/33×挑臂長度內，即挑臂長度為5 m 時挑臂端部垂直位移控制在151 mm 以內。由圖4、圖5 可知，智慧標牌桿重力荷載作用下位移隨著挑臂直徑、挑臂厚度以及掛載設備質量的增大而增大。由于智慧標牌桿挑臂上設備質量較小，在滿足強度應力比要求的前提下，重力荷載作用下主桿挑臂連接處水平位移均小于50 mm；而挑臂端部垂直位移則可以通過預置上揚角度來抵消其豎向變形。

參考YD/T 5131—2019《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》[3]，結合工程經驗，設置5G 天線的智慧標牌桿位移控制在標準組合下1/33×桿身高度內，即當采取本次計算模型桿件高度為10.5 m 時，風荷載作用下主桿頂部的位移控制在318 mm 以內。由圖6 可知，風荷載作用下頂部位移受到標志牌大小，主桿壁厚，主桿根部直徑的影響。當標志牌尺寸為4 m×2 m，主桿下段鋼結構壁厚為5mm 時，主桿根部直徑不應小于290 mm；當標志牌尺寸為4 m×2 m，主桿下段鋼結構壁厚為6 mm 時，主桿根部直徑不應小于270 mm。

根據經驗，無監控設備時風荷載作用下挑臂端部水平位移控制在500 mm 以內。實際工程建設中應結合掛載設備的性能要求，準確確定掛載設備的面積和安裝位置，從而確定挑臂端部位移控制值。由圖7 可知，設備擋風面積的增加對于風荷載作用下挑臂端部水平位移影響很大，增加挑臂壁厚，或者增大挑臂直徑對于挑臂位移均有改善作用。當標牌尺寸為4 m×2 m，挑臂厚度為5 mm 時，挑臂直徑不應小于152 mm；標牌尺寸為4 m×2 m，挑臂厚度為6 mm 時，挑臂端部位移均小于500 mm。

綜合智慧標牌桿以上特點，控制桿件位移的過程中，風荷載作用下桿件產生的位移相較于重力荷載下桿件產生的位移更起控制作用，增加主桿壁厚，增大主桿根部直徑可以有效控制桿件頂部位移；增加挑臂厚度，增大挑臂直徑可以有效控制挑臂端部位移。實際工程中應該控制標牌桿面積及挑臂長度，必要時可以考慮增加挑臂數量或采用門架式等方案，從而達到滿足設計要求的目的。

5 結語

基于有限元軟件對智慧標牌桿的主桿結構及挑臂結構進行計算，分別研究不同尺寸標志牌在恒載與風荷載作用下對桿件主要部位極限承載能力和位移的影響。研究表明：標牌尺寸的大小對桿件方案確定起關鍵性作用。標牌面積增大，風荷載作用下桿件位移增加幅度變大。當標志牌面積較小時，桿件承載力極限狀態起到控制作用；隨著標志牌面積增大，除應控制桿件應力比外，同時應關注風荷載作用下桿件位移是否滿足需求。通過增加壁厚，加大桿件直徑可以有效控制桿件應力比和位移。同時在位移滿足規范要求的前提下，提高桿件的鋼材型號可以更直接有效控制應力比。

在實際工程建設中，在滿足應力比與位移的前提下，對多個可行方案進行比選，選取用鋼量更少的方案，從而實現經濟性要求。