落地式高聳三面廣告牌面板風(fēng)壓系數(shù)取值探討*

張 宇，李瑞鴿，姜鳳華，姜雨芃，王子川，楊國(guó)立

（臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

落地式高聳三面廣告牌面板風(fēng)壓系數(shù)取值探討*

張 宇，李瑞鴿＊，姜鳳華，姜雨芃，王子川，楊國(guó)立

（臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

為準(zhǔn)確計(jì)算正三角形廣告牌面板上的風(fēng)荷載，對(duì)比了《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中關(guān)于三面廣告牌面板風(fēng)載體型系數(shù)的取值和計(jì)算方法，并與正三角形三面廣告牌的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在不同的風(fēng)向角下 《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）規(guī)定的風(fēng)載體型系數(shù)最小，而仿真分析得到的風(fēng)荷載壓力系數(shù)最大。為保證結(jié)構(gòu)的安全，基于仿真分析的結(jié)果，給出了三面廣告牌風(fēng)載體型系數(shù)建議值；同時(shí)考慮到風(fēng)荷載的非平穩(wěn)性和隨機(jī)性，引入風(fēng)荷載的偏心距系數(shù)，為落地式三面廣告牌的設(shè)計(jì)提供參考。

風(fēng)荷載；風(fēng)載體型系數(shù)；三面廣告牌；偏心距系數(shù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廣告牌成為一種新型的結(jié)構(gòu)形式。一般廣告牌多位于城市人流量大的繁華地帶或各交通主干道及高速路出入口等地，為商業(yè)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。廣告牌結(jié)構(gòu)豎向一般僅承受自重荷載，豎向荷載相對(duì)較小。落地式高聳廣告牌結(jié)構(gòu)高寬比通常較大，整體抗側(cè)剛度較小，具有高、柔的特點(diǎn)。水平荷載（主要是風(fēng)荷載和地震作用）成為結(jié)構(gòu)承受的主要荷載。并且廣告牌的上部結(jié)構(gòu)較輕，順風(fēng)向第一自振周期較大，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)［1，2］，通過臺(tái)風(fēng)災(zāi)后實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，戶外廣告牌在風(fēng)災(zāi)中損壞十分嚴(yán)重，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)行人的人身安全構(gòu)成極大威脅［3］。所以抗風(fēng)設(shè)計(jì)是廣告牌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。落地式三面廣告牌由于其良好的宣傳效果，常用于高速公路交叉口以及公路環(huán)島等地方（如圖1所示）。風(fēng)荷載的計(jì)算是設(shè)計(jì)時(shí)面臨的重要問題，其中風(fēng)載體型系數(shù)（或者風(fēng)壓力系數(shù)）的取值決定了風(fēng)荷載計(jì)算的準(zhǔn)確性。在相關(guān)規(guī)范中，對(duì)平面形狀為正三角形的三面廣告牌風(fēng)載體型系數(shù)的規(guī)定不夠明確，因此本文比較了各相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定及仿真分析的結(jié)果，提出了計(jì)算風(fēng)荷載的建議。

圖1 落地式三面廣告牌

1 相關(guān)規(guī)范、規(guī)程規(guī)定的計(jì)算方法

1.1《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的計(jì)算方法

根據(jù)《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）4.2.1條規(guī)定，施加在戶外廣告牌上高度為z處單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk應(yīng)按下式計(jì)算［4］：

其中，μs，μz，βz—分別為廣告設(shè)施的風(fēng)載體型系數(shù)、z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)、z高度處的風(fēng)振系數(shù)；

w0是基本風(fēng)壓，按照現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定采用，即：

式中v0——基本風(fēng)速；ρ——空氣密度（t/m3）

根據(jù)《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）規(guī)定，廣告牌的面板風(fēng)載體型系數(shù)為1.3，并且不考慮面板的形狀。這種方法不考慮風(fēng)荷載的方向及三面廣告牌的體型影響，因此計(jì)算結(jié)果比較粗略。

1.2 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算方法

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）第8.1.1條第2款規(guī)定，計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk應(yīng)按下式計(jì)算［5］：

式中：

βgz，μs1，μz分別為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)、風(fēng)荷載局部體型系數(shù)和高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中對(duì)風(fēng)荷載的規(guī)定更加詳細(xì)，由于廣告牌的面板屬于維護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)8.3.3條規(guī)定，該類維護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)載體型系數(shù)按照一般建筑物（即8.3.1條）的風(fēng)載體型系數(shù)乘以1.25倍的增大系數(shù)采用。但是在8.3.1條并沒有平面形狀為三角形的建筑物，借用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）表8.3.1第30項(xiàng)截角三角形的風(fēng)載體型系數(shù)，當(dāng)風(fēng)荷載正面吹來時(shí)，截角三角形和三角形各面的風(fēng)載壓力系數(shù)如圖2和圖3所示。

圖2 平面形狀為截角三角形的風(fēng)載體型系數(shù)

圖3 平面形狀為三角形的風(fēng)載體型系數(shù)

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定，根據(jù)圖3計(jì)算作用在面板上的風(fēng)荷載總壓力系數(shù)為1.3，乘以1.25倍的放大系數(shù)，則為1.625，與《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）4.2.1條規(guī)定相比，增加了1.25倍，偏于安全。

2 仿真分析

由于臺(tái)風(fēng)過程是風(fēng)向角不斷變化的過程，為了更加精確的分析三面廣告牌在各個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓，文獻(xiàn)［6］采用的表面平均風(fēng)壓系數(shù)為CFD軟件計(jì)算的三面廣告牌各個(gè)風(fēng)向角下的數(shù)值，對(duì)于單立柱三面廣告牌這種三軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)分為5種風(fēng)向角工況，得到0-360°全部風(fēng)向角下面板內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)（如圖

4所示）。具體數(shù)值模擬結(jié)果見表1。

表1 三面廣告牌面板表面平均風(fēng)壓系數(shù)

圖4 風(fēng)荷載的風(fēng)向角及面板編號(hào)

為計(jì)算整個(gè)三角形廣告牌上所受風(fēng)載的大小，將各面板上的風(fēng)荷載壓力系數(shù)進(jìn)行矢量疊加，計(jì)算總風(fēng)荷載壓力系數(shù)，具體結(jié)果見表2。

表2 三面廣告牌面板總壓力系數(shù)

由表2可知，當(dāng)風(fēng)向角為0°、15°、30°、45°時(shí)，三面廣告牌面板上的總壓力系數(shù)是大于1.625的，與仿真結(jié)果相比，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中取值仍然偏小。

3 建議方法

平面為三角形的廣告牌風(fēng)壓系數(shù)比一般的截角三角形更不利，并且隨著風(fēng)向角的不同，風(fēng)壓系數(shù)也有所變化，因此三面廣告牌風(fēng)載體型系數(shù)的取值應(yīng)該比一般的平面廣告面板更嚴(yán)格，本文建議，對(duì)于三面廣告牌，總的風(fēng)壓系數(shù)取為1.9。

由于風(fēng)速和風(fēng)壓作用都屬于非平穩(wěn)隨機(jī)過程，因此作用在廣告牌上的風(fēng)荷載是不均勻的，無論采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）提出的計(jì)算方法，還是采用軟件進(jìn)行仿真分析，都沒有考慮到風(fēng)荷載的不均勻性。因此，廣告牌上的風(fēng)荷載的合力會(huì)偏離三面廣告牌的幾何形心（或者質(zhì)心），產(chǎn)生一定的偏心距。對(duì)于格構(gòu)式立柱，偏心荷載引起的扭矩將產(chǎn)生不利影響，所以在設(shè)計(jì)三面廣告牌立柱時(shí)必須考慮偏心距的影響。風(fēng)荷載和水平地震荷載同屬于水平荷載，在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中水平地震作用下，計(jì)算單向地震作用時(shí)規(guī)定，水平地震荷載的偶然偏心距ei=0.05L，因此借鑒《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，取偏心距系數(shù)為0.05。在廣告牌的立柱內(nèi)力計(jì)算時(shí)，需要考慮風(fēng)荷載偏心距引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在沿海地區(qū)廣告牌設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載是最重要的荷載，風(fēng)荷載的正確取值是合理設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。平面形狀為正三角形的三面廣告牌在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，但是在進(jìn)行風(fēng)荷載的計(jì)算時(shí)其風(fēng)載體型系數(shù)沒有明確規(guī)定。本文比較了《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中類似結(jié)構(gòu)關(guān)于風(fēng)載體型系數(shù)的取值，與正三角形三面廣告牌的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，提出平面形狀為正三角形的三面廣告牌上風(fēng)荷載的體型系數(shù)總值為1.9，同時(shí)考慮到風(fēng)荷載的非平穩(wěn)性和隨機(jī)性，引入風(fēng)荷載的偏心距系數(shù)為0.05。在下一步的工作中，應(yīng)設(shè)計(jì)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行風(fēng)荷載作用下的受力試驗(yàn)，對(duì)偏心距系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。

［1］秦云，張耀春,王春剛.兩平行面板組成的獨(dú)柱支承廣告牌的風(fēng)荷載研究［J］.建筑結(jié)構(gòu),2004.34（12）：67-70.

［2］馮振宇，趙振宇,賀宏斌.風(fēng)荷載作用下高速公路廣告牌的力學(xué)分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，.26（4）：100-107.

［3］陽(yáng)芳，張海，周芝蘭.獨(dú)立柱雙面廣告牌風(fēng)荷載計(jì)算研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2011，28（1）：50-53.

［4］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148：2003）［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）［S］.北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［6］宋芳芳，歐進(jìn)萍.城市巨型廣告牌臺(tái)風(fēng)損傷成因與動(dòng)力分析［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì)風(fēng)工程委員會(huì).第十四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［J］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社.2009：.829-834.

A Probe into Pressure Coefficient Values of Floor-standing Tall Three
sided Billboard Panel

ZHANG Yu，LI Rui-Ge*，JIANG Feng-hua，JIANG Yu-Peng，WANG Zi-chuan，YANG Guo-li
（School of Civil Engineering and Architecture,Taizhou University,Taizhou 318000,China）

Wind load factor values are analyzed in “Technical specification for steel structures of outdoor advertisement facility（CECS 148：2003）”and“Load code for the design of building structure(GB50009-2012)”.To accurately calculate wind loads of triangle three-sided billboard,factors were compared with simulation results of equilateral triangle three-sided billboard.Under different wind angles “Technical specification for steel structures of outdoor advertisement facility（CECS 148：2003）”specified minimum,and simulation analysis to obtain maximum wind load pressure coefficient.To ensure the safety of the structure,the three-sided billboard wind load factor suggested value was given in this paper based on the results of simulation analysis.Wind load eccentricity factor is introduced, taking into account the non-stationary and randomness of wind loads, to provide reference for floor-standing three-sided billboard design.

Wind loads;Wind load factor;Three-sided billboards;Eccentricity factor

10.13853/j.cnki.issn.1672-3708.2014.03.010

2014-03-19；

2014-05-05

臺(tái)州學(xué)院校立學(xué)生科研項(xiàng)目（13XS42）。

簡(jiǎn)介：李瑞鴿（1973- ），女，河南葉縣人，副教授，博士，從事結(jié)構(gòu)工程的教學(xué)及研究工作。。