高速公路樞紐設(shè)置擎天柱廣告牌安全性分析

王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前山西省高速公路路側(cè)非公路交通標(biāo)志牌已全部拆除，下一步將統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)置、統(tǒng)一管理。但指導(dǎo)類文件較少，僅有《山西省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)山西省公路沿線非公路交通標(biāo)志設(shè)置管理辦法》及剛頒布的《山西省高速公路非公路標(biāo)志牌管理辦法》作為指導(dǎo)文件，且對(duì)高速公路沿線設(shè)置非公路交通標(biāo)志牌缺乏具體量化指標(biāo)及安全性具體要求[2]。

高速公路沿線非公路交通標(biāo)志牌有單柱雙面式擎天柱、單柱三面式擎天柱、單柱四面式擎天柱、跨線橋廣告牌等結(jié)構(gòu)型式[3]。高速公路樞紐內(nèi)廣告牌結(jié)構(gòu)因其緊鄰高速公路，設(shè)置位置不合理、設(shè)計(jì)施工存在問題、后期管理不善、廣告牌數(shù)量過多等原因都會(huì)嚴(yán)重影響高速公路的正常運(yùn)營(yíng)，甚至?xí)斐山煌ㄊ鹿饰＜巴鶃眈{乘人員生命安全。故有必要對(duì)高速公路沿線廣告牌設(shè)置位置、結(jié)構(gòu)尺寸、力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行安全性分析，使增設(shè)在高速公路沿線的廣告牌布局合理、結(jié)構(gòu)安全，充分發(fā)揮廣告牌對(duì)高速公路品質(zhì)的提升作用。

1 工程概況

陵侯高速公路位于山西省晉城市境內(nèi)，是山西省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。陵侯高速常樂樞紐位于山西晉城市河西鎮(zhèn)常樂村，晉城市政府為宣傳當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)型跨越發(fā)展主題、積極弘揚(yáng)當(dāng)?shù)匚幕?，擴(kuò)大影響力，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，向山西交控集團(tuán)提出申請(qǐng)，擬在陵侯高速常樂樞紐高平方向主線右側(cè)環(huán)島處設(shè)置一處單柱四面式擎天柱非公路交通標(biāo)志牌。

單柱四面式擎天柱廣告牌結(jié)構(gòu)地面以上采用鋼結(jié)構(gòu)形式，由面板、骨架、步道及立柱構(gòu)成[4]。立柱長(zhǎng)度為17.31 m，立柱采用Φ1 800×14 mm的鋼結(jié)構(gòu)形式，鋼材采用Q235；面板四面尺寸均為長(zhǎng)×高為20 m×6 m，標(biāo)志牌面板上緣距地面高度為18 m，牌面龍骨及連接采用角鋼和槽鋼，鋼材采用Q235；承臺(tái)采用4.2 m×4.2 m×2.4 m的矩形承臺(tái)，下部基礎(chǔ)采用2 m×2 m×10 m的鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，C20混凝土澆筑。廣告牌設(shè)置位置見圖1。

圖1 廣告牌設(shè)置位置（單位：m）

2 行政審批依據(jù)

高速公路樞紐內(nèi)設(shè)置擎天柱廣告牌行政審批的相關(guān)法律依據(jù)有《公路法》《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》《公路安全保護(hù)條例》《山西省高速公路非公路標(biāo)志牌管理辦法》等。

《公路法》第五十四條：“任何單位和個(gè)人未經(jīng)縣級(jí)以上地方人民政府交通主管部門批準(zhǔn)，不得在公路用地范圍內(nèi)設(shè)置公路標(biāo)志以外的其他標(biāo)志?！?/p>

《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》第三十二條：“因工程建設(shè)需要占用、挖掘道路，或者跨越、穿越道路架設(shè)、增設(shè)管線設(shè)施，應(yīng)當(dāng)事先征得道路主管部門的同意；影響交通安全的，還應(yīng)當(dāng)征得公安機(jī)關(guān)交通管理部門的同意?！?/p>

《公路安全保護(hù)條例》第十三條：“在公路建筑控制區(qū)內(nèi)，除公路保護(hù)需要外，禁止修建建筑物和地面構(gòu)筑物?！?/p>

由表4可以看出,其特征值數(shù)量級(jí)在103，由于初始施加面載荷為1.5 MPa，屈曲載荷是初始載荷與屈曲特征值的乘積，顯然得出其第一階屈曲載荷的數(shù)量級(jí)同樣在103，推力桿使用過程中載荷多數(shù)情況下在數(shù)量級(jí)102范圍內(nèi)，較少能達(dá)到屈曲載荷的數(shù)量級(jí)，可見該結(jié)構(gòu)斷裂失效為主要問題，失穩(wěn)問題發(fā)生較少。實(shí)際零件只有少量出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎曲嚴(yán)重問題，大量失效為推力桿部件斷裂，這與計(jì)算結(jié)果吻合。

《山西省高速公路非公路標(biāo)志牌管理辦法》第八條：“申請(qǐng)?jiān)O(shè)置非公路標(biāo)志，應(yīng)當(dāng)符合設(shè)置規(guī)劃，取得設(shè)置許可后，方可組織實(shí)施。未經(jīng)許可不得設(shè)置非公路標(biāo)志?！?/p>

高速公路樞紐內(nèi)用地屬于公路建設(shè)用地，前期已經(jīng)征用，不存在征地困難，但在樞紐內(nèi)設(shè)置四面式擎天柱廣告牌需向公路管理機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)，進(jìn)行行政審批登記并取得行政許可。

3 廣告牌安全性分析

3.1 高度要求評(píng)價(jià)

四面式擎天柱廣告牌的最大高度，目前尚無相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)給出定量指標(biāo)。但從《戶外鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立柱廣告牌圖集》07SG526可知，廣告牌最大設(shè)置高度為21 m，且經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，廣告牌下緣距地面高度應(yīng)大于等于10 m[5]。

該項(xiàng)目四面式廣告牌立柱長(zhǎng)度為17.31 m，廣告牌面板上緣距地面高度為18 m，廣告牌面板下緣距地面高度為12 m，符合相關(guān)規(guī)定。

3.2 位置要求評(píng)價(jià)

四面式擎天柱廣告牌立柱位置至高速公路路基邊緣的垂直距離，目前尚無相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)給出定量指標(biāo)。但國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了大量的理論計(jì)算、數(shù)值模擬、統(tǒng)計(jì)工作，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并總結(jié)現(xiàn)有研究成果可知，從車輛行駛安全性考慮，廣告牌立柱位置距路基邊緣最佳距離為4.8 m，對(duì)駕駛?cè)藛T干擾最小；從廣告牌設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性考慮，廣告牌立柱位置距路基邊緣最佳距離為10 m[5]；從其他省份相關(guān)地標(biāo)可知，廣告牌豎向投影線應(yīng)位于公路路肩邊線之外，其任何部位不得侵入公路路面之上，且傾覆狀態(tài)下不得損壞公路主體及附屬設(shè)施，兼顧經(jīng)濟(jì)性廣告牌立柱距路基坡腳線距離應(yīng)大于等于廣告牌斜長(zhǎng)的1.3倍[6]，廣告牌斜長(zhǎng)見圖2。

圖2 廣告牌斜長(zhǎng)示意圖（單位：m）

該項(xiàng)目四面式廣告牌立柱長(zhǎng)度為17.31 m，廣告牌面板尺寸長(zhǎng)×高為20 m×6 m，廣告牌面板上緣距地面高度為18 m，廣告牌面板下緣距地面高度為12 m，廣告牌斜長(zhǎng)為20.59 m。立柱中心距高速公路主線及匝道路基坡腳線距離為30 m，滿足上述要求的最小距離。該項(xiàng)目設(shè)置的廣告牌未處于急彎、陡坡、連續(xù)長(zhǎng)下坡、河道、橋梁、隧道、高壓線[7]等交通事故易發(fā)路段，未對(duì)公路邊坡、排水設(shè)施等功能造成不利影響，符合相關(guān)規(guī)定。

3.3 間距要求評(píng)價(jià)

《城市戶外廣告設(shè)施技術(shù)規(guī)范》（CJJ 149—2010）規(guī)定：“高速公路任意兩個(gè)大型高立柱戶外廣告設(shè)施的最小間距為500 m”。

該項(xiàng)目陵侯高速公路常樂樞紐內(nèi)僅設(shè)一處擎天柱廣告牌，且樞紐處前后5 km范圍內(nèi)目前尚無既有大型高立柱戶外廣告設(shè)施，符合相關(guān)規(guī)定。

3.4 構(gòu)造要求評(píng)價(jià)

《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148—2003）規(guī)定了鋼結(jié)構(gòu)廣告牌構(gòu)件的構(gòu)造要求，該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的型鋼構(gòu)件、連接螺栓、法拉盤及加勁肋等構(gòu)造均符合相關(guān)規(guī)定。

4 四面式擎天柱廣告牌有限元數(shù)值分析

4.1 有限元模型概況

四面式擎天柱廣告牌結(jié)構(gòu)的自重集中于結(jié)構(gòu)頂部，面板主要承受風(fēng)荷載作用，其受力特性決定了該結(jié)構(gòu)是典型的高聳風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，在有限元數(shù)值分析計(jì)算中，風(fēng)荷載的取值是進(jìn)行受力計(jì)算的關(guān)鍵。本文通過Midas Civil[8]有限元分析軟件建立三維空間模型，模型共2 105個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 868個(gè)單元。廣告牌立柱、樁基、骨架等結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M[9]，所有節(jié)點(diǎn)均考慮剛性連接，并在樁基單元下部節(jié)點(diǎn)施加固定約束[10]。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

4.2 荷載的確定及本構(gòu)模型

四面式擎天柱結(jié)構(gòu)是平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，考慮風(fēng)荷載主方向和廣告牌面板成45°和90°[11]兩種工況，且不計(jì)入豎向及水平向地震荷載、雪荷載及其他活荷載。

作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）8.1.1條計(jì)算，見式（1）。

廣告牌處地面粗糙類別為B類，βgz為陣風(fēng)系數(shù)，地面高度18 m時(shí)βgz取1.642；μs為局部風(fēng)壓體型系數(shù)，對(duì)于廣告牌結(jié)構(gòu)，取μs=1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，地面高度18 m時(shí)μz取1.19；w0為基本風(fēng)壓，kN/m2，山西晉城市高平市河西鎮(zhèn)常樂村w0=0.6 kN/m2；故Wk=1.642×1.3×1.19×0.6=1.524 kN/m2。廣告牌鋼構(gòu)件的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

4.3 廣告牌結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移驗(yàn)算

依據(jù)《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 148—2003）第5.4條：風(fēng)荷載作用下廣告牌鋼結(jié)構(gòu)牌面上緣水平位移不應(yīng)超過該點(diǎn)離地高度的1/100，牌面上緣離地高度為18 m，水平位移限值為18 m×1/100=18 cm。由有限元分析可知，最不利工況下廣告牌結(jié)構(gòu)的最大水平位移位于結(jié)構(gòu)上緣頂點(diǎn)處，最大水平位移值為14.2 cm，廣告牌鋼結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平方向位移滿足規(guī)范要求。鋼結(jié)構(gòu)水平位移見圖4。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)水平位移圖

4.4 廣告牌鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算

由有限元分析可知，最不利工況下廣告牌結(jié)構(gòu)鋼骨架、立柱最大應(yīng)力為125.36 MPa，最大應(yīng)力小于Q235鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd=190 MPa，故廣告牌結(jié)構(gòu)鋼骨架、立柱的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力見圖5。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高速公路樞紐內(nèi)四面式擎天柱廣告牌的設(shè)置依據(jù)、要求進(jìn)行了論述，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了受力分析，提出了樞紐范圍設(shè)置擎天柱廣告牌的安全性分析方法。

高速公路沿線廣告設(shè)施的安全要從規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、行政審批、施工、監(jiān)理、檢驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制。單柱四面式擎天柱鋼結(jié)構(gòu)廣告牌在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移及應(yīng)力尤為關(guān)鍵，本文在數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，未考慮樁-土的相互作用，使得廣告牌結(jié)構(gòu)的整體剛度較實(shí)際略大，除此，鋼構(gòu)件之間的連接全部按固結(jié)考慮，未考慮鋼構(gòu)件間焊縫的實(shí)際焊接情況，這是下一步此類工程數(shù)值分析的研究方向。