東南沿海省份高速公路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

■羅 亮

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 福州 350004）

交通標(biāo)志通常是在道路交通中起傳遞信息作用的安全設(shè)施，引導(dǎo)道路使用者有序使用道路，促進道路交通安全，提高道路運行效率的基礎(chǔ)設(shè)施。交通標(biāo)志一般由標(biāo)志版面、橫梁、立柱、法蘭、地腳螺栓、基礎(chǔ)等幾部分組成，根據(jù)不同的使用要求分為柱式、懸臂式、門架式等結(jié)構(gòu)類型。為使交通標(biāo)志在各種環(huán)境條件下，能夠固定不間斷地發(fā)揮功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮其力學(xué)強度、剛度、穩(wěn)定性，保證滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。 由于交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)型式簡單、 具有較強的通用性， 設(shè)計單位在設(shè)計過程中通常采用通用型交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)，即采用通用的設(shè)計參數(shù)、尺寸、規(guī)格。

風(fēng)荷載作為交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素，應(yīng)得到設(shè)計人員的充分重視，標(biāo)志結(jié)構(gòu)破壞通常都發(fā)生在惡劣的臺風(fēng)天氣。 各地區(qū)所處的地理環(huán)境不同，受海洋氣候的影響，風(fēng)環(huán)境也有很大的差別，以福建省為例，根據(jù)DBJ/T13-141-2011《福建建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)壓規(guī)程》[1]三明、南平、龍巖等內(nèi)陸地區(qū)50 年一遇基本風(fēng)壓均不大于0.4 kN/m2，福州、泉州、莆田等地區(qū)50 年一遇基本風(fēng)壓均不大于0.8 kN/m2，而部分沿海地區(qū)如平潭、東山等50 年一遇基本風(fēng)壓則達到1.3 kN/m2，由此可見沿海地區(qū)和內(nèi)陸山區(qū)風(fēng)壓有明顯的差異。 采用通用型交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)存在明顯的經(jīng)濟不合理性，同時沿海臺風(fēng)效應(yīng)明顯的地區(qū)也存在設(shè)計荷載不足的風(fēng)險。 隨著社會的不斷進步，對于工程設(shè)計行業(yè)的要求也在不斷升級，結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要求滿足其承載能力和正常使用要求，也要滿足低碳、節(jié)能、環(huán)保、綠色等“時代”需求。 高速公路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)提出新的要求，對山區(qū)和沿海選用不同等級風(fēng)壓分級設(shè)計顯得尤為重要。

1 交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)計算方法

交通標(biāo)志上部結(jié)構(gòu)一般采用鋼結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu)， 應(yīng)采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；下部結(jié)構(gòu)采用混凝土基礎(chǔ)，采用基礎(chǔ)工程理論設(shè)計。 計算承載能力極限狀態(tài)時采用荷載效應(yīng)的基本組合，必要時考慮荷載效應(yīng)的偶然組合；計算正常使用極限狀態(tài)時采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合。

1.1 風(fēng)荷載計算

交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常由風(fēng)荷載起控制作用[2]，根據(jù)《公路交通標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置手冊》[3]中8.3.4條，交通標(biāo)志版面和立柱所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別按公式1、2 計算。

式中ρ：空氣密度，取1.2258 g/m3；C：風(fēng)力系數(shù)，標(biāo)志板取1.2，立柱取0.8；v：設(shè)計風(fēng)速（m/s）；Wb：標(biāo)志版面寬度（mm）；Hb：標(biāo)志版面高度（mm）；Wp：標(biāo)志立柱寬度（mm）；Hpn：標(biāo)志立柱外露高度（mm）。

1.2 強度計算

采用承載能力極限狀態(tài)對構(gòu)件的強度驗算，保證荷載效應(yīng)最不利組合設(shè)計值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)設(shè)計值[4]，按公式3、4 計算。

公式3 中γ0：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S：承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計值；R：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值。 公式4 中γG：永久荷載分項系數(shù)；γQ：可變荷載分項系數(shù)；SGK：永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK計算的荷載效應(yīng)值；SQK：可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值QK計算的荷載效應(yīng)值。

1.3 變形計算

采用正常極限狀態(tài)對構(gòu)件的變形驗算，考慮長期作用影響的荷載效應(yīng)組合設(shè)計值小于或等于正常使用的限制：

S：正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計值；C：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的變形、應(yīng)力、裂縫寬度和自振頻率等限值。

1.4 基礎(chǔ)驗算

1.4.1 地基承載力驗算

根據(jù)GB50007-2011 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5]中3.0.5 條，按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積時，傳至基礎(chǔ)底面的荷載效應(yīng)按正常使用狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)組合，地基抗力采用地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可采用以下計算。

pk：相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力（kPa）；pkmax：相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的最大壓力（kPa）； fa：修正后的地基承載力特征值（kPa）。

1.4.2 地基穩(wěn)定性驗算

式中N：上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的豎向力設(shè)計值；G：基礎(chǔ)重力，包括基礎(chǔ)上的土重；Ph：基底上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的水平力設(shè)計值；μ： 基礎(chǔ)底面對地基的摩擦系數(shù)。

2 標(biāo)志材料消耗分析

2.1 計算參數(shù)選取

材料：上部鋼結(jié)構(gòu)均采用Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，基礎(chǔ)采用C25 混凝土和HRB400 鋼筋。

風(fēng)壓選?。阂愿＝ㄊ槔?，選取南平、福州、平潭3 個福建省內(nèi)風(fēng)壓差異明顯的代表區(qū)域進行研究，根據(jù)《福建建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)壓規(guī)程》其對應(yīng)的50 年一遇基本風(fēng)壓分別為0.35 kN/m2，0.70 kN/m2，1.30 kN/m2。

安全設(shè)計等級：二級。

2.2 基本假設(shè)

為簡化計算條件， 忽略一些影響較小的次要因素，計算過程建立以下假設(shè)：（1）風(fēng)荷載方向：風(fēng)荷載為交通標(biāo)志的控制荷載， 假設(shè)風(fēng)荷載方向與標(biāo)志板垂直。 （2）雙柱式標(biāo)志：假設(shè)兩個立柱均勻受荷， 共同受力， 可簡化為兩個單柱式標(biāo)志的形式。（3）懸臂式標(biāo)志：橫梁數(shù)量多于1 根時，假設(shè)2 根橫梁共同均勻承載風(fēng)荷載。 （4）標(biāo)志基礎(chǔ)：混凝土基礎(chǔ)的埋置深度小于3 m， 假定忽略土體摩阻力和彈性抗力的影響。（5）不考慮地震作用對標(biāo)志結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 構(gòu)件設(shè)計

為簡單起見，對單柱、雙柱、單懸、雙懸結(jié)構(gòu)標(biāo)志各取1 種版面尺寸具有代表性的標(biāo)志結(jié)構(gòu)（圖1），其中單柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)版面尺寸取2 200×1 500 mm，基礎(chǔ)采用單層基礎(chǔ)；雙柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)版面尺寸取4 200×3 300 mm，基礎(chǔ)采用單層基礎(chǔ)；單懸臂標(biāo)志結(jié)構(gòu)版面尺寸取4 100×4 000 mm，基礎(chǔ)采用雙層基礎(chǔ)；雙懸臂標(biāo)志結(jié)構(gòu)版面尺寸?。?500×3200+4500×3200）mm，基礎(chǔ)采用雙層基礎(chǔ)。 標(biāo)志結(jié)構(gòu)在3 種不同風(fēng)壓條件下，滿足正常的受力條件，對標(biāo)志結(jié)構(gòu)主材消耗情況進行分類對比分析。

圖1 標(biāo)志結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 材料消耗結(jié)果對比

2.4.1 單柱式標(biāo)志結(jié)構(gòu)

由表1 可知，不同風(fēng)壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態(tài)要求時，單柱式標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗差異較大。 以設(shè)計風(fēng)壓為0.35 kN/m2為基準(zhǔn)，當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為0.70 kN/m2時，由圖2 可知，立柱消耗量增加50.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加57.5%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加66.7%。 當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加127.1%，立柱法蘭盤材料消耗量增加153.1%， 基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加125.0%。

圖2 單柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗變化率

表1 不同風(fēng)壓單柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

2.4.2 雙柱式標(biāo)志結(jié)構(gòu)

由表2 可知，不同風(fēng)壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態(tài)要求時，雙柱式標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗差異較大。 以設(shè)計風(fēng)壓為0.35 kN/m2為基準(zhǔn)，當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為0.70 kN/m2時，由圖3 可知，立柱消耗量增加66.7%，立柱法蘭盤材料消耗量增加80.0%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加77.8%。 當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加123.7%，立柱法蘭盤材料消耗量增加116.0%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加160.2%。

圖3 雙柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗變化率

表2 不同風(fēng)壓雙柱標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

2.4.3 單懸式標(biāo)志結(jié)構(gòu)

由表3 可知，不同風(fēng)壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態(tài)要求時，單懸式標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗差異較大。 以設(shè)計風(fēng)壓為0.35 kN/m2為基準(zhǔn)，當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為0.70 kN/m2時，由圖4 可知，立柱消耗量增加61.1%，橫梁材料消耗量增加25.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加37.1%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加62.2%。 當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為1.30 kN/m2時，立柱消耗量增加235.6%，橫梁材料消耗量增加128.6%，立柱法蘭盤材料消耗量增加157.1%， 基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加173.1%。

表3 不同風(fēng)壓單懸標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

圖4 單懸標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗變化率

2.4.4 雙懸式標(biāo)志結(jié)構(gòu)

由表4 可知，不同風(fēng)壓條件下，滿足承載能力和正常使用狀態(tài)要求時，雙懸式標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗差異較大。 以設(shè)計風(fēng)壓為0.35 kN/m2為基準(zhǔn)，當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為0.70 kN/m2時，由圖5 可知，立柱消耗量增加61.1%，橫梁材料消耗量增加25.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加57.5%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加66.7%。 當(dāng)設(shè)計風(fēng)壓為1.30 kN/m2時， 立柱消耗量增加235.6%，橫梁材料消耗量增加100.0%，立柱法蘭盤材料消耗量增加153.1%，基礎(chǔ)混凝土材料消耗量增加174.5%。

圖5 雙懸標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗變化率

表4 不同風(fēng)壓雙懸標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

綜上所述，對單柱、雙柱、單懸、雙懸4 種標(biāo)志結(jié)構(gòu)的分析， 同類標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料消耗差異非常明顯，由此可知風(fēng)荷載是影響交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)受力的控制荷載。 氣候條件差異明顯的山區(qū)和沿海，出于節(jié)約資源和提高能源利用率的目的，高速公路交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)按區(qū)域分級設(shè)計顯得十分必要。

2.5 標(biāo)志結(jié)構(gòu)分級設(shè)計方法

以沿海省份福建為例，根據(jù)《福建建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)壓規(guī)程》3 種基本設(shè)計風(fēng)壓0.70、1.0、1.30 kN/m2對應(yīng)的設(shè)計風(fēng)速分別為23.9、33.8、46.1 m/s，基本可以囊括山區(qū)和沿海的風(fēng)力差異范圍。 上述交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)不同風(fēng)壓條件下的材料消耗的差異分析表明，其材料消耗變化率與設(shè)計風(fēng)壓基本保持線性變化的規(guī)律，因此交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)按照不同地區(qū)風(fēng)壓分級設(shè)計時，風(fēng)壓設(shè)計等級可以按照最小風(fēng)壓和最大風(fēng)壓之間等差遞增來選取，如某地最小風(fēng)壓為1.0 kN/m2，最大風(fēng)壓為2.0 kN/m2，取公差為0.20 kN/m2，則風(fēng)壓等級可以分為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 kN/m2若干等級，再對標(biāo)志結(jié)構(gòu)分級設(shè)計。 以福建省為例，50年一遇基本最小風(fēng)壓為0.30 kN/m2， 最大風(fēng)壓為1.30 kN/m2，考慮地區(qū)之間的協(xié)調(diào)性，綜合設(shè)計和施工的便捷， 建議交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以按照基本設(shè)計風(fēng)壓0.40、0.85、1.30 kN/m23 個等級分級設(shè)計。

3 結(jié)論

（1）3 個不同風(fēng)壓地區(qū)的交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)的主材消耗具有明顯差異，通用型標(biāo)志結(jié)構(gòu)設(shè)計明顯不合理，山區(qū)和沿海交通標(biāo)志應(yīng)按不同風(fēng)壓分級設(shè)計。

（2）交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)壓條件下材料消耗與設(shè)計風(fēng)壓基本保持線性變化的規(guī)律，因此交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)按照不同地區(qū)風(fēng)壓分級設(shè)計時，風(fēng)壓設(shè)計等級可以按照最小風(fēng)壓和最大風(fēng)壓之間等差遞增來選取，為標(biāo)志結(jié)構(gòu)分級設(shè)計提供依據(jù)。