户外广告牌抗风能力的计算与结构优化

户外广告牌抗风能力的计算与结构优化

２００９年４月第１卷第２期３

宁波职业技术学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｉｎｇｂｏＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ宁波职业技术学院学报

，２Ａｐｒ００９

Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．２

户外广告牌抗风能力的计算与结构优化

曹

勃

1３１５８００

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摘利用伯努利方程等对户外独立柱广告牌的风荷载和稳定性等进行了力学要：以户外独立柱广告牌为例，

分析。在此基础上，提出了广告牌的立柱和牌面结构设计方案，以提高独立柱广告牌的抗风能力。

关键词：独立柱广告牌；抗风能力；荷载分析；结构优化

＋

；；中图分类号：Ｏ１４１．４Ｏ３２７ＴＵ３１２．１

文献标识码：Ａ（）文章编号：１６７１－２１５３２００９０２－００５４－０３

０引言

在文献犤中，通过计算广告牌结构上的静态１犦风荷载和脉动风荷载，利用随机振动理论和正态分布法建立了户外广告牌的风动响应模型和抗风可靠度数学模型。对如何提高其抗风能力，构建了一个比较完善的计算方法。本文在文献犤的基础１犦上，结合平面广告牌的特点研究如何设计结构，以提高其安全性能。

平面独立柱广告牌由于其简捷的造型和良好的视觉效果在生活中应用十分普遍．但由于其结构的特殊性，在台风过程中遭受破坏甚至整体倒塌的情况时有发生，因此，能否科学合理地确定风荷载十分重要。

分析广告牌被破坏的原因主要有：

其一，在风吸力作用下，由周边支承变为点支承，抗风能力大为降低；

其二，广告牌结构的分析不精确，计算风荷载方法有误，导致风荷载偏小，使钢构件、构件之间的连接与基础抗拔能力不够。

在设计广告牌时，要求对独立柱广告牌的强度、刚度、稳定性有一个全面科学的分析研究，不断地进行比较，找出最合理的模型。

收稿日期：２００８－１１－１８

基金项目：浙江省教育厅科研课题资助项目（）２００７０６５８

１

独立柱平面广告牌是由与底面相连的一根立柱与立柱一侧的一些杆件构成，因为广告牌一般结构比较高，在重力荷载以及风荷载的作用下，容易产生较大的变形和振动。本文将计算模型简化为一端固定的悬臂梁，并以此为理论基础，对户外独立柱广告牌进行分析研究。

１．１广告牌的荷载分析

平面独立柱广告牌所受的荷载有：风荷载、重力荷载、裹冰荷载、雪荷载、地震作用、基础不均匀沉降、自重等和各种偶然性的事故荷载等等。广告牌的主要荷载是风荷载，其他荷载只是在某些特定的条件下才予以考虑。本文也仅研究广告牌在风载荷作用下的特性。

对于工程结构设计计算来说，风力作用的大小最好直接以风压来表示。低速运动的空气可作为不可压缩的流体看待，可用对于不可压缩理想流体质元作稳定运动的伯努利方程来分析。当它

２犦

在同一水平线上运动时，伯努利方程为犤

１ｍ２

，ωＶｖ＝ｃｏｎｓｔα

（）１

式中：为单位面积上的静压力；为空气质元的ωＶ０

），男，安徽安庆人，副教授，硕士，研究方向为应用数学。作者简介：曹勃（１９７３－

· ·

２００９ ２

户外广告牌抗风能力的计算与结构优化

··

曹勃：

户外广告牌抗风能力的计算与结构优化

体积；ｖ为风速；ｍ为运动流体质元的质量；ωαＶ为静压能。将式牗１牘

两边除以Ｖ，伯努利方程为ωα

１ρｖ２

＝ｃｏｎｓｔ。（２

）在气压为１０１．３２５ｋＰａ，常温２５℃和绝对干燥

的情况下，海面上的重力加速度ｇ＝９．８ｍ／ｓ

２

。带入式（２

）中得到单位面积上的风压力为ωｖ２

ｋ

Ｎ／ｍ２

。（３

）由于风压与大气压边界层内地表粗糙度与高度有关，又考虑到：一般建筑物都是非流线体，当气流绕过建筑物时会产生分离、汇合等现象，引起建筑物表面压力分布不均匀。为了反映建筑结构上平均风压受到各种因素和情况影响，同时又能便于广告牌抗风设计之应用，我国《高耸结构设计规范》和《户外广告牌设施钢结构技术规程》把结

构单位面积上的风荷载标准值规定为犤

３－４犦

ｐ＝βｕω，（４

）式中：β为风振系数，一般取１．３；ｕ为风载体型系数，一般在计算时出于安全考虑，取ｕ＝１．２；ω为建筑物所在地区的基本风压。根据某市要求，广告牌、建筑结构等具有抗８级风的能力（最大风速为２０．７ｍ／ｓ），代入式（３）中，计算出ω＝２６３Ｐａ。根据式（４），计算出风压Ｐ＝１．０×１．３×１．２×２６３＝４１０Ｐａ

。１．２稳定性分析

独立柱广告牌的结构组成包括两部分：广告牌面板和支撑面板的柱。由于这种广告牌的建筑方案固定单一，因此立柱的刚度问题对广告牌的稳定性来说就特别重要。传统的施工方案是采用钢管混凝土柱结构，钢管外径１．８ｍ，内径１．７６ｍ

，其抗弯刚度为犤

５犦

Ｋ＝ＥｓＩｓ＋αＥｅＩｅ，（５

）式中：Ｅｓ和Ｅｅ分别为钢材和混凝土的弹性模量，Ｅｓ＝２９００００ＭＰａ，Ｅｅ＝２８８８２ＭＰａ；Ｉｓ和Ｉｅ分别为钢材和混凝土的截面惯性矩；α为小于１的系数，反应了钢管混凝土受弯构件的特点对钢管混凝土抗弯刚度的影响，对于圆钢管混凝土α＝０．６

。钢管部分

ＥｓＩｓ

＝２０６０００×１０３

（１．８４

－１．７６４

）＝９．１３×１０６ｋＮｍ

２

；混凝土部分

ＥｅＩｅ

＝２．９×１０７４

×１．７６＝１．３７×１０７ｋＮｍ

２

。所以钢管混凝土抗弯刚度为

Ｋ＝ＥｓＩｓ＋０．６ＥｅＩｅ

＝９．１３×１０

６＋０．６×１．３７×１０７＝１．７３５×１０７ｋＮｍ２

。２广告牌的结构优化

２．１立柱的结构改进

由于钢管混凝土在弯矩作用下，混凝土会因受拉而退出工作，导致抗弯刚度大幅下降。现考虑在钢管混凝土里面添加钢筋，受弯时混凝土和钢管产生相互作用的紧箍力，从而显著提高立柱的抗弯刚度。在为钢管混凝土配钢筋时，考虑到立柱受弯时中和轴附近受力较小，可考虑不配以尽量减少立柱的自重，其抗弯刚度为

Ｋ＝ＥｓＩｓ＋０．６ＥｅＩｅ＋ＥαＩα。（６

）钢筋直径为３０ｍｍ，截面积Ａα

＝πＲ２

＝７．０６×１０－４ｍ２

。钢筋对于其形心轴ｘ

轴的截面惯性矩采用近似计算公式

ｎ

１０

Ｉα＝ Ａαｘｉ２＝Ａα（４ ｘｉ２＋２ｘ１１２

）

＝０．０１５ｍ４，１

１

其中，ｘｉ为钢筋至形心轴的距离；ＥαＩα＝２０６０００×１０３

×０．０１５＝３．０６×１０６ｋＮｍ

２

。因此，配钢筋钢管混凝土抗弯刚度为

Ｋ＝ＥｓＩｓ＋０．６ＥｅＩｅ＋ＥαＩα

＝９．１３×１０６＋０．６×１．３７×１０７＋３．０６×１０６

＝２．０４×１０

７ｋＮｍ２

。从计算结果可知，立柱抗弯刚度提高近２０％，在实际工程施工中也可以看出其效果（如图１）。