交通电子显示屏结构设计研究

0 引言

随着汽车保有量的快速增长，城市交通压力越来越大，城市道路正逐步向立交发展。在重要路口和交通流量大的位置，原有的固定式交通标志牌受到牌幅面积限制，指路功能日渐不能满足需求[1]。电子信息技术的发展，使得在城市道路的重要位置，交通电子显示屏作为一种可变信息的交通标志载体，逐渐取代原有的固定式交通标志牌。除了指路功能外，它还能及时向驾驶人员提供道路交通状况相关信息，为驾驶人员避开交通堵塞路段、选择合适的行驶路线提供了便利[2]。交通电子显示屏在提供更多交通信息的同时，电子元件的重量较之交通标志牌大大增加，电子元件在主体结构上的固定安装，都对设计提出了新的要求。

城市道路交通电子显示屏的上部结构一般采用钢结构，下部采用混凝土独立基础[3]。城市道路中最常见的为单悬臂式结构，本文以某重要路口对交通信息显示的要求，对单悬臂式交通电子显示屏结构设计进行探讨。

1 力学模型

依据规范[4]，交通标志结构计算的要点有：立柱与横梁的强度刚度验算、节点连接计算、基础验算等。立柱与横梁简化处理为悬臂构件，承受自重、挂重、风载等作用。

横梁由于重力（自重和挂重）与风载作用方向不同，对其作用效应需进行组合或叠加。危险截面位于横梁根部，验算需根据第四强度理论[5]建立强度条件：

立柱的危险截面也位于根部，承受的作用主要有：

由风载引起的弯矩：

由横梁和标志板自重引起的弯矩：

图1 立柱作用示意图

式（2）～式（5）中，Fwb、Fwp、Fwhp分别为标志板、 立柱、单根横梁的风载；nbeam为横梁数目；γ0、γG分别为结构重要性系数和荷载分项系数；Wbi、Hbi、Tbi、ubi分别为第i块标志板宽度、高度、厚度、比重； Hhp、 Hp分别为单根横梁、立柱的长度；uh、up分别为横梁、立柱单位长度的重量；nw为沿横梁长度方向的标志板数量。立柱根部作用示意图如图1所示。

立柱属于薄壁杆件，其所受外力不通过截面的剪力中心，同时受到弯曲和扭转的共同作用。并且，除圆管型立柱外，其他型式的立柱受扭后，其横截面在纵轴方向不能自由的凸凹翘曲，发生约束扭转。此时，薄壁截面除有弯曲应力外，还将产生可以与基本应力达到相同数量级的扭转正应力和扭转剪应力。根据薄壁杆件的约束扭转理论[6]，扭转正应力和扭转剪应力分别为：

式（6）和式（7）中， 为双力矩， 在截面内自相平衡；为广义扇性面积；为广义主扇性惯矩；Ω为立柱横截面中线所围面积的两倍；δ为立柱横截面壁厚；为弯扭力矩；为广义扇性静矩。

在对横梁和立柱进行变形验算时，分别求出每项荷载单独作用下构件的挠度和转角，然后按照叠加原理进行叠加。

2 初步设计

交通部门对该路口的电子显示屏版面面积的要求是4.0m×2.5m，通过与电子元件提供厂家商议，考虑电子元件的挂载安装，显示屏外框尺寸定为4.2m×2.55m，电子元件（包括固定框架）质量为700kg。拟采用立柱、横梁组合承重结构，立柱与横梁均采用方管，立柱规格为350mm×350mm×6mm，横梁规格为160mm×160mm×6mm。横梁与立柱采用法兰盘连接方式（法兰盘规格为400mm×400mm，厚度为18mm），立柱与基础通过预埋螺栓连接（底座规格为800mm×800mm，厚度为25mm）。结构设计如图2、图3所示。

图2 显示屏主体结构图

图3 法兰连接与螺栓布置

3 分析计算

依据初步设计，对电子显示屏主体结构进行分析计算，包括对横梁、立柱、节点及基础的分析计算。该地区基本风压ω0=0.35kPa。通过计算，风载（标准值）： Fwb＝3.75kN； Fwh＝0.02kN；Fwp＝1.00kN。重力（标准值）：电子屏G1=7.00kN；单根横梁G2＝1.29kN；立柱G3＝5.27kN。

3.1 横梁力学分析计算

横梁截面规格为方管160mm×160mm×6mm，uh=290.1N/m，截面面积A=36.96cm2，截面惯性矩Ix=Iy=1463.12cm4， 截 面 抵 抗 矩 Wx=Wy=182.89cm3，回转半径ix=iy=6.29cm。分析计算结果见表1。结果显示，横梁的强度、挠度和长细比均满足规范要求。

表1 横梁分析计算结果

3.2 立柱力学分析计算

立柱截面规格为方管350mm×350mm×6mm，up=648.1N/m，截面面积A=82.56cm2，截面惯性矩Ix=Iy=16288cm4， 截面抵抗矩Wx=Wy=930.74cm3， 回转半径ix=iy=14.04cm。分析计算结果见表2。结果显示，考虑约束扭矩效应时，立柱的强度满足规范要求；立柱的挠度和长细比也满足规范要求。

3.3 节点连接计算

立柱与横梁连接节点采用M24×85摩擦型高强度螺栓（10.9S），立柱与基础通过M30预埋螺栓连接（材质为Q235），通过计算[7]，两节点处的螺栓设计均满足规范相应技术要求。

3.4 基础分析计算

基础设计如图4所示，架立钢筋为φ8@400。基础埋深为2.1m，属于浅基础。依据岩土勘察结果，持力层土体重度γ=20kN/m3，粘聚力c=34kPa，内摩擦角φ=17.9°，承载力特征值fak=160kPa。通过计算，地基承载力、基础承载力满足设计要求；基础抗倾覆稳定性和抗滑动稳定性满足均满足规范要求。

表2 立柱分析计算结果

图4 基础设计图

4 结论

本文在研究电子显示屏结构计算方法的基础上，以实际工程作为实例分析，详细介绍了该类工程的计算内容：横梁与立柱、节点连接以及基础的计算分析。计算过程可以为同类工程提供参考。

鉴于电子屏为交通标志，属于户外设施，牌面较大，承受很大的风荷载，本文提出如下几点维护建议[8]：

a）构件连结点（焊缝、螺栓、地脚螺栓）应每年检查一次，发现焊缝有裂纹、节点松动时，应及时修补及紧固；

b）在大风季节，应对电子屏钢结构进行突击检修和维护保养，重点是结构强度、刚度和结构节点、连接焊缝、螺栓、地脚螺栓；对面板连接的牢固程度进行检修保养和加固处理；

c）户外钢结构防腐保养必须每年进行一次，发现有锈蚀、油漆脱落等现象时，应进行基底清理、除锈、修复、重新涂装；

d）户外电子屏钢结构必须定期进行安全检测（油漆防腐的钢结构每2～3年应检测一次），保证在规定的设计使用年限内安全使用。