交通工程标志结构设计常见问题的探讨

交通工程标志结构设计常见问题的探讨

韩嘉成

天津市公路工程总公司天津300161

交通标志属于交通安全设施,是交通工程中的一个重要组成部分,也是公路工程中主要的附属设施，但由于这个领域的层面比较窄,属于配套工程,所以很长时没有得人们足够的重视，涉足研究的人也比较少。

交通标志结构的特点

交通标志结构是指用于支撑交通标志的承载体系，包括主体支撑结构和基础两部分，主体部分基本采用钢材料，既为钢结构，基础部分采用钢筋混凝土材料制作，由此，交通标志结构涉及到钢结构和混凝土结构两方面。

对于标志结构的主体部分，要充分利用钢结构自身强度大、重量轻、弹塑性好的优点，克服其刚度不足的弱点；而结构的基础部分要发挥混凝土材料的抗压性好、可模性强且经济耐久的特点，克服其抗拉抗裂性差、抗弯强度低的不足。此外，交通标志结构作为一种特定的支撑结构形式，也有自己的特点，一是在结构的承载方面，由于交通标志牌自身重量比较轻，结构承受的荷载主要来自外界的风压荷载，这一点是交通标志结构承受荷载的一个重要特点；二是在结构的强度和刚度方面，结构的强度要求一般容易被满足，而结构的刚度要求在设计时往往容易被忽视，容易造成结构构件变形过大，以致影响正常使用。这也是交通标志结构有别于其他土建结构物的显著特点。

交通标志结构设计原则和理论基础

在结构设计理论发展和形成的过程中，结构设计理论就是为了解决安全可靠和经济合理，这一对矛盾的。交通标志结构的设计也是遵从这一原则。在做结构设计时，两个方面都要兼顾，缺一不可。因此，交通标志结构的设计要以"安全第一，结构合理，经济适用"为总的指导思想和设计原则。

交通标志结构的设计采用以概率极限状态下的设计理论为基础，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态两种模式分别进行结构设计验算和校核。以满足结构的强度、刚度和稳定性。而交通标志结构的刚度设计往往成为结构设计的控制因素，因此，要特别重视正常使用极限状态下的结构设计，防止出现结构刚度和稳定性方面的缺陷。此外，交通标志结构设计还要满足结构构造和工艺方面的要求，符合国家相关标准和规范。

交通标志结构常用的设计方法

一般常规的方法

交通标志结构的设计首先要根据所支撑的交通标志种类、形式、设置位置等因素确定结构的支撑形式和架构；第二步是为结构体系建立相应的力学模型，进行内力分析和力学计算，这个过程对整个结构设计很重要，有承上启下的作用；下一步是依据结构设计理论进行结构设计计算和验算论证。一般过程是：先做假设——进行验算——再进行修正，这样循环往复进行，最终得到合理的结果。

类比法

通常，我们在结构设计中往往也借鉴以前的设计成果，多年的设计经验值等进行类比扩展、举一反三。但是，这种设计方法要注意进行相关的验算和论证。另外，即使是以前的设计成果，也不可能都是尽善尽美的，借鉴时还需结合不同的时间、地点和要求进行修正。

下面以常见的交通标志结构Φ377（结构立柱的直径）单悬臂结构为例，简要说明设计过程和结构分析。

Φ377单悬臂结构由立柱、悬臂梁及结构基础组成，其中立柱与悬臂梁、立柱与基础均通过法兰盘由螺栓连接。（见下图）

将结构的主要数据作为已知条件，我们要验算这些数据是否符合设计要求，结构形式是否合理，结构的危险点位在哪里，结构的材料选择是否合理，以及结构的成本如何控制等等。

1.已知条件

Φ377单悬臂结构主要数据：

立柱φ377*11*9200（Q235）

悬臂管φ219*8*7000（Q235）2件

基础2800*1600*1800（C25）（内配基础钢筋）

交通标志牌3600*6000（铝合金）

风压荷载400N/㎡（此数据为天津地区平均风压）

2.悬臂梁的设计

悬臂梁与立柱连接，梁上连接标志牌，主要承受来自风压传递给标志牌的风压荷载和结构自重力。悬臂梁设计的主要内容有梁体的强度、刚度、稳定性；连接法兰的螺栓强度；各类加劲筋板的焊缝强度等几部分，其中螺栓连接和筋板焊缝是构件的危险点位，在设计时必须给予足够重视；梁体部分在重量上占去了构件的85%以上，属于成本费用控制的重点。下面仅就梁体的强度、刚度设计作简要说明和分析。

梁体荷载组合设计值q=1.23kN/m(已考虑结构重力qG和风压荷载qQ，计算过程略)

梁体承受弯矩M=1/2q|2=1/2*1.23*72=30.135kNm

梁体截面模量W=269.9cm³

梁体强度σ=M/W=30.135/269.9=111.6MPa。此强度值远远小于允许强度值215MPa，说明采用Φ219*8的钢管在强度方面安全系数是很大的，有进一步调整的余地，但能否调整还要看梁体构件的刚度，稳定性等方面的参数。

梁体的刚度值通过计算为45.7mm（挠度，计算过程略）

梁体的允许刚度值[v]=L/150=7000/150=46.7mm

通过刚度计算可以看出梁体刚度值已经接近最大允许值了，说明采用Φ219*8的钢管在刚度方面已经接近允许的极限值了，构件承载后虽然强度方面还远没有达到极限，但它产生了比较大的弹性变形，刚度已经接近允许值了，型材的尺寸已经没有进一步调整的余地，除非通过改变构件的结构连接形式，进而改变构件的承载受力方式和内力分配模式，减小和控制构件的弹性变形后，再图型材尺寸的调整。

3、立柱的设计

悬臂结构的立柱下端与基础连接，上部连接悬臂梁，承受由悬壁梁传递来的弯矩和扭矩。立柱设计的主要内容有立柱体的整体稳定；地脚螺栓强度；立柱底板强度及加劲筋板的焊缝强度等几部分，其中地脚螺栓强度、加劲筋板的焊缝强度等是构件的危险点位，在设计时必须给予足够重视，具体计算过程不再讨论；立柱主体部分在重量上战区了立柱结构的80%左右，属于成本费用控制的重点。下面就立柱体的整体稳定设计作简要说明和分析。

立柱体承受弯矩M=97.82kNm。（已考虑重力和风荷载，计算过程略）

立柱体截面模量W=1124544mm³

立柱体截面面积A=12648ｍ㎡

立柱体刚度（长细比）λ=|О/i=2*8600/129.5=132.8<[λ](允许值)=150

立柱体整体稳定σ=N/（Φ*A）+M/W=21260/（0.419*12648）+97.82*106/1124544=91MPa

通过计算我们看出立柱体的强度和刚度与悬臂梁体相似，都是强度还远没有达到设计极限时刚度已经接近允许值了，同时我们也看出型材的截面模量（W）对于受弯构件（如立柱体、梁体）的强度值影响很大，很直接，单位重量相同或接近的型材，型材的截面模量未必接近或相同，有时甚至相差很大，这是因为型材的截面模量与型材的截面形状有很大关系，而与型材的重量没有必然的联系。所以我们可以选择截面模量较大而重量较轻的型材作为受弯构件选择型材的标准，这一点尤其适合单柱型、双柱型和双悬臂型等纯单向受弯结构。

4、基础的设计

基础的设计主要包括基底应力计算和基础倾覆稳定性验算等几个方面。这里仅对基础倾覆稳定性验算作简要说明和分析。

基础转动半径y=2800/2=1400mm=1.4m（标志迎风方向基础长度的一半）

外荷载形成的偏心e0=0.57m（此数值与基础承受弯矩和基础自重力有关，计算过程略）

基础倾覆稳定系数k0=y/e0=1.4/0.57=2.46>1.3（允许值）

通过计算说明该基础的倾覆稳定系数还是比较大的，基础抗倾覆的能力很强。我们可以看出对基础倾覆稳定性比较敏感的参数是基础的长度（标志迎风方向）。基础尺寸加大一般会提高他的倾覆稳定性，但同时也会增加对基底的压应力，会对基底强度提出更高的要求。所以我们在设计基础时，首先要保证基础的稳定性，同时尽量减小基础对基底的应力，并尽可能使这种应力分布均匀，避免基础产生不均匀沉降。