廣告牌鋼構(gòu)架受力分析

1、廣告牌鋼構(gòu)架受力分析1引言目前，在很多建筑物上面都有各種廣告牌。這些廣告牌的構(gòu)架多是由小尺 寸的型鋼焊接做成。鋼構(gòu)架負(fù)擔(dān)的豎向荷載包括構(gòu)架本身和廣告牌上的鋁合金 板，以及霓虹燈或其它材料的重量。由于荷載比較小，所以這些鋼構(gòu)架一般都 不進(jìn)行計(jì)算分析，而是憑經(jīng)驗(yàn)選用盡量小的型鋼來做，以方便吊裝和制作。值 得注意的是，廣告牌的面積通常都有上百個(gè)平方米，盡管其豎向荷載比較小， 但在風(fēng)力作用下，其水平荷載卻可能很大。所以在突刮陣風(fēng)的時(shí)候，經(jīng)?？梢?看見一些廣告牌被吹翻或吹壞，掉落在地上，造成不小的損失，甚至人身傷 亡。尤其是那些位于高層建筑頂部的廣告牌，風(fēng)荷載就更大了。本文通過對(duì)某廣告牌鋼構(gòu)架的受力分析

2、，指出對(duì)于那些位于高層建筑頂部 的廣告牌應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算分析，以確保在大風(fēng)荷載下的安全性。2鋼構(gòu)架的計(jì)算分析2.1鋼構(gòu)架概況某鋼構(gòu)架廣告牌，位于長(zhǎng)江邊某高層建筑頂部，高12m，寬30m，是一個(gè) 霓虹燈廣告。甲方將廣告牌委托給一個(gè)小公司制作安裝。該公司最初憑經(jīng)驗(yàn)設(shè) 計(jì)了該廣告牌的鋼構(gòu)架，選用的是L50等邊角鋼。后來甲方覺得廣告牌所處位 置太高，又在江邊，風(fēng)荷載很大，故又委托作者驗(yàn)算該鋼構(gòu)架是否安全。由于 廣告牌鋼構(gòu)架是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，作者采用著名的有限元程序ANSYS5.6進(jìn)行了計(jì) 算。鋼構(gòu)架的立面和軸側(cè)，如圖1所示。構(gòu)架底部支座位于主體結(jié)構(gòu)的梁上， 通過膨脹螺栓連接。右邊缺口部分是建筑物的水箱，鋼筋

3、混凝土做成，構(gòu)架支 座也可用膨脹螺栓與其連接。2.2計(jì)算分析方法鋼構(gòu)架主要承受風(fēng)荷載，其參數(shù)取值如下：（1）根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001，維護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 按下式計(jì)算：wk=Pgz |is |iz w0（1）圖1廣告牌鋼構(gòu)架軸側(cè)和立面圖（2）根據(jù)GB50009-2001，取地面粗糙度為B類，廣告牌距地面約90 95m，陣風(fēng)系數(shù)Pgz為1.515，風(fēng)壓高度變化系數(shù)舊為2.055。由于廣告牌附屬 在主體結(jié)構(gòu)表面部分的局部風(fēng)壓會(huì)超過平均風(fēng)壓，取局部風(fēng)荷載體型系數(shù)3為- 2.0 （負(fù)風(fēng)壓）。風(fēng)荷載體型系數(shù)3為1.3 （正風(fēng)壓）。（3）由于該廣告牌鋼架結(jié)構(gòu)表面所設(shè)鋁合金扣板（每塊寬

4、度為100mm） 為隔一設(shè)一，故廣告牌鋼架的實(shí)際受風(fēng)面積為50%總面積。根據(jù)GB50009-2001 規(guī)定的“桁架的體型系數(shù)的計(jì)算方法，該廣告牌鋼架結(jié)構(gòu)可以乘以擋風(fēng)系數(shù)（或透風(fēng)系數(shù)）。擋風(fēng)系數(shù)取為0.5。（4）根據(jù)GB50009-2001中的全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖，基本風(fēng)壓w0取為0.3kN/m2。（5）按照式（1）中所列風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式，其中3為（卜（正風(fēng)壓）+ 3 （負(fù)風(fēng) 壓）歸。最后算得風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk為1.541kN/m2。2.2計(jì)算結(jié)果及修改意見經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)鋼構(gòu)架在風(fēng)荷載和豎向荷載（重力荷載）作用下，除個(gè)別部位 以外，桿件的彎矩和剪力都不太大，對(duì)多數(shù)桿件內(nèi)力起控制作用的是軸力。計(jì)算

5、結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)存在以下問題：（1）全部采用L50等邊角鋼的方案是不安全的。正風(fēng)作用下桿件最大軸壓 力為147kN，反風(fēng)作用下更達(dá)到152kN。如果用L50等邊角鋼，應(yīng)力已經(jīng)大大超 過了容許應(yīng)力235N/mm2。因此，將其中一些部位改用L70和L63等邊角鋼，包 括正立面兩側(cè)邊跨和挑出部分的橫桿(L70)，該部位由于有懸挑，受彎矩和剪力 控制；背后斜撐部分的豎直桿、水平桿和豎斜桿(L70)，軸力控制；正立面兩側(cè) 挑出部分的斜拉桿(L63)，軸力控制；背后斜撐部分的中間斜桿(L63)，軸力控 制。原設(shè)計(jì)方案兩側(cè)挑出部位沒有加斜拉桿，這樣會(huì)導(dǎo)致該部位的內(nèi)力更 大，更不安全。原設(shè)計(jì)支座與建筑主體連接

6、的膨脹螺栓均采用六個(gè)，每個(gè)螺栓能承受 20kN的拉力，即支座能承受的最大拉力為120kN。而計(jì)算出來的不少支座的拉 力都大于120kN，正風(fēng)和反風(fēng)作用下最大的支座拉力分別達(dá)到130kN和 144kN。估計(jì)這正是廣告牌經(jīng)常被整體吹落的原因。作者根據(jù)計(jì)算出來的每個(gè)支座 反力，給出了相應(yīng)的螺栓數(shù)量和布置的建議。根據(jù)上述計(jì)算分析結(jié)果修改后， 各桿件的變形和應(yīng)力均能滿足要求。其變形和軸力圖，如圖2圖3所示。圖2鋼構(gòu)架在正風(fēng)和反風(fēng)荷載作用下的變形(俯視圖)圖3鋼構(gòu)架在正風(fēng)和反風(fēng)荷載作用下的軸力圖3結(jié)束語(yǔ)通過本實(shí)例的分析不難看出，目前很多憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的廣告牌鋼構(gòu)架可能存 在安全隱患，特別是位于高層建筑頂部的廣

7、告牌。由于廣告牌鋼構(gòu)架一般均用 人力將材料吊到建筑的頂部，再焊接制作。如果用較大截面的角鋼，則重量太 大，人力難以吊運(yùn)到位，故通常都用小尺寸的角鋼，加之未經(jīng)過計(jì)算分析，就 容易導(dǎo)致不安全的結(jié)果。因此作者認(rèn)為，對(duì)那些位置高，面積大的廣告牌鋼構(gòu) 架，應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算，以確保安全。我想，大多數(shù)經(jīng)營(yíng)戶外廣告牌的廣告公司可能都會(huì)問類似問題，因?yàn)閺V告 公司在樓頂安裝廣告牌時(shí)首先會(huì)想到，遇大風(fēng)時(shí)該廣告牌能否承受相應(yīng)的風(fēng) 壓。遇上大風(fēng)如果廣告牌不能承受相應(yīng)的風(fēng)壓，則有可能造成難以預(yù)料的后果：如廣告牌從樓頂被吹落，砸傷樓下行人或造成自己或他人財(cái)產(chǎn)受損。如果 保險(xiǎn)公司承保這塊廣告牌，當(dāng)然也會(huì)首先估算一下該廣告牌被大風(fēng)

8、吹落的概率 有多大。事實(shí)上，即使在平地上安裝廣告牌，這個(gè)問題依然存在。記得幾年 前，江蘇某市曾有路邊廣告牌被大風(fēng)吹落導(dǎo)致公路交通受阻的例子。因此，無 論對(duì)于廣告公司還是保險(xiǎn)公司，根據(jù)當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的大風(fēng)事先估算廣告牌承受 的風(fēng)壓顯得尤為重要。下面我們就來討論風(fēng)壓的計(jì)算問題。我們知道，風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努 利方程得出的風(fēng)一壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為wp=0.5-ro-v2(1)其中wp為風(fēng)壓kN/m2，ro為空氣密度kg/m3，v為風(fēng)速m/s。由于空氣 密度(ro)和重度(r)的關(guān)系為r=ro-g,因此有ro=r/g。在中使用這一關(guān)系，得到wp=0.5rv2/g(2)此式

9、為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(氣壓為1013hPa,溫度為15C),空氣重 度r=0.01225kN/m3。緯度為45處的重力加速度g=9.8m/s2,我們得到wp=v2/1600(3)此式為用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式。應(yīng)當(dāng)指出的是，空氣重度和重力加速 度隨緯度和海拔高度而變。一般來說，r/g在高原上要比在平原地區(qū)小，也就是 說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小?，F(xiàn)在我們將風(fēng)速代入(3), 10級(jí)大風(fēng)相當(dāng)于24.5-28.4m/s,取風(fēng)速上限28.4m/s,得到風(fēng)壓 wp=0.5kN/m2,相當(dāng)于每平方米廣告牌承受約51千克力。有興趣的讀者可以查查現(xiàn)在全國(guó)哪里風(fēng)力最大，再算一算風(fēng)壓有多大。)。風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出 的風(fēng)一壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為：wp=0.5pv2(1)其中wp為風(fēng)壓kN/m2, p為空氣密度kg/m3, v為風(fēng)速m/s。由于空氣密度(p)和重度(r)的關(guān)系為r=p-g,因此有p=r/g。在中使用這一關(guān)系，得到wp=0.5rv2/g(2)此式為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(氣壓為1013 hPa,溫度為15C),空氣 重度r=