大型鋼結構廣告牌的設計和施工特點

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　　近年來,隨著我國改革開放的不斷深入,經濟建設得到了迅速的發展,伴隨而起的廣告業也日益興旺。因而,在廣告牌結構設計中,對其造型、規模及效益等方面的要求也不斷提高。大型廣告牌屬永久性建筑物,其位置一般處在公共場所、繁華鬧市地帶,并且多數是建在已建建筑群中,因此,在滿足廣告效果的前提下,其結構的安全性尤其重要。另外,其基礎工程的施工一般受鄰近已建建筑物的制約影響比較大。本文根據某火車站站前廣場兩側的廣告牌結構工程設計及實際施工的經驗對大型鋼結構廣告牌結構設計和施工特點作一些探討。

 　　工程概況該廣告牌位于某火車站站前廣場東西兩側花壇內,花壇寬為3m,其一側為混凝土澆筑的廣場,另一側為素混凝土路面。根據現場鉆探資料,工程場地的土層自上而下分為三層:表層為填土(Qm1),層厚為2.5～2.7m,含碎磚塊、塊石及有機質等,其靜力觸探比貫入阻力PS=0.83～3.65MPa,承載力fk=60～80kPa,壓縮模量ES=3.0～3.5MPa,該層填土土質松軟,結構松散,軟硬不均,強度低,未經處理不宜作建筑物的基礎持力層;第二層為粉質粘土(Qm1+p1),層厚為0.3～2.0m,含少量的氧化鐵,其靜力觸探比貫入阻力PS=0.83～1.85MPa,承載力fk=90～150kPa,壓縮模量ES=4.5～6.8MPa;第三層為粘土(Qm1+p1),位于離地面4m以下,該層未鉆穿,土質呈硬塑狀態,含大量的氧化鐵及鐵錳結核,其靜力觸探比貫入阻力PS=3.48～5.10MPa,承載力fk=250～360kPa,壓縮模量ES=10.5～15.0MPa,該層粘土分布面廣,厚度大,強度高,是良好的基礎持力層。工程場地內的地下水類型主要為埋藏于表層填土中的上層滯水,地下水主要受大氣降水及地表水入滲補給,水位、水量均受氣候變化影響。要求該廣告牌由18m高的獨立鋼柱離地面12m后撐起6×18m的矩形鋼結構廣告燈箱。該地區基本風壓為w=0.3kN/m2,地震設防裂度為7度。廣告牌結構設計結構型式的選擇獨立鋼柱大型鋼結構廣告牌的主體結構,目前常采用的形式有兩種:一種為T型,其主骨架由一根獨立鋼柱和上部一根橫向主梁呈T型焊接而成,該體系主體結構受力明確,計算簡單,由立柱頂上焊接一根橫梁形成固結于地基上的T形剛架結構體系,廣告燈箱面板通過各掛件及斜撐與T形剛架結構相連。另一種為桁架式,其主骨架由一根獨立鋼柱和上部幾道相互平行的橫向主梁焊接而成,主梁之間由水平及斜向支撐連接,形成空間桁架體系,廣告燈箱直接掛靠在主骨架上。過比選,該廣告牌結構型式采用桁架式。其理由是:第一,廣告牌結構的控制設計荷載是風載,風壓直接作用在面板上,再由面板傳至骨架,此時,在不同高程上的幾道主梁可把風載較均勻地傳至立柱,因而可減小主梁與立柱連接處的應力集中;其次,平行式桁架結構主梁采用槽鋼,使結構外形平整,便于廣告面板掛靠,并可加強面板與主骨架的連接,從而減小了面板的變形,以確保廣告面的感觀效果;第三,平行式桁架結構,可在每道主梁高程設置內檢修梯,這樣給結構的維護、檢修及掛、卸廣告布帶來了極大的方便,且保證了操作人員的人身安全;除此之外,平行式桁架結構,形式簡潔、美觀,受力明確,節點構造簡單,施工方便,從而能保證施工質量。布置本工程采用獨立鋼結構圓柱,通過節點板在三個不同高程搭焊三道橫向主梁,主梁之間設置橫隔梁和斜向支撐,形成空間桁架受力體系,主、橫梁間距主要考慮廣告面板骨架網格的布置,并使面板骨架節點與主骨架節點相一致,以加強面板與主骨架的連接。廣告牌面板的自身骨架掛焊在主體結構上,形成整體上部結構。主梁選用槽鋼,其他構件均選用角鋼,型號按構件的強度和變形條件選取。鋼立柱截面的選取,除考慮其強度及穩定性外,還要綜合考慮廣告牌整體尺寸協調及美觀等方面的因素。

結構分析
荷載和荷載組合結構承受的主要荷載有:1)自重;2)風荷載;3)溫度荷載;4)檢修活載;5)地震荷載。荷載組合有三類:1)基本組合;2)特殊組合;3)施工吊裝。應力分析由于鋼立柱為壓彎構件,其承載力取決于柱的長細比、支承條件、截面尺寸以及作用于柱上的荷載等,計算表明,鋼立柱的承載力一般由穩定控制。上部結構的主梁可簡化為剛結或鉸結在鋼立柱上的懸臂結構,主梁之間由橫梁及斜撐鉸結形成空間平行組合桁架。內力計算采用有限元程序在計算機上完成。根據鋼結構設計理論,對接焊縫在截面不減小的情況下,其強度可達到母材的強度,因而無需驗算焊縫應力,但應嚴格檢查焊縫質量及飽滿度。上部桁架桿件間的連接主要是角焊縫焊縫承受桿件間的應力傳遞,其受力大小已由上部結構計算得出,對廣告牌之類結構,上部結構桿件受力一般不大,為施焊方便,可用圍焊,并統一取焊腳尺寸為hf=10mm,可滿足規范要求;但對廣告牌面板骨架與主骨架掛點處焊接須逐一核算。

變位控制
廣告牌立柱高18m,在水平風載作用下會產生順風向水平位移,上部結構為懸臂桁架,在風載及自重作用下,懸臂端部也會產生相應的變位,如果這些變位過大,將直接影響到廣告牌的使用及感觀效果,重要的是,這些變位還將引起附加內力,增大結構內部的應力,降低結構的安全性,為此,在廣告牌設計中應嚴格限制變位。根據《鋼結構設計規范》(GBJ17�88)的規定,廣告牌水平向設計變位應控制在10mm以內為宜。

基礎工程設計
基礎型式及布置作為該類型廣告牌的基礎型式主要有兩種:一種是平衡重力式,即上部荷載主要由大體積基礎重力來平衡,開挖方量大,混凝土用量也較多,但施工簡單,節省鋼材,適宜在土質松軟且有開闊的施工場地時利用。另一種為樁基式,其中又以擴孔樁為主,該類基礎可在施工場地受限的情況下采用,其優點是基礎施工場面很小,混凝土用量僅為平衡重力式基礎的三分之一左右,但施工難度略有增大。由于本廣告牌建在某火車站站前廣場兩側花壇內,花壇寬僅3m,若放坡開挖基坑,勢必破壞兩側的廣場混凝土地坪和水泥混凝土路面,其修復工程造價可觀,還可能破壞地下埋管,經綜合比較,選用了人工挖孔擴底樁基礎,使基坑開挖只限在花壇內進行。為了減小孔壁支護的困難,基礎上部4m深范圍內(表層填土和第二層粉質粘土)不擴孔,采用直徑為1.5m的圓孔;從4m深以下(第三層粘土)開始擴孔,以增大基底的受荷面積,來滿足地基承載力要求。基底采用方形,尺寸為3×3m,總孔深為6m,基礎底下設置十字正交齒墻,以增強基礎的抗扭和抗剪切能力。樁基礎結構計算在樁基礎結構計算中,采用C法和m法兩種計算方法。結果表明,兩種方法計算結果比較一致,樁身最大彎矩出現在距地面62mm(m法為82mm)處,樁頂最大水平位移為4.86mm(m法為4.78mm)。樁身材料強度和配筋計算,按一般鋼筋混凝土結構的偏心受壓構件進行。基礎設計須考慮軸力、彎矩、扭矩等不同組合的作用,以保證基礎本身的強度、剛度及地基的承載力和抗剪強度均滿足規范要求。施工工藝基礎工程根據現場地形、地質條件,本基礎采用人工挖孔擴底樁,基礎底面置于第三層粘土中。基坑開挖時,采用孔壁支護和排水措施,以確保樁孔成形和施工人員的人身安全。基坑開挖完成并經驗槽后,立刻鋪設100mm厚碎石墊層,吊放鋼筋骨架,并及時澆筑基礎混凝土,預埋錨固螺栓,鋪設基礎頂部鋼筋加強網,在澆至設計標高時,其頂面需用20mm厚1:3水泥砂漿找平,然后加蓋螺栓定位及墊座鋼板。待基礎混凝土養護到規定齡期,需對預埋螺栓進行抗拔試驗,以確認螺栓的抗拔承載力是否滿足設計要求。鋼結構工程所有鋼結構構件的連接均采用焊接,上部結構均采用工廠化生產。鋼柱用鋼板在工廠卷焊而成,上部桁架結構可在工廠拼焊;當梁柱主骨架焊接完成,形成整體上部結構時,應做適當的加載試驗,以驗證焊縫的質量和主骨架的強度;廣告牌面板骨架和鍍鋅鐵皮面板拼接好后,可在地面直接掛焊到主骨架上,以便校正面板表面的不平整度,控制上部結構整體外觀效果。吊裝定位廣告牌的立柱和上部結構在工廠制成后,運往現場進行整體對接。在地面形成的整體廣告牌,可用兩臺吊車從頂、底兩個吊位進行整體起吊安裝,在廣告吊裝就位后,用兩臺經緯儀從相互垂直的兩個方向進行糾斜、定位。每個方向的垂直度宜控制在h/2000(h為廣告牌高度)以內,且小于20mm。螺栓定位緊固后,宜在適當時機,澆筑素混凝土密封,以防螺栓外露銹蝕。本文提及的廣告牌建成后,經過數次臺風考驗,其垂直度和變位均滿足規定要求,而其總造價比同類廣告牌節省了20%,現已投入商業使用。
結束語
大型鋼結構廣告牌是在改革開放的經濟大潮中產生的新型結構物,具有較強的生命力。大型鋼結構廣告牌的上部結構構件尺寸,主要受變形、穩定和外觀效果控制。對受已建建筑物約束的大型鋼結構廣告牌,挖孔樁基礎是比較安全且經濟的基礎形式之一。
 

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