高建筑物上廣告牌鋼結(jié)構(gòu)抗震校驗

馮濤

（河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島066000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市地區(qū)很多高建筑物上的廣告牌日益增多，廣告牌的安全隱患問題也漸漸進入大眾視線。大多數(shù)廣告牌建在室外，不可避免地要經(jīng)歷風(fēng)雨、地震等自然天氣的影響，往往會造成很大的經(jīng)濟損失。因此，必須認真研究鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的抗震性能，保證高建筑物上的廣告牌穩(wěn)定性。

本文通過對石家莊城市郊區(qū)廣告牌設(shè)施的調(diào)查，并通過建立有限元，對10m 高建筑上廣告牌進行受地震載荷作用下受力仿真分析，最終將結(jié)果與國家現(xiàn)行標準《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》相比較，確定廣告牌是否符合標準。

2 受力分析與模型建立

2.1 材料參數(shù)與單元屬性

本文分析的廣告牌為安裝在10m 高建筑物上的廣告牌鋼結(jié)構(gòu)，位于石家莊市房屋較稀疏的城市郊區(qū)。結(jié)構(gòu)中用到的材料參數(shù)如表1 所示。

表1 各材料參數(shù)

當材料受到的應(yīng)力達到屈服應(yīng)力時，就會產(chǎn)生塑性形變，即受到的作用力消除后，材料產(chǎn)生的形變不能完全消除。在實際情況中表現(xiàn)為受到地震作用產(chǎn)生變形后，在地震結(jié)束后形變不能完全消除，因為沒有雪花鋼和彩鋼的具體鋼材型號或材料參數(shù)，暫時將它們的屈服應(yīng)力按Q215A 的屈服應(yīng)力進行計算。雪花鋼和彩鋼面板的厚度均為1mm。

2.2 荷載作用標準

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》地震作用載荷的取值方法如下[1]：

根據(jù)CECS 148：2003《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]，石家莊市的地震烈度為7，故取αmax=0.08，進行地震安全性校核時，加載的慣性加速度為a=αmaxg=784mm/s2。

2.3 建立有限元模型

有限單元法的原理為：將無限自由度的連續(xù)體轉(zhuǎn)換成有限自由度的離散化結(jié)構(gòu)組合，最終通過結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣方法對其進行求解[3]。鋼結(jié)構(gòu)中的薄壁板結(jié)構(gòu)，包括廣告牌面板、大字、Logo、角鋼、方鋼等，因為其尺寸遠大于厚度，所以可以用殼單元模擬（見圖1）。

圖1 廣告牌鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖1 中的紅色框內(nèi)結(jié)構(gòu)為加固部分。該有限元模型中共有殼單元576 989 個，梁單元8 061 個，連接用剛性單元53 228個，共計638 278 個單元。

2.4 邊界條件

地震載荷作用下的施加載荷：給廣告牌鋼結(jié)構(gòu)整體施加的慣性加速度與g=9 800mm/s2的重力加速度；約束：與屋頂水泥塊連接的節(jié)點采用固定約束，即限制這些節(jié)點的6 個自由度位移均為零。

3 計算結(jié)果

3.1 南北向地震

將重力g=9 800mm/s2和南北向慣性力a=784mm/s2加載在鋼結(jié)構(gòu)上，得到鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖2 所示。

由圖2 可以看出，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的部分為懸空的L4、L5 角鋼部分，應(yīng)力最大點出現(xiàn)在東面懸空部分的加固L4 角鋼上。結(jié)構(gòu)中受到的最大應(yīng)力為92.2MPa，遠小于其材料的屈服極限215MPa，所以結(jié)構(gòu)在南北向地震中安全。

圖2 結(jié)構(gòu)受南北向地震載荷應(yīng)力云圖

去掉加固用的角鋼后，應(yīng)力最大點位于東面的固定支架上，如圖3 所示，在南北向地震載荷下，位移最大的部分出現(xiàn)在東面支撐梁處，最大位移為9.6mm。

圖3 無固定角鋼結(jié)構(gòu)受南北向地震載荷應(yīng)力云圖

3.2 東西向地震

將重力g=9 800mm/s2和南北向慣性力a=784mm/s2加載在鋼結(jié)構(gòu)上，得到鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，結(jié)構(gòu)中受到的最大應(yīng)力為95.5MPa，遠小于其材料的屈服極限215MPa，所以，結(jié)構(gòu)在東西向地震中安全。去掉加固用的角鋼后，應(yīng)力最大點位于東面的固定支架上，在東西向地震載荷下，位移最大的部分出現(xiàn)在東面支撐梁處，最大位移為12.1mm。

圖4 結(jié)構(gòu)受東西向地震載荷應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

根據(jù)國家現(xiàn)行標準GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]規(guī)定和有限元分析結(jié)果，給廣告牌鋼結(jié)構(gòu)加載地震烈度為6的地震載荷后，求得鋼結(jié)構(gòu)在東西向水平地震和南北向水平地震中受到的最大應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的屈服應(yīng)力。其中，長度最大的東面斜撐梁受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的位移均為最大。廣告牌鋼結(jié)構(gòu)在東西向和南北向水平地震中均安全，確保了鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的安全性，能避免僅憑經(jīng)驗設(shè)計存在的安全隱患。