智慧城市多功能桿選型研究

姚云龍 屈海寧 王敏 楊爍 張平

(1.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州310014；2.浙江德寶通訊科技股份有限公司 杭州310014)

引言

智慧城市多功能桿以各類市政桿件為基礎(chǔ)進(jìn)行有效融合，具備高度擴(kuò)展功能，集成多種智慧化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)集約化、共享化、高效化、智慧化城市建設(shè)。通過(guò)集成交通、安防、市政、照明、通信、環(huán)境等設(shè)備設(shè)施，配合綜合管線、綜合控制箱，系統(tǒng)化、集成化云平臺(tái)管理，有效地提高社會(huì)資源利用率和城市管理效率，并且智慧城市多功能桿的建設(shè)能加強(qiáng)城市風(fēng)貌保護(hù)、促進(jìn)街區(qū)有機(jī)更新、改善市容市貌。智慧城市多功能桿根據(jù)實(shí)際掛載需求不同，受力特性及相應(yīng)的控制參數(shù)不同，本文通過(guò)對(duì)智慧城市多功能桿桿型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，分析應(yīng)力、變形及造價(jià)，給出智慧城市多功能桿選型合理化建議。

1 智慧城市多功能桿類型

智慧城市多功能桿采用模塊化概念進(jìn)行設(shè)計(jì)組合，根據(jù)《城市道路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》(GB51038—2015)[1]可劃分為柱式、懸臂式、門架式三種類型。實(shí)際使用過(guò)程中，三種類型受力情況差別較大。

1.1 柱式

柱式桿件主要包含兩類，根據(jù)功能劃分為路燈桿+5G+宣傳牌、中桿燈+5G+路口設(shè)施。

路燈桿+5G+宣傳牌屬于市政桿件中數(shù)量最多的桿件，布置間距約30m～35m，可滿足道路照明、5G、小型標(biāo)志標(biāo)牌的功能。常用樣式為柱式，有特殊需求時(shí)可采用懸臂掛載小型設(shè)備，如圖1a所示。

中桿燈+5G+路口設(shè)施用于路口照明補(bǔ)充，同時(shí)滿足5G天線及附屬路口設(shè)施，如人行信號(hào)燈、路名牌、人臉識(shí)別、流量監(jiān)測(cè)等。常用樣式如圖1b所示。

圖1 柱式多功能桿Fig.1 Columnar multi-function pole

1.2 懸臂式

懸臂式主要包含三類，根據(jù)功能劃分為智慧交通信號(hào)燈+5G+照明、智慧監(jiān)控桿+5G+照明、標(biāo)志標(biāo)牌桿+5G+照明。

(1)智慧交通信號(hào)燈+5G+照明用于掛載機(jī)動(dòng)車及非機(jī)動(dòng)車智慧交通信號(hào)燈及其組件，禁令標(biāo)志、指示標(biāo)志，同時(shí)滿足5G天線和照明需求。常用樣式為單懸臂式，如圖2a所示。此外，也可結(jié)合城市建設(shè)風(fēng)貌采用雙懸臂式。

(2)智慧監(jiān)控+5G+照明用于掛載電子警察、公安卡口、違停抓拍等監(jiān)控設(shè)備及其補(bǔ)光設(shè)施，同時(shí)滿足5G天線和照明需求。常用樣式為單懸臂式，由于需要覆蓋所有車道，一般挑臂較長(zhǎng)，如圖2b所示。

(3)標(biāo)志標(biāo)牌+5G+照明用于掛載大型指路標(biāo)志、分道標(biāo)志、旅游標(biāo)志等面積較大的標(biāo)志標(biāo)牌，同時(shí)滿足5G天線和照明需求。常用樣式為多懸臂式，如圖2c所示。

圖2 懸臂式多功能桿Fig.2 Cantilever multi-function pole

1.3 門架式

在路幅較寬的路口渠化段、市區(qū)隧道出口等復(fù)雜路段，由于跨度較長(zhǎng)，懸臂式變形無(wú)法滿足要求，多采用門架式，如圖3所示。

圖3 門架式多功能桿Fig.3 Portal frame multi-function pole

2 計(jì)算分析

選擇柱式、懸臂式及門架式進(jìn)行對(duì)比分析，其中柱式選擇12m純路燈及15m中桿燈；懸臂式選擇單懸臂類型，單懸臂長(zhǎng)度選擇6m、9m兩種，功能分別為智慧交通信號(hào)燈+5G+照明和智慧監(jiān)控+5G+照明；門架式選擇21m分道指示牌與電子警察合桿類型。

采用鋼結(jié)構(gòu)，桿件材料選用Q235、Q355與Q460進(jìn)行對(duì)比。主桿桿件根部直徑及壁厚根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算確定。單懸臂式挑臂選用錐度桿，端部直徑選擇φ120mm，錐度相同，根部直徑隨長(zhǎng)度與錐度確定；門架式橫臂選用等徑桿。

采用MIDAS軟件對(duì)主桿及挑臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，主桿、挑臂、橫臂均采用框架單元進(jìn)行模擬，桿件風(fēng)荷載按照有限元模型求得的基本自振周期進(jìn)行計(jì)算。

建設(shè)地點(diǎn)為密集建筑群的城市市區(qū)(地面粗糙度C類)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?；撅L(fēng)壓0.45kN/m2，設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度7度，0.10g，抗震設(shè)防類別為丙類，不考慮裹冰荷載影響。掛載設(shè)備面積及體型系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 掛載設(shè)備面積及體型系數(shù)Tab.1 Mounted equipment area and shape coefficient

多功能桿檢修采用登高檢修車，不考慮活荷載影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算，地震荷載組合不起控制作用。研究分析可知恒載與風(fēng)荷載對(duì)多功能桿的影響最大。荷載組合選取:1.3恒載+1.5風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50135—2019)[2]、《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(YD/T5131—2019)[3]，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，桿件應(yīng)力比控制≤0.9，桿頂位移/桿件高度≤1/33，對(duì)純路燈，桿頂位移/桿件高度≤1/25。

3 柱式多功能桿

智慧城市柱式多功能桿主要包括純路燈與中桿燈，兩者均不含挑臂，受力特點(diǎn)類似，均為荷載沿主桿分布，無(wú)扭矩產(chǎn)生。選取典型的12m純路燈及15m中桿燈，對(duì)傳統(tǒng)純路燈桿、中桿燈與考慮增設(shè)5G天線設(shè)備、宣傳牌等的智慧城市多功能桿進(jìn)行受力性能對(duì)比，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

3.1 柱式多功能桿應(yīng)力

根據(jù)路燈桿和中桿燈調(diào)研結(jié)果可知，柱式桿件頂部直徑通常選擇φ120mm，材質(zhì)為Q355。12m純路燈桿件壁厚選擇4mm、5mm；15m中桿燈桿件壁厚選擇5mm、6mm。對(duì)常用的四種配置進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)Q355與Q460進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，對(duì)比不同壁厚、不同根部直徑智慧路燈桿，路燈桿應(yīng)力比計(jì)算如圖4a所示，中桿燈應(yīng)力比如圖4b所示。

圖4 柱式桿件應(yīng)力比Fig.4 The stress ratio of columnar pole

從圖4a可知，對(duì)于相同壁厚，相同根部直徑的路燈桿，智慧路燈桿比傳統(tǒng)路燈桿應(yīng)力比大1.6～1.8倍。對(duì)于相同壁厚桿件，隨根部直徑增大，應(yīng)力比逐漸減小。結(jié)合實(shí)際道路布置，12m路燈桿直徑取200mm～230mm時(shí)，其尺度與道路布置較為協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)路燈桿壁厚4mm應(yīng)力比即可滿足小于0.9的設(shè)計(jì)要求，但增加5G天線和預(yù)留模塊后的智慧路燈桿，壁厚4mm無(wú)法滿足要求?？赏ㄟ^(guò)三種途徑解決:方案1壁厚從4mm調(diào)整為5mm；方案2鋼材強(qiáng)度從Q355調(diào)整到Q460；方案3根部直徑從200mm調(diào)整到240mm。

考慮到尺度協(xié)調(diào)問(wèn)題，排除方案3，對(duì)方案1和方案2進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比:1)壁厚從4mm調(diào)整到5mm，應(yīng)力比降低為0.79，根部直徑230mm可滿足應(yīng)力比≤0.9的要求；2)鋼材采用Q460代替Q355，應(yīng)力比降低為0.74，根部直徑220mm可滿足應(yīng)力比≤0.9的要求。

以上兩種處理方案均能滿足應(yīng)力比控制要求，當(dāng)同時(shí)使用兩種情況時(shí)，應(yīng)力比降低0.59，根部直徑200mm可滿足應(yīng)力比≤0.9的要求。

同理對(duì)于15m中桿燈，針對(duì)傳統(tǒng)中桿燈根部直徑280mm的情況，從圖4b分析可知:增加5G與預(yù)留模塊的智慧中桿燈應(yīng)力比為原來(lái)的1.36倍，超過(guò)0.9不滿足設(shè)計(jì)要求。將其壁厚從5mm調(diào)整為6mm應(yīng)力比可控制到0.9以內(nèi)，采用提高鋼材型號(hào)的方式應(yīng)力比可控制到0.8以內(nèi)，二者結(jié)合應(yīng)力比可控制到0.7以內(nèi)。

通過(guò)分析可知，相較于傳統(tǒng)純路燈和中桿燈，同鋼材型號(hào)和規(guī)格下智慧城市柱式多功能桿應(yīng)力比增加較多，通過(guò)提高鋼材型號(hào)、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件應(yīng)力比；對(duì)于高度較低的智慧路燈桿，可同時(shí)采用兩種措施，有利于快速控制應(yīng)力比滿足要求，對(duì)于高度較高的智慧中桿燈，可通過(guò)調(diào)高鋼材型號(hào)的方式控制應(yīng)力比滿足要求。

3.2 柱式多功能桿變形

對(duì)不同壁厚情況下智慧城市柱式多功能桿進(jìn)行位移分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5a可知主桿頂部位移比與根部直徑的關(guān)系。具體而言，12m純路燈，直徑200mm位移可滿足要求；12m智慧路燈，由于位移要求更為嚴(yán)格，直徑230mm才滿足規(guī)范要求。

從圖5b可知，15m中桿燈直徑310mm位移可滿足要求；15m智慧中桿燈直徑330mm時(shí)才滿足規(guī)范要求。

圖5 柱式桿件頂部位移Fig.5 The top displacement of columnar pole

相較于傳統(tǒng)純路燈桿件和中桿燈，相同鋼材型號(hào)規(guī)格下智慧城市多功能桿桿頂位移大幅增加，且位移控制更為嚴(yán)格，增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑的方法可以有效控制桿件頂部位移。

3.3 柱式多功能桿選型及造價(jià)分析

結(jié)合應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果，對(duì)于柱式桿件，位移起控制作用，在桿件選型時(shí)建議對(duì)于智慧路燈桿壁厚選擇5mm，根部直徑選擇220mm～230mm；智慧中桿燈壁厚選擇6mm，根部直徑選擇320mm～330mm。造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 柱式多功能桿造價(jià)Tab.2 The cost of columnar pole

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)桿件和智慧城市多功能桿的對(duì)比可知，對(duì)于柱式桿件尺寸的確定，位移起控制作用，應(yīng)力比富余較多，采用低牌號(hào)鋼材可滿足設(shè)計(jì)需求。從控制造價(jià)考慮，在相同掛載條件及位移控制標(biāo)準(zhǔn)下，增大桿件底部的直徑相較于增加壁厚能夠更有效，可達(dá)到節(jié)省用鋼量和控制工程造價(jià)的目的。實(shí)際工程中，可結(jié)合道路設(shè)施的尺度選擇相應(yīng)的桿件根部直徑。

4 懸臂式多功能桿

智慧城市懸臂式多功能桿主要適用于智慧交通信號(hào)燈、道路標(biāo)志牌、分道指示牌、電子警察等桿件類型。在實(shí)際使用中，由于掛載設(shè)備和挑出距離不同，其相應(yīng)特點(diǎn)也不同。本文討論單懸臂式多功能桿，多懸臂式各挑臂互相不連接時(shí)規(guī)律相同。

選擇挑臂為6m、9m兩種類型單懸臂桿件，對(duì)主桿和挑臂分別采用單獨(dú)變量改變的方式進(jìn)行對(duì)比分析:1)研究主桿直徑變化時(shí)，控制挑臂直徑不變；2)研究挑臂直徑變化時(shí)，控制主桿直徑不變。

根據(jù)以上假定，選取如下模型進(jìn)行計(jì)算:

方案1，6m單懸臂桿件分別掛載4個(gè)電子警察+2個(gè)信號(hào)燈+2個(gè)直徑800mm指示牌。研究主桿直徑變化對(duì)應(yīng)力和變形的影響時(shí)，控制挑臂端部直徑111mm，根部直徑185mm，主桿、挑臂厚度均為5mm。

方案2，6m單懸臂桿件掛載與方案1相同。研究挑臂直徑變化時(shí)，控制主桿端部直徑240mm，根部直徑270mm，主桿、挑臂厚度均為5mm。

方案3，9m單懸臂桿件分別掛載6個(gè)電子警察+3個(gè)信號(hào)燈+3個(gè)直徑800mm指示牌。研究主桿直徑變化對(duì)應(yīng)力和變形的影響時(shí)，控制挑臂端部直徑111mm，根部直徑220mm，主桿、挑臂厚度均為8mm。

方案4，9m單懸臂桿件掛載與方案3相同。研究挑臂直徑變化時(shí)，控制主桿端部直徑240mm，根部直徑270mm，主桿、挑臂厚度均為8mm。

計(jì)算模型如圖2a、圖2b所示。

4.1 懸臂式多功能桿應(yīng)力

1.主桿應(yīng)力

根據(jù)假定的主桿和挑臂直徑以及壁厚，主桿計(jì)算分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 單懸臂主桿應(yīng)力比Fig.6 The main rod stress ratio of cantilever pole

從圖6a可知，對(duì)于6m單懸臂桿件采用壁厚5mm，當(dāng)掛載信號(hào)燈時(shí)，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于300mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于260mm。當(dāng)掛載電子警察時(shí)，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于260mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于240mm。

從圖6b可知，對(duì)于9m單懸臂桿件采用壁厚8mm，當(dāng)掛載信號(hào)燈時(shí)，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于280mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于250mm。當(dāng)掛載電子警察時(shí)，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于240mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于230mm。

從研究成果可知，單懸臂式主桿應(yīng)力比與挑臂長(zhǎng)度以及掛載設(shè)備類型有關(guān)。信號(hào)燈較電子警察荷載大，相應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力比較大，對(duì)應(yīng)的主桿根部直徑相應(yīng)取較大值。挑臂長(zhǎng)度的增加對(duì)主桿根部應(yīng)力比的增大影響作用明顯。對(duì)于單懸臂式智慧城市多功能桿，其應(yīng)力比同樣與鋼材牌號(hào)及壁厚有關(guān)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)兩種掛載類型的桿件可進(jìn)行區(qū)別化設(shè)計(jì)，通過(guò)采用不同桿件直徑、壁厚以及不同鋼材牌號(hào)，使得主桿應(yīng)力比滿足要求。

2.挑臂應(yīng)力

根據(jù)上述假定的主桿和挑臂直徑及壁厚，挑臂計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 單懸臂挑臂應(yīng)力比Fig.7 The arm stress ratio of cantilever pole

從圖7a可知，對(duì)于6m單懸臂桿件采用壁厚5mm，當(dāng)掛載信號(hào)燈時(shí)，采用Q235鋼材，挑臂根部直徑需不小于220mm；采用Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于170mm。當(dāng)掛載電子警察時(shí)，采用Q235鋼材或Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于150mm均可滿足應(yīng)力比要求。

從圖7b可知，對(duì)于9m單懸臂桿件采用壁厚8mm，當(dāng)掛載信號(hào)燈時(shí)，采用Q235鋼材，挑臂根部直徑需不小于250mm；采用Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于200mm。當(dāng)掛載電子警察時(shí)，采用Q235鋼材或Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于180mm均可滿足應(yīng)力比要求。

從計(jì)算結(jié)果可知，單懸臂式挑臂應(yīng)力比與挑臂長(zhǎng)度以及掛載設(shè)備類型有關(guān)。實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)掛載設(shè)備及挑臂長(zhǎng)度，通過(guò)設(shè)置不同桿件直徑、壁厚以及不同鋼材牌號(hào)，使得挑臂應(yīng)力比滿足要求。

4.2 懸臂式多功能桿變形

懸臂式變形與柱式變形不同，懸臂式變形涉及到主桿變形與挑臂變形，主要由四部分組成:1)重力荷載作用下主桿的水平變形；2)風(fēng)荷載作用下主桿的水平變形；3)重力荷載作用下挑臂的垂直變形；4)風(fēng)荷載作用下挑臂的水平變形。

以上四種變形的特點(diǎn)、控制要求以及解決方案存在差異。以9m挑臂為例，對(duì)比主桿、挑臂壁厚取8mm與6mm，掛載設(shè)備為電子警察與信號(hào)燈時(shí)的位移計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 重力荷載作用下懸臂式桿件的變形Fig.8 Deformation of cantilever pole under gravity load

圖9 風(fēng)荷載作用下懸臂式桿件水平位移比Fig.9 Displacement ratio of cantilever pole under wind load

從圖8a可知，重力荷載作用下主桿挑臂連接處的水平位移與主桿根部直徑、主桿壁厚及掛載設(shè)備重量相關(guān)，在實(shí)際工程中可通過(guò)增大主桿直徑或壁厚控制位移，此外，在重力荷載作用下的主桿變形會(huì)以位移角的形式對(duì)挑臂豎向變形造成較大影響。結(jié)合圖8b可知，挑臂長(zhǎng)度與掛載設(shè)備重量對(duì)挑臂自身的豎向變形影響很大，兩者變形呈現(xiàn)出疊加效果，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以嚴(yán)格控制，避免挑臂端部掉頭嚴(yán)重，影響使用觀感。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，建議挑臂與主桿連接處水平位移控制在50mm以內(nèi)，挑臂采用預(yù)置上揚(yáng)角抵消挑臂的豎向變形。但為避免產(chǎn)生過(guò)大的彎曲變形影響使用觀感，建議挑臂端部垂直位移按1/33挑臂長(zhǎng)度控制，對(duì)9m挑臂重力荷載作用下挑臂端部垂直位移控制在270mm。

從圖9a知，在風(fēng)荷載作用下主桿頂部的水平變形與主桿根部直徑、主桿壁厚及掛載設(shè)備擋風(fēng)面積相關(guān)，此時(shí)位移應(yīng)結(jié)合使用設(shè)備的要求進(jìn)行控制，如設(shè)置5G天線的智慧城市多功能桿位移參考YD/T 5131—2019在標(biāo)準(zhǔn)組合下控制標(biāo)準(zhǔn)為1/33，信號(hào)燈位移在標(biāo)準(zhǔn)組合下控制標(biāo)準(zhǔn)為1/25，電子警察的位移控制同時(shí)應(yīng)滿足槍機(jī)拍照的穩(wěn)定性要求。本文研究的智慧城市多功能桿頂風(fēng)荷載位移均需按照1/33控制，當(dāng)使用功能為電子警察時(shí)，主桿壁厚6mm對(duì)應(yīng)主桿根部直徑不小于280mm，主桿壁厚8mm對(duì)應(yīng)主桿根部直徑不小于240mm；當(dāng)使用功能為信號(hào)燈時(shí)，主桿壁厚6mm對(duì)應(yīng)主桿根部直徑不小于320mm，主桿壁厚8mm對(duì)應(yīng)主桿根部直徑不小于290mm。

從圖9b可知，挑臂掛載設(shè)備不同時(shí)，其擋風(fēng)面積的增加對(duì)位移的影響較大，實(shí)際工程應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算掛載設(shè)備的面積、重量及設(shè)備安裝位置，并結(jié)合掛載設(shè)備的性能要求對(duì)挑臂在風(fēng)荷載作用下的位移值進(jìn)行控制，控制標(biāo)準(zhǔn)取標(biāo)準(zhǔn)組合下1/25。風(fēng)荷載作用下挑臂端部水平位移為挑臂位移與主桿位移的疊加值，控制時(shí)可考慮扣除主桿位移，但主桿位移影響較小，掛載信號(hào)燈主桿壁厚6mm時(shí)，主桿與挑臂相交點(diǎn)水平位移140mm，8mm對(duì)應(yīng)位移110mm，在挑臂水平位移中占比1/8，影響較小。

綜合考慮位移特點(diǎn)，建議懸臂式多功能桿選用大直徑截面，同時(shí)控制挑臂長(zhǎng)度及挑臂厚度。對(duì)于掛載信號(hào)燈、標(biāo)志牌、分道標(biāo)志等懸臂式多功能桿，應(yīng)嚴(yán)格控制挑臂長(zhǎng)度。對(duì)于超出控制范圍的可考慮多挑臂式或門架式。

4.3 懸臂式多功能桿選型及造價(jià)分析

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，懸臂式多功能桿主桿選

分析圖10a可知，通過(guò)提高鋼材型號(hào)、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制主桿應(yīng)力比。采用Q355鋼材，壁厚8mm，直徑不小于280mm，可滿足應(yīng)力比要求。

此外，從圖10b可知，在橫臂之間增加斜桿，可有效降低橫臂應(yīng)力比。尤其對(duì)于Q235鋼材，在未設(shè)置斜桿時(shí)，對(duì)于截面較小的橫臂，應(yīng)力比超出較多，設(shè)置斜桿后，型上，采用風(fēng)荷載作用下的桿頂水平位移為主要控制因素，應(yīng)力比為次要控制因素。挑臂選型上，短挑臂與長(zhǎng)挑臂掛載少的情況采用應(yīng)力比作為主要控制因素，長(zhǎng)挑臂掛載多時(shí)采用風(fēng)荷載作用下的端部水平位移為主要控制因素。

以9m單懸臂式桿件為例，對(duì)懸臂式多功能桿造價(jià)，見(jiàn)表3。

表3 懸臂式多功能桿造價(jià)Tab.3 The cost of cantilever pole

5 門架式多功能桿

智慧城市多功能桿門架式主要適用于路幅較寬的路口渠化段、市區(qū)隧道出口等復(fù)雜路段。門架式跨度較大，多選用桁架結(jié)構(gòu)。選取21m跨度(6車道)，設(shè)備考慮分體式分道標(biāo)志、監(jiān)控系統(tǒng)、5G天線、照明等。通過(guò)對(duì)鋼材牌號(hào)、根部直徑、斜腹桿等方面進(jìn)行對(duì)比，分析應(yīng)力、位移及造價(jià)等。計(jì)算模型考慮設(shè)置斜桿和不設(shè)斜桿兩種。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖10 門架式桿件應(yīng)力比Fig.10 The stress ratio of portal frame pole

5.1 門架式多功能桿應(yīng)力

根據(jù)實(shí)際工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，主桿材料選擇Q355、Q460，主桿頂部直徑240mm，根部直徑260mm～290mm，主桿壁厚8mm與10mm，橫臂選擇130mm～180mm，橫臂壁厚6mm。主桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10a所示，橫臂應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10b所示。應(yīng)力比可滿足控制要求。實(shí)際工程無(wú)造型要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用增加斜桿的造型。

5.2 門架式多功能桿位移

在風(fēng)荷載作用下主桿頂部位移比計(jì)算結(jié)果如圖11a所示，在風(fēng)荷載作用下橫臂水平方向位移比如圖11b所示，在重力荷載作用下橫臂垂直方向位移比如圖12所示。

圖11 風(fēng)荷載作用下門架式桿件位移比Fig.11 Displacement ratio of portal frame pole under wind load

圖12 重力荷載作用下門架式桿件橫臂垂直方向位移比Fig.12 Displacement ratio of portal frame pole under gravity load

從圖11a可知增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件頂部位移。門架式相對(duì)懸臂式增加了一根主桿，故而門架式主桿位移容易滿足要求。從圖11b、圖12可知，通過(guò)增加斜桿可以有效控制重力荷載作用下橫臂垂直方向位移比，但對(duì)風(fēng)荷載作用下橫臂水平方向位移比沒(méi)有效果，實(shí)際工程中對(duì)于門架式多功能桿，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)荷載作用下橫臂水平方向位移比。

5.3 門架式多功能桿選型及造價(jià)分析

結(jié)合計(jì)算分析，以21m門架式多功能桿為例，對(duì)門架式造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 門架式多功能桿造價(jià)Tab.4 The cost of portal frame multi-function pole

從表4可知，對(duì)于門架式多功能桿，其受力特性優(yōu)于懸臂式，在實(shí)際工程中可采用適當(dāng)增大主桿及橫臂根部直徑控制造價(jià)，從而節(jié)約投資。

6 結(jié)論

1.柱式多功能桿位移起控制作用，應(yīng)力比富余較多。通過(guò)增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件應(yīng)力比和桿件頂部位移。增大桿件底部的直徑相較于增加壁厚能夠更有效地利用桿件應(yīng)力。采用低牌號(hào)鋼材可滿足設(shè)計(jì)需求。

2.懸臂式多功能桿主桿和挑臂應(yīng)力比與挑臂長(zhǎng)度及掛載設(shè)備類型有關(guān)。通過(guò)增加桿件直徑、壁厚以及提高鋼材牌號(hào)，可使得應(yīng)力比滿足要求。建議選用大直徑截面，同時(shí)控制挑臂長(zhǎng)度及挑臂厚度。主桿選型采用風(fēng)荷載作用下的桿頂水平位移為主要控制因素，應(yīng)力比為次要控制因素。挑臂選型上，短挑臂與長(zhǎng)挑臂掛載少的情況采用應(yīng)力比作為主要控制因素，長(zhǎng)挑臂掛載多時(shí)采用風(fēng)荷載作用下的端部水平位移為主要控制因素。

3.門架式多功能桿可通過(guò)提高鋼材牌號(hào)、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑有效控制主桿應(yīng)力比。橫臂可考慮增加斜桿，有效降低橫臂應(yīng)力比和垂直方向位移。

本文研究成果有助于智慧城市多功能桿合理優(yōu)化選型，節(jié)約工程投資。