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摘要：某广场东面LOGO塔户外广告牌钢结构工程采用了桁架式结构单元与H型钢柱的形式。由于本工程所在地区风荷载较大，有必要对柱脚节点进行加强设计。
关键字：户外广告牌；桁架式结构；柱脚节点
中图分类号：F713文献标识码： A
Design of The Outdoor Board Structure Of the Square LOGO Tower
Deng Ting
(The Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province
Guangzhou 510010，China)
Abstract: The outdoor board steel structure of the square east LOGO tower is adopted truss element and H-Shaped steel columns. In view of high fundamental wind pressure at the area of this project, special design of column base joints is necessary.
Key words： The outdoor board steel structure; truss element; column base joints
1引言
近年來，高耸结构的应用范围和建设数量不断扩大，已成为一种应用非常广泛的工程结构，发展前景极为广阔。高耸结构是一种高度较高、横截面相对较小、横向荷载起主要作用的细长构筑物。高耸结构固定于地面，其力学模型相当于悬臂梁。落地式户外广告牌作为高耸结构的一种新兴的表现形式，应用范围越来越广。广告牌多为桁架钢结构，其优点是外形多样，构件可工厂化生产，现场安装，基础易处理，工期短；其缺点是防火、防锈差。
相对于低矮建筑以竖向荷载为结构的主要荷载，水平荷载引起的内力及变形较小，户外广告牌钢结构的控制荷载多为水平荷载，这里的水平荷载主要是风荷载和地震作用，因此本设计最关键的问题是抵抗水平荷载作用。
户外广告牌钢结构的主要特点是：1、高宽比很大，整体抗侧刚度小，具有“高柔”的特点；2、竖向荷载较小，建筑功能分区类型少，结构自重较小；3、基础不仅存在受压问题，而且通常存在抗拔问题；4、主要承受风荷载和地震作用，这些荷载和作用具有动力特性，设计时需考虑振动问题。
2工程概况
金沙湾广场东面LOGO塔户外广告牌钢结构工程位于湛江市金沙湾广场，目前该广场正在进行加固改造施工。东面LOGO塔位于广场东面原绿化带区域，塔顶标高为12.8m。广告牌面板为矩形，立面尺寸约为15m×2.5m，地面以上结构全部采用钢结构体系，基础采用桩基础，柱脚采用锚栓固定于基础之上。
3结构布置
经过方案比选，采用了桁架式结构单元与H型钢柱的形式，桁架式结构单元由三榀平面桁架及桁架间支撑组成，对于底层的桁架结构单元承受荷载较大，需要加大其刚度，因此采用加厚壁厚的H型钢柱。
选择此种结构形式的理由如下：第一，广告牌结构的控制设计荷载是风载，风压直接作用在面板上，再由面板传至各桁架单元竖腹杆，不同高程的单元可将风载传至分布均匀的六根立柱，因而可减小下部桁架单元与立柱连接处的应力集中；第二，与钢管柱相比，H型钢柱虽然不易定位，但是在控制风载方向的截面惯性矩大，有利于结构承受较大的风荷载；第三，每层的桁架结构单元相互连接自成内检修梯，给结构维护、检修及挂卸广告布带来了极大的方便，且保证了操作人员的人身安全。除此之外，此桁架单元形式简洁、美观，受力明确，节点构造相对简单，施工方便，比较容易保证施工质量。
本工程所有杆件均采用Q235-B，其中桁架上下弦杆以及中间榀桁架竖腹杆均采用H型钢，其他斜腹杆及桁架间支撑采用方通，各杆件采用焊缝连接。钢柱采用H型钢，利用锚栓与混凝土基础固接。
4计算模型及力学验算
该广告牌钢构架是由三榀平面桁架为主体，桁架之间设置各种支撑组成的空间结构受力体系。
4.1荷载的取值
本工程所受的荷载包括恒载，活载，风荷载以及地震作用。所受恒载与活载折算成单元荷载分别施加在各钢柱上。风荷载则直接作用于广告牌面板上，通过面板传到各桁架结构单元，并折算成单元荷载分别加至迎风面和背风面的钢柱上。
本工程采用同济大学设计软件3D3S11.0来进行建模及计算。结构自重由软件自动计算，根据委托方材料，附加恒载取0.5kN/m2，活载取为0.2kN/m2，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。
本广告牌高15m，平面尺寸为2.5m×0.8m，高宽比为大于1.5，按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[1]（以下简称《荷规》）的要求，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。
本工程位于湛江市，基本风压为0.8kN/m2；地面粗糙度A类，；
体形系数：迎风面：，背风面：；
根据《荷规》:
H=15m，B=2.5m，,,,
x=102.23,R=2.39,则风振系数；
风荷载：迎风面：
背风面：
作用于钢柱上，钢柱间距为1.2m，
因此迎风面一侧钢柱上均布风载为，
背风面一侧钢柱上均布风载为，为横向均布荷载。
按照规范要求，计算主要考虑了以下四种荷载组合工况：1）1.2恒荷载+1.4风荷载；2）1.2恒荷载+1.4×0.7活荷载+1.4风荷载；3）1.35恒荷载+1.4×0.6风荷载；4）1.2恒荷载+1.2×0.5活荷载+1.4×0.2风荷载+0.3水平地震荷载。选取以上四种荷载组合的目的在于综合考虑各种可能发生的荷载组合效应。
4.2计算结果分析
（1）构件应力比
经过计算，得出本结构构件最大强度应力比为0.72，最大稳定应力比为0.72，均满足规范要求，且考虑本工程所在地台风频繁，风荷载起控制作用，所以留有一定冗余度。
（2）塔顶最大空间位移
根据《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）[3]的5.4.1节规定，在风荷载（标准值）作用下，落地式广告牌钢结构顶点的水平位移不应超过该点离地高度的1/100。经过计算，得出本工程塔顶最大空间位移为67mm，小于H/100（H为塔顶距地面高度）。
（3）构件长细比
根据《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）[3]的5.4.5节规定，受压弦杆、斜杆、横杆长细比不应超过150；辅助杆长细比不应超过200；受拉杆不应超过250。本结构各构件均可满足规范要求。
结果表明，本工程结构构件的长细比、应力比以及结构位移比均能满足规范要求。
3.3柱脚计算
该广告牌柱脚节点通过锚栓与混凝土基础固接，柱脚锚栓承受拉力，不宜用于承受水平剪力。柱底最大支座反力较大，因此在柱底板设置了靴梁，H型钢柱通过与底板的焊缝以及周边的靴梁将荷载传至底板，底板将轴拉力以及弯矩通过锚栓传至基础。
由于广告牌所在地区风荷载较大，由风荷载引起的水平剪力最终无法由底板与混凝土基础间的摩擦力全部承受 ，此时需在柱底设置抗剪键来承受水平剪力。
根据《钢结构设计规范》[2]（GB50017-2003）的8.9.3条：柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。本结构采用C20素混凝土包裹至室外地面以上150mm，并每隔200mm设置直径为20的栓钉在腹板上居中布置以增强素混凝土与钢构件的连接。
5结语
（1）广告牌结构是以风荷载为主要控制荷载的结构，结构形式的选择对于结构传力途径以及材料用量至关重要，本结构采用的桁架结构单元与H型钢柱组合的形式，传力途径明确，风荷载作用方向结构刚度大，结构形式合理。
（2）节点设计是钢结构设计工作的一个重要环节，作为本工程受力最不利的柱脚节点，采用锚栓承受拉力及弯矩，设置抗剪键传递上部结构的剪力，保证了柱脚节点连接的有效性。
参考文献
1、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
2、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
3、《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）
关键字：户外广告牌；桁架式结构；柱脚节点
中图分类号：F713文献标识码： A
Design of The Outdoor Board Structure Of the Square LOGO Tower
Deng Ting
(The Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province
Guangzhou 510010，China)
Abstract: The outdoor board steel structure of the square east LOGO tower is adopted truss element and H-Shaped steel columns. In view of high fundamental wind pressure at the area of this project, special design of column base joints is necessary.
Key words： The outdoor board steel structure; truss element; column base joints
1引言
近年來，高耸结构的应用范围和建设数量不断扩大，已成为一种应用非常广泛的工程结构，发展前景极为广阔。高耸结构是一种高度较高、横截面相对较小、横向荷载起主要作用的细长构筑物。高耸结构固定于地面，其力学模型相当于悬臂梁。落地式户外广告牌作为高耸结构的一种新兴的表现形式，应用范围越来越广。广告牌多为桁架钢结构，其优点是外形多样，构件可工厂化生产，现场安装，基础易处理，工期短；其缺点是防火、防锈差。
相对于低矮建筑以竖向荷载为结构的主要荷载，水平荷载引起的内力及变形较小，户外广告牌钢结构的控制荷载多为水平荷载，这里的水平荷载主要是风荷载和地震作用，因此本设计最关键的问题是抵抗水平荷载作用。
户外广告牌钢结构的主要特点是：1、高宽比很大，整体抗侧刚度小，具有“高柔”的特点；2、竖向荷载较小，建筑功能分区类型少，结构自重较小；3、基础不仅存在受压问题，而且通常存在抗拔问题；4、主要承受风荷载和地震作用，这些荷载和作用具有动力特性，设计时需考虑振动问题。
2工程概况
金沙湾广场东面LOGO塔户外广告牌钢结构工程位于湛江市金沙湾广场，目前该广场正在进行加固改造施工。东面LOGO塔位于广场东面原绿化带区域，塔顶标高为12.8m。广告牌面板为矩形，立面尺寸约为15m×2.5m，地面以上结构全部采用钢结构体系，基础采用桩基础，柱脚采用锚栓固定于基础之上。
3结构布置
经过方案比选，采用了桁架式结构单元与H型钢柱的形式，桁架式结构单元由三榀平面桁架及桁架间支撑组成，对于底层的桁架结构单元承受荷载较大，需要加大其刚度，因此采用加厚壁厚的H型钢柱。
选择此种结构形式的理由如下：第一，广告牌结构的控制设计荷载是风载，风压直接作用在面板上，再由面板传至各桁架单元竖腹杆，不同高程的单元可将风载传至分布均匀的六根立柱，因而可减小下部桁架单元与立柱连接处的应力集中；第二，与钢管柱相比，H型钢柱虽然不易定位，但是在控制风载方向的截面惯性矩大，有利于结构承受较大的风荷载；第三，每层的桁架结构单元相互连接自成内检修梯，给结构维护、检修及挂卸广告布带来了极大的方便，且保证了操作人员的人身安全。除此之外，此桁架单元形式简洁、美观，受力明确，节点构造相对简单，施工方便，比较容易保证施工质量。
本工程所有杆件均采用Q235-B，其中桁架上下弦杆以及中间榀桁架竖腹杆均采用H型钢，其他斜腹杆及桁架间支撑采用方通，各杆件采用焊缝连接。钢柱采用H型钢，利用锚栓与混凝土基础固接。
4计算模型及力学验算
该广告牌钢构架是由三榀平面桁架为主体，桁架之间设置各种支撑组成的空间结构受力体系。
4.1荷载的取值
本工程所受的荷载包括恒载，活载，风荷载以及地震作用。所受恒载与活载折算成单元荷载分别施加在各钢柱上。风荷载则直接作用于广告牌面板上，通过面板传到各桁架结构单元，并折算成单元荷载分别加至迎风面和背风面的钢柱上。
本工程采用同济大学设计软件3D3S11.0来进行建模及计算。结构自重由软件自动计算，根据委托方材料，附加恒载取0.5kN/m2，活载取为0.2kN/m2，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。
本广告牌高15m，平面尺寸为2.5m×0.8m，高宽比为大于1.5，按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[1]（以下简称《荷规》）的要求，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。
本工程位于湛江市，基本风压为0.8kN/m2；地面粗糙度A类，；
体形系数：迎风面：，背风面：；
根据《荷规》:
H=15m，B=2.5m，,,,
x=102.23,R=2.39,则风振系数；
风荷载：迎风面：
背风面：
作用于钢柱上，钢柱间距为1.2m，
因此迎风面一侧钢柱上均布风载为，
背风面一侧钢柱上均布风载为，为横向均布荷载。
按照规范要求，计算主要考虑了以下四种荷载组合工况：1）1.2恒荷载+1.4风荷载；2）1.2恒荷载+1.4×0.7活荷载+1.4风荷载；3）1.35恒荷载+1.4×0.6风荷载；4）1.2恒荷载+1.2×0.5活荷载+1.4×0.2风荷载+0.3水平地震荷载。选取以上四种荷载组合的目的在于综合考虑各种可能发生的荷载组合效应。
4.2计算结果分析
（1）构件应力比
经过计算，得出本结构构件最大强度应力比为0.72，最大稳定应力比为0.72，均满足规范要求，且考虑本工程所在地台风频繁，风荷载起控制作用，所以留有一定冗余度。
（2）塔顶最大空间位移
根据《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）[3]的5.4.1节规定，在风荷载（标准值）作用下，落地式广告牌钢结构顶点的水平位移不应超过该点离地高度的1/100。经过计算，得出本工程塔顶最大空间位移为67mm，小于H/100（H为塔顶距地面高度）。
（3）构件长细比
根据《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）[3]的5.4.5节规定，受压弦杆、斜杆、横杆长细比不应超过150；辅助杆长细比不应超过200；受拉杆不应超过250。本结构各构件均可满足规范要求。
结果表明，本工程结构构件的长细比、应力比以及结构位移比均能满足规范要求。
3.3柱脚计算
该广告牌柱脚节点通过锚栓与混凝土基础固接，柱脚锚栓承受拉力，不宜用于承受水平剪力。柱底最大支座反力较大，因此在柱底板设置了靴梁，H型钢柱通过与底板的焊缝以及周边的靴梁将荷载传至底板，底板将轴拉力以及弯矩通过锚栓传至基础。
由于广告牌所在地区风荷载较大，由风荷载引起的水平剪力最终无法由底板与混凝土基础间的摩擦力全部承受 ，此时需在柱底设置抗剪键来承受水平剪力。
根据《钢结构设计规范》[2]（GB50017-2003）的8.9.3条：柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。本结构采用C20素混凝土包裹至室外地面以上150mm，并每隔200mm设置直径为20的栓钉在腹板上居中布置以增强素混凝土与钢构件的连接。
5结语
（1）广告牌结构是以风荷载为主要控制荷载的结构，结构形式的选择对于结构传力途径以及材料用量至关重要，本结构采用的桁架结构单元与H型钢柱组合的形式，传力途径明确，风荷载作用方向结构刚度大，结构形式合理。
（2）节点设计是钢结构设计工作的一个重要环节，作为本工程受力最不利的柱脚节点，采用锚栓承受拉力及弯矩，设置抗剪键传递上部结构的剪力，保证了柱脚节点连接的有效性。
参考文献
1、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
2、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
3、《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148：2003）