大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的設(shè)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(jīng)濟建設(shè)得到了迅速的發(fā)展,伴隨而起的廣告業(yè)也日益興旺。因而,在廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對其造型、規(guī)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(shù)是建在已建建筑群中,因此,在滿足廣告效果的前提下,其結(jié)構(gòu)的安全性尤其重要。另外,其基礎(chǔ)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(jù)某火車站站前廣場兩側(cè)的廣告牌結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及實際施工的經(jīng)驗對大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)花壇內(nèi),花壇寬為3m,其一側(cè)為混凝土澆筑的廣場,另一側(cè)為素混凝土路面。根據(jù)現(xiàn)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(zhì)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(zhì)松軟,結(jié)構(gòu)松散,軟硬不均,強度低,未經(jīng)處理不宜作建筑物的基礎(chǔ)持力層;第二層為粉質(zhì)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(zhì)呈硬塑狀態(tài),含大量的氧化鐵及鐵錳結(jié)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(chǔ)持力層。工程場地內(nèi)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(jié)構(gòu)廣告燈箱。該地區(qū)基本風壓為w=0.3kN/m2,地震設(shè)防裂度為7度。廣告牌結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)型式的選擇獨立鋼柱大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的主體結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)受力明確,計算簡單,由立柱頂上焊接一根橫梁形成固結(jié)于地基上的T形剛架結(jié)構(gòu)體系,廣告燈箱面板通過各掛件及斜撐與T形剛架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式采用桁架式。其理由是:第一,廣告牌結(jié)構(gòu)的控制設(shè)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(yīng)力集中;其次,平行式桁架結(jié)構(gòu)主梁采用槽鋼,使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),可在每道主梁高程設(shè)置內(nèi)檢修梯,這樣給結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),形式簡潔、美觀,受力明確,節(jié)點構(gòu)造簡單,施工方便,從而能保證施工質(zhì)量。布置本工程采用獨立鋼結(jié)構(gòu)圓柱,通過節(jié)點板在三個不同高程搭焊三道橫向主梁,主梁之間設(shè)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(wǎng)格的布置,并使面板骨架節(jié)點與主骨架節(jié)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(jié)構(gòu)上,形成整體上部結(jié)構(gòu)。主梁選用槽鋼,其他構(gòu)件均選用角鋼,型號按構(gòu)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(wěn)定性外,還要綜合考慮廣告牌整體尺寸協(xié)調(diào)及美觀等方面的因素。

結(jié)構(gòu)分析
荷載和荷載組合結(jié)構(gòu)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(yīng)力分析由于鋼立柱為壓彎構(gòu)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(wěn)定控制。上部結(jié)構(gòu)的主梁可簡化為剛結(jié)或鉸結(jié)在鋼立柱上的懸臂結(jié)構(gòu),主梁之間由橫梁及斜撐鉸結(jié)形成空間平行組合桁架。內(nèi)力計算采用有限元程序在計算機上完成。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力,但應(yīng)嚴格檢查焊縫質(zhì)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(yīng)力傳遞,其受力大小已由上部結(jié)構(gòu)計算得出,對廣告牌之類結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)桿件受力一般不大,為施焊方便,可用圍焊,并統(tǒng)一取焊腳尺寸為hf=10mm,可滿足規(guī)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(chǎn)生順風向水平位移,上部結(jié)構(gòu)為懸臂桁架,在風載及自重作用下,懸臂端部也會產(chǎn)生相應(yīng)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(nèi)力,增大結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力,降低結(jié)構(gòu)的安全性,為此,在廣告牌設(shè)計中應(yīng)嚴格限制變位。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ17�88)的規(guī)定,廣告牌水平向設(shè)計變位應(yīng)控制在10mm以內(nèi)為宜。

基礎(chǔ)工程設(shè)計
基礎(chǔ)型式及布置作為該類型廣告牌的基礎(chǔ)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(chǔ)重力來平衡,開挖方量大,混凝土用量也較多,但施工簡單,節(jié)省鋼材,適宜在土質(zhì)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(chǔ)可在施工場地受限的情況下采用,其優(yōu)點是基礎(chǔ)施工場面很小,混凝土用量僅為平衡重力式基礎(chǔ)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(cè)花壇內(nèi),花壇寬僅3m,若放坡開挖基坑,勢必破壞兩側(cè)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(jīng)綜合比較,選用了人工挖孔擴底樁基礎(chǔ),使基坑開挖只限在花壇內(nèi)進行。為了減小孔壁支護的困難,基礎(chǔ)上部4m深范圍內(nèi)(表層填土和第二層粉質(zhì)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(chǔ)底下設(shè)置十字正交齒墻,以增強基礎(chǔ)的抗扭和抗剪切能力。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算在樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算中,采用C法和m法兩種計算方法。結(jié)果表明,兩種方法計算結(jié)果比較一致,樁身最大彎矩出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的偏心受壓構(gòu)件進行。基礎(chǔ)設(shè)計須考慮軸力、彎矩、扭矩等不同組合的作用,以保證基礎(chǔ)本身的強度、剛度及地基的承載力和抗剪強度均滿足規(guī)范要求。施工工藝基礎(chǔ)工程根據(jù)現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件,本基礎(chǔ)采用人工挖孔擴底樁,基礎(chǔ)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(jīng)驗槽后,立刻鋪設(shè)100mm厚碎石墊層,吊放鋼筋骨架,并及時澆筑基礎(chǔ)混凝土,預埋錨固螺栓,鋪設(shè)基礎(chǔ)頂部鋼筋加強網(wǎng),在澆至設(shè)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(chǔ)混凝土養(yǎng)護到規(guī)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(shè)計要求。鋼結(jié)構(gòu)工程所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接均采用焊接,上部結(jié)構(gòu)均采用工廠化生產(chǎn)。鋼柱用鋼板在工廠卷焊而成,上部桁架結(jié)構(gòu)可在工廠拼焊;當梁柱主骨架焊接完成,形成整體上部結(jié)構(gòu)時,應(yīng)做適當?shù)募虞d試驗,以驗證焊縫的質(zhì)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(jié)構(gòu)整體外觀效果。吊裝定位廣告牌的立柱和上部結(jié)構(gòu)在工廠制成后,運往現(xiàn)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(jīng)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(nèi),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(jīng)過數(shù)次臺風考驗,其垂直度和變位均滿足規(guī)定要求,而其總造價比同類廣告牌節(jié)省了20%,現(xiàn)已投入商業(yè)使用。
結(jié)束語
大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌是在改革開放的經(jīng)濟大潮中產(chǎn)生的新型結(jié)構(gòu)物,具有較強的生命力。大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,主要受變形、穩(wěn)定和外觀效果控制。對受已建建筑物約束的大型鋼結(jié)構(gòu)廣告牌,挖孔樁基礎(chǔ)是比較安全且經(jīng)濟的基礎(chǔ)形式之一。
 

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