新型交通标志杆的优化设计

姜小锋，龙绛珠，郑长威

（福州大学阳光学院，福建 福州 350015）

0 前 言

随着城市道路的发展，道路使用者对道路是否安全畅通能否顺利快捷地抵达目的地越来越重视，对城市道路配套设施的要求也越来越高。单向悬臂式交通标志杆以其占地面积小，内容直观易分辩等特点在道路标志杆中占有较大比重，因传统的型钢制作交通标志杆相对材料用量较大，连接较为复杂，为方便设计制作，常常将结构形式、受力条件进行偏安全简化，从而造成较大的材料浪费。鉴于此，本文利用Midas Civil对单向悬臂式交通标志杆进行优化设计，在满足设计功能及模型净空的条件下，对其结构形式、构件截面型式、构件尺寸进行了比选，设计出了一款新型单向悬臂式交通标志杆，该标志杆不仅能满足其强度、刚度、稳定性的要求，而且制作安装方便、自重轻、材料用量节约、外形美观大方、实用性强。

1 设计原则

交通标志杆设计不仅要考虑其设计要求中标明的净空条件，还要使其在强度、刚度、稳定性及变形情况等多方面达到设计要求；同时交通标志杆也必须兼顾其使用和施工的合理性，对其安全性与经济性进行统筹分析。

2 设计过程

2.1 设计思路

本文以福州市区一般道路单向悬臂式交通标志杆为例，以满足一般道路最低净高度5m为交通标志杆净空设计要求，结构受到水平风荷载和竖向结构自重两个方向的荷载作用。设计方案采用桁架式结构，各杆件彼此间采用两端焊接连接而成。为使杆件受力充分，提高材料利用率，采用立柱加斜撑悬臂梁的形式；为了防止水平方向荷载造成斜撑悬臂梁的失稳问题，增加结构的整体受力性能，在悬臂梁上的横杆之间增加横撑和斜杆；为了使整个结构成为一个整体，提高抗扭能力，在悬臂梁上、下两根主横梁之间也加上竖直撑杆，使整个结构的受力均匀和变形协调，整个结构的稳定性得到很大程度的提高，如图1。

2.2 模型设计及计算

Midas Civil数学模型建立步骤：建立节点和单元→定义材料和截面特性→定义荷载及荷载组→定义边界→定义施工阶段→运行结构分析。各项设计及计算过程简要介绍如下。

2.2.1 节点及单元的建立

根据模型各构件位置进行节点建立，并根据实际模型进行各节点连接得到结构单元。

2.2.2 材料选择

设计交通标志杆选择材料类型为型号Q235的钢材，通过钢材选择的规范，选择相应规范数据库中的材料即可得到该材料的各项力学性能。

2.2.3 构件截面选择

通过Midas Civil可以更改各个构件的截面特性，通过模拟分析得出相同材料在相同条件下因构件截面型式不同其受力性能及位移情况会有所不同。

通过对各种类型杆件的比较选择最适合该标志杆的杆件，如图2。

本案例对各种不同构件截面型式，利用Midas Civil软件进行受力性能及位移情况分析。经分析发现，当相同材料做成的杆件在相同荷载组合作用下因为截面型式不同其杆件位移值会有很大区别。圆管的位移值较小，箱型杆件位移次之，工字型杆件位移最大。所以在制作交通标志杆时优先考虑圆管型构件截面型式。

2.2.4 定义边界形式

根据实际施工情况，本案例交通标志杆采用法兰盘与基础通过螺栓连接所以它的边界条件采用一般支支承，其平动和转动全约束，即结构与基础固结。

2.2.5 荷载及荷载组合

竖向恒载：本案例以尺寸为4000mm×2400mm×3.0mm标志牌为例，交通标志牌和交通标志杆自重假定为60kg进行设计计算,即竖向荷载为0.588kN。

横向荷载：作用在交通标志牌和交通标志杆上的风荷载。通过资料查阅得知福州市区50年一遇风压为0.7kN/m2，故本案例将作用在标志杆上的风荷载值假定为6.72kN进行设计计算。

将自重荷载和风荷载进行组合形成组合荷载。

2.3 计算仿真与分析

采用以上组合荷载通过Midas Civil软件进行模拟加载进行分析、处理、计算。经计算处理，即可得出位移图和应力图，如图3、图4所示。

也就是说，给标志杆横向斜梁外端部标志牌悬挂位置施加一个组合荷载：侧向6.72kN的水平荷载与0.588kN的竖向荷载组合。通过Midascivil软件模拟加载分析计算，可以得出发生最大位移的地方位于交通标志杆横向斜梁末端，最大位移值为55mm＜80mm[允许最大位移值]。最大应力发生在交通标志杆基座处，最大应力值为117MPa＜160MPa[许用应力]。因此，整个交通标志杆在使用中是安全可靠的。

通过以上分析，桁架结构杆件多而密，且共同受力，具备很强的抗扭性能，而且利用短横杆与斜杆对结构的整体受力也起到很好的协调作用，结构在受到最大荷载时，结构满足正常使用要求，故本方案可行。

3 结构特色

3.1 自重更轻更节省材料

新型交通标志杆采用较细空心圆管焊接而成的桁架式结构，比传统直接用型钢制作的交通标志杆更节省材料，能让各个构件受力达到很好地协调，从而充分利用材料的受力性能，做到物尽其用，达到经济合理的目的。

3.2 制作安装更方便

钢管间采用一般焊接，不需要特殊工艺要求，制作方便，在工厂进行杆件制作，在现场进行拼装。标志杆与基座采用法兰盘与混凝土基础中预埋的螺栓进行连接，标志杆本身重量较轻，不需要大型起重设备，装拆方便。

3.3 造型更美观

桁架式标志杆相对传统标志杆造型更轻盈、美观，可以起到美化道路景观的效果。

4 结 论

本文通过采用Midas civil软件分析设计出一种新型单向悬臂式交通标志杆，使得传统单向悬臂式交通标志杆得到改善，提高了交通标志杆的经济、安全性能，为交通标志杆的结构设计提出了一个新的设计优化思路。

[1]钱令希.工程结构优化设计[M].北京:科学出版社,2011.

[2]蒋玉川,傅昶彬,阎慧群.MIDAS在结构计算中的应用[M].北京:化学工业出版社,2011.

[3]CECS148:2003，户外广告设施钢结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2003.

[4]JTGD82-2009，公路交通标志和标线设置规范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[5]吴永盛,谢云.Midas/civil软件在临时结构计算的运用[J].福建建筑,2012(4).

[6]王磊,杨培诚,王佳.Midas/civil在钢管桩支架设计中的应用[J].交通科技,2010(4).

[7]王成立.建筑结构优化设计分析[J].低碳世界,2014(6).

[8]杜振华,钟光忠,胡华万.Midas在钢混组合截面计算中的应用[J].四川建筑,2010(1).

[9]周廷军,樊国坤.建筑结构优化探讨[J].世界家苑,2014(5).

[10]夏保祥,杨汉忠,贾宁.一种新型交通标志门架的设计与应用[J].公路,2008(10).

[11]刘强,毛晓龙.Midas／Civil在钢栈桥结构优化设计中的应用[J].中国水运,2014(6).