智慧城市多功能杆选型研究

姚云龙 屈海宁 王敏 杨烁 张平

(1.华信咨询设计研究院有限公司 杭州310014；2.浙江德宝通讯科技股份有限公司 杭州310014)

引言

智慧城市多功能杆以各类市政杆件为基础进行有效融合，具备高度扩展功能，集成多种智慧化应用，实现集约化、共享化、高效化、智慧化城市建设。通过集成交通、安防、市政、照明、通信、环境等设备设施，配合综合管线、综合控制箱，系统化、集成化云平台管理，有效地提高社会资源利用率和城市管理效率，并且智慧城市多功能杆的建设能加强城市风貌保护、促进街区有机更新、改善市容市貌。智慧城市多功能杆根据实际挂载需求不同，受力特性及相应的控制参数不同，本文通过对智慧城市多功能杆杆型进行对比计算，分析应力、变形及造价，给出智慧城市多功能杆选型合理化建议。

1 智慧城市多功能杆类型

智慧城市多功能杆采用模块化概念进行设计组合，根据《城市道路交通标志和标线设置规范》(GB51038—2015)[1]可划分为柱式、悬臂式、门架式三种类型。实际使用过程中，三种类型受力情况差别较大。

1.1 柱式

柱式杆件主要包含两类，根据功能划分为路灯杆+5G+宣传牌、中杆灯+5G+路口设施。

路灯杆+5G+宣传牌属于市政杆件中数量最多的杆件，布置间距约30m～35m，可满足道路照明、5G、小型标志标牌的功能。常用样式为柱式，有特殊需求时可采用悬臂挂载小型设备，如图1a所示。

中杆灯+5G+路口设施用于路口照明补充，同时满足5G天线及附属路口设施，如人行信号灯、路名牌、人脸识别、流量监测等。常用样式如图1b所示。

图1 柱式多功能杆Fig.1 Columnar multi-function pole

1.2 悬臂式

悬臂式主要包含三类，根据功能划分为智慧交通信号灯+5G+照明、智慧监控杆+5G+照明、标志标牌杆+5G+照明。

(1)智慧交通信号灯+5G+照明用于挂载机动车及非机动车智慧交通信号灯及其组件，禁令标志、指示标志，同时满足5G天线和照明需求。常用样式为单悬臂式，如图2a所示。此外，也可结合城市建设风貌采用双悬臂式。

(2)智慧监控+5G+照明用于挂载电子警察、公安卡口、违停抓拍等监控设备及其补光设施，同时满足5G天线和照明需求。常用样式为单悬臂式，由于需要覆盖所有车道，一般挑臂较长，如图2b所示。

(3)标志标牌+5G+照明用于挂载大型指路标志、分道标志、旅游标志等面积较大的标志标牌，同时满足5G天线和照明需求。常用样式为多悬臂式，如图2c所示。

图2 悬臂式多功能杆Fig.2 Cantilever multi-function pole

1.3 门架式

在路幅较宽的路口渠化段、市区隧道出口等复杂路段，由于跨度较长，悬臂式变形无法满足要求，多采用门架式，如图3所示。

图3 门架式多功能杆Fig.3 Portal frame multi-function pole

2 计算分析

选择柱式、悬臂式及门架式进行对比分析，其中柱式选择12m纯路灯及15m中杆灯；悬臂式选择单悬臂类型，单悬臂长度选择6m、9m两种，功能分别为智慧交通信号灯+5G+照明和智慧监控+5G+照明；门架式选择21m分道指示牌与电子警察合杆类型。

采用钢结构，杆件材料选用Q235、Q355与Q460进行对比。主杆杆件根部直径及壁厚根据实际需求计算确定。单悬臂式挑臂选用锥度杆，端部直径选择φ120mm，锥度相同，根部直径随长度与锥度确定；门架式横臂选用等径杆。

采用MIDAS软件对主杆及挑臂结构进行计算，主杆、挑臂、横臂均采用框架单元进行模拟，杆件风荷载按照有限元模型求得的基本自振周期进行计算。

建设地点为密集建筑群的城市市区(地面粗糙度C类)，结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。基本风压0.45kN/m2，设计抗震设防烈度7度，0.10g，抗震设防类别为丙类，不考虑裹冰荷载影响。挂载设备面积及体型系数见表1。

表1 挂载设备面积及体型系数Tab.1 Mounted equipment area and shape coefficient

多功能杆检修采用登高检修车，不考虑活荷载影响。经过计算，地震荷载组合不起控制作用。研究分析可知恒载与风荷载对多功能杆的影响最大。荷载组合选取:1.3恒载+1.5风荷载，结构重要性系数1.0。

根据《高耸结构设计标准》(GB50135—2019)[2]、《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》(YD/T5131—2019)[3]，结合实际工程经验，杆件应力比控制≤0.9，杆顶位移/杆件高度≤1/33，对纯路灯，杆顶位移/杆件高度≤1/25。

3 柱式多功能杆

智慧城市柱式多功能杆主要包括纯路灯与中杆灯，两者均不含挑臂，受力特点类似，均为荷载沿主杆分布，无扭矩产生。选取典型的12m纯路灯及15m中杆灯，对传统纯路灯杆、中杆灯与考虑增设5G天线设备、宣传牌等的智慧城市多功能杆进行受力性能对比，计算简图如图1所示。

3.1 柱式多功能杆应力

根据路灯杆和中杆灯调研结果可知，柱式杆件顶部直径通常选择φ120mm，材质为Q355。12m纯路灯杆件壁厚选择4mm、5mm；15m中杆灯杆件壁厚选择5mm、6mm。对常用的四种配置进行计算分析，并对Q355与Q460进行对比计算，对比不同壁厚、不同根部直径智慧路灯杆，路灯杆应力比计算如图4a所示，中杆灯应力比如图4b所示。

图4 柱式杆件应力比Fig.4 The stress ratio of columnar pole

从图4a可知，对于相同壁厚，相同根部直径的路灯杆，智慧路灯杆比传统路灯杆应力比大1.6～1.8倍。对于相同壁厚杆件，随根部直径增大，应力比逐渐减小。结合实际道路布置，12m路灯杆直径取200mm～230mm时，其尺度与道路布置较为协调。传统路灯杆壁厚4mm应力比即可满足小于0.9的设计要求，但增加5G天线和预留模块后的智慧路灯杆，壁厚4mm无法满足要求。可通过三种途径解决:方案1壁厚从4mm调整为5mm；方案2钢材强度从Q355调整到Q460；方案3根部直径从200mm调整到240mm。

考虑到尺度协调问题，排除方案3，对方案1和方案2进行详细对比:1)壁厚从4mm调整到5mm，应力比降低为0.79，根部直径230mm可满足应力比≤0.9的要求；2)钢材采用Q460代替Q355，应力比降低为0.74，根部直径220mm可满足应力比≤0.9的要求。

以上两种处理方案均能满足应力比控制要求，当同时使用两种情况时，应力比降低0.59，根部直径200mm可满足应力比≤0.9的要求。

同理对于15m中杆灯，针对传统中杆灯根部直径280mm的情况，从图4b分析可知:增加5G与预留模块的智慧中杆灯应力比为原来的1.36倍，超过0.9不满足设计要求。将其壁厚从5mm调整为6mm应力比可控制到0.9以内，采用提高钢材型号的方式应力比可控制到0.8以内，二者结合应力比可控制到0.7以内。

通过分析可知，相较于传统纯路灯和中杆灯，同钢材型号和规格下智慧城市柱式多功能杆应力比增加较多，通过提高钢材型号、增加杆件壁厚、增大杆件底部直径可以有效控制杆件应力比；对于高度较低的智慧路灯杆，可同时采用两种措施，有利于快速控制应力比满足要求，对于高度较高的智慧中杆灯，可通过调高钢材型号的方式控制应力比满足要求。

3.2 柱式多功能杆变形

对不同壁厚情况下智慧城市柱式多功能杆进行位移分析，计算结果如图5所示。

从图5a可知主杆顶部位移比与根部直径的关系。具体而言，12m纯路灯，直径200mm位移可满足要求；12m智慧路灯，由于位移要求更为严格，直径230mm才满足规范要求。

从图5b可知，15m中杆灯直径310mm位移可满足要求；15m智慧中杆灯直径330mm时才满足规范要求。

图5 柱式杆件顶部位移Fig.5 The top displacement of columnar pole

相较于传统纯路灯杆件和中杆灯，相同钢材型号规格下智慧城市多功能杆杆顶位移大幅增加，且位移控制更为严格，增加杆件壁厚、增大杆件底部直径的方法可以有效控制杆件顶部位移。

3.3 柱式多功能杆选型及造价分析

结合应力及变形计算结果，对于柱式杆件，位移起控制作用，在杆件选型时建议对于智慧路灯杆壁厚选择5mm，根部直径选择220mm～230mm；智慧中杆灯壁厚选择6mm，根部直径选择320mm～330mm。造价对比见表2。

表2 柱式多功能杆造价Tab.2 The cost of columnar pole

通过对传统杆件和智慧城市多功能杆的对比可知，对于柱式杆件尺寸的确定，位移起控制作用，应力比富余较多，采用低牌号钢材可满足设计需求。从控制造价考虑，在相同挂载条件及位移控制标准下，增大杆件底部的直径相较于增加壁厚能够更有效，可达到节省用钢量和控制工程造价的目的。实际工程中，可结合道路设施的尺度选择相应的杆件根部直径。

4 悬臂式多功能杆

智慧城市悬臂式多功能杆主要适用于智慧交通信号灯、道路标志牌、分道指示牌、电子警察等杆件类型。在实际使用中，由于挂载设备和挑出距离不同，其相应特点也不同。本文讨论单悬臂式多功能杆，多悬臂式各挑臂互相不连接时规律相同。

选择挑臂为6m、9m两种类型单悬臂杆件，对主杆和挑臂分别采用单独变量改变的方式进行对比分析:1)研究主杆直径变化时，控制挑臂直径不变；2)研究挑臂直径变化时，控制主杆直径不变。

根据以上假定，选取如下模型进行计算:

方案1，6m单悬臂杆件分别挂载4个电子警察+2个信号灯+2个直径800mm指示牌。研究主杆直径变化对应力和变形的影响时，控制挑臂端部直径111mm，根部直径185mm，主杆、挑臂厚度均为5mm。

方案2，6m单悬臂杆件挂载与方案1相同。研究挑臂直径变化时，控制主杆端部直径240mm，根部直径270mm，主杆、挑臂厚度均为5mm。

方案3，9m单悬臂杆件分别挂载6个电子警察+3个信号灯+3个直径800mm指示牌。研究主杆直径变化对应力和变形的影响时，控制挑臂端部直径111mm，根部直径220mm，主杆、挑臂厚度均为8mm。

方案4，9m单悬臂杆件挂载与方案3相同。研究挑臂直径变化时，控制主杆端部直径240mm，根部直径270mm，主杆、挑臂厚度均为8mm。

计算模型如图2a、图2b所示。

4.1 悬臂式多功能杆应力

1.主杆应力

根据假定的主杆和挑臂直径以及壁厚，主杆计算分析结果如图6所示。

图6 单悬臂主杆应力比Fig.6 The main rod stress ratio of cantilever pole

从图6a可知，对于6m单悬臂杆件采用壁厚5mm，当挂载信号灯时，采用Q355钢材，主杆根部直径需不小于300mm；采用Q460钢材，主杆根部直径需不小于260mm。当挂载电子警察时，采用Q355钢材，主杆根部直径需不小于260mm；采用Q460钢材，主杆根部直径需不小于240mm。

从图6b可知，对于9m单悬臂杆件采用壁厚8mm，当挂载信号灯时，采用Q355钢材，主杆根部直径需不小于280mm；采用Q460钢材，主杆根部直径需不小于250mm。当挂载电子警察时，采用Q355钢材，主杆根部直径需不小于240mm；采用Q460钢材，主杆根部直径需不小于230mm。

从研究成果可知，单悬臂式主杆应力比与挑臂长度以及挂载设备类型有关。信号灯较电子警察荷载大，相应产生的应力比较大，对应的主杆根部直径相应取较大值。挑臂长度的增加对主杆根部应力比的增大影响作用明显。对于单悬臂式智慧城市多功能杆，其应力比同样与钢材牌号及壁厚有关。在实际工程应用中，对两种挂载类型的杆件可进行区别化设计，通过采用不同杆件直径、壁厚以及不同钢材牌号，使得主杆应力比满足要求。

2.挑臂应力

根据上述假定的主杆和挑臂直径及壁厚，挑臂计算分析结果如图7所示。

图7 单悬臂挑臂应力比Fig.7 The arm stress ratio of cantilever pole

从图7a可知，对于6m单悬臂杆件采用壁厚5mm，当挂载信号灯时，采用Q235钢材，挑臂根部直径需不小于220mm；采用Q355钢材，挑臂根部直径需不小于170mm。当挂载电子警察时，采用Q235钢材或Q355钢材，挑臂根部直径需不小于150mm均可满足应力比要求。

从图7b可知，对于9m单悬臂杆件采用壁厚8mm，当挂载信号灯时，采用Q235钢材，挑臂根部直径需不小于250mm；采用Q355钢材，挑臂根部直径需不小于200mm。当挂载电子警察时，采用Q235钢材或Q355钢材，挑臂根部直径需不小于180mm均可满足应力比要求。

从计算结果可知，单悬臂式挑臂应力比与挑臂长度以及挂载设备类型有关。实际工程应根据挂载设备及挑臂长度，通过设置不同杆件直径、壁厚以及不同钢材牌号，使得挑臂应力比满足要求。

4.2 悬臂式多功能杆变形

悬臂式变形与柱式变形不同，悬臂式变形涉及到主杆变形与挑臂变形，主要由四部分组成:1)重力荷载作用下主杆的水平变形；2)风荷载作用下主杆的水平变形；3)重力荷载作用下挑臂的垂直变形；4)风荷载作用下挑臂的水平变形。

以上四种变形的特点、控制要求以及解决方案存在差异。以9m挑臂为例，对比主杆、挑臂壁厚取8mm与6mm，挂载设备为电子警察与信号灯时的位移计算结果如图8、图9所示。

图8 重力荷载作用下悬臂式杆件的变形Fig.8 Deformation of cantilever pole under gravity load

图9 风荷载作用下悬臂式杆件水平位移比Fig.9 Displacement ratio of cantilever pole under wind load

从图8a可知，重力荷载作用下主杆挑臂连接处的水平位移与主杆根部直径、主杆壁厚及挂载设备重量相关，在实际工程中可通过增大主杆直径或壁厚控制位移，此外，在重力荷载作用下的主杆变形会以位移角的形式对挑臂竖向变形造成较大影响。结合图8b可知，挑臂长度与挂载设备重量对挑臂自身的竖向变形影响很大，两者变形呈现出叠加效果，在设计中应予以严格控制，避免挑臂端部掉头严重，影响使用观感。根据工程经验，建议挑臂与主杆连接处水平位移控制在50mm以内，挑臂采用预置上扬角抵消挑臂的竖向变形。但为避免产生过大的弯曲变形影响使用观感，建议挑臂端部垂直位移按1/33挑臂长度控制，对9m挑臂重力荷载作用下挑臂端部垂直位移控制在270mm。

从图9a知，在风荷载作用下主杆顶部的水平变形与主杆根部直径、主杆壁厚及挂载设备挡风面积相关，此时位移应结合使用设备的要求进行控制，如设置5G天线的智慧城市多功能杆位移参考YD/T 5131—2019在标准组合下控制标准为1/33，信号灯位移在标准组合下控制标准为1/25，电子警察的位移控制同时应满足枪机拍照的稳定性要求。本文研究的智慧城市多功能杆顶风荷载位移均需按照1/33控制，当使用功能为电子警察时，主杆壁厚6mm对应主杆根部直径不小于280mm，主杆壁厚8mm对应主杆根部直径不小于240mm；当使用功能为信号灯时，主杆壁厚6mm对应主杆根部直径不小于320mm，主杆壁厚8mm对应主杆根部直径不小于290mm。

从图9b可知，挑臂挂载设备不同时，其挡风面积的增加对位移的影响较大，实际工程应准确计算挂载设备的面积、重量及设备安装位置，并结合挂载设备的性能要求对挑臂在风荷载作用下的位移值进行控制，控制标准取标准组合下1/25。风荷载作用下挑臂端部水平位移为挑臂位移与主杆位移的叠加值，控制时可考虑扣除主杆位移，但主杆位移影响较小，挂载信号灯主杆壁厚6mm时，主杆与挑臂相交点水平位移140mm，8mm对应位移110mm，在挑臂水平位移中占比1/8，影响较小。

综合考虑位移特点，建议悬臂式多功能杆选用大直径截面，同时控制挑臂长度及挑臂厚度。对于挂载信号灯、标志牌、分道标志等悬臂式多功能杆，应严格控制挑臂长度。对于超出控制范围的可考虑多挑臂式或门架式。

4.3 悬臂式多功能杆选型及造价分析

根据计算分析结果，悬臂式多功能杆主杆选

分析图10a可知，通过提高钢材型号、增加杆件壁厚、增大杆件底部直径可以有效控制主杆应力比。采用Q355钢材，壁厚8mm，直径不小于280mm，可满足应力比要求。

此外，从图10b可知，在横臂之间增加斜杆，可有效降低横臂应力比。尤其对于Q235钢材，在未设置斜杆时，对于截面较小的横臂，应力比超出较多，设置斜杆后，型上，采用风荷载作用下的杆顶水平位移为主要控制因素，应力比为次要控制因素。挑臂选型上，短挑臂与长挑臂挂载少的情况采用应力比作为主要控制因素，长挑臂挂载多时采用风荷载作用下的端部水平位移为主要控制因素。

以9m单悬臂式杆件为例，对悬臂式多功能杆造价，见表3。

表3 悬臂式多功能杆造价Tab.3 The cost of cantilever pole

5 门架式多功能杆

智慧城市多功能杆门架式主要适用于路幅较宽的路口渠化段、市区隧道出口等复杂路段。门架式跨度较大，多选用桁架结构。选取21m跨度(6车道)，设备考虑分体式分道标志、监控系统、5G天线、照明等。通过对钢材牌号、根部直径、斜腹杆等方面进行对比，分析应力、位移及造价等。计算模型考虑设置斜杆和不设斜杆两种。计算简图如图3所示。

图10 门架式杆件应力比Fig.10 The stress ratio of portal frame pole

5.1 门架式多功能杆应力

根据实际工程计算经验，主杆材料选择Q355、Q460，主杆顶部直径240mm，根部直径260mm～290mm，主杆壁厚8mm与10mm，横臂选择130mm～180mm，横臂壁厚6mm。主杆应力计算结果如图10a所示，横臂应力计算结果如图10b所示。应力比可满足控制要求。实际工程无造型要求时，应优先采用增加斜杆的造型。

5.2 门架式多功能杆位移

在风荷载作用下主杆顶部位移比计算结果如图11a所示，在风荷载作用下横臂水平方向位移比如图11b所示，在重力荷载作用下横臂垂直方向位移比如图12所示。

图11 风荷载作用下门架式杆件位移比Fig.11 Displacement ratio of portal frame pole under wind load

图12 重力荷载作用下门架式杆件横臂垂直方向位移比Fig.12 Displacement ratio of portal frame pole under gravity load

从图11a可知增加杆件壁厚、增大杆件底部直径可以有效控制杆件顶部位移。门架式相对悬臂式增加了一根主杆，故而门架式主杆位移容易满足要求。从图11b、图12可知，通过增加斜杆可以有效控制重力荷载作用下横臂垂直方向位移比，但对风荷载作用下横臂水平方向位移比没有效果，实际工程中对于门架式多功能杆，应重点关注风荷载作用下横臂水平方向位移比。

5.3 门架式多功能杆选型及造价分析

结合计算分析，以21m门架式多功能杆为例，对门架式造价对比见表4。

表4 门架式多功能杆造价Tab.4 The cost of portal frame multi-function pole

从表4可知，对于门架式多功能杆，其受力特性优于悬臂式，在实际工程中可采用适当增大主杆及横臂根部直径控制造价，从而节约投资。

6 结论

1.柱式多功能杆位移起控制作用，应力比富余较多。通过增加杆件壁厚、增大杆件底部直径可以有效控制杆件应力比和杆件顶部位移。增大杆件底部的直径相较于增加壁厚能够更有效地利用杆件应力。采用低牌号钢材可满足设计需求。

2.悬臂式多功能杆主杆和挑臂应力比与挑臂长度及挂载设备类型有关。通过增加杆件直径、壁厚以及提高钢材牌号，可使得应力比满足要求。建议选用大直径截面，同时控制挑臂长度及挑臂厚度。主杆选型采用风荷载作用下的杆顶水平位移为主要控制因素，应力比为次要控制因素。挑臂选型上，短挑臂与长挑臂挂载少的情况采用应力比作为主要控制因素，长挑臂挂载多时采用风荷载作用下的端部水平位移为主要控制因素。

3.门架式多功能杆可通过提高钢材牌号、增加杆件壁厚、增大杆件底部直径有效控制主杆应力比。横臂可考虑增加斜杆，有效降低横臂应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杆合理优化选型，节约工程投资。