高速公路收费站广告牌的受力与安全分析

赵英培 李华

摘 要：随着我国高速公路的迅猛发展，高速公路两侧、收费站场和服务区逐渐成为理想的广告投放场所。高速公路范围内的广告设施结构应满足安全和稳定要求，避免倒塌或脱落影响道路通行和行车安全。本文以某收费站场广告牌为例，建立有限元计算模型对广告牌的受力和安全性进行了验算分析，并提出了广告牌与站棚之间的最小距离。

关键词：高速公路;广告设施;有限元;验算分析

中图分类号：U270.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0118-03

Abstract： With the rapid development of expressways in China， both sides of expressways， toll stations and service areas have gradually become ideal places for advertising. The structure of advertising facilities within the expressway shall meet the requirements of safety and stability， and avoid collapse or falling off affecting road traffic and driving safety. This paper took a billboard in a toll station as an example， established a finite element calculation model to analyze the force and safety of the billboard， and proposed the minimum distance between the billboard and the stand.

Keywords： expressway;advertising facilities;finite element;checking analysis

广告是最大、最快、最广泛的信息传递媒介，通过广告，企业能把产品与劳务的特性、功能、用途及供应厂家等信息传递给消费者，沟通产需双方的联系，引起消费者的注意与兴趣，促进购买。广告能激发和诱导消费，广告造成的视觉、感觉映象以及诱导往往会勾起消费者的现实购买欲望。广告能较好地介绍产品知识、指导消费，可以全面介绍产品的性能、质量、用途等，消除购买者的疑虑和消费后的后顾之忧，使其产生购买欲望。随着我国高速公路的迅猛发展，为了追求速度和舒适，越来越多的人选择高速客运，这也为高速户外广告的发展提供了一个新的机遇。高速公路两侧广告塔、跨线桥梁护栏外侧、收费站场和服务区是一种理想的广告投放场所，已成为众多商家推介产品、树立品牌、展示企业形象的理想选择。但是，一旦高速公路范围内的广告设施出现倒塌或掉落等，将直接危及高速公路正常通行和行车安全。因此，在高速公路范围设置的广告设施应进行专门设计，必须保证结构的安全可靠。

1 工程概况

某高速公路收费站广告牌设置于下站口站棚前后，牌面设计总长为63.0 m，高度为5.0 m，设计为钢结构，结构布置图如图1所示。广告牌结构由基础、钢管立柱、横向钢骨架、连接桁架和广告牌面等部分组成。广告牌立柱采用Φ1 020 mm×10 mm钢管立柱，广告牌横向骨架和连接桁架采用Φ140 mm×6 mm、Φ114 mm×5 mm、Φ89 mm×4 mm、Φ60 mm×3 mm等Q235钢管焊接组成。

2 广告牌的设计参数

2.1 广告牌的设计材质

本设计采用全钢结构户外广告牌，立柱、牌面骨架和和连接桁架全部采用Q235钢材拼焊而成，钢管技术参数满足《结构用无缝钢管》（GB/T 8162—2018）的相关要求[1]，钢材力学技术指标满足《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）的要求[2]。广告牌牌面采用镀锌铁皮材质。

2.2 主要设计荷载

广告牌结构主要承受包括以结构自重、风荷载、雪荷载等为主的荷载效应，其中，风荷载起到控制作用。

2.2.1 风荷载的计算。本设计分别按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[3]和《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS 148—2003）[4]计算风荷载，取两者较大值作为验算荷载值。风荷载的取值和广告牌所处地区基本风压、地表类型、计算高度相关，风荷载具体计算结果如表1所示。本设计中，风荷载验算标准值取0.93 kN/m2。

2.2.2 雪荷载的计算。根据设计资料和广告牌结构，经计算，雪荷载标准值为0.40 kN/m2。

3 广告牌验算与结果分析

3.1 广告牌的验算内容

验算的主要内容为广告牌自身结构的受力安全情况、结构的位移情况及对站棚的影响，具体涉及以下三个方面：最不利工况下广告牌结构本身的强度验算;在最不利荷载工况作用下广告牌钢结构的水平位移验算;分析和评估广告牌钢结构对临近收费站站棚的影响[5]。

3.2 广告牌有限元计算模型

为了解结构的静力性能，本研究对该广告牌进行了力学性能分析。采用专用有限元程序MIDAS/Civil，建立该广告牌的空间有限元模型进行受力分析;根据广告牌設计图纸，采用有限元计算软件MIDAS/Civil建立广告牌计算模型，如图2所示。横向钢骨架、连接桁架、钢管立柱均采用梁单元模拟，广告牌面采用板单元模拟，杆件截面及材料参数根据设计取值，模型边界根据实际连接或锚固情况确定[6]。有限元建模的过程步骤如下。

3.2.1 定义材料。操作顺序都可以按下列步骤来执行：选择设计材料类型（钢材、混凝土、组合材料、自定义）→选择的规范→选择相应规范数据库中的材料;对于自定义材料，输入各种控制参数的数据，包括弹性模量、泊松比、线膨胀系数和容重等。

3.2.2 截面定义。通过程序提供的截面特性计算器来生成截面数据。

3.2.3 建立节点。节点是有限元模型最基本的单位。一般可以采用捕捉栅格网、输入坐标、复制已有节点和分割已有节点等方法来建立新的节点。另外，在复制单元的同时，程序会自动生成构成单元的节点。

3.2.4 建立单元。在MIDAS/Civil中可以通过多种方法来建立单元，包括连接已有节点建立单元、对已有单元进行分割建立新的单元、扩展已有节点或单元生成更高维数的单元、导入AUTOCAD的DXF文件来生成单元等。

3.2.5 定义边界条件。MIDAS/Civil里比较常用的边界包括一般支撑、节点弹性支撑、面弹性支撑和刚性连接等边界条件的定义方法。一般支撑是应用最广的边界条件，选择要施加一般支撑的节点，选择约束自由度方向即完成一般支撑的定义。

3.2.6 定义自重荷载。MIDAS/Civil对结构的自重荷载可以通过程序来自动计算。程序计算自重的方法是以材料的容重、截面面积、单元构件长度和自重系数为基础，自动计算结构自重。在定义自重时，首先要定义自重荷载的荷载工况名称，并定义自重所属的荷载组，然后输入自重系数即可。

3.2.7 风荷载定义。将均布面荷载直接布置于广告牌面上。

3.2.8 雪荷载定义。将均布荷载直接布置于梁单元上。

在进行广告牌强度复核时，本设计考虑如下承载能力极限状态基本组合。组合1是1.2自重+1.4风荷载（单侧风）+0.7雪荷载;组合2是1.2自重+1.4雪荷载+0.7风荷载（单侧风）。在进行广告牌水平位移验算时，按照《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS148—2003），本设计主要考虑风荷载（标准值）的作用。

3.3 验算结果分析

3.3.1 自身强度和受力验算。如图3所示，在荷载组合1作用下，广告牌钢结构杆件最大拉应力为97.08 MPa，最大压应力为-104.51 MPa。在荷载组2合作用下，广告牌最大拉应力为50.64 MPa，最大压应力为-53.50 MPa;广告牌自身结构强度满足设计要求。

3.3.2 结构水平位移验算。按《户外广告设施钢结构技术规程》（CECS148—2003）计算水平位移時，主要考虑风荷载（标准值）的作用。如图4所示，广告牌钢结构顶点的水平位移最大值为18.541 mm，不超过该点离地高度（12.2 m）的1/100，在风荷载作用下，结构水平位移满足要求。广告牌与收费站棚之间的最小净距为50 mm，广告牌在最大位移下不会与站棚发生碰撞，不会影响站棚安全。

4 结语

本文利用有限元计算软件MIDAS/Civil，建立了某高速公路收费站场广告牌的计算模型，并通过计算确定了作用在广告上的有关荷载。有限元计算分析结果表明，在验算荷载的最不利组合下，结构杆件最大拉应力、最大压应力均不超过材料设计值，广告牌自身结构强度满足设计要求;在风荷载作用下，钢结构顶点的水平位移最大值不超过该点离地高度的1/100，结构水平位移满足要求;为避免站棚与广告牌发生碰撞，广告牌与站棚间的最小间距应不小于广告牌离地高度的1%。

参考文献：

[1]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.结构用无缝钢管：GB/T 8162—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[2]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计标准：GB 50017—2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[3]交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]中国工程建设标准化协会.户外广告设施钢结构技术规程：CECS148—2003[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5]李志豪.大型户外单立柱广告牌的风荷载及风振响应的试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2018：107.

[6]宫文天.大型户外广告牌结构安全监测系统研究与开发[D].西安：西安电子科技大学，2019：22-23.