大型户外广告牌的设计和施工要点
近年来，随着我国改革开放的不断深入，经济建设迅速发展，与之相伴的广告业也日渐繁荣，因此在广告牌结构设计中，对其造型、规模、效益的要求不断提高。大型广告牌为永久性建筑，一般位于公共场所、繁华闹区，且多数建于既有建筑内，因此在满足广告效果的前提下，其结构的安全性尤为重要。另外其基础工程施工一般受相邻既有建筑的制约影响较大。本文结合某火车站广场两侧广告牌结构工程设计及实际施工经验，对大型钢结构广告牌的结构设计及施工特点进行探讨。
项目概况 广告牌位于某火车站前广场东西两侧花坛内，花坛宽3m，一侧为混凝土广场，另一侧为素混凝土路面。根据现场钻孔资料，项目现场土层自上而下分为三层：表层为填土（Qm1），层厚2.5～2.7m，含碎砖、漂石及有机质等，其静贯力PS=0.83～3.65MPa，承载力fk=60～80kPa，压缩模量ES=3.0～3.5MPa，该层填土质地软，结构松散，硬度不均匀，强度较低，不经处理，不宜作为建筑物基础承重层；第一层为粉质粘土（Qm1+p1），层厚0.3～2.0m，含有少量的氧化铁，其静贯通阻力PS=0.83～1.85MPa，承载力fk=90～，压缩模量ES=4.5～6.8MPa；第二层为粘土（Qm1+p1），位于地面以下4m，此层尚未钻透，土体呈硬塑状态，含有大量的氧化铁及铁锰结核，其静贯通阻力PS=3.48～5.10MPa，承载力fk=250～，压缩模量ES=10.5～15.0MPa，此层粘土分布面积广，厚度大，强度较高，是良好的地基持力层。项目所在地地下水类型主要为埋藏于地表填土中的上层滞水。地下水主要受大气降水和地表水入渗补给，水位和水量受气候变化影响。
设计要求广告牌采用距地面12m高18m的独立钢柱支撑6×18m的矩形钢结构广告灯箱，区域内基本风压w=0.3kN/m2，抗震设防开裂度7度。
广告牌结构设计
结构型式的选择：独立钢柱的大型钢结构广告牌主体结构常用的形式有两种：一种是T型，其主体框架由独立钢柱与顶部横向主梁焊接成T形，此体系主体结构受力明确，计算简单，在柱顶焊接横梁，形成固结在基础上的T型刚架结构体系，广告灯箱面板通过各种吊架、斜撑与T型刚架结构连接。另一种是桁架式，其主体框架由独立钢柱与顶部若干根平行横向主梁焊接成，主梁间通过水平、斜撑连接，形成空间桁架体系，广告灯箱直接悬挂在主体框架上。
经比较，广告牌结构采用桁架式，其理由为：第一，广告牌结构的控制设计荷载为风荷载，风压直接作用在面板上，再由面板传递到框架，此时，几根不同标高的主梁可以比较均匀地将风荷载传递到柱子上，从而减少主梁与柱子连接处的应力集中；第二，平行桁架结构的主梁采用槽钢，使结构平整，方便广告面板的悬挂，并且可以加强面板与主框架之间的连接，从而减少面板的变形，保证广告面的视觉效果；第三，平行桁架结构可在每根主梁标高处设置内部检查梯，给结构的维修、检查、挂卸带来很大的方便，保证了操作人员的人身安全；另外平行桁架结构形式简洁美观，受力明确，节点构造简单，施工方便，从而保证了施工质量。
结构布置本工程采用独立钢结构柱，三根横向主梁通过节点板焊接在三个不同标高处。主梁之间设置横梁及斜撑，组成空间桁架受力体系。主、横梁间距主要考虑广告牌骨架网架布置，且面板骨架节点与主骨架节点一致，以加强面板与主骨架的联系。广告牌面板骨架焊接在主体结构上，组成整体上部结构。主梁采用槽钢，其他构件采用角钢。根据构件的强度、变形情况进行选型。钢柱截面形状的选取，除考虑其强度、稳定性外，还要综合考虑广告牌整体尺寸协调、美观度等因素。
结构分析
荷载及荷载组合结构承受的主要荷载有：1）自重；2）风荷载；3）温度荷载；4）养护活荷载；5）地震荷载。
荷载组合类型有三种：1）基本组合；2）特殊组合；3）施工吊装。
应力分析由于钢柱为压弯构件，其承载力取决于柱的长细比、支撑条件、截面尺寸以及作用在柱上的荷载。计算表明，钢柱的承载力一般受稳定性控制。
上部结构主梁可简化为与钢柱刚接或铰接的悬臂结构，主梁间通过横梁、斜撑铰接，组成空间平行组合桁架，内力计算利用有限元程序在计算机上完成。
根据钢结构设计理论，在不减小截面的情况下，对接焊缝的强度可以达到母材的强度，因此不需要校核焊缝应力，但应严格检查焊缝质量和饱满度。
焊缝是构件间承受应力传递的地方，其应力大小已由上部结构计算得出。对于广告牌这类结构，上部结构构件所受应力一般不大，为焊接方便，可采用环向焊缝，焊脚尺寸可统一取hf=10mm，即可满足规范要求；但广告牌面板框架与主框架的挂点处的焊接，须逐一计算。
排量控制
广告牌立柱高18m，在水平风荷载作用下，会产生沿风向的水平位移。上部结构为悬臂桁架，在风荷载和自重作用下，悬臂端也会产生相应的位移。如果这些位移过大，会直接影响广告牌的使用和感官效果。更重要的是这些位移还会引起附加内力，增大结构内部的应力，降低结构的安全性。为此，在广告牌设计中应严格限制位移。根据《钢结构设计规范》（GBJ17-88）的规定，广告牌的水平设计位移应控制在10mm以内。
基础工程设计
该类广告牌的基础类型主要有两种：一种是平衡重力式，即上部荷载主要靠大体积基础的重力来平衡，开挖量较大，混凝土用量也较高，但施工简便，节省钢材，适合在土质松软、有空旷施工场地时使用。另一种是桩基础类型，其中以扩底桩为主。在施工场地受限制时可采用这种基础类型。它的优点是基础施工场地很小，所用混凝土量只有平衡重力式基础的三分之一左右，但施工难度略有增加。
由于该广告牌建于某火车站前广场两侧花坛内，花坛宽度仅有3m，若基坑带坡开挖，势必会损坏两侧广场的混凝土地面、水泥混凝土路面，修复工程造价不菲，还可能损坏地下埋设的管道。综合比较后，选择人工挖孔、底部扩桩基础，使基坑开挖范围仅限于花坛内。为降低孔壁支护难度，在基础上部（表层填土及第二层粉质粘土）4m深度范围内不扩孔，采用直径为1.5m的圆形孔；从4m深度以下（第三层粘土）扩孔，增加基底承重面积，满足基础承载力要求。基底采用方形，尺寸为3×3m，总孔深6m。基础下设置十字正交齿墙，增强基础的抗扭、抗剪能力。
桩基结构计算在桩基结构计算中，采用了C法和m法两种计算方法，结果表明两种方法的计算结果比较一致，桩身弯矩最大发生在距地面62mm处（m法为82mm），桩顶最大水平位移为4.86mm（m法为4.78mm）。桩身的材料强度及配筋计算按一般钢筋混凝土结构偏心受压构件进行。
基础设计必须考虑轴力、弯矩、扭矩等不同组合的影响，保证基础本身的强度和刚度以及基础的承载力和抗剪强度满足规范的要求。
施工技术
根据现场地形、地质情况，基础工程采用人工挖坑扩底桩，基础底面置于第三层粘土中。基坑开挖时，采用孔壁支护、排水措施，确保桩孔平整及施工人员人身安全。基坑开挖、沟槽检测后，立即铺设100mm厚碎石垫层，吊挂钢骨架，并及时浇筑基础混凝土，预埋锚栓，铺设基础顶部钢筋网。浇筑至设计标高时，顶面需用20mm厚1：3水泥砂浆找平，然后覆盖螺栓定位、垫层钢板。当基础混凝土养护到规定龄期时，需对预埋螺栓进行拉拔试验，确认螺栓的抗拉承载力是否符合设计要求。
钢结构工程所有钢结构构件连接均采用焊接方式，上部结构工厂化生产。钢柱采用钢板在工厂卷制焊接而成，上部桁架结构可在工厂焊接；当梁、柱主架焊接组成整体上部结构时，应做适当的荷载试验，以验证焊缝质量及主架强度；广告牌面板框架与镀锌铁面板拼接后，可直接在地面吊挂焊接在主架上，以矫正面板表面的不平整，控制上部结构的整体美观。
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