孙希波

（上海安伯工业设备有限公司，上海市 201401）

0 引 言

最近几年，随着通信技术的不断发展，不少地方政府出台了建设新型智慧城市的设想和规划，城市多功能综合杆（以下简称合杆）应运而生，并在上海，青岛，厦门等地率先建设。合杆作为设备载体，集照明，通信，交通信号/标志等多种功能于一体。既美化了市容，也节约了土地资源和重复建设的费用。目前各地的城市也在参照上海等地的建设经验推进。图1、图2是合杆的照片。

图1 双横臂合杆

图2 指示牌合杆

1 合杆受力特点

对于一个较复杂的合杆，挂载的设备通常有灯具，摄像头，标志牌或信号灯，天线设备等。相比较之前单一功能的杆件，合杆上挂载的设备更多，受力更为复杂。

工程师对此类杆件进行计算分析时，通常只做静力计算—计算其静强度，挠度及其验算稳定性。主要考虑设备及杆体承受的重力荷载，风荷载。对于风荷载的考虑，简化成静荷载来处理，见图3（横向的箭头为风荷载，竖向的箭头为重力荷载）。

图3 计算模型

合杆中有一种长悬臂结构，用以挂载信号灯或摄像头，或挂载标志牌。此悬臂横跨道路，最长的横跨5车道，达15 m左右。由于风的流体特性，容易在此长臂结构上引起振动。目前所知道的需要考虑的振动型式有驰振，涡振，脉动风振。另外，随着道路上卡车越来越多，另一种荷载的作用在显现。这种荷载是由于卡车驶过后，引起横臂下方空气的扰动而产生的。由于车辆的持续经过，荷载频繁地施加到横臂上，并产生了疲劳效应。这也成为导致横臂破坏的主要荷载之一。

2 设计规范现状

针对合杆产品，目前国内工程界尚没有权威的设计规范。个别地方性的设计规范（比如上海的合杆规范）[1]，也没有涉及和深入到疲劳强度的分析。由于缺乏疲劳荷载的统计和试验数据，工程师做疲劳强度分析时，无处查询相关的荷载数据，以及各节点型式的疲劳承载能力数据等。

美国公路和运输协会（AASHTO）的“公路标识，照明设备及交通信号结构支撑的标准规范（Standard Specifications for Structural Supports for Highway Signs,Luminaires,and Traffic Signals）[2]中，对长臂的交通信号杆和标志牌杆的疲劳分析做了比较详细的规定。此规范在统计和实验数据的基础上，给出了需要考虑的荷载工况，疲劳荷载值，各种节点型式的S-N曲线，及疲劳承载极限。

3 确定荷载工况及荷载

依据AASHTO规范，需要考虑的荷载工况及用于疲劳计算的风压依次为：

（1）驰振

驰振主要是由于负气动阻尼引起的几乎与风向垂直的结构振动。

式中：IF为疲劳重要性系数。

（2）涡振

涡振是由于旋涡脱落在结构上引起的横向风振。

式中：Vc为极端风速；Cd为基于极端风速下的体型系数；IF为疲劳重要性系数；β为阻尼比，可以预估取值0.005。

规范中明确提出涡振对此种类型结构不敏感，可不予考虑。

（3）脉动风振

脉动风振是指顺风向风速的变化在结构引起的振动。

式中：Cd为基于年平均5 m/s风速下的体型系数；IF为疲劳重要性系数。

（4）卡车引起的风振

是由于卡车经过横臂底部时对横臂产生的往复的振动，方向垂直于风速方向。

式中：Cd为基于卡车速度30 m/s下的体型系数；IF为疲劳重要性系数。

注：以上提到的风速皆为50 a一遇,时程为3 s的平均最大风速。

以上各种工况下的疲劳重要性系数见表1。

表1 疲劳重要性系数

4 确定节点疲劳强度

合杆横臂与合杆的立杆通过法兰进行螺栓连接。横臂与法兰通常的几种焊接型式主要有，插入式角焊缝焊接，见图4；全熔透焊接，见图5。依照AASHTO中的规定，分别对应的应力类型和疲劳强度应力值（CAFL）见表2。

图4 插入式角焊缝焊接

图5 全熔透焊接

表2 应力类型和疲劳强度应力值

分别对应的S—N曲线见图6。

图6 S—N曲线

5 工程案例计算

举例，以某地使用的一种型号的合杆为例，见图7，对横臂进行几种情况下的计算分析。

图7 合杆（单位：mm）

（1）设计参数

a.红绿灯：横向有效迎风面积：1.17 m2/个，竖向有效迎风面积：0.23 m2/个，重量：30 kg/个，数量：4个，在横臂上的位置分布见图7;

b.臂长12 m，离地高度6.5 m；

c.风速30 m/s，正常风速：8 m/s（风速为50 a一遇的10 min平均最大风速。

（2）情况一：只做静强度计算，不考虑疲劳荷载。根据横臂上所受的载荷，计算得到的横臂尺寸见表3。

表3 横臂尺寸

（3）情况二：做静强度计算的同时，也考虑疲劳荷载，使用E’节点型式，分别考虑以下几种工况。

a.驰振

风压PG=1 000×IF（Pa）=1 000×0.65=650（Pa）

（疲劳等级取II类，以下同）

风力FG=PG×A，力的方向为竖向垂直于横臂，A为横臂上加载设备的水平方向的迎风面积。

所以，每个灯上的FG1=FG2=FG3=FG4=650×1.17=760.5 N

横臂根部弯矩M横臂=0.761×4+0.761×6.5+0.761×9+0.761×11.5=23.59 kN·m。

b.脉动风振

风压PNW=250 Cd×IF（Pa）=250×1.2×0.8=240（Pa）

对于信号灯和8边形横臂，Cd皆为1.2。

风力FNW信号灯=PNW×A=240×A=240×0.975=234 N，FNW横臂=PNW×A=240×A=240×1.92=460.8 N，力的方向为水平垂着于横臂方向。

A为水平方向所有信号灯以及横臂自身的投影面积。

横臂根部弯矩M横臂=0.234×（4+6.5+9+11.5）+0.460 8×5.38=9.73 kN·m。

c.卡车引起的风振

风压PTG=900 Cd×IF（Pa）=900×1.2×0.85=918（Pa）

风力FTG=PTG×A=918×A=918×0.84=771 N，力的方向为竖向垂直于横臂。

A为自横臂端部3 660 mm以内的所有竖直方向的信号灯及横臂自身的投影面积。

横臂根部弯矩M横臂=0.771×10.17=7.84 kN·m。

综合以上三种工况的分析可见，其中的驰振工况下，在横臂根部产生的弯矩最大。由此计算得到的横臂尺寸见表4。

表4 横臂尺寸

6 计算结果对比

基于以上计算，做对比。从图8中可以看出，是否考虑疲劳计算，以及使用不同的接头型式，对结构尺寸和重量的影响。

图8 横臂尺寸及重量对比

7 结语

（1）风荷载的空气动力特性，会在结构上引起振动。振动型式有驰振，涡振，脉动风振，和卡车引起的风振。风振会引起横臂产生疲劳荷载；

（2）对于臂较长的合杆横臂结构，计算时应考虑风荷载下疲劳破坏的影响；

（3）AASHTO规范中详细规定了，计算疲劳强度时应考虑的荷载工况，不同接头型式的疲劳强度值；

（4）接头的型式影响结构的疲劳强度。选取疲劳等级更高的接头型式，比如全穿透焊，可大大提高结构的疲劳等级。