在役高速公路局部结构缺陷门架式标志加固改造方案研究

Study on Strengthening and Reforming Scheme of Door Frame Signs with Local Structural Defects of Expressway in Service

摘要: 文章运用有限元分析的方法，对在役高速公路常见的典型结构缺陷的门架式交通标志结构稳定性进行分析，并研究门架式结构标志局部结构加固改造方案。经分析研究，加固改造方案可较大地强化门架式标志结构，经多年实践，文中所提的缺陷门架标志局部改造方案合理，可为类似工程的门架标志加固改造提供思路及参考。

Abstract: This paper uses the method of finite element analysis to analyze the structural stability of the typical structural defects of door frame traffic signs common to expressway in service, and study the local structural reinforcement and reconstruction scheme of door frame structural signs. After analysis and research, the reinforcement and reconstruction scheme can be larger strengthening the structure of sign conveyor, after many years of practice, the defective door frame sign local reconstruction scheme proposed in the article is reasonable, and it can provide ideas and references for the reinforcement and reconstruction of door frame signs in similar projects.

1. 引言

在高速公路建设工程项目中，由于设计缺陷或施工质量控制等原因，门架式交通标志结构存在局部缺陷的问题较为多样且普遍存在。而往往这些缺陷在施工过程中难以发现，当发现问题时，高速公路已经在通车运营中，在通车路段上对存量局部结构缺陷的门架式交通标志进行加固改造要比重新施工门架式标志要困难得多。此时门架式标志主体结构已经施工完毕，已经没有太多改动的空间，局部结构的改造提升需充分考虑门架式标志的现状，且改造方案需易于在通车路段作业并实施。本文以某高速公路局部结构缺陷的门架式交通标志分析为例，探讨门架式标志局部加固改造方案。

在现行标志结构分析的文献中，多见于对门架式交通标志的整体力学性能分析，但对于在役高速公路局部结构缺陷交通标志的加固方案研究基本为空白，国外文献中鲜有涉及，国内相关文献的内容也较少，比如：涂文卿[1]提出了门架式标志的横梁与立柱的加固方案；何新平等[2]进行了强风地区交通标志底板加固研究。

2. 门架式标志结构方案简介

某高速公路全线交通标志采用门架式标志，标志结构采用轻型钢桁架结构，左右各设置两根立柱(Φ180 mm)，如图1所示。

Figure 1. Facade and side view of steel truss

图1. 钢桁架立面及侧面图

门架上部横梁(Φ114 mm)单侧共四根，呈正方形布设，边长为1 m；两侧共八根，通过中间的法兰连接成一个整体；横梁连接采用横撑和斜撑(Φ83/76 mm)，如图2所示。门架标志的立柱和横梁构成了门架式标志的总体框架。

Figure 2. Front view and top view of the beam of the door frame

图2. 门架上部横梁正视图和俯视图

门架式标志的标志板材料采用3004 [3]制作，背部结构采用铝合金龙骨(规格80 mm × 18 mm × 4 mm)固定，出口编号版面与出口预告标志采用铝合金龙骨连接，交通标志面板通过抱箍与横梁连接，以5.0 m × 4.5 m + 2.5 m × 1.0 m版面为例，如图3所示。

Figure 3. Connection diagram of sign board and beam

图3. 标志板与横梁连接图

后期由现场设计代表对门架标志面板进行变更加固方案，即标志版面背部纵向铝合金龙骨改为钢管，如图4所示，其他结构则维持原设计。

3. 典型局部缺陷简介

在项目建成通车两个月后，门架式标志出现了整体式诸多典型结构问题，主要如下：

Figure 4. Connection diagram between sign board and beam after site change

图4. 现场变更后标志板与横梁连接图

1) 部分门架式标志结构整体结构失稳

局部路段风速较大，门架式标志出现了被风吹弯折的情形，如图5所示。经排查，该处被风吹弯折的门架式标志是由于横梁的上下斜杆未安装4号斜杆而导致。

Figure 5. Overall structure of the door frame sign structure is unstable due to the slanting bar of the beam

图5. 横梁上下斜杆导致门架式标志结构整体结构失稳

2) 桁架顶(底)面斜撑安装方向与设计不一致

实际施工的门架式标志的横梁斜撑与设计文件不一致。设计文件中，横梁桁架顶(底)面斜撑安装方向是一致的，即上下面的斜撑应平行。现状部分结构中，顶(底)面斜撑方向不一致，如图6所示。

3) 部分节点杆件尺寸相差较大

设计文件中，斜向支撑的位置是设置于节点，如图7所示。

4) 部分门架标志未进行加固处理

对于先期按照招标文件(即横梁间距为1 m的门架结构)进行门架施工的，施工期间由现场交安设计变更设计，标志板面背部采用钢管加固，但部分标志则全部采用铝合金龙骨，未采用加固方案。

Figure 6. Installation direction of the diagonal brace on the top (bottom) surface of the truss is inconsistent with the design

图6. 桁架顶(底)面斜撑安装方向与设计不一致

Figure 7. Schematic diagram of the connection between the inclined brace, vertical brace and beam and the actual construction

图7. 斜撑、竖撑与横梁连接与施工实际比对示意图

4. 典型局部结构缺陷的门架式标志稳定性分析

1) 基本风速风压分析

基本风压是以当地比较空旷平坦的地面上离地10 m高统计所得的50年一遇10 min平均最大风速为标准，按照基本风压 = 最大风速的平方/1600确定的风压值。

风压标准值计算公式：

${\omega }_k={\beta }_z{\mu }_s{\mu }_z{\omega }_0$

${\omega }_k$ ——风荷载标准值，kN/m²；

${\beta }_z$ ——高度$z$ 处的风振系数；

${\mu }_s$ ——风荷载体型系数；

${\mu }_z$ ——风压高度变化系数；

${\omega }_0$ ——基本风压，kN/m²。

2) 对4号斜撑缺失及安装反向的结构分析

通过在midas中建模，对门架式标志上下横梁4号斜杆缺失的情况进行建模，并计算分析得出，空间桁架结构中斜撑作用为增大结构刚度，增大结构抗震能力所设，1米高门架结构中未设斜撑，整体结构稳定性不足，未设置斜撑的门架结构其本身已经影响到结构中的整体稳定性，施工中某些门架结构斜撑反向设置经分析并不影响各空间桁架结构在风荷载作用下的传导，如图8所示。

Figure 8. Beam lacks the diagonal braced door frame type sign force

图8. 横梁缺少斜撑门架式标志受力

3) 对交通标志面板受力分析

标志牌的材料为3004铝合金，材料特性为：弹性模量：69 GPa；泊松比：0.33 [4]；密度：2.81 g/cm²；屈服强度：150~285 Mpa，当地50年一遇最大风速28 m/s [5]。

以标志牌规格为5000 × 4500 × 3 + 2500 × 1000 × 3 (mm)。依照原有设计图，仿真得到的应力云图和位移云图分别如图9、图10所示。

Figure 9. Stress cloud image

图9. 应力云图

Figure 10. Displacement cloud image

图10. 位移云图

可以看出，标识牌上的最大应力为473 MPa，严重超出了材料的强度极限，最大位移为2240 mm，数值较大。

5. 局部加固改造方案研究

考虑到对门架式标志的局部加固改造需要在已经通车的路段实施，且施工安全、施工场地、施工方案的制约，门架标志的局部加固改造方案需遵循如下原则：

• 保障施工安全性。加固结构应简便，便于施工人员操作。

• 应尽量减少现场焊接的方式，以免破坏钢管镀锌层，影响后期使用功能。

• 应考虑最小改动的原则。

在上述原则下，研究了门架标志加固的措施：

1) 上下横梁缺少4号斜杆的门架标志加固方案

对于横梁未设置4号斜杆的门架，为减少焊接，改造方案采用焊接加抱箍的形式进行改造，即预先对4号斜杆与钢板焊接，并做好钢构件的防腐处理，然后由工人现场通过螺栓焊接完成对缺失4号斜杆的加固改造，如图11、图12所示。采用此方案，工人现场施工较为简单，现场封闭两个行车道即可完成施工，门架横梁整体加固改造示意如图13所示。

Figure 11. General diagram of diagonal reinforcement

图11. 斜撑加固大样图

Figure 12. Schematic diagram of fixing of steel plate and stud

图12. 钢板与双头螺栓固定示意图

Figure 13. Schematic diagram of overall reinforcement and reconstruction of door frame beam

图13. 门架横梁整体加固改造示意图

2) 交通标志面板改造方案

改造方案1：

对于局部标志面板未进行钢管加强的门架式标志，加固改造方案考虑对标志面板背部按40 cm间距增设Φ60 mm竖向钢管，竖向钢管与横梁之间通过角钢与U型螺栓连接，具体如图14、图15所示。

Figure 14. Example of steel pipe reinforcement on the back of the sign panel

图14. 标志面板背部钢管加固示例

Figure 15. Schematic diagram of connection between reinforced steel pipe and beam

图15. 加固钢管与横梁连接示意图

依照标志牌加固方案，经仿真得到的标志牌的应力云图和位移云图分别如图16、图17所示。

Figure 16. Stress cloud image of rehabilitation program 1

图16. 改造方案1应力云图

Figure 17. Displacement cloud image of rehabilitation program 1

图17. 改造方案1位移云图

可以看出，加固改造后的标志牌的最大应力为190 MPa，超出了材料的强度极限少许，最大位移为243 mm，数值合理。其中，最大应力比原先减小了59.8%，最大位移比原先减小了89%，改造效果十分显著。

改造方案2：

本改造方案需将两根Φ60 mm钢管事先焊接好，横向钢管两端用抱箍固定，另一端焊接Φ114 mm抱箍与横梁连接，具体如图18所示。

Figure 18. Door frame sign structure reinforcement scheme 2

图18. 门架式标志结构加固方案2

依照标志牌加固方案，经仿真得到的标志牌的应力云图和位移云图分别如图19、图20所示。

Figure 19. Stress cloud image of rehabilitation program 2

图19. 改造方案2应力云图

Figure 20. Displacement cloud image of rehabilitation program 2

图20. 改造方案2位移云图

经过模拟仿真，方案2改造方案标识牌上的最大应力为207 MPa，同样位于材料强度极限范围的中间，最大位移为73 mm，数值合理。其中，最大应力比原先减小了56.2%，最大位移比原先减小了96.7%。

3) 门架斜向支撑间隙处理方案

根据结构计算分析结论，门架斜向支撑间隙处置方案分情况实施：

情况1：处置方案：对于4号斜撑与节点的间隙不超过10 cm的情况，经验算，满足受力要求，不影响标志结构的整体稳定性，可不加固。

情况2：当斜向支撑间隙大于10 cm时，采用焊接加劲肋加强，以减小相应的杆件发生失稳破坏。加劲肋采用10 mm厚钢板现场焊接处置。

情况3：当斜向支撑间隙大于20公分间隙时，斜向腹杆各榀间内力增大，立柱长细比接近规范要求上限值150，且竖向连接杆长细比值已经超过规范要求上限值，为了防止结构长细比过大，项目上对于间隙大于20公分的斜杆，采用了拆除重新焊接的处理方式。对于不可避免的现场焊接作业，应要求采用银色防锈漆[6]涂刷3道进行钢结构防腐。

6. 小结

在役高速公路门架式标志结构出现问题时，技术人员往往面临着较大压力，在通车路段进行局部构件加固改造处理起来也很棘手，本文根据局部结构缺陷的门架式交通标志进行了分类归纳，并对典型局部结构缺陷问题进行了基于有限元分析的模拟仿真，提出了在役高速公路门架式标志结构进行局部加固的思路及方案。经过工程实践，改造方案的快速实施取得了很好的效果。经过多年运营，改造后的门架式结构再未出现过门架标志整体结构失稳或者局部标志面板弯折等现象，改造效果显著，可为在役公路带结构缺陷的交通标志提供改造思路和方案参考。

基金项目

广东省省级科技计划项目(2021B1111610002)。