珠海市规划设计研究院东莞分院
摘要：以广东地区为例，参照不同规范选取合理的单位风荷载，同时结合工程经验和区域使用习惯，验证常规交通标志图集中的正确性及适用性，并在此基础上针对城市道路指路标志牌的牌面及基础规格不统一的现状，提出既满足设计要求又具有经济合理性的牌面及基础的选择范围，以期为类似的工程设计提供参考。
关键词：风荷载；指路标志；版面规格；基础尺寸
前言
在市政道路建设工程中，指路标志系统通过图形符号和文字向驾驶员传递特定信息，承担着引导驾驶员在复杂的路网环境中做出正确选择的重要任务。在国标图例中以交叉口指路标志的版面设计最为复杂，且实际工程中设计规格参差不齐。关于交叉口指路标志的版面规格，国标中列举了一些排版的例子，基本上是由字体大小和信息数量决定的，没有统一的规格限制[1]。同时又因各地域的自然环境不同，工程经验及使用习惯不一，造成了同一支撑结构形式下的指路标志牌结构设计不尽相同。针对这一现状，以广东地区为例，参照不同规范选取合理的单位风荷载，计算验证常规标志牌设计的合理性，并在此基础上通过比选，得出适应性广泛且经济性理想的指路标志作为设计参考。
一、标志牌的单位风荷载计算
1.1工程背景
广东地区某沿海城市居民区内一次干路，道路沿线设置一处悬臂式F型标志牌，其结构如图1所示。以下尺寸均采用现行常规图集的规格大小：标志牌版面尺寸采用4×2m；立柱直径273×8×7500mm；横臂直径140×5×4000mm；基础采用2.7×1.5×2m，杆件与基础之间采用高强度的螺栓连接。指路标志牌基础设置在路边，该区域内埋设了电信、电力、给水、排水等各类市政管线，且悬臂式标志板下缘距路面净空高度不得小于5.5米。
图一 交通标志牌模板图（单位：mm）
1.2基本风速
标志牌上的作用力可分为永久作用和可变作用两类[2]。作用在标志上的永久作用主要包括标志结构自重、土压力和地基变形等，可变作用主要为风荷载，其中风荷载是标志结构承受的主要荷载。
查GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》附录E中表E.5全国各城市的雪压、风压和基本气温可知，广东地区50年一遇最大风压为0.55kN/m2，即重现期为50年的10min平均最大风速为V50=30m/s。
1.3基本假设
为了简化计算、忽略部分次要因素，根据经验作出如下假设。
（1）风载方向：交通标志主要承受的外荷载为风荷载，假设仅考虑风荷载方向与标志牌版面垂直的情况，忽略横风向风振和扭转风振的影响；
（2）悬臂式标志：悬臂式F型牌有两根横臂，假设风载由各横臂平均承担；
（3）标志牌基础：标志牌的基础埋深较小，假设基础四周土的摩阻力和弹性抗力忽略不计。
1.4单位风荷载计算
1.4.1迎风面高度的选择与划分
单位风荷载的取值直接影响标志的结构选型、稳定性及建造成本。在设计中，一般参照JTG D82-2009《公路交通标志和标线设置手册》提供的计算公式。当交通标志设置高度大于10m，如位于某些立交区的落地式标志，式（8.3.4-1）、式（8.3.4-2）中尚应考虑风压高度变化系数和风振系数，具体计算可参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）进行[3]。并在此基础上结合驾驶员的视觉特性，即行驶过程中驾驶员识读的视野范围将进一步缩窄，本文将迎风面高度标准以8.0m划分。
1.4.2离地高度≤8.0m单位风荷载计算
查JTG D82-2009《公路交通标志和标线设置手册》可知，标志板所受的风载标准值的计算公式为
（1）
立柱或横臂所受的风载的计算公式为
（2）
式中：Fwb为标志板、立柱或横臂所受的风载，kN；
γ0为结构重要性系数，当结构形式为悬臂式时，取γ0=1.0；
γq为可变荷载（主要为风载分项系数），一般情况下取γq=1.4；
ρ为空气密度，一般取ρ=1.2258g/m3；
C为风力系数，标志板取C=1.2，杆件取C=0.8；
V50为50年一遇最大风速，取V50=30m/s；
n为悬臂上标志板数量，本次取n=1；
Wbi为第i块标志板的宽度，m，本次取Wbi=1；
Hbi为第i块标志板的高度，m，本次取Hbi=1；
Wp为杆件迎风面的宽度，m，本次取Wp=1；
Hpo为扣除被遮挡部分后的杆件迎风面的高度，m，本次取Hpo=1。
按上述公式计算可得，标志板承受的单位面积风荷载为0.927kN/m2，杆件承受的单位面积风荷载为0.618kN/m2。本次取标志板所受单位风荷载为离地高度≤8.0m的标志牌设计风荷载标准值。
1.4.3离地高度＞8.0m单位风荷载计算
查JTG/T D60-2015《公路桥涵设计通用规范》可知，标志板所受的风载标准值的计算公式为
（3）
式中： Fh为作用在主梁单位长度上的静阵风荷载，kN；
γQj为作用效应组合中的基本组合的风荷载分项系数，取γQj=1.1；
ρ为空气密度，取值同上；
GV为阵风系数，本工程背景为密集居民区，则为D类地表，水平加载长度＜20m，取GV=1.56；
K1为风速高度变化修正系数，查表3.2.5，取K1=0.79；
V50为50年一遇最大风速，取值同上；
CH为主梁的阻力系数，查表4.4.2，当t/b≤1/4且高宽比=2，取CH=1.4；
n为悬臂上标志板数量，本次取n=1；
A为桥梁各构件顺风向的投影面积，计算单位标准值时取A=1。
按上述公式计算可得，标志板承受的单位面积风荷载为1.089kN/m2，本次取标志板所受单位风荷载为离地高度＞8.5m的标志牌设计风荷载标准值。
二、结构设计及比选
2.1设计复核
2.1.1结构设计复核
按照上述步骤求解出风荷载标准值后，即可对本文提供的例子进行设计复核， 采用科盟交通工程CAD设计系统辅助进行结构设计，结果如下：
（1）当基本风速设计值为30m/s时，原标志立柱根端部的最大正应力验算不通过，本次将立柱壁厚调整至10mm，计算满足要求；
（2）标志牌横臂端根部总变形绕度超过规范要求，需加强立柱尺寸，本次将横臂直径调整至168mm，壁厚保持不变，计算满足要求；
（3）基础长×宽×高m为2.7×1.5×2m，计算满足要求。当基本风速设计值为25m/s时，原设计尺寸均满足设计要求。
（4）采用原标志结构规格反算其设计风速可得，V50=25m/s。
2.1.2版面设计复核
查JTG D82-2009，公路交通标志和标线设置规范可知，当设计时速低于40km/h且标志板上字高h=25cm时，4×2m的版面符合满足宽≤16h且高≤8h的指路标志牌的版面设计，满足国标要求。但当设计≥40km/h或标志板上字高h≥25cm时，该图集难以满足国标要求。
2.1.3复核结论
经过本次验算可知，该标志图集4×2m的悬臂式F型标志适用于设计时速较低，路网条件相对简单且信息数量较少的区域且V50≤25m/s的地区，具有一定的区域局限性。工程设计中应该结合当地基础风速对图集进行反复的设计验算。
2.2优化比选
当实际工程中需面对设计时速较高，路网条件相对复杂，信息数量繁多的区域时，需结合工程情况，本文将对4×2m、5×2.4m、5.6×3m、6×2.4m及8×2.4m等工程实例以及国标规格尺寸进行理论计算设计。在既满足该路段信息量需求的同时，又能满足国标要求的条件下，应对标志牌设计进行优化比选。
2.2.1理论设计
假定基本风速为V50=30m/s且离地高度不小于5.5m。由于管线影响，部分标志牌基础宽度限制在1~1.5m[4]。因此本次设计中基础仅沿风荷载方向增加尺寸。表1中数据已经过理论设计复核，满足设计要求。
表1 各结构设计结构汇总表
2.2.2比选原则
在满足功能要求的前提下，还应结合当地考虑到结构的经济性，应符合以下原则。
（1）符合标准规范，整体设计满足驾驶员特征；
（2）充分利用材料的强度，减轻自重和增大刚度；
（3）采购、制作、安装便利；
（4）考虑远期使用需求，材料再利用的可能性。
2.2.3比选结果
（1）4.0×2.0m：适用于一般城市次干路、支路，实际行驶速度较低，路网信息相对单一的路段。当字高h=30cm时，版面规格略小于国标要求，可将字体高宽比缩小至1:0.75以内或选用小一号字体，此时标志视认效果降低。
（2）5.0×2.4m：适用于一般城市次干路，当道路设计速度V＜40 km/h且字高h=30cm时，该版面规格略大于国标尺寸，则该标志可设置于行驶速度接近设计时速或路网信息相对复杂的路段中；当道路设计速度40≤V＜70 km/h且字高h=30cm时，该版面规格小于国标要求，可考虑牺牲标志视认性压缩字体高宽比或选用小一号字体，又或对路网信息进行筛选优化。
（3）5.6×3.0m：适用于一般城市主干路、次干路，当道路设计速度40≤V＜70 km/h且字高h=30cm时，该版面规格略大于国标要求，基础长度4.7m，整体尺寸较大，则该标志可设置于行驶速度接近设计时速或路网信息相对复杂，地下管线情况相对简单，地下空间富余量大的路段中。该标志结构所承载风压最大，杆件与基础之间采用高强度的螺栓连接。
（4）6.0×2.4m：适用于一般城市主干路，版面信息应根据交通管理部门需要设计。基础长度4.1m，整体尺寸较大，则该标志可设置于行驶速度接近设计时速或路网信息相对复杂，地下管线情况相对简单，地下空间富余量大的路段中。
（5）8.0×2.4m：适用于一般城市主干路的特殊路段，该标志版面加宽长度过长，杆件尺寸较大，标志所承受的横风向风阻较明显，一般设计软件拟合精度下降；基础尺寸长度5.1m，需要占用大量的地下空间。综上，悬挂式结构难以保证其在极端天气条件下的安全性，建议选用其他结构形式，如门架式。
（6）经查广东某地定价， 4×2m、5×2.4m、5×2.8m标志牌的定价适中，运用范围较广，满足大部分地区的设计使用要求。
2.2.4结论
在同一道路或项目中，指路标志规格一般为系列规格尺寸，或对同一支撑结构形式的牌面采用相对同一统一的规格，一般来说是保持标志板高度不变，对版面的宽度适当加宽，以容纳更多的信息量。因此，当信息量相同时 应按字体高度选择合适的标志版面，既可直接使用国标推荐尺寸，也可按国标适当压缩字体大小选用图集尺寸。
结束语：
广东地区标志牌结构设计中依照JTG/T D60-2015《公路交通标志和标线设置手册》和JTG/T D60-2015《公路桥涵设计通用规范》划分不同高度下，标志承受的单位风荷载，并运用科盟交通工程CAD设计系统软件对多项工程实例进行结构分析比较，得出在字体大小和信息数量相同的条件下，应合理选用图集，可使设计更加规范化，路网环境协调统一。
参考文献：
［1］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.
［2］广州市公安局，广州市交通委员会.广州市城市道路交通管理设施设计技术指引［Z］.2015-04-20.
［3］JTG D82-2009，公路交通标志和标线设置手册［S］.
［4］张志伟，任强.城市道路交通标志牌基础设计研究［J］.城市道桥及防洪.2016（1）22-35.
论文作者:陶婉宜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/22
标签：荷载论文; 标志论文; 标志牌论文; 基础论文; 国标论文; 风速论文; 高度论文; 《基层建设》2018年第1期论文;