市政綜合桿副桿的性能分析與研究

樊月波

上海市嘉定區城市建設綜合管理事務中心 上海 201899

1 綜合桿發展背景

隨著城市功能的不斷完善，道路沿線各種桿件越來越多，路燈桿、交通信號桿、道路指示牌桿等名目繁多、高聳矗立，成了城市里抹不掉的“風景”。桿件林立不僅容易給市民造成視覺混淆，也影響了市容市貌的整潔美觀。上海作為一座充滿活力的現代化國際大都市，為徹底改善城市面貌，于2018年啟動架空線入地和合桿整治工程，全面推進道路綜合桿建設。

綜合桿的布設以交通安全及需求為主，按照“能合則合”的原則，對道路沿線各類桿件進行綜合整合[1-2]。道路照明、信號燈、路名牌、智能監控等設施充分利用綜合桿進行設置，有效地實現了一桿多用。合理、有序使用城市空間，美化道路環境，大大提升了上?！按蠖际小钡某鞘行蜗?。

2 綜合桿部件化推進原因及優點

綜合桿布設區域，一般分為路口區域、路段區域和特殊區域，根據區域的不同，搭載設施會有很大變化。同時路段寬度變化、照度要求變化對桿體高度和其他物理尺寸都會有較大影響，因此要求綜合桿從物理尺寸和搭載設施方面能滿足千變萬化的需求，并從設計開始就進行一路一設計，一桿一設計，屬于高度非標化產品。

從綜合桿的產品設計、生產、運輸、現場擺放、安裝，施工進度的提升及成本控制的需求分析，綜合桿又需要高度的標準化。

如何在2個互相矛盾的需求中間找出最適合的平衡點，是綜合桿研究的重中之重。為此，目前綜合桿部件化設計和卡槽式搭載成為解決兩大矛盾的基礎。

綜合桿基本組成如圖1所示，其基本部件分為主桿、橫臂、副桿、燈臂四大部件，主桿連接副桿和橫臂，作為整個結構的荷載集合部件，橫臂主要滿足橫向空間的擴展，副桿主要滿足縱向空間的擴展，并在主桿、橫臂、副桿都設置卡槽作為設備安裝的位置。本文主要針對副桿進行深入研究。

圖1 綜合桿基本組成

副桿作為綜合桿縱向擴展的主要部件，主要滿足主桿以上設施搭載，包括各種有高度要求的傳感器、燈臂、5G設施等。早期副桿選擇鋁合金材料，并上下焊接主副桿連接法蘭和天線連接法蘭（圖2）。四面卡槽是為了在任意位置和任意方向能夠加裝設備，選擇鋁合金材料是因為根據當時的技術，只有鋁合金能按照截面要求成形，做出卡槽的截面，同時有一定的強度，在外部荷載不大的前提下可使用[3-4]。

圖2 副桿結構示意

3 副桿的設計需求

綜合桿副桿的設計需要滿足頂部天線安裝、燈臂組裝、傳感器安裝的需求，同時還要滿足進出線預留孔、進出線防水以及強度的需求。隨著項目功能及需求的變化，綜合桿副桿的需求也發生了變化，原先使用的副桿已經無法滿足實際使用的需求。

最初的綜合桿設計中副桿最高要求為5.5 m，截至2021年，副桿的要求增加到7.5 m。最初副桿頂部法蘭天線為4G，所選用的天線為easy micro，其迎風投影面積為0.2 m2，且只考慮120°輻射方向。從2020年開始，逐漸出現5G天線的搭載需求，且需要考慮360°輻射方向，因此其最大迎風投影面積增加到0.6 m2。燈臂的長度從最初的不大于2 m增加到現在的不大于3 m。沿海地區開始使用綜合桿，其地形從最初只考慮C類地形，逐漸變為A、B、C類地形都得考慮。

綜上所述，目前副桿所承受的荷載比最初設計時副桿所承受的荷載大大增加，從原先9 kN·m的抗力需求，增加到14 kN·m，鋁合金副桿物理參數為：直徑160 mm，截面慣性矩9 822 274.32 mm4，材質6063A-T6，抗拉強度設計值160 MPa，熱影響抗拉強度設計值90 MPa，實際抗拉強度設計值90 MPa。

通過計算，鋁合金焊接副桿在9 kN·m彎矩作用下的應力值為73.30 MPa；鋁合金焊接副桿在14 kN·m彎矩作用下的應力值為114.03 MPa。

因此，通過計算可以判斷，鋁合金副桿可以承受9 kN·m的彎矩，但無法承受14 kN·m的彎矩。

4 鋁合金焊接副桿有限元分析

按照1∶1的三維模型，通過有限元分析，根據不同的受力狀況，得出鋁合金焊接副桿不同的結果，當副桿承受9 kN·m彎矩的情況下，其型材內部應力最大值為89.31 MPa，最大位移為（57.30＋80） mm；當副桿承受14 kN·m彎矩的情況下，其型材內部應力最大值為139.70 MPa，最大位移為（89.12＋80） mm。

根據GB 50429—2007《鋁合金結構設計規范》要求規定，6063A-T6原材料在焊接前提下，其熱影響區的抗拉設計值為90 MPa，當外部荷載不大于9 kN·m時，鋁合金焊接的副桿能夠滿足強度要求，當外部荷載增加到14 kN·m時，鋁合金焊接副桿強度已經無法滿足外部荷載的需求，因此需要一種新的副桿模式既能滿足原來的功能需求，同時又能滿足更高的荷載需求。

5 新型鋼鋁結合副桿

為了滿足5G搭載需求，副桿要求在4個方向有卡槽，但鋼材的成形特點決定了無法按照截面的需求來形成卡槽的截面。鋁合金可以形成卡槽的截面，但鋁合金本身的強度低，在焊接以后，焊接位置周邊形成熱影響區，其強度更低，為了充分發揮鋼材的強度和鋁合金的成形能力，本文推出了鋼鋁結合副桿的模式（圖3）。

圖3 鋼鋁結合副桿示意

鋼鋁結合副桿采用異形截面鋼管作為副桿的主結構，外部荷載通過鋼骨架傳遞到法蘭，所有焊接均為鋼結構焊接，同時卡槽部分采用鋁合金材料，充分發揮鋁合金的成形優勢，并通過空心螺栓或者拉鉚螺栓將鋁合金卡槽和鋼結構骨架固定成一體，其固定位置同時作為出線口使用，可連接格蘭頭作為出線防水措施。鋼鋁結合副桿主結構物理參數為：直徑160 mm，截面慣性矩5 016 984.79 mm4，材質Q355B，抗拉強度設計值315 MPa，熱影響抗拉強度設計值無，實際抗拉強度設計值315 MPa。

通過計算鋼鋁結合副桿在14 kN·m彎矩作用下的應力值為223.24 MPa。因此通過計算可以判斷，鋁合金副桿可以承受14 kN·m的彎矩。

6 鋼鋁結合副桿有限元分析

按照1∶1的三維模型，通過有限元分析，得出鋼鋁結合副桿承受14 kN·m彎矩的情況下，其應力最大值為299.90 MPa，最大位移為（53.80＋80） mm。通過有限元分析，鋼鋁結合副桿可以承受14 kN·m的彎矩。

7 實驗室加載試驗

為了進一步驗證理論數據，在實驗室根據1∶1比例進行了加載試驗，試驗結構如圖4所示。

圖4 鋼鋁結合副桿實驗室試驗示意

9 kN·m外力荷載下鋁合金副桿力-位移和力-應變檢測結果如表1所示，14 kN·m外力荷載下鋼鋁結合副桿力-位移和力-應變檢測結果如表2所示。

表1 9 kN·m荷載下鋁合金副桿力-位移和力-應變檢測結果

表2 14 kN·m荷載下鋼鋁結合副桿力-位移和力-應變檢測結果

根據各向同性材料廣義胡克定律，鋁合金焊接副桿在9 kN·m彎矩作用下的最大應力為87.49 MPa，鋼鋁結合副桿在14 kN·m彎矩作用下的最大應力為248.26 MPa。

鋁合金副桿和鋼鋁結合副桿承受荷載能力比較結果如表3所示。

表3 鋁合金副桿和鋼鋁結合副桿承受荷載能力比較

8 結語

綜上所述，計算結果、模擬結果以及試驗結果基本接近，模擬和試驗結果略大于理論計算的結果，屬于正常的偏差。因此，鋼鋁結合副桿不但保持了原來鋁合金副桿的安裝、走線需求，而且抗荷載能力、抗變形能力也大幅度提高，其性能遠優于鋁合金副桿。隨著綜合桿技術發展和功能需求增加，鋼鋁結合副桿優勢日益顯現，將對推動新基建建設模式可持續發展起到積極作用。