户外独立柱LED显示屏抗风能力的设计转

      平面独立柱LED显示屏由于其简捷的造型和良好的视觉效果在街道及道路两侧的应用十分普遍。风荷载是各种工程，特别是独立柱LED显示屏结构设计的主要荷载，由于平面LED显示屏是非封闭结构，在广告版的正反两面均有风压作用，而且很薄。每次台风来袭，LED显示屏遭受破坏甚至整体倒塌的情况时有发生，有时破损率甚至达到90%。全世界风灾引起的损失每年大约100亿美元左右，而且有日渐增加的趋势，我国又是风灾严重国家，且工程损伤又是风灾损失的重要成分。因此，能否科学合理地确定风荷载将直接影响到设计的安全性和经济性。
根据LED显示屏破坏情况，分析LED显示屏被吹毁破坏的原因主要有：
其一，LED显示屏后盖板为1mm厚或以下的薄钢板，在风吸力作用下，由周边支承变为点支承，抗风能力大为降低，且铆钉间距偏大，导致面板冲破铆钉或连带铆钉一起被风吹走。
其二，风荷载计算有误，导致风荷载偏小。独立柱平面LED显示屏属于细长薄结构，若不分析结构的动力特性，风振系数就会按1.0取值，导致风荷载设计值偏小，这样钢构件、构件之间的连接与基础抗拔能力必然都不够。这是导致独立柱平面LED显示屏被吹毁的重要原因。
在设计LED显示屏时，我们既要保证在工作中的可靠性，又要尽量减轻LED显示屏的自重，这都要求我们要对独立柱LED显示屏的强度、刚度、稳定性有一个深入的、系统的、科学的、完整的分析研究，不断地进行比较，找出最合理的模型。
二、LED显示屏的力学分析
独立柱平面LED显示屏是由与底面相连的一根立柱与立柱一侧的一些杆件构成。因为LED显示屏一般结构比较高，在重力荷载以及风荷载的作用之下，容易产生较大的变形和振动。本文将计算模型简化为一端固定的悬臂梁，并以此为理论基础，对户外独立柱LED显示屏进行分析研究。
2.1LED显示屏的荷载分析
独立柱平面LED显示屏所受的荷载有：风荷载、重力荷载、裹冰荷载、雪荷载、地震作用、温度变化、基础不均匀沉降、自重和各种偶然性的事故荷载等等。LED显示屏的主要荷载是风荷载，其他荷载只是在某些特定的条件下才予以考虑，本文也仅研究LED显示屏在风载荷作用下的特性。
对于工程结构设计计算来说，风力作用的大小最好直接以风压来表示，风速越大，风压越大。低速运动的空气可作为不可压缩的流体看待，可用对于不可压缩理想流体质元作稳定运动的伯努利方程来分析。当它在同一水平线上运动时，伯努利方程为[1]：

 （1）

式（1）中：ωα为单位面积上的静压力；V为空气质元的体积；v为风速；m为运动流体质元的质量；ωα·V为静压能；
将（1）式两边除以V，伯努利方程为：

  （2）

在气压为101.325KPa，常温25℃和绝对干燥的情况下，海面上的重力加速度g=9.8m/s2.带入式（2）中得到单位面积上的风压力为：

（3） 由于风压与大气压边界层内地表粗糙度与高度有关，又考虑到：一般建筑物都是钝体，即都是非流线体，当气流绕过建筑物时会产生分离、汇合等现象，引起建筑物表面压力分布不均匀。为了反映建筑结构上平均风压受到各种因素和情况影响，同时又能便于LED显示屏抗风设计之应用，我国《高耸结构设计规范》和《户外LED显示屏设施钢结构技术规程》把结构单位面积上的风荷载标准值规定为：

 （4） 式4中，β为风振系数，一般取1.3，u为风载体型系数，一般在计算时出于安全考虑考虑，取u=1.2；ω为建筑物所在地区的基本风压（KN/m 2）。根据某市要求，LED显示屏、建筑结构等具有抗8级风的能力（最大风速为20.7m/s），代入式（3）中，计算出ω= 263Pa。根据式（4），计算出风压P=1.0×1.3×1.2×263= 410Pa。
2.2LED显示屏的稳定性分析
独立柱LED显示屏的结构组成包括两部分：LED显示屏面板和支撑面板的柱，由于这种LED显示屏的建筑方案固定单一，因此立柱的刚度问题对LED显示屏的稳定性来说就特别重要。传统的施工方案是采用钢管混凝土柱结构，钢管外径1.8m，内径1.76m，其抗弯刚度具体计算公式如下：

 （5）Es和E e分别为钢材和混凝土的弹性模量，E s=290000MPa，E e=28882MPa，I s和I e分别为钢材和混凝土的截面惯性矩。а为小于1的系数，反应了钢管混凝土受弯构件的特点对钢管混凝土抗弯刚度的影响，对于圆钢管混凝土来说，а=0. 6。
钢管部分
混凝土部分
所以钢管混凝土抗弯刚度为：
三、LED显示屏的结构优化
3.1立柱的结构改进
由于钢管混凝土在弯矩作用下，混凝土会因受拉而退出工作，导致抗弯刚度大幅下降。现考虑在钢管混凝土里面添加钢筋，受弯时混凝土和钢管产生相互作用的紧箍力，从而显著提高立柱的抗弯刚度。在为钢管混凝土配钢筋时，考虑到立柱受弯时中和轴附近受力较小，可考虑不配以尽量减少立柱的自重。其抗弯刚度具体计算公式如下：

 （6）钢筋直径为30mm，截面积
钢筋对于其形心轴x轴的截面惯性矩采用近似计算公式：
   （xi为钢筋至形心轴的距离）
因此配钢筋钢管混凝土抗弯刚度为：
从计算结果可知，立柱抗弯刚度刚度提高近20%，在实际工程施工中也可以看出其效果。

图1钢管混凝土柱截面

3.2LED显示屏结构基础优化
LED显示屏结构基础是结构的重要组成部分，它承担将上部结构所承受的全部荷载安全传递给地基，并保持结构整体稳定的作用。为保证LED显示屏结构的安全性和整体稳定性，要求基础能够抵抗LED显示屏自身压力以及弯矩引起的拔力。
LED显示屏结构基础设计中一般采用柱下独立扩展基础，这种结构方式需要混凝土和钢筋用量比较大，经济性能不佳，有必要对基础形式加以改进。图2为改进的LED显示屏基础立面图和平面图。基础底面为10×4m，底板厚130cm，肋梁分别1400×400cm、1600×400m、1800×400m三种。这种基础最大特点是用梁板结构代替常规独立基础的椎体混凝土，使混凝土用量有所减少。
 验算地基承载力是否满足要求：
式中：G为基础自重标准值；W为基础底面的抵抗矩；P max、P min分别为荷载效应标准组合基础边缘最大压力值和最小压力值；荷载N=1669.5KN、M=12857KN、
G=8960KN、A=140m 2、。根据提供数据计算P max=115.3KPa、P min=36.57KPa。
由于地基承载力特征值fa=131.43KPa，P max=115.3KPa＜1.2fa=157.7KPa，因此LED显示屏基础满足地基承载力的要求。
四、结论
本文主要从结构力学的知识，对独立柱LED显示屏进行分析优化。主要结论有：
（1）对独立柱LED显示屏进行了载荷分析，得出了风载荷的大小；通过对结构的稳定性分析，计算出立柱抗弯刚度值。
（3）对独立柱LED显示屏立柱以及结构基础进行优化，优化后的结果相对比较合理，从受力和经济指标来看，都比常规基础有较大优势。