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交通工程标志结构设计常见问题的探讨天津市公路工程总公司天津 300161交通标志属于交通安全设施,是交通工程中的一个重要组成部分,也是公路工程中主要的附属设施，但由于这个领域的层面比较窄,属于配套工程,所以很长时没有得人们足够的重视，涉足研究的人也比较少。
交通标志结构的特点交通标志结构是指用于支撑交通标志的承载体系，包括主体支撑结构和基础两部分，主体部分基本采用钢材料，既为钢结构，基础部分采用钢筋混凝土材料制作，由此，交通标志结构涉及到钢结构和混凝土结构两方面。
对于标志结构的主体部分，要充分利用钢结构自身强度大、重量轻、弹塑性好的优点，克服其刚度不足的弱点；而结构的基础部分要发挥混凝土材料的抗压性好、可模性强且经济耐久的特点，克服其抗拉抗裂性差、抗弯强度低的不足。
此外，交通标志结构作为一种特定的支撑结构形式，也有自己的特点，一是在结构的承载方面，由于交通标志牌自身重量比较轻，结构承受的荷载主要来自外界的风压荷载，这一点是交通标志结构承受荷载的一个重要特点；二是在结构的强度和刚度方面，结构的强度要求一般容易被满足，而结构的刚度要求在设计时往往容易被忽视，容易造成结构构件变形过大，以致影响正常使用。
这也是交通标志结构有别于其他土建结构物的显著特点。
交通标志结构设计原则和理论基础在结构设计理论发展和形成的过程中，结构设计理论就是为了解决安全可靠和经济合理，这一对矛盾的。
交通标志结构的设计也是遵从这一原则。
在做结构设计时，两个方面都要兼顾，缺一不可。
因此，交通标志结构的设计要以"安全第一，结构合理，经济适用"为总的指导思想和设计原则。
交通标志结构的设计采用以概率极限状态下的设计理论为基础，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态两种模式分别进行结构设计验算和校核。
以满足结构的强度、刚度和稳定性。
而交通标志结构的刚度设计往往成为结构设计的控制因素，因此，要特别重视正常使用极限状态下的结构设计，防止出现结构刚度和稳定性方面的缺陷。
交通标志结构全线交通标志共有 3 种类型：禁令标志、指示标志、警示标志。
(1)版面类型1)禁令标志：白底、红圈、黑图案，图案压杠，D=800mm，减速让行标志为顶角向下等边三角形，a=900mm。
2)指示标志：蓝底、白图案，矩形标志版面为1400×1000mm，正方形A=800mm。
具体有停车位标志、人行横道标志。
3)警示标志：黄底、黑图案，等边三角形，a=900mm。
具体有注意行人标志。
(2)标志板面1)版面尺寸按设计版面内容确定，尽量达到统一，版面中文字间隔、笔划粗度、最小行距等均以北京市地标和国际为依据，采用中英文对照方式。
2)本工程标志版面均采用高强反光膜。
版面反光材料的概要考虑各类反光膜的反光特征、使用功能、应用场合和使用年限，又要分清版面中不同内容部分的主次关系。
为道路使用者在夜间对版面信息有较好的视认效果，版面字体采用电脑刻字技术，文字及图形不可拼接。
在反光产品的选择上，一定要对生产厂家进行资质审查，对产品的使用效果进行评价认定。
3)各种标志版面颜色均应符合 GB5768.1~3-2009规定。
(3)标志结构1)标志结构类型共有单柱式，单T、悬臂等标志内边缘距离路面或土路肩边缘不得小于 25cm，标志牌下缘距离路面的高度宜大于 200cm或小于 80cm，非行人通行区域不受此限制。
单柱适用于中小型尺寸的禁令、指示等标志。
2)主要材料钢材：钢管均为碳素结构钢无缝钢管，应符合《结构用无缝钢管 GB/T 8162》的需求。
钢管、钢板、抱箍及底衬、锚栓均采用 Q235-B 及钢管，其化学成分及力学性能应符合《碳素结构钢 GB/T 700》标准中有关规定。
普通螺栓应符合《六角头螺栓—C 级 GB/T 5780》的需求。
手工焊接采用的焊条应符合国家现行标准《碳钢焊条 GB/T 5117》的规定，焊条型号、自动焊或半自动焊所采用的焊丝、焊剂应与主体金属力学性能相适应。
铝材：标志牌、华东曹铝均采用防锈铝，牌号为 5A02，应符合《铝和铝合金轧制板材 GB/T 3880》、《工业用铝及铝合金热挤压型材 GB/T 6892》的需求。
交通标志设计（市政工程）（1）设置原则根据道路等级及交通功能，设置标志以明确道路整体交通。
交通标志分别为大型指路标志牌及各种指示、禁止、警告标志。
在各个交叉口前设置大型指路标志牌用以告知行驶方向道路，横向道路的名称。
在交叉口前设置指示牌告知公交车提前变道。
在其他路段设置标志指示大型货运车辆按时段进出。
并在非机动车道及机动车道上粘贴道路限速标志。
设置在驾驶人员和行人容易看到，并能准确判读的醒目位置。
根据需要可设置反光、发光标志。
设置在车辆行进方向道路右侧或分隔带上。
标志牌面下缘距地面最小高度2.0m，并不得侵入道路建筑限界。
（2）主要类别警告标志：黄底（反光），黑色字体与边框（反光）。
禁令标志：白底（反光），黑色字体（反光），红色边框。
指示标志：地面道路（蓝底），高架主线及匝道（绿色），白色符号（反光）。
导向标志：白色字体（反光），蓝底色（反光）。
标志板采用铝合金材料，标志杆采用钢管，涂以灰色。
反光膜采用一级反光膜。
一般标志版面反光膜采用微棱镜结构的钻石级反光膜结构，警示标志版面反光膜采用钻石级荧光黄绿反光膜，大型指路标志版面反光膜采用全棱镜结构的钻石级反光膜。
标志面上文字采用中英文对照，地名用汉语拼音，专用名词用英文，其它图案、符号均应符合GB5768-2009的规定。
标志底板均采用铝合金材料；标志板与支架或立柱应能固定连成一体；标志板应具有抗变形强度（标志板受到任意方向的500N的力的作用时，标志板的残余变形不应大于100mm/m2）；铝合金板的化学成分，冷轧板材牌号、规格、力学性能、尺寸应符合GB3190、GB3880、GB3194的规定；玻璃钢应符合《公路交通标志板技术条件》JT/T 279-1995中的要求。
（3）道路交通标志设计交通标志制作时应严格按该图制作，指路标志尺寸偏差为其外形尺寸的±0.5%，其它标志外形尺寸偏差为±5mm。
标志板应平整，表面无明显皱纹、凹痕或变形，底板每平方米范围内的平整度公差不应大于1.0mm。
悬臂式标志的结构设计计书1.计算简图如下图所示2.荷载计算 (1) 永久荷载各计算式中系数1.1系考虑有关连接件及加劲肋等的重力而添加的。
标志板单位面积质量为8.037kg/m 2,其重力为： G 1=4.4⨯2.4⨯8.037⨯9.8⨯1.1=0.9149(kN)横梁拟采用0.62032⨯Φ钢管，单位面积质量为29.15kg/m 2,其总重力为: G 2=2⨯29.15⨯5.076⨯9.8⨯1.1=3.1901(kN)立柱拟采用0.9377⨯Φ钢管，单位面积质量为81.68kg/m 2,其总重为: G 3=81.68⨯7.9⨯9.8⨯1.1=6.956(kN) 标志上部结构的总重力为:G=G 1+G 2+G 3=0.9149+3.1901+6.956=11.061(kN)有关系数将视永久荷载效应对结构构件或连接的承重能力是否有利而选取。
(2)风荷载 标志板：211101()()/100021.0 1.4[(0.5 1.2258 1.240^2)(4.42.4)]/100017.397()wb Q b h F CV W W KN γγρ=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= 横梁：2101()()/1000211.0 1.4( 1.22580.840^2)(0.6760.2032)/100020.301()Q WH B hni F CV W H KN γγρ=⨯⎡⎤=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⎢⎥⎣⎦=∑立柱：21101[()()/100021.0 1.4[(0.5 1.22580.840^2)(7.90.377)]/10003.271()WP Q p P F CV W H KN γγρ=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=3．横梁的设计计算由于两根横梁材料，规格相同，根据基本假设，可认为每根横梁所受的荷载为总荷载之半，其受力如图6.2。
图6.2 横梁受力图（尺寸单位：mm ）单根横梁所承受荷载为：()()1402100.9151.0 1.20.549223.190/ 1.0 1.2/5.0760.377/22GG h G G kN G w H kN m γγγγ==⨯⨯===⨯⨯=水平荷载：()()()()121117.39738.69922/20.301/20.6760.223/wb wb wh hn F F kN w F H kN m ====⨯=⨯=（1）强度验算：横梁根部由重力引起的剪力为：()1410.5490.377 5.076 2.463y h Q G w H kN =+=+⨯=由重力引起的弯矩为：()()()221114230.3770.5490.676 2.2 5.076 6.43622y w l M G l l kN m =++=⨯++⨯=⋅横梁根部由风引起的剪力为：()1228.6990.2230.6768.850x wb Q F w l kN =+=+⨯=由风荷载引起的弯矩为：()()()22221230.2230.6768.6990.676 2.225.06922x wb w l M F l l kN m ⨯=++=⨯++=⋅横梁规格为203 6.0φ⨯，截面积为A=323.71310m -⨯，截面惯性矩为541.80310I m -=⨯，抗弯截面模量为431.77610W m -=⨯横梁根部所受的合成剪力为：()9.186Q kN ==合成弯矩为：()25.882M kN m ==⋅a.最大正应力验算横梁根部的最大正应力为：()()322max 425.88210145.7/ 1.15215247/1.77610M N mm f N mm W σγ-⨯===<⋅=⨯=⨯ b.最大剪应力验算()()322max 39.1861022 4.948/125/3.71310v Q N mm f N mm A τ-⨯=⨯=⨯=<=⨯ c.危险点应力验算 略。
悬臂式标志的结构设计计算1.计算简图如下图所示2.荷载计算 (1) 永久荷载各计算式中系数1.1系考虑有关连接件及加劲肋等的重力而添加的。
标志板单位面积质量为8.037kg/m 2,其重力为： G 1=4.4⨯2.4⨯8.037⨯9.8⨯1.1=0.9149(kN)横梁拟采用0.62032⨯Φ钢管，单位面积质量为29.15kg/m 2,其总重力为: G 2=2⨯29.15⨯5.076⨯9.8⨯1.1=3.1901(kN)立柱拟采用0.9377⨯Φ钢管，单位面积质量为81.68kg/m 2,其总重为: G 3=81.68⨯7.9⨯9.8⨯1.1=6.956(kN) 标志上部结构的总重力为:G=G 1+G 2+G 3=0.9149+3.1901+6.956=11.061(kN)有关系数将视永久荷载效应对结构构件或连接的承重能力是否有利而选取。
(2)风荷载 标志板：211101()()/100021.0 1.4[(0.5 1.2258 1.240^2)(4.42.4)]/100017.397()wb Q b h F CV W W KN γγρ=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= 横梁：2101()()/1000211.0 1.4( 1.22580.840^2)(0.6760.2032)/100020.301()Q WH B hni F CV W H KN γγρ=⨯⎡⎤=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⎢⎥⎣⎦=∑立柱：21101[()()/100021.0 1.4[(0.5 1.22580.840^2)(7.90.377)]/10003.271()WP Q p P F CV W H KN γγρ=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=3．横梁的设计计算由于两根横梁材料，规格相同，根据基本假设，可认为每根横梁所受的荷载为总荷载之半，其受力如图6.2。
图6.2 横梁受力图（尺寸单位：mm ）单根横梁所承受荷载为：()()1402100.9151.0 1.20.549223.190/ 1.0 1.2/5.0760.377/22GG h G G kN G w H kN m γγγγ==⨯⨯===⨯⨯=水平荷载：()()()()121117.39738.69922/20.301/20.6760.223/wb wb wh hn F F kN w F H kN m ====⨯=⨯=（1）强度验算：横梁根部由重力引起的剪力为：()1410.5490.377 5.076 2.463y h Q G w H kN =+=+⨯=由重力引起的弯矩为：()()()221114230.3770.5490.676 2.2 5.076 6.43622y w l M G l l kN m =++=⨯++⨯=⋅横梁根部由风引起的剪力为：()1228.6990.2230.6768.850x wb Q F w l kN =+=+⨯=由风荷载引起的弯矩为：()()()22221230.2230.6768.6990.676 2.225.06922x wb w l M F l l kN m ⨯=++=⨯++=⋅横梁规格为203 6.0φ⨯，截面积为A=323.71310m -⨯，截面惯性矩为541.80310I m -=⨯，抗弯截面模量为431.77610W m -=⨯横梁根部所受的合成剪力为：()9.186Q kN ==合成弯矩为：()25.882M kN m ==⋅a.最大正应力验算横梁根部的最大正应力为：()()322max 425.88210145.7/ 1.15215247/1.77610M N mm f N mm W σγ-⨯===<⋅=⨯=⨯ b.最大剪应力验算()()322max 39.1861022 4.948/125/3.71310v Q N mm f N mm A τ-⨯=⨯=⨯=<=⨯ c.危险点应力验算 略。
（2）变形验算()()()()()()()()()24402310112323953495//3680.549/1.0 1.2100.676 2.23 5.0760.676 2.2620610 1.803100.377/1.0 1.210 5.0760.0091820610 1.80310G G y G l l w l f l l l EIEIm γγγγ--+=--+⨯⨯⨯+⨯⨯--=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯水平挠度为：()()()()()()()()()()()2202320221212323953395//33668.699/1.0 1.4100.676 2.23 5.0760.676 2.2620610 1.803100.223/1.0 1.4100.6763 5.0760.676620610 1.803100.0285wb Q Q x F l l w l l l l f l l l EIEIm γγγγ--+-=--+⨯⨯⨯+⨯⨯--=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=合成挠度为：()10.02990.029910.005895.07675f m f l ====<=0.01333,满足要求. 4.立柱的设计计算立柱所受荷载为：垂直荷载 ()0 1.0 1.211.06113.273kN G N G γγ==⨯⨯=水平荷载 ()11117.3970.301 3.27120.969wb wh wp H F F F kN =++=++= 立柱根部由永久荷载引起的弯矩为：()122 6.43612.872y y M M kN m ==⨯=⋅由风荷载引起的弯矩为：()()()1111/217.3970.301 6.65 3.2717.9/2130.612x wb wh wp M F F h F h kN m =++⨯=+⨯+⨯=⋅合成弯矩()131.245M kN m ==⋅ 由风荷载引起的扭矩为：()2225.06950.138t xl M M kN m ==⨯=⋅立柱规格为3779.0φ⨯，截面积为A=105002mm ，截面惯性矩为841.76210I mm =⨯，抗弯截面模量为539.35010W mm =⨯，截面回旋半径130i mm ==,极惯性矩为：843.52510p I mm =⨯ （1）强度验算 a.最大正应力验算()()3652213.27310131.2451010500 1.159.3510123.32/215/N M A W N mm f N mm γ⨯⨯+=+⋅⨯⨯=<= b.最大剪应力验算由剪力（水平荷载）引起的剪应力为：()32max 20.9691022 3.994/10500H H N mm A τ⨯=⨯=⨯=由扭矩引起的剪应力为：()()62max 82max max max 37750.138102226.811/3.525103.99426.81130.805/t t pH t M N mm I N mm φττττ⨯⨯===⨯=+=+=c.危险点应力验算最大正应力位置点处，由扭矩产生的剪应力亦为最大，即()()362max 52max 13.27310131.24510141.633/105009.351026.811/t N M N mm A W N mm σσττ⨯⨯==+=+=⨯==根据第四强度理论()()*224149.052/215/N mm f N mm σ=<=d.稳定性计算悬臂构件的长度系数μ=2，立柱作为中心受压直杆时，其柔度为：12 6.651020.130h iμλ⨯===，查表得稳定系数0.622ϕ=钢材弹性模量 ()3220610/E N mm =⨯ 欧拉临界应力为：()()()22232=EA/1.1=3.142061010500/1.1102=1863.5E N kN πλ⨯⨯⨯⨯，等效弯矩系数 1.0m β=()()36353,2213.27310 1.0131.245100.6221050013.273101.159.351010.810.81863.510124.79/215/,m E MN AN W N N mm f N mm βϕγ⨯⨯⨯+=+⨯⎛⎫⎛⎫⨯⨯⨯⨯-⨯-⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭=<=满足精度要求（2）变形验算由风载标准值引起的立柱顶部的水平位移为：()()()()()()()()()42101101132943394//36817.3970.301/1.0 1.410 6.6537.9 6.65620610 1.762103.271/1.0 1.4107.90.0477820610 1.76210wp Q wb wh Q p F h h F F h f h h EI EIm γγγγ--⎡⎤+⎣⎦=-++⨯⨯⨯⨯⨯-=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯ 0.047710.0060430.013,7.975p f p==<=满足要求。
立柱顶部由扭矩标准值产生的扭转角为：()()()3094/50.138/1.0 1.4107.9=0.010167910 3.52510t G pM hrad GI γγθ-⨯⨯⨯==⨯⨯⨯从图6.1可以看出，该标志结构左上点处水平位移最大，由横梁水平位移、立柱水平位移及由于立柱扭转而使横梁产生的水平位移三部分组成。
前两个位移已经求出，第三个位移近似根据θ角与横梁长度相乘得到，因此该点总的水平位移为：10.02850.04770.01016 5.0760.1278()x p f f f l m θ=++=++⨯=该点距路面高度h=7.9m 。
0.127810.016170.02,7.950f h ==<=满足要求 立柱在两根横梁之间部分由于横梁永久荷载产生的弯矩标准值而发生的转角为：()()()3019412.872/1.0 1.210 6.65//0.0019720610 1.76210y G M h EI rad θγγ-⨯⨯⨯⎡⎤===⎣⎦⨯⨯⨯，单根横梁由此引起的垂直位移为：()1 5.0760.001970.00998y f l m θ==⨯=，，横梁的垂直总位移为：()=0.0091+0.00998=0.01908nl y y f f f m =+，该挠度可作为设置横梁预拱度的依据。
5.立柱与横梁的连接（图6.3）连接螺栓拟采用A 级普通螺栓8M24，查表得每个螺栓受拉承载力设计值59.9b t N kN =,受剪（单剪）承载力设计值为76.9bvN kN =。
a)b)图6.3 主柱与横梁的链接（尺寸单位：mm ）a ）螺栓孔及加劲肋位置图；b ）加劲肋螺栓群重心处所受外力为：合成剪力Q=9.186kN,合成弯矩M=25.882kN m ⋅ 每个螺栓所受的剪力为： ()9.186 1.1488v Q N kN n === 以横梁外壁与M 方向平行的切线为旋转轴，各螺栓距旋转轴的距离分别为：螺栓1：()()10.2030.155sin 14.8522.50.0812y m =+︒-︒= 螺栓2: ()()20.2030.155sin 14.8522.50.1962y m =+︒+︒=螺栓3：()()30.2030.155sin 14.8522.530.2552y m =+︒+︒⨯=螺栓4：()()40.2030.155sin 14.8522.550.2252y m =+︒+︒⨯=螺栓5：()()50.2030.155sin 14.8522.570.1222y m =+︒+︒⨯=螺栓6：()()60.2030.155sin 14.8522.590.0072y m =+︒+︒⨯=螺栓7：()()70.2030.155sin 14.8522.5110.0522y m =+︒+︒⨯=-螺栓8：()()80.2030.155sin 14.8522.5130.0222y m =+︒+︒⨯=-由各y 值可见，3y 距旋转轴的距离最远，其拉力332b iM y N y =∑，b M 为各螺栓拉力对旋转轴的力矩之和，则233i b N y M y =∑ (2-1)式中，22220.0810.1960.0070.176i y =++⋅⋅⋅+=∑如图6.3所示，以过悬臂法兰盘圆心，分别与M 方向重合和垂直的两根直线为x 轴和y 轴，设受压区最大压应力为max c σ，则受压区压力对旋转轴产生的力矩为：(()0.4020.20320.1015c c M y dy σ=-⎰ （2-2）压应力合力绝对值为：(0.4020.2032c c N dy σ=⎰(2-3)式（8.4.2-2）、式（8.4.2-3）中c σ为距x 轴y 距离处法兰盘受压区的压应力，max0.20320.400.20322cc y σσ-=- （2-4）根据法兰盘的平衡条件：b c c i M M M N N +==∑于是()()20.203max 0.101530.203max 0.1015320.3040.101520.3040.1015i c c i N y y M y N y y y σσ+-=-=∑⎰∑⎰经整理： 43max 33max 0.690 5.58410258823.4759.889100c c N N σσ--+⨯=-⨯=解得：()()32max 29.20510.263/c N kN N mm σ==（1）螺栓强度验算0.4881,=<满足要求设悬臂法兰盘厚度20mm ，则单个螺栓的承压承载力设计值为：()30.0240.020*********.148,b c bv cN kN N kN N =⨯⨯⨯==<满足要求（2）法兰盘的确定受压侧受力最大的法兰盘区格，如图8.4.2-3所示的三边支承板，此时， 自自由边长 ()20.3101802sin 0.11928a m ︒⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭固定边长 ()()210.4000.2030.09852b m =-=220.09850.828,=0.0990.119b a α==查表得 该区格内的最大弯矩为：()232max max 20.09910.263100.11914.288/c M a kN m m ασ==⨯⨯⨯=⋅法兰盘所需厚度为：()0.01970.020,t m m ==<满足要求。
