智慧城市多功能桿選型研究

姚云龍 屈海寧 王敏 楊爍 張平

(1.華信咨詢設計研究院有限公司 杭州310014；2.浙江德寶通訊科技股份有限公司 杭州310014)

引言

智慧城市多功能桿以各類市政桿件為基礎進行有效融合，具備高度擴展功能，集成多種智慧化應用，實現集約化、共享化、高效化、智慧化城市建設。通過集成交通、安防、市政、照明、通信、環境等設備設施，配合綜合管線、綜合控制箱，系統化、集成化云平臺管理，有效地提高社會資源利用率和城市管理效率，并且智慧城市多功能桿的建設能加強城市風貌保護、促進街區有機更新、改善市容市貌。智慧城市多功能桿根據實際掛載需求不同，受力特性及相應的控制參數不同，本文通過對智慧城市多功能桿桿型進行對比計算，分析應力、變形及造價，給出智慧城市多功能桿選型合理化建議。

1 智慧城市多功能桿類型

智慧城市多功能桿采用模塊化概念進行設計組合，根據《城市道路交通標志和標線設置規范》(GB51038—2015)[1]可劃分為柱式、懸臂式、門架式三種類型。實際使用過程中，三種類型受力情況差別較大。

1.1 柱式

柱式桿件主要包含兩類，根據功能劃分為路燈桿+5G+宣傳牌、中桿燈+5G+路口設施。

路燈桿+5G+宣傳牌屬于市政桿件中數量最多的桿件，布置間距約30m～35m，可滿足道路照明、5G、小型標志標牌的功能。常用樣式為柱式，有特殊需求時可采用懸臂掛載小型設備，如圖1a所示。

中桿燈+5G+路口設施用于路口照明補充，同時滿足5G天線及附屬路口設施，如人行信號燈、路名牌、人臉識別、流量監測等。常用樣式如圖1b所示。

圖1 柱式多功能桿Fig.1 Columnar multi-function pole

1.2 懸臂式

懸臂式主要包含三類，根據功能劃分為智慧交通信號燈+5G+照明、智慧監控桿+5G+照明、標志標牌桿+5G+照明。

(1)智慧交通信號燈+5G+照明用于掛載機動車及非機動車智慧交通信號燈及其組件，禁令標志、指示標志，同時滿足5G天線和照明需求。常用樣式為單懸臂式，如圖2a所示。此外，也可結合城市建設風貌采用雙懸臂式。

(2)智慧監控+5G+照明用于掛載電子警察、公安卡口、違停抓拍等監控設備及其補光設施，同時滿足5G天線和照明需求。常用樣式為單懸臂式，由于需要覆蓋所有車道，一般挑臂較長，如圖2b所示。

(3)標志標牌+5G+照明用于掛載大型指路標志、分道標志、旅游標志等面積較大的標志標牌，同時滿足5G天線和照明需求。常用樣式為多懸臂式，如圖2c所示。

圖2 懸臂式多功能桿Fig.2 Cantilever multi-function pole

1.3 門架式

在路幅較寬的路口渠化段、市區隧道出口等復雜路段，由于跨度較長，懸臂式變形無法滿足要求，多采用門架式，如圖3所示。

圖3 門架式多功能桿Fig.3 Portal frame multi-function pole

2 計算分析

選擇柱式、懸臂式及門架式進行對比分析，其中柱式選擇12m純路燈及15m中桿燈；懸臂式選擇單懸臂類型，單懸臂長度選擇6m、9m兩種，功能分別為智慧交通信號燈+5G+照明和智慧監控+5G+照明；門架式選擇21m分道指示牌與電子警察合桿類型。

采用鋼結構，桿件材料選用Q235、Q355與Q460進行對比。主桿桿件根部直徑及壁厚根據實際需求計算確定。單懸臂式挑臂選用錐度桿，端部直徑選擇φ120mm，錐度相同，根部直徑隨長度與錐度確定；門架式橫臂選用等徑桿。

采用MIDAS軟件對主桿及挑臂結構進行計算，主桿、挑臂、橫臂均采用框架單元進行模擬，桿件風荷載按照有限元模型求得的基本自振周期進行計算。

建設地點為密集建筑群的城市市區(地面粗糙度C類)，結構設計基準期為50年，設計使用年限為50年，結構安全等級為二級?；撅L壓0.45kN/m2，設計抗震設防烈度7度，0.10g，抗震設防類別為丙類，不考慮裹冰荷載影響。掛載設備面積及體型系數見表1。

表1 掛載設備面積及體型系數Tab.1 Mounted equipment area and shape coefficient

多功能桿檢修采用登高檢修車，不考慮活荷載影響。經過計算，地震荷載組合不起控制作用。研究分析可知恒載與風荷載對多功能桿的影響最大。荷載組合選取:1.3恒載+1.5風荷載，結構重要性系數1.0。

根據《高聳結構設計標準》(GB50135—2019)[2]、《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》(YD/T5131—2019)[3]，結合實際工程經驗，桿件應力比控制≤0.9，桿頂位移/桿件高度≤1/33，對純路燈，桿頂位移/桿件高度≤1/25。

3 柱式多功能桿

智慧城市柱式多功能桿主要包括純路燈與中桿燈，兩者均不含挑臂，受力特點類似，均為荷載沿主桿分布，無扭矩產生。選取典型的12m純路燈及15m中桿燈，對傳統純路燈桿、中桿燈與考慮增設5G天線設備、宣傳牌等的智慧城市多功能桿進行受力性能對比，計算簡圖如圖1所示。

3.1 柱式多功能桿應力

根據路燈桿和中桿燈調研結果可知，柱式桿件頂部直徑通常選擇φ120mm，材質為Q355。12m純路燈桿件壁厚選擇4mm、5mm；15m中桿燈桿件壁厚選擇5mm、6mm。對常用的四種配置進行計算分析，并對Q355與Q460進行對比計算，對比不同壁厚、不同根部直徑智慧路燈桿，路燈桿應力比計算如圖4a所示，中桿燈應力比如圖4b所示。

圖4 柱式桿件應力比Fig.4 The stress ratio of columnar pole

從圖4a可知，對于相同壁厚，相同根部直徑的路燈桿，智慧路燈桿比傳統路燈桿應力比大1.6～1.8倍。對于相同壁厚桿件，隨根部直徑增大，應力比逐漸減小。結合實際道路布置，12m路燈桿直徑取200mm～230mm時，其尺度與道路布置較為協調。傳統路燈桿壁厚4mm應力比即可滿足小于0.9的設計要求，但增加5G天線和預留模塊后的智慧路燈桿，壁厚4mm無法滿足要求?？赏ㄟ^三種途徑解決:方案1壁厚從4mm調整為5mm；方案2鋼材強度從Q355調整到Q460；方案3根部直徑從200mm調整到240mm。

考慮到尺度協調問題，排除方案3，對方案1和方案2進行詳細對比:1)壁厚從4mm調整到5mm，應力比降低為0.79，根部直徑230mm可滿足應力比≤0.9的要求；2)鋼材采用Q460代替Q355，應力比降低為0.74，根部直徑220mm可滿足應力比≤0.9的要求。

以上兩種處理方案均能滿足應力比控制要求，當同時使用兩種情況時，應力比降低0.59，根部直徑200mm可滿足應力比≤0.9的要求。

同理對于15m中桿燈，針對傳統中桿燈根部直徑280mm的情況，從圖4b分析可知:增加5G與預留模塊的智慧中桿燈應力比為原來的1.36倍，超過0.9不滿足設計要求。將其壁厚從5mm調整為6mm應力比可控制到0.9以內，采用提高鋼材型號的方式應力比可控制到0.8以內，二者結合應力比可控制到0.7以內。

通過分析可知，相較于傳統純路燈和中桿燈，同鋼材型號和規格下智慧城市柱式多功能桿應力比增加較多，通過提高鋼材型號、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件應力比；對于高度較低的智慧路燈桿，可同時采用兩種措施，有利于快速控制應力比滿足要求，對于高度較高的智慧中桿燈，可通過調高鋼材型號的方式控制應力比滿足要求。

3.2 柱式多功能桿變形

對不同壁厚情況下智慧城市柱式多功能桿進行位移分析，計算結果如圖5所示。

從圖5a可知主桿頂部位移比與根部直徑的關系。具體而言，12m純路燈，直徑200mm位移可滿足要求；12m智慧路燈，由于位移要求更為嚴格，直徑230mm才滿足規范要求。

從圖5b可知，15m中桿燈直徑310mm位移可滿足要求；15m智慧中桿燈直徑330mm時才滿足規范要求。

圖5 柱式桿件頂部位移Fig.5 The top displacement of columnar pole

相較于傳統純路燈桿件和中桿燈，相同鋼材型號規格下智慧城市多功能桿桿頂位移大幅增加，且位移控制更為嚴格，增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑的方法可以有效控制桿件頂部位移。

3.3 柱式多功能桿選型及造價分析

結合應力及變形計算結果，對于柱式桿件，位移起控制作用，在桿件選型時建議對于智慧路燈桿壁厚選擇5mm，根部直徑選擇220mm～230mm；智慧中桿燈壁厚選擇6mm，根部直徑選擇320mm～330mm。造價對比見表2。

表2 柱式多功能桿造價Tab.2 The cost of columnar pole

通過對傳統桿件和智慧城市多功能桿的對比可知，對于柱式桿件尺寸的確定，位移起控制作用，應力比富余較多，采用低牌號鋼材可滿足設計需求。從控制造價考慮，在相同掛載條件及位移控制標準下，增大桿件底部的直徑相較于增加壁厚能夠更有效，可達到節省用鋼量和控制工程造價的目的。實際工程中，可結合道路設施的尺度選擇相應的桿件根部直徑。

4 懸臂式多功能桿

智慧城市懸臂式多功能桿主要適用于智慧交通信號燈、道路標志牌、分道指示牌、電子警察等桿件類型。在實際使用中，由于掛載設備和挑出距離不同，其相應特點也不同。本文討論單懸臂式多功能桿，多懸臂式各挑臂互相不連接時規律相同。

選擇挑臂為6m、9m兩種類型單懸臂桿件，對主桿和挑臂分別采用單獨變量改變的方式進行對比分析:1)研究主桿直徑變化時，控制挑臂直徑不變；2)研究挑臂直徑變化時，控制主桿直徑不變。

根據以上假定，選取如下模型進行計算:

方案1，6m單懸臂桿件分別掛載4個電子警察+2個信號燈+2個直徑800mm指示牌。研究主桿直徑變化對應力和變形的影響時，控制挑臂端部直徑111mm，根部直徑185mm，主桿、挑臂厚度均為5mm。

方案2，6m單懸臂桿件掛載與方案1相同。研究挑臂直徑變化時，控制主桿端部直徑240mm，根部直徑270mm，主桿、挑臂厚度均為5mm。

方案3，9m單懸臂桿件分別掛載6個電子警察+3個信號燈+3個直徑800mm指示牌。研究主桿直徑變化對應力和變形的影響時，控制挑臂端部直徑111mm，根部直徑220mm，主桿、挑臂厚度均為8mm。

方案4，9m單懸臂桿件掛載與方案3相同。研究挑臂直徑變化時，控制主桿端部直徑240mm，根部直徑270mm，主桿、挑臂厚度均為8mm。

計算模型如圖2a、圖2b所示。

4.1 懸臂式多功能桿應力

1.主桿應力

根據假定的主桿和挑臂直徑以及壁厚，主桿計算分析結果如圖6所示。

圖6 單懸臂主桿應力比Fig.6 The main rod stress ratio of cantilever pole

從圖6a可知，對于6m單懸臂桿件采用壁厚5mm，當掛載信號燈時，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于300mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于260mm。當掛載電子警察時，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于260mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于240mm。

從圖6b可知，對于9m單懸臂桿件采用壁厚8mm，當掛載信號燈時，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于280mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于250mm。當掛載電子警察時，采用Q355鋼材，主桿根部直徑需不小于240mm；采用Q460鋼材，主桿根部直徑需不小于230mm。

從研究成果可知，單懸臂式主桿應力比與挑臂長度以及掛載設備類型有關。信號燈較電子警察荷載大，相應產生的應力比較大，對應的主桿根部直徑相應取較大值。挑臂長度的增加對主桿根部應力比的增大影響作用明顯。對于單懸臂式智慧城市多功能桿，其應力比同樣與鋼材牌號及壁厚有關。在實際工程應用中，對兩種掛載類型的桿件可進行區別化設計，通過采用不同桿件直徑、壁厚以及不同鋼材牌號，使得主桿應力比滿足要求。

2.挑臂應力

根據上述假定的主桿和挑臂直徑及壁厚，挑臂計算分析結果如圖7所示。

圖7 單懸臂挑臂應力比Fig.7 The arm stress ratio of cantilever pole

從圖7a可知，對于6m單懸臂桿件采用壁厚5mm，當掛載信號燈時，采用Q235鋼材，挑臂根部直徑需不小于220mm；采用Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于170mm。當掛載電子警察時，采用Q235鋼材或Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于150mm均可滿足應力比要求。

從圖7b可知，對于9m單懸臂桿件采用壁厚8mm，當掛載信號燈時，采用Q235鋼材，挑臂根部直徑需不小于250mm；采用Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于200mm。當掛載電子警察時，采用Q235鋼材或Q355鋼材，挑臂根部直徑需不小于180mm均可滿足應力比要求。

從計算結果可知，單懸臂式挑臂應力比與挑臂長度以及掛載設備類型有關。實際工程應根據掛載設備及挑臂長度，通過設置不同桿件直徑、壁厚以及不同鋼材牌號，使得挑臂應力比滿足要求。

4.2 懸臂式多功能桿變形

懸臂式變形與柱式變形不同，懸臂式變形涉及到主桿變形與挑臂變形，主要由四部分組成:1)重力荷載作用下主桿的水平變形；2)風荷載作用下主桿的水平變形；3)重力荷載作用下挑臂的垂直變形；4)風荷載作用下挑臂的水平變形。

以上四種變形的特點、控制要求以及解決方案存在差異。以9m挑臂為例，對比主桿、挑臂壁厚取8mm與6mm，掛載設備為電子警察與信號燈時的位移計算結果如圖8、圖9所示。

圖8 重力荷載作用下懸臂式桿件的變形Fig.8 Deformation of cantilever pole under gravity load

圖9 風荷載作用下懸臂式桿件水平位移比Fig.9 Displacement ratio of cantilever pole under wind load

從圖8a可知，重力荷載作用下主桿挑臂連接處的水平位移與主桿根部直徑、主桿壁厚及掛載設備重量相關，在實際工程中可通過增大主桿直徑或壁厚控制位移，此外，在重力荷載作用下的主桿變形會以位移角的形式對挑臂豎向變形造成較大影響。結合圖8b可知，挑臂長度與掛載設備重量對挑臂自身的豎向變形影響很大，兩者變形呈現出疊加效果，在設計中應予以嚴格控制，避免挑臂端部掉頭嚴重，影響使用觀感。根據工程經驗，建議挑臂與主桿連接處水平位移控制在50mm以內，挑臂采用預置上揚角抵消挑臂的豎向變形。但為避免產生過大的彎曲變形影響使用觀感，建議挑臂端部垂直位移按1/33挑臂長度控制，對9m挑臂重力荷載作用下挑臂端部垂直位移控制在270mm。

從圖9a知，在風荷載作用下主桿頂部的水平變形與主桿根部直徑、主桿壁厚及掛載設備擋風面積相關，此時位移應結合使用設備的要求進行控制，如設置5G天線的智慧城市多功能桿位移參考YD/T 5131—2019在標準組合下控制標準為1/33，信號燈位移在標準組合下控制標準為1/25，電子警察的位移控制同時應滿足槍機拍照的穩定性要求。本文研究的智慧城市多功能桿頂風荷載位移均需按照1/33控制，當使用功能為電子警察時，主桿壁厚6mm對應主桿根部直徑不小于280mm，主桿壁厚8mm對應主桿根部直徑不小于240mm；當使用功能為信號燈時，主桿壁厚6mm對應主桿根部直徑不小于320mm，主桿壁厚8mm對應主桿根部直徑不小于290mm。

從圖9b可知，挑臂掛載設備不同時，其擋風面積的增加對位移的影響較大，實際工程應準確計算掛載設備的面積、重量及設備安裝位置，并結合掛載設備的性能要求對挑臂在風荷載作用下的位移值進行控制，控制標準取標準組合下1/25。風荷載作用下挑臂端部水平位移為挑臂位移與主桿位移的疊加值，控制時可考慮扣除主桿位移，但主桿位移影響較小，掛載信號燈主桿壁厚6mm時，主桿與挑臂相交點水平位移140mm，8mm對應位移110mm，在挑臂水平位移中占比1/8，影響較小。

綜合考慮位移特點，建議懸臂式多功能桿選用大直徑截面，同時控制挑臂長度及挑臂厚度。對于掛載信號燈、標志牌、分道標志等懸臂式多功能桿，應嚴格控制挑臂長度。對于超出控制范圍的可考慮多挑臂式或門架式。

4.3 懸臂式多功能桿選型及造價分析

根據計算分析結果，懸臂式多功能桿主桿選

分析圖10a可知，通過提高鋼材型號、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制主桿應力比。采用Q355鋼材，壁厚8mm，直徑不小于280mm，可滿足應力比要求。

此外，從圖10b可知，在橫臂之間增加斜桿，可有效降低橫臂應力比。尤其對于Q235鋼材，在未設置斜桿時，對于截面較小的橫臂，應力比超出較多，設置斜桿后，型上，采用風荷載作用下的桿頂水平位移為主要控制因素，應力比為次要控制因素。挑臂選型上，短挑臂與長挑臂掛載少的情況采用應力比作為主要控制因素，長挑臂掛載多時采用風荷載作用下的端部水平位移為主要控制因素。

以9m單懸臂式桿件為例，對懸臂式多功能桿造價，見表3。

表3 懸臂式多功能桿造價Tab.3 The cost of cantilever pole

5 門架式多功能桿

智慧城市多功能桿門架式主要適用于路幅較寬的路口渠化段、市區隧道出口等復雜路段。門架式跨度較大，多選用桁架結構。選取21m跨度(6車道)，設備考慮分體式分道標志、監控系統、5G天線、照明等。通過對鋼材牌號、根部直徑、斜腹桿等方面進行對比，分析應力、位移及造價等。計算模型考慮設置斜桿和不設斜桿兩種。計算簡圖如圖3所示。

圖10 門架式桿件應力比Fig.10 The stress ratio of portal frame pole

5.1 門架式多功能桿應力

根據實際工程計算經驗，主桿材料選擇Q355、Q460，主桿頂部直徑240mm，根部直徑260mm～290mm，主桿壁厚8mm與10mm，橫臂選擇130mm～180mm，橫臂壁厚6mm。主桿應力計算結果如圖10a所示，橫臂應力計算結果如圖10b所示。應力比可滿足控制要求。實際工程無造型要求時，應優先采用增加斜桿的造型。

5.2 門架式多功能桿位移

在風荷載作用下主桿頂部位移比計算結果如圖11a所示，在風荷載作用下橫臂水平方向位移比如圖11b所示，在重力荷載作用下橫臂垂直方向位移比如圖12所示。

圖11 風荷載作用下門架式桿件位移比Fig.11 Displacement ratio of portal frame pole under wind load

圖12 重力荷載作用下門架式桿件橫臂垂直方向位移比Fig.12 Displacement ratio of portal frame pole under gravity load

從圖11a可知增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件頂部位移。門架式相對懸臂式增加了一根主桿，故而門架式主桿位移容易滿足要求。從圖11b、圖12可知，通過增加斜桿可以有效控制重力荷載作用下橫臂垂直方向位移比，但對風荷載作用下橫臂水平方向位移比沒有效果，實際工程中對于門架式多功能桿，應重點關注風荷載作用下橫臂水平方向位移比。

5.3 門架式多功能桿選型及造價分析

結合計算分析，以21m門架式多功能桿為例，對門架式造價對比見表4。

表4 門架式多功能桿造價Tab.4 The cost of portal frame multi-function pole

從表4可知，對于門架式多功能桿，其受力特性優于懸臂式，在實際工程中可采用適當增大主桿及橫臂根部直徑控制造價，從而節約投資。

6 結論

1.柱式多功能桿位移起控制作用，應力比富余較多。通過增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑可以有效控制桿件應力比和桿件頂部位移。增大桿件底部的直徑相較于增加壁厚能夠更有效地利用桿件應力。采用低牌號鋼材可滿足設計需求。

2.懸臂式多功能桿主桿和挑臂應力比與挑臂長度及掛載設備類型有關。通過增加桿件直徑、壁厚以及提高鋼材牌號，可使得應力比滿足要求。建議選用大直徑截面，同時控制挑臂長度及挑臂厚度。主桿選型采用風荷載作用下的桿頂水平位移為主要控制因素，應力比為次要控制因素。挑臂選型上，短挑臂與長挑臂掛載少的情況采用應力比作為主要控制因素，長挑臂掛載多時采用風荷載作用下的端部水平位移為主要控制因素。

3.門架式多功能桿可通過提高鋼材牌號、增加桿件壁厚、增大桿件底部直徑有效控制主桿應力比。橫臂可考慮增加斜桿，有效降低橫臂應力比和垂直方向位移。

本文研究成果有助于智慧城市多功能桿合理優化選型，節約工程投資。