标志牌龙门架的结构探讨

标志牌龙门架的结构探讨
摘要：探讨了标志牌龙门架的类别、特点、适用范围；指出了标志牌龙门架选型的跨径分界点；针对存在的设计问题、施工问题提出了优化方案；对设计人员提出了满足专业化、批量化、工厂化生产的要求，同时要考虑施工流程、生产条件、运输要求、降低成本的需要。

关键词：标志牌；龙门架；结构；跨径分界点
标志牌龙门架主要用于悬挂各种标志牌，它由立柱和横梁两部分组成，它的跨径通常是由道路的宽度决定，通常悬挂2~4块大型标志牌，在高速公路出口匝道附近大量应用。

一、标志牌龙门架的分类
标志牌龙门架主要用于固定两块以上的标志牌，适用于多车道路段。

标志牌龙门架按照横梁结构形式可分为：单管横梁式、双管单片横梁式、四管桁架横梁式等。

双管单片式龙门架为简单平面结构，施工技术比较简单。

桁架式龙门架属于空间结构，运输成本很高，受力计算复杂，施工难度相对较大，需要使用的构件多，在安装时对施工技术要求较高。

标志牌龙门架按照立柱结构形式可分为：单管立柱式、双管单片立柱式，四管桁架立柱式采用较少。

标志牌龙门架按照横梁与立柱连接形式可分为：承台式连接（牛腿式）、竖向法兰盘式连接、U型卡座式连接等。

标志牌龙门架按照用材形式可分为：圆管式、方管式、槽钢式、H型钢式等，以圆管、方管为主。

标志牌龙门架按照道路宽度可分为：两车道、三车道、四车道、六车道等。

门架跨径9~30米不等。

二、标志牌龙门架结构计算
现以某工程项目要求的最大变形量为8.969mm、最大应力值为113.13MPa、
安全系数2.08、等级4为例，结合设计规范分析强度和挠度。

该项目立柱和横梁
均采用Q235B圆钢管，结合需求和当地的环境分析，选用材料的抗拉、抗压、抗
弯强度f≤215MPa、抗剪强度f≤125MPa，门架立柱和横梁的挠度不大于其长度
的1/100。

在计算时为了简化模型，不计算力学特性小的因子，比如工艺孔、螺
栓等带来的影响，这些因子可以通过优化管理做好质量控制。

焊接是龙门架的主
要连接形式，当前龙门架的焊接近似于刚性连接，于是视立柱、横梁为一个整体
结构，焊接因子也不列入计算范围内。

交通行业计算单位面积风载通常参照JTGD82—2009《公路交通标志和标线设
置规范》，利用风荷载公式计算分析龙门架设计是否达到要求。

建立标志牌单位风荷载公式1：
同理建立圆管立柱（横梁）所受的单位风荷载公式2：
表1：公式中参数及内容描述：
可见，标志牌龙门架风荷载主要影响因素有：风荷载、重要性系数、可变荷载、风力系数、风速、标志牌面积、立柱或横梁的迎风面积等。

计算可知：单片式横梁刚度远低于桁架式横梁。

在材料规格、横梁间距一定的情况下，由于跨径增加、荷载加大，桁架式横梁仅需增加横梁长度；而单片式横梁跨径增加需不断加大材料规格、基础尺寸。

用钢量统计如下：
表2：标志牌龙门架用钢量kg/m统计：
研究表明：当龙门架跨径小于12.6m时，单片式龙门架用钢量少，桁架式结
构复杂，用钢量大；当跨径大于12.6m时，跨径越大，单片式龙门架用钢量会显
著增加，而此时，桁架式龙门架用钢增幅减缓。

可见，单片式龙门架适宜跨径
12.6m以下路段；桁架式龙门架适宜跨径12.6m以上路段；跨径15m左右二者用
钢量相差不大，适宜采用单片式龙门架。

三、标志牌龙门架的设计问题
3.1、龙门架选型不当：有的设计选用桁架式机电门架，横梁高度不足1米，与标志牌高度约4米差别较大，对标志牌刚度要求较高；有的选用单管横梁式，
不利于较大标志牌安装固定（高度2米以上、15㎡左右）；有的小跨径路段选用
桁架式龙门架，存在资源浪费。

3.2、U型卡座安装不便：单片式横梁与立柱采用U型卡座式连接时，采用前
后连接螺栓锁紧，U型卡座与横梁之间存在上下、左右、前后三个方位的间隙，
间隙小安装困难横梁无法同时进入四个卡座；间隙大时螺栓无法锁紧前后间隙。

不建议采用这种结构，建议采用L型结构，立板承风、底板承重，前后螺栓锁紧。

3.3、横梁与立柱采用竖向法兰盘式连接无法调整立柱垂直度：采用左右连接螺栓锁紧，螺栓承受横梁自重、风力负荷产生的竖直剪切力，螺栓负载较大，安全系数低；由于基础中心距土建误差较大，横梁与左右立柱拉紧后，导致立柱垂直度不足，且无法调整，不满足验收要求。

这种结构在双管单片式横梁与立柱连接中大量应用，应优化设计。

3.4、横梁与立柱采用承台式连接的过定位问题：立柱上部或顶部有承重平台，承担了横梁的自重荷载，竖直方向的连接螺栓锁紧后不承受横梁自重，只承受风力负荷产生的水平剪切力，螺栓负载较小，安全系数大，这种结构值得大力推广。

但有的设计画蛇添足，又增加了前后方向或左右方向的连接螺栓，造成了过定位，增加成本，安装时无所适从，螺栓不能锁紧，形成安全隐患。

3.5、材料选择不当：缺乏结构力学验算，不熟悉市场材料规格，凭经验选用材料，选用钢管壁厚、钢管管径过大，如小跨径门架立柱选用∮377x25、
∮450x12钢管。

3.6、强风路段特殊设计问题：缺乏现场地形考察、缺乏现场风力数据，对山口、峡谷、海岛、桥梁等大风路段的大面积标志牌，未加特殊结构设计，安全系数不足，出现安全隐患。

3.7、预埋法兰盘问题：基础施工时需要预埋螺栓以便安装立柱，预埋法兰盘主要作用是保证预埋螺栓的间距满足设计要求，承受荷载不大。

实际中预埋法兰盘厚度经常设计不合理，如800*800*6mm、1000*1200*30(甚至50)mm。

太薄时热镀锌出现板材变形，太厚时浪费资源施工不便。

采用双管单片式立柱时，本应整体式的预埋法兰盘，有时会设计成2块独立小法兰盘，基础施工时就不易保证预埋螺栓孔间距，导致立柱无法安装。

3.8、防腐涂装问题：标志杆最佳防腐方式就是热镀锌单防腐。

实践证明，热镀锌+喷塑（聚酯粉末）、热镀锌+浸塑（聚乙烯粉末）、热镀锌+喷漆、环氧锌基等防腐形式的耐候性、环保性、防腐效果均低于热镀锌单防腐。

四、标志牌龙门架的优化设计
4.1、标志牌龙门架验收要求：必检立柱垂直度、横梁水平度、净空高度
5.5米等，误差均须满足验收标准要求。

这就要求立柱安装时须调整垂直度，横梁安装时须调整水平度，标志牌安装时须调整净空高度。

因此，横梁与立柱连接不宜采用竖向法兰盘连接，适宜采用L型或平面承台式结构。

标志牌与横梁的连接要在上下、左右两个方向给予较大的调节量。

横梁与立柱的连接在横梁长度、宽度两个方向给予2cm左右的调节量。

适宜采用U形螺栓连接结构。

4.2、公路运输要求；限高4.2米，限宽2.5米。

这就要求标志牌、立柱、横梁最大宽度尺寸2.4米，最大高度尺寸3.0米，单件最大长度11米。

因此，单片式龙门架横梁高度在1.2~2.4米之间，宜统一到1.5米左右；桁架式龙门架横梁端面宽度*高度宜控制到1.2*1.5米左右。

4.3、规范版面尺寸设计要求：在满足版面排版的前提下，尽量缩小版面尺寸，以减小风力荷载；版面宽度、高度尺寸应系列化、规范化，避免随意化，尽量减少版面规格型号，以利标志牌的批量化生产。

版面尺寸过大时（30㎡左右的地点距离、服务区标志等），宜分割成多个独立版面，安装时留10cm缝隙以利透风减轻标志牌荷载。

笔者见过最大的标志版面设计成6*10米，达60㎡，确实需要优化设计。

4.4、龙门架施工要求：立柱基础施工完成后，需要实测立柱中心距、基础与路面的高程差，其测量值与图纸设计值经常差别较大，龙门架生产需严格按照测量值进行，确保成功安装，无法按图提前生产，这就导致标志牌龙门架施工周期较长，达两个月以上。

这就要求设计人员需考虑操作工人按实测值结合图纸生产的需要，优化尺寸标注。

单悬、双悬式标志由于现场坡比千差万别，基础与路面高程差变化较大，也存在同类问题。

4.5、经济性要求：高速出口匝道三角地带通常需要安装两块指路标志，一般采用双悬式结构，考虑经济因素，不宜采用龙门架结构。

总结：
标志牌龙门架选型计算需要考虑最大变型量、最大应力值、安全系数、安全等级四大因素。

通过实例发现：跨径12.6m是单片式龙门架与桁架式龙门架的临
界点，这种分界点确定的非常科学，在应用时没有出现过由于龙门架选型失误造成的安全事故。

三车道及以下路段建议推广单片式龙门架；四车道以上路段尽量减少桁架式龙门架的应用，可选用双悬或左右各一个单悬的结构。

以上建议仅供标志牌龙门架设计选型时参考。

参考文献：
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