钢结构灯杆加固技术及安全性分析

金春峰 田 岗 方顺女 张海军 段艳芳 袁伟衡

(中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142)

1 概述

近年来，随着我国城市建设的不断推进，城市道路公共照明系统也随之快速发展和完善，钢结构形式的道路灯杆得到大量应用，成为城市市政重要的公共基础设施之一[1]。据不完全统计，仅北京市地区就大约有22万根道路灯杆，广泛分布于北京市各个辖区的道路、立交桥、小区、学校、公园和景区等公共区域。由于钢结构灯杆长期暴露于室外大气环境中，常常会受到风、雨、雪、高温和严寒等不利天气的影响，导致钢结构灯杆随着使用年限的增长不断产生锈蚀现象，严重时甚至发生结构性破坏，对道路钢结构灯杆的使用安全造成严重影响。而目前，鲜有针对钢结构灯杆的加固设计研究，导致钢结构灯杆安全治理工作不甚合理，且主要表现在以下几个方面：

1)工程上对于一些发生锈蚀的钢结构灯杆，多以整根替换的方式来消除安全隐患，而这种方式常会造成大量的资源浪费。

2)现阶段针对道路钢结构灯杆的加固设计还不太系统，有些加固设计不是过于粗糙，就是过于繁杂，导致加固效果不太理想，加固效率较低。

3)在对钢结构灯杆进行加固设计时，往往对水的影响不够重视，即缺少对原灯杆结构和加固装置的防隔水设计，致使加固后灯杆短期再次发生锈蚀。

因此，如何有效地对锈蚀灯杆进行加固治理，尽可能降低由此产生的损失与风险，更好地为城市居民提供安全便利的生活环境，已然成为城市建设者亟需解决的城市公共安全问题。

2 灯杆病害形式

通过对北京市地区道路灯杆现状的实地调查与现场检测，研究发现，北京市道路灯杆结构的破坏或病害形式主要表现为：倾倒、倾斜、主体结构以及连接构件锈蚀等。其中，以道路灯杆主体结构及连接构件锈蚀病害最为常见(如图1～图4所示)，约占道路灯杆病害形式的90%以上，且道路灯杆的这种锈蚀现象主要分布于杆体根部，尤其是在灯杆结构与基础或土体的接触部位，表现最为明显。这主要是由于该部位不利于水的及时排出，且时常埋在土中，而土中一般又大多含有水分，使得灯杆根部周边环境长期处于潮湿状态，致使灯杆根部锈蚀现象发生的概率相对较大，锈蚀程度与其他部位相比起来也相对较为严重。

3 灯杆加固方法

3.1 加固装置

鉴于道路灯杆结构的破坏多发生于根部，且呈环状，本文提出一种道路钢灯杆根部加固技术——环形套筒加固，该加固装置主要包括加固套筒、肋板螺栓、底板螺栓和隔水套，如图5所示。

3.2 适用范围

本加固方法主要适用于对根部严重锈蚀型或锈断型圆型灯杆的加固，以此实现对道路钢结构圆型灯杆使用寿命的延续，一定程度上避免了整个替换带来的资源浪费。

3.3 加固步骤

针对根部严重锈蚀型或锈断型钢结构圆型灯杆的加固，其加固流程为：

1)先对原灯杆结构进行临时固定，拆卸底板螺栓，保留螺杆，去除多余的底板和肋板，环切根部锈蚀区域，并对待加固区域进行清洁处理；

2)将结构胶涂抹在灯杆待加固区和套筒内侧[2]，使灯杆与加固套筒紧紧贴合在一起，同时拧紧侧固肋板处的紧固螺栓；

3)待灯杆与加固套筒成为一个整体后，将灯杆与加固套筒置于灯杆基础上，拧紧底板螺栓；

4)粘贴隔水套，并对灯杆和加固装置进行必要的防腐处理。

4 实例分析

4.1 工程概况

本文以北京城市道路某处的10 m灯杆为例，该10 m灯杆的杆身为圆锥形，材质为Q235优质钢，壁厚4 mm，外表面采用电镀锌进行防腐处理，灯杆根部采用焊接与法兰底板连接，灯杆上部采用单向悬挑结构，用以悬挂灯头设备，如图6所示。目前，该灯杆现状为：杆体根部腐蚀严重，且呈环形锈蚀状态(如图7所示)，严重影响到灯杆自身的安全使用，长此以往灯杆在外力作用下有发生整体倾倒的风险。

4.2 加固装置设计

针对上述灯杆的病害形式，对其采用环形套筒进行加固，套筒由两片半圆形筒体组成，且半圆套筒下部设有底板，两侧外部有侧固肋板，中间外部有中间肋板。其中，两侧固肋板各设有三个螺栓孔洞，两底板各设有两个螺栓孔洞。加固装置设计详见图8。

4.3 基于有限元法的安全论证[3，4]

4.3.1模型及材料参数

根据灯杆、加固装置以及连接螺栓的材料特征和尺寸形式，建立灯杆加固三维有限元模型(见图9)，具体参数如表1所示。

表1 模型及材料参数

4.3.2荷载及边界设置

本计算模型所受荷载主要为结构自重(永久荷载)与外界风荷载(可变荷载)，自重又包括灯杆自重、加固装置自重以及灯头自重，风荷载又包括灯杆所受风载、加固装置所受风载以及灯头所受风载，具体如表2所示。其中，灯杆和加固装置自重以惯性力形式施加；灯杆和加固装置所受风荷载以均布荷载形式施加；灯头自重和灯头所受风荷载以集中力形式施加。本模型与基础接触的底板采用仅受压弹性支撑，而伸入基础的螺栓采用固定支撑，套筒与灯杆之间采用焊接接触，侧固肋板和底板与螺栓之间、侧固肋板之间采用摩擦接触。

表2 标准荷载设置参数

模拟结果分析如下。

根据GB 50068—2018工程结构可靠性设计统一标准中相关要求，对灯杆加固模型采用设计荷载(1.3×永久荷载+1.5×可变荷载)进行计算，求得灯杆加固结构的模拟结果，如表3所示。灯杆悬挑方向根部结构应力见图10，图11。

表3 有限元模拟结果

由表3和图10,图11可以看出，利用本文加固装置对灯杆加固后，灯杆、套筒、肋板螺栓及底板螺栓等结构均能满足强度要求，即满足结构安全性。其中，当风向沿灯杆悬挑方向时，在整体结构中灯杆所受应力最大，最大值位于灯杆洞口处，达207.0 MPa，低于灯杆屈服强度，满足强度要求；当风向垂直灯杆悬挑方向时，在整体结构中底板螺栓所受应力最大，最大值位于迎风侧底板螺栓与底板交界处，达223.4 MPa，低于螺栓屈服强度，满足强度要求。

此外，不论风向沿灯杆悬挑方向，还是垂直灯杆悬挑方向，肋板螺栓所受最大应力在整体结构中均为最小，处于11.54 MPa～23.46 MPa之间。因此，在满足强度要求下，肋板螺栓可适当考虑选择低强度螺栓。

5 结语

本文针对道路灯杆常见的根部环形锈蚀病害形式，提出了一种适用于灯杆根部锈蚀损伤的加固技术，该技术通过对灯杆根部的加固，实现灯杆结构的再利用。同时，文章以常见的10 m道路灯杆为例，对其进行相应的加固设计研究，并利用有限元手段验证了加固装置的有效性，即加固后能够满足灯杆的使用安全。

此外，考虑到目前灯杆结构还肩负着除照明外的其他功能，其上附加有道路指示牌、旗帜、中国结、灯笼、设备箱、各类摄像头等，一定程度上也增加了道路灯杆所受到的外部荷载，对道路灯杆结构的安全使用产生了不利影响。因此，本文建议在加强灯杆检测评定工作的基础上，设计灯杆时还要充分考虑灯杆的可能用途，适当提高灯杆钢材的强度等级。