LED顯示屏支撐結構分析與設計

　　隨著(zhù)多媒體技術(shù)的發(fā)展，LED電子顯示屏 廣泛應用于商業(yè)展示，產(chǎn)生良好的廣告效應，設計優(yōu)秀的顯示屏支撐結構同時(shí)可成為城市建筑物中靚麗的風(fēng)景線(xiàn)。結合顯示屏的視距要求以及投資地域等特點(diǎn)通常會(huì )根據建設地點(diǎn)及建筑物要求進(jìn)行結構類(lèi)型設計。LED顯示屏通常采用獨立落地形式或附屬建筑物進(jìn)行設置(圖1，2)。針對不同顯示屏形式的支撐結構，應準確分析其受力特性選用相應的結構形式，本文將對LED電子顯示屏支撐結構進(jìn)行分類(lèi)總結，提出各種支撐結構方案適用的范圍、設計難點(diǎn)以及相應的優(yōu)化設計方案和構造措施。

　　1顯示屏支撐結構類(lèi)型

　　1．1落地式支撐結構

　　落地式LED電子顯示屏多設置于城市廣場(chǎng)或重要交通交叉口處。分析落地顯示屏支撐結構受力特性可知，支撐結構宜采用空間鋼桁架結???。在基礎上設置4根鋼柱組合形成空間格構柱。上部屏體部分采用多層水平空間桁架結構，既可滿(mǎn)足結構受力要求，又可滿(mǎn)足檢修通道的設置?！　×x烏市賓王路LED顯示屏屏體面積屏體有效尺寸為13.4m×8.6m，屬于典型落地式支撐結構，采用格構柱形成顯示屏支撐結構體系。鋼格構柱4根主肢采用300mm×300mm×10mm，水平橫材采用口200mm×100mm×6mm、斜腹桿為口100mm×100mm×6mm，結合格構柱內部空間設置檢修上人通道;屏體背側構件采用鋼桁架結構，上弦桿、下弦桿、腹桿均采用口100mm×100mm×6mm，上部鋪設6mm厚鋼板以滿(mǎn)足檢修通道要求?；A采用獨立混凝土基礎。支撐結構如圖3所示。

　　1．2壁掛式支撐結構

　　城市建設密度較大，只有很少區域能夠滿(mǎn)足落地式顯示屏的建設條件。而LED電子顯示屏具有播放動(dòng)態(tài)畫(huà)面廣告等優(yōu)點(diǎn)，城市商業(yè)繁華地段需建設大量的LED顯示屏，解決該矛盾的方案就是建設附屬于已有建筑物的顯示屏。根據建筑物的建設條件、改造條件以及建筑物高度通常將附屬于建筑物的LED顯示屏支撐結構分為壁掛式顯示屏支撐結構和樓頂式顯示屏支撐結構?！　”趻焓斤@示屏支撐結構多采用單層鋼結構固定于主體結構1貝聽(tīng)面，內部設置檢修通道。中國電信溫州分公司南站大樓LED大屏幕工程顯示屏24.0mx13.4m，屬于典型壁掛式顯示屏支撐結構，采用方鋼管160mm×160mm×6mm形成節點(diǎn)體系，槽鋼14a上鋪設6mm厚壓紋鋼板形成檢修通道，各節點(diǎn)通過(guò)6個(gè)M16錨栓錨固于主體結構框架柱側。該工程正立面及側立面見(jiàn)圖4。

　　1．3樓頂式支撐結構

　　實(shí)際使用中壁掛式LED電子顯示屏由于占據較大的建筑物外立面，將會(huì )影響到建筑物的采光，因而壁掛式電子顯示屏僅適用于商場(chǎng)等大型商業(yè)建筑。建筑高度適中的辦公建筑及民用住宅建筑設置的LED電子顯示屏只能設計在建筑物頂部。此時(shí)顯示屏支撐結構體系應歸類(lèi)為樓頂顯示屏支撐結構?！　≈袊ㄐ欧?wù)廣西公司顯示屏支撐結構設置于大樓頂部，充分利用原主體結構剪力墻設置鋼格構體系，梁柱均采用格構構件，形成具有良好受力狀態(tài)的空間桁架體系。顯示屏屏體有效尺寸17.5mx8.0m，鋼格構柱4根主肢采用口100mm×100mm×5mm，水平橫材采用口100mm×100mm×5mm、斜腹桿為口60mm×60mm×5mm，其中水平橫材與豎材各自組成桁架體系抵抗側向風(fēng)荷載和地震荷載。節點(diǎn)通過(guò)10個(gè)M12螺栓錨固于主體結構。該工程正立面如圖5所示。

　　2荷載作用

　　LED電子顯示屏采用落地式、壁掛式或樓頂式均需計算永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、裹冰荷載、地震荷載等荷載作用。其中永久荷載需計入屏幕自重荷載，活荷載需考慮屏體檢修涉及的檢修荷載。荷載組合系數應符合規范要求?！　”趻焓交驑琼斒斤@示屏其自振周期應結合主體結構進(jìn)行整體分析，通常情況下可選用主體結構自振周期進(jìn)行計算口，并分析高振型對樓頂式支撐結構的影響。風(fēng)荷載的計算應按照圍護結構進(jìn)行設計分析，對大型支撐結構應根據具體結構形式進(jìn)行深入分析。地震荷載的計算應綜合考慮雙向水平地震和豎向地震作用，對壁掛式支撐結構尤其要重視罕遇地震下豎向地震作用的影響分析?！　〈送怆娮语@示屏內部設置有電子顯示單元，長(cháng)時(shí)間的照明及其他設備的運作均會(huì )帶來(lái)過(guò)多的熱量，內部易出現散熱問(wèn)題，支撐結構內部布置有大量的電力線(xiàn)路，線(xiàn)路老化等問(wèn)題也易導致火災發(fā)生。顯示屏支撐結構在此類(lèi)意外作用發(fā)生時(shí)應有足夠的抵抗能力，不致發(fā)生連續性倒塌破壞，需加強關(guān)鍵構件支撐節點(diǎn)的設計，提高安全儲備?！　?strong>3結構選型

　　3．1落地式支撐結構

　　落地式電子顯示屏支撐結構通過(guò)與基礎連接的柱體承擔上部屏體結構的荷載，可按照懸臂梁結構進(jìn)行分析計算。落地式支撐結構通常采用單柱或雙柱加橫梁式結構，其余類(lèi)型可結合建筑造型選用合適的支撐結構體系。柱體設計可采用混凝土結構、鋼管結構以及格構鋼柱，橫梁可選用格構梁等鋼結構類(lèi)型。其基礎選型應根據場(chǎng)地的地質(zhì)條件確定，并應進(jìn)行抗壓、抗拔、抗彎和抗傾覆計算。結合懸臂結構的受力特點(diǎn)，落地式支撐結構的關(guān)鍵構件為豎向柱體設計，選用安全合理符合工藝要求的截面形式?！　〗Y合顯示屏支撐結構的建設周期等特點(diǎn)，選用圓形鋼柱和格構鋼柱截面進(jìn)行分析，研究相同應力應變情況下鋼材的用量。采用有限元分析軟件建立模型，圓形鋼柱采用?1000×15，格構鋼柱4根主肢采用口300mm×300mm×10mm，水平橫材采用口200mm×100mm×6mm、斜腹桿為100mm×100mm×6mm，根據懸臂結構受力特點(diǎn)，將上部屏體承受荷載簡(jiǎn)化到柱體頂部，根據簡(jiǎn)化后的模型對兩種柱體進(jìn)行有限元分析。分析結果表明，對落地式支撐結構，圓柱式截面及格構式截面均為良好的截面形式。戶(hù)外電子顯示屏由于需維修電子顯示元件，因而需設置上人通道，采用格構式柱可充分利用格構空間設置上人通道，不會(huì )像圓截面一樣由于設置上人孔洞導致柱根部截面出現薄弱部位。當由于景觀(guān)需設置圓形截面時(shí)應對上人部位進(jìn)行局部加固處理。當兩種截面類(lèi)型均能滿(mǎn)足實(shí)用及外觀(guān)要求時(shí)，應優(yōu)先采用格構柱?！　?strong>3．2壁掛式支撐結構

　　壁掛式支撐結構通過(guò)鋼節點(diǎn)錨固于主體結構物側部，通?？刹捎每蚣苤潭ü濣c(diǎn)，當節點(diǎn)間距不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可采用框架梁作為輔助支點(diǎn)設計位置。橫梁構件固定于支撐點(diǎn)上形成水平向片狀結構體系，該體系承擔顯示屏傳來(lái)的風(fēng)荷載并作為檢修通道承擔檢修荷載，屬于壁掛式支撐結構的主要受力體系。屏體龍骨均布置在水平片狀結構體系上。通常該體系可采用水平放置的桁架，對于節點(diǎn)距離較小的體系可直接采用型鋼作為橫梁，計算模型可采用連續梁方案。水平片狀結構體系是壁掛式支撐結構的關(guān)鍵構件。圖6，7研究了兩種水平片狀結構體系的應力應變特點(diǎn)，主體結構軸線(xiàn)間距為7500mm，在樓層中部設置的檢修平臺中間無(wú)法設置支撐點(diǎn)，因而該工程最大變形點(diǎn)發(fā)生在樓層中部位置。根據變形特點(diǎn)分別采用兩種結構形式進(jìn)行分析。節點(diǎn)構件均采用口160mm×160mm×6mm，單獨型鋼水平支撐結構采用口100mm×100mm×5mm，組合桁架水平支撐結構弦桿采用50mm×50mm×4mm，斜腹桿采用口30mm×30mm×3mm。

　　根據圖6，7的分析結果可知，當支撐結構體系總質(zhì)量相同的情況下，采用斜腹桿組合桁架結構比采用直腹桿組合桁架結構變形小。結果表明，水平片狀結構體系采用斜腹桿組合桁架結構可有效降低支撐結構變形，尤其當框架軸線(xiàn)間距較大，中間區域無(wú)法連續設置支點(diǎn)時(shí)，增加斜腹桿密度可有效降低支撐結構變形?！　?strong>3．3樓頂式支撐結構

　　樓頂式支撐結構需結合樓頂原有結構布置進(jìn)行設計，充分利用原有主體結構體系承擔荷載對優(yōu)化樓頂式支撐結構體系非常重要。通?？山Y合建筑物造型采用平面桁架、空間桁架或網(wǎng)架結構等多種結構形式，結構方案靈活多變，可采用有限元分析軟件進(jìn)行建模分析計算。針對樓頂輕鋼的特點(diǎn)應注意自振周期的特殊性以及鞭梢效應，宜對樓頂式支撐結構與大樓建立整體模型進(jìn)行有限元分析，研究支撐結構的應力應變特性?！　琼斒街谓Y構屬于空間結構體系，其與主體結構的連接方式有多種類(lèi)型，需根據實(shí)際主體結構頂部的情況確定。不同的結構類(lèi)型受力性能差別很大，只有采用有限元方法分析整體空間結構的受力狀態(tài)才能得到符合實(shí)際的設計方案。圖8為結合實(shí)際工程主體結構突出丁頁(yè)面的剪力墻與下部柱頂布置支撐點(diǎn)形成的網(wǎng)架結構，鋼柱和支撐于剪力墻的橫鋼梁采用口90mm×90mm×5mm，橫向次鋼梁選用組合雙角鋼2xL40x4，斜腹桿均采用組合雙角鋼2xL30x3。

　　采用鋼材總質(zhì)量為13900kg，柱構件根部應力最大，其值為133N/mm2，其余構件應力均不大于50N/mm2，平面內最大變形為3.08mm，滿(mǎn)足變形要求。圖9采用空間桁架結構體系，構件均選用方鋼管，其中柱和橫鋼梁支撐構件口100mm×100mm×5mm，次鋼梁口80mm×80mm×5mm，斜腹桿口60mm×60mm×4mm，最大應力值135N/mm2，最大變形值3.08mm，鋼材總質(zhì)量14100kg?！　Ρ葍煞N結構類(lèi)型可知，采用相同重量的網(wǎng)架結構體系與空間桁架結構體系的應力和應變相差不多，兩種結構體系效果相近。綜合考慮施工難度及維護方便等因素，樓頂式支撐結構宜選用空間桁架形式。

　　4節點(diǎn)分析

　　采用鋼構件為主要構件的顯示屏支撐結構存在大量的連接節點(diǎn)，節點(diǎn)的準確設計對整體結構的安全性能至關(guān)重要。膨脹螺栓?；A節點(diǎn)設置的錨栓數量應滿(mǎn)足承載力要求，并按照對稱(chēng)原則進(jìn)行等間距布置。落地式支撐結構屬于懸臂型結構體系，其柱根部應力較大;壁掛式支撐結構同樣屬于懸臂型結構體系，其節點(diǎn)根部應力較大。針對與基礎及主體結構連接節點(diǎn)的應力分布特點(diǎn)，采用在根部對節點(diǎn)進(jìn)行處理的方案進(jìn)行優(yōu)化設計，可有效改善節點(diǎn)應力并降低鋼材用量。圖10為優(yōu)化后的兩種根部節點(diǎn)類(lèi)型。

　　5結束語(yǔ)

　　(1)落地式顯示屏支撐結構屬于懸臂結構，其柱體為關(guān)鍵構件，根據應力應變分析結果結合電子顯示屏檢修特點(diǎn)，優(yōu)先選用格構式截面。

　　(2)壁掛式顯示屏支撐結構水平片狀結構體系采用斜腹桿組合桁架結構優(yōu)于直腹桿組合桁架結構，當主體結構軸線(xiàn)較大，中間區域無(wú)法設置節點(diǎn)時(shí)應增加斜腹桿密度。

　　(3)樓頂式顯示屏支撐結構可采用網(wǎng)架結構和空間桁架結構體系，兩種結構體系應力應變均衡，從施工難度等方面考慮優(yōu)先選擇空間桁架體系。