交通标志结构计算书.pdf

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1设计资料
1、1板面数据
1)标志板A数据
板面形状:矩形,宽度W=3、3(m),高度h=2、2(m),净空H=5、5(m)
标志板材料:LF2-M铝。单位面积重量:8、10(kg/mA2)
2)附着板A数据
板面形状:圆形,直径D=1、2(m),净空H=6、0(m)
标志板材料:LF2-M铝。单位面积重量:8、10(kg/mA2)
1、2横梁数据
横梁的总长度:5、48(m),外径:152(mm),壁厚:8(mm),横梁数目:2,间距:1、45(m)
1、3立柱数据
立柱的总高度:8、2(m),立柱外径:377(mm),立柱壁厚:10(mm)
2计算简图
见Dwg图纸
3荷载计算
3、1永久荷载
1)标志版重量计算
标志板A重量:G1=A*p*g=7、26X8、10X9、80=576、299(N)
附着板A重量:G1=A*p*g=1、131X8、10X9、80=89、777(N)
式中:A----标志板面积
p—标志板单位面积重量
g----重力加速度,取9、80(m/sA2)
则标志板总重量:Gb=ZGi=666、075(N)
2)横梁重量计算
横梁数目2,总长度为5、48(m),使用材料:奥氏体不锈钢无缝钢管,单位长度重量:28、
839(kg/m)
横梁总重量:Gh=L*p*g*n=5、48X28、839X9、80X2=3096、698(N)
式中:L----横梁的总长度
P----横梁单位长度重量
g----重力加速度,取9、80(m/sA2)
3)立柱重量计算
立柱总长度为8、20(m),使用材料:奥氏体不锈钢无缝钢管,单位长度重量:91、874(kg/m)
立柱重量:Gp=L*p*g=8、20X91、874X9、80=7382、995(N)
式中:L----立柱的总长度
p——立柱单位长度重量
g----重力加速度,取9、80(m/sA2)
4)上部结构总重量计算
由标志上部永久荷载计算系数1、10,则上部结构总重量:
G=K*(Gb+Gh+Gp)=1、10X(666075+3096、698+7382、995)=12260、345(N)
3、2风荷载
1)标志板所受风荷载
标志板丫A、、、、、、A
A:Fwb1=T0*Q*[(1/2*p*C*V2)*A1]=10X14X[(05X12258X12X255472)
X7、26]=4878、826(N)
附着板丫、、、、、、
A:Fwb2=T0*Q*[(1/2*p*C*VA2)*A2]=10X14X[(05X12258X12X25
547A2)X1、131]=760、031(N)
式中:丫0----结构重要性系数,取1、0
丫Q----可变荷载分项系数,取1、4
P----空气密度,一般取1、2258(N*SA2*mA-4)
C----标志板的风力系数,取值1、20
V----风速,此处风速为25、547(m/sA2)
g----重力加速度,取9、80(m/sA2)
2)横梁所迎风面所受风荷载:
Fwh=丫0*丫Q娘*p*CV2)*W*H]=1、0X14X[(05Xk2258XQ80X25547人2)X、0
152X1711]=116、549(N)
式中:C----立柱的风力系数,圆管型取值0、80
W----横梁迎风面宽度,即横梁的外径
H----横梁迎风面长度,应扣除被标志板遮挡部分
3)立柱迎风面所受风荷载:
Fwp=丫0*丫Q娘*p*CV2)*W*H]=1、0X!4X[(05XL2258XQ80X25547人2)X、0
377X700]=1182、298(N)
式中:C----立柱的风力系数,圆管型立柱取值0、80
W----立柱迎风面宽度,即立柱的外径
H----立柱迎风面高度
4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的一
半。
单根横梁所受荷载为:
(标志牌重量)
竖直荷载:G4=Y0*丫G*Gb/n=1、0X1、2X576、299/2=345、779(N)
式中:丫0----结构重要性系数,取1、0
丫G----永久荷载(结构自重)分项系数,取1、2
n----横梁数目,这里为2
(横梁自重视为自己受到均布荷载)
均布荷载:31=丫0*丫G*Gh/(n*L)=1、0X1、2X3096、698/(2X5、48)=339、147(N)
式中:L----横梁的总长度
(标志牌风荷载)
水平荷载:Fwbh=Fwb/n=4878、826/2=2439、413(N)
4、1强度验算
横梁根部由重力引起的剪力为:
QG=G4也1*Lh=345、779+339、147X491=2011、502(N)
式中:Lh----横梁端部到根部的距离,扣除与立柱连接部分的长度
由重力引起的弯矩:
MG宣Gb*Lb+31*Lh宓
=288、149X3362+339、147X491人2/2
=5059、212(N*M)
式中:Gb----每根横梁所承担的标志板重量
Lb----标志板形心到横梁根部的间距
横梁根部由风荷载引起的剪力:
Qw=Fwbh+Fwh=2439、413+116、549=2555、962(N)
式中:Fwbh----单根横梁所承担的标志板所传来的风荷载
Fwh----单根横梁直接承受的风荷载
横梁根部由风荷载引起的弯矩:
Mw=SFwbi*Lwbi+SFwhi*Lwhi
=2439、413X3362+129、385X9761
=8299、824(N*M)
横梁规格为())152X8,截面面积A=3、619X10A-3(mA2),截面惯性矩1=9、41X10A-6(mA4),截面抗
弯模量W=1、238X10A-4(mA3)
横梁根部所受到的合成剪力为:Qh=(QGA2+QwA2)A1/2=(2011、502人2+2555、962人2尸1/2=
3252、55(N)
合成弯矩:Mh=(MGA2+MwA2)A1/2=(5059、212人2+8299、824人2尸1/2=9720、221(N*M)
1)最大正应力验算
横梁根部的最大正应力为:
bmax=M/W=9720、221/(1、238X10人-4)=78、508(MPa)<[bd]=215(MPa),满足要
求。
2)最大剪应力验算
横梁根部的最大剪应力为:
Tmax=2*Q/A=2X3252、55/(3、619X10人-3)=1、797(MPa)<[Td]=125(MPa),满足
要求。
3)危险点应力验算
根据第四强度理论e、c近似采用最大值即:
(b、人、人尸、
b4=maxA2+3XTmaxA2)A1/2=(785082+3X179721/2=78
57(MPa)<
[bd]=215(MPa),满足要求。
4、2变形验算
横梁端部的垂直挠度:
fy=2Gb*lbA2*(3*Lh)/(丫0*丫G*6*E*I)+/(罕职斗G*8*E*I)
=345、779X3362人2X(3X91-3、362)/(1、0X12X6X2100X10人9X41X10人
-6)
+339、147X491人4/(1、0XL2X8X21000X10人9X941X10人-6)
=13、527(mm)
式中:Gb----标志板自重传递给单根横梁的荷载
lb----当前标志板形心到横梁根部的间距
水平挠度:
fx=2Fwb2*(3Lh-lb)/(丫0*丫G*6*E*I)+32*L2飒3Lh0*丫G*6*E*I)
=2439、413X3362人2X(3X91-3、362)/(1、0X12X6X2100X10人9X41X10人-
6)
+68、097X4712A3X(3湖-1、712)/(1、0X12X6X2100X10人9X41X10人-6)
=22、347(mm)
合成挠度:
f=(fxA2+fyA2)A1/2=(22、347人2+13、527人2尸1/2=26、122(mm)
f/Lh=0、026122/4、91=0、0053<0、01,满足要求。
5立柱的设计计算
立柱根部受到两个方向的力与三个方向的力矩的作用,竖直方向的重力、水平方向的风荷
载、横梁与标志板重力引起的弯矩、风荷载引起的弯矩、横梁与标志板风荷载引起的扭矩。
垂直荷载:N=丫0*丫G*G=1、00X1、20X12260、345=14712、414(N)
水平荷载:H=Fwb+Fwh+Fwp=5638、857+233、098+1182、298=7054、252(N)
立柱根部由永久荷载引起的弯矩:
MG=MGh*n=5059、212X2=10118424(N*M)
式中:MGh----横梁由于重力而产生的弯矩
n----横梁数目,这里为2
由风荷载引起的弯矩:
Mw=2Fwb*Hb+2Fwh*Hh+Fwp*Hp/=37216、454+1538、445+4847、421=43602、
32(N*m)
合成弯矩
M=(MGA2+MwA2)A1/2=(10118、424A2+43602、32A2)A1/2=44760>974(N*m)由风荷载引
起的扭矩:
Mt=n*Mwh=2X8299824=16599、647(N*m)
式中:Mwh----横梁由于风荷载而产生的弯矩
立柱规格为©377X10,截面积为A=1、153X10A-2(mA2),截面惯性矩为1=1、943X10A-4(mA4),
抗弯截面模量为W=1、031X10人-3皿人3),截面回转半径i=0、13(m),极惯性矩为Ip=3、885X10A-
4(mA4)
立柱一端固定,另一端自由,长度因数=2。作为受压直杆时,其柔度为:
入=^*Hp/i=2X8、20/0、13=126,查表,得稳定系数©=0、457
5、1强度验算
1)最大正应力验算
轴向荷载引起的压应力:
bc=N/A=14712414/(1、153X10A-2)(Pa)=、1276(MPa)
由弯矩引起的压应力:
bw=M/W=4476Q974(1、031X10A-3)(Pa)=43434(MPa)
组合应力:bmax=bc+bw=1、276+43、434=44、71(MPa)
bc/(())*bd)+bc/bd=1、27&(0、457X215)+43、434/215=0、215<1,满足要求。
2)最大剪应力验算
水平荷载引起的剪力:
THmax=!*H/A=2X705252/(1、153X10A-2)(Pa)=、1224(MPa)
由扭矩引起的剪力:
Ttmax=Mt*D/(2*Ip)=16599、647X。377/(2x、3885X10A-4)(Pa)=>8054(MPa)
合成剪力:Tmax=THmax+Ttmax=1、224+8、054=9、277(MPa)<[Td]=125、00(MPa),满足
要求。
3)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
b=bmax=4471(MPa),T=Tmax=79\MPa)
根据第四强度理论:
b4=(bA2+3*TA2)A1/2=(44、71人2+3X9、277人2尸1/2=47、51(MPa)<[<rd]=
215(MPa),满足要求。
5、2变形验算
立柱顶部的变形包括,风荷载引起的纵向挠度、标志牌与横梁自重引起的横向挠度、扭矩
引起的转角产生的位移。
风荷载引起的纵向挠度:
fp=(Fwb1+Fwh1)*h1A2*(3*h-h1)/(丫0*丫Q*6*E*I)+Fwp1*^$0*丫Q*8*E*I)
=(5638、857+233、098)疽60人2X(3X20-6、60)/(1、00Xk40X6X210X10A9XI
943X10A-4)
+1182、298X&20人3/(1、00XI40X8X210X10A994BX10A-4)=0、0149(m)
fp/D=0、0149/8、20=0、002<0、01,满足要求。
立柱顶部由扭矩标准值产生的扭转角为:
0=Mt*h/(丫0*丫Q*G*Ip)=165997X§20/(1、00X140)X79X10人9885X10人-4=
0、0032(rad)
式中:G----切变模量,这里为79(GPa)
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。该点总的水平位移为:
f=fx+fp+0*11=0022+0、0149+0、0032X§20=0、054(m)
该点距路面高度为7、70(m)
f/h=0、054/7、70=0、007<0、017,满足要求。
由结构自重而产生的转角为:
0=My*h/(丫0*丫G*E*I)=1011424X660/(1、00X120X210X10人9、冷43X10人-
4)=
0、0014(rad)
单根横梁由此引起的垂直位移为:
fy'=0*11三00014X491=0、0067(m)
横梁的垂直总位移为:
fh=fy+fy'=0、014+0、0067=0、02(m)
该挠度可以作为设置横梁预拱度的依据。
6立柱与横梁的连接
连接螺栓采用六角螺栓12M14,查表,每个螺栓受拉承载力设计值[Nt]=17、59(KN),受剪承
载力设计值[Nv]=25、06(KN)
螺栓群处所受的外力为:合成剪力Q=3、253(KN),合成弯矩M=9、72(KN*M)
每个螺栓所承受的剪力为:Nv=Q/n=3、25812=0、271(KN)
以横梁外壁与M方向平行的切线为旋转轴,旋转轴与竖直方向的夹角:
也=atan(MG/Mw)=atan(5059、21/8299、82)=0、547(rad)=31、36°
则各螺栓距旋转轴的距离分别为:
螺栓1:y1=152/2+0161xsin(0、547-1x0、2618)=0121(m)
螺栓2:y2=152/2+0161xsin(0、547+1X0、2618)=0193(m)
螺栓30:、y3=152/2+0161xsin(0、547+3X0、2618)=0232(m)
螺栓40:、y4=152/2+0161xsin(0、547+5X0、2618)=023(m)
螺栓50:、y5=152/2+0161xsin(0、547+7X0、2618)=0187(m)
螺栓60:、y6=0152/2+0161xsin(0、547+9X0、2618)=0114(m)
螺栓7:y7=0152/2+0161xsin(0、547+11X2618)=0031(m)
、
547+013X=-
螺栓8:y8=0152/2+0161xsin(0、2618)041(m)
0、0
螺栓9:y9=0152/2+0161xsin(0、547+15X2618)=-08(m)
0、0
螺栓10:)、152/2+0、161x、547+17X0、2618)=-0078(m)
sin(0
螺栓11y10=:0)、152/2+0、161x、547+19X0、2618)=-0035(m)
螺栓12:y12=0、sin(0152/2+0、161Xsin(0、547+21X0、2618)=0、038(m)
螺栓3对旋转轴的距离最远,各螺栓拉力对旋转轴的力矩之与为:
Mb=N3*SyiA^y3
其中:2yiA2=0、2093(mA2)
2yi=11466(m)
受压区对旋转轴产生的力矩为:
Mc=/b甘(2*任人2-「人2尸1/2)*(y-r)dy
式中:bc----法兰受压区距中性轴y处压应力
R----法兰半径,这里为0、211(m)
r----横梁截面半径,这里为0、076(m)
压应力合力绝对值:
Nc=/bc*(2*(RA2-rA2)A1/2)dy
又bc/bcmax=(y-r)/(R-r)
根据法兰的平衡条件:Mb+Mc=M,Nc=2Ni,求解得:
N3=8、66(KN)
bcmax=1607(MPa)
6、1螺栓强度验算
((Nv/[Nv])A2+(Nmax/[Nt])A2)A1/2=((0、271/25、06尸2+(8、66/17、59尸2尸1/2=0、492<1,
满足要求。
悬臂法兰盘的厚度就是20mm,则单个螺栓的承压承载力设计值:
Nc=0、014X0、02X400X10A3=112(KN),Nv=0、271(KN)<Nc,满足要求。
6、2法兰盘的确定
受压侧受力最大的法兰盘区隔为三边支撑板:
自由边长度:a2=(0、422-0、152)xsin(PI/4)=0、191(m)
固定边长度:b2=(0、422-0、152)/2=0、135(m)
b2/a2=0、135/0、191=0、707,查表,a=0、088,因此该区隔内最大弯矩为:
Mmax=也*bcmax*a2A2三0088X1607X9191人2=5、139(KNM)
法兰盘的厚度:
t=(6*Mmax/f)A1/2=[6X5138、842/(215X10人6)叶1/2=11、98(mm)<lt=20(mm),满
足要求。
受拉侧法兰需要的厚度:
t=(6*Nmax*Lai/[(D+2*Lai)*f]}A1/2=(6X8660X0、085/[(0、02+2X0、085)x215X
10A6]}A1/2=10、4(mm)<lt=20(mm),满足要求。
6、3加劲肋的确定
由受压区法兰盘的分布反力得到的剪力:
Vi=aRi*lRi*bcmax=91XQ135X1607x10A6(N)=41428(KN)
螺栓拉力产生的剪力为:V3=N3=8、66(KN)
加劲肋的高度与厚度分别为:hRi=0、20(m),tRi=0、02(m),则剪应力为:
TR=Vi/(hRi*tRi)=414284/(0、20XQ02)=10、357(MPa)
设加劲肋与横梁的竖向连接焊缝的焊脚尺寸hf=0、01(m),焊缝计算长度:lw=0、20(m),则
角焊缝的抗剪强度:
Tf=Vi/(2*0、7*he*lw)=41428、4/(2X0、7X0、01X0、20)=14、449(MPa)<160(MPa),
满足要求。
7柱脚强度验算
7、1受力情况
地脚受到的外部荷载:
铅垂力:G=丫0*丫G*G=1、0X0、9X12260、345=11034、311(N)
水平力:F=7054、252(N)
式中:丫G----永久荷载分项系数,此处取0、9
合成弯矩:M=44760、974(N*m)
扭矩:Mt=16599、647(N*m)
7、2底板法兰受压区的长度Xn
偏心距:e=M/G=44760、974/11034、311=4、057(m)
法兰盘几何尺寸:L=1、20(m);B=1、00(m);Lt=0、04(m)
地脚螺栓拟采用16M30规格,受拉侧地脚螺栓数目n=8,总的有效面积:
Ae=8X561=44、88(cmA2)
受压区的长度Xn根据下式试算求解:
XnA3+3*(e-L/2)*XnA2-6*n*Ae*(e+L/2-Lt)*(L-Lt-Xn)=0
XnA3+8、57*XnA2+0、995*Xn-1、154=0
求解该方程,得最佳值:Xn=0、309(m)
7、3底板法兰盘下的混凝土最大受压应力验算混凝土最大受压应力:
bc=2*G*(e+L/-Lt)/[B*Xn*(L-Lt-Xn/3)]
=2X11034311X(4057+1、20/2-0、04)/[1、00X0309X(120-0、04-0、
309/3)](Pa)
=0、312(MPa)<3c*fcc=(1、80x2、60/1、00x1、20)A0、5X11、90(MPa)=23、
501(MPa),满足要求!
7、4地脚螺栓强度验算
受拉侧地脚螺栓的总拉力:
Ta=G*(e-L2+Xn/3)/(L-Lt-Xn/3)
=11034、311X(4057-1、20/2+0、309/3)/(1、20-0、04-0、309/3)(N)
=37、156(KN)<n*T0=8X85、83=686、64(KN),满足要求。
7、5对水平剪力的校核
由法兰盘与混凝土的摩擦所产生的水平抗剪承载力为:
Vfb=k(G+Ta)=040X(11034+37、156)=19、276(KN)>F=7054(KN)
7、6柱脚法兰盘厚度验算
法兰盘肋板数目为8
对于三边支承板:
自由边长a2=0、313(m),固定边长b2=0、22(m)
b2/a2=0、704,查表得:a=0、087,因此,
M1=a*bc*(a2)A2=GD87X312125075X9313人2=2665、588(N*m/m)对于相邻支承
板:
自由边长a2=0、313(m),固定边长b2=0、377(m)
b2/a2=1、207,查表得:a=0、121,因此,
M2=a*bc*(a2)A2=021X312125075X。313人2=3698、299(N*m/m)取Mmax=
max(M1,M2)=max(2665、588,3698、299)=3698、299(N*m/m)法兰盘的厚度:
t=(6*Mmax/fb1)A0、5=[6x3698、299/(210x10人6)叶0、5(m)=10、3(mm)<
受拉侧法兰盘的厚度:
t=(6*Na*Lai/[(D+Lail+Lai)*fb1]}A0、5
=(6X4644、452X0、783/[(0、03+0、583+0、783)X210X10人6]}人0、5(m)=8、
6(mm)<20(mm),满足要求。
7、7地脚螺栓支撑加劲肋
由混凝土的分布反力得到的剪力:
Vi=ari*Lri*c=0、313X0、22X312125、075(N)=21、469(KN)>Ta/n=37、156/8=
4、644(KN),满足要求。
地脚螺栓支撑加劲肋的高度与厚度为:
高度Hri=0、40(m),厚度Tri=0>02(m)
剪应力为:c=Vi/(Hri*Tri)=21469、061/(0、40X0、02)=2、684(MPa)<fv=125、00(MPa),满足
要求。
加劲肋与标志立柱的竖向连接角焊缝尺寸Hf=0、013(mm),焊缝长度Lw=0、32(mm)
角焊缝的抗剪强度:c=Vi/(2*Hf*Lw)=21469、061/(2X0、013X0、32)=2、621(MPa)<
160(MPa),满足要求。
8基础验算
上层基础宽WF=1、80(m),高HF=240(m),长LF=2、60(m),下层基础宽WF=2、20(m),高HF
=d30(m),长LF=300(m)
基础的磔单位重量24、0(KN/MA3),基底容许应力290、0(KPa)
8、1基底应力验算
基底所受的外荷载为:
竖向荷载:N=Gf+G=317、088+12、26=329、348(KN)
,
式中:Gf----基础自重Gf=24、0X13、212=317、088(KN)
G----上部结构自重
水平荷载:H=7、054(KN)
弯矩:M=EFwbi(Hbi+Hf)+EFwpi(Hpi+Hf)=53、413(KN*m)
1)则基底应力的最大值为:
bmax=N/A+M/W=329、348/6、60+53、4133、30=66、087(kPa)<[<rf]=290、
00(kPa),满足要求。
式中:W----基底截面的抗弯模量,W=b*HA2/6
2)基底应力的最小值为:
bmin=N/A-M/W=329、348/6、60-53、413/3、30=33、716(KPa)>0满足要求。
8、2基础抗倾覆稳定性验算
K0=Lf/(2*e)=3、00/(2X0、162)=9、249>1、10,满足要求。
式中:e----基底偏心距,e=M/N=53412、707/329348、345=0、162(m)
8、3基础滑动稳定性验算
基础滑动稳定性系数:
Kc=Y]*N/F=0、30X329348、345/7054、252=14、006>1、20,满足要求。