交通标志结构设计计算书.docx

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1、悬臂式标志的结构设计计书1. 计算简图如下图所示2. 荷载计算永久荷载各计算式中系数1.1系考虑有关连接件及加劲肋等的重力而添加的。标志板单位面积质量为8.037kg/m2，其重力为：G1=4.4x2.4x 8.037 x9.8 x 1.1=0.9149(kN)横梁拟采用20203 x 6. 0钢管，单位面积质量为29.15kg/m2,其总重力为：G2=2 x 29.15 x 5.076 x 9.8 x 1.1=3.1901(kN)立柱拟采用0377 x 9. 0钢管，单位面积质量为81.68kg/m2,其总重为：G3=81.68 x 7.9 x 9.8 x 1.1=6.956(kN)标志上部

2、结构的总重力为：G=G1+G2+G3=0.9149+3.1901+6.956=11.061(kN)有关系数将视永久荷载效应对结构构件或连接的承重能力是否有利而选取。(2)风荷载标志板：F =y y (!pCV2)(W xW ,)/1000wb 0 Q 2b h=1.0 x 1.4 x (0.5 x 1.2258 x 1.2 x 40 A 2) x (4.4 x 2.4) /1000=17.397( KN)横梁：fwh 1=y0y*pCV酝(吧xHJ/1000=1.0 x 1.4 x (! x 1.2258 x 0.8 x 40 a 2) x (0.676 x 0.203 x 2) /10002

3、=0.301( KN)立柱：F =yy (ipCV2)(W xH ,)/1000WP 0 Q 2p1P1=1.0 x 1.4 x (0.5 x 1.2258 x 0.8 x 40 a 2) x (7.9 x 0.377) /1000=3.271(KN)3. 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之 半，其受力如图6.2。图6.2横梁受力图(尺寸单位：mm)单根横梁所承受荷载为:竖直荷载:G =yy G = 1.0x1.2x0915 = 0.549(kN)40 G 22G3190* =* 号/气=1.0x1.2x 3/5.076= 0.377(k

4、N / m)水平荷载：F = 4 = 173973 = 8.699(s ) wb 22w2 = F(2x)= 0.301/(2x 0.676)= 0.223(kN / m)(1)强度验算：横梁根部由重力引起的剪力为：Q 1 = G4 + w1 气=0.549 + 0.377 x 5.076 = 2.463 (kN)由重力引起的弯矩为：M = G (/ +1 )+ 呼=0.549 x(0.676 + 2.2)+ 0377 x 5.0762 = 6.436(kN - m) 14 2 322横梁根部由风引起的剪力为：Q = F b + 吧=8.699 + 0.223x 0.676 = 8.850(k

5、N)由风荷载引起的弯矩为：M = F (1 +1 )+ 些=8.699x(0.676 + 2.2)+ 0.223x 0.6762 = 25.069(kN - m) x1wb 2322横梁规格为4203x6.0，截面积为A=3.713x 10-3m2，截面惯性矩为I = 1.803x 10-5m4，抗弯截面模量为W = 1.776 x 10-4 m3横梁根部所受的合成剪力为：Q = ：Q+ Q=48.852 + 2.4632 = 9.186(kN)合成弯矩为：M = ：M+ M 2 =气25.0692 + 6.4362 = 25.882(kN - m)a. 最大正应力验算横梁根部的最大正应力为：

6、M 25.882x 103 f )(,)b = = 177610- = 145.7 VN / mm2 )y - f = 1.15 x 215 = 247 VN / mm2)b. 最大剪应力验算t= 2 x A = 2 x 3713 x；，= 4.948(N / mm2 ) f =125(N / mm2)c. 危险点应力验算 略。(2)变形验算垂直挠度为G / (y y )(l +1 )2w /(Y Y )l4f = -G23 (31 - l - l )+ -Gy6 EI1238EI6 x 206 x 109 x 1.803 x 10-50.377 / (1.0x 1.2)x 103 x 5.0

7、764=0.0091 (m )8 x 206 x 109 x 1.803 x 10-50.549 / (1.0 x 1.2)x 103 x(0.676 + 2.2)2 x(3 x 5.076 - 0.676 - 2.2)=+水平挠度为：F / (y y )(l +1 )2w /Gy )ll 2 (3l -1 )f = o2(3l -1 -1 )+ 0 - x 206 x 109 x 1.803 x 10-5 =0.0285 (m ) 合成挠度为： f =、*f 2 + f 2 = . 0.02852 + 0.00912 = 0.0299(m) x yf0 02991 f = = 0.00589

8、 =0.01333,满足要求. 5.076754. 立柱的设计计算 立柱所受荷载为： 垂直荷载 N =y 0y gG = 1.0 x 1.2 x 11.061 = 13.273 (kN ) 水平荷载 H = F 蚀 + F 心 + F 1 = 17.397 + 0.301 + 3.271 = 20.969 (kN ) 立柱根部由永久荷载引起的弯矩为： M = 2M 1 = 2 x 6.436 = 12.872 (kN - m) 由风荷载引起的弯矩为： M =(F + F )h + F x h/2 = (17.397 + 0.301)x 6.65 + 3.271 x 7.9/2 = 130.61

9、2 (kN - m ) 合成弯矩 M = M 2 + M 2 =司30.6122 +12.8722 = 131.245(kN - m) 由风荷载引起的扭矩为： M = 2M l = 2x 25.069 = 50.138(kN - m) 立柱规格为4 377 x 9.0，截面积为A=10500 mm 2，截面惯性矩为I = 1.762 x 108 mm4，抗弯截面模量为W = 9.350 x 105 mm3，截面回旋半径i = A = 130mm，极惯性矩为:_1_ x6 EI1 2 36EI8.699 / (1.0 x 1.4)x 103 x (0.676 + 2.2 x(3 x 5.076

10、- 0.676 - 2.2)=+6 x 206 x 109 x 1.803 x 10-50.223 / (1.0 x 1.4)x 103 x 0.6763 (3 x 5.076 - 0.676)I = 3.525 x108 mm4p（1）强度验算a. 最大正应力验算N M 13.273 x 103131.245 x1061=1A y - W105001.15 x 9.35 x 105=123.32（N / mm2 ） f = 215（N / mm2）b. 最大剪应力验算由剪力（水平荷载）引起的剪应力为:c H c 20.969 x 103f ）t= 2 x = 2 x= 3.994 N / m

11、m2）H maxA 10500由扭矩引起的剪应力为:t= Ml = 50.138x 106 x哥=26.811（N /mm2）tmaxI3.525 x 108t =t h +t= 3.994 + 26.811 = 30.805（N / mm2）c. 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N M 13.273 x 103 1 31.245 x 106）b=b = A + W = -10500+ 935 10= 141.633W / mm2） t =t = 26.811S / mm2）根据第四强度理论b； = Vb2 + 3t 2 = 141.6332 + 3 x 26.

12、8112 = 149.052（N / mm2 ） f = 215（N / mm2）d. 稳定性计算悬臂构件的长度系数R =2,立柱作为中心受压直杆时，其柔度为:人=凶么=_= 102，查表得稳定系数中=0.622i 0.130钢材弹性模量E = 206 x 103（N / mm2 ）欧拉临界应力为:N，=兀2EA/（L.1X2）=3.142 x 206x103 x 10500/（1.1x 1022）=1863.5（S）E等效弯矩系数P m=1.0P My W 1 - 0.8 xNNe J=124.79（N / mm2 ） f = 215（N / mm2）,满足精度要求N +9 A13.273

13、x 103+0.622 x 105001.0 x 131.245 x 1061.15x9.35x 105 xf1 -0.8x 13.273x 103I1863.5 x 103 J（2）变形验算F J G0YQhh4由风载标准值引起的立柱顶部的水平位移为:(F + F )/Q y )h2 ,、f =1_q_l-h )+kp6 EIi8EI(17.397 + 0.301)/ (1.0x 1.4)x 103 x 6.652 x(3x 7.9 - 6.65)=+6 x 206 x 109 x 1.762 x 10-43.271/ (1.0x 1.4)x 103 x 7.93=0.0477 (m )8

14、x 206 x 109 x 1.762 x 10-4f 0 047714p = 0.006043 = 0.013,满足要求。p 7.975立柱顶部由扭矩标准值产生的扭转角为：如M, /(y0yG)h _ 50.138/(1.0x 1.4)x 103 x7.9 一顷第(日)一 GI 79 x 109 x 3.525 x 10-4= .p从图6.1可以看出，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。前两个位移已经求出，第三个位移 近似根据0角与横梁长度相乘得到，因此该点总的水平位移为：f = f + f +0= 0.0285 +

15、0.0477 + 0.01016 x 5.076 = 0.1278(m)该点距路面高度h=7.9m。f = 0.1278 = 0.01617 = 0.02,满足要求h 7.950立柱在两根横梁之间部分由于横梁永久荷载产生的弯矩标准值而发生的转角为：12.872/(1.0x 1.2)x 103 x 6.650，=M /(y y )h /EI = 0.00197(rad)y 0 g1206 x 109 x 1.762 x 10-4单根横梁由此引起的垂直位移为：f，= 100，= 5.076 x 0.00197 = 0.00998 (m)横梁的垂直总位移为：f i= f + f，=0.0091+0.

16、00998=0.01908 (m )该挠度可作为设置横梁预拱度的依据。5. 立柱与横梁的连接(图6.3)连接螺栓拟采用A级普通螺栓8M24,查表得每个螺栓受拉承载力设计值Nb = 59.9kN , t受剪(单剪)承载力设计值为Nb = 76.9kN。Va)b)图6.3主柱与横梁的链接(尺寸单位：mm)a)螺栓孔及加劲肋位置图；b)加劲肋螺栓群重心处所受外力为：合成剪力Q=9.186kN，合成弯矩M=25.882kN - m每个螺栓所受的剪力为：N = g = 9! = 1.148 (kN )以横梁外壁与M方向平行的切线为旋转轴，各螺栓距旋转轴的距离分别为:螺栓 1： y = 0203 + 0.

17、155sin (14.85。 22.5。)= 0.081(m) 12螺栓 2： y2 = + 0.155sin (14.85。+ 22.5。)= 0.196(m)螺栓 3：约= + 0.155sin (14.85。+ 22.5x 3)= 0.255(m)螺栓 4：七=0203 + 0.155sin (14.85。+ 22.5ox 5)= 0.225(m)螺栓 5：约= + 0.155sin (14.85。+ 22.5x 7)= 0.122(m)螺栓 6： y6 = + 0.155sin (14.85。+ 22.5ox 9)= 0.007(m)螺栓 7：七= + 0.155sin (14.85。

18、+ 22.5ox 11)=0.052(m)螺栓 8： y8 = + 0.155sin (14.85。+ 22.5x 13)=0.022(m)由各y值可见，与距旋转轴的距离最远，其拉力N3 = EMyy2lMb为各螺栓拉力对旋转轴的力矩之和，则(2-1)N3 y,2式中， y2 = 0.0812 + 0.1962 +.+ 0.0072 = 0.176 l如图6.3所示，以过悬臂法兰盘圆心，分别与M方向重合和垂直的两根直线为x轴和y轴，设受压区最大压应力为。c max，则受压区压力对旋转轴产生的力矩为:（2-2）M =j 0b 项:0.22 一 弗人 y 一 0.1015）dy2压应力合力绝对值为

19、：.040Nc=22,(0.22 一 y2 )y(2-3)式（8.4.2-2）、式（8.4.2-3）中b。为距x轴y距离处法兰盘受压区的压应力，bcbc max0.203y20.40 0.203 22（2-4）根据法兰盘的平衡条件:M + M = MN = N于是y2 + 20.304bJ0.20 (y 一 0.1015)0.22 一 y2dy = My3cmax 0.101520.304bJ0.20 (y 一 0.1015)枢cmax 0.10153经整理:0.690N3 + 5.584 x 10-4b= 258823.475N3 一9.889x 10-3b= 0解得:N3 = 29.205

20、 (kN )b= 10.263 (N / mm 2)（1）螺栓强度验算+ f 义 j2 Nb k t /(29.205 j2+ k 59.9 /0.488 1,满足要求设悬臂法兰盘厚度20mm，则单个螺栓的承压承载力设计值为:Nb = 0.024 x 0.020 x 400 x 103 = 192 (kN ) cN = 1.148kN Nb,满足要求(2)法兰盘的确定受压侧受力最大的法兰盘区格，如图8.4.2-3所示的三边支承板，此时，自自由边长C 0.310 .a = 2 xsin22I El k 8=0.119 (m )1固定边长b =1(0.400 - 0.203)= 0.0985 (m

21、 )2 2、=0.0985 = 0.828,查表得 a =0.099 a20.119该区格内的最大弯矩为:M =ga2 = 0.099x 10.263x 103 x 0.1192 = 14.288(N - m / m)法兰盘所需厚度为：6 x 14.288 x 103=0.0197(m) 0.020m,满足要求。215 x 106l ：6M_tmaxfblb13号螺栓所在法兰盘区格为受拉侧受力最大的三边支承法兰盘，据此计算的法兰厚度为: 6 N l= ：(D + 2T) f1ai6x29.205x 103 x .310-0.2032x 215 x 106一 J心 c 0.310 - 0.203

22、 ) 0.0245 + 2 x k2 J=0.0182 (m ) 0.020 (m ),满足要求（3）加劲肋的确定由受压区法兰盘的分布反力得到剪力为:0.310(180。、/ 、V = a l c =x sin x 2 x 0.090 x 10.263 x 103 = 109.578 (kN)i Ri Ri c max 2k 8 j螺栓拉力所产生的剪力为匕=N3 = 29.205kN设加劲肋的高度和厚度分别为hRi= 0.150m, tRi= 0.010m剪应力为：t =- = 101.2 x 103 = 67.387 (N / mm2 ) f = 125 (N / mm2)，满足要求R hR

23、tR0.150 x 0.01v设加劲肋与横梁的竖向连接焊缝的焊脚尺寸hf = 8mm，焊缝计算长度妇=0.14m，则角焊缝的抗剪强度为:VT = if 2hl101.2 x 1032 x 0.7 x 0.008 x 0.14=64.456 侦 / mm2 ) 160 N / mm 2)，满足要求6.柱脚强度验算柱脚计算简图如图6.4所示。b)a)图6.4计算简图(尺寸单位：mm)a)加劲法兰盘；b)底座加劲肋(1) 受力情况垂直力 G =*丫 gG0 = 1.0 x 0.9 x 11.061 = 9.955(N )水平力 H = 20.969kN合成弯矩： = 5.63。,为间化计，认为以=0

24、 J12.872、M 130.612 / xrM =131.245kN 其偏角以=arctanI扭矩 M 广 50.138kN - m(2) 底板法兰盘受压区的长度xnM 131.245 偏心距 e =13.184 m)G 9.955法兰盘几何尺寸：L = 0.70m; B = 0.70m; L = 0.075mtE206 x 103基础米用C20混凝土，n = f = 8.078E 2.55 x 104地脚螺栓规格采用8M30，受拉侧3M30地脚螺栓的总有效面积为:Aa = 3 X 5.606 X10-4 = 16.818 x 10-4七根据下列试算求解:x3 + 3(e 一L/ 2)2 一

25、 6 (e + L/2-1 )(L-1 一x )= 00.70X3 + 3(13.184 一 0.70 / 2)x2 - 6 X 8.078，弋818 X10-4 (13.184 + 0.70 / 2 一 0.075) nnx(0.70-0.075-x )= 0x3 + 38.502x2 +1.567x 一 0.980 = 0x = 0.14026 (m )(3)底板法兰盘下的混凝土最大受压应力2G(e + L/2-1 )2x9.955x 103(13.184 + 0.7/2-0.075)b = c Bx (L-1 -x /3)0.70x0.140x(0.7-0.075-0.140/3)1,8

26、 X 2,1 x 10.0 = 27.775(N / mm2) c cc 0.7 X 0.7=4.728 (N / mm2 ) 0 f =(4) 地脚螺栓强度验算受拉侧地脚螺栓的总拉力为:G (e - L/2 + x /3)T =na L 1 x / 39.955 x 103 (13.184 - 0.70 / 2 + 0.140 / 3)0.7 - 0.075 - 0.140/3=221.718 (kN ) H = 20.969(kN),满足要求(6) 柱脚法兰盘厚度的验算a.受压侧对三边支承板：a = 0.228m2b = 0.1615m 2b2/ a2 = 0.1615/0.228 = 0

27、.708查表得：a= 0.088M =ab a2 = 0.088 x 4.728 x 103 x 0.2282 = 21.629 (kN -m / m )对两相邻边支承板：a = J0.2362 + 0.16152 = 0.286 (m)b = 0.1615 x sin55.6o = 0.133 (m )bj a? = 0.133/0.286 = 0.466查表得：a = 0.055M =g a2 = 0.055 x 4.728 x 103 x 0.2862 = 21.270(kN -m / m )取 M = 21.629 (kN - m / m )法兰盘的厚度为:t =6M6 x 2L629

28、 x 103 = 0.0255 (m ) 0.030 (m )200 x 106(0.377、0.032 + 2x 0.275_YL2 )/ mm 2)设加劲肋与标志立柱的竖向连接角焊缝的焊脚尺寸尸10mm,焊缝的计算长度b.受拉侧t = 6Na (D + 21 ) f6 x 221.718 x 103/3 x(0.275 0.377/2)lw = 0.25-0.01 = 0.24m，则角焊缝的抗剪强度为:V208.032x 103fJ,)J,)、“i = 61.914 (N / mm2 ) 160 VN / mm 2)，满足要求2hl2 x 0.7 x 0.010 x 0.248.基础验算设

29、基础由两层构成，上层宽匕=0.0296 (m ) N = 221.718 = 73.906(kN) Ri Ri cta3 地脚螺栓支承加劲肋的高度和厚度为:h = 0.25m; t = 0.015m.80 m，高*= 2.30m，长L“=招。”，下层宽=2.00m ,高%= 0.20m ,长匕2= a-工 V 208.032 x 103() , 剪应力为 t = 0250015 = 55.475 3 / mm2 ) f = 125.50m，如图皿-Ri Ri .所示设基础混凝土重度24kN / m3 ,基底容许应力WOkPaam3顽18二pro图6.5基础示意图(尺寸单位：mm)(1)基底所受

30、荷载竖向总荷载为：N = G+W = 11.061 +24(1.8x 2.4x3.3+2.0x0.2x3.5)=386.805(S)水平荷载H = 20.9693由风载引起的弯矩为：M =(F +F )(h +H +H )+F x(h/2 + H +H )% wbl whl 1 fl f2 wplfl f2=(17.397 + 0.301)x(6.65 + 2.30 + 0.20)+ 3.271x(7.90 / 2 + 2.30 + 0.20)=183.035(Sm)由永久荷载引起的弯矩M =12.872Sv（2）基底应力验算按轴心受压计算的基底平均应力为：=匡=386.805 二 55.25

31、8（/。） f =1。（*口）,满足要求 k A 2.0x3.5基底应力最大值为：N M MP =1们max 人 耳/x y=+ 83.035 +12.872=105599（）2.0x3.5 J_x2.0x3.52 -x 3.5x2.02661.2/ =l2Q（kPa）,满足要求最小值为:%=卜卜心7（以）。（3）基础倾覆稳定性验算e = M = 183,035 = 0.473 (m); e =性=12872 = 0.0333(m) x N 386.805y N 386.805，2 + e 2 =0.4732 + 0.03332 = 0.474(m)3.50= 3.71.2e 0.473抗倾覆稳定系数K0Xe0(4) 基础滑动稳定性验算基础底面与地基土之间的摩擦系数为0.30，则基础抗滑动稳定性系数为:0.30 x 386.80520.969=5.5341.20,满足要求