360×120标志结构设计计算书(共17页).doc
精选优质文档-倾情为你奉上单悬臂式标志结构设计计算书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=3.6(m),高度 h=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/m2) 1.2 横梁数据 横梁的总长度:4.88(m),外径:152(mm),壁厚:8(mm),横梁数目:2,间距:0.6(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 标志板重量:Gb=A*g=4.32×8.10×9.80=342.922(N) 式中:A-标志板面积 -标志板单位面积重量 g-重力加速度,取9.80(m/s2) 2)横梁重量计算 横梁数目2,总长度为4.88(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*g*n=4.88×28.839×9.80×2=2757.551(N) 式中:L-横梁的总长度 -横梁单位长度重量 g-重力加速度,取9.80(m/s2) 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*g=8.20×91.874×9.80=7382.995(N) 式中:L-立柱的总长度 -立柱单位长度重量 g-重力加速度,取9.80(m/s2) 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)=1.10×(342.922+2757.551+7382.995)=11531.814(N) 3.2 风荷载 1)标志板所受风荷载 标志板A所受风荷载: Fwb=0*Q*(1/2*C*V2)*A=1.0×1.4×(0.5×1.2258×1.2×25.5472)×4.32=2903.103(N) 式中:0-结构重要性系数,取1.0 Q-可变荷载分项系数,取1.4 -空气密度,一般取1.2258(N*S2*m-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/s2) g-重力加速度,取9.80(m/s2) 2)横梁所迎风面所受风荷载: Fwh=0*Q*(1/2*C*V2)*W*H=1.0×1.4×(0.5×1.2258×0.80×25.5472)×0.152×0.811=55.261(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=0*Q*(1/2*C*V2)*W*H=1.0×1.4×(0.5×1.2258×0.80×25.5472)×0.377×8.20=1384.977(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=0*G*Gb/n=1.0×1.2×342.922/2=205.753(N) 式中:0-结构重要性系数,取1.0 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:1=0*G*Gh/(n*L)=1.0×1.2×2757.551/(2×4.88)=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=2903.103/2=1451.552(N) 4.1 强度验算 横梁根部由重力引起的剪力为: QG=G4+1*Lh = 205.753 + 339.147×4.31 = 1667.987(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=Gb*Lb+1*Lh2/2 = 171.461×2.611 + 339.147×4.312/2 = 3599.981(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= 1451.552+55.261=1506.813(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= Fwbi*Lwbi + Fwhi*Lwhi = 1451.552×2.611 + 68.097×0.312 = 3813.149(N*M) 横梁规格为152×8,截面面积A=3.619×10-3(m2),截面惯性矩I=9.41×10-6(m4),截面抗弯模量W=1.238×10-4(m3) 横梁根部所受到的合成剪力为:Qh= (QG2+Qw2)1/2= (1667.9872+1506.8132)1/2= 2247.813(N) 合成弯矩:Mh= (MG2+Mw2)1/2= (3599.9812+3813.1492)1/2= 5244.041(N*M) 1)最大正应力验算 横梁根部的最大正应力为: max= M/W= 5244.041/(1.238×10-4)= 42.355(MPa) < d = 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: max= 2*Q/A= 2×2247.813/(3.619×10-3)= 1.242(MPa) < d = 125(MPa),满足要求。 3)危险点应力验算 根据第四强度理论,、近似采用最大值即: 4= (max2 + 3×max2)1/2= (42.3552 + 3×1.2422)1/2= 42.41(MPa) < d= 215(MPa),满足要求。 4.2 变形验算 横梁端部的垂直挠度: fy = Gb*lb2*(3*Lh-lb)/(0*G*6*E*I) + 1*Lh4/(0*G*8*E*I) = 205.753×2.6112×(3×4.31-2.611)/(1.0×1.2×6×210.00×109×9.41×10-6) + 339.147×4.314/(1.0×1.2×8×210.00×109×9.41×10-6) = 7.196(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 = Fwb*lb2*(3Lh-lb)/(0*G*6*E*I) + 2*L23*(3Lh-l2)/(0*G*6*E*I) = 1451.552×2.6112×(3×4.31-2.611)/(1.0×1.2×6×210.00×109×9.41×10-6) + 68.097×0.8123×(3×4.31-0.812)/(1.0×1.2×6×210.00×109×9.41×10-6) = 7.214(mm) 合成挠度: f= (fx2 + fy2)1/2= (7.2142 + 7.1962)1/2= 10.189(mm) f/Lh = 0./4.31= 0.0024 < 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和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、横梁和标志板重力引起的弯矩、风荷载引起的弯矩、横梁和标志板风荷载引起的扭矩。 垂直荷载:N= 0*G*G= 1.00×1.20×11531.814= 13838.177(N) 水平荷载:H= Fwb+Fwh+Fwp= 2903.103+110.522+1384.977= 4398.603(N) 立柱根部由永久荷载引起的弯矩: MG= MGh*n= 3599.981×2= 7199.962(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= Fwb*Hb+Fwh*Hh+Fwp*Hp/2= 20708.802 + 788.392 + 5678.407= 27175.601(N*m) 合成弯矩 M= (MG2+Mw2)1/2= (7199.9622+27175.6012)1/2=28113.213(N*m) 由风荷载引起的扭矩: Mt= n*Mwh= 2×3813.149= 7626.298(N*m) 式中:Mwh-横梁由于风荷载而产生的弯矩 立柱规格为377×10,截面积为A=1.153×10-2(m2),截面惯性矩为I=1.943×10-4(m4),抗弯截面模量为W=1.031×10-3(m3),截面回转半径i=0.13(m),极惯性矩为Ip=3.885×10-4(m4) 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: =*Hp/i= 2×8.20/0.13= 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: c= N/A= 13838.177/(1.153×10-2)(Pa)= 1.20(MPa) 由弯矩引起的压应力: w= M/W= 28113.213/(1.031×10-3)(Pa)= 27.28(MPa) 组合应力:max= c+w= 1.20+27.28= 28.48(MPa) c/(*d)+c/d= 1.20/(0.457×215)+27.28/215= 0.139 < 1,满足要求。 2)最大剪应力验算 水平荷载引起的剪力: Hmax= 2*H/A= 2×4398.603/(1.153×10-2)(Pa)= 0.763(MPa) 由扭矩引起的剪力: tmax= Mt*D/(2*Ip)= 7626.298×0.377/(2×3.885×10-4)(Pa)= 3.70(MPa) 合成剪力:max=Hmax+tmax= 0.763+3.70= 4.463(MPa) < d= 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 =max= 28.48(MPa), =max= 4.463(MPa) 根据第四强度理论: 4= (2+3*2)1/2= (28.482+3×4.4632)1/2= 29.511(MPa) < d= 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、标志牌和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)*h12*(3*h-h1)/(0*Q*6*E*I) + Fwp1*h3/(0*Q*8*E*I) = (2903.103+110.522)×7.1332×(3×8.20-7.133)/(1.00×1.40×6×210×109×1.943×10-4) + 1384.977×8.203/(1.00×1.40×8×210×109×1.943×10-4) = 0.0095(m) fp/D= 0.0095/8.20= 0.001 < 0.01,满足要求。 立柱顶部由扭矩标准值产生的扭转角为: =Mt*h/(0*Q*G*Ip)= 7626.298×8.20/(1.00×1.40)×79×109×3.885×10-4= 0.0015(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+*l1= 0.007+0.0095+0.0015×4.60= 0.023(m) 该点距路面高度为7.20(m) f/h= 0.023/7.20= 0.003 < 0.017,满足要求。 由结构自重而产生的转角为: =My*h1/(0*G*E*I)= 7199.962×7.133/(1.00×1.20×210×109×1.943×10-4)= 0.001(rad) 单根横梁由此引起的垂直位移为: fy'=*l1= 0.001×4.31= 0.0045(m) 横梁的垂直总位移为: fh=fy+fy'= 0.007+0.0045= 0.012(m) 该挠度可以作为设置横梁预拱度的依据。6 立柱和横梁的连接 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=2.248(KN),合成弯矩M=5.244(KN*M) 每个螺栓所承受的剪力为:Nv=Q/n= 2.248/12= 0.187(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: =atan(MG/Mw)= atan(3599.98/3813.15)= 0.757(rad)= 43.35° 则各螺栓距旋转轴的距离分别为: 螺栓1:y1= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757- 1×0.2618)= 0.152(m) 螺栓2:y2= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 1×0.2618)= 0.213(m) 螺栓3:y3= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 3×0.2618)= 0.237(m) 螺栓4:y4= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 5×0.2618)= 0.218(m) 螺栓5:y5= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 7×0.2618)= 0.16(m) 螺栓6:y6= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 9×0.2618)= 0.081(m) 螺栓7:y7= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 11×0.2618)= 0.00(m) 螺栓8:y8= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 13×0.2618)= -0.061(m) 螺栓9:y9= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 15×0.2618)= -0.085(m) 螺栓10:y10= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 17×0.2618)= -0.066(m) 螺栓11:y11= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 19×0.2618)= -0.008(m) 螺栓12:y12= 0.152/2 + 0.161×sin(0.757+ 21×0.2618)= 0.071(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和为: Mb=N3*yi2/y3 其中:yi2= 0.2095(m2) yi= 1.1326(m) 受压区对旋转轴产生的力矩为: Mc=c*(2*(R2-r2)1/2)*(y-r)dy 式中:c-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=c*(2*(R2-r2)1/2)dy 又c/cmax = (y-r)/(R-r) 根据法兰的平衡条件:Mb+Mc=M, Nc=Ni,求解得: N3=4.77(KN) cmax=0.858(MPa) 6.1 螺栓强度验算 (Nv/Nv)2 + (Nmax/Nt)2)1/2= (0.187/25.06)2 + (4.77/17.59)2)1/2= 0.271 < 1,满足要求。 悬臂法兰盘的厚度是20mm,则单个螺栓的承压承载力设计值: Nc= 0.014×0.02×400×103= 112(KN), Nv=0.187(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)×sin(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,=0.088,因此该区隔内最大弯矩为: Mmax = *cmax*a22= 0.088×0.858×0.1912= 2.743(KNM) 法兰盘的厚度: t= (6*Mmax/f)1/2= 6×2743.384/(215×106)1/2= 8.75(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)*f1/2= 6×4770×0.085/(0.02+2×0.085)×215×1061/2 = 7.72(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*cmax= 0.191×0.135×8.581×105(N)= 22.117(KN) 螺栓拉力产生的剪力为:V3=N3= 4.77(KN) 加劲肋的高度和厚度分别为:hRi= 0.20(m), tRi= 0.02(m),则剪应力为: R= Vi/(hRi*tRi)= 22116.6/(0.20×0.02)= 5.529(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: f= Vi/(2*0.7*he*lw)= 22116.6/(2×0.7×0.01×0.20)= 7.714(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= 0*G*G=1.0×0.9×11531.814 = 10378.633(N) 水平力:F=4398.603(N) 式中:G-永久荷载分项系数,此处取0.9 合成弯矩:M=28113.213(N*m) 扭矩:Mt= 7626.298(N*m) 7.2 底板法兰受压区的长度Xn 偏心距:e= M/G= 28113.213/10378.633= 2.709(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10M30规格,受拉侧地脚螺栓数目n=4,总的有效面积: Ae = 4×5.61 = 22.44(cm2) 受压区的长度Xn根据下式试算求解: Xn3 + 3*(e-L/2)*Xn2 - 6*n*Ae*(e+L/2-Lt)*(L-Lt-Xn) = 0 Xn3 + 4.526*Xn2 + 0.176*Xn - 0.204 = 0 求解该方程,得最佳值:Xn = 0.19(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: c= 2 * G * (e + L/2 - Lt) / B * Xn * (L - Lt - Xn/3) = 2×10378.633×(2.709 + 1.20/2 -0.04) / 1.00×0.19×(1.20 - 0.04 - 0.19/3)(Pa) = 0.325(MPa) < c*fcc = (1.24×1.24 / 1.00×1.20)0.5×11.90(MPa)=13.47(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 - L/2 + Xn/3) / (L - Lt - Xn/3) = 10378.633×(2.709 - 1.20/2 + 0.19/3) / (1.20 - 0.04 - 0.19/3)(N) = 20.559(KN) < n*T0 = 4×110.35 = 441.40(KN),满足要求。 7.5 对水平剪力的校核 由法兰盘和混凝土的摩擦所产生的水平抗剪承载力为: Vfb= k(G+Ta)= 0.40×(10.379+20.559)= 12.375(KN) > F = 4.399(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: = 0.087, 因此, M1 = *c*(a2)2 = 0.087×.465×0.3132 = 2777.467(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: = 0.121, 因此, M2 = *c*(a2)2 = 0.121×.465×0.3132 = 3853.523(N*m/m) 取Mmax = max(M1, M2) = max(2777.467, 3853.523) = 3853.523(N*m/m) 法兰盘的厚度: t = (6*Mmax/fb1)0.5 = 6×3853.523/(210×106)0.5 (m) = 10.5(mm) < 20(mm), 满足要求。 受拉侧法兰盘的厚度: t = 6 * Na * Lai / (D + Lai1 + Lai) * fb1 0.5 = 6×5139.651×0.783/(0.03+0.583+0.783)×210×1060.5(m) = 9.1(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 = ri * Lri * c = 0.313×0.22×.465(N) = 22.37(KN) > Ta/n= 20.559/4= 5.14(KN), 满足要求。 地脚螺栓支撑加劲肋的高度和厚度为: 高度 Hri = 0.40(m), 厚度 Tri = 0.02(m) 剪应力为:= Vi/(Hri*Tri) = 22370.152/(0.40×0.02) = 2.796(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: = Vi/(2*Hf*Lw) = 22370.152/(2×0.013×0.32) = 2.731(MPa) < 160(MPa), 满足要求。8 基础验算 上层基础宽 WF = 1.24(m), 高 HF = 1.53(m), 长 LF = 1.24(m),下层基础宽 WF = 1.34(m), 高 HF = 0.20(m), 长 LF = 1.34(m) 基础的砼单位重量24.0(KN/M3),基底容许应力20000.0(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 = 65.08 + 11.532 = 76.611(KN) 式中:Gf-基础自重,Gf=24.0×2.712=65.08(KN) G-上部结构自重 水平荷载:H = 4.399(KN) 弯矩:M = Fwbi(Hbi+Hf)+Fwpi(Hpi+Hf) = 33.806(KN*m) 1)则基底应力的最大值为: max = N/A+M/W = 76.611/1.796+33.806/0.401 = 126.966(kPa) < f = 20000.00(kPa), 满足要求。 式中:W-基底截面的抗弯模量,W=b*H2/6 2)基底应力的最小值为: min = N/A-M/W = 76.611/1.796-33.806/0.401 = -41.633(KPa) < 0 基底出现了负应力,负应力的分布宽度为: Lx =|min|*Lf / (|min|+max)= 41.633×1.34/(41.633+126.966) = 0.331(m) < Lf/4 = 1.34/4 = 0.335(m),满足要求。 8.2 基础抗倾覆稳定性验算 K0 = Lf/(2*e) = 1.34/(2×0.441) = 1.518 > 1.10, 满足要求。 式中:e-基底偏心距,e=M/N=33805.589/76611.366=0.441(m) 8.3 基础滑动稳定性验算 基础滑动稳定性系数: Kc = *N/F = 0.30×76611.366/4398.603 = 5.225 > 1.20, 满足要求。专心-专注-专业