360×120标志结构设计计算书(共17页).doc

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1、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=4.328.109.80=

2、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=4.8828.8399.802=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=8.2091.8749.80=7382.995(N) 式

3、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=1.01.4(0.51.22581.225.5472)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

4、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=1.01.4(0.51.22580.8025.5472)0.1520.811=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=1.01.4(0.51.22580.8025.5472)0.3778.20=1384.977(N) 式中：C-立柱

5、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=1.01.2342.922/2=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)=1.01.22757.551/(24.88)=339.147(N) 式中：L-横梁的总长度 (标志牌风荷

6、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 + 339.1474.31 = 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 = 171.4612.611 + 339.1474.312/2 = 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+55.26

7、1=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 = 1451.5522.611 + 68.0970.312 = 3813.149(N*M) 横梁规格为1528，截面面积A=3.61910-3(m2)，截面惯性矩I=9.4110-6(m4)，截面抗弯模量W=1.23810-4(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

8、+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/(1.23810-4)= 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= 22247.813/(3.61910-3)= 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 + 3max2)1/2= (42.3552 + 31.2422)1/2=

9、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) = 205.7532.6112(34.31-2.611)/(1.01.26210.001099.4110-6) + 339.1474.314/(1.01.28210.001099.4110-6) = 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*L2

10、3*(3Lh-l2)/(0*G*6*E*I) = 1451.5522.6112(34.31-2.611)/(1.01.26210.001099.4110-6) + 68.0970.8123(34.31-0.812)/(1.01.26210.001099.4110-6) = 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

11、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= 1.001.2011531.814= 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= 3599.9812= 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(

12、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= 23813.149= 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37710，截面积为A=1.15310-2(m2)，截面惯性矩为I=1.94310-4(m4)，抗弯截面模量为W=1.03110-3(m3)，截面回转半径i=0.13(m)，极惯性矩为Ip=3.88510-4(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= 28.20/0.

13、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/(1.15310-2)(Pa)= 1.20(MPa) 由弯矩引起的压应力： w= M/W= 28113.213/(1.03110-3)(Pa)= 27.28(MPa) 组合应力:max= c+w= 1.20+27.28= 28.48(MPa) c/(*d)+c/d= 1.20/(0.457215)+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= 24398.603/(1.15310-

14、2)(Pa)= 0.763(MPa) 由扭矩引起的剪力： tmax= Mt*D/(2*Ip)= 7626.2980.377/(23.88510-4)(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+34.4632)1/2= 29.511(MPa) d= 215(MPa)，满足要求。

15、 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(38.20-7.133)/(1.001.4062101091.94310-4) + 1384.9778.203/(1.001.4082101091.94310-4) = 0.0095(m) fp/D= 0.0095/8.20= 0.001 0.01，满足要求。 立柱顶部由扭

16、矩标准值产生的扭转角为： =Mt*h/(0*Q*G*Ip)= 7626.2988.20/(1.001.40)791093.88510-4= 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+0.00154.60= 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)= 7

17、199.9627.133/(1.001.202101091.94310-4)= 0.001(rad) 单根横梁由此引起的垂直位移为: fy=*l1= 0.0014.31= 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

18、.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 + 0.161sin(0.757- 10.2618)= 0.152(m) 螺栓2：y2= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 10.2618)= 0.213(m) 螺栓3：y3= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 30.2618)= 0.237(m) 螺栓4：y4= 0.152/2 + 0

19、.161sin(0.757+ 50.2618)= 0.218(m) 螺栓5：y5= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 70.2618)= 0.16(m) 螺栓6：y6= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 90.2618)= 0.081(m) 螺栓7：y7= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 110.2618)= 0.00(m) 螺栓8：y8= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 130.2618)= -0.061(m) 螺栓9：y9= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 150.2618)= -0.085(m

20、) 螺栓10：y10= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 170.2618)= -0.066(m) 螺栓11：y11= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 190.2618)= -0.008(m) 螺栓12：y12= 0.152/2 + 0.161sin(0.757+ 210.2618)= 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

21、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= 0.0140.02400103

22、= 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= 0.0880.8580.1912= 2.743(KNM) 法兰盘的厚度： t= (6*Mmax/f)1/2= 62743.384/(215106)1/2= 8.75(mm) lt=

23、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= 647700.085/(0.02+20.085)2151061/2 = 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= 0.1910.1358.581105(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

24、.200.02)= 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/(20.70.010.20)= 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=1.00.911531.814 = 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

25、(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 = 45.61 = 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

26、.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) = 210378.633(2.709 + 1.20/2 -0.04) / 1.000.19(1.20 - 0.04 - 0.19/3)(Pa) = 0.325(MPa) c*fcc = (1.241.24 / 1.001.20)0.511.90(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) =

27、 10378.633(2.709 - 1.20/2 + 0.19/3) / (1.20 - 0.04 - 0.19/3)(N) = 20.559(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 = 0.087.4650.3132 = 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

28、= 1.207，查表得： = 0.121, 因此， M2 = *c*(a2)2 = 0.121.4650.3132 = 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 = 63853.523/(210106)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 = 65139.6510.783/(0.03

29、+0.583+0.783)2101060.5(m) = 9.1(mm) 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/(0.400.02) = 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/(20.0130.3

30、2) = 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=24.02.712=65.08(KN) G-上部结构自重 水平荷载：H = 4

31、.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)= 41.6331.34/(41.633+126.966) = 0.331(m) 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 = 0.3076611.366/4398.603 = 5.225 1.20, 满足要求。专心-专注-专业