单悬臂式标志牌结构设计计算书范本模板.docx

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单悬臂式标志牌结构设计计算书范本模板

单悬臂式标志牌结构设计计算书

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=7。

0（m），高度h=3.5（m），净空H=5.65（m）

标志板材料:

内置照明。

单位面积重量:

19。

999998（kg/m^2）

1。

2横梁数据

横梁的总长度：

8。

28（m），外径：

203（mm），壁厚：

10（mm），横梁数目:

2，间距：

2。

5（m）

1.3立柱数据

立柱的总高度：

9.48（m），立柱外径：

377（mm），立柱壁厚：

12（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*ρ＊g=24。

50×19。

999998×9.80=4802.00（N）

式中：

A——--标志板面积

ρ———-标志板单位面积重量

g——--重力加速度,取9.80（m/s^2）

2）横梁重量计算

横梁数目2，总长度为8.28（m），使用材料：

奥氏体不锈钢无缝钢管，单位长度重量：

48。

315（kg/m）

横梁总重量：

Gh=L*ρ＊g＊n=8。

28×48.315×9.80×2=7844.332（N）

式中：

L--——横梁的总长度

ρ--——横梁单位长度重量

g-———重力加速度，取9。

80（m/s^2）

3）立柱重量计算

立柱总长度为9.48（m），使用材料：

奥氏体不锈钢无缝钢管,单位长度重量：

109。

649（kg/m）

立柱重量：

Gp=L*ρ＊g=9.48×109.649×9。

80=10186。

787（N）

式中：

L—---立柱的总长度

ρ—-——立柱单位长度重量

g----重力加速度，取9.80（m/s^2）

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×（4802.00+7844.332+10186.787）=25116。

429（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=γ0*γQ＊［（1/2*ρ＊C＊V^2）*A]=1.0×1。

4×［（0.5×1.2258×1。

2×22.00^2）×24。

50］=12209.851（N）

式中:

γ0———-结构重要性系数，取1。

0

γQ----可变荷载分项系数，取1。

4

ρ—--—空气密度,一般取1。

2258（N*S^2*m^-4）

C————标志板的风力系数，取值1.20

V--—-风速，此处风速为22.00（m/s^2）

g-—--重力加速度，取9.80（m/s^2）

2）横梁所迎风面所受风荷载：

Fwh=γ0*γQ＊［（1/2＊ρ＊C*V^2）＊W*H］=1.0×1.4×[（0。

5×1。

2258×0。

80×22.00^2）×0。

203×0.811]=54。

732（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=γ0*γQ*[（1/2＊ρ＊C＊V^2）*W*H]=1。

0×1。

4×［（0.5×1。

2258×0.80×22。

00^2）×0.377×9。

48]=1187。

415（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=γ0＊γG*Gb/n=1.0×1.2×4802.00/2=2881.20（N）

式中:

γ0-—-—结构重要性系数，取1.0

γG-—--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：

ω1=γ0*γG*Gh/（n*L）=1。

0×1.2×7844。

332/（2×8。

28）=568.19（N）

式中：

L——-—横梁的总长度

（标志牌风荷载）

水平荷载：

Fwbh=Fwb/n=12209.851/2=6104.925（N）

4.1强度验算

横梁根部由重力引起的剪力为:

QG=G4+ω1*Lh=2881.20+568.19×7。

71=7262.794（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=ΣGb*Lb+ω1*Lh^2/2

=2401。

00×4.311+568。

19×7。

71^2/2

=27246。

243（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=6104.925+54。

732=6159。

657（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=ΣFwbi＊Lwbi+ΣFwhi*Lwhi

=6104。

925×4.311+67。

445×0.312

=26343.593（N*M）

横梁规格为φ203×10,截面面积A=6。

063×10^-3（m^2），截面惯性矩I=2.831×10^-5（m^4），截面抗弯模量W=2。

789×10^-4（m^3）

横梁根部所受到的合成剪力为：

Qh=（QG^2+Qw^2）^1/2=（7262.794^2+6159.657^2）^1/2=9523。

106（N）

合成弯矩：

Mh=（MG^2+Mw^2）^1/2=（27246。

243^2+26343。

593^2）^1/2=37899。

111（N＊M）

1）最大正应力验算

横梁根部的最大正应力为:

σmax=M/W=37899.111/（2。

789×10^—4）=135。

894（MPa）〈［σd]=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：

τmax=2*Q/A=2×9523.106/（6。

063×10^-3）=3。

141（MPa）<[τd]=125（MPa），满足要求.

3）危险点应力验算

根据第四强度理论，σ、τ近似采用最大值即:

σ4=（σmax^2+3×τmax^2）^1/2=（135.894^2+3×3。

141^2）^1/2=136。

002（MPa）<［σd］=215（MPa），满足要求.

4.2变形验算

横梁端部的垂直挠度：

fy=ΣGb*lb^2*（3＊Lh-lb）/（γ0*γG*6*E*I）+ω1＊Lh^4/（γ0*γG*8*E*I）

=2881.20×4。

311^2×（3×7.71-4。

311）/（1。

0×1.2×6×210.00×10^9×2。

831×10^-5）

+568。

19×7。

71^4/（1.0×1。

2×8×210。

00×10^9×2.831×10^-5）

=58。

764（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=ΣFwb＊lb^2＊（3Lh—lb）/（γ0＊γG＊6＊E＊I）+ω2*L2^3*（3Lh-l2）/（γ0＊γG*6＊E*I）

=6104。

925×4.311^2×（3×7。

71—4.311）/（1。

0×1。

2×6×210。

00×10^9×2.831×10^-5）

+67。

445×0.812^3×（3×7.71—0.812）/（1。

0×1.2×6×210。

00×10^9×2。

831×10^-5）

=49。

928（mm）

合成挠度：

f=（fx^2+fy^2）^1/2=（49.928^2+58.764^2）^1/2=77.11（mm）

f/Lh=0.07711/7。

71=0。

01<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=γ0＊γG＊G=1。

00×1。

20×25116.429=30139。

715（N）

水平荷载:

H=Fwb+Fwh+Fwp=12209。

851+109.463+1187。

415=13506。

729（N）

立柱根部由永久荷载引起的弯矩：

MG=MGh*n=27246。

243×2=54492.487（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=ΣFwb*Hb+ΣFwh*Hh+Fwp＊Hp/2=90352。

894+810.027+5628。

349=96791.27（N*m）

合成弯矩

M=（MG^2+Mw^2）^1/2=（54492。

487^2+96791.27^2）^1/2=111076.465（N＊m）

由风荷载引起的扭矩:

Mt=n＊Mwh=2×26343.593=52687.185（N*m）

式中：

Mwh———-横梁由于风荷载而产生的弯矩

立柱规格为φ377×12，截面积为A=1。

376×10^-2（m^2），截面惯性矩为I=2.294×10^—4（m^4）,抗弯截面模量为W=1.217×10^—3（m^3）,截面回转半径i=0.129（m），极惯性矩为Ip=4.588×10^—4（m^4）

立柱一端固定，另一端自由，长度因数μ=2.作为受压直杆时，其柔度为:

λ=μ*Hp/i=2×9.48/0.129=147，查表,得稳定系数φ=0.351

5.1强度验算

1）最大正应力验算

轴向荷载引起的压应力：

σc=N/A=30139。

715/（1.376×10^-2）（Pa）=2。

19（MPa）

由弯矩引起的压应力:

σw=M/W=111076。

465/（1。

217×10^—3）（Pa）=91.273（MPa）

组合应力：

σmax=σc+σw=2。

19+91。

273=93.464（MPa）

σc/（φ＊σd）+σc/σd=2.19/（0.351×215）+91.273/215=0.454<1，满足要求。

2）最大剪应力验算

水平荷载引起的剪力:

τHmax=2＊H/A=2×13506。

729/（1.376×10^—2）（Pa）=1.963（MPa）

由扭矩引起的剪力：

τtmax=Mt＊D/（2*Ip）=52687.185×0。

377/（2×4。

588×10^-4）（Pa）=21。

647（MPa）

合成剪力：

τmax=τHmax+τtmax=1。

963+21.647=23。

61（MPa）〈[τd]=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

σ=σmax=93.464（MPa），τ=τmax=23。

61（MPa）

根据第四强度理论：

σ4=（σ^2+3＊τ^2）^1/2=（93。

464^2+3×23.61^2）^1/2=102.019（MPa）<［σd]=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）＊h1^2*（3*h-h1）/（γ0＊γQ＊6*E*I）+Fwp1＊h^3/（γ0＊γQ＊8＊E＊I）

=（12209.851+109.463）×7。

40^2×（3×9。

48-7。

40）/（1。

00×1.40×6×210×10^9×2.294×10^—4）

+1187。

415×9.48^3/（1.00×1。

40×8×210×10^9×2.294×10^-4）

=0.037（m）

fp/D=0.037/9。

48=0.004〈0。

01，满足要求.

立柱顶部由扭矩标准值产生的扭转角为：

θ=Mt＊h/（γ0*γQ＊G＊Ip）=52687。

185×9.48/（1。

00×1.40）×79×10^9×4。

588×10^-4=0。

0098（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+θ*l1=0。

05+0.037+0。

0098×8.00=0.166（m）

该点距路面高度为9.15（m）

f/h=0.166/9。

15=0.018〉0。

01，不满足要求！

由结构自重而产生的转角为：

θ=My＊h1/（γ0＊γG＊E*I）=54492。

487×7。

40/（1.00×1.20×210×10^9×2.294×10^—4）=0.007（rad）

单根横梁由此引起的垂直位移为:

fy’=θ*l1=0。

007×7。

71=0。

0538（m）

横梁的垂直总位移为:

fh=fy+fy'=0。

059+0.0538=0.113（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8M30，查表,每个螺栓受拉承载力设计值[Nt］=85.83（KN），受剪承载力设计值［Nv]=122。

24（KN）

螺栓群处所受的外力为：

合成剪力Q=9.523（KN），合成弯矩M=37。

899（KN＊M）

每个螺栓所承受的剪力为：

Nv=Q/n=9.523/8=1.19（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：

α=atan（MG/Mw）=atan（27246。

24/26343.59）=0。

802（rad）=45.96°

则各螺栓距旋转轴的距离分别为:

螺栓1：

y1=0.203/2+0。

161×sin（0.802-1×0。

3927）=0。

166（m）

螺栓2：

y2=0。

203/2+0.161×sin（0。

802+1×0.3927）=0.251（m）

螺栓3：

y3=0.203/2+0.161×sin（0。

802+3×0.3927）=0.249（m）

螺栓4：

y4=0.203/2+0.161×sin（0.802+5×0.3927）=0。

161（m）

螺栓5：

y5=0。

203/2+0.161×sin（0。

802+7×0。

3927）=0。

037（m）

螺栓6：

y6=0.203/2+0.161×sin（0.802+9×0.3927）=—0。

048（m）

螺栓7：

y7=0.203/2+0。

161×sin（0.802+11×0.3927）=-0.046（m）

螺栓8：

y8=0。

203/2+0.161×sin（0.802+13×0.3927）=0。

042（m）

螺栓2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=N2＊Σyi^2/y2

其中:

Σyi^2=0.1816（m^2）

Σyi=0.9064（m）

受压区对旋转轴产生的力矩为：

Mc=∫σc＊（2*（R^2-r^2）^1/2）*（y-r）dy

式中：

σc--——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0.102（m）

压应力合力绝对值：

Nc=∫σc*（2＊（R^2-r^2）^1/2）dy

又σc/σcmax=（y-r）/（R-r）

根据法兰的平衡条件：

Mb+Mc=M，Nc=ΣNi,求解得:

N2=44。

348（KN）

σcmax=7。

898（MPa）

6。

1螺栓强度验算

（（Nv/［Nv]）^2+（Nmax/［Nt］）^2）^1/2=（（1.19/122.24）^2+（44.348/85.83）^2）^1/2=0。

517〈1,满足要求.

悬臂法兰盘的厚度是30mm，则单个螺栓的承压承载力设计值:

Nc=0.03×0.03×400×10^3=360（KN）,Nv=1。

19（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—0.203）×sin（PI/8）=0.084（m）

固定边长度：

b2=（0。

422—0。

203）/2=0。

109（m）

b2/a2=0。

109/0。

084=1.307，查表，α=0。

124，因此该区隔内最大弯矩为：

Mmax=α*σcmax*a2^2=0.124×7。

898×0。

084^2=6。

886（KNM）

法兰盘的厚度:

t=（6*Mmax/f）^1/2=［6×6886.391/（215×10^6）］^1/2=13。

86（mm）〈lt=30（mm）,满足要求。

受拉侧法兰需要的厚度：

t={6*Nmax＊Lai/［（D+2*Lai）＊f]｝^1/2=｛6×44348×0。

059/［（0.03+2×0。

059）×215×10^6］｝^1/2=22。

23（mm）

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＊σcmax=0.084×0。

109×7.898×10^6（N）=72。

484（KN）

螺栓拉力产生的剪力为：

V2=N2=44.348（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：

τR=Vi/（hRi＊tRi）=72483.8/（0.20×0。

02）=18。

121（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:

τf=Vi/（2*0。

7*he*lw）=72483.8/（2×0.7×0.01×0.20）=25.28（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=γ0*γG＊G=1.0×0。

9×25116.429=22604。

786（N）

水平力：

F=13506。

729（N）

式中：

γG-———永久荷载分项系数，此处取0。

9

合成弯矩:

M=111076.465（N＊m）

扭矩：

Mt=52687。

185（N＊m）

7.2底板法兰受压区的长度Xn

偏心距:

e=M/G=111076。

465/22604。

786=4.914（m）

法兰盘几何尺寸:

L=1。

20（m）；B=1。

20（m）；Lt=0。

05（m）

地脚螺栓拟采用12M36规格，受拉侧地脚螺栓数目n=1,总的有效面积：

Ae=1×8.17=8。

17（cm^2）

受压区的长度Xn根据下式试算求解：

Xn^3+3*（e-L/2）*Xn^2—6＊n*Ae*（e+L/2—Lt）＊（L-Lt—Xn）=0

Xn^3+11.142＊Xn^2+0。

022＊Xn-0。

026=0

求解该方程,得最佳值:

Xn=0.047（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：

σc=2*G＊（e+L/2-Lt）/[B*Xn*（L—Lt—Xn/3）]

=2×22604。

786×（4.914+1.20/2-0.05）/[1.20×0。

047×（1。

20—0.05-0.047/3）]（Pa）

=3。

868（MPa）〈βc＊fcc=（1。

80×1。

80/1。

20×1.20）^0。

5×11。

90（MPa）=17。

85（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）

=22604。

786×（4.914—1。

20/2+0.047/3）/（1。

20—0.05-0.047/3）（N）

=86.275（KN）

70（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×（22.605+86.275）=43。

552（KN）〉F=13.507（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：

α=0。

087,因此，

M1=α*σc*（a2）^2=0。

087×3868385。

49×0.313^2=33036.505（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:

α=0.121，因此，

M2=α＊σc*（a2）^2=0。

121×3868385.49×0.313^2=45835。

62（N*m/m）

取Mmax=max（M1,M2）=max（33036。

505，45835.62）=45835。

62（N*m/m）

法兰盘的厚度：

t=（6＊Mmax/fb1）^0。

5=［6×45835.62/（210×10^6）］^0.5=36.2（mm）>30（mm），不满足要求！

受拉侧法兰盘的厚度：

t={6*Na*Lai/[（D+Lai1+Lai）*fb1］}^0.5

={6×86274。

878×0.763/［（0.036+0。

763+0。

763）×210×10^6］}^0.5（m）=0。

035（mm）>0。

03（mm），不满足要求！

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=αri＊Lri*σc=0.313×0.22×3868385.49（N）=266。

081（KN）>Ta/n=86。

275/1=86.275（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:

τ=Vi/（Hri＊Tri）=266081。

171/（0。

40×0.02）=33.26（MPa）

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）