门架设计优化.docx
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门架设计优化
广（州）深（圳）沿江高速公路
大型可变情报板及标志门架结构
设计计算书
2008年5月10日
一、工程概况
广州至深圳沿江高速公路位于珠江三角洲经济发达地区——广州、东莞、深圳，沿狮子洋、伶仃洋东岸，本项目采用设计时速为100km/h的高速公路标准，双向八车道，路幅宽41m，桥梁长度占路线总长度90%以上。
项目所在地区属南亚热带海洋季风气候区，气候温暖潮湿（年平均气温为22～22.5℃,相对湿度79～81%），雨量充沛（年平均降水量1700mm以上）；常受热带风暴和台风袭击（年平均2～3次，台风中心风力可达11～12级），为本地区主要灾害性天气。
本设计即为上述广州至深圳沿江高速公路大型可变情报板及标志门架结构，风荷载为门架结构的主要荷载之一，同时要特别注重门架结构的防腐蚀设计及施工。
二、结构设计采用主要规范
1．《建筑结构荷载规范》GB50009-2001；
2．《钢结构设计规范》GB50017-2003；
3．《建筑抗震设计规范》GB50011-2001；
4．《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002；
5．《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001；
6．《建筑结构制图标准》GB/T50105-2001；
7.《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TD60-01-2004;
8.《道路交通标志和标线》GB5768-1999。
三、结构计算采用计算机软件
韩国迈达斯技术有限公司，Midas/civil7.2.0
四、结构计算基本参数
1．结构的设计使用年限取为50年，结构的安全等级取为二级，结构重要性系数取为1.0；
2．钢材采用Q235-B，并符合GB/T700-2006的规定；焊条采用E4303型，并符合GB/T5117-1995的规定；
3．设计基本风速根据《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TD60-01-2004采用深圳市百年一遇设计基本风速即38.4m/s。
4．标志自重10kN，迎风面积根据《道路交通标志和标线》GB5768-1999当设计时速为100～120km/h时，指示标志的最小高度为1.4m，设计时按2m高、与路面等宽度计；
5．大型可变情报板显示12个（1m×1m）汉字，情报板自重20kN，迎风面积一组按2m高、宽度不小于12m设计；
6．其他附属设施荷载：
安装检修走道及栏杆自重0.80kN/m；安装检修走道活荷载1.00kN/m；
7．抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g。
五、计算简图
门架为空间桁架结构，设计时采用Midas/civil建立空间杆系模型进
行分析：
1．34.0m宽标志牌和情报板门架模型
2．21.0m标志牌和情报板门架模型
六、荷载计算
（一）风荷载计算
风荷载基本风压W0和设计基准风压Wd计算如下：
（a）设计基本风速Vl0=38.4m/s；
（b）桥梁构件基准高度处（按30m考虑）的设计基准风速
Vd=K1Vl0=K1BVl0=
Vl0=45.78m/s
（c）静阵风风速
Vg=GVVd=1.35×45.78＝61.8m/s
地表类别取为B类。
（d）基本风压W0和设计基准风压Wd
W0=
＝0.5×1.25×38.42＝0.922kN/m2
Wd=
＝0.5×1.25×61.82＝2.387kN/m2
1．标志牌34m桁架（HJ1）
风荷载计算桁架跨度34m，桁架高度（前后弦杆轴线间距）1.2m，节间
距离1.7m×20。
迎风面积按2m高、与路面等宽度计，风荷载由2榀水平桁架承受，则每榀桁架每1节点风荷载标准值为：
W=（2.387kN/m2×2m×1.7m×2.1）/2=8.53kN；
其中阻力系数CH=2.1。
2．标志牌21m桁架（HJ3）风荷载计算
桁架跨度21m，桁架高度（前后弦杆轴线间距）1.5m，节间距离1.5m×
14。
迎风面积按2m高、与路面等宽度计，风荷载由2榀水平桁架承受，则每榀桁架每1节点风荷载标准值为：
W=（2.387×2×1.5×2.1）/2=7.52kN；
3．情报板34m桁架（HJ2）风荷载计算
桁架跨度34m，桁架高度（前后弦杆轴线间距）1.5m，节间距离1.7m×20。
每组情报板迎风面积按2m高、13.6m宽考虑，并考虑安装2组情报板，其风荷载由1榀水平桁架（上侧水平桁架）承受；同时考虑桁架自身产生的风荷载。
则桁架每1节点风荷载标准值计算如下：
（1）对于情报板，由风荷载产生的桁架节点水平荷载标准值为
2.387×2×1.7×2.1=17.06kN；
竖向荷载标准值为
17.06×1.0/1.5=11.37kN；
（2）对于桁架，由风荷载产生的桁架节点水平荷载标准值计算如下：
桁架节间杆件面积
A＝0.14×1.7×2+0.07×1.5＝0.581m2
实面积比为0.581/（1.7×1.5）=0.22kN；
DVg=0.14×61.8＝8.65>6m2/s,CH=1.2,
CH=0.9×1.2=1.08
桁架节点水平荷载标准值为
（1.08×2.387×0.581）/2＝0.75kN
4．情报板21m桁架（HJ4）风荷载计算
桁架跨度21m，桁架高度（前后弦杆轴线间距）1.6m，节间距离1.5m×14。
情报板迎风面积按2m高、18.0m宽考虑，其风荷载由1榀水平桁架（上侧水平桁架）承受；同时考虑桁架自身产生的风荷载。
则桁架每1节点风荷载标准值计算如下：
（1）对于情报板，由风荷载产生的桁架节点水平荷载标准值为
2.387×2×1.5×2.1=15.04kN；
竖向荷载标准值为
15.04×1.0/1.5=10.03kN；
（2）对于桁架，由风荷载产生的桁架节点水平荷载标准值计算如下：
桁架节间杆件面积
A＝0.152×1.5×2+0.07×1.6+0.089×2.19＝0.763m2
实面积比为0.763/（1.6×1.6）=0.30；
DVg=0.152×61.8＝9.39>6m2/s,CH=1.2,
CH=0.8×1.2=0.96
桁架节点水平荷载标准值为
（0.96×2.387×0.763）/2＝0.87kN
5．桁架立柱（ZJ1）风荷载计算
（1）ZJ1、ZJ2
桁架节间杆件面积
A＝0.299×1.4×2+0.102×2.05+0.102×1.5＝0.781m2
实面积比为0.781/（1.4×1.5）=0.372；
DVg=0.299×61.8＝18.48>6m2/s,CH=1.1,
CH=0.6×1.1=0.66
桁架节点水平荷载标准值为
（0.66×2.387×0.781）/2＝0.615kN
（2）ZJ1-1、ZJ2-1
桁架节间杆件面积
A＝0.377×1.4×2+0.102×2.05+0.102×1.5＝1.418m2
实面积比为1.418/（1.4×1.5）=0.675；
DVg=0.377×61.8＝23.3>6m2/s,CH=1.1,
CH=0.45×1.1=0.495
桁架节点水平荷载标准值为
（0.495×2.387×1.481）/2＝0.875kN
（3）ZJ3~6
桁架节间杆件面积
A＝0.351×1.4×2+0.102×2.05+0.102×1.5＝1.345m2
实面积比为1.345/（1.4×1.5）=0.640；
DVg=0.351×61.8＝21.69>6m2/s,CH=1.1,
CH=0.45×1.1=0.495
桁架节点水平荷载标准值为
（0.495×2.387×1.345）/2＝0.795kN
（二）竖向荷载（作用）计算
标志自重10kN，情报板自重20kN，分别由1榀竖向桁架承受；安装
检修走道及栏杆自重0.80kN/m，安装检修走道活荷载0.50kN/m，分别由2榀竖向桁架承受；结构自重与地震作用由计算软件自动计入参与组合。
1.34m标志牌桁架（HJ1）竖向荷载计算
桁架跨度34m，桁架高度（上下弦杆轴线间距）1.5m，节间距离1.7m×20。
则桁架每1节点竖向荷载标准值为：
（1）恒荷载：
G=10kN/20+（0.8kN/m×1.7m）/2=1.18kN；
（2）活荷载：
Q=（1.0kN/m×1.7m）/2=0.85kN;
2.标志21m桁架（HJ3）竖向荷载计算桁架跨度21m，桁架高度（上下弦杆轴线间距）1.5m，节间距离1.5m×14。
则桁架每1节点竖向荷载标准值为：
（1）恒荷载：
G=10kN/14+（0.8kN/m×1.5m）/2=1.315kN；
（2）活荷载：
Q=（1.0kN/m×1.5m）/2=0.75kN;
3.情报板34m桁架（HJ2）竖向荷载计算
桁架跨度34m，桁架高度（上下弦杆轴线间距）1.5m，节间距离1.7m×20。
则桁架每1节点竖向荷载标准值为：
（1）恒荷载：
G=20kN/20+（0.8kN/m×1.7m）/2=1.68kN；
（2）活荷载：
Q=（1.0kN/m×1.7m）/2=0.85kN;
4.情报板21m桁架（HJ4）竖向荷载计算桁架跨度21m，桁架高度（上下弦杆轴线间距）1.2m，节间距离1.5m×14。
则桁架每1节点竖向荷载标准值为：
（1）恒荷载：
G=20kN/14+（0.8kN/m×1.5m）/2=2.029kN；
（2）活荷载：
Q=（1.0kN/m×1.5m）/2=0.75kN;
七、计算结果及效应组合
1.桁架计算结果分析
荷载组合按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001进行组合，计算结果
如下：
（一）标志牌34m桁架（HJ1）计算结果
由上表可知，各杆件的组合应力比均小于1.0，满足强度要求；且最不利荷载工况下桁架x、y、z（竖向）方向上最大位移分别为
18.0mm、35.6mm和4.5mm，均小于L/400=42.5mm，满足结构容许变形值要求。
（二）标志牌21m桁架（HJ3）计算结果
由上表可知，各杆件的组合应力比均小于1.0，满足强度要求；且最不利荷载工况下桁架x、y、z（竖向）方向上最大位移分别为
25.0mm、65.0mm和11.1mm，均小于L/300=70mm，满足结构容许变形值要求。
（三）情报板34m桁架（HJ2）计算结果
由上表可知，各杆件的组合应力比均小于1.0，满足强度要求；且最不利荷载工况下桁架x、y、z（竖向）方向上最大位移分别为
17.8mm、31.6mm和12.6mm，均小于L/400=42.5mm，满足结构容许变形值要求。
（四）情报板21m桁架（HJ4）计算结果
由上表可知，各杆件的组合应力比均小于1.0，满足强度要求；且最不利荷载工况下桁架x、y、z（竖向）方向上最大位移分别为
14.5mm、44.1mm和17.3mm，均小于L/400=52.5mm，满足结构容许变形值要求。
2．支架柱脚计算
1.标志牌桁架34m柱脚
（1）底板厚度计算
柱脚承受最大压力N=1738kN，对应弯矩为128kN.m。
柱脚底板规格D797mm×40mm，底板面积A=498892mm2；柱脚底板与基础之间的最大压应力设计值为：
s
=6.06MPa
柱脚底板按悬臂板计算时其最小厚度的验算：
（a）近似地柱脚底板承受的最大弯矩设计值近似的以最大应力作为均布应力值进行区格（三边支承）计算：
=0.110×6.06×1912=24318（N.mm/mm）
（b）柱脚底板按设置加劲肋计算时其最小厚度为
=（6×24318/205）1/2=26.7（mm）
柱脚底板厚度验算满足要求。
（2）支架柱脚螺栓（锚栓）计算
柱脚承受的最大拉力N=1625kN，对应弯矩为127kN.m；
可见在最不利工况下所有螺栓都处于受拉状态，每1柱脚设置8个M45的锚栓，每个锚栓承受的拉力为：
N1=1625kN/12=135.4kN＜182.84kN。
锚栓验算满足要求。
2.标志牌桁架21m柱脚
（1）底板厚度计算
柱脚承受最大压力N=1001kN，对应弯矩为50kN.m。
柱脚底板规格D719mm×40mm，底板面积A=406020mm2；柱脚底板与基础之间的最大压应力设计值为：
s
=3.84MPa
柱脚底板按悬臂板计算时其最小厚度的验算：
（a）近似地柱脚底板承受的最大弯矩设计值近似的以最大应力作为均布应力值进行区格（三边支承）计算：
=0.085×3.84×2512=20540（N.mm/mm）
（b）柱脚底板按设置加劲肋计算时其最小厚度为
=（6×20540/205）1/2=24.5（mm）
柱脚底板厚度验算满足要求。
（2）支架柱脚螺栓（锚栓）计算
柱脚承受的最大拉力N=933kN，对应弯矩为50kN.m；
可见在最不利工况下所有螺栓都处于受拉状态，每1柱脚设置8个M45的锚栓，每个锚栓承受的拉力为：
N1=933kN/8=116.6kN＜182.84kN。
锚栓验算满足要求。
3.情报板桁架34m柱脚
（1）底板厚度计算
柱脚承受最大压力N=1929kN，对应弯矩为127kN.m。
柱脚底板规格D797mm×40mm，底板面积A=498892mm2；柱脚底板与基础之间的最大压应力设计值为：
s
=6.42MPa
柱脚底板按悬臂板计算时其最小厚度的验算：
（a）近似地柱脚底板承受的最大弯矩设计值近似的以最大应力作为均布应力值进行区格（三边支承）计算：
=0.110×6.42×1912=25763（N.mm/mm）
（b）柱脚底板按设置加劲肋计算时其最小厚度为
=（6×25763/205）1/2=27.5（mm）
柱脚底板厚度验算满足要求。
（2）支架柱脚螺栓（锚栓）计算
柱脚承受的最大拉力N=1790kN，对应弯矩为126kN.m；
可见在最不利工况下所有螺栓都处于受拉状态，每1柱脚设置8个M45的锚栓，每个锚栓承受的拉力为：
N1=1790kN/12=149.2kN＜182.84kN。
锚栓验算满足要求。
2.情报板桁架21m柱脚
（1）底板厚度计算
柱脚承受最大压力N=1330kN，对应弯矩为74kN.m。
柱脚底板规格D771mm×40mm，底板面积A=466873mm2；柱脚底板与基础之间的最大压应力设计值为：
s
=4.49MPa
柱脚底板按悬臂板计算时其最小厚度的验算：
（a）近似地柱脚底板承受的最大弯矩设计值近似的以最大应力作为均布应力值进行区格（三边支承）计算：
=0.085×4.49×2722=28236（N.mm/mm）
（b）柱脚底板按设置加劲肋计算时其最小厚度为
=（6×28236/205）1/2=28.7（mm）
柱脚底板厚度验算满足要求。
（2）支架柱脚螺栓（锚栓）计算
柱脚承受的最大拉力N=1240kN，对应弯矩为73kN.m；
可见在最不利工况下所有螺栓都处于受拉状态，每1柱脚设置8个M45的锚栓，每个锚栓承受的拉力为：
N1=1240kN/8=155.0kN＜182.84kN。
锚栓验算满足要求。
3．立柱与桁架连接计算（仅计算标志牌34m宽桁架）
桁架传递于支架顶面每1处的水平荷载（风荷载）设计值为：
Pw=189.2kN；桁架传递于支架顶面每1处的竖向荷载设计值为：
Pv=202.2N。
支架顶面的（焊缝）连接计算如下：
（1）支架顶板与桁架底板之间连接焊缝的计算：
焊缝有效长度Lw=（749mm+160mm）×2=1818mm，焊脚尺寸hf=10mm，焊缝的有效面积S=1818mm×（10mm×0.7）×0.9=11453.4mm2。
连接焊缝的验算为：
＝21Mpa<160Mpa
（2）支架顶板与支架立柱之间连接焊缝的计算：
焊缝有效长度Lw=377mm×3.14=1183mm，焊脚尺寸hf=8mm，焊缝的有效面积S=1183mm×（8mm×0.7）=6625mm2。
连接焊缝的验算为：
＝38Mpa<160Mpa
八、结论
从计算结果得知，门架结构安全可靠、满足使用功能要求。
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