单悬臂式标志版结构设计计算书

单悬臂式标志版结构设计计算书1.设计资料1.1板面数据板面高度：H=2.40(m)板面宽度：W=4.80(m)板面单位重量：W1=5.40(kg/m2)1.2横梁数据横梁直径：D=0.180(m)横梁长度：L=6.430(m)横梁壁厚：T=0.008(m)横梁间距：D1=0.800(m)1.3立柱数据立柱直径：D=0.377(m)立柱高度：L=7.700(m)立柱壁厚：T=0.0100(m)立柱单位重量：W1=90.738(kg/m2)2荷载计算2.1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量而添加。2.1.1板面重量计算标志版单位重量为5.40(kg/m2)标志版重量：G1=670.60(N)=0.6706(KN)2.1.2横梁重量计算G2=4716.310(N)=4.7163(KN)2.1.3立柱重量计算G3=7531.824(N)=7.5318(KN)2.1.4计算上部总重量G=G1+G2+G3=12918.737(N)=12.9187(KN)3风荷载计算3.1标志板风力F1=γ0γq(12ρCV2)(WH)/1000=10.676(KN)3.2横梁风力F2=γ0γq(12ρCV2)(WH)/1000=0.363(KN)3.3立柱风力F3=γ0γq(12ρCV2)(WH)/1000=1.793(KN)4横梁设计计算说明：由于单根横梁材料、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1/2。对单根横梁所受荷载计算如下：4.1荷载计算竖直荷载G4=γ0γGG1/2=0.402(KN)均布荷载ω1=γ0γGG2/H/2=0.440(KN/m)水平荷载Fwb=F1/2=5.338(KN)水平均布荷载ω2=F2/H/2=0.111(KN/m)4.2强度验算计算横梁跟部由重力引起的剪力Qy1=G4+ω1H=3.232(KN)计算由重力引起的弯矩My1=G4×(l2+l3)+ω1×l12/2=10.719(KN*m)(式中l1:横梁总长，l2:悬臂板面外的长度，l3:标志板一半长度计算横梁跟部由风力引起的剪力Qx1=Fwb+ω2×l2=5.519(KN)计算由风力引起的弯矩Mx1=Fwb×(l2+l3)+ω2×l22/2=21.659(KN*m)4.3横梁截面信息横梁截面积A=4.323×10-3(m2)横梁截面惯性矩I=1.602×10-5(m4)横梁截面模量W=1.780×10-4(m3)4.4计算横梁根部所受的合成剪力和弯矩合成剪力：Q=(Qx12+Qy12)=6.396(KN)合成弯矩：M=(Mx12+My12)=24.167(KN*m)4.5最大正应力验算横梁根部的最大正应力为：σ=MW=135.764(MPa)[σ]=215.000(MPa),满足设计要求横梁根部的最大剪应力为：τ=2×QA=2.959(MPa)[τ]=125.000(MPa),满足设计要求根据第四强度理论，σ，τ近似采用最大值即：σ=(σmax2+3×τmax2)=135.860(MPa)[σ]=215.000(MPa),满足设计要求4.6变形验算计算垂直绕度fy=G4/(γ0γG)×(l2+l3)2×(3×l1-l2-l3)/(6EI)+ω1/(γ0γG)×l14/(8EI)=0.0279(m)计算水平绕度fx=Fwb×(γ0γQ)×(l2+l3)2×(3×l1-l2-l3)/(6EI)+ω2/(γ0γQ)×l23×(3l1-l2)/(6EI)=0.0477(m)计算合成绕度f=fx2+fy2=0.055(m)f/L1=0.0090.010,满足设计要求。5立柱设计计算对立柱所受荷载计算如下：5.1荷载计算垂直荷载：N=γ0γGG=15.502(KN)水平荷载：H=F1+F2+F3=12.832(KN)水平弯矩：Mx=(F1+F2)(L-H/2)+F3L/2=80.860(KN*m)立柱根部由永久荷载引起的弯矩为：My=My1×2=21.439(KN*m)合成弯矩：M=Mx2+My2=83.654(KN*m)风载引起的合成扭矩：Mt=Mx1×2=43.318(KN*m)5.2强度验算立柱截面信息立柱截面积：A=11.530×10-3(m2)立柱截面惯性矩：I=19.426×10-5(m4)立柱截面模量：W=10.305×10-4(m3)立柱截面回转半径模量：R=IA=0.130(m)立柱截面惯性矩模量：Ip=2×I==3.89×10-4(m4)最大正应力验算轴向荷载引起的正应力：σc=NA=1.345(MPa)弯矩引起的正应力：σw=MW=81.174(MPa)组合应力：σMax=σc+σw=82.519(MPa)立柱根部的最大正应力为：σ=MW=82.519(MPa)[σ]=215.000(MPa),满足设计要求最大剪应力验算水平荷载引起的剪应力：τHmax=2×HA=2.226(MPa)扭矩引起的剪应力：τtMax=Mt×φ2×Ip=21.017(MPa)组合应力：τMax=τHmax+τtmax=23.243(MPa)立柱根部的最大剪应力为：τMax=2×HA+Mt×D2×Ip=23.243(MPa)[τ]=125.000(MPa),满足设计要求危险点处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=82.519(MPa)，τ=τtMax=21.017(MPa)根据第四强度理论的组合应力为：σ4=σ2+3×τ2=90.192(MPa)[σ]=215.000(MPa),满足设计要求5.3变形验算由风荷载标准值引起的立柱顶部的水平位移：fp=(F1+F2)(L-H2)2×(3×L-H)(γ0γQ×6×EI)+F3L3γ0γQ×8×EI=0.025(m)立柱端部的相对水平位移为：fpL=0.0031/100,满足设计要求立柱顶部扭转角：θ=Mthγ0γQG×Ip)=7.762×10-3(rad)标志结构最大总水平水平位移：f=fx+fp+θ×l1=0.123(m)标志结构最大相对水平位移为：fpL=0.0160.017,满足设计要求横梁垂直总位移计算：两根横梁间部分由横梁永久荷载产生的转角：θ=Myh1(γ0γQEI)=2.902×10-3(rad)单根横梁由此引起的垂直位移：fy=θ×l1=0.019(m)横梁垂直总位移：fn1=fy+fy'=0.047(m)6立柱与横梁的连接计算6.1螺栓强度验算6.1.1螺栓数据连接螺栓拟采用A级级普通螺栓8M24,查表得：单个螺栓受拉承载力设计值Ntb=59.93KN,受剪（单剪）承载力设计值Nvb=76.91KN：合成剪力Q=6.396KN,合成弯距=24.167KN*m：螺栓孔数目8：每个螺栓所受的剪力Nv=0.799KN,基准角度θ=26.33°,螺栓1:y1=0.100(m)螺栓2:y2=0.207(m)螺栓3:y3=0.245(m)螺栓4:y4=0.192(m)螺栓5:y5=0.080(m)螺栓6:y6=-0.027(m)螺栓7:y7=-0.065(m)螺栓8:y8=-0.012(m)由各y值可见，y2距旋转轴的距离最远，其拉力N=Mby3yi2Mb为各螺栓拉力对旋转轴的力矩之和则Mb=Nyi2/y3式中yi2＝y1+y2+···y5=0.156为受拉螺栓距旋转轴的距离和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和y轴，设受压区最大压应力为σcmax，则受压区压力对旋转轴产生的力矩为：Mc=∮σc×2×(0.012+y2)0.5*(y-0.0900)dy压应力合力绝对值为：Nc=∮σc×2×(0.012+y2)0.5dy上式中σc为距x轴和y距离处法兰受压区的压应力，σcσcmzx=(y-0.18/2)/(0.05/2-0.18/2)根据法兰盘的平衡条件：Mb+Mc=MNc=Ni经整理：0.637N3+7.311×(10-4)σcmax=24166.5373.365N3-11.544×(10-3)σcmax=0解得：N3=28.424(KN)σcmax=8.287(MP)6.1.2螺栓强度验算(NvNvb)2+(NmaxNtb)2=0.4741满足设计要求拟定法兰盘厚度20.0(mm)，则单个螺栓承压力设计值为Ncb＝192.00(KN)Nv=0.80(KN)Ncb满足设计要求6.2法兰盘的确定受压侧受力最大的法兰盘区格为三边支撑板，其自由边长：a2＝2×0.31×sin(180.0/8)=0.119(m)固定边长b2=0.110(m)b2a2=0.927(m)查表得：α=0.107,因此，M=ασcmaxa22=12.500(kN*m/m)法兰盘的厚度：t=6×Mmaxfb1=0.019(m)0.020(m),满足设计要求。受拉侧法兰盘的厚度，由下式求得：t=6×Na×Lai(D+2×Lai)fb1=0.0182(m)0.020(m),满足设计要求。6.3加劲肋确定由受压区法兰盘的分布反力得到的剪力：Vi=0.119×0.110×8286755.259×sin(180/N)×2=108.138(KN)螺栓拉力所产生的剪力Vi=28.42(KN)加劲肋高度Hri=0.15(m),厚度Tri=0.01(m)剪应力为τ=Vi(HriTri)=72.09(MPa)fv=125.00(MPa),满足设计要求。设加劲肋与标志立柱的竖向连接角焊缝尺寸Hf=8.00(mm)焊缝计算长度lw=240.00(mm)角焊缝的抗剪强度τ=Vi(2×0.7×helw)=68.97(MPa)160.00(MPa),满足设计要求。7柱脚强度验算7.1受力情况铅垂力G=γ0γGG=1.00*0.90*12918.74=11.63(kN)水平力F=12.832(kN)合成弯距M=83.654(kN)扭距M=43.318(kN)7.2底板法兰盘受压区的长度Xn偏心距e=MG=83654.14/11626.86=7.195(m)法兰盘几何尺寸：L=0.700(m);B=0.700(m);Lt=0.075(m)基础采用C30砼，n=EsEc=206000.00×106/30000.00×106=6.867地脚螺栓拟采用12M30规格受拉地脚螺栓的总面积：Ae=4×5.606e-4=22.424-4(m2)受压区的长度Xn根据下式试算求解：Xn3+3×(e-L2)×Xn2-6×n×Ae×(e+L2-Lt)(L-Lt-Xn)/B=0式中：e=7.19(m)L=0.70(m)B=0.70(m)n=6.87Ae=22.42×10-4(m2)Lt=0.07(m)求解该方程，得Xn=0.150(m)7.3底板法兰盘下的混凝土最大受压应力σc=2×G×(e+L/2-Lt)B×Xn×(L-Lt-Xn/3)=2.87(MPa)β×fcc=42.90(MPa),满足设计要求。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=139.45(KN)22.42×10-4(m2)×140(MPa)=313.94(KN),满足设计要求。7.5对水平剪力的校核由法兰盘和混凝土的摩擦力产生的水平抗翦承载力为：Vfb=0.4×(G+Ta)=60.43(KN)12.83(KN),满足设计要求。7.6柱脚法兰盘厚度的验算法兰盘勒板数目为8受压侧：对于三边支承板自由边长a2=0.2278(m)固定边长b2=0.1615(m)b2a2=0.7089(m)查表得：α=0.0879,因此，M=α×σc×a22=13.093(kN*m/m)对于相邻支承板自由边长a2=0.2860(m)固定边长b2=0.1333(m)b2a2=0.4660(m)查表得：α=0.0546,因此，M=α×σc×a22=12.813(kN*m/m)取Mmax=13.093(kN*m/m)法兰盘的厚度：t=6×Mmaxfb1=19.819×10-3(m)0.030(m),满足设计要求。受拉侧法兰盘的厚度，由下式求得：t=6×Na