门架式交通标志结构设计计算书

湛江港徐闻港区南山作业区客货滚装码头工程
施工图设计
21.01m跨门架式交通标志
结构设计计算书
中交设计
二〇一九年一月
目 录
1 设计资料 (1)
1.1 构件概况 (1)
1.2 主要选用规范、标准和参考书籍 (2)
1.3 设计原则与设计假设 (2)
1.3.1 设计原则 (2)
1.3.2 设计假设 (3)
1.4 设计参数 (3)
1.4.1 结构重要性系数Υ0 (3)
1.4.2 设计采用的作用 (3)
1.4.2 作用的组合与荷载（作用）分项系数 (4)
1.4.3 风荷载 (5)
1.4.4 标志牌重力 (6)
1.4.5 温度作用 (7)
1.4.6 其他参数设置 (7)
2. 结构模型 (8)
2.1 模型建立 (8)
2.2 作用组合在模型内荷载工况中的设定 (9)
2.2.1 作用基本组合下荷载工况的设定 (9)
2.2.2 作用准永久组合下荷载工况的设定 (10)
2.2.3 作用标准组合（校验用）下荷载工况的设定 (10)
2.3 作用组合的包络 (12)
3 门架上部结构计算结果 (12)
3.1 承载能力极限状态下基本组合计算结果 (12)
3.1.1 柱底反力 (12)
3.1.2 门架上部结构杆件应力 (13)
3.2 正常使用极限状态下准永久组合计算结果 (15)
3.2.1 柱顶位移 (15)
3.2.1 横梁挠度 (16)
广东湛江港徐闻港区南山作业区客货滚装码头工程
21.01m跨门架式交通标志结构设计计算书
1 设计资料
1.1 构件概况
本计算书为广东湛江港徐闻港区南山作业区客货滚装码头工程21.01m跨门架式交通标志牌结构设计计算书。

本门架式交通标志牌结构如下图所示：
图1.1‐1 门架式标志牌立面布置图
标志牌板面尺寸及基础构造平面尺寸如下图所示：
单幅标志牌板面 基础平面尺寸
图1.1‐2 标志牌板面尺寸及基础构造平面尺寸图
门架立柱、横梁和横梁竖杆材质为GB/T 700-2006碳素结构钢规定
Q235钢、GB/T 8162-2008结构用无缝钢管，各构件规格为： 立柱：GB/T 8162-2008 Φ377×14 钢管
横梁：GB/T 8162-2008 Φ219×12 钢管
横梁竖杆：GB/T 8162-2008 Φ152×8 钢管
柱下基础材质为C25混凝土。

1.2 主要选用规范、标准和参考书籍
《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）
《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）
《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）
《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）
《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）
《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）
《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）
《结构用无缝钢管》（GB/T 8162-2008）
《道路交通标志和标线》（GB 5768-2009）
《道路交通标志板及支撑件》（GB/T 23827-2009）
《公路交通安全设施施工技术规范》（JT/G F71-2006）
《GB 5768-1999<道路交通标志和标线>应用指南》
1.3 设计原则与设计假设
1.3.1 设计原则
（1）交通安全设施钢结构设计根据使用过程中可能同时出现的作用，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按承载能力极限状态和正
常使用极限状态分别进行作用组合，并取各自的最不利组合进行设计。

（2）设计交通安全设施结构或构件承载能力极限状态的强度、稳定性及连接强度时，采用荷载设计值（荷载标准值×荷载分项系数）；设计正常使用极限状态的变形时，采用荷载标准值。

（3）计算变形时，不考虑螺栓孔引起的截面削弱。

（4）传至基础底面的作用（荷载）采用基本组合、土体自重分项系数取1.0、按实际的土体重力密度计算。

1.3.2 设计假设
① 风载方向：交通标志所受外荷载主要为风荷载，假设仅考虑最不利受风状况——即风压方向与标志牌板面垂直；
② 立柱基础：交通标志牌的混凝土基础埋置深度较浅，假设基础四周土的摩阻力和弹性抗力忽略不计；
③ 标志板及相应部件（铝槽、抱箍、扣件等）的恒载与标志牌板面上所受风荷载由承载部件横梁均匀分担、以线荷载形式分布于横梁上；同时横梁上受标志牌轮廓阻挡区域不再考虑风荷载。

④ 门架交通标志承载构造简化成超静定结构，根据资料，假定结构成型、受到约束时的结构初始温度为23℃。

1.4 设计参数
1.4.1 结构重要性系数Υ0
依《公路交通安全设施设计规范》3.5.2条，门架式交通标志的结构设计安全等级为二级；依《钢结构设计规范》3.1.9条，结构重要性系数Υ
=1.0。

1.4.2 设计采用的作用
依《公路交通安全设施设计规范》3.5.1条，门架式交通标志结构设
计采用的作用如下：
表1.4.2-1 结构设计采用的作用分类表
作用名称 作用分类
结构重力（包括结构附加重力）
土重力（置于土基处）
永久作用
土侧压力（置于土基处）
风荷载
可变作用
温度（均匀温度和梯度温度）作用
1.4.2 作用的组合与荷载（作用）分项系数
依上节作用分类，本结构设计对于承载能力极限状态：按作用基本组合进行设计；对于正常使用极限状态：按作用准永久组合进行设计。

依《公路桥涵设计通用规范》，本项目门架式交通标志结构设计采用的作用（荷载）分项系数、组合系数为：
（1）作用基本组合下
永久作用、结构重力（包括结构附加重力）的分项系数Υ
=1.2（注：
G1
对结构的承载能力不利，且由可变作用控制组合）
可变作用、风荷载的分项系数Υ
=1.4（风荷载为主导可变作用）
Q1
可变作用、温度作用的分项系数Υ
=1.4
Q2
可变作用、温度作用的结构设计使用年限荷载调整系数Υ
=1.0
L2可变作用、温度作用的组合值系数Ψ
=0.75
C
（2）作用准永久组合下
可变作用、风荷载的准永久值系数Ψ
=0.75
q1
可变作用、温度作用（均匀温度）的准永久值系数Ψ
=1.0
q2
另外，规范规定的门架交通标志结构设计采用的作用中并未列及汽
车荷载，因此按规范不适用正常使用极限状态下的频遇组合。

考虑到准永久组合中、准永久系数对荷载效应的削弱，特按《建筑荷载规范》的规定进行标准组合作为比对校验。

（3）作用标准组合（建筑荷载规范）下
风荷载作为起控制作用的可变荷载
温度作用的组合值系数ΨC =0.75
1.4.3 风荷载
（1）风压标准值计算
依《公路交通安全设施设计规范》：风荷载标准值根据现行《公路桥梁抗风设计规范》的规定计算，基本风压重现期采用50年。

依《公路桥梁抗风设计规范》，风的静力作用的风荷载可按该规范规定的静阵风荷载计算。

鉴于交通标志结构起竖高度较低（通常交通标志结构立柱距安装基准地面高度＜10m，本项目门架结构立柱最高为8.48m）、结构高度范围内风速差异变化对结构设计影响很小，同时结构尺寸均较小，故采用《GB 5768-1999<道路交通标志和标线>应用指南》（以下简称“《应用指南》”）提供的简化算法：
交通标志结构迎风截面上的风压标准值P 风压标准值为：
2i 1=V 2
P C ρ风风压标准值空气 式中：ρ空气——空气密度（kg/m 3
），取1.25（注：《公路桥梁抗风设计规范》取1.25，《应用指南》取1.2258，两者偏
差1.97%，为规范性和安全性取偏大值）；
i C ——交通标志构件的风阻系数，标志牌取1.2，立柱、
横梁采用圆管型构件时取0.8
V 风——风速（m/s），取用交通标志设计所在地50年重现期
的基本风速。

依《公路桥梁抗风设计规范》附录A
查知：徐闻地方50年重现期基本风速为35.1。

依此，标志牌与立柱（横梁）两类的风压标准值为：
P -风压标准值标牌=1/2000×1.25×1.2×35.12=0.924 kN/m 2
P -风压标准值柱（梁/杆）=1/2000×1.25×0.8×35.12=0.616 kN/m 2
（2）标志牌、立柱、横梁及横梁竖杆上的风荷载线荷载标准值 依计算假设③，标志牌板面风荷载均摊分布到横梁上的线荷载为： wk 1F 2
P H -=⨯⨯风压标准值标牌-横梁标牌标志牌=0.5×0.924×2.6=1.201 kN/m 横梁外露于标志牌板面外受风荷载的线荷载为：
wk F P φ-=⨯风压横梁标准值柱（梁/杆）横梁=0.616×0.219=0.135 kN/m
立柱受风荷载的线荷载为：
wk F P φ-=⨯风压立柱标准值柱（梁/杆）立柱=0.616×0.353=0.217 kN/m
横梁竖杆受风荷载的线荷载为：
wk F P φ-=⨯风压竖杆标准值柱（梁/杆）竖杆=0.616×0.152=0.094 kN/m
1.4.4 标志牌重力
标志板底板采用3mm 厚GB/T 3880系牌号3003型铝合金板，重量为
8.1kg/m 2、每平米重度γ标牌 =0.079 kN/m 2。

考虑标志板相应部件如铝槽、抱箍、扣件等的重量，设计计算时标志板的每平米重度考虑+10%的增幅：α增=1.1。

依计算假设③，标志板重力均摊分布到横梁上的线荷载为： k 12
G H γα=⨯⨯⨯=增标牌-横梁标牌标志牌0.5×0.079×1.1×2.6=0.113 kN/m 1.4.5 温度作用
依前述章节阐述，结构成型、受到约束时的结构初始温度为23℃。

根据本项目设计资料《湛江港徐闻港区南山作业区客货滚装码头工程初步设计报告》资料显示：项目所在地徐闻有气象历史记录的极端高温/低温为：
极端最高温度：38.8℃
极端最低温度：2.2℃
取40℃和2℃作为结构设计的最高和最低温度。

另外，依《公路桥涵设计通用规范》4.3.12条规定，徐闻归属温热地区、门架钢结构最高/最低有效温度标准值为：
最高有效温度标准值：46℃
最低有效温度标准值：-3℃
上述两个参数作为校验用。

1.4.6 其他参数设置
（1）重力加速度取9.806 N/kg（亦即m/s 2
）；
（2）考虑标志牌门架结构部件——立柱、横梁、横梁竖杆之间采用法兰、焊接等连接方式，对连接件的自重按立柱、横梁等部件自重的+10%增幅计入（设计作数模分析采用Midas Civil 软件，在“单元自重”中按“Z=-1.1”实现）。

（3）门架结构立柱底采用法兰式连接，数模建模中立柱底采用全约束一般支承模拟。

2. 结构模型
2.1 模型建立
以通用空间有限元分析软件Midas Civil 2012对门架上部结构（不含柱下基础）进行离散建模。

以门架立柱、横梁和横梁竖杆的构造轴线联结点作为离散节点；以梁单元作为主要构件的模拟单元。

表2.1-1 结构模型单元信息表
构件名称 单元类型 单元数量单元编号
立柱 梁单元 16 No.1～No.16
横梁 梁单元30 No.17～No.46
横梁竖杆 梁单元14 No.47～No.46 边界条件：立柱柱脚约束条件采用全约束一般支承模拟。

作用布置形式：标志板及紧固部件的重力作用和板面上的风荷载以梁单元均布荷载形式分配在横梁单元上；门架构件迎风截面上风荷载以梁单元均布荷载形式分配在各相应单元上。

本门架主要构件模型如下图所示。

图2.1-1 结构模型图（单位：kN/m）
2.2 作用组合在模型内荷载工况中的设定
2.2.1 作用基本组合下荷载工况的设定
依前章阐述，Midas civil中荷载工况对应作用基本组合的设定如下：
图2.2.1‐1 荷载组合：基本组合（恒载+风载+升温）
图2.2.1‐1 荷载组合：基本组合（恒载+风载+降温）
由于Midas civil软件中加载系数的场合受限，依前章节阐述，这
里将基本组合中温度作用的分项系数与组合值系数相乘值作为软件内温
度作用的荷载工况系数：
Ψ
C ×Υ
L2
×Υ
Q2
=0.75×1.0×1.4=1.05
2.2.2 作用准永久组合下荷载工况的设定
依前章阐述，Midas civil软件中荷载工况对应作用准永久组合的设定如下：
图2.2.2‐1 荷载组合：准永久组合（恒载+风载+升温）
图2.2.2‐2 荷载组合：准永久组合（恒载+风载+降温）
2.2.3 作用标准组合（校验用）下荷载工况的设定
依前章阐述，Midas civil软件中荷载工况对应作用标准组合的设定
如下：
图2.2.3‐1 荷载组合：建筑规范标准组合（恒载+风载+升温）
图2.2.3‐2 荷载组合：建筑规范标准组合（恒载+风载+降温）
作用标准组合与准永久组合的差异即：标准组合中，风荷载系数为
1.0、略大于准永久组合的0.75。

2.3 作用组合的包络
基于前述，于Midas civil软件中对基本组合、准永久组合和标准组合均设定相应作用组合的包络以查验各组合下效应的极值。

3 门架上部结构计算结果
3.1 承载能力极限状态下基本组合计算结果
3.1.1 柱底反力
图3.1.1‐1 基本组合 柱底反力：轴力与剪力（单位：kN）
图3.1.2‐2 基本组合 柱底反力：弯矩（单位：kN·m）
基本组合下，柱底反力汇总如下：
表3.1.1‐1 基本组合 柱底反力表 部位 节点
编号
轴力（kN） 剪力（kN） 弯矩（kN·m） NZ NX NY MX MY
MZ 8.1m 柱底 1
35.349 8.392-28.307185.15224.281 -81.1338.48m 柱底 10 35.623 -8.39223.799163.867-26.322 73.676
3.1.2 门架上部结构杆件应力
（1）整体升温状况下，门架上部结构杆件应力情况如下：
图3.1.2‐1 基本组合 整体升温 结构应力（单位：MPa）
各杆件中：
最大法向拉应力为102.2MPa，发生下横梁跨中（模型内No.46单元）； 最大法向压应力为134.7MPa，发生在8.1m 立柱（矮柱）柱底；8.48m 立柱（高柱）柱底法向压应力为119.5MPa。

（2）整体降温状况下，门架上部结构杆件应力情况如下：
各杆件中：
最大法向拉应力为122.6MPa，发生下横梁紧邻8.1m 立柱处（模型内No.32单元）；
最大法向压应力为134.7MPa，发生在8.1m立柱（矮柱）柱底；8.48m 立柱（高柱）柱底法向压应力为119.5MPa。

图3.1.2‐2 基本组合 整体降温 结构应力（单位：MPa）
（3）经过包络组合，门架上部结构杆件应力情况如下：
图3.1.2‐3 基本组合 组合包络 结构应力（单位：MPa） 各杆件中：
绝对值最大应力为134.7MPa，发生在8.1m立柱（矮柱）柱底；8.48m 立柱（高柱）柱底法向压应力为119.5MPa。

《钢结构设计规范》规定：壁厚≤16mm的碳素结构钢Q235的抗拉（压/弯）强度设计值为f=215MPa。

计算结果表明：承载能力极限状态下，门架上部结构承载能力满足规范要求。

3.2 正常使用极限状态下准永久组合计算结果
3.2.1 柱顶位移
（1）整体升温状况下，门架上部结构位移与挠度情况如下：
图3.2.1‐1 准永久组合 整体升温 结构位移与挠度（单位：mm）
8.1m柱（矮柱）柱顶位移位36.1mm；
8.48m柱（高柱）柱顶位移位35.3mm；
（2）整体降温状况下，门架上部结构位移与挠度情况如下：
图3.2.1‐2 准永久组合 整体降温 结构位移与挠度（单位：mm）
8.1m柱（矮柱）柱顶位移位36.3mm；
8.48m柱（高柱）柱顶位移位35.4mm；
（3）组合包络下，门架上部结构位移与挠度情况如下：
图3.2.1‐3 准永久组合 组合包络 结构位移与挠度（单位：mm）
8.1m柱（矮柱）柱顶位移位36.3mm；
8.48m柱（高柱）柱顶位移位35.4mm；
《钢结构设计规范》附录B规定：在风荷载标准值作用下，框架式单层钢结构（无吊车情况）柱顶水平位移容许值为[V]=H/150、H为柱高度（引自《钢结构设计规范》附录B之B.2.1条，注。

）本门架矮柱高度H=8100mm、[V]=H/150=8100/150=54mm。

计算结果表明：正常使用极限状态下，门架柱顶位移满足规范要求。

3.2.1 横梁挠度
（1）整体升温状况下，
上横梁最大挠度为110.9mm、发生在横梁距左侧立柱9.805m处（即左数第7根竖杆连接点，节点号No.32）；下横梁最大挠度为102.3mm、发生在左数第7根竖杆下端连接点。

其他变形情况参见图3.2.1-1。

（2）整体降温情况下，
上横梁最大挠度为111.4mm、发生在横梁距左侧立柱9.805m处（即左数第7根竖杆连接点，节点号No.32）；下横梁最大挠度为102.7mm、发生在左数第7根竖杆下端连接点。

其他变形情况参见图3.2.1-2。

（3）组合包络下，
上横梁最大挠度为111.4mm、发生在横梁距左侧立柱9.805m处（即左数第7根竖杆连接点，节点号No.32）；下横梁最大挠度为102.7mm、发生在左数第7根竖杆下端连接点。

其他变形情况参见图3.2.1-3。

《钢结构设计规范》附录B规定：支承压型金属板的梁的挠度容许值[vT]=l/150、l为受弯构件的跨度。

（引自《钢结构设计规范》附录B 之B.1.1条，注。

）本门架横梁跨度l=21010mm，[vT]=l/150=21010/140mm。

计算结果表明：：正常使用极限状态下，门架横梁位移满足规范要求。