【《交通标志结构计算设计案例分析》5700字】

交通标志结构计算设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u7669交通标志结构计算设计案例分析 1152451.1方案选型 1228401.1.1交通标志牌 1211391.1.2交通标志杆 236801.2风荷载计算分析比较 3180611.2.1计算方案比较 3291181.2.2计算结果分析 6291081.3荷载分析 7141151.3.1相关计算参数 7309911.3.2永久荷载分析 956521.3.3风荷载分析 1026481.4模型构建与求解 10124151.1.1构建几何模型 12180201.1.2划分网格，构建网格模型 12307461.1.3施加载荷 1390781.1.3求解 14204481.1.4结果与讨论 15121191.5模态分析 18210591.5.1模态分析理论 1859491.5.2有限元模型建立 20107571.5.3交通标志结构仿真结果分析 211.1方案选型1.1.1交通标志牌通过查阅规范可以知道JT/T279-2004中规定，标志牌的材料选择上大多使用的是铝材和钢材。那么，根据查阅资料和询问相关专业人士得到：镀锌板、钢板是当前交通标志牌钢材的主要部分；铝板、铝型材是当前交通标志牌铝材的主要部分[41]。（常用材料的性能要求见表1.1）表1.1交通标志牌常用材料性能要求材质性能要求板厚/mm力学性能防腐层质量镀锌板>1.0符合GB/T2518符合GB/T18226钢板>1.0符合GB/T11253符合GB/T18226铝板>1.5符合GB/T3880——铝型材>1.5符合GB/T6892——据规定可知，交通标志牌所用材的料为钢材和铝材，那么本研究就要在这两种材料中选出一种最适合此次研究的材料：钢材包含镀锌板和钢板。从自重的角度进行考虑，镀锌板钢板的自身重量相较于其他的材料来说比较大，那么显而易见，交通标志牌如若用其来作为材料进行制作也会相对变重，从而会影响到交通标志杆和基础的设计强度。从易锈腐蚀的角度进行考虑，镀锌板和钢板接触空气时间久了会生锈，生锈会加剧结构的腐蚀速度甚至导致结构破坏，因此，在制作时必须进行防锈处理。结合上述两种角度以及安全经济的角度综合考虑，选用镀锌板和钢板这类钢材作为交通标志牌的材料性价比并不是很高。除了钢材之外，铝材也是一种不错的选择，通过大量的资料查阅也验证了这一想法：目前大多数交通标志牌使用的材质都是铝材中的铝板。铝板也有很多种，比如铝合金板材、轧制板材等。由于此研究的地区为南通市，根据其地理位置分析得到南通市既靠江又临海属于多风地区，那么按照JT/T279-2004中的相关规定：“沿海及多风地区的标志牌，宜采用综合性能等于或优于牌号5A02的铝合金板”[42]，本研究拟采用牌号5A02、0状态的防锈铝合金板作为交通标志牌的材料。由于研究的是道路上的指路标志牌，因此结合前文的材料比选，本次研究选用矩形、牌号5A02、0状态的防锈铝合金板。1.1.2交通标志杆平常走在城市道路上时，我们可以发现当前的道路上，出现最多的就是悬臂式和门架式交通标志杆。那么从功能需求方面出发进行考虑，相较于柱式标志杆，悬臂式和门架式结构等悬空支撑方式更能满足目前的功能需求。这是因为在当前的等级较高的道路上，往往会出现以下几种情况：一、互通式立交分布密集；二、道路通行量靠近或等于设计通行能力；三、互通式立体交叉相间的距离较近；四、多车道出口；五、大型车辆占较大比例；六、路侧没有足够空间安装或者是空间被物体遮挡；七、一个方向有三个及以上的车道数量[38]。所以，悬臂式和门架式交通标志杆更受高等级道路的“欢迎”。从造价成本的方面出发进行考虑，门架式标志杆就不如柱式和悬臂式标志杆实惠：门架式标志杆造价最高，柱式标志杆造价最低，悬臂式标志杆的造价处于两者之间。然而，造价方面的因素是我们必须要考虑到的，假若采用不同型式的标志杆，而标志牌型式相同，那么造价将会达到数倍之差。因此，在满足功能需求方面的前提下，应尽量采用造价成本低的标志杆[43]。所以，综合上述分析，悬臂式交通标志杆的适用场合多样，经济造价相对合理，性价比较高，在道路工程中应用占比较大。因此，在型式上本次研究选用悬臂式交通标志杆。根据市场调研发现，钢材是当前交通标志杆选用较多的一种材料，而且不仅标志杆，交通标志结构中的横梁、底盘也大多选用钢材进行加工。型钢和钢管通常是标志杆和横梁的选择材料，型钢包括方形冷弯型钢、热轧H型钢，钢管包括焊接钢管、无缝钢管。钢板法兰盘和钢制地脚螺栓焊接成标志结构中的底盘结构。（钢管、型钢材料性能要求见表1.2）表1.2钢管、型钢材料性能要求材质性能要求力学性能防腐层质量焊接钢管符合GB/T13793符合GB/T18226无缝钢管符合GB/T8162符合GB/T18226冷弯型钢符合GB/T6725符合GB/T18226热轧型钢符合GB/T11263符合GB/T18226我国目前大多使用Q235的碳素结构钢钢管作为标志杆和横梁的材料，所以本次研究也选用这个材料。因此，结合前文的材料比选，本次研究的交通标志杆选用悬臂式、圆管形Q235的碳素结构钢钢管。1.2风荷载计算分析比较1.2.1计算方案比较已知本文研究的是南通市交通标志牌，那么风速取30。为方便计算，假定标志面板、标志杆、横梁的迎风面宽度和高度各取1。方法一：交通部颁发的《公路交通标志和标线设置规范》(JTGD82—2009)[1]配套手册中第8.3.4条规定交通标志牌所受的风荷载按式(1.1)(1.2)计算。（1）标志面板所受风荷载(1.1)式中：（2）标志杆（横梁）所受风荷载(1.2)式中：由此，风荷载分别为：标志面板：(1.3)标志杆（横梁）：(1.4)方法二：在规范《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)中1.2节第1.2.1条[44]，施加在户外广告牌上高度处的单位面积风荷载标准值应按下式(1.5)计算，规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)也采用式(1.5)计算风压标准值[45]：(1.5)式中：地面粗糙程度可分为A、B、C、D四类，见表1.3。可见南通市属于C类。表1.3地面粗糙度类别类别条件A类指近海海面、海岸、湖岸和沙漠地区B类指田野、乡村、丛林、丘陵和房屋比价稀疏的乡镇和城市郊区C类指有密集建筑群的城市市区D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区为高度10，地面粗糙类别为C类，查规范《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)中表1.2.2[44]得；为户外广告牌高度10处的风振系数计算得：。查规范《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)中表1.2.4得1.3。为基本风压，南通地区采用0.55。由此可得，，通过荷载基本组合后可得，。1.2.2计算结果分析从前面两种方法计算的结果看出，虽然是所用的条件是相同的，但是依据的规范不同，计算出来的数据结果也有一定的区别。交通标志结构设计的尺寸越大，所承受的单位风荷载也就越大。显然，在设计时载荷的考虑是非常有必要的，尤其是风荷载的影响。当前，根据气候变化、研究区域所处地理位置、环境因素等影响分析，标志牌做承受的风越来越具有高强度、高频率的特点[46]，所以选择一个合适的风荷载来进行计算验证是十分重要的。方法一中的数据计算是依据交通部颁发的《公路交通标志和标线设置规范》(JTGD82—2009)进行计算的[1]。该规范适用于各级公路交通标志和标线设置领域[9]。规范中的风荷载计算公式，不仅将标志面板和标志杆的风力系数考虑进去，还将风可变荷载的分项系数以及结构的重要性系数也考虑了进去，与此同时，标志结构的多种受力情况也在考虑的范围之内。方法二中的数据计算是依据《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)进行计算的，该规范是适用于各种形式户外广告牌钢结构的设计与施工。《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)与《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)这两个规范中的风荷载标准值得计算公式是相同的，但是《户外广告设施钢结构技术规程》(CECS148-2003)规范中的风振系数沿用的是《建筑结构荷载规范》(GB50009-2006)，这个风振系数只是对脉动影响因素作了修正，所以计算出来的数据相较于方法一计算出来的数据要偏大。综上所述，方法一所得到的的数值较小，其计算公式更适合本篇文章研究的市政道路工程，相比较来说更经济。1.3荷载分析标志牌上的作用力可分为永久作用和可变作用两类[47]。永久作用主要包括杆件自重、标志牌或固定设备自重、土压力和地基变形等；可变作用包括风荷载、覆冰荷载、雪荷载、安装或检修荷载、地震荷载、温度荷载等[48]。其中风荷载是结构承受的主要荷载[6]。交通标志结构中标志面板、连接标志面板与立柱的横梁以及立柱等结构组成部分均承受风载。风荷载的大小及其分布非常复杂，除与风速、风向有关外，还与建筑物的高度、形状、表面状况、周围环境等因素有关[47]。在风荷载的作用下，交通标志牌的受力情况如图1.1所示：图1.1交通标志牌的受力分析1.3.1相关计算参数（1）交通标志面板交通标志面板设计为矩形面板，采用牌号5A02、0状态的防锈铝合金板。其设计宽度为5.0，高度为3.0，厚度为0.003，标志面板单位面积设计重量为8.04。（2）交通标志杆交通标志杆选用悬臂式、圆管形Q235的碳素结构钢钢管。设计尺寸为外径0.360，壁厚0.014，杆件顶端距地面距离8.25，单位长度重量达到109.9。（3）横梁横梁为两根，尺寸是外径0.20，厚度0.012，两横梁中心间距2.0，设计长度为5.65，单位长度重量达到91.2。本研究拟计算的交通标志牌和标志杆的基本计算参数见表1.4。表1.4交通标志牌、标志杆基本计算参数交通标志牌几何尺寸参数标志面板标志面板高度A（）3.0标志面板宽度B（）5.0标志面板离地高度a（）8.5横梁横梁尺寸（）横梁外径（）200两横梁中心距（）2.0标志面板最外边缘距标志杆中心轴线水平距离（）1.65标志面板最内边缘距标志杆中心轴线水平距离（）0.65标志杆标志杆尺寸（）标志杆外径（）360杆件顶端距地面距离（）8.25最高处横梁距地面距离（）7.75交通标志牌荷载计算参数空气密度1.2258Q235碳素结构钢材密度7.855A02铝合金板密度2.8基本风压（南通市50年一遇、10高度处）0.55基本风速（南通市50年一遇、10高度处）30重力加速度9.8Q235碳素结构钢材弹性模量2065A02铝合金板弹性模量691.3.2永久荷载分析（1）交通标志面板重量(1.6)式中：（2）交通标志杆重量(1.7)式中：（3）横梁重量(1.8)式中：（4）上部结构总重量(1.9)式中：1.3.3风荷载分析参照1.2小节中的方法一的计算公式，所算的结果如下：标志面板：(1.10)标志杆：(1.11)横梁：(1.12)1.4模型构建与求解确定模拟的目标、影响的因素、有限元单元划分的类型是模拟验证中的必要条件。模型构建与求解的具体流程如下图1.2所示：图1.2使用ANSYS模拟检验流程图建立模型是进行有限元分析的第一步，在建立模型之先设计好交通标志牌的平面图。标志牌的平面图见图1.3。图1.3道路交通标志牌平面简图1.1.1构建几何模型那么有了思路之后就要确定模拟的对象，本文选采用目前道路上使用相对较多的悬臂式交通标志结构，标志面板为矩形板面，采用牌号5A02、0状态的防锈铝合金板。其设计宽度为5.0，高度为3.0，厚度为0.003。标志杆为悬臂式、圆管形Q235的碳素结构钢钢管。设计尺寸为外径0.360，壁厚0.014，杆件顶端距地面距离8.25。本文采用的软件是ANSYS，通过ANSYS建立模型。模型见图1.4。图1.4道路交通标志牌模型立体图1.1.2划分网格，构建网格模型根据有限元一般分析流程，几何模型构建完成之后，接下来就是对几何模型进行网格划分，几何模型在ANSYSWorkbench软件中进行划分的平台有两个：第一个是Meshing网格划分平台，它是集成在Workbench软件上的高度自动化网格划分工具；第二个是ICEMCFD网格划分工具，它是高级专业几何网格划分工具[49]。本次研究将进行结构静力分析，所以选择Meshing网格划分平台，单位制选择mm、N、Tonne、MPa、Second。网格划分设置如下：双击Model（模型）进入Mechanical操作环境模块，此模块中包含赋予材料属性、网格划分、施加载荷和边界条件、求解模型及后处理设置[50]。对于该装配体模型，结构稍微复杂，六面体网格很难划分，因此采用四面体网格。Mesh平台的物理场参照类型（PhysicsPreference）有四种情况，分别是Mechanical（结构类型）、Electromagnetics（电磁场）、CFD（计算流体场）和Explicit（显示动力学）。对于几何模型的静力分析，在划分网格时PhysicsPreference均默认为Mechanical。网格模型见图1.5。图1.5道路交通标志牌网格模型图1.1.3施加载荷施加的载荷主要为风荷载，计算结果参照1.2小节中的方法一的计算公式，将所算出的结果带入软件，施加结果见图1.6。图1.6ANSYSWorkbench-Mechanical-StaticStructural载荷及边界设置1.1.3求解所有设置完成之后就是对模型进行求解，完成求解之后便可以选择查看模型的等效应力（Equivalent（Von-Mises）stress）和总变形（TotalDeformation），求解选择控制见图1.7，求解流程见图1.8。图1.7模型求解结果输出选择图1.8求解流程1.1.4结果与讨论进行软件的相关操作之后，得出求解结果。交通标志结构的最大总变形量为90.115mm，发生于面板左侧。标志结构变形量计算见图1.9。根据《公路交通标志和标线设置规范》(JTGD82—2009)[2]中变形验算：，满足要求(1.13)图1.9交通标志结构变形量计算交通标志结构的最大等效应力为197.17MPa，发生于下横梁与杆连接处。见图1.10。图1.10交通标志结构等效应力计算交通标志面板的应力计算结果见图1.11。最大应力40.609MPa。图1.11交通标志面板应力计算交通标志横梁的应力计算结果见图1.12。最大应力197.17MPa。图1.12交通标志横梁应力计算交通标志杆的应力计算结果见图1.13。最大应力157.73MPa。图1.13交通标志杆应力计算根据图1.9和1.10可以得到，交通标志结构的变形量及等效应力变化不是很大，其中最大等效应力远远小于材料的屈服强度235MPa，综合等效应力及变形量结果：说明在当前工况条件下，交通标志结构强度及刚度满足使用要求，结构安全。1.5模态分析1.5.1模态分析理论结构系统的固有振动特性是模态，其仅与结构的刚度和质量分布有关，阻尼比、模态振型和固有频率是每一个模态特有的，通过计算和试验分析可以取得前述的模态参数，这个分析过程就称为模态分析。模态分析主要是确定结构系统的振动特性，得到固有频率和模态振型之间的关系，对交通标志结构进行模态分析，有助于结构的优化设计，有利于在其他动力分析中估算求解控制参数等，从而预先避免可能引起的共振[51]。根据机械振动方程，对交通标志结构建立振动微分方程：(1.14)式中：由于模态为交通标志结构的固有模态，那么在进行交通标志结构