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计算书
引言
随着家用汽车使用量的增加,交通事故已成为当今世界的一个严重社会问题。
全世界每年因道路交通事故死亡的人数约35万人,我国的交通事故数比其他国家高出很多,并且呈逐年上升的趋势。
在交通事故发生的次数上高速公路是最为严重的。
交通工程设施是公路工程的重要组成部分,特别是对高等级公路而言更是必不可少。
它对减轻事故的严重程度,排除各种纵、横向干扰,提高道路服务水平,提供视线诱导,改善道路景观等起着重要的作用;特别是对充分发挥高速公路安全、快速、经济、舒适的功能,具有特殊的意义。
随着世界经济的飞速发展,高速公路的不断修建,立体交通模式的广泛采用,对道路交通设施如何更有利和有效的提高道路通行能力、减少事故、防止阻塞、节约能源和降低公害等提出了十分迫切的要求。
世界各国对尤其是发达国家,对交通设施的开发研究及其应用非常重视,不断推出形式多样、经济美观,性能优良和安全适用的新产品,以满足交通运输发展对交通施设的需求。
我国的交通工程事业起步于20世纪80年代,相对较晚;起步阶段,投入的资金和力量有限,因此在高速公路交通安全设施的设计中,不能明确提出有关设施的技术要求和选择原则,对施工中出现的一些缺陷缺乏有效的评价标准,在制作安装上也缺乏严格的规定,造成交通工程设施配置规模和水平的差异,这将导致一条高速公路的不同路段之间,或一个区域内若干条高速公路之间的联网控制变得困难,不能发挥综合交通管理系统的功能;此外,由于交通工程专业交叉,界面划分无标准,造成衔接上的各种问题,为以后的联网开通带来诸多麻烦。
但是随着我国经济的增长和科技的进步,交通工程取得了迅猛发展。
在借鉴国外先进成果和老一辈交通工程师的努力下,我国交通工程事业的研究和应用也进入了快速和全面的发展间段,初步建立了较为完善的交通工程设计规范和施工要求。
本次毕业设计,为保证道路的安全畅通和良好运营,按照已颁布的交通工程相关规范,结合该路的特征和所处的地理、环境以及高速公路安全、快速、经济、舒适各功能的要求,对道路进行了标志、标线、护栏、隔离栅、轮廓标、防眩设施等六大方面安全设施的设计。
本安全设施设计能够明确的给司机提供正确的行驶信息和创造舒适的的行车环境,标志部分主要有指路标志、指示标志、警告标志、警令标志;标线部分主要有车道分界线、道路边缘线、加减速车道线、出入口匝道斑马线、路面箭头;护栏采用混凝土波形护栏;隔离栅采用钢板网;轮廓标主要应用路钮和视线诱导标;防眩设施采用结构较为简单的防眩板。
本设计在设计过程中由于时间比较紧迫,再者由于设计者能力有限,在设计时难免有一些漏洞和差错,希望各位老师批评指正,我将虚心接受并加以改正。
第一章交通标志
1.1布设原则
设置交通标志,旨在通过对驾驶员适时、准确的诱导,充分发挥高速公路快速、舒适、安全、通过适时、适量地提供交通信息,使司机能够正确地选择路线及方向,顺利、快捷地到达目的地。
同时,还应通过禁令、警告、指示等标志保证必要的行车安全,市道路发挥最大的作用,因此在交通标志的布设上应遵循以下总体原则:
(1)全段各类型标志统一布局,并前后协调,形成整体系统;
(2)及时为司机提供准确信息;
(3)重要信息要重复提示多极预告,但同时还要避免提供过多信息,分散司机注意力;
(4)设置必要的禁令、警告、指示标志,保证行车安全;
(5)标志布设应注意与监控、收费、环境等其他沿线设施的协调配合。
结合以上总体布设原则,本路布设以下标志:
(1)在互通式立交出口前设置2km、1km、500m出口预告标志,并在入口匝道与主线相交的三角端处设置合流标志,出口匝道前的适当位置设置分流标志;;
(2)在各匝道收费站之前设置收费站指示标志;
(3)在互通式立交入口加速车道终点后,根据信息的重要性,按顺序设置限速、车道指示、下一出口、地点距离、车距确认等标志;
(4)在高速公路连接的被交道路上设置高速公路入口预告标志
(5)在主线上跨被交路的分离立交、通道处,迎被交路行车方向设置限高的禁令标志。
(6)在双向匝道交汇处设置靠右行驶标志。
(7)由主线行驶到匝道上时,在匝道起点处设置限速标志;
(8)在匝道的小半径路段,设置视线诱导标志;
(9)沿线的适当位置重复设置地点距离标志,指示前方能到达的地点,距离按由近到远的顺序由上而下标示。
1.2版面设计
版面设计应以司机在计算行车速度行驶时能及时辨认标志内容为基本原则,同时版面设置应美观、醒目、同时突出形象化,人性化的理念,并且标志应具有夜间反光的性能。
本路交通标志是根据GB5768-1999《道路交通标志标线》的要求,结合内蒙古少数民族地区对所有标识文字的特殊要求而设计的。
标志版面内容采用蒙文、中文两种文字对应标识、蒙文在上,中文在下,中文汉字根据路段计算行车速度和标志重要程度分别采用60cm/40cm的字高,蒙文、阿拉伯数字和汉字同高。
全线除警告、禁令等标志的颜色按照国标确定外,其余所有的标志均为绿底白字。
另外,为了使版面更加美观,并提高标志的视认性,除警告、禁令外的所有标志均加上了与标志中文字或图案颜色相同的边框,边框高度为1/10汉字高。
(1)指路标志的颜色,高速公路为绿底白图案。
(2)指路标志的形状,除地点识别标志、里程碑、分合流标志外,为长方形和正方形。
(3)指路标志的汉字采用标准黑体。
汉字高度应符合GB5768-1999《道路交通标志标线》中表1的规定,字宽与字高相等。
表1汉字高度与计算行车速度的关系
计算行车速度,km/h
100--120
71--99
40--70
<40
汉字高度,cm
60--70
50--60
40--50
25--30
(4)指路标志的阿拉伯数字和拼音字、拉丁字或少数民族文字的高度应根据汉字高度确定,他们与汉字的关系应符合GB5768-1999《道路交通标志标线》中表2的规定,阿拉伯数字参见附录C(标准附录)。
拼音字或拉丁字参见附录D(标准附录)。
表2其他文字与汉字的高度关系
其他文字
与汉字高度(h)的关系
拼音字、拉丁字或少数民族文字高
大写
1/2h
小写
1/3h
阿拉伯数字
字高
h
字宽
0.6h
笔画粗
1/6h
公里符号高
k
1/2h
m
1/3h
(5)指路标志的汉字或其他文字的间隔、行距等应符合表3的规定。
表3文字的间隔、行距等的规定
文字设置
与汉字高度(h)关系
字间隔
1/10h以上
笔划粗
1/10h
字行距
1/3h
距标志边缘最小距离
2/5h
(6)指路标志外边框和衬底边的尺寸
外边框宽为0.1h,衬底边宽0.1h,圆角半径R=0.1h。
主线上外边框宽6cm,衬底边宽6cm,圆角半径R=12cm;主线以外边框宽4cm,衬底边宽4cm,圆角半径R=8cm。
高速公路应设置以下高速公路指路标志:
a.入口标志
b.出口预告标志
c.出口标志
d.地点方向标志
e.收费站标志
f.主路和匝道限速标志
g.分合流标志
h.线形诱导标志
1.3交通标志设计原则
(1)交通标志以确保交通畅通和行车安全为目的。
应结合道路线形、交通状况、沿线设施等情况,根据交通标志的不同类型来设置。
以理想道路使用者提供正确的、及时的信息。
通过交通标志的引导,顺利便捷地抵达目的地,不容许发生错向行驶。
(2)交通标志的设置应进行总体布局,防止出现信息不足或过载的现象。
对于重要的信息应给予重复显示的机会。
(3)交通标志的设置应充分考虑道路使用者的行动特性,即充分考虑在动态条件下发现、判断标志即采取行动的时间和前置距离。
同时,交通标志还应设在车辆进行进方面最容易看见的地方。
可根据具体情况设置在道路右侧和中央分隔带上,或是车道上放。
(4)同一地点需要设置两种以上的标志时,可以安装在一根标志柱上,但是最多不应超过四种。
应避免出现互相矛盾的标志内容。
解除限制速度标志、解除禁止超车标志、干路先行标志、停车让型标志、减速让行标志、会车先行标志、会车让行标志应单独设置。
标志牌在一根支柱上并设施,应按警告、禁令、指示的顺序,先上后下,先左后右的排列。
(5)路侧式标志应尽量减少标志版面对驾驶员的眩光。
在装设时,应尽可能与道路中先垂直或呈一定角度;禁令和指示标志为
,如图1(A)所示。
指路和警告标志为0~100,如图1(B)所示。
图1标志安装角度
1.4交通标志的支持方式
(1)柱式
柱式标志不应侵入公路建筑限界以内,标志内边缘具路面或土路肩边缘不得小于25cm。
标志牌下缘具路面的高度为100~250cm。
(2)单柱式
标志牌安装在一根立柱上,适用于中、小型尺寸的警告、禁令、指示等标志。
(3)双柱式
标志牌安装在两根立柱上,适用于长方形的指示或指路标志。
(4)悬臂式
标志牌安装于悬臂梁上,标志下缘离地面的高度,至少按该道路规定的净空高度设置。
适用于:
a.柱式安装有困难时
b.道路较宽、交通量较大、外侧车道大型车辆阻挡内侧车道小型车道视线时;
c.视距受限制时
d.景观上的要求时
(5)门式
标志安装在门架上,标志下缘距路面的高度,至少按该道路规定的净空高度设置。
标志适用于:
a.多车道道路(通向三车道以上)需要分别指示个车道去向时;
b.道路较宽、交通量较大、外侧车道大型车辆阻挡内侧车道小型车道视线时;
c.混同式立交间隔距离较近标志设置密集之处
d.受空间限制,柱式、悬臂式安装有困难时;
e.车道表换频繁,出口匝道为多车道者;
f.景观上有要求时。
(6)附着式
标志安装在上跨桥河附近构造物上。
附着式标志的安装高度也应符合上述净空要求。
1.5结构与反光材料
标志板的材料及制作工艺对其使用性能、寿命、美观等影响很大。
标志板与标志面所采用的材料要求具有相容性,防止电化作用或不同的热膨胀系数造成标志板的锈蚀或损坏。
由于铝合金板具有质轻、高强、耐蚀、耐磨等优点,为了保证强度及平整度,标志板全部采用3mm厚铝板制成,其中圆形标志采用卷边加固,其他标志边缘均采用角铝加固。
为加强标志板的强度和便于同立柱连接,标志板后附有滑动槽铝,滑动槽铝用铆钉铆固在标志板上,铆钉头应打磨平滑。
标志的支撑结构应保证安全、美观、耐用。
由于钢立柱具有强度高,加工性好等优点,本次设计标志立柱材料采用热轧钢管。
设计时应考虑本地的风速、版面大小、路侧条件、版面内容、标志作用等因素,确定针对不同标志分别采用单柱、双柱、单悬臂支撑方式。
本次所有标志均应根据以上分析进行结构的确定,并且为了便于配料和加工,对版面面积相差不大的标志进行了归类汇总。
标志结构中所有的钢构件均应进行热浸镀锌处理,螺栓、螺母等连接构件的镀锌量为350g/㎡,其余均为550g/㎡。
路基路段的标志基础采用现浇钢筋混凝土基础,标号为C25号。
标志板必须具有夜间反光效果,为保证夜间具有很好的可视性,本路所有的标志板的反光膜底膜采用三级(高强级)反光膜,字膜采用一级(钻石级)反光膜。
1.6技术要求及施工注意事项
(1)交通标志的形状、图案、字体、颜色应严格按照《道路交通标志和标线》标准及设计图纸要求制作。
(2)所有钢构件均应先加工制作,后热浸镀锌,严格镀锌后加工;
(3)主要钢构件(如立柱、横梁、法兰盘等)镀锌量为550g/㎡,热浸镀锌所用的锌应该为《锌镀》(GB470—83)中所规定的0号或1号锌;
(4)单柱式、双柱式的标志板内缘到土路肩边缘的距离不少于25cm,悬臂式标志板下缘距路面净空高度不得小于5.5m。
(5)钢筋混凝土基础应提前施工,待强度达到设计强度70%后方可安装立柱及标志板;
(6)标志设置与实际有出入时,可在小范围内调整布设桩号;
1.7交通标志结构设计计算
交通标志结构的设计计算主要包括:
(1)荷载的计算与组合;
(2)立柱(横梁)的设计与强度验算;
(3)立柱(横梁)的变形验算;
(4)立柱与横梁的连接螺栓、立柱与基础的地脚螺栓的设计与强度验算;
(5)基础的设计与验算。
下面分别计算本次设计中将会用到的标志所使用的支持方式并进行其验算。
1.7.1单柱式标志版结构设计计算书
1设计资料
桩号:
K0+120
1.2板面数据
1)板数据
版面形状:
圆形,直径D=1.20(m)
2)铝合金板材料
1.3立柱数据
1)立柱外径D=100.00(mm)
2)立柱壁厚T=5.000(mm)
2计算简图
3荷载计算
3.1永久荷载
1)标志版重量计算
此标志版用铝合金板制作,其重量为8.04(kg/m^2)
计算公式
G1=ΣA×ρ×g
式中:
A为各标志版的面积
铝合金板单位面积重量ρ=8.04
标志版1的面积A1=1.13(m^2)
g=9.8
G1=ΣA×ρ×g=89.08(N)
2)立柱重量计算
计算公式
G2=L×ρ1×g
式中:
立柱总长度L=2.70(m)
立柱单位长度重量ρ1=11.71(kg/m)
g=9.8
G2=L×ρ1×g=309.96(N)
3)上部总重计算
标志上部结构的总重量G按标志版和立柱总重量的110.00%计(考虑有关连接件及加劲肋等的重量),则
计算公式
G=(G1+G2)*K
式中:
标志版总重量G1=89.08(N)
立柱总重量G2=309.96(N)
相关系数K=1.10
G=(G1+G2)*K=438.94(N)
3.2风荷载
1)计算标志版1所受风荷载
计算公式
F=γ0*γq*[(1/2*ρ*C*V^2)*A]
式中:
结构重要性系数γ0=1.00
可变荷载分项系数γq=1.40
空气密度ρ=1.23(N*s^2*m^-4)
风力系数C=1.20
风速V=45.00(m/s)
面积A=1.13(m^2)
Fwb1=γ0*γq*[(1/2*ρ*C*V^2)*A]=2.3582(KN)
2)计算第1段立柱所受风荷载
计算公式
F=γ0*γq*[(1/2*ρ*C*V^2)*A]
式中:
结构重要性系数γ0=1.00
可变荷载分项系数γq=1.40
空气密度ρ=1.23(N*s^2*m^-4)
风力系数C=1.20
风速V=45.00(m/s)
面积A=0.15(m^2)
Fwp1=γ0*γq*[(1/2*ρ*C*V^2)*A]=0.2085(KN)
4强度验算
4.1计算截面数据
1)立柱截面面积
A=1.49×10^-3(m^2)
2)立柱截面惯性矩
I=1.69×10^-6(m^4)
3)立柱截面抗弯模量
W=3.38×10^-5(m^3)
4.2计算立柱底部受到的弯矩
计算公式
M=ΣFwi×hi
式中:
Fwi为标志版或立柱的所受的风荷载
hi为标志版或立柱受风荷载集中点到立柱底的距离
板面1受风荷载Fwb1=2.36(KN)
板面1受风荷载高度hwb1=2.10(m)
立柱第1段受风荷载Fwp1=0.21(KN)
立柱第1段受风荷载高度hwp1=0.75(m)
M=ΣFwi×hi=5.11(KN*m)
4.2计算立柱底部受到的剪力
计算公式
F=ΣFwi
式中:
Fwi为标志版或立柱的所受的风荷载
板面1受风荷载Fwb1=2.36(KN)
立柱第1段受风荷载Fwp1=0.21(KN)
F=ΣFwi=2.57(KN)
4.3最大正应力验算
计算公式
σ=M/W
式中:
抗弯截面模量W=3.376×10^-5(m^3)
弯矩M=5.11(KN*m)
σm=M/W=151.31(MPa)<[σd]=215.00(MPa),满足设计要求。
4.4最大剪应力验算
计算公式
τm=2×F/A
式中:
剪力F=2.567(KN)
截面积A=1.49×10^-3(m^2)
τm=2×F/A=3.44(MPa)<[τd]=125.00(MPa),满足设计要求。
4.4危险点应力验算
对于圆柱形立柱截面,通过圆心与X-X轴成45°的直线与截面中心线的交点处于复杂应力状态,正应力和剪应力均比较大,应对该点进行应力状态分析。
1)计算危险点的位置
x=y=0.0336(m)
2)计算危险点处的正应力
计算公式
σ=M*Y/I
式中:
弯矩M=5.109(KN*m)
Y=0.03(m)
惯性矩I=1.69×10^-6(m^4)
σ=M*Y/I=101.64(MPa)
3)计算危险点处的剪应力
计算公式
τ=F*Sx/(I*2*t)
式中:
剪力F=2.567(KN)
静矩Sx=0.02×10^-3
惯性矩I=1.69×10^-6(m^4)
立柱壁厚t=5.00(mm)
τ=F*Sx/(I*2*t)=2.43(MPa)
4)根据形状改变必能理论(即第四强度理论)进行校核
在此应力状态下,三个主应力分别为:
σ1=σ/2+((σ/2)^2+τ^2)^1/2
σ2=0
σ3=σ/2-((σ/2)^2+τ^2)^1/2
代入第四强度理论公式,可得到如下强度条件:
σ4=(σ^2+3*τ^2)^1/2=101.73(MPa)<[σd]=215.00(MPa),满足设计要求。
5变形验算
5.1计算说明
本标志由多块标志版组成,为了简化起见,标注板及两块标志版之间所夹立柱所受荷载看作为作用在板面、所夹立柱集合中心的集中荷载,基础与标志板之间的立柱的立柱所受荷载看作均布荷载。
立柱总高度:
L=2.70(m)
5.1计算标志版1所受风荷载引起的扰度
计算公式
f=P*h^2/(6*E*I)*(3*L-h)
式中:
集中荷载标准值P1=Fwb1/(γ0*γq)=1.6844(KN)
荷载到立柱根部的距离h=2.100(m)
f1=P*h^2/(6*E*I)*(3*L-h)=0.02136(m)
5.2计算底部均布荷载产生的扰度
计算公式
f=q*h^4/(8*E*I)
式中:
均布荷载标准值为q=Fwb1/(h*γ0*γq)=0.0993(KN/m)
荷载到立柱根部的距离h=1.500(m)
f2=q*h^4/(8*E*I)=0.181×10^-3(m)
5.3计算底部均布荷载产生的转角
计算公式
f=q*h^3/(6*E*I)
式中:
均布荷载标准值为q=0.0993(KN/m)
θ=q*h^3/(6*E*I)=1.60605×10^-4(rad)
5.4计算柱顶部的总变形扰度
计算公式
f=Σf+(L-h)×tan(θ)=0.0216(m)
f/L=0.0080<1/100,满足设计要求。
6柱脚强度验算
6.1计算底板法兰盘受压区的长度Xn
6.1.1受力情况
铅垂力G=γ0*γG*G=1.00*0.90*438.94=0.40(kN)
水平力F=2.57(kN)
由风载引起的弯矩M=5.11(kN)
6.1.2底板法兰盘受压区的长度Xn
偏心距e=M/G=5108.55/395.05=12.93(m)
法兰盘几何尺寸:
L=0.40(m);B=0.40(m);Lt=0.05(m)
基础采用C30砼,n=Es/Ec=206.00*10^9/30.00*10^9=6.867
地脚螺栓拟采用4M16规格
受拉地脚螺栓的总面积:
Ae=2*1.57=3.13(CM^2)=3.13*10^-4(M^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
式中:
e=12.93
L=0.40
B=0.40
n=6.87
Ae=3.13*10^-4(M^2)
Lt=0.05
求解该方程,得Xn=0.057
6.1.3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))
=1.37(MPa)<β*fcc=39.16(MPa),满足设计要求。
6.1.4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)
=15.22(KN)<3.13*10^-4(m^2)*140(MPa)=43.88(KN),满足设计要求。
6.1.5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)
=6.24(KN)>2.57(KN),满足设计要求。
6.1.6柱脚法兰盘厚度的验算
法兰盘勒板数目为4
受压侧法兰盘的支撑条件按照两相邻边支撑板考虑,自由边长a2=1.414*L/2=0.283(m),固定边长:
固定边长b2=a2/2=0.141(m)
b2/a2=0.500
查表得:
α=0.060,因此,
Mmax=α*δ*(a2)^2=6.586(kN*m/m)
法兰盘的厚度:
t=(6*Mmax/fb1)^0.5=13.56(mm)<20.0(mm),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+Lai1+Lai)/fb1)^0.5=13.41(mm)<20.0(mm),满足设计要求。
6.1.7地脚螺栓支撑加劲肋
由混凝土的分布反力得到的剪力:
V=Ari*Lri*δc=41.16(KN)>Ta/2=7.61,满足设计要求。
地脚螺栓支撑加劲肋的高度和厚度为:
高度Hri=0.150(m),厚度Tri=0.010(m)
剪应力为τ=Vi/(Hri*Tri)=27.44(MPa) 设加劲肋与标志立柱的竖向连接角焊缝尺寸Hf=5.00(mm) 角焊缝的抗剪强度τ=Vi/(2*0.7*he*lw)=42.00(MPa)<160.00(MPa),满足设计要求。 7基础验算 基础宽WF=1.00m,高HF=1.00m,长LF=1.00m, 设基础的砼单位重量24.00(KN/M^3),基底容许应力290.00(KPa) 7.1基底应力验算 基底所受的外荷载为: 竖向总荷载N=G+V=24.44(KN) 弯矩: M=7.68(KN*M) 基底应力的最大值为 σmax=N/A+M/W=70.49(kPa)<[δ]=290.00(kPa),满足设计要求。 基底
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