消防炮塔架计算书

一、主要要求：

1、型钢格构式塔架，落于泵船甲板上。

2、上层炮标高16.0m，自重120Kg，水平后座力4.12kN。

下层炮标高13.5m，自重120Kg，水平后座力2.2kN。

3、南京大厂镇江边。

二、设计概况：

1、抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组.

2、基本风压0.4kN/㎡，地面粗糙度为A类(空旷地带)，工程的安全等级为一级(参照《高耸结构设计规范》设计)。

3、按照《高耸规范》第3.4.2条，本塔架结构不必进行构件截面的抗震验算，仅需满足抗震构造要求。

4、荷载的组合，按《高耸规范》第2.0.5条，取用下式：

1.2G+1.4W+1.4×0.7L

        式中，G为自重等永久荷载

W为风荷载

L为活荷载

5、考虑到平时检修及消防炮使用时人员的上下，采用大型角钢格构式塔架，尺寸如下：

三、塔架构件选择说明：

1、满足大型格构式柱的构造要求：斜缀条与水平缀条的夹角宜在40°~70°内，水平缀条不小于L63×5，斜缀条不小于L75×6。

2、节点板的厚度由构造决定，选用10mm厚钢板，焊脚尺寸取8mm。

3、除塔架柱脚处的水平缀条连在柱分肢的外侧，其他所有缀条。包括斜缀条和水平缀条均连在柱分肢的内侧，塔身外表平整，便于运输；根据业主要求，塔架用螺栓连接。

4、塔架可以在工厂分段制作，现场进行拼接。

5、格构式柱（塔架）采用分离式柱脚，柱脚底板由计算确定，且应不小于20mm厚；锚栓直径亦由计算确定，且应不小于20mm，孔径为螺栓直径的1.5倍，垫板孔径比螺栓大2mm。

四、风荷载的计算：按《高耸规范》执行。

        W=βZμSμZμrω0

式中：    ω0=1.1× 0.4=0.44kN/㎡(1.1为工程重要性一级要求，0.4为南京的基本风压)

βZ为风振系数：根据荷载规范GB50009-2001附录E，高耸结构的基本自振周 期T1=(0.007~0.013)H，本工程为钢结构，取T1=0.013× 16.0=0.208sec;另根据《高耸规范》第3.2.7条，T1<0.25sec时不考虑风振影响，即βZ=1.0

         μS为风荷载体型系数，取2.6(偏于安全取规范的高值)

         μZ为风压高度变化系数，按高度16m的取值为1.52

         μr为风荷载重现期调整系数，为1.2

         W =1.0×2.6×1.52×1.2×0.44=2.09kN/㎡

五、柱分肢角钢L140×14和缀条角钢L100×10的截面特性：

角钢截面示意

角钢L140×14：

肢宽L=140mm，肢厚tf=14mm，

A=3757平方毫米

Wxmin=68744(mm)3 

Ix=6888100(mm)4

Ix0=10935600(mm)4

Iy0=2840600(mm)3

Wx0=110466(mm)3

Wy0=50467(mm)3

Ix=42.8mm

Ix0=54mm

Iy0=27.5mm

Z0=39.8mm

G=29.492Kg/m

角钢L100×10：

肢宽L=100mm，肢厚tf=14mm

A=1926.1(mm)2

Wxmin=25060(mm)3 

Ix=1795100(mm)4

Ix0=2846800(mm)4

Iy0=743500(mm)3

Wx0=4260(mm)3

Wy0=18540(mm)3

Ix=305mm

Ix0=384mm

Iy0=196mm

Z0=28.4mm

G=15.12Kg/m

六、计算格构式柱的柱身1500mm高的材料重量及总重：

分肢角钢：L140×14， 29.492×1.6×4=188.8 Kg

L100×10水平角钢：15.12×1.6×4=96.8 Kg 

L100×10斜向角钢：15.12×1.8×4=108.9 Kg

节点板：0.3×0.6×0.01×7800×4=56.2 Kg

合计：188.8+96.8+108.9+56.2=450.7 Kg

考虑计入爬梯及附属设备等，1600mm高柱重取1.1×450.7=495.77 Kg

柱全高重：495.77×10(节)=4957.7Kg=49.58 kN

七、求塔架内力：控制截面在塔底

风荷载沿高度的线载=1.60×2.09=3.344 kN/m

塔底轴力设计值：

3.344

kN/m

12.0m

N=49.58×1.2=59.50kN

弯矩设计值：

M=1/2×3.344(风)×16.02×1.4+(4.12×16.0+2.2×13.5)(后座力)×1.4×0.7=599.2+93.7=692.9 kN·m

剪力设计值：

V=3.344×16.0×1.4+(4.12+2.2)×1.4×0.7

 =74.91+6.2=81.1 kN

查规范〈〈钢结构设计规范〉〉知，格构式柱的轴心受压构件的截面分类为b类。

八、验算塔架柱的整体稳定性、整体强度、柱分肢的稳定性、柱分肢的强度以及缀条的有关计算：

1.塔架为格构式柱（大型），属压弯构件，整体稳定性的计算公式为：

N/φXA+βmxMx/W1x(1-φXN/NEX) ≤f       (a)

  式中：βmx取1.0（悬壁构件类）

         格构式柱IX=[6888100×2+3757×2×（800-39.8）2] ×2

                   =8712×106㎜4

         ix=squr(IX/A)=squr(8712×106/15028)=761.4㎜

         λX=2H/ix=2×16000/761.4=42.0<150 （可以）

 查表φX=0.1

     NEX=π2EA/λ2XO

式中：λXO=sqr(λ2X+40×A/AX)= sqr(422+40×15028/3852)=43.8

则NEX=3.142×206×103×15028/43.82=15.91×106N

W1X=8712×106/800=10.×106㎜3

      (a)公式左边=59.5×103/(0.1×15028) +

                   (1.0×692.9×106)/[1.0×10.×106（1-0.1×59.5×103/15.91×106）]

          = 4.44+63.84=68.28 N/mm2＜f=215 N/mm2（可以）

2．格构式柱的整体强度计算：

公式：N/An+Mx/γxWnx≤f        (b)

式中：N=59.5×103 N

     An=0.9×15028=13525mm2

       Mx=692.9 kN·m=692.9×106N·mm

     γx=1.0

     Wnx=0.9×10.×106=9.8×106 mm3

   (b)公式左边=59.5×103/13525+692.9×106/1.0×9.8×106=4.40+70.70=75.1 N/mm2

2、柱身分肢（单肢）的稳定性验算：按实腹式轴心受压构件计算

       轴力公式：N1=NY1/2a+Mx/2a

           式中：N=59.5×103 N

                 Y1=800-39.8=760.2 mm

                a=2Y1=2×760.2=1520.4 mm

                 Mx=692.9 kNm

           N1=59.5×103×760.2/（2×1520.4）+692.9×106/2×1520.4

             =14875+227868=242743 N=242.7 kN

        分肢计算长度：l0=μ0l=0.5×1600=800 mm

           λy0= l0/iy0=800/27.5=29.1，小于格构式柱转换长细比的0.7倍，即0.7x42=29.4（可以）

查表：φ=0.938

        分肢稳定性计算公式：N1/ΦA≤f

左式＝242.7×103/（0.938×3757）=68.9 N/mm24、柱分肢强度验算公式：

           σ=N1/An           N1/An=242.7×103/0.9×3757=71.8 N/mm25、缀条的计算：

       长细比：λ0x=sqr(λx2+40A/A1x)

       式中：由第前面计算知λx=42

            A1x=2×1926.1=3852 mm2

            A=3757 mm2

            λ0x=sqr(422+40×3757/3852)=42.5

    查表， Φ=0.8

       剪力V=(Af/85)×sqr(fy/235) 

       式中 A=3757 mm2，f=215 N/mm2，fy=345 N/mm2

       则  V=(3757×215/85)×sqr(345/235)=11514N=11.51kN

选用Q235钢C级普通螺栓d=16mm连接缀条和柱分肢，查《钢结构设计手册》684页：螺栓受拉的承载力设计值为26.6kN，受剪的承载力设计值为26.1kN。

剪力由缀条平面承担时，缀条内力按桁架腹杆来分析

   斜缀条的轴力：

           N1=V1/ncosα

       式中：V1=V/2=11.51/2=5.76 kN 

         故 N1=5.76×103/2×cos50°=4073 N=4.073kN<26.6 kN （可以）

(a)缀条的稳定验算：强度设计值折减系数ψ=0.6+0.0015λ

公式：σ=N1/（φA）≤f’

式中：A=1926.1 mm2

计算长度：l0=1.0×1800=1800 mm

          λx0=l0/ix0=1800/19.6=91.8

           故φ=0.608， ψ=0.6+0.0015×91.8=0.738

σ=4.073×103/0.608×1926.1=3.48 N/mm2                                 =158.7 N/mm2   (可以)

(b)缀条的强度验算： σ=N1/An=4.073×103/0.9×1926.1=2.35 N/mm2九、格构式柱脚设计：

分离式铰接基础

1．由于塔架的柱分肢的距离较大，采用分离式柱脚。柱脚由底板、锚栓组成。

每个分肢角钢的压力: N1=692.9/(1.52×2)+59.5/4=227.9+14.88=242.8 kN

每个分肢角钢的拉力: N1’=692.9/(1.52×2)-59.5/4=227.9-14.88=213.0 kN

每个分肢角钢的剪力: V=81.1/4=20.3 kN

底板的平均压应力：σ＝N1/(b×li)=242.8×103/(300×300)=2.70N/mm2，小于C20砼的轴心抗压强度设计值fc＝9.6 N/mm2，故柱脚处的砼局部受压满足要求。

2．底板的厚度t计算：

底板受砼的反力，为悬臂板。计算公式：t＝sqr(5M/f)

式中：M＝0.5σa2＝0.5×2.70×1102＝16335N·mm

t=sqr(5×16335/215)＝19.5mm，取20mm厚底板。

3. 地脚螺栓的设计：

Q235钢螺栓所需的有效总面积为：Ae≥N/fta＝213.0×103/170=1253mm2

若每个柱分肢设4个螺栓，则每个螺栓的有效面积需要1253/4=313mm2

选用《钢结构设计手册》直径为24mm的普通螺栓，实际面积有352.5mm2

塔架在风载的作用下产生的总水平剪力为：V=81.1 kN,而此时柱脚底板与砼面的摩擦力F=μN1=0.3×（242.8×2）＝145 kN。    所以，不必设置抗剪键。

        注意：如地面已经形成，需用植筋方法来制作锚栓，参照有关植筋类技术手册。

十、塔架的工地拼接要求：

塔架工地地面拼接时，亦即柱分肢角钢的拼接。应尽量采用与角钢等强度的对接连接，即采用全熔透的对接焊缝连接。亦可采用附加钢板拼接，按等强度设计拼接，计算如下：

    公式：τf＝N/helw≤ffw（或fcw）即N≤ffw helw

    式中：    N为分肢角钢的拉力（或压力）承载力设计值

            ffw（或fcw）为焊缝的抗拉（或抗压）强度设计值，均215N/mm2

            hw为焊缝的有效高度＝0.7hf＝0.7×8＝5.6mm

            lw为焊缝的计算长度＝h-10mm

    故有：

3757×215≤4×（h－10）×5.6×ffw

附加钢板拼接法

    h=178mm，取180mm