架空索道線路支架設(shè)計(jì)與分析

鮑 巍 張清衛(wèi)

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

架空索道線路支架設(shè)計(jì)與分析

鮑 巍 張清衛(wèi)

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

結(jié)合實(shí)際的架空索道工程，利用ANSYS軟件建立了線路支架的三維有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析求得支架的動(dòng)力特性，并對(duì)支架在各種荷載作用下的受力性能進(jìn)行了分析，可為同類結(jié)構(gòu)提供參考。

架空索道，線路支架，有限元

1 工程概況

在架空索道工程中，線路支架是其重要的組成部分，直接關(guān)系著索道運(yùn)輸?shù)陌踩Ｕ希虼司€路支架的設(shè)計(jì)計(jì)算十分重要。某客運(yùn)架空索道全程共16個(gè)支架，其中14號(hào)支架間距172 m，結(jié)構(gòu)高度達(dá)29 m，托壓輪數(shù)為(+12/+12)，承受的輪壓及索水平力最大，高度最高，為保證其安全性，本文采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行了靜、動(dòng)力分析。

2 有限元模型的建立

線路支架主要由塔身、橫擔(dān)、起重架通過(guò)螺栓聯(lián)接或焊接組成，是線路托(壓)索輪組及承載牽引索的安裝載體。其中塔身根據(jù)高度及受力情況可采用單管塔及格構(gòu)式塔架，本工程支架高度11 m以下采用單管塔，以上采用四邊斜線形鋼管塔架，底部與混凝土基礎(chǔ)通過(guò)預(yù)埋螺栓剛接。本文對(duì)14號(hào)29 m高支架進(jìn)行分析計(jì)算，該支架底部寬度取為整個(gè)塔架高度的1/6，即四邊形邊長(zhǎng)為4.8 m，按9/100的斜率上升至▽24.5 m標(biāo)高處變?yōu)橹本€形，斜段塔身共設(shè)6層橫向腹桿，其中設(shè)3道橫隔。支架柱采用圓鋼管，下段截面為φ500×14，中段為φ450×12，上段為φ350×12，每層橫向腹桿采用圓鋼管φ300×6，橫隔梁采用角鋼，橫擔(dān)采用焊接方鋼管350×600×12×12，結(jié)構(gòu)平面圖及立面圖如圖1所示。支架塔柱間拼接、塔柱與橫向腹桿連接以及塔柱與橫擔(dān)的連接均采用法蘭螺栓連接，建立有限元模型時(shí)，假設(shè)這些連接均為剛性連接，不考慮連接螺栓接觸面的相對(duì)變形，因此，塔柱及橫向腹桿采用Pipe16管單元，橫擔(dān)采用Beam188梁?jiǎn)卧?，橫隔梁采用Link8桿單元模擬。頂部起重架、托壓索輪組、電纜及索系的質(zhì)量簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，施加在頂層節(jié)點(diǎn)上，質(zhì)量點(diǎn)采用Mass21單元模擬。ANSYS有限元模型如圖2所示。結(jié)構(gòu)的桿件均采用Q235-B鋼，彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

3 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)固有的，與外界干擾無(wú)關(guān)，風(fēng)荷載和地震力的量值決定于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，因此首先要對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，求出其自振頻率和振型。本文采用子空間迭代法進(jìn)行模態(tài)分析，考慮前10階振型的影響，擴(kuò)展模態(tài)取10階，表1列出了支架的前3階頻率，相應(yīng)的前3階振型如圖3所示。

表1 支架的自振頻率和振動(dòng)方向

4 荷載

線路支架的受力比較復(fù)雜，索道正常運(yùn)行分為重上空下、重下空上、重上重下、空上空下以及空繩五種狀態(tài)，分別計(jì)算出各種狀態(tài)下的支架最大受力值(工藝專業(yè)提供)，作為活荷載施加到模型上。此外還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載及地震作用。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算，本工程所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，可不考慮地震作用的影響。風(fēng)荷載包括支架塔身及兩側(cè)跨間客車和鋼絲繩所受的風(fēng)載。

支架的受力情況見圖1。

4.1 風(fēng)荷載計(jì)算

支架系高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對(duì)其影響往往起控制作用，因此風(fēng)荷載的計(jì)算十分重要。根據(jù)規(guī)范[2]，作用于結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公式ωk=βzμsμzω0計(jì)算?；撅L(fēng)壓ω0按索道運(yùn)行時(shí)為0.25 kN/m2，索道停運(yùn)時(shí)為0.80 kN/m2取值[1]，地面粗糙度類別為B類，根據(jù)各層標(biāo)高查表得高度系數(shù)μz。根據(jù)支架幾何尺寸和構(gòu)件型號(hào)求得各層擋風(fēng)面積和擋風(fēng)系數(shù)φ，查表求得支架塔身體型系數(shù)μs，計(jì)算四邊形支架風(fēng)荷載體型系數(shù)時(shí)，應(yīng)按90°和45°兩種風(fēng)向計(jì)算。其他客車及鋼繩體型系數(shù)按規(guī)范[1]取值。

4.2 荷載組合

支架的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.1，荷載組合系數(shù)按規(guī)范[2]選取，索道運(yùn)行時(shí)考慮了五種工況組合如下：S1=1.2×恒+1.4×活；S2=1.2×恒+1.4×活+0.6×1.4×橫風(fēng)向；S3=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×橫風(fēng)向；S4=1.2×恒+1.4×活+0.6×1.4×縱風(fēng)向；S5=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×縱風(fēng)向。索道停運(yùn)時(shí)考慮兩種工況組合如下：S6=1.2×恒+1.4×90°橫風(fēng)向；S7=1.2×恒+1.4×45°風(fēng)向。

4.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，索道運(yùn)行時(shí)，各種荷載作用下支架結(jié)構(gòu)頂部橫向最大側(cè)移為27 mm，與支架總高度比為1/1 074，小于1/1 000的規(guī)范[1]限值，縱向最大側(cè)移為61 mm，與支架總高度比為1/475，基本滿足規(guī)范[1]1/500的限值；索道停運(yùn)時(shí)，支架的橫向最大側(cè)移為91 mm，位移比1/319<1/200，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。支架柱最大應(yīng)力比為0.56，其他桿件應(yīng)力均控制在容許應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足承載力要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用ANSYS軟件建立了架空索道線路支架的三維有限元模型，并進(jìn)行了各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，承載力及剛度均滿足規(guī)范的要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性，其設(shè)計(jì)方法和結(jié)果可為類似索道工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

[1] GB 50127—2007，架空索道工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50135—2006,高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

Design and analysis of line support tower of aerial ropeway

Bao Wei Zhang Qingwei

(ChinaEnfiEngineeringCorporation,Beijing100038,China)

Combining the example of an aerial ropeway, a three-dimensional finite element model of line support tower by ANSYS software. The dynamic characteristics of tower were obtained through the analysis of model and mechanical properties of the structure under various loads were analysis in this paper. It can provide a reference for similar structure.

aerial ropeway, line support tower, finite element

2015-02-03

鮑 巍(1971- )，男，高級(jí)工程師； 張清衛(wèi)(1980- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)11-0022-02

U443.38

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