基于ABAQUS考慮動(dòng)荷載下開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿受力研究

王錦森，譚軍，魯淵，王俊清，劉申林

（中電投工程研究檢測評(píng)定中心有限公司）

1 引言

ABAQUA有限元分析軟件擁有強(qiáng)大的非線性分析能力，能較好的運(yùn)用在地下結(jié)構(gòu)[1]、地上結(jié)構(gòu)等的研究分析。本文是采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿在靜荷載、動(dòng)荷載作用下的受力情況進(jìn)行研究分析。北京市某廣場矗立著數(shù)百個(gè)11.2m高開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿，燈桿上布置有大型燈具、音響及其他電氣設(shè)備。這些電氣的設(shè)備具有面積大、重量大的特點(diǎn)，這些設(shè)備為燈桿帶來了更大的風(fēng)荷載。燈桿自身有較多的孔洞，孔洞的形態(tài)、位置等各不相同。為了更好的了解在靜荷載單獨(dú)作用，靜荷載與動(dòng)荷載共同作用時(shí)燈桿整體的應(yīng)力應(yīng)變情況、結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域（開洞處）應(yīng)力情況，就需要對(duì)其進(jìn)行研究分析。通過研究分析，可以得到不同荷載作用組合下，燈桿的應(yīng)力應(yīng)變的危險(xiǎn)區(qū)域，為以后的燈桿設(shè)計(jì)、研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

表1 Q235鋼材材料參數(shù)表

2 工程概況

北京市風(fēng)荷載按100年一遇的基本風(fēng)壓[2]考慮為0.5kN/m2；地震荷載按抗震設(shè)防烈度[3]為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組。由于在初步的計(jì)算中地震荷載產(chǎn)生的橫向力小于風(fēng)荷載，故忽略地震的影響。

選擇上部器材迎風(fēng)面最大、重量最大的燈桿為研究對(duì)象，燈桿高度為11.2m。燈桿為外直徑底端384mm、頂端236mm，壁厚10mm的上細(xì)下粗薄壁錐筒形，燈桿的孔洞數(shù)為9孔、11孔兩種，燈桿的材料為Q235型鋼材。

3 模型建立

3.1 計(jì)算假定

圖1 燈桿的三維建筑模型、結(jié)構(gòu)模型及孔洞位置圖

圖2 燈桿孔洞位置平面布置圖

圖3 模型荷載作用位置

表2 荷載參數(shù)表

圖4 靜荷載、風(fēng)荷載、撞擊荷載作用曲線圖

本文在采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿進(jìn)行研究分析時(shí)，對(duì)燈桿進(jìn)行了以下假定：

1）材料均勻性和各向同性假定：燈桿的鋼材是均勻的、沒有裂紋等缺陷，受力特性各向相同；

2）彈性假定：在研究的過程中，假定鋼材均處于彈性階段，不考慮塑性變形。

表3 各模型孔洞參數(shù)

3.2 模型簡介

本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立的三維有限元線彈性模型，Q235鋼材的參數(shù)見表1。燈桿上孔洞分9孔洞和11孔洞兩種，燈桿三維建筑模型、結(jié)構(gòu)模型如圖1所示（建筑模型為圖1a，結(jié)構(gòu)模型為圖1b，燈桿孔洞位置平面圖如圖2所示。

3.3 模型荷載

模型荷載的作用位置如圖3所示，荷載均按可變荷載控制效應(yīng)的荷載設(shè)計(jì)值，偶然荷載考慮撞擊荷載，荷載值為100kN，考慮偶然荷載以面荷載對(duì)燈桿進(jìn)行作用，位置為距地面1.5m～1.7m區(qū)間。各種荷載類型、來源等參數(shù)見表2。靜荷載、風(fēng)荷載、撞擊荷載作用曲線如圖4所示。

圖6 靜荷載下各孔洞周圍的應(yīng)力情況

圖7 靜+風(fēng)荷載下各孔洞周圍的應(yīng)力情況

圖5 靜荷載、動(dòng)荷載作用下燈桿的應(yīng)力及應(yīng)變形態(tài)

3.4 模型劃分

根據(jù)孔洞的大小、形狀等共分為6個(gè)模型，各模型的孔洞參數(shù)見表3。

需要指出的是各模型中孔洞中心的高度是不變的，變化的只是孔洞的大小、形狀，這樣能夠更好的對(duì)比分析相同高度處，當(dāng)孔洞的大小、形狀發(fā)生變化時(shí)孔洞周圍應(yīng)力集中的變化情況。橢圓形孔洞的長軸平行于燈桿豎軸。顯。

圖8 靜+風(fēng)+撞擊荷載下各孔洞周圍的應(yīng)力情況

圖9 各模型開洞處集中應(yīng)力及燈桿底端應(yīng)力最大值

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

關(guān)于開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿受力形態(tài)的研究成果較多，在此僅給出燈桿應(yīng)力形態(tài)、燈桿位移形態(tài)、開洞處（結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域）集中應(yīng)力形態(tài)及最大應(yīng)力集中值。

4.1 應(yīng)力及應(yīng)變形態(tài)計(jì)算結(jié)果

使用ABAQUS有限元軟對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈燈桿研究分析時(shí)，靜荷載、風(fēng)荷載及撞擊荷載作用下，不同模型、不同開洞處集中應(yīng)力及燈桿底端應(yīng)力最大值見圖4～圖5所示。

使用ABAQUS有限元軟對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿研究分析時(shí)，靜荷載作用下、靜荷載和動(dòng)荷載共同作用下的燈桿應(yīng)力形態(tài)、燈桿位移形態(tài)、開洞處（結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域）集中應(yīng)力形態(tài)如圖6～圖8所示。

4.2 同種荷載下，開洞處集中應(yīng)力最大值

通過圖9可以得到以下規(guī)律：

1)對(duì)比同一模型中KD1、KD2、KD3、KD4、KD6可以發(fā)現(xiàn)：規(guī)格相同的孔洞距離燈桿底端愈近開洞處集中應(yīng)力愈大，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈明顯。

2)對(duì)比不同模型KD9的集中應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn)：位置相同、孔洞面積接近時(shí)，橢圓形孔洞周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象較圓形孔洞顯著的減弱；圓形孔洞直徑愈小，孔洞周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象愈弱。

3)對(duì)比KD8、KD10與其他位置相近孔洞可以發(fā)現(xiàn)：位置相近時(shí)，孔洞位置與動(dòng)荷載方向垂直時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。假定KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6 、KD7為主方向孔洞，也是動(dòng)荷載的作用方向，則處于側(cè)面的KD8、KD10應(yīng)力集中現(xiàn)象變得不明

4)對(duì)比模型NO6與其他模型可以發(fā)現(xiàn)：在撞擊荷載作用下，受影響最大的是燈桿底端的應(yīng)力，且增大很多，且在撞擊位置產(chǎn)生較大的變形。

4.3 動(dòng)荷載下，開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

使用ABAQUS有限元軟對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈燈桿研究分析時(shí)，考慮動(dòng)荷載作用下，不同開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況如圖10～圖14所示。

通過圖10～圖14可以得到以下規(guī)律：

1）僅有靜荷載作用時(shí)，開洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不明顯；

2）在靜荷載+動(dòng)荷載共同作用時(shí)，開洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著；

圖10 模型NO1開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

圖11 模型NO2開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

圖12 模型NO3開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

圖13 模型NO4開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

圖14 模型NO5開洞處集中應(yīng)力最大值變化情況

3）孔洞處受壓時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象較孔洞處受拉時(shí)明顯。

5 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿在靜荷載、動(dòng)荷載下的受力情況進(jìn)行研究分析，分析結(jié)果表明：

1）規(guī)格相同的孔洞距離燈桿底端愈近開洞處集中應(yīng)力愈大，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈明顯。開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿可以看做是懸臂結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為其嵌固端，距離基礎(chǔ)愈近，彎矩愈大，導(dǎo)致規(guī)格相同孔洞應(yīng)力集中現(xiàn)象愈加顯著。

2）位置相同、孔洞面積接近時(shí)，橢圓形孔洞周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象較圓形孔洞顯著的減弱；圓形孔洞直徑愈小，孔洞周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象愈弱?？傮w來說，截面削弱愈大，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈加明顯。面積接近時(shí)，豎向橢圓形孔洞對(duì)燈桿截面的削弱較圓形孔洞小很多，故應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)減小。

3）僅有靜荷載作用時(shí)，開洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象基本不明顯；在靜荷載+動(dòng)荷載共同作用時(shí)，開洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著；在僅有靜荷載作用下，開洞薄壁錐筒形鋼質(zhì)燈桿只存在軸向力，基本不存在彎矩，在孔洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為不明顯。在水平動(dòng)荷載的作用下，燈桿存在較大的彎矩，導(dǎo)致孔洞處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

4）孔洞處受壓時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象較孔洞處受拉時(shí)明顯。在動(dòng)荷載不存在的情況下，孔洞處是受壓的。當(dāng)動(dòng)荷載在孔洞處施加拉力時(shí)，靜荷載產(chǎn)生的壓力會(huì)削弱動(dòng)荷載產(chǎn)生的拉力，導(dǎo)致出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象較動(dòng)荷載在孔洞處施加壓力相對(duì)不顯著，但是消弱的現(xiàn)象相對(duì)不太明顯。

5）位置相近時(shí)，孔洞位置與動(dòng)荷載方向垂直時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。假定 KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6 、KD7為主方向孔洞，也是動(dòng)荷載的作用方向，則處于側(cè)面的KD8、KD10應(yīng)力集中現(xiàn)象變得不明顯。

6）在撞擊荷載作用下，受影響最大的是燈桿底端的應(yīng)力，且增大很多，且在撞擊位置產(chǎn)生較大的變形。