基于有限元軟件的某橋景觀柱設(shè)計

王遠(yuǎn)連

1 工程概況

2008年5月12日四川經(jīng)歷了新中國建國以來最大的地震災(zāi)害，震后全國各省均以不同的方式對地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行援建。本工程是安徽對口援建阿壩州的一座橋，位于四川省阿壩州松潘縣境內(nèi)，結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示，橋上方為一鋼結(jié)構(gòu)曲柱連接鋼桿形成一風(fēng)帆狀結(jié)構(gòu)，寓意四川人民克服地震災(zāi)害，奮發(fā)向上的精神。

圖1 工程效果圖

本結(jié)構(gòu)中，橋的跨度較小(40m左右)，設(shè)計理論與經(jīng)驗(yàn)均較為成熟，故在本文中不予再分析，而橋上方的曲形柱，由于高度較高，懸臂較大，呈拋物線狀，底部彎矩大，計算較為復(fù)雜，在震后重建工程對結(jié)構(gòu)的安全度要求較高的情況下，需進(jìn)行詳細(xì)的分析計算。

2 荷載工況

本結(jié)構(gòu)承受的主要荷載有風(fēng)荷載、自重、雪荷載和地震作用，在這幾種荷載作用下，尤以地震為甚。

對于風(fēng)荷載來說，本結(jié)構(gòu)較為細(xì)長，故風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響較大，由于《荷載規(guī)范》沒有對結(jié)構(gòu)所在區(qū)域的基本風(fēng)壓ω0給值，本計算過程取值0.6 kN/m2。

對于地震作用來說，本工程計算主要考慮罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的受力性能，確保在罕遇地震下結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)倒塌，造成生命財產(chǎn)的損失。對多遇地震地震波的加速度峰值為0.25g，而罕遇地震為 0.40g。

本氣柜結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，鋼材型號為Q235，材料其他參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

板厚度暫取8mm后，最終的厚度參數(shù)可根據(jù)后面的計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

3 建模

結(jié)構(gòu)模型的底部截面尺寸為:1 500×950，頂部截面尺寸為450×450，結(jié)構(gòu)為二次拋物線形式，內(nèi)側(cè)拋物線方程為 y2=－25.6x，外側(cè)拋物線方程為 y2=－24.38x，結(jié)構(gòu)模型見圖 2。

圖2 實(shí)體單元結(jié)構(gòu)模型圖

4 計算分析

4.1 X 向風(fēng)載

在實(shí)體模型計算結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的最大mises應(yīng)力為79.2mPa，最大應(yīng)力位置在結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉一側(cè)根部，這和前面底截面1 000×1 000時的位置不同，說明截面加寬后受壓側(cè)的剛度變大，結(jié)構(gòu)受力更有利。

對結(jié)構(gòu)的位移變形來說，最大位置在結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位置，如圖3所示，最大值為105.854mm。位移的值較大，故需根據(jù)相關(guān)規(guī)范，確定對結(jié)構(gòu)的剛度需不需要加強(qiáng)設(shè)計，反饋后可重新進(jìn)行計算。

圖3 結(jié)構(gòu)位移云圖位置（X向風(fēng)載）

圖4 結(jié)構(gòu)位移云圖位置（Y向風(fēng)載）

構(gòu)件底部最大反力為222.093 kN，此力可視為軸力。

4.2 Y 向風(fēng)載

在Y向風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大mises應(yīng)力為58.5mPa，略小于X向風(fēng)荷載作用，其作用的位置為結(jié)構(gòu)受拉外側(cè)，這點(diǎn)和下面的梁單元計算的不一致，主要是由于實(shí)體模型計算較為精細(xì)，實(shí)體模型角部產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而除去這部分應(yīng)力集中的影響其結(jié)果和梁模型的計算規(guī)律基本一致。

結(jié)構(gòu)的最大位移為98.73mm，最大位移位置為頂部(如圖4所示)。

構(gòu)件底部最大反力為225.945 kN，此力可視為軸力。

4.3 動力分析

在計算時，因結(jié)構(gòu)形式較為簡單，且剛度分布較為均勻，故僅考慮X和Y向水平地震作用，而沒有考慮豎向地震作用情況，也沒有考慮兩向或三向地震作用的組合因素。

對結(jié)構(gòu)的動力分析采用常見的Taft波和El-Centro波來進(jìn)行時程分析，波形圖見圖5和圖6，加速度峰值取0.40g(分析時考慮汶川大地震的因素，在計算時略微提高)。對結(jié)構(gòu)在地震作用下的分析，從結(jié)構(gòu)的使用功能來分析，主要提取的是結(jié)構(gòu)內(nèi)力，而沒有考慮結(jié)構(gòu)的位移因素，計算結(jié)果見表2和表3。

圖5 EI-Centro波形圖

圖6 Taft波形圖

表2 X方向波

表3 Y方向波

由表2和表3可知相對于結(jié)構(gòu)的截面來說，荷載值均不是很大，設(shè)計完全能滿足抗震要求，而地震作用下應(yīng)力的最大發(fā)生位置是底部，而底部豎直段和弧線段交界處的應(yīng)力也明顯比別的部位的大很多，故在設(shè)計時，此段進(jìn)行了局部加強(qiáng)。

5 加勁肋設(shè)計

有限元計算沒有考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，故在實(shí)際施工過程中，需在構(gòu)造上考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，設(shè)計時在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部側(cè)板上加肋，加勁肋的間距可參照下式[4-6］。

1)按強(qiáng)度條件計算橫向加勁肋間距。

基本公式:

實(shí)用計算公式:

2)剛度條件控制鋼板的撓度Y≤S/250計算橫向加勁肋的間距?；竟?

實(shí)用計算公式:

則根據(jù)上式計算得出，加勁肋最大間距:

強(qiáng)度條件計算:

剛度條件計算:

實(shí)際設(shè)計時取值間距為1 800mm。

6 結(jié)語

通過以上計算分析，對本結(jié)構(gòu)來說，板的厚度取8mm是完全能滿足設(shè)計要求的。在實(shí)際設(shè)計中，由于越到上部，荷載作用越小，故可采用變厚度的方式，但考慮到防雷因素，最上部的厚度不得小于4mm;水平加勁肋的間距取1 800mm，另考慮局部穩(wěn)定問題，對底部結(jié)構(gòu)，長邊向加一道加勁肋。

工程投入使用已逾兩年，運(yùn)行良好。

[1]GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］.

[2]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S］.

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］.

[4][蘇］B·T利津，B·A·皮亞特金.薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計[M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

[5]張?zhí)熘醭砷?某電除塵器灰斗結(jié)構(gòu)極限承載能力狀態(tài)分析[J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007，8(22):63-65.

[6]姜得進(jìn).加勁棱柱殼體的整體穩(wěn)定分析[J］.建筑結(jié)構(gòu)，2004(sup):8.