架空索道線路支架設計與分析

鮑 巍 張清衛

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

·結構·抗震·

架空索道線路支架設計與分析

鮑 巍 張清衛

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

結合實際的架空索道工程，利用ANSYS軟件建立了線路支架的三維有限元模型，通過模態分析求得支架的動力特性，并對支架在各種荷載作用下的受力性能進行了分析，可為同類結構提供參考。

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，直接關系著索道運輸的安全保障，因此線路支架的設計計算十分重要。某客運架空索道全程共16個支架，其中14號支架間距172 m，結構高度達29 m，托壓輪數為(+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軟件對其進行了靜、動力分析。

2 有限元模型的建立

線路支架主要由塔身、橫擔、起重架通過螺栓聯接或焊接組成，是線路托(壓)索輪組及承載牽引索的安裝載體。其中塔身根據高度及受力情況可采用單管塔及格構式塔架，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，底部與混凝土基礎通過預埋螺栓剛接。本文對14號29 m高支架進行分析計算，該支架底部寬度取為整個塔架高度的1/6，即四邊形邊長為4.8 m，按9/100的斜率上升至▽24.5 m標高處變為直線形，斜段塔身共設6層橫向腹桿，其中設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，橫擔采用焊接方鋼管350×600×12×12，結構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的連接均采用法蘭螺栓連接，建立有限元模型時，假設這些連接均為剛性連接，不考慮連接螺栓接觸面的相對變形，因此，塔柱及橫向腹桿采用Pipe16管單元，橫擔采用Beam188梁單元，橫隔梁采用Link8桿單元模擬。頂部起重架、托壓索輪組、電纜及索系的質量簡化為質量點，施加在頂層節點上，質量點采用Mass21單元模擬。ANSYS有限元模型如圖2所示。結構的桿件均采用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 動力特性分析

結構動力特性是結構固有的，與外界干擾無關，風荷載和地震力的量值決定于結構的動力特性，因此首先要對支架整體結構進行模態分析，求出其自振頻率和振型。本文采用子空間迭代法進行模態分析，考慮前10階振型的影響，擴展模態取10階，表1列出了支架的前3階頻率，相應的前3階振型如圖3所示。

表1 支架的自振頻率和振動方向

4 荷載

線路支架的受力比較復雜，索道正常運行分為重上空下、重下空上、重上重下、空上空下以及空繩五種狀態，分別計算出各種狀態下的支架最大受力值(工藝專業提供)，作為活荷載施加到模型上。此外還應考慮結構自重、風荷載及地震作用。結構自重由程序自動計算，本工程所處地區抗震設防烈度為6度，可不考慮地震作用的影響。風荷載包括支架塔身及兩側跨間客車和鋼絲繩所受的風載。

支架的受力情況見圖1。

4.1 風荷載計算

支架系高聳結構，風荷載對其影響往往起控制作用，因此風荷載的計算十分重要。根據規范[2]，作用于結構表面單位面積上的風荷載標準值按公式ωk=βzμsμzω0計算。基本風壓ω0按索道運行時為0.25 kN/m2，索道停運時為0.80 kN/m2取值[1]，地面粗糙度類別為B類，根據各層標高查表得高度系數μz。根據支架幾何尺寸和構件型號求得各層擋風面積和擋風系數φ，查表求得支架塔身體型系數μs，計算四邊形支架風荷載體型系數時，應按90°和45°兩種風向計算。其他客車及鋼繩體型系數按規范[1]取值。

4.2 荷載組合

支架的結構重要性系數取為1.1，荷載組合系數按規范[2]選取，索道運行時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×橫風向；S3=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×橫風向；S4=1.2×恒+1.4×活+0.6×1.4×縱風向；S5=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×縱風向。索道停運時考慮兩種工況組合如下：S6=1.2×恒+1.4×90°橫風向；S7=1.2×恒+1.4×45°風向。

4.3 計算結果

經計算，索道運行時，各種荷載作用下支架結構頂部橫向最大側移為27 mm，與支架總高度比為1/1 074，小于1/1 000的規范[1]限值，縱向最大側移為61 mm，與支架總高度比為1/475，基本滿足規范[1]1/500的限值；索道停運時，支架的橫向最大側移為91 mm，位移比1/319<1/200，滿足結構剛度要求。支架柱最大應力比為0.56，其他桿件應力均控制在容許應力范圍內，滿足承載力要求。

5 結語

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，并進行了各種荷載作用下的結構計算分析，承載力及剛度均滿足規范的要求，驗證了結構的安全性，其設計方法和結果可為類似索道工程設計提供一定的參考。

[1] GB 50127—2007，架空索道工程技術規范[S].

[2] GB 50135—2006,高聳結構設計規范[S].

[3] GB 50017—2003,鋼結構設計規范[S].

[4] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[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，高級工程師； 張清衛(1980- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)11-0022-02

U443.38

A