智慧燈桿高強(qiáng)輕量化方案設(shè)計(jì)與分析

陶 琳,祝 愿,孫 萌

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

隨著城市的快速發(fā)展,通信基站、監(jiān)控?cái)z像頭、交通指示牌等城市公共設(shè)施的數(shù)量迅速增加,由于城市道路空間承載能力有限,各類設(shè)施在路燈桿的搭掛需求強(qiáng)烈,路燈桿上搭掛的設(shè)施日益增多[1]。智慧路燈以道路照明燈桿為基礎(chǔ),整合公安、交通信號(hào)、通信、交通標(biāo)識(shí)牌等為一體,實(shí)現(xiàn)多桿合一,減少路面立桿,釋放公共空間資源。

目前對(duì)于桿體的設(shè)計(jì),一是采用力學(xué)分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算:文獻(xiàn)[2]以40 m高桿燈為例進(jìn)行了高桿燈在風(fēng)荷載作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核;文獻(xiàn)[3]介紹了一種通過(guò)力學(xué)分析來(lái)驗(yàn)算燈桿強(qiáng)度的模型;文獻(xiàn)[4]采用力學(xué)分析方法建立路燈燈桿優(yōu)化函數(shù),并對(duì)燈桿的臂厚、直徑和挑臂臂長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。二是通過(guò)有限元分析方法對(duì)燈桿在外荷載作用下進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和模態(tài)分析:文獻(xiàn)[5]對(duì)8 m鋁合金路燈燈桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算,分析燈桿在風(fēng)荷載和自重作用下的應(yīng)力和變形情況;文獻(xiàn)[6]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)10 m太陽(yáng)能路燈燈桿在風(fēng)荷載、雪荷載及自身重力作用下各構(gòu)件的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[7]分析智慧照明A類燈桿在自重、加載設(shè)備、風(fēng)荷載和雪荷載作用下的力學(xué)響應(yīng),研究其變形、應(yīng)力及模態(tài)情況,并與理論分析值進(jìn)行比較。

實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn),風(fēng)荷載是影響高桿燈強(qiáng)度的最大也是最關(guān)鍵的因素[2],因此本文僅考慮燈桿自重、附加設(shè)施和風(fēng)荷載作用,對(duì)燈桿進(jìn)行高強(qiáng)輕量化設(shè)計(jì),運(yùn)用有限元仿真分析方法,構(gòu)建精細(xì)化的燈桿有限元模型,對(duì)燈桿進(jìn)行剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析,驗(yàn)證高強(qiáng)輕量化方案的可行性。

目前智慧燈桿的設(shè)計(jì)暫無(wú)詳細(xì)規(guī)范,主要參考GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2 有限元仿真模型構(gòu)建

2.1 工程概況

某城市主干道某型號(hào)智慧燈桿由上桿體、下桿體、橫臂和燈頭組成。上桿體為方管,長(zhǎng)度5 m;下桿體為八棱柱桿,長(zhǎng)度7 m;橫臂為雙根八棱柱桿,長(zhǎng)度8 m;燈頭為方管做成造型結(jié)構(gòu),裝載燈具用于照明。下桿體安裝有顯示屏和禁令牌,橫臂上安裝有交通信號(hào)燈。桿與桿的連接處采用焊接和法蘭連接方式。主要部件的結(jié)構(gòu)信息見表1。

表1 主要部件構(gòu)造尺寸Table 1 Construction dimensions of major components

2.2 高強(qiáng)輕量化設(shè)計(jì)

目前市面使用的燈桿材質(zhì)多為Q235和Q355,強(qiáng)度低,容易變形甚至斷裂,高度10 m以上燈桿質(zhì)量達(dá)到600 kg多,安裝不方便,且運(yùn)輸成本增加。使用高強(qiáng)鋼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),將主要構(gòu)件下桿體和橫臂的直徑增大,厚度減薄,既能有效提高燈桿的承載能力,又能將桿體質(zhì)量減輕20%以上,利于安裝和運(yùn)輸,實(shí)現(xiàn)整體成本的降低。高強(qiáng)方案對(duì)比見表2。

表2 主要構(gòu)件高強(qiáng)輕量化方案Table 2 High-strength and lightweight scheme of major components

燈桿模型如圖1所示。

圖1 燈桿模型Fig.1 Light pole model

2.3 計(jì)算參數(shù)的確定

在分析模型中,對(duì)燈桿在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中受到的荷載進(jìn)行確認(rèn)。

(1) 桿體下端通過(guò)法蘭與地面進(jìn)行固定約束,桿體與法蘭采用剛性連接,法蘭約束6個(gè)自由度。

(2) 在有限元模型中加載了兩種荷載,即永久荷載和可變荷載。永久荷載為桿體自身和信號(hào)燈、禁令牌等附加設(shè)施的自重,設(shè)置材料的重力常數(shù)為9.8 m/s2;可變荷載為風(fēng)荷載,選擇承載面最大的方向設(shè)為本次分析的風(fēng)荷載方向,即垂直于橫臂的方向,分析模型中的x方向。參考GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,作用在燈桿結(jié)構(gòu)單位面積上的風(fēng)荷載按式(1)計(jì)算:

ω=βzμsμzω0

(1)

式中:ω為作用在燈桿結(jié)構(gòu)單位面積上的風(fēng)荷載,kN/m2;ω0為基本風(fēng)壓,取當(dāng)?shù)?0年一遇風(fēng)壓0.45 kN/m2;βz為z高度處的風(fēng)振系數(shù),本項(xiàng)目取1.7;μs為風(fēng)荷載體型系數(shù),八棱柱取1.2,方形取1.4;μz為z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù),本項(xiàng)目取1.0。

參考GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,分析工況包括:①正常使用極限狀態(tài):恒載+風(fēng)荷載;②承載能力極限狀態(tài):1.35×恒載+1.5×風(fēng)荷載。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 撓度分析

燈桿新方案不同方向的位移云圖如圖2所示。燈桿在自重、附加設(shè)施和風(fēng)荷載的作用下,按照正常使用極限狀態(tài)加載進(jìn)行分析,產(chǎn)生的最大位移能反映桿體的整體剛度。通過(guò)圖2可以看出,x方向的最大位移在橫臂最前端,其大小為287 mm;y方向的最大位移在橫臂最前端,其大小為49 mm,均滿足8 000×5%=400 mm的容許撓度設(shè)計(jì)要求;z方向的最大位移在主桿最頂端,其大小為35 mm,滿足12 000×5%=600 mm的容許撓度設(shè)計(jì)要求。

3.2 強(qiáng)度分析

燈桿在自重、附加設(shè)施和風(fēng)荷載的作用下,按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度分析,整體應(yīng)力云圖如圖3所示。最大應(yīng)力為556 MPa,具體位于背風(fēng)面主桿與檢修門連接處,滿足620 MPa級(jí)別材料的許用應(yīng)力,符合強(qiáng)度要求。在工況荷載作用下,燈桿除了局部存在應(yīng)力集中,燈桿主桿和橫臂大部分區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。

圖3 燈桿整體應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of the light pole

3.3 穩(wěn)定性分析

在關(guān)注產(chǎn)品結(jié)構(gòu)本身的剛度和強(qiáng)度滿足要求和標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),對(duì)于細(xì)長(zhǎng)類結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu),還需要考慮穩(wěn)定性問(wèn)題。本文采用燈桿在自重、附加設(shè)施和風(fēng)荷載的作用下,按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行桿體的屈曲分析的方式,對(duì)燈桿在外荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。如圖4所示,第一階屈曲特征值為8.1,遠(yuǎn)大于1,屈曲失穩(wěn)概率極低。

圖4 燈桿屈曲特征值Fig.4 Buckling characteristic value of the light pole

4 結(jié)論

(1) 對(duì)某型號(hào)智慧燈桿進(jìn)行高強(qiáng)輕量化設(shè)計(jì),在保證承載的情況下,整體輕量化率21%,可以降低綜合成本。

(2) 對(duì)某型號(hào)智慧燈桿在自重、附加設(shè)施和風(fēng)荷載的作用下進(jìn)行剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析,在外荷載作用下最大位移在橫臂最前端,其大小為287 mm;最大應(yīng)力位于背風(fēng)面主桿與檢修門連接處,其大小為556 MPa;第一階屈曲特征值為8.1,遠(yuǎn)大于1,屈曲失穩(wěn)概率極低。高強(qiáng)輕量化方案均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。