m高杆灯灯柱及其连接件受力-元分析报告

30m 高杆灯灯柱及其连接件受力 有限元分析报告 江苏森发路灯制造有限公司 2016 年 7 月 I 目录 1 工况概况.1 2 计算目的.2 3 计算依据.3 4 计算参数取值.3 5 荷载计算.4 6 计算模型及结果.7 6.1 计算模型.7 6.1.1 基本假定与边界条件.8 6.1.2 有限元模型.8 6.2 计算结果.9 6.2.1 强度验算.9 6.2.2 刚度验算.12 6.2.3 连接件校核.14 7 结论.15 1/15 30m 高杆灯灯柱及其连接件受力有限元分析报告 1 工况概况 本报告所分析的高杆灯系大唐八三发电厂“上大压小”热电联产扩建工程输煤系统EPC工程项目所采购的高杆灯。大唐八三热电厂位于甘肃矿区境内，地处甘肃省河西走廊戈壁腹地，西距玉门新市区约 20km，东距嘉峪关市约 100km，南有祁连山系，西至古代丝绸之路重镇敦煌约 260km。东距省会兰州市 880km。项目所在地 50 年重现期基本风压取值为 0.62kN/m2；电厂场地的地震基本烈度复核评定为度。厂区类别为类，东南局部区域为类。场地设计地震动参数（工程抗震设防参数）：超越概率 63.5%、10%、2%的地震动峰值加速度为0.038g、0.120g、0.224g，特征周期为 0.40s、0.40s、0.45s。路灯钢结构系根据厂家提供的 30m、10 火高杆灯架图纸及技术要求进行计算分析。灯柱结构总高 30m，顶部安装约 1.5m 高避雷针。灯杆为十二边形三段插接式棱锥杆，上口径对边260mm，下口径对边600mm；壁厚分别为8mm、10mm、12mm。主要材质为 Q235 碳素钢。灯柱与底部基础通过法兰盘连接在一起，见图 1.1；每个灯质量为 20kg，布灯示意图见图 1.2。图 1.1 底部法兰安装示意图 2/15 图 1.2 布灯示意图 2 计算目的 项目所在地地处甘肃省河西走廊戈壁腹地，风力较大且该结构存在一定的迎风面，在风荷载作用下该结构将会发生变形。为保证本灯柱结构在正常使用状态下（受风荷载、自身重力荷载作用），结构的安全性（构件不至于破坏），本报告对该结构构件的强度以及连接件进行强度校核，确保设计所采用的构件满足相关规范要求。此外，对灯柱的地震荷载作用进行强度刚度校核，确保设计所采用的构件满足规范要求。3/15 3 计算依据 1、建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）2、建筑结构荷载规范（GB5009-2012）3、钢结构设计规范(GB500172003)4、混凝土结构设计规范(GB500102010)5、焊接件通用技术条件（JB/ZQ 4000.3-1986）6、钢筋混凝土工程施工及验收规范(GBJ204-83)7、金属与石材幕墙工程技术规范（JGJ133-2001）8、建筑地基基础设计规范(GB 50007-2011)9、交通部升降式高杆照明装置技术条件(JT/T312-1996)10、高耸结构设计规范（GB50135-2006）11、建筑抗震设计规范（GB50011-2010）12、相关图纸及技术方案 4 计算参数取值 材料参数与主要构件尺寸见表 4.1。表 4.1 构件尺寸及材料属性 序号 构件名称 材质 构件尺寸 备注 1 立柱 Q235B 非通用截面，截面见图 4.1 上截面 260，下截面 600，壁厚 8、10、12 Q235 钢材：容重取 78kN/m3；弹性模量取 210GPa 重力加速度：9.8kN/ms-2 2 灯托架 Q235B P50*4 3 法兰盘 Q235B 10mm 4 地脚螺栓 M36 有效直径 de=32.35mm 有效面积 Ae=817mm2 16 颗 4.8 级普通 C 级螺栓；抗拉强度 170MPa、抗剪强度 140MPa 4/15 图 4.1 立柱截面 5 荷载计算 荷载的传递路径是：灯具通过灯托将其自重传递至灯柱，灯柱将其传递至基础；不考虑风荷载对灯的影响，灯柱承受的风荷载直接由其自身传递至基础。1、风荷载 风荷载计算按建筑结构荷载规范（GB5009-2012）。垂直于建筑物表面的风荷载标准值按公式（1）计算，基本风压按甘肃省玉门地区重现期为 50 年取值，即 w0=0.62kN/m2。工程项目所在位置为城市区域，因此地面粗糙度按 C 类地区取值。01=wwzsgzk（1）其中，wk为风荷载标准值（kN/m2）；gz为高度 z 处的风振系数，按 建筑结构荷载规范（GB5009-2012）表 8.61，取值 1.90；s1为风荷载体型系数，按建筑结构荷载规范（GB5009-2012）8.3.3 条，取值为 0.81.25=1.0；z为风压高度变化系数，按建筑结构荷载规范（GB5009-2012）表 8.2.1，取值 0.88；w0为基本风压值（kN/m2）。03.1=62.088.019.1=01wwzsgzk（2）5/15 考虑到灯柱的迎风面宽度底部为 600mm，顶部为 240mm，整个灯柱呈锥形。风荷载作用宽度的平均值为 420mm，因此风荷载以线荷载形式作用在灯柱之上，见公式（3），单位为 kN/m。42.0=42.003.1=w（3）风荷载的加载如图 5.1 所示，采用梁单元线荷载 0.42kN/m。荷载表格显示如图 5.2 所示。图 5.1 风荷载作用示意图 图 5.2 风荷载表格（部分）2、结构自重 结构自重由程序自动计算，考虑到结构附属材料，将结构自重系数进行放大，即取重力自重系数 1.1。灯具采用集中点荷载形式作用在灯托架上，单点荷载 200 N，荷载作用方式及荷载表格见图 5.3、图 5.4。6/15 图 5.3 灯荷载作用方式 图 5.4 灯荷载表格（部分）3、地震荷载 电厂场地的地震基本烈度复核评定为度。厂区类别为类，东南局部区域为类。场地设计地震动参数（工程抗震设防参数）：超越概率 63.5%、10%、2%的地震动峰值加速度为 0.038g、0.120g、0.224g，特征周期为 0.40s、0.40s、0.45s。反应谱函数取值：Tg=0.4s，阻尼比为 0.04，场地类型为 II 类，7 度（0.1g）设防，设计地震分组 2。反应谱函数见图 5.5。图 5.5 地震动频谱曲线 7/15 4、荷载组合 计算结构内力时按承载力极限状态进行荷载组合，计算结构变形时按标准组合（见 GB50135-2006 第 3.09 条规定）。1）风荷载作用下强度验算荷载组合 组合 1=1.2*自重+1.4*风荷载 2）地震荷载作用下强度验算组合 组合 2=1.2*自重+1.3*地震荷载+0.2*1.4*风荷载 3）风荷载作用下刚度验算荷载组合 组合 3=1.0*自重+1.0*风荷载 4）地震荷载作用下刚度验算荷载组合 组合 4=1.0*自重+1.0*地震荷载+0.2*风荷载 6 计算模型及结果 6.1 计算模型 本报告采用有限元软件 MIDAS/GEN 8.0 进行建模分析，其中柱底钢板采用4 节点薄板单元模拟，灯柱、托架等构件均等采用空间梁单元模拟。本计算模型共包含，节点：318 个；梁单元：263 个；板单元：16 个。8/15 6.1.1 基本假定与边界条件 本报告计算基于以下基本假定：1、所有材料均在弹性范围，即采用理想弹塑性材料，不考虑材料塑性性能；2、结构在荷载作用下为弹性小变形，不考虑结构非线性；3、不考虑非结构性构件对结构抗力的贡献；4、灯柱与基础约束良好，假设立柱底部为固结；5、本分析报告的可靠性建立在设计、安装施工均遵守相关规范、技术规程的基础上。边界条件如下：1、灯柱底部采用固结约束。6.1.2 有限元模型 有限元模型中的坐标系定义：横向为整体 X 方向，纵向为整体 Y 方向，竖向为整体 Z 方向。图 6.1 灯托架有限元模型 图 6.2 灯柱底部法兰有限元模型 9/15 图 6.3 整个结构有限元模型 6.2 计算结果 6.2.1 强度验算 1、荷载组合 1（风荷载主导）在荷载组合1作用下，灯柱的组合应力最大值为64MPa210MPa，见图 6.4，满足材料强度要求。风荷载作用下，立柱受力类似于悬臂梁，应此考察立柱剪切强度时，应考虑模型中灯柱单元坐标系方向，单元坐标系与整体坐标系之间的关系见图 6.5。风向为整体 X 向，因此考察灯柱单元坐标系 z 向的剪切应力最大值为 1.62MPa，见图 6.6。显然灯柱剪切应力符合规范规定。灯柱底部钢板采用板单元模拟，其有效应力最大值为 80MPa，见图 6.7；最大剪切应力为 41MPa，见图 6.8，均符合规范要求。10/15 图 6.4 荷载组合 1 下灯柱组合应力 图 6.5 灯柱梁单元坐标系示意图 图 6.6 荷载组合 1 下的剪应力 11/15 图 6.7 荷载组合 1 柱底钢板有效应力 图 6.8 荷载组合 1 柱底钢板剪切应力 2、荷载组合 2（地震荷载主导）在荷载组合2作用下，灯柱的组合应力最大值为41MPa210MPa，见图 6.9，满足材料强度要求。灯柱单元坐标系 z 向的剪切应力最大值为 0.5MPa，见图 6.10。显然灯柱剪切应力符合规范规定。灯柱底部钢板采用板单元模拟，其有效应力最大值为 13MPa，见图 6.7；最大剪切应力为 7MPa，见图 6.8，均符合规范要求。图 6.9 荷载组合 2 灯柱组合应力 12/15 图 6.10 荷载组合 2 下的剪应力 图 6.11 荷载组合 2 柱底钢板有效应力 图 6.12 荷载组合 2 柱底钢板剪切应力 6.2.2 刚度验算 1、荷载组合 3（风荷载主导）在风荷载标准值作用下，灯柱风向最大值为 271mm，见图 6.13。最大值出现在灯柱顶端，灯柱计算高度取值为 30m，高耸结构设计规范（GB50135-2006）表 3.0.10 对风荷载作用下，灯柱顶部位移限值规定为计算高度的 1/75=400mm，显然变形值符合规范规定。13/15 图 6.13 荷载组合 3 灯柱变形 2、荷载组合 4（地震荷载主导）在地震荷载主导下，并考虑风荷载组合作用下，灯柱最大值为 130mm，见图 6.14。最大值出现在灯柱顶端，灯柱计算高度取值为 30m，高耸结构设计规范（GB50135-2006）表 3.0.10 对地震荷载作用下，灯柱顶部位移限值规定为计算高度的 1/100=300mm，显然变形值符合规范规定。图 6.14 荷载组合 4 灯柱变形 14/15 6.2.3 连接件校核 从上述强度验算和刚度验算结果来看，灯柱在风荷载作用下受力更不利。因此，验算灯柱底部法兰螺栓时，对荷载组合 1 进行验算即可。通过约束立柱底部位置节点的平动自由度，通过计算该处反力对底部螺栓进行强度校核。荷载组合下，反力见图 6.15。图 6.15 柱底反力表格 Fx=17.6kN 剪力 Fz=409.7kN 轴向力 1、螺栓受挤压验算 筋板厚度 t=25mm，螺栓孔径 d=36mm=36251617600=1.2MPa210MPa，满足材料强度要求。2、螺栓抗剪验算 d0=36mm 为螺栓孔径，单个螺栓抗剪面积 Ae=817mm2，总抗剪面积13072mm2，受剪面为 1。=1307217600=1.35185MPa，满足强度要求。3、螺栓抗拉验算 弯矩作用下，螺栓受拉，螺栓布置见图 6.16。对于 My，外侧螺栓距离中心轴距离分别是：y1=465，2 颗 y2=430，4 颗 y3=330，4 颗 y4=178，4 颗 y5=0，2 颗，则 My 引起的轴拉力为（kN）15/15 0.74=4654178+4330+4430+246510276=22226Fx 螺栓抗拉面积 Ae=817mm2，抗拉承载力 90=81774000=MPa170MPa，满足强度要求 图 6.16 螺栓布置图 7 结论 针对本项目结构及受力特点，为确保结构在使用阶段的安全性，本报告采用有限元分析方法对结构受力进行了分析，并对连接件进行了校核验算。综上，本报告有以下结论：1、计算模型选取的路灯灯柱进行了建模计算，荷载组合作用下结构均满足强度和刚度要求；