王錦森，譚軍，魯淵，王俊清，劉申林

（中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

ABAQUA有限元分析軟件擁有強大的非線性分析能力，能較好的運用在地下結構[1]、地上結構等的研究分析。本文是采用ABAQUS有限元分析軟件對開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿在靜荷載、動荷載作用下的受力情況進行研究分析。北京市某廣場矗立著數(shù)百個11.2m高開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿，燈桿上布置有大型燈具、音響及其他電氣設備。這些電氣的設備具有面積大、重量大的特點，這些設備為燈桿帶來了更大的風荷載。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作用，靜荷載與動荷載共同作用時燈桿整體的應力應變情況、結構不連續(xù)區(qū)域（開洞處）應力情況，就需要對其進行研究分析。通過研究分析，可以得到不同荷載作用組合下，燈桿的應力應變的危險區(qū)域，為以后的燈桿設計、研究提供有價值的數(shù)據(jù)。

表1 Q235鋼材材料參數(shù)表

2 工程概況

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

選擇上部器材迎風面最大、重量最大的燈桿為研究對象，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 計算假定

圖1 燈桿的三維建筑模型、結構模型及孔洞位置圖

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有限元分析軟件對開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿進行研究分析時，對燈桿進行了以下假定：

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、結構模型如圖1所示（建筑模型為圖1a，結構模型為圖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的荷載設計值，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燈桿進行作用，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力情況

圖7 靜+風荷載下各孔洞周圍的應力情況

圖5 靜荷載、動荷載作用下燈桿的應力及應變形態(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，這樣能夠更好的對比分析相同高度處，當孔洞的大小、形狀發(fā)生變化時孔洞周圍應力集中的變化情況。橢圓形孔洞的長軸平行于燈桿豎軸。顯。

圖8 靜+風+撞擊荷載下各孔洞周圍的應力情況

圖9 各模型開洞處集中應力及燈桿底端應力最大值

4 結構計算結果

關于開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿受力形態(tài)的研究成果較多，在此僅給出燈桿應力形態(tài)、燈桿位移形態(tài)、開洞處（結構不連續(xù)區(qū)域）集中應力形態(tài)及最大應力集中值。

4.1 應力及應變形態(tài)計算結果

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

使用ABAQUS有限元軟對開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿研究分析時，靜荷載作用下、靜荷載和動荷載共同作用下的燈桿應力形態(tài)、燈桿位移形態(tài)、開洞處（結構不連續(xù)區(qū)域）集中應力形態(tài)如圖6～圖8所示。

4.2 同種荷載下，開洞處集中應力最大值

通過圖9可以得到以下規(guī)律：

1)對比同一模型中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力愈大，應力集中現(xiàn)象愈明顯。

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

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

4)對比模型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力，且增大很多，且在撞擊位置產生較大的變形。

4.3 動荷載下，開洞處集中應力最大值變化情況

使用ABAQUS有限元軟對開洞薄壁錐筒形鋼質燈燈桿研究分析時，考慮動荷載作用下，不同開洞處集中應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，開洞處應力集中現(xiàn)象基本不明顯；

2）在靜荷載+動荷載共同作用時，開洞處應力集中現(xiàn)象顯著；

圖10 模型NO1開洞處集中應力最大值變化情況

圖11 模型NO2開洞處集中應力最大值變化情況

圖12 模型NO3開洞處集中應力最大值變化情況

圖13 模型NO4開洞處集中應力最大值變化情況

圖14 模型NO5開洞處集中應力最大值變化情況

3）孔洞處受壓時應力集中現(xiàn)象較孔洞處受拉時明顯。

5 結論

本文采用ABAQUS有限元分析軟件對開洞薄壁錐筒形鋼質燈桿在靜荷載、動荷載下的受力情況進行研究分析，分析結果表明：

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

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

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

4）孔洞處受壓時應力集中現(xiàn)象較孔洞處受拉時明顯。在動荷載不存在的情況下，孔洞處是受壓的。當動荷載在孔洞處施加拉力時，靜荷載產生的壓力會削弱動荷載產生的拉力，導致出現(xiàn)的應力集中現(xiàn)象較動荷載在孔洞處施加壓力相對不顯著，但是消弱的現(xiàn)象相對不太明顯。

5）位置相近時，孔洞位置與動荷載方向垂直時，應力集中現(xiàn)象不明顯。假定 KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6 、KD7為主方向孔洞，也是動荷載的作用方向，則處于側面的KD8、KD10應力集中現(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力，且增大很多，且在撞擊位置產生較大的變形。