基于有限元软件的某桥景观柱设计

王远连

1 工程概况

2008年5月12日四川经历了新中国建国以来最大的地震灾害，震后全国各省均以不同的方式对地震灾区进行援建。本工程是安徽对口援建阿坝州的一座桥，位于四川省阿坝州松潘县境内，结构效果图如图1所示，桥上方为一钢结构曲柱连接钢杆形成一风帆状结构，寓意四川人民克服地震灾害，奋发向上的精神。

图1 工程效果图

本结构中，桥的跨度较小(40m左右)，设计理论与经验均较为成熟，故在本文中不予再分析，而桥上方的曲形柱，由于高度较高，悬臂较大，呈抛物线状，底部弯矩大，计算较为复杂，在震后重建工程对结构的安全度要求较高的情况下，需进行详细的分析计算。

2 荷载工况

本结构承受的主要荷载有风荷载、自重、雪荷载和地震作用，在这几种荷载作用下，尤以地震为甚。

对于风荷载来说，本结构较为细长，故风荷载对结构的影响较大，由于《荷载规范》没有对结构所在区域的基本风压ω0给值，本计算过程取值0.6 kN/m2。

对于地震作用来说，本工程计算主要考虑罕遇地震作用下结构的受力性能，确保在罕遇地震下结构不会出现倒塌，造成生命财产的损失。对多遇地震地震波的加速度峰值为0.25g，而罕遇地震为 0.40g。

本气柜结构为全钢结构，钢材型号为Q235，材料其他参数如表1所示。

表1 材料参数

板厚度暂取8mm后，最终的厚度参数可根据后面的计算结果进行调整。

3 建模

结构模型的底部截面尺寸为:1 500×950，顶部截面尺寸为450×450，结构为二次抛物线形式，内侧抛物线方程为 y2=－25.6x，外侧抛物线方程为 y2=－24.38x，结构模型见图 2。

图2 实体单元结构模型图

4 计算分析

4.1 X 向风载

在实体模型计算结构中，结构的最大mises应力为79.2mPa，最大应力位置在结构外侧受拉一侧根部，这和前面底截面1 000×1 000时的位置不同，说明截面加宽后受压侧的刚度变大，结构受力更有利。

对结构的位移变形来说，最大位置在结构的顶点位置，如图3所示，最大值为105.854mm。位移的值较大，故需根据相关规范，确定对结构的刚度需不需要加强设计，反馈后可重新进行计算。

图3 结构位移云图位置（X向风载）

图4 结构位移云图位置（Y向风载）

构件底部最大反力为222.093 kN，此力可视为轴力。

4.2 Y 向风载

在Y向风荷载作用下，结构的最大mises应力为58.5mPa，略小于X向风荷载作用，其作用的位置为结构受拉外侧，这点和下面的梁单元计算的不一致，主要是由于实体模型计算较为精细，实体模型角部产生了局部应力集中现象，而除去这部分应力集中的影响其结果和梁模型的计算规律基本一致。

结构的最大位移为98.73mm，最大位移位置为顶部(如图4所示)。

构件底部最大反力为225.945 kN，此力可视为轴力。

4.3 动力分析

在计算时，因结构形式较为简单，且刚度分布较为均匀，故仅考虑X和Y向水平地震作用，而没有考虑竖向地震作用情况，也没有考虑两向或三向地震作用的组合因素。

对结构的动力分析采用常见的Taft波和El-Centro波来进行时程分析，波形图见图5和图6，加速度峰值取0.40g(分析时考虑汶川大地震的因素，在计算时略微提高)。对结构在地震作用下的分析，从结构的使用功能来分析，主要提取的是结构内力，而没有考虑结构的位移因素，计算结果见表2和表3。

图5 EI-Centro波形图

图6 Taft波形图

表2 X方向波

表3 Y方向波

由表2和表3可知相对于结构的截面来说，荷载值均不是很大，设计完全能满足抗震要求，而地震作用下应力的最大发生位置是底部，而底部竖直段和弧线段交界处的应力也明显比别的部位的大很多，故在设计时，此段进行了局部加强。

5 加劲肋设计

有限元计算没有考虑结构的稳定，故在实际施工过程中，需在构造上考虑结构的稳定，设计时在结构的内部侧板上加肋，加劲肋的间距可参照下式[4-6］。

1)按强度条件计算横向加劲肋间距。

基本公式:

实用计算公式:

2)刚度条件控制钢板的挠度Y≤S/250计算横向加劲肋的间距。基本公式:

实用计算公式:

则根据上式计算得出，加劲肋最大间距:

强度条件计算:

刚度条件计算:

实际设计时取值间距为1 800mm。

6 结语

通过以上计算分析，对本结构来说，板的厚度取8mm是完全能满足设计要求的。在实际设计中，由于越到上部，荷载作用越小，故可采用变厚度的方式，但考虑到防雷因素，最上部的厚度不得小于4mm;水平加劲肋的间距取1 800mm，另考虑局部稳定问题，对底部结构，长边向加一道加劲肋。

工程投入使用已逾两年，运行良好。

[1]GB 50135-2006，高耸结构设计规范[S］.

[2]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S］.

[3]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S］.

[4][苏］B·T利津，B·A·皮亚特金.薄壁结构设计[M］.北京:国防工业出版社，2010.

[5]张天助，王成樵.某电除尘器灰斗结构极限承载能力状态分析[J］.钢结构，2007，8(22):63-65.

[6]姜得进.加劲棱柱壳体的整体稳定分析[J］.建筑结构，2004(sup):8.