架空索道线路支架设计与分析

鲍 巍 张清卫

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

·结构·抗震·

架空索道线路支架设计与分析

鲍 巍 张清卫

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

结合实际的架空索道工程，利用ANSYS软件建立了线路支架的三维有限元模型，通过模态分析求得支架的动力特性，并对支架在各种荷载作用下的受力性能进行了分析，可为同类结构提供参考。

架空索道，线路支架，有限元

1 工程概况

在架空索道工程中，线路支架是其重要的组成部分，直接关系着索道运输的安全保障，因此线路支架的设计计算十分重要。某客运架空索道全程共16个支架，其中14号支架间距172 m，结构高度达29 m，托压轮数为(+12/+12)，承受的轮压及索水平力最大，高度最高，为保证其安全性，本文采用ANSYS软件对其进行了静、动力分析。

2 有限元模型的建立

线路支架主要由塔身、横担、起重架通过螺栓联接或焊接组成，是线路托(压)索轮组及承载牵引索的安装载体。其中塔身根据高度及受力情况可采用单管塔及格构式塔架，本工程支架高度11 m以下采用单管塔，以上采用四边斜线形钢管塔架，底部与混凝土基础通过预埋螺栓刚接。本文对14号29 m高支架进行分析计算，该支架底部宽度取为整个塔架高度的1/6，即四边形边长为4.8 m，按9/100的斜率上升至▽24.5 m标高处变为直线形，斜段塔身共设6层横向腹杆，其中设3道横隔。支架柱采用圆钢管，下段截面为φ500×14，中段为φ450×12，上段为φ350×12，每层横向腹杆采用圆钢管φ300×6，横隔梁采用角钢，横担采用焊接方钢管350×600×12×12，结构平面图及立面图如图1所示。支架塔柱间拼接、塔柱与横向腹杆连接以及塔柱与横担的连接均采用法兰螺栓连接，建立有限元模型时，假设这些连接均为刚性连接，不考虑连接螺栓接触面的相对变形，因此，塔柱及横向腹杆采用Pipe16管单元，横担采用Beam188梁单元，横隔梁采用Link8杆单元模拟。顶部起重架、托压索轮组、电缆及索系的质量简化为质量点，施加在顶层节点上，质量点采用Mass21单元模拟。ANSYS有限元模型如图2所示。结构的杆件均采用Q235-B钢，弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

3 动力特性分析

结构动力特性是结构固有的，与外界干扰无关，风荷载和地震力的量值决定于结构的动力特性，因此首先要对支架整体结构进行模态分析，求出其自振频率和振型。本文采用子空间迭代法进行模态分析，考虑前10阶振型的影响，扩展模态取10阶，表1列出了支架的前3阶频率，相应的前3阶振型如图3所示。

表1 支架的自振频率和振动方向

4 荷载

线路支架的受力比较复杂，索道正常运行分为重上空下、重下空上、重上重下、空上空下以及空绳五种状态，分别计算出各种状态下的支架最大受力值(工艺专业提供)，作为活荷载施加到模型上。此外还应考虑结构自重、风荷载及地震作用。结构自重由程序自动计算，本工程所处地区抗震设防烈度为6度，可不考虑地震作用的影响。风荷载包括支架塔身及两侧跨间客车和钢丝绳所受的风载。

支架的受力情况见图1。

4.1 风荷载计算

支架系高耸结构，风荷载对其影响往往起控制作用，因此风荷载的计算十分重要。根据规范[2]，作用于结构表面单位面积上的风荷载标准值按公式ωk=βzμsμzω0计算。基本风压ω0按索道运行时为0.25 kN/m2，索道停运时为0.80 kN/m2取值[1]，地面粗糙度类别为B类，根据各层标高查表得高度系数μz。根据支架几何尺寸和构件型号求得各层挡风面积和挡风系数φ，查表求得支架塔身体型系数μs，计算四边形支架风荷载体型系数时，应按90°和45°两种风向计算。其他客车及钢绳体型系数按规范[1]取值。

4.2 荷载组合

支架的结构重要性系数取为1.1，荷载组合系数按规范[2]选取，索道运行时考虑了五种工况组合如下：S1=1.2×恒+1.4×活；S2=1.2×恒+1.4×活+0.6×1.4×横风向；S3=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×横风向；S4=1.2×恒+1.4×活+0.6×1.4×纵风向；S5=1.2×恒+0.7×1.4×活+1.4×纵风向。索道停运时考虑两种工况组合如下：S6=1.2×恒+1.4×90°横风向；S7=1.2×恒+1.4×45°风向。

4.3 计算结果

经计算，索道运行时，各种荷载作用下支架结构顶部横向最大侧移为27 mm，与支架总高度比为1/1 074，小于1/1 000的规范[1]限值，纵向最大侧移为61 mm，与支架总高度比为1/475，基本满足规范[1]1/500的限值；索道停运时，支架的横向最大侧移为91 mm，位移比1/319<1/200，满足结构刚度要求。支架柱最大应力比为0.56，其他杆件应力均控制在容许应力范围内，满足承载力要求。

5 结语

本文利用ANSYS软件建立了架空索道线路支架的三维有限元模型，并进行了各种荷载作用下的结构计算分析，承载力及刚度均满足规范的要求，验证了结构的安全性，其设计方法和结果可为类似索道工程设计提供一定的参考。

[1] GB 50127—2007，架空索道工程技术规范[S].

[2] GB 50135—2006,高耸结构设计规范[S].

[3] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

[4] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[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

鲍 巍(1971- )，男，高级工程师； 张清卫(1980- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)11-0022-02

U443.38

A