往复式客运架空索道在风载荷作用下的稳定性分析

(中南林业科技大学 湖南 长沙 410000)

随着时代的发展，客运索道不仅为人们提供了极大的便利，也为景区创造了一定的财富。因此，索道的安全稳定运行对整个景区会产生巨大的影响。再影响索道稳定性的因素中，风载荷对索道安全性有着不可忽视的影响。特别是有横向风力影响时，索道的振幅会比较大，这不仅会影响乘客在缆车上的舒适程度，还会对未乘坐缆车的乘客造成一定的担忧，索道的安全性和可靠性也会产生不利影响，使索道无法安全运行。因此，研究风载荷作用下，客运索道的稳定性具有重要意义。本文以往复式客运架空索道为研究对象，采用有限元软件进行分析。进一步研究索道在风载荷作用下的振动，为索道研发以及运营事业提供帮助。

一、风函数的设定

目前的抗风计算主要分为在频域和时域计算。但在频域内只能对结构进行线性分析，强风作用下，细长的大跨结构在风载荷作用下往往会产生几何或材料非线性，所以频域分析有时不能反应结构的真实特性。要进行较为精确的分析，要借助于时域的分析方法。

风速的模拟方法有很多，主要有CAWS(Canstant Ampfitude Wave Superposition)法、WAWA(Waves with Weighted Amplitude)法和线性回归滤波法等。在本文中，将选取线性滤波法对风速进行模拟。

风速与时间关系选用线性滤波法的脉动风速模拟，选取了120s内1200个节点，模拟了每个节点的风速。在14m/s到24m/s之间，趋近于一个较为平稳的状态。

图1 脉动风速的线性滤波法模拟

风速的函数表达式是时间与位置的函数，横向风力的大小主要由时间和位置2个参数决定，表达式为W=W(t,x)。

风载荷与风速的平方成正比，风力的大小是随时变化的，其他影响因素在仿真过程中都不变。

Pw=CKhqA

式中Pw——风载荷，单位为千牛每平方米(kN/m2)；

C——风力系数，用以考虑不同受风结构物体体型、尺寸等因素对风压的影响；

Kh——风力高度变化系数；

q——计算风压,单位为牛顿每平方米(N/m2)；

A——物体垂直于风向的迎风面积，单位为平方米(m2)

参考GB 12352-2018 客运架空索道安全规范，选取参数具体数值，其中C=1.15，Kh=1.61，q=0.613V2，A=3m2

Pw=CKhqA=1362N

二、索道模型的建立

以单跨距索道例，通过有限单元法建立受横向风载荷影响的索道模型。

模型采用有限元软件ANSYS创建，缆索采用LINK10单元建立模型，所建立有限元模型如图。

图2 索道的有限元模型

此时，索道即没有受到重力载荷，也没有受到横向风载荷。

有限元模态分析是线性分析,忽略任何非线性特性,因此，只有约束边界条件施加于有限元模型。在本文中，只分析索道的稳定性,不考虑井架等的受力情况。因此，为了方便起见，索道两端的连接被视为固定约束,理论上，索道节点的自由度受到约束,即底部节点的位移为零。

三、基于ANSYS的有限元分析

由于风载荷的动力特性，索道在风荷载的作用下将在其平衡位置振动，并且作用在一个面单元上的动内力可如下计算：

ω为动力反应的角频率；

悬索单元的内力可由下式计算：

索单元的动力系数，如下：

式中：Cι为悬索内力系数。

根据风载的计算公式，计算出风载荷Pw并将其加载在索道上，并在索道的两端增加约束，得到的最大等效变形为6.8285mm。

图3 风载荷下索道的最大等效变形

对静态分析进行预应力模态扩展，并进行预应力模态分析，分析时只提取系统结构的前6阶固有频率及其对应的振型便能满足工程需要。

表1 固有频率计算结果

图4第一模态对应结果

图5 第二模态对应结果

图6 第三模态对应结果

图7 第四模态对应结果

图8 第五模态对应结果

图9 第六模态对应结果

根据以上建立的模型以及计算结果，在ANSYS软件中进行仿真分析，分别选取索道起点，中段和末端三个位置，可以得到在风载荷下，悬索位移与时间变化之间的关系。

图10 悬索起点位移随时间变化

图11 悬索中段位移随时间变化

图12 悬索末端位移随时间变化

通过悬索位移与时间变化的分析比较，可以看出在相同时段内，不同位置的悬索的位移变化情况不同，悬索中段的变形相对较大。

四、结论

本文建立了风载荷下的索道的有限元模型，并对其进行仿真计算，从不同的时间点悬索的位移情况可以得出：

(1)风载荷情况下，距离塔架越近，悬索位移越小

(2)悬索位移与风速变化呈正比例关系

(3)施加风载荷情况下，索道内力对索道稳定性影响相对较小

从仿真结果可以看出，在风载荷的影响下，索道的振动位移与初始条件无关，取决于索道系统本身。并且在索道中段具有最大振幅。