架空索道线路格构式塔架有限元分析

贺宇龙， 刘英林

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 概况

索道线路支架作为架空索道的重要组成部分，直接影响到架空索道运输的稳定与安全。因此在设计线路支架时，应使得其承载力和刚度均满足相关规范要求[1-2]。采用传统设计方法，很难对高度较高的格构式塔架进行计算校核，有限元法的出现为设计类似高塔架提供了新的途径[3-4]。某客运架空索道线路全长约1 200 m，全程共设置14个支架，其中7号支架结构高度18.5 m，为托索支架。由于该支架高度较高且受力较为复杂，为了精确的计算出支架受力状态，全面的分析支架在各工况下的应力分布状态，本文采用ANSYS有限元分析软件，对该支架进行了建模计算分析，分别建立了不同支架截面尺寸以及不同柱脚间距的多个模型，通过对各个模型的计算结果进行分析对比，最终找出最优方案，使得支架结构既安全可靠又经济合理[5]。

1 有限元模型建立

该线路支架采用四柱钢管格构式结构，主要由塔身、横担和起重架等结构通过螺栓连接或焊接连接而成。支架钢结构材料采用Q235B，密度7 850 kg/m3，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。支架的布置形式为：0～3.9 m高度范围内采用四边斜线型钢管塔架，该范围塔身内设置一层横隔，钢管下部与混凝土基础通过预埋螺栓进行连接；3.9～14.5 m高度范围内采用四边斜线型钢管塔架，该范围塔身设置三层横隔；14.5～18.5 m范围内由四根竖直钢管组成，设置一层横隔，上部设置横担及起重梁。这里分别考虑了3种塔架钢管截面布置形式，对这3种塔架布置形式分别取钢管柱脚间距为1.5、2、2.5、3 m进行分析，分别建立了12个模型，布置如图1所示。分析该支架结构在不同的结构参数下的应力分布状态，布置图如图1所示，建模参数如表1所示：

图1 支架结构布置图

支架结构布置图及计算模型图如图1、图2所示。

由于钢管之间是通过法兰螺栓连接，可认为是刚性连接，所以根据以往工程经验，采用beam188单元模拟钢管塔架；采用link8单元模拟横隔结构；

表1 模型建模参数

塔顶横担、起重梁、电缆以及拉索等其他构件通过转化成质量点采用mass21质量单元来模拟。材料按弹性状态进行计算。支架计算模型如图2所示。

图2 支架计算模型图

2 荷载与工况

该支架荷载主要考虑运行状态荷载和停运状态荷载，运行状态荷载为风荷载与上部设备运行荷载的叠加，停运状态荷载主要包括风荷载。运行时，基本风压取0.25 kN/m2，停运时基本风压取0.8 kN/m2。风荷载主要考虑支架、塔顶横担、起重梁和吊箱在沿索道中心线及垂直索道中心线两个方向的不同受风作用。其中以X方向表示沿索道中心线方向，Y方向表示垂直索道中心线方向。表2列出了支架在各工况下的荷载组合。

3 有限元计算分析

3.1 有限元计算结果

通过ANSYS软件对模型进行有限元计算，可以得到表1列出的12个模型在各工况下的状态，这里取每个模型在运行状态和停运状态的最不利工况进行分析，分析各模型在两种状态下的应力和位移结果。图3、图4列出了12个模型的最大应力和位移结果。

从图3、图4中可以看出，支架截面尺寸以及支架柱脚间距的变化对支架应力和位移产生较大的影响，随着支架截面尺寸的增大，钢管的抗弯刚度增加，支架应力和位移均显著减小；随着柱脚间距的增大，支架的应力和位移均减小，可见合理的选择柱脚间距可以明显的改善支架的受力状态。

从图3、图4中还可以看出，支架在停运状态下的应力和位移均明显大于运行状态下的应力和位移。根据GB 12352—2018《客运架空索道安全规范》[1]，应分别进行运行状态下和停运状态下的位移验算，并且进行钢结构强度的校核。

表2 工况荷载组合

图3 各模型最大应力计算结果

图4 各模型最大位移计算结果

3.2 支架设计方案选取

通过对各模型计算结果的归纳分析可以发现，各模型应力以及位移的分布趋势大致相同，以8号模型为例，下面给出了支架的应力和应变云图。图5、图6为8号模型在运行状态下的计算结果，图7、图8为8号模型在停运状态下的计算结果。

图5 应力云图

图6 位移云图

图7 应力云图

图8 位移云图

从图5、图6中可以看出，在运行状态下，钢结构支架应力分布较为均匀，支架平均应力值在30 MPa左右，在拉应力和压应力最大点均出现在支架顶部，最大值分别为65 MPa和66 MPa，这是由于在运行状态下支架顶部承受索道运行的水平荷载作用。支架位移分布从柱脚往上逐渐增大，最大点也出现在支架顶部，最大值为23 mm。

从图7、图8中也可以看出，在停运状态下，拉应力与压应力最大值均出现在支架钢管底部，最大值分别为127 MPa和131 MPa，从支架柱脚往上支架应力分布逐渐减小。支架位移最大点出现在支架中上部竖向钢管与四边斜线钢管相交的位置，位移最大值为62 mm。

根据GB 12352—2018《客运架空索道安全规范》[1]相关规定，运行时托索支架最大变形沿索道中心线不大于H/300，垂直索道中心线不大于H/500；停运时沿索道中心线不大于H/100，垂直索道中心线不大于H/200。

经验算该8号模型的结构位移满足该规范要求。该钢结构支架，应力分布较为均匀，最大应力比为0.61，满足钢结构强度要求[2]，并且留有一定富余量。结构布置经济合理，最终选用8号模型支架为最终支架设计方案。

4 结论

本文通过对某客运索道18.5 m高支架进行分析计算，可以得到以下结论：

(1)通过有限元分析软件对支架进行建模计算分析，建立不同钢管截面尺寸、不同柱脚间距的多个结构模型，通过计算可以得到模型在各种工况下的计算结果，可以形象直观的得到支架整体结构的应力、位移的分布状态。便于设计人员更快，更好的进行结构设计。

(2)通过对各模型计算结果进行分析归纳可以看出，增大支架竖向钢管截面尺寸，增大支架柱脚间距均可以有效减小支架的应力和位移，改善结构受力状态。所以在设计时应合理确定支架截面尺寸和柱脚间距使结构受力最优。

(3)本文通过对各模型的计算结果进行分析归纳，并且根据架空索道的相关规范对支架进行了验算，得到了最优的支架结构布置方案，现索道已投入运行，运行效果良好。文中所述的设计方法能够全面准确的分析支架在各工况的受力状态，其结构也为以后类似工程提供了参考。