基于有限元軟件的某橋景觀柱設計

王遠連

1 工程概況

2008年5月12日四川經歷了新中國建國以來最大的地震災害，震后全國各省均以不同的方式對地震災區進行援建。本工程是安徽對口援建阿壩州的一座橋，位于四川省阿壩州松潘縣境內，結構效果圖如圖1所示，橋上方為一鋼結構曲柱連接鋼桿形成一風帆狀結構，寓意四川人民克服地震災害，奮發向上的精神。

圖1 工程效果圖

本結構中，橋的跨度較小(40m左右)，設計理論與經驗均較為成熟，故在本文中不予再分析，而橋上方的曲形柱，由于高度較高，懸臂較大，呈拋物線狀，底部彎矩大，計算較為復雜，在震后重建工程對結構的安全度要求較高的情況下，需進行詳細的分析計算。

2 荷載工況

本結構承受的主要荷載有風荷載、自重、雪荷載和地震作用，在這幾種荷載作用下，尤以地震為甚。

對于風荷載來說，本結構較為細長，故風荷載對結構的影響較大，由于《荷載規范》沒有對結構所在區域的基本風壓ω0給值，本計算過程取值0.6 kN/m2。

對于地震作用來說，本工程計算主要考慮罕遇地震作用下結構的受力性能，確保在罕遇地震下結構不會出現倒塌，造成生命財產的損失。對多遇地震地震波的加速度峰值為0.25g，而罕遇地震為 0.40g。

本氣柜結構為全鋼結構，鋼材型號為Q235，材料其他參數如表1所示。

表1 材料參數

板厚度暫取8mm后，最終的厚度參數可根據后面的計算結果進行調整。

3 建模

結構模型的底部截面尺寸為:1 500×950，頂部截面尺寸為450×450，結構為二次拋物線形式，內側拋物線方程為 y2=－25.6x，外側拋物線方程為 y2=－24.38x，結構模型見圖 2。

圖2 實體單元結構模型圖

4 計算分析

4.1 X 向風載

在實體模型計算結構中，結構的最大mises應力為79.2mPa，最大應力位置在結構外側受拉一側根部，這和前面底截面1 000×1 000時的位置不同，說明截面加寬后受壓側的剛度變大，結構受力更有利。

對結構的位移變形來說，最大位置在結構的頂點位置，如圖3所示，最大值為105.854mm。位移的值較大，故需根據相關規范，確定對結構的剛度需不需要加強設計，反饋后可重新進行計算。

圖3 結構位移云圖位置（X向風載）

圖4 結構位移云圖位置（Y向風載）

構件底部最大反力為222.093 kN，此力可視為軸力。

4.2 Y 向風載

在Y向風荷載作用下，結構的最大mises應力為58.5mPa，略小于X向風荷載作用，其作用的位置為結構受拉外側，這點和下面的梁單元計算的不一致，主要是由于實體模型計算較為精細，實體模型角部產生了局部應力集中現象，而除去這部分應力集中的影響其結果和梁模型的計算規律基本一致。

結構的最大位移為98.73mm，最大位移位置為頂部(如圖4所示)。

構件底部最大反力為225.945 kN，此力可視為軸力。

4.3 動力分析

在計算時，因結構形式較為簡單，且剛度分布較為均勻，故僅考慮X和Y向水平地震作用，而沒有考慮豎向地震作用情況，也沒有考慮兩向或三向地震作用的組合因素。

對結構的動力分析采用常見的Taft波和El-Centro波來進行時程分析，波形圖見圖5和圖6，加速度峰值取0.40g(分析時考慮汶川大地震的因素，在計算時略微提高)。對結構在地震作用下的分析，從結構的使用功能來分析，主要提取的是結構內力，而沒有考慮結構的位移因素，計算結果見表2和表3。

圖5 EI-Centro波形圖

圖6 Taft波形圖

表2 X方向波

表3 Y方向波

由表2和表3可知相對于結構的截面來說，荷載值均不是很大，設計完全能滿足抗震要求，而地震作用下應力的最大發生位置是底部，而底部豎直段和弧線段交界處的應力也明顯比別的部位的大很多，故在設計時，此段進行了局部加強。

5 加勁肋設計

有限元計算沒有考慮結構的穩定，故在實際施工過程中，需在構造上考慮結構的穩定，設計時在結構的內部側板上加肋，加勁肋的間距可參照下式[4-6］。

1)按強度條件計算橫向加勁肋間距。

基本公式:

實用計算公式:

2)剛度條件控制鋼板的撓度Y≤S/250計算橫向加勁肋的間距。基本公式:

實用計算公式:

則根據上式計算得出，加勁肋最大間距:

強度條件計算:

剛度條件計算:

實際設計時取值間距為1 800mm。

6 結語

通過以上計算分析，對本結構來說，板的厚度取8mm是完全能滿足設計要求的。在實際設計中，由于越到上部，荷載作用越小，故可采用變厚度的方式，但考慮到防雷因素，最上部的厚度不得小于4mm;水平加勁肋的間距取1 800mm，另考慮局部穩定問題，對底部結構，長邊向加一道加勁肋。

工程投入使用已逾兩年，運行良好。

[1]GB 50135-2006，高聳結構設計規范[S］.

[2]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S］.

[3]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S］.

[4][蘇］B·T利津，B·A·皮亞特金.薄壁結構設計[M］.北京:國防工業出版社，2010.

[5]張天助，王成樵.某電除塵器灰斗結構極限承載能力狀態分析[J］.鋼結構，2007，8(22):63-65.

[6]姜得進.加勁棱柱殼體的整體穩定分析[J］.建筑結構，2004(sup):8.