架空索道線路格構式塔架有限元分析

賀宇龍， 劉英林

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 概況

索道線路支架作為架空索道的重要組成部分，直接影響到架空索道運輸的穩定與安全。因此在設計線路支架時，應使得其承載力和剛度均滿足相關規范要求[1-2]。采用傳統設計方法，很難對高度較高的格構式塔架進行計算校核，有限元法的出現為設計類似高塔架提供了新的途徑[3-4]。某客運架空索道線路全長約1 200 m，全程共設置14個支架，其中7號支架結構高度18.5 m，為托索支架。由于該支架高度較高且受力較為復雜，為了精確的計算出支架受力狀態，全面的分析支架在各工況下的應力分布狀態，本文采用ANSYS有限元分析軟件，對該支架進行了建模計算分析，分別建立了不同支架截面尺寸以及不同柱腳間距的多個模型，通過對各個模型的計算結果進行分析對比，最終找出最優方案，使得支架結構既安全可靠又經濟合理[5]。

1 有限元模型建立

該線路支架采用四柱鋼管格構式結構，主要由塔身、橫擔和起重架等結構通過螺栓連接或焊接連接而成。支架鋼結構材料采用Q235B，密度7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。支架的布置形式為：0～3.9 m高度范圍內采用四邊斜線型鋼管塔架，該范圍塔身內設置一層橫隔，鋼管下部與混凝土基礎通過預埋螺栓進行連接；3.9～14.5 m高度范圍內采用四邊斜線型鋼管塔架，該范圍塔身設置三層橫隔；14.5～18.5 m范圍內由四根豎直鋼管組成，設置一層橫隔，上部設置橫擔及起重梁。這里分別考慮了3種塔架鋼管截面布置形式，對這3種塔架布置形式分別取鋼管柱腳間距為1.5、2、2.5、3 m進行分析，分別建立了12個模型，布置如圖1所示。分析該支架結構在不同的結構參數下的應力分布狀態，布置圖如圖1所示，建模參數如表1所示：

圖1 支架結構布置圖

支架結構布置圖及計算模型圖如圖1、圖2所示。

由于鋼管之間是通過法蘭螺栓連接，可認為是剛性連接，所以根據以往工程經驗，采用beam188單元模擬鋼管塔架；采用link8單元模擬橫隔結構；

表1 模型建模參數

塔頂橫擔、起重梁、電纜以及拉索等其他構件通過轉化成質量點采用mass21質量單元來模擬。材料按彈性狀態進行計算。支架計算模型如圖2所示。

圖2 支架計算模型圖

2 荷載與工況

該支架荷載主要考慮運行狀態荷載和停運狀態荷載，運行狀態荷載為風荷載與上部設備運行荷載的疊加，停運狀態荷載主要包括風荷載。運行時，基本風壓取0.25 kN/m2，停運時基本風壓取0.8 kN/m2。風荷載主要考慮支架、塔頂橫擔、起重梁和吊箱在沿索道中心線及垂直索道中心線兩個方向的不同受風作用。其中以X方向表示沿索道中心線方向，Y方向表示垂直索道中心線方向。表2列出了支架在各工況下的荷載組合。

3 有限元計算分析

3.1 有限元計算結果

通過ANSYS軟件對模型進行有限元計算，可以得到表1列出的12個模型在各工況下的狀態，這里取每個模型在運行狀態和停運狀態的最不利工況進行分析，分析各模型在兩種狀態下的應力和位移結果。圖3、圖4列出了12個模型的最大應力和位移結果。

從圖3、圖4中可以看出，支架截面尺寸以及支架柱腳間距的變化對支架應力和位移產生較大的影響，隨著支架截面尺寸的增大，鋼管的抗彎剛度增加，支架應力和位移均顯著減小；隨著柱腳間距的增大，支架的應力和位移均減小，可見合理的選擇柱腳間距可以明顯的改善支架的受力狀態。

從圖3、圖4中還可以看出，支架在停運狀態下的應力和位移均明顯大于運行狀態下的應力和位移。根據GB 12352—2018《客運架空索道安全規范》[1]，應分別進行運行狀態下和停運狀態下的位移驗算，并且進行鋼結構強度的校核。

表2 工況荷載組合

圖3 各模型最大應力計算結果

圖4 各模型最大位移計算結果

3.2 支架設計方案選取

通過對各模型計算結果的歸納分析可以發現，各模型應力以及位移的分布趨勢大致相同，以8號模型為例，下面給出了支架的應力和應變云圖。圖5、圖6為8號模型在運行狀態下的計算結果，圖7、圖8為8號模型在停運狀態下的計算結果。

圖5 應力云圖

圖6 位移云圖

圖7 應力云圖

圖8 位移云圖

從圖5、圖6中可以看出，在運行狀態下，鋼結構支架應力分布較為均勻，支架平均應力值在30 MPa左右，在拉應力和壓應力最大點均出現在支架頂部，最大值分別為65 MPa和66 MPa，這是由于在運行狀態下支架頂部承受索道運行的水平荷載作用。支架位移分布從柱腳往上逐漸增大，最大點也出現在支架頂部，最大值為23 mm。

從圖7、圖8中也可以看出，在停運狀態下，拉應力與壓應力最大值均出現在支架鋼管底部，最大值分別為127 MPa和131 MPa，從支架柱腳往上支架應力分布逐漸減小。支架位移最大點出現在支架中上部豎向鋼管與四邊斜線鋼管相交的位置，位移最大值為62 mm。

根據GB 12352—2018《客運架空索道安全規范》[1]相關規定，運行時托索支架最大變形沿索道中心線不大于H/300，垂直索道中心線不大于H/500；停運時沿索道中心線不大于H/100，垂直索道中心線不大于H/200。

經驗算該8號模型的結構位移滿足該規范要求。該鋼結構支架，應力分布較為均勻，最大應力比為0.61，滿足鋼結構強度要求[2]，并且留有一定富余量。結構布置經濟合理，最終選用8號模型支架為最終支架設計方案。

4 結論

本文通過對某客運索道18.5 m高支架進行分析計算，可以得到以下結論：

(1)通過有限元分析軟件對支架進行建模計算分析，建立不同鋼管截面尺寸、不同柱腳間距的多個結構模型，通過計算可以得到模型在各種工況下的計算結果，可以形象直觀的得到支架整體結構的應力、位移的分布狀態。便于設計人員更快，更好的進行結構設計。

(2)通過對各模型計算結果進行分析歸納可以看出，增大支架豎向鋼管截面尺寸，增大支架柱腳間距均可以有效減小支架的應力和位移，改善結構受力狀態。所以在設計時應合理確定支架截面尺寸和柱腳間距使結構受力最優。

(3)本文通過對各模型的計算結果進行分析歸納，并且根據架空索道的相關規范對支架進行了驗算，得到了最優的支架結構布置方案，現索道已投入運行，運行效果良好。文中所述的設計方法能夠全面準確的分析支架在各工況的受力狀態，其結構也為以后類似工程提供了參考。