智慧燈桿高強輕量化方案設計與分析

陶 琳,祝 愿,孫 萌

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

隨著城市的快速發展,通信基站、監控攝像頭、交通指示牌等城市公共設施的數量迅速增加,由于城市道路空間承載能力有限,各類設施在路燈桿的搭掛需求強烈,路燈桿上搭掛的設施日益增多[1]。智慧路燈以道路照明燈桿為基礎,整合公安、交通信號、通信、交通標識牌等為一體,實現多桿合一,減少路面立桿,釋放公共空間資源。

目前對于桿體的設計,一是采用力學分析方法進行設計計算:文獻[2]以40 m高桿燈為例進行了高桿燈在風荷載作用下的設計計算與校核;文獻[3]介紹了一種通過力學分析來驗算燈桿強度的模型;文獻[4]采用力學分析方法建立路燈燈桿優化函數,并對燈桿的臂厚、直徑和挑臂臂長進行優化計算。二是通過有限元分析方法對燈桿在外荷載作用下進行剛度、強度、穩定性和模態分析:文獻[5]對8 m鋁合金路燈燈桿結構進行有限元計算,分析燈桿在風荷載和自重作用下的應力和變形情況;文獻[6]運用ABAQUS有限元軟件對10 m太陽能路燈燈桿在風荷載、雪荷載及自身重力作用下各構件的應力與變形進行了分析;文獻[7]分析智慧照明A類燈桿在自重、加載設備、風荷載和雪荷載作用下的力學響應,研究其變形、應力及模態情況,并與理論分析值進行比較。

實際應用當中發現,風荷載是影響高桿燈強度的最大也是最關鍵的因素[2],因此本文僅考慮燈桿自重、附加設施和風荷載作用,對燈桿進行高強輕量化設計,運用有限元仿真分析方法,構建精細化的燈桿有限元模型,對燈桿進行剛度、強度和穩定性分析,驗證高強輕量化方案的可行性。

目前智慧燈桿的設計暫無詳細規范,主要參考GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》和GB 50135—2006《高聳結構設計規范》有關規定進行設計驗算。

2 有限元仿真模型構建

2.1 工程概況

某城市主干道某型號智慧燈桿由上桿體、下桿體、橫臂和燈頭組成。上桿體為方管,長度5 m;下桿體為八棱柱桿,長度7 m;橫臂為雙根八棱柱桿,長度8 m;燈頭為方管做成造型結構,裝載燈具用于照明。下桿體安裝有顯示屏和禁令牌,橫臂上安裝有交通信號燈。桿與桿的連接處采用焊接和法蘭連接方式。主要部件的結構信息見表1。

表1 主要部件構造尺寸Table 1 Construction dimensions of major components

2.2 高強輕量化設計

目前市面使用的燈桿材質多為Q235和Q355,強度低,容易變形甚至斷裂,高度10 m以上燈桿質量達到600 kg多,安裝不方便,且運輸成本增加。使用高強鋼進行輕量化設計,將主要構件下桿體和橫臂的直徑增大,厚度減薄,既能有效提高燈桿的承載能力,又能將桿體質量減輕20%以上,利于安裝和運輸,實現整體成本的降低。高強方案對比見表2。

表2 主要構件高強輕量化方案Table 2 High-strength and lightweight scheme of major components

燈桿模型如圖1所示。

圖1 燈桿模型Fig.1 Light pole model

2.3 計算參數的確定

在分析模型中,對燈桿在實際作業過程中受到的荷載進行確認。

(1) 桿體下端通過法蘭與地面進行固定約束,桿體與法蘭采用剛性連接,法蘭約束6個自由度。

(2) 在有限元模型中加載了兩種荷載,即永久荷載和可變荷載。永久荷載為桿體自身和信號燈、禁令牌等附加設施的自重,設置材料的重力常數為9.8 m/s2;可變荷載為風荷載,選擇承載面最大的方向設為本次分析的風荷載方向,即垂直于橫臂的方向,分析模型中的x方向。參考GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》,作用在燈桿結構單位面積上的風荷載按式(1)計算:

ω=βzμsμzω0

(1)

式中:ω為作用在燈桿結構單位面積上的風荷載,kN/m2;ω0為基本風壓,取當地50年一遇風壓0.45 kN/m2;βz為z高度處的風振系數,本項目取1.7;μs為風荷載體型系數,八棱柱取1.2,方形取1.4;μz為z高度處的風壓高度變化系數,本項目取1.0。

參考GB 50135—2006《高聳結構設計規范》,分析工況包括:①正常使用極限狀態:恒載+風荷載;②承載能力極限狀態:1.35×恒載+1.5×風荷載。

3 有限元結果分析

3.1 撓度分析

燈桿新方案不同方向的位移云圖如圖2所示。燈桿在自重、附加設施和風荷載的作用下,按照正常使用極限狀態加載進行分析,產生的最大位移能反映桿體的整體剛度。通過圖2可以看出,x方向的最大位移在橫臂最前端,其大小為287 mm;y方向的最大位移在橫臂最前端,其大小為49 mm,均滿足8 000×5%=400 mm的容許撓度設計要求;z方向的最大位移在主桿最頂端,其大小為35 mm,滿足12 000×5%=600 mm的容許撓度設計要求。

3.2 強度分析

燈桿在自重、附加設施和風荷載的作用下,按照承載能力極限狀態進行強度分析,整體應力云圖如圖3所示。最大應力為556 MPa,具體位于背風面主桿與檢修門連接處,滿足620 MPa級別材料的許用應力,符合強度要求。在工況荷載作用下,燈桿除了局部存在應力集中,燈桿主桿和橫臂大部分區域的應力遠小于許用應力。

圖3 燈桿整體應力云圖Fig.3 Stress nephogram of the light pole

3.3 穩定性分析

在關注產品結構本身的剛度和強度滿足要求和標準的同時,對于細長類結構和薄壁結構,還需要考慮穩定性問題。本文采用燈桿在自重、附加設施和風荷載的作用下,按照承載能力極限狀態進行桿體的屈曲分析的方式,對燈桿在外荷載作用下的穩定性進行分析。如圖4所示,第一階屈曲特征值為8.1,遠大于1,屈曲失穩概率極低。

圖4 燈桿屈曲特征值Fig.4 Buckling characteristic value of the light pole

4 結論

(1) 對某型號智慧燈桿進行高強輕量化設計,在保證承載的情況下,整體輕量化率21%,可以降低綜合成本。

(2) 對某型號智慧燈桿在自重、附加設施和風荷載的作用下進行剛度、強度和穩定性分析,在外荷載作用下最大位移在橫臂最前端,其大小為287 mm;最大應力位于背風面主桿與檢修門連接處,其大小為556 MPa;第一階屈曲特征值為8.1,遠大于1,屈曲失穩概率極低。高強輕量化方案均滿足標準要求。