周 戈 黃 偉

（1． 武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團有限公司，湖北 武漢 430022；2． 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室 （三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

由于城市道路空間承載能力有限，各類設(shè)施在路燈桿上搭掛的設(shè)施日益增多，因此經(jīng)營設(shè)施企業(yè)，政府部門、公用事業(yè)單位提出了多桿合一的要求。智慧照明燈桿是面向智慧城市，將集照明、視頻監(jiān)控、交通管理、環(huán)境監(jiān)測、無線通信、信息交互、應(yīng)急求助等多功能于一體的城市共享基礎(chǔ)設(shè)施桿。這種智慧照明燈桿是城市綜合管理上的一個創(chuàng)新，推動我國智能城市的快速發(fā)展[1-4]。與普通的路燈比較，其智慧照明燈桿受力狀況較為復(fù)雜。目前力學(xué)計算公式都是簡化后的智慧照明燈桿進行研究，具有一定的誤差，且不能計算出所有部位的強度與撓度。因此，利用有限元分析方法，構(gòu)建精細化的燈桿空間有限模型，開展力學(xué)特性分析，是保證智慧照明燈桿產(chǎn)品質(zhì)量的前提。

目前，針對智慧照明燈桿的研究相對較少，正處于不斷研究和成熟階段。文獻[5]介紹了通過力學(xué)分析方法來驗算燈桿強度的模型。文獻[6]介紹了高桿燈桿體的設(shè)計計算內(nèi)容、計算工況，對不同型式的燈盤以及不同型式的桿體對燈桿桿體強度與撓度的影響進行了深入比較，提出了桿體壁厚沿桿體高度方向合理布置形式。文獻[7]介紹了燈桿設(shè)計要求，進行了高桿燈風(fēng)載荷的設(shè)計計算與校核，力學(xué)計算結(jié)果表明，高桿燈的強度符合要求。文獻[8]運用ANSYS有限元軟件，對8 m鋁合金路燈燈桿結(jié)構(gòu)進行有限元計算，分析路燈燈桿在風(fēng)載和自重作用下的應(yīng)力和變形情況。文獻[9]借助ABAQUS有限元軟件對太陽能路燈進行靜響應(yīng)分析和模態(tài)分析，并根據(jù)應(yīng)力云圖對應(yīng)力集中明顯的燈桿進行詳細分析。文獻[10-11]運用ABAQUS有限元軟件對10 m太陽能路燈燈桿在風(fēng)載、雪載以及自身重力作用下各構(gòu)件的應(yīng)力與變形進行了分析。在保證燈桿強度與剛度安全的基礎(chǔ)上，通過分別改變燈桿和支架的壁厚，對太陽能路燈燈桿進行了改進設(shè)計，并得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

上述研究為建立智慧照明A類燈桿精細化有限元模型奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文采用大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件，分析智慧照明A類燈桿在自重、加載、風(fēng)載和冰雪載作用下的應(yīng)力、變形和模態(tài)特性；并與理論分析進行對比，驗證有限元方法的正確性，其研究結(jié)果可供類似智慧照明燈桿的設(shè)計和施工參考。

1 A類燈桿有限元模型構(gòu)建

1.1 工程概況

某城市主干道多桿合一項目智慧照明A類燈桿由主桿、橫臂桿、 挑壁燈桿和挑壁桿組成。 主桿上部為異型空心鋼管，長度為6 m，主桿下部為立桿八棱柱桿，長度為6.5 m。橫壁桿為變截面空心八棱柱桿，長度為11.5 m，主要搭載機動車信號燈；挑壁燈桿為空心圓柱，長度為1.78 m，主要搭載燈具；挑壁桿為空心圓柱，長度為1.5 m，主要搭載球機。桿與桿的連接處，采用焊接和法蘭連接方式。

1.2 A類桿幾何建模

采用兩節(jié)點三維線性有限應(yīng)變梁BEAM188模擬分析。在A類桿三維建模時，由于加載設(shè)備結(jié)構(gòu)模型非常復(fù)雜，所以，略去對加載設(shè)備三維模型的建立，以集中荷載進行加載。另外，A類桿結(jié)構(gòu)要承載的部件不同，其強度和剛度存在差異，故對不同構(gòu)件設(shè)置不同的截面尺寸節(jié)約鋼材能源，其截面如表1所示。運用ANSYS大型有限元分析軟件的APDL語言，建立空間有限元桿系模型，A類燈桿有限元模型如圖1所示。

表1 各部件構(gòu)造尺寸 /mm

圖1 A類燈桿有限元模型

1.3 計算參數(shù)的確定

在智慧照明A類燈桿分析模型中，模擬了燈桿在荷載作用下的受力情況，模型參數(shù)確定如下。

（1） 對桿地面法蘭進行固定約束，各部件連接采用剛性連接。A桿整體采用Q235材料，其材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 普通鋼筋材料參數(shù)表

（2） 在有限元模型中加載了4種載荷；自重、設(shè)備、風(fēng)荷載和雪荷載。由于A類桿自重影響很大，不可忽略影響，設(shè)置材料的重力加速度為9.8 m/s2。對于設(shè)備加載，選擇交通信號燈、挑壁燈和球機進行搭載。其中，交通信號燈為0.397 kN搭載在橫臂桿的中心，挑壁燈0.461 kN搭載在挑壁燈桿的端部，球機0.049 kN搭載在挑壁桿的端部。影響結(jié)構(gòu)冰雪荷載大小的主要因素是當(dāng)?shù)氐牡孛娣e雪自重和結(jié)構(gòu)上的積雪分布，冰雪荷載基本雪壓應(yīng)采用50年重現(xiàn)期的雪壓。由于挑壁桿和挑壁燈桿橫截面積很少，影響不大忽略不計，則雪荷載為0.713 kN均布分布在橫臂桿[12]。衡量風(fēng)的每個節(jié)段大小最直接的參數(shù)是風(fēng)荷載，不同的風(fēng)速作用在多功能燈桿表面引起的風(fēng)荷載是不同的[13]。將A類桿的每1節(jié)視為1個質(zhì)量單元，共分為5個質(zhì)量單元。對這些質(zhì)量單元進行風(fēng)載荷的計算可以近似得到整個多功能燈桿的風(fēng)載荷。根據(jù)統(tǒng)計該地區(qū)50年一遇的10 min平均風(fēng)速為標準[14]，計算出主桿1.5 m處風(fēng)壓0.83 kN/m2、4.75 m處風(fēng)壓1.27 kN/m2、7.5 m處風(fēng)壓1.64 kN/m2、9.5 m處風(fēng)壓1.75 kN/m2、11.5 m處風(fēng)壓1.94 kN/m2。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 A類桿撓度分析

A類桿的位移云圖如圖3所示。A類桿在自重、加載設(shè)備、風(fēng)荷載和雪荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生X方向和Z方向的最大位移能準確判斷該桿的剛度特性。

圖2 燈桿不同方向位移云圖

通過位移云圖2a可以看出，X方向最大位移是在主桿的頂端，其大小為157 mm；圖2b可以看出，Z方向最大位移是在橫臂桿的最前端，其大小為378.05 mm；圖2c可以看出和位移最大位移是在橫臂桿的最前端，其大小為384.48 mm。智慧照明燈桿的容許撓度為總長度的5%，為575 mm，因而該燈桿有限元撓度結(jié)果滿足設(shè)計要求。

2.2 A類桿強度分析

在A類桿進行有限元強度分析中，為了突出問題本質(zhì)，工況設(shè)置如下：工況1：自重荷載+搭載設(shè)備荷載+風(fēng)荷載；工況2：自重荷載+搭載設(shè)備荷載+冰雪荷載；工況3：自重荷載+搭載設(shè)備荷載+冰雪荷載+風(fēng)荷載，具體各工況作用下的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

由圖3可知，A類桿較大的應(yīng)力主要集中于桿底部法蘭處和橫臂桿根部法蘭，具體位于主桿桿底部迎風(fēng)面和橫臂桿上表面。在工況1、工況2和工況3分別導(dǎo)致的最大應(yīng)力分別為122、204和204 MPa，可知A類桿出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞主要原因是雪荷載導(dǎo)致。在工況荷載作用下，A類桿除了局部存在應(yīng)力集應(yīng)力突增，主桿上部大部分地方的應(yīng)力值均遠小于設(shè)置強度，故次桿的上部長方形異型鋼管截面建議是4 mm。

圖3 燈桿應(yīng)力云圖

2.3 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的固有頻率與相應(yīng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)形狀是設(shè)計承受變化荷載條件結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。通過模態(tài)分析數(shù)可以用于結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計過程，對結(jié)構(gòu)在動力特性滿足的條件下進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)A類桿模態(tài)分析，桿的主要振型是水平和豎直方向的彎曲振型，本文只提取了結(jié)構(gòu)前五階振型，求解得到前五階振型云圖如圖4所示，固有頻率振型分布特點如表3所示。

圖4 燈桿前5階模態(tài)振型圖

表3 A類桿固有頻率與前5階振型 /Hz

基于A類桿在自重、加載設(shè)備、風(fēng)荷載和雪荷載共同作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的模態(tài)振型圖，展示了各階振動情況。通過模態(tài)分析振型圖可以看出，在振動頻率為1.342 Hz出現(xiàn)橫臂桿一階橫向彎曲和主桿一階縱向彎曲，在振動頻率為1.369 Hz時出現(xiàn)扭動。結(jié)構(gòu)主要是上下和左右彎曲擺動，這種振動形式將會引起設(shè)備松動和脫落的安全隱患，振幅太大時，橫臂桿會阻擋車輛行駛造成嚴重交通事故，在運行時應(yīng)避免激發(fā)這種振動模態(tài)并適當(dāng)加強橫臂桿的設(shè)計剛度。

2.4 與理論計算值比較

為了驗證有限元方法的正確性，以工況3荷載參數(shù)進行理論計算，分別計算A類桿主要桿件的最大應(yīng)力。其計算結(jié)果如表4所示。

表4 理論計算與有限元分析強度值比較 /MPa

由表4可知，有限元分析結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合。這說明有限元建模方法的正確性。有限元建立的模型接近A類桿的實際模型，并且能夠計算出該類燈桿各部位的應(yīng)力分布，具有較強的適用性。通過各部件的比較，出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為211.424 MPa，小于Q235鋼材的設(shè)計抗彎強度為215 MPa，強度滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文構(gòu)建了對智慧照明A類燈桿的空間有限元模型，分析了燈桿力學(xué)特性，結(jié)論如下：

（1） A類桿在荷載作用下位移最大處在橫臂桿的最前端，其大小為384.48 mm，出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞主要原因是雪荷載導(dǎo)致，其最大應(yīng)力為204 MPa；該類燈桿的剛度和強度均滿足設(shè)計要求；

（2） A類燈桿的基頻頻率為1.342 Hz，會出現(xiàn)橫臂桿一階橫向彎曲和主桿一階縱向彎曲；二階頻率為1.369 Hz時出現(xiàn)扭動，運行時應(yīng)避免激發(fā)這種振動模態(tài)；

（3） 有限元建模方法可以對A類桿進行撓度、強度和模態(tài)的分析，其計算精度能夠滿足工程應(yīng)用需要。