基于ABAQUS考虑动荷载下开洞薄壁锥筒形钢质灯杆受力研究

王锦森，谭军，鲁渊，王俊清，刘申林

（中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 引言

ABAQUA有限元分析软件拥有强大的非线性分析能力，能较好的运用在地下结构[1]、地上结构等的研究分析。本文是采用ABAQUS有限元分析软件对开洞薄壁锥筒形钢质灯杆在静荷载、动荷载作用下的受力情况进行研究分析。北京市某广场矗立着数百个11.2m高开洞薄壁锥筒形钢质灯杆，灯杆上布置有大型灯具、音响及其他电气设备。这些电气的设备具有面积大、重量大的特点，这些设备为灯杆带来了更大的风荷载。灯杆自身有较多的孔洞，孔洞的形态、位置等各不相同。为了更好的了解在静荷载单独作用，静荷载与动荷载共同作用时灯杆整体的应力应变情况、结构不连续区域（开洞处）应力情况，就需要对其进行研究分析。通过研究分析，可以得到不同荷载作用组合下，灯杆的应力应变的危险区域，为以后的灯杆设计、研究提供有价值的数据。

表1 Q235钢材材料参数表

2 工程概况

北京市风荷载按100年一遇的基本风压[2]考虑为0.5kN/m2；地震荷载按抗震设防烈度[3]为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，所属的设计地震分组为第一组。由于在初步的计算中地震荷载产生的横向力小于风荷载，故忽略地震的影响。

选择上部器材迎风面最大、重量最大的灯杆为研究对象，灯杆高度为11.2m。灯杆为外直径底端384mm、顶端236mm，壁厚10mm的上细下粗薄壁锥筒形，灯杆的孔洞数为9孔、11孔两种，灯杆的材料为Q235型钢材。

3 模型建立

3.1 计算假定

图1 灯杆的三维建筑模型、结构模型及孔洞位置图

图2 灯杆孔洞位置平面布置图

图3 模型荷载作用位置

表2 荷载参数表

图4 静荷载、风荷载、撞击荷载作用曲线图

本文在采用ABAQUS有限元分析软件对开洞薄壁锥筒形钢质灯杆进行研究分析时，对灯杆进行了以下假定：

1）材料均匀性和各向同性假定：灯杆的钢材是均匀的、没有裂纹等缺陷，受力特性各向相同；

2）弹性假定：在研究的过程中，假定钢材均处于弹性阶段，不考虑塑性变形。

表3 各模型孔洞参数

3.2 模型简介

本文采用ABAQUS有限元分析软件建立的三维有限元线弹性模型，Q235钢材的参数见表1。灯杆上孔洞分9孔洞和11孔洞两种，灯杆三维建筑模型、结构模型如图1所示（建筑模型为图1a，结构模型为图1b，灯杆孔洞位置平面图如图2所示。

3.3 模型荷载

模型荷载的作用位置如图3所示，荷载均按可变荷载控制效应的荷载设计值，偶然荷载考虑撞击荷载，荷载值为100kN，考虑偶然荷载以面荷载对灯杆进行作用，位置为距地面1.5m～1.7m区间。各种荷载类型、来源等参数见表2。静荷载、风荷载、撞击荷载作用曲线如图4所示。

图6 静荷载下各孔洞周围的应力情况

图7 静+风荷载下各孔洞周围的应力情况

图5 静荷载、动荷载作用下灯杆的应力及应变形态

3.4 模型划分

根据孔洞的大小、形状等共分为6个模型，各模型的孔洞参数见表3。

需要指出的是各模型中孔洞中心的高度是不变的，变化的只是孔洞的大小、形状，这样能够更好的对比分析相同高度处，当孔洞的大小、形状发生变化时孔洞周围应力集中的变化情况。椭圆形孔洞的长轴平行于灯杆竖轴。显。

图8 静+风+撞击荷载下各孔洞周围的应力情况

图9 各模型开洞处集中应力及灯杆底端应力最大值

4 结构计算结果

关于开洞薄壁锥筒形钢质灯杆受力形态的研究成果较多，在此仅给出灯杆应力形态、灯杆位移形态、开洞处（结构不连续区域）集中应力形态及最大应力集中值。

4.1 应力及应变形态计算结果

使用ABAQUS有限元软对开洞薄壁锥筒形钢质灯灯杆研究分析时，静荷载、风荷载及撞击荷载作用下，不同模型、不同开洞处集中应力及灯杆底端应力最大值见图4～图5所示。

使用ABAQUS有限元软对开洞薄壁锥筒形钢质灯杆研究分析时，静荷载作用下、静荷载和动荷载共同作用下的灯杆应力形态、灯杆位移形态、开洞处（结构不连续区域）集中应力形态如图6～图8所示。

4.2 同种荷载下，开洞处集中应力最大值

通过图9可以得到以下规律：

1)对比同一模型中KD1、KD2、KD3、KD4、KD6可以发现：规格相同的孔洞距离灯杆底端愈近开洞处集中应力愈大，应力集中现象愈明显。

2)对比不同模型KD9的集中应力值可以发现：位置相同、孔洞面积接近时，椭圆形孔洞周围应力集中现象较圆形孔洞显著的减弱；圆形孔洞直径愈小，孔洞周围应力集中现象愈弱。

3)对比KD8、KD10与其他位置相近孔洞可以发现：位置相近时，孔洞位置与动荷载方向垂直时，应力集中现象不明显。假定KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6 、KD7为主方向孔洞，也是动荷载的作用方向，则处于侧面的KD8、KD10应力集中现象变得不明

4)对比模型NO6与其他模型可以发现：在撞击荷载作用下，受影响最大的是灯杆底端的应力，且增大很多，且在撞击位置产生较大的变形。

4.3 动荷载下，开洞处集中应力最大值变化情况

使用ABAQUS有限元软对开洞薄壁锥筒形钢质灯灯杆研究分析时，考虑动荷载作用下，不同开洞处集中应力最大值变化情况如图10～图14所示。

通过图10～图14可以得到以下规律：

1）仅有静荷载作用时，开洞处应力集中现象基本不明显；

2）在静荷载+动荷载共同作用时，开洞处应力集中现象显著；

图10 模型NO1开洞处集中应力最大值变化情况

图11 模型NO2开洞处集中应力最大值变化情况

图12 模型NO3开洞处集中应力最大值变化情况

图13 模型NO4开洞处集中应力最大值变化情况

图14 模型NO5开洞处集中应力最大值变化情况

3）孔洞处受压时应力集中现象较孔洞处受拉时明显。

5 结论

本文采用ABAQUS有限元分析软件对开洞薄壁锥筒形钢质灯杆在静荷载、动荷载下的受力情况进行研究分析，分析结果表明：

1）规格相同的孔洞距离灯杆底端愈近开洞处集中应力愈大，应力集中现象愈明显。开洞薄壁锥筒形钢质灯杆可以看做是悬臂结构，基础为其嵌固端，距离基础愈近，弯矩愈大，导致规格相同孔洞应力集中现象愈加显著。

2）位置相同、孔洞面积接近时，椭圆形孔洞周围应力集中现象较圆形孔洞显著的减弱；圆形孔洞直径愈小，孔洞周围应力集中现象愈弱。总体来说，截面削弱愈大，应力集中现象愈加明显。面积接近时，竖向椭圆形孔洞对灯杆截面的削弱较圆形孔洞小很多，故应力集中现象也会减小。

3）仅有静荷载作用时，开洞处应力集中现象基本不明显；在静荷载+动荷载共同作用时，开洞处应力集中现象显著；在仅有静荷载作用下，开洞薄壁锥筒形钢质灯杆只存在轴向力，基本不存在弯矩，在孔洞处应力集中现象较为不明显。在水平动荷载的作用下，灯杆存在较大的弯矩，导致孔洞处应力集中现象较为明显。

4）孔洞处受压时应力集中现象较孔洞处受拉时明显。在动荷载不存在的情况下，孔洞处是受压的。当动荷载在孔洞处施加拉力时，静荷载产生的压力会削弱动荷载产生的拉力，导致出现的应力集中现象较动荷载在孔洞处施加压力相对不显著，但是消弱的现象相对不太明显。

5）位置相近时，孔洞位置与动荷载方向垂直时，应力集中现象不明显。假定 KD1、KD2、KD3、KD4、KD5、KD6 、KD7为主方向孔洞，也是动荷载的作用方向，则处于侧面的KD8、KD10应力集中现象变得不明显。

6）在撞击荷载作用下，受影响最大的是灯杆底端的应力，且增大很多，且在撞击位置产生较大的变形。