CN112651146B - 一种路灯或信号灯杆结构计算和校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，包括建立灯杆三维CAD模型和有限元模型；判断载荷是否可对应边界条件，在有限元模型上设定边界条件；利用有限元求解器进行计算；判断计算数据是否对应相关标准用的指标；生成计算报告。本发明的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法能够将灯杆上的细节部分充分考虑进去并进行建模和计算，更精确的计算出灯杆上各个部分的结构受力情况，使得设计结果更加的准确，更能满足实际应用情况。
Description
技术领域
本发明属于信号灯杆设计技术领域，具体涉及一种路灯或信号灯杆结构计算和校核方法。
背景技术
行业内现阶段主要使用在建筑行业或土木工程领域的专用软件进行计算和校核。
路灯/信号灯杆结构比较简单，路灯/信号灯杆上的结构失效主要出现在局部细节区域，这点有别于建筑物和土木工程。建筑/土木用的软件通常会将结构进行大量简化，会把对于路灯/信号灯杆上的重要的细节忽略掉(比如加强筋、开孔、螺栓等)。
发明内容
本发明解决的技术问题：现有的了灯或者信号灯杆设计中会将重要的细节忽略，导致计算结果不准确。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，包括以下步骤：
S1：建立灯杆三维CAD模型，并根据三维CAD模型建立灯杆有限元模型；
S2：判断相关标准中的载荷是否可对应边界条件，如果对应，执行步骤S3，如果不对应，则等效处理为可加载的边界条件后再执行步骤S3；
S3：在有限元模型上设定边界条件；
S4：利用有限元求解器进行计算；
S5：判断计算数据是否对应相关标准用的指标，如果对应则执行步骤S6，如果不对应则等效处理为相关标准用的指标数据，再执行步骤S6；
S6：生成计算报告。
作为优选，采用creo建立三维CAD模型，采用前处理软件进行网格划分、设置边界条件和设置求解参数。
作为优选，步骤S3和步骤S4中进行灯杆的优化设计，优化设计的步骤包括：
S341：将有限元模型进行参数化设置；
S342：DOE设定；
S343：采用DOE软件调用有限元求解器进行分析计算子流程；
S344：在DOE结果中得到最优方案。
作为优选，所述载荷包括永久载荷和可变载荷，所述永久载荷包括灯杆自重载荷和恒载荷，所述可变载荷包括风荷载、雪荷载、施工和检修荷载、以及裹冰荷载。
作为优选，判断载荷时，按照承载能力极限状态进行计算校核，所采用荷载效应的基本组合表达式为：
式中：γ0——结构重要性系数，取1.0；
γG——永久荷载的分项系数，取1.3；
SGK——永久载荷标准值的效应；
γQi——第i个可变荷载的分项系数，取1.5；
SQik——第i个可变荷载标准值的效应；
ψCi——可变荷载Qi的组合值系数；
n——参与组合的可变荷载数；
R——结构或构件抗力的设计值。
作为优选，垂直作用在灯杆高耸结构表面单位计算面积上的风荷载标准值计算公式为：
ωk＝βzμsμzωo
式中：ωk——作用在高耸结构Z高度处单位投影面积上的风荷载标准值；
μz——z高度处的风压高度变化系数，取1.0；
μs——风荷载体型系数，取1.2；
βz——z高度处的风振系数，取1.0；
ωo——基本风压，取0.45kN/m2，参考图8。
裹冰荷载值计算公式：
qa＝0.6bα2γ10-3
式中：qa——单位长度上的裹冰荷载，单位为kN/m2；
b——基本裹冰厚度，单位为mm，取10；
α2——裹冰厚度的高度递增系数，取1.0；
γ——裹冰重度，取9kN/m3；
灯杆的雪荷载值计算公式为：
Sk＝μrS0
式中：Sk——水平投影面上的雪荷载标准值，单位为kN/m2；
μr——积雪分布系数；
S0——基本雪压，取0.40kN/m2；
施工和检修荷载值计算方法：
施工或检修集中荷载标准值不应小于1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。
作为优选，当计算结果中螺栓附近应力较小时，螺栓用刚性连接进行替换，当计算结果中螺栓附近应力较大时，该螺栓需要用实体进行建模和设定边界条件；灯杆部件之间的焊接区域进行节点合并，当计算结果中该区域应力较大时，将焊缝进行实体建模后进行复核。
作为优选，有限元模型建模时，灯杆关键区域单元特征尺寸不大于20mm；部件上特征尺寸30mm以上的开孔，需要在有限元模型上进行建模；横臂和立杆之间以及立杆底座和地基之间的关键装配面需要在有限元模型上建立接触面。
作为优选，有限元模型建模时，灯杆的附属设备的重量等效为集中力，同时考虑面荷载的准确性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法能够将灯杆上的细节部分充分考虑进去并进行建模和计算，更精确的计算出灯杆上各个部分的结构受力情况，使得设计结果更加的准确，更能满足实际应用情况。
附图说明
图1是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法的计算分析流程图：
图2是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法的优化设计流程图：
图3是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法实施例的八角电警杆有限元模型；
图4是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法实施例的八角电警杆有限元模型局部图一；
图5是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法实施例的八角电警杆有限元模型局部图二；
图6是路灯或信号灯杆结构计算和校核方法实施例的八角电警杆有限元模型局部图三；
图7本发明是风荷载作用方向；
图8本发明北京市50年一遇雪压和风压数据。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本实施例的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，包括以下步骤：
S1：建立灯杆三维CAD模型，并根据三维CAD模型建立灯杆有限元模型；
采用creo建立三维CAD模型，采用hypermesh建立灯杆有限元模型并进行网格划分和边界条件设置。
S2：判断相关标准中的载荷是否可对应边界条件，如果对应，执行步骤S3，如果不对应，则等效处理为可加载的边界条件后再执行步骤S3；相关标准可以为国标或者企标中的载荷标准，例如GB50010-2010(2015版)混凝土结构设计规范，GB50068-2018建筑结构可靠性设计统一标准，GB50135-2006高耸结构设计规范，根据需要进行选择。
载荷包括永久载荷和可变载荷，永久载荷包括灯杆自重载荷和恒载荷，可变载荷包括风荷载、雪荷载、施工和检修荷载、以及裹冰荷载。
判断载荷时，按照承载能力极限状态进行计算校核，所采用荷载效应的基本组合表达式为：
式中：γ0——结构重要性系数，取1.0；
γG——永久荷载的分项系数，取1.3，
SGK——永久载荷标准值的效应；
γQi——第i个可变荷载的分项系数，取1.5，
SQik——第i个可变荷载标准值的效应；
ψCi——可变荷载Qi的组合值系数，
n——参与组合的可变荷载数；
R——结构或构件抗力的设计值；
垂直作用在灯杆高耸结构表面单位计算面积上的风荷载标准值计算公式为：
ωk＝βzμsμzωo
式中：ωk——作用在高耸结构Z高度处单位投影面积上的风荷载标准值；
μz——z高度处的风压高度变化系数，取1.0；
μs——风荷载体型系数，取1.2；
βz——z高度处的风振系数，取1.0；
ωo——基本风压，取0.45kN/m2，参考图8,。
裹冰荷载值计算公式：
qa＝0.6bα2γ10-3
式中：qa——单位长度上的裹冰荷载，单位为kN/m2；
b——基本裹冰厚度，单位为mm，取10；
α2——裹冰厚度的高度递增系数，取1.0；
γ——裹冰重度，取9kN/m3；
灯杆的雪荷载值计算公式为：
Sk＝μrS0
式中：Sk——水平投影面上的雪荷载标准值，单位为kN/m2；
μr——积雪分布系数；
S0——基本雪压，取0.40kN/m2，参考图8。
施工和检修荷载值计算方法：
施工或检修集中荷载标准值不应小于1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。国标的要求，最不利位置主要由人工预判，通常是在横臂最远端。S3：在有限元模型上设定边界条件；
S4：利用有限元求解器进行计算；求解器采用是optistruct，也可以用abaqus或ansys，查看计算结果采用hyperview。
S5：判断计算数据是否对应相关标准用的指标，如果对应则执行步骤S6，如果不对应则等效处理为相关标准用的指标数据，再执行步骤S6；该步骤的相关标准与步骤S2中的相关标准相同。
S6：生成计算报告。
步骤S3和步骤S4中进行灯杆的优化设计，优化设计的步骤包括：
S341：将有限元模型进行参数化设置；
S342：DOE设定；
S343：采用DOE软件调用有限元求解器进行分析计算子流程；
S344：在DOE结果中得到最优方案。
优化设计时，采用hyperstudy，将各个板厚和杆的截面尺寸设定为变量，用hyperstudy进行doe分析得到最优变量组合，得到最优的设计结果。
本实施例路灯或者信号灯杆的计算模型处理遵循以下规则：
通常在求解器计算后需要对计算结果进行判断，校核结果中有没有需要调整的地方，如果有需要对有限元模型进行修改后再计算。当计算结果中螺栓附近应力较小时，螺栓用刚性连接进行替换，当计算结果中螺栓附近应力较大时，该螺栓需要用实体进行建模和设定边界条件；灯杆部件之间的焊接区域进行节点合并，当计算结果中该区域应力较大时，将焊缝进行实体建模后进行复核。应力值通常以标准中的应力值为参考值，超过标准值，一般定义为应力较大，低于标准值，一般定义为应力较小。
有限元模型建模时，灯杆关键区域单元特征尺寸不大于20mm；灯杆关键区域包括焊缝，各部件连接处，可能的应力集中处，及其他人工预判的区域。
部件上特征尺寸30mm以上的开孔，需要在有限元模型上进行建模；横臂和立杆之间以及立杆底座和地基之间的关键装配面需要在有限元模型上建立接触面。
有限元模型建模时，灯杆的附属设备的重量等效为集中力，同时考虑面荷载的准确性。相比简化为集中力，面荷载更和实际相符，面载荷的大小为重量除以接触面积。灯杆的附属设备包括灯具、指示牌等。
采用本发明的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法建立的八角电警杆的有限元模型如图3所示，该模型共计节点430957个，包含单元424518个。
1、八角电警杆的有限元模型中所用主要材料参数如下。
普通碳素结构钢Q235：弹性模量：210GPa，泊松比：0.3，密度7.83e-9ton/mm3；
地基混凝土：标号C30，弹性模量30GPa，泊松比0.2，密度2.38e-9ton/mm3。
2、在模型上的边界条件与荷载：
(1)电警杆立柱与横臂使用刚性连接来等效装配螺栓，同时在装配面上使用接触。
(2)在混凝土地基外围上施加位移约束；
(3)施加风荷载：在风荷载作用下，考虑如图6所示两种水平作用方向，基本风压按0.45kN/m2计算；
工况1、工况3风荷载：在侧面一侧的迎风面上，施加压强；
工况2、工况4风荷载：在正面一侧的迎风面上，施加压强。
(4)在灯杆上施加雪荷载、裹冰荷载、及施工和检修荷载，雪载荷取0.40kN/m2；裹冰荷载取0.054kN/m2，施工和检修荷载取1kN，位于横臂最远端。
(5)永久载荷：
电警杆自重荷载按密度和体积进行计算；
恒荷载：在垂直方向添加重力加速度。灯杆上安装设备的重量，按照实际重量计算。
3、利用求解器进行计算工况，本实施例采用Optistruct求解器，八角电警杆的计算结果如下
水平位移限值校核见表1。
表1位移限值校核
| 工况 | 荷载效应 | 设计值 | 结果 |
| 1 | 81.97/10000 | 1/75 | 满足 |
| 2 | 61.49/10000 | 1/75 | 满足 |
| 3 | 67.53/10000 | 1/75 | 满足 |
| 4 | 59.00/10000 | 1/75 | 满足 |
钢材抗压强度校核见表2。
表2钢材抗拉强度校核
钢材抗拉强度校核见表3。
表3钢材抗压强度校核
| 工况 | 荷载效应最大值MPa | 设计值MPa | 结果 |
| 1 | 127.33 | 215 | 满足 |
| 2 | 114.67 | 215 | 满足 |
| 3 | 128.98 | 215 | 满足 |
| 4 | 121.39 | 215 | 满足 |
钢材抗剪强度校核见表4。
表4钢材抗剪强度校核
| 工况 | 荷载效应最大值MPa | 设计值MPa | 结果 |
| 1 | 68.58 | 125 | 满足 |
| 2 | 64.13 | 125 | 满足 |
| 3 | 70.02 | 125 | 满足 |
| 4 | 67.89 | 125 | 满足 |
地基混凝土抗压强度校核见表5。
表5地基混凝土抗压强度校核
| 工况 | 荷载效应最大值MPa | 设计值MPa | 结果 |
| 1 | 2.88 | 14.3 | 满足 |
| 2 | 2.33 | 14.3 | 满足 |
| 3 | 2.23 | 14.3 | 满足 |
| 4 | 2.09 | 14.3 | 满足 |
地基混凝土核心区域抗拉强度校核见表6。
表6地基混凝土抗拉强度校核
综上，本实施例的电警杆有以下结论：
1)位移限值满足规范要求
2)电警杆结构满足规范要求
3)地基核心区域满足规范要求
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立灯杆三维CAD模型，并根据三维CAD模型建立灯杆有限元模型；
S2：判断相关标准中的载荷是否可对应边界条件，如果对应，执行步骤S3，如果不对应，则等效处理为可加载的边界条件后再执行步骤S3；
其中，判断载荷时，按照承载能力极限状态进行计算校核，所采用荷载效应的基本组合表达式为：
式中：γ0——结构重要性系数；
γG——永久荷载的分项系数；
SGK——永久载荷标准值的效应；
——第i个可变荷载的分项系数；
——第i个可变荷载标准值的效应；
——可变荷载Qi的组合值系数；
n——参与组合的可变荷载数；
R——结构或构件抗力的设计值；
S3：在有限元模型上设定边界条件；
S4：利用有限元求解器进行计算；
S5：判断计算数据是否对应相关标准用的指标，如果对应则执行步骤S6，如果不对应则等效处理为相关标准用的指标数据，再执行步骤S6；
S6：生成计算报告；
其中，步骤S3和步骤S4中进行灯杆的优化设计，优化设计的步骤包括：
S341：将有限元模型进行参数化设置；
S342：DOE设定；
S343：采用DOE软件调用有限元求解器进行分析计算子流程；
S344：在DOE结果中得到最优方案。
2.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：采用前处理软件进行网格划分、设置边界条件和设置求解参数。
3.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：所述载荷包括永久载荷和可变载荷，所述永久载荷包括灯杆自重载荷和恒载荷，所述可变载荷包括风荷载、雪荷载、施工和检修荷载、以及裹冰荷载。
4.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：垂直作用在灯杆高耸结构表面单位计算面积上的风荷载标准值计算公式为：
ωk＝βzμsμzωo
式中：ωk——作用在高耸结构Z高度处单位投影面积上的风荷载标准值；
μz——z高度处的风压高度变化系数；
μs——风荷载体型系数；
βz——z高度处的风振系数；
ωo——基本风压，单位为kN/m2；
裹冰荷载值计算公式：
qa＝0.6bα2γ10-3
式中：qa——单位长度上的裹冰荷载，单位为kN/m2；
b——基本裹冰厚度，单位为mm；
α2——裹冰厚度的高度递增系数；
γ——裹冰重度，单位为kN/m3；
灯杆的雪荷载值计算公式为：
Sk＝μrS0
式中：Sk——水平投影面上的雪荷载标准值，单位为kN/m2；
μr——积雪分布系数；
S0——基本雪压，单位为kN/m2；
施工和检修荷载值计算方法：
施工或检修集中荷载值不小于1.0kN，并在最不利位置处进行验算。
5.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：当计算结果中螺栓附近应力较小时，螺栓用刚性连接进行替换，当计算结果中螺栓附近应力较大时，该螺栓需要用实体进行建模和设定边界条件；灯杆部件之间的焊接区域进行节点合并，当计算结果中该区域应力较大时，将焊缝进行实体建模后进行复核。
6.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：有限元模型建模时，灯杆关键区域单元特征尺寸不大于20mm；部件上特征尺寸30mm以上的开孔，需要在有限元模型上进行建模；横臂和立杆之间以及立杆底座和地基之间的关键装配面需要在有限元模型上建立接触面。
7.根据权利要求1所述的路灯或信号灯杆结构计算和校核方法，其特征在于：有限元模型建模时，灯杆的附属设备的重量等效为集中力，同时考虑面荷载的准确性。
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| PB01 | Publication | ||
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