悬臂式电子警察杆体结构整体受力计算与分析

悬臂式电子警察杆体结构整体受力计算与分析

刘志良1

(1. 天津市赛英工程技术咨询有限公司，天津市 300051)

[摘  要]:本文采用有限元分析软件对长悬臂电子警察结构进行整体建模，按实际工作状态添加荷载，详细计算了此类结构的整体变形和受力状态，分析了影响结构受力状态的主要因素，为工程实际设计过程中可能遇到的问题提出了合理化建议。

[关键词]:悬臂结构；有限元；电子警察

【中图分类号】：U448.25 【文献标志码】：C

随着我国城市化进程的不断推进，城市道路交通也随之快速发展。电子警察、信号灯、标志牌等各类道路交通设施作为管理城市道路交通安全和疏导道路交通堵塞的重要设施，在城市交通管理中也发挥着越来越重要的作用。道路交通设施通常设置于道路中分带、侧分带或人行道，作为道路交通安全的一部分，交通设施自身的安全也需要引起足够的重视。

1 计算荷载

作用在交通设施上的荷载主要是结构及设备自重和风荷载。交通设施广泛分布于道路、桥梁及其它构筑物上，在风荷载的取值上不同的规范、规定有所区别。当前有效的与风荷载相关的主要规范、规定、图集有《工程结构通用规范》（GB55001-2021）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）、《公路交通标志和标线设置手册》（JTG D82-2009）、《城市道路交通设施设计规范》（GB 50688-2011）、《城市道路交通标志和标线》图集（22MR601）、《公路桥涵设计通用规范 》（JTG D60-2015）、《公路桥梁抗风设计规范 》（JTG/T 3360-01-2018）等。

进行交通设施结构设计时，应根据项目的类型和交通设施的具体位置采取不同的规范进行设计。本文主要针对市政道路上的交通设施进行分析，主要依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）进行设计计算。基本风压取0.50kpa，风压高度变化系数为0.65，圆管体型系数0.8。为简化计算，风振系数按1.8考虑[1-2]。

2 分析方法

悬臂式交通设施的结构计算主要包括立柱及横梁等钢构件的强度及结构整体变形计算。随着城市交通的发展，市政道路单向车道数量越来越多，需要的交通设施悬臂长度越来越长。由于道路净空的限制，无法对长悬臂横梁进行支撑，使得结构自身应力及变形明显增大，特别是遇大风等恶劣天气，横梁的变形及振动幅度变得十分明显，准确模拟结构的整体受力状态十分必要。

横梁与立柱及多段横梁之间通常采用法兰连接，准备模拟法兰的受力状态对结构整体计算结果影响较大。对于长悬臂结构，为保证法兰间紧密贴合，悬臂结构法兰一般采用高强螺栓，并按规范要求施加预紧力。

螺栓与法兰及一对法兰之间是接触问题。接触分析常用的是有限元法和理论解析法。 理论解析法对于结构进行了一定的简化，对于许多的非线性因素选择了忽略，而法兰盘在工作状态下，螺栓与被紧固零件共同承受交变载荷，尤其是在高压工作状态下的螺栓，同时承受预紧力、压力、扭矩和弯矩的共同作用。因此，在对采用螺栓连接的法兰盘进行设计之初，采用合理的方法进行准确的分析计算，这对于结构的安全运行具有重要的意义。

3 计算实例

本文以横梁悬臂长度16m电子警察杆体为例，对杆体结构整体进行有限元分析。

        图1 电子警察结构

3.1 计算模型

本文采用通用有限元分析软件进行计算，为模拟杆体结构的实际受力状态，有限元模型采用三维实体单元进行建模，立柱、横梁及法兰和螺栓均采用三维实体单元，立柱和横梁端部封板采用二维板单元，立柱底部各节点采用铰接约束，忽略立柱底法兰及基础的影响。有限元模型如下图所示，节点数45117，单元数149810。

图2 结构有限元整体模型              图3 横梁根部法兰模型

图4 横梁根部法兰有限元模型            图5 横梁中间法兰有限元模型

法兰之间及螺栓垫片与法兰之间均为面-面接触问题，属于典型的非线性接触问题，垫片和上下法兰之间的接触以及法兰盘之间的接触采用面-面接触单元进行模拟，接触摩擦因数设为0.30。在此基础之上建立接触面，然后在接触面上施加目标单元以及接触单元使非线性迭代收敛[3]。

摩擦型高强度螺栓的预紧力采用预紧单元考虑，一般是在螺杆划分单元的基础之上对其施加预紧单元，用该单元模拟螺栓预紧力效果，建模时对横梁根部法兰螺栓和横梁中间法兰螺栓均施加了预紧力，根据设计要求，根部螺栓预紧力为15kN，中间螺栓预紧力为12kN。

3.2 计算结果

经计算，结构的变形计算结果如下，最大变形量出现在横梁端部位置，约420mm，横梁长度为16m，挠度与长度比为1/38，根据《钢结构设计标准》GB50017-2017及《城市道路交通设施设计规范》（GB 50688-2011）相关要求，挠度容许值不宜大于1/90。因此横梁的变形量较大，超过了规范控制值。实际设计时应尽量控制横梁长度，对于特殊情况，可以通过设置横梁预拱度、增加横梁刚度及合理布置横梁上设备等方法尽量减小横梁端部变形

[4-5]。

图6 电子警察结构变形计算结果 mm

结构最大应力出现在横梁根部法兰位置，最大应力为236MPa，钢构件选用钢材均为Q345，抗弯强度设计值305MPa，满足强度设计要求。

图7 横梁根部法兰等效应力计算结果 MPa

图8 横梁中间法兰等效应力计算结果 MPa

4 结束语

本文的计算表明长悬臂的电子警察结构横梁变形及应力均较大，设计时应同时满足刚度和强度要求。长悬臂横梁自身刚度较小，在自重及风荷载作用下变形较大，且在风速较大时会产生较大幅度的振动，影响行车舒适度。因此，交通设施设计时应尽量缩短横梁长度，在不能避免采取长悬臂结构时，应采取措施增大结构刚度，或者在具备条件时改用门架结构以降低横梁变形。结构变形计算时忽略了立柱底法兰及基础的影响，实际项目设计时应根据具体情况进行考虑。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范 GB50009-2012，中国建筑工业出版社，2012

[2]公路交通标志和标线设置手册JTG D82-2009，人民交通出版社，2009

[3]张保，法兰连接中的接触分析[J].现代制造技术与装备，2015.04.041(84-85).

[4]钢结构设计标准 GB50017-2017，中国建筑工业出版社，2017

[5]姚谏 建筑结构静力计算实用手册（第二版），中国建筑工业出版社，2014

作者简介: 刘志良(1981-), 男, 河北唐县, 硕士, 高级工程师, 从事市政工程研究与设计