引言
高桿照明的插接結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，比如30m高的桿體，通常采用3節(jié)11.5m左右的桿段套接而成，而底節(jié)上的底板，國(guó)外常規(guī)做法是在法蘭盤的中央開設(shè)尺寸不大的流鋅孔，不帶加勁板，這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且其抗疲勞壽命更容易保證。
對(duì)于出口的項(xiàng)目，集裝箱運(yùn)輸成本占總成本比重很大。如果能夠?qū)⒍喙?jié)桿段嵌套成一節(jié)進(jìn)行裝箱，可以大大降低運(yùn)輸成本，但是法蘭盤內(nèi)孔太小給套接帶來困難，需要放大內(nèi)孔來滿足嵌套，但是放大法蘭內(nèi)孔會(huì)削弱法蘭的強(qiáng)度，而且目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范中均沒有針對(duì)底板內(nèi)孔大小的計(jì)算方法。
本文運(yùn)用Solidworks 3維建模，利用Solidworks自帶的Simulation有限元分析模塊進(jìn)行分析，針對(duì)不同法蘭內(nèi)孔和不同法蘭厚度進(jìn)行計(jì)算，試圖找出兩者之間的相互關(guān)系。
一、單桿模型
（一）工程背景
本文以某城市高桿照明工程為背景，結(jié)構(gòu)由3節(jié)桿段套接而成，底節(jié)桿與法蘭盤焊接，并通過法蘭盤安裝到地腳螺栓上。桿高30m，桿底直徑為φ1100mm，壁厚為8mm，材料為美標(biāo)ASTM Gr65，屈服強(qiáng)度450MPa（高桿照明結(jié)構(gòu)見圖1），法蘭盤厚度50mm，材料為美標(biāo)ASTM Gr50屈服強(qiáng)度345MPa，36根M33地腳螺栓，材料為Q460C（基礎(chǔ)細(xì)節(jié)圖及桿段尺寸表見圖2）。
（二）有限元模型
在有限元模型中，地腳螺栓露出地面190mm，法蘭盤放置在地腳螺栓的調(diào)平螺母上，法蘭底面距離地面75mm，法蘭厚度50mm。桿體選取法蘭向上10m的桿段參與計(jì)算，將桿體和頂部燈盤的載荷轉(zhuǎn)換到桿段10m的位置。
二、模型計(jì)算
在Solidworks軟件中，選擇靜應(yīng)力分析模塊，法蘭和桿體之間采取焊接，法蘭盤放置在地腳螺栓的調(diào)平螺母上固定，法蘭底面距離地面75mm。采用實(shí)體單元，設(shè)置網(wǎng)格大小為80mm，桿高10m處的載荷等效為Fx=68670N，F(xiàn)y=91715N,Mx=799560N.m。有限元模型，網(wǎng)格劃分，法蘭盤應(yīng)力云圖如圖3所示。
（一）不同法蘭盤內(nèi)孔下的應(yīng)力
此桿體底部直徑對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法蘭內(nèi)孔為φ610mm，底節(jié)直徑為φ1100mm，中間節(jié)底徑為φ870mm，為了能夠讓中間節(jié)嵌套進(jìn)底節(jié)中，必須擴(kuò)大法蘭盤的內(nèi)孔到φ1000mm。如圖4，法蘭盤厚度為50mm，建立不同法蘭內(nèi)孔孔徑的模型，然后添加載荷，劃分網(wǎng)格計(jì)算法蘭盤上的應(yīng)力。從圖5可以看出，當(dāng)法蘭盤厚度一定時(shí)，法蘭盤內(nèi)孔增大，法蘭盤剛度變?nèi)?，?yīng)力增加。從表中可以看出，當(dāng)法蘭盤內(nèi)孔從φ610mm增大到φ1000mm時(shí)，法蘭盤應(yīng)力從231MPa增加到287MPa，法蘭盤內(nèi)孔尺寸增加了64%，應(yīng)力增加了24.2%（法蘭盤厚度70mm時(shí)，應(yīng)力增加32.4%）。
（二）不同法蘭盤厚度下的應(yīng)力
據(jù)上所述，隨著法蘭盤內(nèi)孔增大，應(yīng)力增加，因此需要增加法蘭盤的厚度來增加其強(qiáng)度及剛度，從而降低法蘭盤應(yīng)力。如圖6，建立法蘭盤內(nèi)孔徑為φ1000mm，不同法蘭盤厚度的模型，然后添加載荷，劃分網(wǎng)格計(jì)算法蘭盤上的應(yīng)力。從圖7可以看出，當(dāng)法蘭盤內(nèi)孔一定時(shí)，厚度增加，剛度也增加，法蘭盤應(yīng)力減少。當(dāng)法蘭盤厚度從50mm增加到70mm時(shí)，應(yīng)力從287MPa減少到225MPa，法蘭盤厚度增加了40%，則應(yīng)力減少27.6%（法蘭盤內(nèi)孔為800mm時(shí)，則應(yīng)力減少23.4%）。
圖6 不同法蘭盤厚度計(jì)算模型
圖7 不同法蘭盤厚度下底板應(yīng)力
三、結(jié)論
通過對(duì)多個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析，法蘭盤應(yīng)力的增減與法蘭盤內(nèi)孔和法蘭厚度成線性關(guān)系，而且法蘭盤內(nèi)孔增大對(duì)法蘭的應(yīng)力的影響要小于厚度增加對(duì)法蘭盤應(yīng)力的影響。對(duì)于桿段需要嵌套的項(xiàng)目，在增大法蘭盤內(nèi)孔的同時(shí)，需要增加法蘭的厚度，法蘭盤厚度增加的幅度小于內(nèi)孔增加幅動(dòng)的10%-20%，具體厚度需要考慮標(biāo)準(zhǔn)板的厚度。
參考文獻(xiàn)
[1] Eurocode 3: Design of steel structures-Part 1-9: Fatigue, BS EN 2002:23-25
[2] Standard Specification for Structural Supports for Highway Signs, Luminaires and Traffic Signals, Section 11: Fatigue Design, AASHTO 2001:14-22
[3] DS SolidWorks公司 著，陳超祥，胡其登, SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程,2014
高桿照明的插接結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，比如30m高的桿體，通常采用3節(jié)11.5m左右的桿段套接而成，而底節(jié)上的底板，國(guó)外常規(guī)做法是在法蘭盤的中央開設(shè)尺寸不大的流鋅孔，不帶加勁板，這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且其抗疲勞壽命更容易保證。
對(duì)于出口的項(xiàng)目，集裝箱運(yùn)輸成本占總成本比重很大。如果能夠?qū)⒍喙?jié)桿段嵌套成一節(jié)進(jìn)行裝箱，可以大大降低運(yùn)輸成本，但是法蘭盤內(nèi)孔太小給套接帶來困難，需要放大內(nèi)孔來滿足嵌套，但是放大法蘭內(nèi)孔會(huì)削弱法蘭的強(qiáng)度，而且目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范中均沒有針對(duì)底板內(nèi)孔大小的計(jì)算方法。
本文運(yùn)用Solidworks 3維建模，利用Solidworks自帶的Simulation有限元分析模塊進(jìn)行分析，針對(duì)不同法蘭內(nèi)孔和不同法蘭厚度進(jìn)行計(jì)算，試圖找出兩者之間的相互關(guān)系。
一、單桿模型
（一）工程背景
本文以某城市高桿照明工程為背景，結(jié)構(gòu)由3節(jié)桿段套接而成，底節(jié)桿與法蘭盤焊接，并通過法蘭盤安裝到地腳螺栓上。桿高30m，桿底直徑為φ1100mm，壁厚為8mm，材料為美標(biāo)ASTM Gr65，屈服強(qiáng)度450MPa（高桿照明結(jié)構(gòu)見圖1），法蘭盤厚度50mm，材料為美標(biāo)ASTM Gr50屈服強(qiáng)度345MPa，36根M33地腳螺栓，材料為Q460C（基礎(chǔ)細(xì)節(jié)圖及桿段尺寸表見圖2）。
（二）有限元模型
在有限元模型中，地腳螺栓露出地面190mm，法蘭盤放置在地腳螺栓的調(diào)平螺母上，法蘭底面距離地面75mm，法蘭厚度50mm。桿體選取法蘭向上10m的桿段參與計(jì)算，將桿體和頂部燈盤的載荷轉(zhuǎn)換到桿段10m的位置。
二、模型計(jì)算
在Solidworks軟件中，選擇靜應(yīng)力分析模塊，法蘭和桿體之間采取焊接，法蘭盤放置在地腳螺栓的調(diào)平螺母上固定，法蘭底面距離地面75mm。采用實(shí)體單元，設(shè)置網(wǎng)格大小為80mm，桿高10m處的載荷等效為Fx=68670N，F(xiàn)y=91715N,Mx=799560N.m。有限元模型，網(wǎng)格劃分，法蘭盤應(yīng)力云圖如圖3所示。
（一）不同法蘭盤內(nèi)孔下的應(yīng)力
此桿體底部直徑對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法蘭內(nèi)孔為φ610mm，底節(jié)直徑為φ1100mm，中間節(jié)底徑為φ870mm，為了能夠讓中間節(jié)嵌套進(jìn)底節(jié)中，必須擴(kuò)大法蘭盤的內(nèi)孔到φ1000mm。如圖4，法蘭盤厚度為50mm，建立不同法蘭內(nèi)孔孔徑的模型，然后添加載荷，劃分網(wǎng)格計(jì)算法蘭盤上的應(yīng)力。從圖5可以看出，當(dāng)法蘭盤厚度一定時(shí)，法蘭盤內(nèi)孔增大，法蘭盤剛度變?nèi)?，?yīng)力增加。從表中可以看出，當(dāng)法蘭盤內(nèi)孔從φ610mm增大到φ1000mm時(shí)，法蘭盤應(yīng)力從231MPa增加到287MPa，法蘭盤內(nèi)孔尺寸增加了64%，應(yīng)力增加了24.2%（法蘭盤厚度70mm時(shí)，應(yīng)力增加32.4%）。
（二）不同法蘭盤厚度下的應(yīng)力
據(jù)上所述，隨著法蘭盤內(nèi)孔增大，應(yīng)力增加，因此需要增加法蘭盤的厚度來增加其強(qiáng)度及剛度，從而降低法蘭盤應(yīng)力。如圖6，建立法蘭盤內(nèi)孔徑為φ1000mm，不同法蘭盤厚度的模型，然后添加載荷，劃分網(wǎng)格計(jì)算法蘭盤上的應(yīng)力。從圖7可以看出，當(dāng)法蘭盤內(nèi)孔一定時(shí)，厚度增加，剛度也增加，法蘭盤應(yīng)力減少。當(dāng)法蘭盤厚度從50mm增加到70mm時(shí)，應(yīng)力從287MPa減少到225MPa，法蘭盤厚度增加了40%，則應(yīng)力減少27.6%（法蘭盤內(nèi)孔為800mm時(shí)，則應(yīng)力減少23.4%）。
圖6 不同法蘭盤厚度計(jì)算模型
圖7 不同法蘭盤厚度下底板應(yīng)力
三、結(jié)論
通過對(duì)多個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析，法蘭盤應(yīng)力的增減與法蘭盤內(nèi)孔和法蘭厚度成線性關(guān)系，而且法蘭盤內(nèi)孔增大對(duì)法蘭的應(yīng)力的影響要小于厚度增加對(duì)法蘭盤應(yīng)力的影響。對(duì)于桿段需要嵌套的項(xiàng)目，在增大法蘭盤內(nèi)孔的同時(shí)，需要增加法蘭的厚度，法蘭盤厚度增加的幅度小于內(nèi)孔增加幅動(dòng)的10%-20%，具體厚度需要考慮標(biāo)準(zhǔn)板的厚度。
參考文獻(xiàn)
[1] Eurocode 3: Design of steel structures-Part 1-9: Fatigue, BS EN 2002:23-25
[2] Standard Specification for Structural Supports for Highway Signs, Luminaires and Traffic Signals, Section 11: Fatigue Design, AASHTO 2001:14-22
[3] DS SolidWorks公司 著，陳超祥，胡其登, SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程,2014
