隧道内接触网下锚吊柱有限元分析.doc

隧道内接触网下锚吊柱有限元分析遥勘测与晤隧道内接触网下锚吊柱有限元分析蒋锡健(中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处武汉430063)【摘要】对隧道内下锚吊柱进行受力分析,并根据吊柱锚栓的布置方案校核锚栓强度.对下锚吊柱进行强度校核,分别选取梁单元和实体单元对下锚吊柱进行了强度分析和刚度分析.【关键词】隧道下锚吊柱ANSYS有限元1引言对于隧道内接触网吊柱来说,由于其特殊的运营环境,如光线昏暗,空间受限等,给巡检带来诸多不便,容易产生漏检,误检,且检修不方便,故隧道内吊柱工作的安全可靠性显得犹为重要.在隧道内,下锚吊柱由于受力大,且三方向受力,在设计过程中,该吊柱的设计及对应锚栓的布置受到了更多的关注.有限元法能针对接触网的实际结构边界条件进行定量的分析计算,为设计提供丰富的,反映实际工况的计算结果,并可配有丰富的动态图形显示功能.在对接触网吊柱的设计计算及应力分析中,可以充分利用到有限元法的优越性.有限元分析软件很多,如MSC/Nastran,Ansys,Abaqus,Adina和Algor等.本文选用ansys软件.ANSYS计算分析过程主要分三部分完成,即建立模型,加载求解及结果评价.2援2.1接艇_墨铁道勘计算根据接触网设计条件,分析计算接触网受风力,之字力,张力,垂直荷载等,接触网下锚吊柱受力计算结果如表l,荷载示意图如图l.表l下锚吊柱受力表接触网荷载计算结果(N)主受力方向水平力l垂直主受力方向水平力I垂直力l8000l6000YANDDESIGN2008(4)YKNN=1OKN图1接触网吊柱计算荷载示意图隧道内接触网下锚吊柱有限元分析蒋锡健求得:Y方向弯矩:My=180.6=10.8KN.Mx方向弯矩:Mx一60.63.6KN.2.2下锚吊柱锚栓荷载计算为分散对隧道衬砌的荷载需求,下锚吊柱采用8个M16高强钢锚栓固定.锚栓在主受力方向间距300mm,两排,每排4个,排间距300mm.锚栓布置如图2.Y方向3fl0毋124争星r7lJ,J了u方向图2锚栓布置图等c聊,Xi为螺栓中心距中心Y轴和中心X轴的距离,i为锚栓编号),计算各锚栓受轴向拉力如表2所示.表2各锚栓受拉力N1=9.65KNN5:3.65KNN2:6.O5KNN6:0.O3KNN3=2.45KNN7:.3.55KNN4:.1.15KNN8:.7.15KN可知1#,2#,3#,5,6#锚栓受拉,4#,7#,8#锚栓受力为负值,说明该锚栓连接处底板受压.r各锚栓所受剪力:N=+丁,./z=2.4KN.Y,选用8.8级高强度锚栓,由钢结构设计手册知,其螺栓连接的抗拉强度设计值,为400MPa,抗剪强度设计值,为250MPa.M16螺栓对应的有效直径de=14.12ram,有效面积Ae=157mm.M16螺栓抗拉承载力设计值为:一A,一15710-340010662.8KNM16螺栓抗剪承载力设计值为:b=Ax,=157x10一x250x10=39.25KN由上分析知:1#锚栓承受最大拉力为:9.65<62.8KN承受剪力:2.4<39.25KN同时抗拉,抗剪的校验:=0.171锚栓同时承受拉和受剪时满足钢结构规范要求.因此,螺栓强度满足设计要求.3下锚吊柱的有限元分析3.1吊柱强度计算下锚吊柱采用圆形冷弯空心型钢,选取外径为165mm,厚为6mm的圆形截面,其截面面积A=29.97cm,抗弯截面系数w=114.97cm.对吊柱产生的拉应力为:NMxMy0-=一+_=138.4MPa<215MPaAWx.一对吊柱产生的剪应力为:,c:6.6口<215MPa,亡=一=一=nn,1)I上,aA2997剪拉构件折算应力:6+=4138.4+3木6.6=139MPa<215MPa因此,吊柱强度满足设计要求.3.2吊柱的有限元分析3.2.1选用梁单元进行分析为了快速验证所设计吊柱是否满足强度要求和刚度要求,选用梁单元进行分析是一种最有效的方式.由于BEAM189适合于细长的stubby/thick的梁结构,是二次(3一节点)3一D梁元素,能够很好的适用于线性,大转角,和非线性大应变的情况.因此首先选用该单元进行强度分析和冈应力分析应力分析结果如图3所示.铁道勘测与设计RAILWYSURVEYANDDESIGN发分析.,nnRr4,-_l阳蘑勘测与丽图3应力分析结果由分析结果知其最大应力发生在根部位置,最大应力值为109MPa<215MPa,因此强度满足要求.在上述的强度的计算过程中,由于未考虑塑性截面发展系数,因此计算结果偏大,应力值为139MPa,四铁借勤与有限元分析相差30MPa.可见有限元分析与计算结果基本一致.挠度分析挠度分析结果如下图4所示.图4挠度分析结果与设计RAILWYSURVEYANDDESIGN2008(4)隧道内接触网下锚吊柱有限元分析蒋锡健其分析结果知吊柱下端最大挠度为:0.867mm,挠度满足设计要求.3.2.2选用实体单元进行分析对下锚吊柱直接选用梁单元进行有限元分析是有效的,但该分析不能得到吊柱在加强肋板作用下的应力分布及变形.为了进一步分析吊柱的应力和变形,需对吊柱进行实体建模,选用实体单元来分析.Solidl85单元用于三维实体结构模型,单元由8个节点结合而成,每个节点有X,Y,Z3个方向的自由度.该单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变的特征.因此,在分析过程中,首先利用ansys白带建模工具,建立下锚吊柱的实体模型,然后选择Solid185单元,设置材料属性,进行网格划分,其次对模型的螺栓孔施加位移约束,在吊柱底端施加外力荷载,最后进行有限元计算.应力分析通过有限元计算,其应力分析结果如图5所示.图5应力分析结果由图5可知,吊柱加上肋板后,其吊柱受力大大改善,其最大应力发生在肋板与吊柱过渡连接处的肋板上,图中MX位置所示,最小应力发生在底板位置,由于其应力很小,在图中无法反映出来.在图中肋板与吊柱衔接处存在应力集中,其最大应力为128MPa<215MPa,因此吊柱及肋板结构满足强度要求.为了减小应力集中,可在肋板与吊柱衔接处,增加过渡圆弧.挠度分析通过有限元计算,挠度分析结果如图6所示.铁道勘测与设计RAILWYSURVEYANDDESIGN2008(4)一厘勘测与丽图6挠度分析结果可见,加上肋板后,其吊柱下端最大挠度为导设计,优化设计.曼I与变形很小与没有肋板相比参考文献吊柱下端挠度大为降低.一4结论在隧道内吊柱的设计过程中,应把吊柱的安全可靠性放在首要位置.本文借助ansys分析软件,对设计的下锚吊柱进行了强度分析和刚度分析,验证了吊柱强度,刚度均满足设计要求.因此,在吊柱设计过程中,为了获取合理的截面尺寸和辅助结构设置,选择有效的分析工具是很有必要的,可指皿铁漕勘1GB/T67282002,结构用冷弯空心型钢尺寸,外形,重量及允许偏差M.北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布,20022李星容魏才昂等.钢结构连接节点设计手册