立柱开孔对道路标识标牌结构刚度及强度的影响分析

陈昆鹏 1 张芝萍 2 李刚 3 陈伟华 4

国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430014 2. 国网湖北送变电工程有限公司 430063

摘要：合理选取边界条件、单元类型、材料属性、网格划分及荷载加载建立标识标牌有限元数值分析模型，分别得到钢立柱开孔前后结构的刚度以及强度，对比结果显示开孔对结构模态及整体刚度影响较小，但对立柱强度影响较大，设计时需适当考虑开孔对标识标牌立柱结构的影响。

[关键词] 有限元分析；标识标牌；开孔；模态；刚度；强度

0. 前言

由于电力穿线的需要，道路标识标牌立柱柱脚处经常需要开孔，且开孔尺寸相对立柱直径较大，其对整体结构刚度以及立柱构件本身的影响不可忽略。传统结构设计软件是以构件为基本单元进行分析，无法精确考虑开孔对整体结构及立柱的影响。

本文采用有限元软件，合理选取边界条件、单元类型、材料属性、网格划分及荷载加载建立标识标牌有限元数值分析模型研究开孔的影响，其结果可为同类设计提供参考。

0. 有限元模型建立

1.1 单元类型

考虑计算成本及计算精度要求，本文有限元分析采用C3D10十节点二次四面体单元网格。结构有限元模型如图1所示。

图1有限元模型模型

1.2 材料类型

钢材为Q235B，弹性模量为E=206000MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度为235MPa，考虑材料非线性，有限元计算中采用带有强化段的弹塑性本构，强化段的切线模量取２％初始切线模量，考虑标识标牌变形较大，同时考虑几何非线性。

1.3 边界条件

边界条件根据实际情况，选取立柱底端为固接，其余均为自由段。

1.4 荷载施加

标识标牌主要承受风荷载、自重及地震荷载。风荷载按面荷载施加到标识标牌面板及杆件外表面，自重通过密度软件自动考虑同时按相关规范考虑地震作用^[1]。

0. 有限元分析结果

2.1开孔对整体刚度的影响

开孔后标识标牌模态分析结果如图2所示。对比开孔前模态分析结果，如表1所示，可知，开孔后结构频率及柱顶位移均变化较小，说明柱底部开孔后对结构整体刚度影响可忽略。

（a）模态1

（b）模态2

（c）模态3

图2 开孔后模态分析结果

图3 开孔后结构位移

表1 周期及柱顶位移对比

振型	周期(s)		柱顶位移（mm）
	开孔前	开孔后	开孔前	开孔后
1	2.75	2.72	55.3	56.5
2	2.82	2.79
3	7.22	7.11

2.2开孔对立柱强度的影响

对比开孔前后立柱最大应力，可知，开孔后立柱应力约是开孔前应力的1.43倍，最大应力为196MPa（开孔处），结果标明开孔会产生应力集中，其对立柱强度影响较大，结构设计时需适当考虑开孔对立柱自身强度的削弱作用。

立柱最大应力如图4所示。

图4立柱最大应力

0. 结论

本文通过建立有限元模型分析开孔对标识标牌结构的影响得出如下结论：

1）开孔对标识标牌整体结构刚度影响较小，可忽略开孔对结构整体刚度的影响；

2）开孔对立柱结构最大应力影响较大，开孔后由于应力集中作用，最大应力位置一般位于开孔处，开孔后最大应力约为开孔前的1.43倍，因此结构设计时需适当考虑开孔对立柱构件的削弱作用。

参考文献

1. GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

第一作者：陈昆鹏，1988.08，男，汉族，河南、硕士研究生、工程师、中国市政工程中南设计研究总院有限公司、市政结构，18986097991