摘  要：现代交通工程中大量使用信号灯架，其质量，耐久性、造价工程建设的重要指标。本文介绍了复合材料性能，并用大型结构分析软件ANSYS对一个玻璃钢复合材料制作的红绿灯架进行了有限元分析，与普通钢材红绿灯架进行了分析和比较。
   
    传统的交通信号灯架都是采用金属材料，如型钢等。但金属材料存在自重大、易腐蚀等缺点，而复合材料则具有较高的比强度、比刚度及耐腐蚀等性能，因而在交通建设工程中得到广泛的应用。
1  复合材料简介
1.1  复合材料的组成
    复合材料是由纤维加强材料做骨架，树脂等做基体，加上填充物加剂组成的合成材料。纤维具有很高的刚度和抗拉强度，树脂具有很高的抗压强度和使纤维粘结成整体的性能，填充物的作用是可以减少收缩的影响，而填加剂则不但可以改善复合材料的力学和物理性能，还可以改善其工作性能。
1.2  复合材料的特点
    (1)强度高，用S玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度高于高强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度与高强钢丝接近。
    (2)耐腐蚀：玻璃纤维复合材料组成的结构有优良的耐化学腐蚀性，适应环境的能力较强。
    (3)力学特性：应变关系直至破断均呈线性。复合材料具有很高的比强度和比刚度。
    (4)疲劳特性：金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅静荷强度的30~40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70~80%，并在破坏前有变形显著的征兆。
    (5)密度轻：约为钢的五分之一至四分之一。
    (6)各向异性。
    (7)良好的耐高温性能，在高渐下的性能与预应力钢丝相同。
    (8)复合材料的组成材料纤维是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可任意着色，从而达到结构型式和材料美学的高度统一。
2  复合材料的结构分析
2.1  分析程序ANSYS介绍
    大型结构分析软件ANSYS软件是美国机械工程师协会(ASME)等专业技术协会认证的标准的分析软件。该软件可广泛应用于航空航天、机械制造、汽车交通、土木工程、造船等一般工业及科学研究领域。ANSYS软件基于图形用户界面，智能化菜单引导、帮助等，为用户提供了强大的实体建模及网格划分工具，直接建模与实体建模相结合，可对各种物理场量进行分析。[-page-]
2.2  分析模型介绍
    鉴于红绿灯架的结构特性，单元类型选择Beam188单元，分析模型采用直接建立单元，定义了三种截面，分别为立柱截面(内径为12cm，外径为15cm)，水平横杆截面(内径为8cm,外径为10cm)和水平横杆间支撑截面(内径为6cm，外径为8cm),模型见图1。
   
2.3  荷载及边界约束
    荷载及边界条件定义：红绿灯架主要承受风力水平荷载和显示牌与红绿灯竖向荷载，分析模型所在地处长江三角洲，风力大而且频繁，因此把风力作为控制荷载来分析结构。根据实际观测，现在的信号灯架均在底部固结。所以结构分析时，在信号类与地面接触处施加固定约束。
    本次分析以标准来定义风荷载，0.45kN/M2，并在悬臂部分外边的两个接点施加等效的集中荷载(与信号牌的风荷载等效)。具体如下：
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    材料定义；分别定义了玻璃钢复合材料属性和普通钢材的材料属性，以便比较玻璃钢复合材料和钢材之间力学特性。具体定义如下：
    
    E表征材料的弹性模量；PRXY为材料的泊松比。
3  材料分析比较
3.1  变形分析
    钢材和玻璃钢两种材料在荷载作用下的位移分别见图2所示。
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3.2  应力分析
    钢材和玻璃钢两种材料在荷载作用下的应力分别见图3所示。
   
3.3  与钢材的比较
    钢材料和玻璃钢两种材料的比较见表1。
   
4  结 语
    对玻璃钢材料制成的信号灯架的力学分析表明，其强度和变形能力能满足结构的功能要求。其比强度远优于钢材。因其自重小，可以在大跨度结构中选择使用，随着材料科技的发展，由复合材料建成超大跨度桥梁，大跨度屋盖将大量出现，其成本将大大降低。目前交通工程中如高速公司和桥梁上的防撞栏杆，城市道路中大量的路灯杆所使用的钢材，如果以价格低廉的玻璃钢代替，将大大降低交通工程的造价。对任何一种新材料的认识都是一个相当漫长的过程，这就需要我们的努力探索，对这种新生材料的应用才刚刚开始，尽管它有一些不足，但在交通建设工程中，玻璃钢复合材料将得到越来越广泛的应用。