某發(fā)射天線拉錨桿的銷軸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

周方旭 陳 濤

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國(guó)人民解放軍91966部隊(duì) 北京 102300）

1 引言

錨桿結(jié)構(gòu)是借助錨固在穩(wěn)定地層內(nèi)錨桿的抗拔作用將結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的拉力傳遞給地基的一種結(jié)構(gòu)［1］。錨桿在機(jī)械、橋梁、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但尚無(wú)明確的設(shè)計(jì)方法。

某發(fā)射天線一般由主塔、連接金具、拉繩、基礎(chǔ)等部分組成，其簡(jiǎn)化示意如圖1 所示，其中拉錨桿與拉繩金具采用了銷軸連接結(jié)構(gòu)形式。錨桿主要起到了承受拉繩拉力的作用，并將其固定于拉錨基礎(chǔ)上。銷軸連接結(jié)構(gòu)的外形有矩形單板、切角矩形單板、圓形雙板等多種形式，其連接形式簡(jiǎn)單，傳力明確，故在各行業(yè)都有較為廣泛應(yīng)用。根據(jù)不同行業(yè)規(guī)范的結(jié)構(gòu)方案，本文進(jìn)行銷軸連接的不同構(gòu)造方法、強(qiáng)度校核等工作，并基于ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析工作，總結(jié)出了滿足某發(fā)射天線工程實(shí)際需求的拉錨結(jié)構(gòu)。

圖1 某發(fā)射天線簡(jiǎn)化示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銷軸連接主要由耳板和銷軸兩部分組成，即一根銷軸通過(guò)銷軸孔分別連接相鄰兩塊耳板等構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的破壞主要有軸的破壞和板的破壞兩個(gè)方面，本文主要針對(duì)連接耳板的構(gòu)造以及強(qiáng)度校核工作展開(kāi)討論。選取某發(fā)射天線的上下兩層拉繩作為本文研究工況，其受力分別為350KN和1200KN，根據(jù)同類工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)了以下不同工況的拉錨桿結(jié)構(gòu)。

連接耳板等構(gòu)件可采用《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 700中的Q235或《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591中的Q345，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度參考表1。

表1 構(gòu)件常用鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值

2.1 同類工程經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)以往同類工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種發(fā)射天線工程常用的圓棒形拉錨桿。根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的錨桿分段方法，此錨桿的錨頭及自由段為銷軸連接結(jié)構(gòu)部分，虛線所示位置為基礎(chǔ)表面，虛線至底板位置處為伸入基礎(chǔ)的錨固段，如圖2 所示。此種拉錨桿采用一根250mm 的鑄鐵圓棒與兩塊耳板焊接而成，在能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下，該種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在用料成本較高、圓棒直徑過(guò)大等問(wèn)題，且對(duì)耳板與圓棒的焊接工藝要求嚴(yán)格，故本文對(duì)此只簡(jiǎn)單敘述，并采用其他構(gòu)造方法設(shè)計(jì)拉錨桿。

圖2 圓棒形拉錨桿示意圖

圖3 銷軸連接耳板示意圖

2.2 鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，銷軸連接結(jié)構(gòu)的基本形式大體一致，其傳力特點(diǎn)簡(jiǎn)單、加工制作方便，且外形簡(jiǎn)潔、美觀，對(duì)比傳統(tǒng)的圓棒形拉錨桿具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

連接耳板的銷軸孔中心應(yīng)位于耳板中心線上，且耳板兩側(cè)寬厚比b/t不宜大于4，幾何尺寸應(yīng)符合下列構(gòu)造要求：

式中：b 為連接耳板兩側(cè)邊緣與銷軸孔邊緣凈距（mm）；t為耳板厚度（mm）；a為順受力方向，銷軸孔邊距板邊緣最小距離（mm）。

在某發(fā)射天線工程中，按照拉繩上連接金具的具體要求，可推出與之相連的耳板板厚范圍。選擇合適的連接耳板厚度后，再按照上述耳板的構(gòu)造要求，便可計(jì)算得出相對(duì)應(yīng)的耳板外形尺寸。取1200KN 拉繩層對(duì)應(yīng)的耳板厚度t 為30mm，拉錨桿為MG-I，350KN 拉繩層對(duì)應(yīng)的耳板厚度為25mm，拉錨桿為MG-II。由此即可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的最小耳板尺寸，相對(duì)應(yīng)的拉錨桿結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。

2.3 電力行業(yè)規(guī)范

在電力行業(yè)中，拉錨桿的銷軸連接結(jié)構(gòu)也稱為槽型連接，即由單板、槽和連接銷等構(gòu)成的連接，如圖4 所示。根據(jù)電力金具設(shè)計(jì)國(guó)標(biāo)，槽型連接尺寸應(yīng)符合表1 規(guī)定。根據(jù)標(biāo)稱破壞載荷選擇350KN拉力層對(duì)應(yīng)的標(biāo)記為64、84 和110，拉錨桿為MJ-64、MJ-84 和MJ110；1200KN 拉力層對(duì)應(yīng)的標(biāo)記為128、168 或220，拉錨桿為MJ128、MJ168 和MJ220，標(biāo)記越大對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱破壞載荷越大。

由表2 槽型連接尺寸可以看出雙板的板厚并未具體給出，在選定相應(yīng)的標(biāo)記載荷后，不妨以單板厚度或雙板開(kāi)檔厚度作為雙板板厚，由此方法獲得的雙板板厚基本可滿足強(qiáng)度要求，具體耳板外形尺寸見(jiàn)表3。

表2 槽型連接尺寸

2.4 拉錨桿結(jié)構(gòu)

拉錨桿主要由連接耳板、橫隔板、頂面加強(qiáng)板、側(cè)面的加筋肋以及底板組成，如圖5 所示。與常見(jiàn)的拉銷軸連接外形不同，此處多了加強(qiáng)板、加筋肋以及底板。其中，橫隔板的作用是固定兩塊耳板的開(kāi)檔尺寸并使之不易發(fā)生徑向變形，頂面加強(qiáng)板的作用是防止發(fā)生軸向變形并提供固定位置，側(cè)面兩塊加筋肋目的是防止耳板與基礎(chǔ)表面連接處發(fā)生斷裂，底板則是提供一定程度上的錨桿基礎(chǔ)抗拔力。

圖5 拉錨桿外形結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)和電力行業(yè)兩種規(guī)范并結(jié)合工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出以下拉錨桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸如圖6、表2所示。

圖6 拉錨桿具體結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 耳板受剪示意圖

3 強(qiáng)度校核

3.1 理論計(jì)算

銷軸連接的結(jié)構(gòu)破壞形式一般包括耳板孔凈截面受拉、端部劈開(kāi)、端部受剪和面外失穩(wěn)四個(gè)方面，故連接耳板一般應(yīng)對(duì)這四個(gè)方面進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)下列公式進(jìn)行抗拉、抗剪等強(qiáng)度計(jì)算。

1）耳板孔凈截面處的抗拉強(qiáng)度：

2）耳板端部截面抗拉（劈開(kāi)）強(qiáng)度：

3）耳板抗剪強(qiáng)度：

式中：N 為桿件軸向拉力設(shè)計(jì)值；b1為計(jì)算寬度（mm）；d0為銷軸孔徑（mm）；f為耳板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。Z 為耳板端部抗剪截面寬度（mm）；fν為耳板鋼材抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

根據(jù)上述耳板的強(qiáng)度計(jì)算公式可計(jì)算出相應(yīng)的強(qiáng)度值，如表4 所示。通過(guò)理論計(jì)算可知，除了MJ-128 和MJ-64 不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值，其余拉錨桿均能滿足。

表4 拉錨桿計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

下層拉繩，即工況一受力為1200KN，由以上設(shè)計(jì)可選用的拉錨桿型號(hào)為MG-I、MJ-220 和MJ-168。從強(qiáng)度計(jì)算值來(lái)看，MJ-168 和MG-I 的耳板強(qiáng)度計(jì)算值較為接近，雖然MJ-220 的計(jì)算抗拉和抗剪強(qiáng)度均低于MJ-168 和MG-I，但MJ-220重量比MJ168 和MG-I 多了85.4kg 和134.1kg。因此，下層拉繩優(yōu)選MG-I。

上層拉繩，即工況二受力為350KN，由以上設(shè)計(jì)可選用的拉錨桿型號(hào)為MG-II、MJ-110 和MJ-84。從強(qiáng)度計(jì)算值考慮，MJ-84 耳板端面抗拉強(qiáng)度計(jì)算值遠(yuǎn)大于MG-II 和MJ-110，而MJ-110 的耳板端面抗拉強(qiáng)度計(jì)算值比MG-II 大了近38MPa，且MJ-110 質(zhì)量比MG-II 多了近20Kg。因此，上層拉繩優(yōu)選MG-II。

從兩種行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)看，基于電力行業(yè)設(shè)計(jì)的拉錨桿銷軸連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉力值較低且所需耳板尺寸較小時(shí)，其尺寸a 值較小，使得耳板端面抗拉強(qiáng)度計(jì)算值較大，遠(yuǎn)不能滿足本工程設(shè)計(jì)要求，此處算例具有一定的普遍意義；基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)的拉錨桿銷軸連接結(jié)構(gòu)，更適用于本工程及類似工程的拉錨桿設(shè)計(jì)需求。

3.2 有限元分析

本文采用ANSYS 進(jìn)行有限元仿真分析，針對(duì)兩層拉繩的受力情況以及實(shí)際基礎(chǔ)錨固位置進(jìn)行仿真，能夠準(zhǔn)確得出構(gòu)件的應(yīng)力分布情況?；贏NSYS 有限元分析軟件，通過(guò)施加載荷邊界條件，針對(duì)兩種典型工況對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。仿真結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 工況一各拉錨桿應(yīng)力云圖

圖9 工況一圓棒形錨桿應(yīng)力云圖

圖10 工況二各拉錨桿應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

銷軸連接的應(yīng)力實(shí)際分布情況較為復(fù)雜，本處簡(jiǎn)化銷軸連接的分析方法，側(cè)重考察耳板的應(yīng)力分布。從仿真結(jié)果可以看出，較大應(yīng)力主要存在于銷軸孔連接處以及基礎(chǔ)表面與耳板接觸的地方，但總體來(lái)看，上、下層拉繩對(duì)應(yīng)的三種拉錨桿的應(yīng)力仿真結(jié)果均能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值，應(yīng)力水平整體不高。結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，優(yōu)選基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)的拉錨桿。

1）下層拉繩，即工況一受力1200KN；

2）上層拉繩，即工況二受力350KN。

4 結(jié)語(yǔ)

銷軸連接在各行業(yè)均得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但是尚無(wú)統(tǒng)一的明確的設(shè)計(jì)方法。本文基于工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、電力行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，探討并設(shè)計(jì)了不同工況下的拉錨桿銷軸連接結(jié)構(gòu)，對(duì)于較大銷軸節(jié)點(diǎn)除了滿足上述強(qiáng)度計(jì)算和構(gòu)造要求，還進(jìn)行了有限元仿真分析，更深入了解了耳板應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的拉錨桿結(jié)構(gòu)方案，更適用于本發(fā)射天線的拉錨需求，滿足總體指標(biāo)要求。本發(fā)射天線拉錨桿的結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，對(duì)于同類天線工程的拉錨桿設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。