某發射天線拉錨桿的銷軸連接結構設計?

周方旭 陳 濤

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

1 引言

錨桿結構是借助錨固在穩定地層內錨桿的抗拔作用將結構物產生的拉力傳遞給地基的一種結構［1］。錨桿在機械、橋梁、電力等領域應用廣泛，但尚無明確的設計方法。

某發射天線一般由主塔、連接金具、拉繩、基礎等部分組成，其簡化示意如圖1 所示，其中拉錨桿與拉繩金具采用了銷軸連接結構形式。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上。銷軸連接結構的外形有矩形單板、切角矩形單板、圓形雙板等多種形式，其連接形式簡單，傳力明確，故在各行業都有較為廣泛應用。根據不同行業規范的結構方案，本文進行銷軸連接的不同構造方法、強度校核等工作，并基于ANSYS 有限元分析軟件進行仿真分析工作，總結出了滿足某發射天線工程實際需求的拉錨結構。

圖1 某發射天線簡化示意圖

2 結構設計

銷軸連接主要由耳板和銷軸兩部分組成，即一根銷軸通過銷軸孔分別連接相鄰兩塊耳板等構件，其結構的破壞主要有軸的破壞和板的破壞兩個方面，本文主要針對連接耳板的構造以及強度校核工作展開討論。選取某發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，根據同類工程設計經驗以及行業規范設計了以下不同工況的拉錨桿結構。

連接耳板等構件可采用《碳素結構鋼》GB/T 700中的Q235或《低合金高強度結構鋼》GB/T 1591中的Q345，其設計強度參考表1。

表1 構件常用鋼材設計強度值

2.1 同類工程經驗

根據以往同類工程設計方法，設計了一種發射天線工程常用的圓棒形拉錨桿。根據國內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構部分，虛線所示位置為基礎表面，虛線至底板位置處為伸入基礎的錨固段，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，在能滿足設計指標要求的情況下，該種設計結構簡單，但存在用料成本較高、圓棒直徑過大等問題，且對耳板與圓棒的焊接工藝要求嚴格，故本文對此只簡單敘述，并采用其他構造方法設計拉錨桿。

圖2 圓棒形拉錨桿示意圖

圖3 銷軸連接耳板示意圖

2.2 鋼結構規范

在鋼結構設計規范中，銷軸連接結構的基本形式大體一致，其傳力特點簡單、加工制作方便，且外形簡潔、美觀，對比傳統的圓棒形拉錨桿具有更高的應用價值。

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

式中：b 為連接耳板兩側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造要求，便可計算得出相對應的耳板外形尺寸。取1200KN 拉繩層對應的耳板厚度t 為30mm，拉錨桿為MG-I，350KN 拉繩層對應的耳板厚度為25mm，拉錨桿為MG-II。由此即可計算出相對應的最小耳板尺寸，相對應的拉錨桿結構見表3。

2.3 電力行業規范

在電力行業中，拉錨桿的銷軸連接結構也稱為槽型連接，即由單板、槽和連接銷等構成的連接，如圖4 所示。根據電力金具設計國標，槽型連接尺寸應符合表1 規定。根據標稱破壞載荷選擇350KN拉力層對應的標記為64、84 和110，拉錨桿為MJ-64、MJ-84 和MJ110；1200KN 拉力層對應的標記為128、168 或220，拉錨桿為MJ128、MJ168 和MJ220，標記越大對應的標稱破壞載荷越大。

由表2 槽型連接尺寸可以看出雙板的板厚并未具體給出，在選定相應的標記載荷后，不妨以單板厚度或雙板開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度要求，具體耳板外形尺寸見表3。

表2 槽型連接尺寸

2.4 拉錨桿結構

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

圖5 拉錨桿外形結構示意圖

根據鋼結構和電力行業兩種規范并結合工程項目經驗，設計出以下拉錨桿結構，結構尺寸如圖6、表2所示。

圖6 拉錨桿具體結構示意圖

圖7 耳板受剪示意圖

3 強度校核

3.1 理論計算

銷軸連接的結構破壞形式一般包括耳板孔凈截面受拉、端部劈開、端部受剪和面外失穩四個方面，故連接耳板一般應對這四個方面進行強度校核。

根據下列公式進行抗拉、抗剪等強度計算。

1）耳板孔凈截面處的抗拉強度：

2）耳板端部截面抗拉（劈開）強度：

3）耳板抗剪強度：

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

根據上述耳板的強度計算公式可計算出相應的強度值，如表4 所示。通過理論計算可知，除了MJ-128 和MJ-64 不滿足強度設計允許值，其余拉錨桿均能滿足。

表4 拉錨桿計算結果（單位：MPa）

下層拉繩，即工況一受力為1200KN，由以上設計可選用的拉錨桿型號為MG-I、MJ-220 和MJ-168。從強度計算值來看，MJ-168 和MG-I 的耳板強度計算值較為接近，雖然MJ-220 的計算抗拉和抗剪強度均低于MJ-168 和MG-I，但MJ-220重量比MJ168 和MG-I 多了85.4kg 和134.1kg。因此，下層拉繩優選MG-I。

上層拉繩，即工況二受力為350KN，由以上設計可選用的拉錨桿型號為MG-II、MJ-110 和MJ-84。從強度計算值考慮，MJ-84 耳板端面抗拉強度計算值遠大于MG-II 和MJ-110，而MJ-110 的耳板端面抗拉強度計算值比MG-II 大了近38MPa，且MJ-110 質量比MG-II 多了近20Kg。因此，上層拉繩優選MG-II。

從兩種行業規范設計的結構尺寸來看，基于電力行業設計的拉錨桿銷軸連接結構，當拉力值較低且所需耳板尺寸較小時，其尺寸a 值較小，使得耳板端面抗拉強度計算值較大，遠不能滿足本工程設計要求，此處算例具有一定的普遍意義；基于鋼結構規范設計的拉錨桿銷軸連接結構，更適用于本工程及類似工程的拉錨桿設計需求。

3.2 有限元分析

本文采用ANSYS 進行有限元仿真分析，針對兩層拉繩的受力情況以及實際基礎錨固位置進行仿真，能夠準確得出構件的應力分布情況?；贏NSYS 有限元分析軟件，通過施加載荷邊界條件，針對兩種典型工況對其進行靜力學分析。仿真結果如圖8～10所示。

圖8 工況一各拉錨桿應力云圖

圖9 工況一圓棒形錨桿應力云圖

圖10 工況二各拉錨桿應力和應變云圖

銷軸連接的應力實際分布情況較為復雜，本處簡化銷軸連接的分析方法，側重考察耳板的應力分布。從仿真結果可以看出，較大應力主要存在于銷軸孔連接處以及基礎表面與耳板接觸的地方，但總體來看，上、下層拉繩對應的三種拉錨桿的應力仿真結果均能滿足強度設計允許值，應力水平整體不高。結合上述理論計算結果，優選基于鋼結構規范設計的拉錨桿。

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 結語

銷軸連接在各行業均得到越來越多的應用，但是尚無統一的明確的設計方法。本文基于工程實際經驗、電力行業設計標準及鋼結構設計規范，探討并設計了不同工況下的拉錨桿銷軸連接結構，對于較大銷軸節點除了滿足上述強度計算和構造要求，還進行了有限元仿真分析，更深入了解了耳板應力分布情況，結果表明基于鋼結構設計規范及工程經驗設計的拉錨桿結構方案，更適用于本發射天線的拉錨需求，滿足總體指標要求。本發射天線拉錨桿的結構緊湊、外形美觀，對于同類天線工程的拉錨桿設計具有一定的參考意義。