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

        2023-11-15 06:51:34周方旭
        艦船電子工程 2023年8期
        關(guān)鍵詞:圓棒耳板拉繩

        周方旭 陳 濤

        (1.中國電子科技集團(tuán)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(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,但尚無明確的設(shè)計方法。

        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)射天線簡化示意圖

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)件,其結(jié)構(gòu)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(gòu)造以及強(qiáng)度校核工作展開討論。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)計經(jīng)驗(yàn)以及行業(yè)規(guī)范設(shè)計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)計強(qiáng)度參考表1。

        表1 構(gòu)件常用鋼材設(shè)計強(qiáng)度值

        2.1 同類工程經(jīng)驗(yàn)

        根據(jù)以往同類工程設(shè)計方法,設(shè)計了一種發(fā)射天線工程常用的圓棒形拉錨桿。根據(jù)國內(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)計指標(biāo)要求的情況下,該種設(shè)計結(jié)構(gòu)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(yán)格,故本文對此只簡單敘述,并采用其他構(gòu)造方法設(shè)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(jié)構(gòu)規(guī)范

        在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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)簡單、加工制作方便,且外形簡潔、美觀,對比傳統(tǒng)的圓棒形拉錨桿具有更高的應(yīng)用價值。

        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,便可計算得出相對應(yīng)的耳板外形尺寸。取1200KN 拉繩層對應(yīng)的耳板厚度t 為30mm,拉錨桿為MG-I,350KN 拉繩層對應(yīng)的耳板厚度為25mm,拉錨桿為MG-II。由此即可計算出相對應(yīng)的最小耳板尺寸,相對應(yīng)的拉錨桿結(jié)構(gòu)見表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)計國標(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)合工程項目經(jīng)驗(yàn),設(shè)計出以下拉錨桿結(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、端部受剪和面外失穩(wěn)四個方面,故連接耳板一般應(yīng)對這四個方面進(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)強(qiáng)度:

        3)耳板抗剪強(qiáng)度:

        式中:N 為桿件軸向拉力設(shè)計值;b1為計算寬度(mm);d0為銷軸孔徑(mm);f為耳板抗拉強(qiáng)度設(shè)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(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度設(shè)計值(N/mm2)。

        根據(jù)上述耳板的強(qiáng)度計算公式可計算出相應(yīng)的強(qiáng)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(qiáng)度設(shè)計允許值,其余拉錨桿均能滿足。

        表4 拉錨桿計算結(jié)果(單位:MPa)

        下層拉繩,即工況一受力為1200KN,由以上設(shè)計可選用的拉錨桿型號為MG-I、MJ-220 和MJ-168。從強(qiáng)度計算值來看,MJ-168 和MG-I 的耳板強(qiáng)度計算值較為接近,雖然MJ-220 的計算抗拉和抗剪強(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)計可選用的拉錨桿型號為MG-II、MJ-110 和MJ-84。從強(qiáng)度計算值考慮,MJ-84 耳板端面抗拉強(qiáng)度計算值遠(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)計的結(jié)構(gòu)尺寸來看,基于電力行業(yè)設(shè)計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,其尺寸a 值較小,使得耳板端面抗拉強(qiáng)度計算值較大,遠(yuǎn)不能滿足本工程設(shè)計要求,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,通過施加載荷邊界條件,針對兩種典型工況對其進(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)變云圖

        銷軸連接的應(yīng)力實(shí)際分布情況較為復(fù)雜,本處簡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,但總體來看,上、下層拉繩對應(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)計允許值,應(yīng)力水平整體不高。結(jié)合上述理論計算結(jié)果,優(yōu)選基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)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(jié)語

        銷軸連接在各行業(yè)均得到越來越多的應(yīng)用,但是尚無統(tǒng)一的明確的設(shè)計方法。本文基于工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、電力行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,探討并設(shè)計了不同工況下的拉錨桿銷軸連接結(jié)構(gòu),對于較大銷軸節(jié)點(diǎn)除了滿足上述強(qiáng)度計算和構(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)計規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的拉錨桿結(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,對于同類天線工程的拉錨桿設(shè)計具有一定的參考意義。

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