某发射天线拉锚杆的销轴连接结构设计∗

周方旭 陈 涛

（1.中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068）（2.中国人民解放军91966部队 北京 102300）

1 引言

锚杆结构是借助锚固在稳定地层内锚杆的抗拔作用将结构物产生的拉力传递给地基的一种结构［1］。锚杆在机械、桥梁、电力等领域应用广泛，但尚无明确的设计方法。

某发射天线一般由主塔、连接金具、拉绳、基础等部分组成，其简化示意如图1 所示，其中拉锚杆与拉绳金具采用了销轴连接结构形式。锚杆主要起到了承受拉绳拉力的作用，并将其固定于拉锚基础上。销轴连接结构的外形有矩形单板、切角矩形单板、圆形双板等多种形式，其连接形式简单，传力明确，故在各行业都有较为广泛应用。根据不同行业规范的结构方案，本文进行销轴连接的不同构造方法、强度校核等工作，并基于ANSYS 有限元分析软件进行仿真分析工作，总结出了满足某发射天线工程实际需求的拉锚结构。

图1 某发射天线简化示意图

2 结构设计

销轴连接主要由耳板和销轴两部分组成，即一根销轴通过销轴孔分别连接相邻两块耳板等构件，其结构的破坏主要有轴的破坏和板的破坏两个方面，本文主要针对连接耳板的构造以及强度校核工作展开讨论。选取某发射天线的上下两层拉绳作为本文研究工况，其受力分别为350KN和1200KN，根据同类工程设计经验以及行业规范设计了以下不同工况的拉锚杆结构。

连接耳板等构件可采用《碳素结构钢》GB/T 700中的Q235或《低合金高强度结构钢》GB/T 1591中的Q345，其设计强度参考表1。

表1 构件常用钢材设计强度值

2.1 同类工程经验

根据以往同类工程设计方法，设计了一种发射天线工程常用的圆棒形拉锚杆。根据国内常用的锚杆分段方法，此锚杆的锚头及自由段为销轴连接结构部分，虚线所示位置为基础表面，虚线至底板位置处为伸入基础的锚固段，如图2 所示。此种拉锚杆采用一根250mm 的铸铁圆棒与两块耳板焊接而成，在能满足设计指标要求的情况下，该种设计结构简单，但存在用料成本较高、圆棒直径过大等问题，且对耳板与圆棒的焊接工艺要求严格，故本文对此只简单叙述，并采用其他构造方法设计拉锚杆。

图2 圆棒形拉锚杆示意图

图3 销轴连接耳板示意图

2.2 钢结构规范

在钢结构设计规范中，销轴连接结构的基本形式大体一致，其传力特点简单、加工制作方便，且外形简洁、美观，对比传统的圆棒形拉锚杆具有更高的应用价值。

连接耳板的销轴孔中心应位于耳板中心线上，且耳板两侧宽厚比b/t不宜大于4，几何尺寸应符合下列构造要求：

式中：b 为连接耳板两侧边缘与销轴孔边缘净距（mm）；t为耳板厚度（mm）；a为顺受力方向，销轴孔边距板边缘最小距离（mm）。

在某发射天线工程中，按照拉绳上连接金具的具体要求，可推出与之相连的耳板板厚范围。选择合适的连接耳板厚度后，再按照上述耳板的构造要求，便可计算得出相对应的耳板外形尺寸。取1200KN 拉绳层对应的耳板厚度t 为30mm，拉锚杆为MG-I，350KN 拉绳层对应的耳板厚度为25mm，拉锚杆为MG-II。由此即可计算出相对应的最小耳板尺寸，相对应的拉锚杆结构见表3。

2.3 电力行业规范

在电力行业中，拉锚杆的销轴连接结构也称为槽型连接，即由单板、槽和连接销等构成的连接，如图4 所示。根据电力金具设计国标，槽型连接尺寸应符合表1 规定。根据标称破坏载荷选择350KN拉力层对应的标记为64、84 和110，拉锚杆为MJ-64、MJ-84 和MJ110；1200KN 拉力层对应的标记为128、168 或220，拉锚杆为MJ128、MJ168 和MJ220，标记越大对应的标称破坏载荷越大。

由表2 槽型连接尺寸可以看出双板的板厚并未具体给出，在选定相应的标记载荷后，不妨以单板厚度或双板开档厚度作为双板板厚，由此方法获得的双板板厚基本可满足强度要求，具体耳板外形尺寸见表3。

表2 槽型连接尺寸

2.4 拉锚杆结构

拉锚杆主要由连接耳板、横隔板、顶面加强板、侧面的加筋肋以及底板组成，如图5 所示。与常见的拉销轴连接外形不同，此处多了加强板、加筋肋以及底板。其中，横隔板的作用是固定两块耳板的开档尺寸并使之不易发生径向变形，顶面加强板的作用是防止发生轴向变形并提供固定位置，侧面两块加筋肋目的是防止耳板与基础表面连接处发生断裂，底板则是提供一定程度上的锚杆基础抗拔力。

图5 拉锚杆外形结构示意图

根据钢结构和电力行业两种规范并结合工程项目经验，设计出以下拉锚杆结构，结构尺寸如图6、表2所示。

图6 拉锚杆具体结构示意图

图7 耳板受剪示意图

3 强度校核

3.1 理论计算

销轴连接的结构破坏形式一般包括耳板孔净截面受拉、端部劈开、端部受剪和面外失稳四个方面，故连接耳板一般应对这四个方面进行强度校核。

根据下列公式进行抗拉、抗剪等强度计算。

1）耳板孔净截面处的抗拉强度：

2）耳板端部截面抗拉（劈开）强度：

3）耳板抗剪强度：

式中：N 为杆件轴向拉力设计值；b1为计算宽度（mm）；d0为销轴孔径（mm）；f为耳板抗拉强度设计值（N/mm2）。Z 为耳板端部抗剪截面宽度（mm）；fν为耳板钢材抗拉强度和抗剪强度设计值（N/mm2）。

根据上述耳板的强度计算公式可计算出相应的强度值，如表4 所示。通过理论计算可知，除了MJ-128 和MJ-64 不满足强度设计允许值，其余拉锚杆均能满足。

表4 拉锚杆计算结果（单位：MPa）

下层拉绳，即工况一受力为1200KN，由以上设计可选用的拉锚杆型号为MG-I、MJ-220 和MJ-168。从强度计算值来看，MJ-168 和MG-I 的耳板强度计算值较为接近，虽然MJ-220 的计算抗拉和抗剪强度均低于MJ-168 和MG-I，但MJ-220重量比MJ168 和MG-I 多了85.4kg 和134.1kg。因此，下层拉绳优选MG-I。

上层拉绳，即工况二受力为350KN，由以上设计可选用的拉锚杆型号为MG-II、MJ-110 和MJ-84。从强度计算值考虑，MJ-84 耳板端面抗拉强度计算值远大于MG-II 和MJ-110，而MJ-110 的耳板端面抗拉强度计算值比MG-II 大了近38MPa，且MJ-110 质量比MG-II 多了近20Kg。因此，上层拉绳优选MG-II。

从两种行业规范设计的结构尺寸来看，基于电力行业设计的拉锚杆销轴连接结构，当拉力值较低且所需耳板尺寸较小时，其尺寸a 值较小，使得耳板端面抗拉强度计算值较大，远不能满足本工程设计要求，此处算例具有一定的普遍意义；基于钢结构规范设计的拉锚杆销轴连接结构，更适用于本工程及类似工程的拉锚杆设计需求。

3.2 有限元分析

本文采用ANSYS 进行有限元仿真分析，针对两层拉绳的受力情况以及实际基础锚固位置进行仿真，能够准确得出构件的应力分布情况。基于ANSYS 有限元分析软件，通过施加载荷边界条件，针对两种典型工况对其进行静力学分析。仿真结果如图8～10所示。

图8 工况一各拉锚杆应力云图

图9 工况一圆棒形锚杆应力云图

图10 工况二各拉锚杆应力和应变云图

销轴连接的应力实际分布情况较为复杂，本处简化销轴连接的分析方法，侧重考察耳板的应力分布。从仿真结果可以看出，较大应力主要存在于销轴孔连接处以及基础表面与耳板接触的地方，但总体来看，上、下层拉绳对应的三种拉锚杆的应力仿真结果均能满足强度设计允许值，应力水平整体不高。结合上述理论计算结果，优选基于钢结构规范设计的拉锚杆。

1）下层拉绳，即工况一受力1200KN；

2）上层拉绳，即工况二受力350KN。

4 结语

销轴连接在各行业均得到越来越多的应用，但是尚无统一的明确的设计方法。本文基于工程实际经验、电力行业设计标准及钢结构设计规范，探讨并设计了不同工况下的拉锚杆销轴连接结构，对于较大销轴节点除了满足上述强度计算和构造要求，还进行了有限元仿真分析，更深入了解了耳板应力分布情况，结果表明基于钢结构设计规范及工程经验设计的拉锚杆结构方案，更适用于本发射天线的拉锚需求，满足总体指标要求。本发射天线拉锚杆的结构紧凑、外形美观，对于同类天线工程的拉锚杆设计具有一定的参考意义。