航向台天线杆强度分析

　　某些特殊用途导航台天线杆在设计中采用球支承底座,拉索为伞状分布的结构,以适应特殊的使用要求.在天线杆结构的强度计算中,主要载荷为天线杆上设备的重力、拉索施加的拉力和风载.其所受的外载荷(主要是指风载)对天线杆结构的强度与稳定性有很大影响.为提高天线杆结构可靠性与稳定性,需对天线杆结构在受外载荷条件下的受力与变形进行分析,因此提供一个有效简洁的计算方法是非常必要的.

　　本文以采用3段不同直径的钢管焊接,3层拉索呈120°分布的天线杆结构为例(结构如图1所示),对该类型天线杆结构的受力与变形进行分析.给出天线杆在自重、拉索施加拉力和风载的共同作用下的刚度、强度与变形的计算方法.

　　1　刚度分析

　　为便于杆的受力等的分析,首先将绳索所施加影响转化到水平方向,以简化计算。

　　1.1　不计载荷和自重的刚度计算

　　拉索受力及其在地面的投影如图2所示.

　　对于拉索节点处加力P时,考虑到对称与反对称条件,有

　　式中:-kx、-ky分别为x与y方向的刚度.

　　1) Px单独作用

　　结果表明:此结构节点水平刚度(ki)各向同性.

　　1.2　考虑拉索自重与外载荷对节点刚度的修正

　　工程上用的钢丝绳会带有绝缘用的绝缘子或着拉环等.设P为此外挂物的重量,每根拉索共有n个等重的外挂物.显然,在此情况下各节点3条拉索都有相同的θi,即相应的刚度ki仍具有各向相同的性质.

　　考虑外载荷(如:风载)对拉索的影响,设拉索所受外载荷分布为qs(z).当拉索位于外载荷影响最大的平面内(如:风载的迎风面)时,外载荷对ki影响最大.此时节点刚度不再具有各向同性的性质.如图4所示.

　　由力矩平衡条件:

　　式中:lm是第m个外挂到A的绳长,θi为第i个节点处拉索在自重下的倾角改变量,R为拉索底部到杆的底部的距离.

　　显然得到的θi是3根拉索中最大的一个.考虑到简化计算和使得分析结果偏于安全,可假定3条拉索的θi相同.从而节点刚度仍具有各向同性的性质.从而

　　2　在风载作用下的位移与强度分析

　　将连接杆的每个节点的拉索视为一个具有水平约束的线性弹簧,不计杆自重,设各个节点所受轴向外力为Pi.天线杆在临界状态下有4种屈服模态,分别如图5所示.将天线杆的挠度取为4种屈曲模态的线性组合,即

　　根据合力距定理,设拉索传给天线杆的水平力为

　　式中:Ii横截面惯性矩可为与高度相关的公式.

　　其外力势能V为(设风载沿杆高分布规律为q (z) )