徐兴盛，宋冰，韩鑫，王森

天线支撑杆的抗倾覆仿真分析

徐兴盛，宋冰，韩鑫，王森

（中国电子科技集团公司第二十二研究所 机械设计中心，山东 青岛 266107）

研究天线支撑杆在风载作用下的抗倾覆问题。采用有限元软件构建仿真模型，分析在16级风作用下水泥墩对天线支撑杆的抗倾覆影响，讨论了接触面的网格尺寸对计算结果精度的影响，探讨了各种尺寸的方形和圆形水泥墩的抗倾覆结果。研究结果表明：水泥墩的尺寸对天线支撑杆抗倾覆有明显的影响，对比几种工况的仿真结果选出满足设计要求的水泥墩。本文方法适用于天线支撑杆结构的抗倾覆问题，可为同类型天线支撑杆结构的设计提供参考。

抗倾覆；风荷载；天线支撑杆；仿真分析

某型号天线采用支撑杆形式架设在楼层顶部，在强风作用下极容易造成天线杆的倾覆。为防止倾覆事故的发生，通常需要在支撑杆的底部加装一个水泥墩作为配重。但是，如果水泥墩的重量太小则无法起到抗倾覆的作用，重量太大则不仅会增加成本，还造成房屋顶部的负载加重，影响房屋的安全性。因此，合理地选取水泥墩的重量非常重要。

目前，一些学者围绕抗倾覆问题开展了大量的工作并取得了一定的进展。周奇才等[1]建立了2500 t环轨式起重机抗倾覆稳定性的验算模型，并对其进行了抗倾覆稳定性分析。魏焱焱[2]利用有限元理论进行抗倾覆稳定性分析，针对塔机倾覆倒塌事故提出了几点对策。郝付军等[3]基于可靠度反分析理论得到计算悬臂施工整体倾覆稳定安全系数的方法，并对此方法的可行性进行了算例验证。田海波等[4]设计了一种具有多驱动模式的轮腿式机器人并对机器人的稳定性进行综合评价。冯大成[5]介绍了抗倾覆能力的检验方法并通过实验验证了计算方法的可靠性。黄翀等[6]推导出一种改进的水泥土支护结构抗倾覆稳定系数的计算方法。高瑞霞等[7]研究了独立式塔吊基础抗倾覆稳定问题。

本文以天线支撑杆结构为研究对象，采用有限元分析软件，仿真模拟天线支撑杆结构在16级风载作用下的抗倾覆问题。

1 工程概况

1.1 结构说明

某型号天线支撑杆结构架如图1所示。其中，支撑杆由立柱、斜撑1和斜撑2三部分焊接而成，天线1、天线2、天线3分别安装在立柱、斜撑2和斜撑1的接口上。支撑杆中各部分的材料参数见表1。

1.水泥墩；2.支撑杆立柱；3.支撑杆斜撑1；4.支撑杆斜撑2；5.天线2；6.天线1；7.天线3。

支撑杆底部的水泥墩放置在楼层的顶部，依靠水泥墩的自重保证保证支撑杆在强风作用下不发生倾覆。支撑杆结构满足的设计要求为：

（1）水泥墩的质量小于1.5 t；

（2）支撑杆最大变形不超过其长度的1%；

（3）16级风不发生倾覆。

1.2 风荷载计算

查询相关的研究，有关风载论述和研究的文献[8-13]较多，对于不同研究问题，研究人员提出多种可计算风载的方法。

作用在结构单位面积上的风荷载为[8]：

风荷载为：

最后，获得支撑杆主杆的风载为：

式中：为支撑杆主杆的风载，kN。

同理，各结构部位16级风载的计算值如表2所示。

1.3 倾覆力矩和稳定力矩

天线支撑杆结构在风载荷下的倾覆力矩为支撑杆、天线1、天线2、天线3的倾覆力矩之和，即：

天线支撑杆结构在重力作用下会产生稳定力矩，计算公式为：

表1 主要材料力学参数

表2 风荷载的计算值

2 构建仿真模型

根据支撑杆结构的特征尺寸参数，建立天线支撑杆结构的仿真模型，在支撑杆的底部构建水泥墩和地面，如图2所示。支撑杆为钢管结构考虑选用BEAM188单元；天线1、天线2和天线3结构不是分析的主要问题，选用Mass21单元；水泥墩作为一个实体，选用Solid186单元；地面可选用SHELL181单元。模型主要受到风荷载和结构自重的作用，将表1中的风荷载施加到各结构中，并对结构施加重力加速度。各结构材料力学性能的选取同表1。其中，地面结构和水泥墩底面的接触设定为摩擦接触，地面结构为目标面，水泥墩底面为接触面。地面和水泥墩均为混凝土结构，摩擦力系数可选取0.6。

水泥墩可选取水泥方墩和水泥圆墩两种形式。水泥方墩为长方体，其截面是宽度为参数的正方形，高度为参数1。水泥圆墩为圆柱体，其直径为参数，高度为参数H。

图2 支撑杆结构网格图

3 仿真结果与讨论

3.1 网格尺寸的设定

仿真模型中涉及到地面和水泥墩底面的摩擦接触，接触面的网格尺寸影响到计算的精度和时间。选取水泥方墩的宽度为1000 mm，高度1为500 mm。将摩擦接触面的网格尺寸分别设定为10～100 mm之间的不同尺寸，提取计算结果中的翘起高度和计算时间，得到的曲线如图3所示。从图3中可看出，随着网格尺寸的减小，翘起高度收敛于0.0055 mm处。当网格尺寸减小到一定值，计算的精度不再增加，而计算的时间呈指数性增加。根据计算结果分析，仿真模型的接触面网格尺寸可设定为25 mm，即可满足计算的精度，又可保证合理的计算时间。

图3 接触面网格划分不同尺寸的计算结果

3.2 水泥方墩的仿真结果

根据上文得水泥方墩的宽度为1000 mm，高度1为500 mm，摩擦接触面的网格尺寸设定为25 mm。经仿真模拟计算，得到天线支撑杆结构的变形图如图4所示。从图中可以看出，该工况下支撑杆的最大变形为28.9 mm。已知天线杆的高度为4.22 m，允许的最大变形要小于结构高度的1%，即42.2 mm。因此，该工况下支撑杆的变形值满足结构的设计要求。图5为水泥墩底面与地面接触面的变形值，从图中可以看出，接触面的变形值为0.0055 mm，数值极小，可以认为水泥墩底面与地面不发生脱离，即天线支撑杆结构不发生倾覆。

选取12种不同尺寸的水泥方墩，分别对其进行仿真计算，计算结果如表3所示。从表中可以得出，方墩1、方墩2、方墩5和方墩9四种方墩起翘高度值和最大变形值极大，可以认为在16级风载作用下发生了倾覆现象。方墩4、方墩8、方墩11和方墩12四种方墩的质量超过1.5 t，不符合设计的要求。根据以上分析，仅方墩3、方墩6、方墩7和方墩10满足结构设计的要求。最后对比四种方墩的质量，方墩6的质量为920 kg，是四种合格方墩中质量最轻的。因此，在12种方墩中方墩6最符合设计要求。

图4 天线支撑杆的变形图

图5 接触面的变形图

3.3 水泥圆墩的仿真结果

同样选取12种不同尺寸的水泥圆墩，分别对其进行仿真计算，得到的计算结果如表4所示。从表中可以得出，方墩1、方墩2、方墩5、方墩6、方墩9和方墩10六种圆墩的起翘高度值和最大变形值极大，在16级风载作用下明显会发生倾覆。方墩8和方墩12四种方墩的质量超过1.5 t，不符合设计的要求。根据以上分析，仅方墩3、方墩4、方墩7和方墩11满足设计的要求，最后比较四种圆墩的质量，方墩3的质量为780.7 kg，是4种合格圆墩中质量最轻的，因此，在这12种圆墩中圆墩3最符合设计要求。

表3 水泥方墩的计算结果

表4 水泥圆墩的计算结果

对比水泥方墩6和水泥圆墩3的计算结果，方墩6和圆墩3的起翘高度值分别为0.035 mm、0.526 mm，方墩6的起翘高度远远小于圆墩3；方墩6和圆墩3的最大变形值分别为28.4 mm、31.48 mm，方墩6的最大变形微小于圆墩3；方墩6和圆墩3的质量分别为920 kg、780.7 kg，方墩6的质量比圆墩3多17.8%。尽管圆墩3比方墩6更轻，但方墩6的抗倾覆能力更好。综合考虑，选择方墩6更合适于该工况。

4 结论

本文以天线支撑杆结构为研究对象，采用有限元软件进行支撑杆结构的抗倾覆分析，可得出以下结论：

（1）本文的方法能够获得满意的计算仿真结果，能够明显分析出结构的倾覆状态。

（2）通过获得的计算结果对比支撑杆结构的设计要求，可以筛选出最符合设计要求的水泥墩。

进一步研究本文方法和结构优化设计相结合，可以获得更优化的水泥墩形式。

[1]周奇才，周在磊，李文军，等. 2500t环轨式起重机抗倾覆稳定性分析[J]. 机械设计与研究，2012，28（4）：108-112.

[2]魏焱焱. 基于ANSYS的塔式起重机抗倾覆稳定研究[J]. 中国特种设备安全，2020，36（1）：30-35.

[3]郝付军，黄阿岗. 基于可靠度反分析的悬臂施工倾覆计算方法[J]. 河南科学，2017，35（10）：1661-1666.

[4]田海波，方宗德，周勇，等. 轮腿式机器人倾覆稳定性分析与仿真[J]. 系统仿真学报，2009，21（13）：4032-4037.

[5]冯大成. 某型天线车抗倾覆能力的计算与检验[J]. 电子机械工程，2011，27（2）：28-30.

[6]黄翀，谭跃虎，袁恒丰，等. 一种改进的水泥土支护结构抗倾覆验算方法[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版），2003，4（2）：60-62.

[7]高瑞霞，张健，李季，等. 独立式塔吊基础抗倾覆稳定分析[J]. 世界地震工程，2005，21（2）：155-158.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范：GB 50009－2012 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[9]国家质量监督检验检疫总局. 起重机设计规范：GB/T 3811－2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[10]蒋俊，曾京. 横风作用下高速列车制动特性研究[J]. 机械，2013，40（10）：15-18.

[11]刘小会，严波，林雪松，等. 500kV超高压输电线路风偏数值模拟研究[J]. 工程力学，2019，26（1）：244-249.

[12]公衍军，杨东晓. 基于Simpack的车辆侧风安全性仿真计算方法[J]. 机械，2016，43（2）：56-59.

[13]武岳，陈波，沈世钊. 大跨度屋盖结构等效静风荷载研究[J]. 建筑科学与工程学报，2005，22（4）：27-31.

Anti-Overturning Simulation Analysis of Antenna Support Bar

XU Xingsheng，SONG Bing，HAN Xin，WANG Sen

( Mechanical Design Center, The 22nd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Qingdao 266107, China)

To study the anti-overturning problem of the antenna support bar under wind load, the FEM analysis software is applied to establish the simulation model. The anti-overturning effect of the cement pier on antenna support bar is analyzed under 16 degree wind load. The effect of the contact mesh size on the accuracy of the calculation result is discussed. The anti-overturning effect of the square cement pier and the columnar cement pier with different size is discussed. The results indicate that the size of the cement pier has a significant effect on the anti-overturning of antenna support bar. The cement pier that meets the design requirements is selected by comparing the results of several working conditions. The method proposed is applicable to the anti-overturning problem of the antenna support bar, and provides reference for the structural design of the same type of the antenna support bar.

anti-overturning；wind load；antenna support bar；simulation analysis

TP18

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.005

1006-0316 (2022) 01-0031-06

2021-05-11

电波环境特性及模化技术重点实验室基金（A172001Z10）

徐兴盛（1988－），男，山东青岛人，硕士，工程师，主要从事结构设计工作，E-mail：js2017@crirp.ac.cn。