CC BY
220
УДК 624.014
ЭФФЕКТИВНОСТЬ АНТЕННЫХ ОПОР, ВОЗВОДИМЫХ НА ОГРАНИЧЕННОЙ ПЛОЩАДИ
Ю. В. Краснощёков
Аннотация. С целью оценки эффективности строительства антенных опор высотой до 50 м на ограниченной площади выполнен анализ мачтовых, башенных и комбинированных сооружений. Конструктивные решения антенных опор привязаны к климатическим и гидрогеологическим условиям г. Омска. В результате сравнения вариантов определены область эффективного применения антенных опор с пригру-женными фундаментами и оптимальная их высота.
Ключевые слова: сооружение, антенная опора, металлические конструкции, при-груженные фундаменты.
Постановка задачи
Широкое распространение сети сотовой радиотелефонной связи требует огромного количества антенн, закреплённых на значительной высоте. В настоящее время антенны размещают на различных высоких сооружениях, а где таких сооружений нет, возводят новые, как правило, стационарные опоры. При стремительном развитии технологии сотовой связи целесообразность строительства стационарных опор, рассчитанных на длительные сроки службы, сомнительна. Всё чаще возникает вопрос о проектировании сборноразборных (инвентарных или перебазируемых) антенных сооружений, которые могут быть отнесены к разряду временных. По сравнению с капитальными сооружениями применение временных опор значительно упрощает формальности, связанные с отведением земельных участков, строительством и эксплуатацией оборудования, в разы сокращает затраты на строительство и улучша-
ет позиции застройщика во взаимоотношениях с подрядчиком.
Поставлена задача разработки эффективных конструкций сборно-разборных антенных опор высотой 35 - 50 м для использования в сети сотовой радиотелефонной связи и размещаемых с определённым количеством антенн на участках площадью не более 100 м2 во 2 ветровом, 7 сейсмическом районах и в геологических условиях, характерных для г. Омска.
Конструкции антенных опор
К конструктивным разновидностям антенных опор относят мачты, башни и комбинированные решения (рис. 1). Мачты, применяемые в настоящее время, разделяют на два типа: стационарные и перебазируемые (перевозные и мобильные) [1]. Подобное разделение характеризуется, главным образом, временем нахождения сооружения на одном месте. Выбор типа мачты по времени эксплуатации в одном месте связан с конструктивным решением опоры и её фундамента.
Рис. 1. Конструктивные решения антенных опор: 1 - мачта с оттяжками через 120° в плане; 2 - мачта с оттяжками через 90° в плане; 3 - башня; 4 - комбинированная конструкция
Мачта состоит из трёх основных частей: вертикального ствола с незначительной изги-бной жёсткостью, трёх и более рядов оттяжек, являющихся упругими опорами для ствола и фундаментов двух видов: центрального, на который опирается ствол, и анкерных, к которым крепят оттяжки.
Схемы мачт принимаются в зависимости от технологических и технико-экономических требований. Для лёгких невысоких мачт (до 100 м) доля ветровой нагрузки на оборудование достигает большой величины - 0,5 и более. При этом оптимальными могут быть любые варианты формы в плане, сечений элементов ствола, прочности стали и т.д. Это затрудняет решение задачи оптимизации и выбора эффективных конструкций.
Следует обратить внимание на оптимальные геометрические параметры мачт, согласно которым угол оттяжек по отношению к стволу должен быть не менее 20°. Выполнение этого требования на ограниченной площади застройки для мачт высотой более 30 м практически невозможно.
Одним из наиболее существенных отличий перебазируемых мачт от стационарных при развёртывании их на неподготовленных площадках является конструктивное решение закреплений ствола мачты и оттяжек. При наличии подготовленных площадок конструкция фундаментов не имеет принципиальных отличий от фундаментов стационарных мачт. При развёртывании мачт на неподготовленных площадках широкое применение в качестве закреплений оттяжек к грунту находят завертываемые анкерные устройства (винтовые сваи). Известны перевозные и мобильные опоры высотой до 100 м, однако при их устройстве обычно обеспечивается свободное (на большой площади) размещение оттяжек.
Из башенных опор наиболее распространены решётчатые конструкции, основными элементами которых являются пояса, раскосы и распорки. В башенных опорах, более массивных, чем мачты, доля ветровой нагрузки на оборудование относительно невелика. Поэтому для них наиболее рациональны треугольная форма в плане, трубчатые элементы и пирамидальная конфигурация. Максимальные размеры сторон основания башни высотой до 50 м не должны превышать 5 м. Это требование характерно для стационарных конструкций с капитальными фундаментами. При незаглубленных или малозаглубленных фундаментах, которые возможны для сборноразборных конструкций, целесообразно более развитое основание башен.
В качестве примера комбинированного решения приведена опора 4 на рис. 1. Такая конструкция в наибольшей степени привлекает внимание разработчиков сборно-разборных антенных опор.
Анализ грунтовых условий и конструкций фундаментов
Антенные опоры любых типов передают нагрузку на грунтовое основание через фундаменты. Грунт крайне неоднородный природный материал, прочностные и деформационные свойства которого чрезвычайно разнообразны. Для их оценки выполняются специальные инженерно-геологические изыскания, которые должны проводиться в соответствии с требованиями нормативных документов с целью определения глубины заложения и размеров фундаментов. Проектирование оснований без соответствующего инженерногеологического обоснования или при его недостаточности не допускается, однако в ряде случаев достаточно руководствоваться общими данными, полученными путём районирования территорий по инженерногеологическим и гидрогеологическим условиям фундаментостроения [2]. Согласно этим данным, в качестве естественного основания фундаментов антенных опор в г. Омске наиболее вероятны глинистые грунты с минимальными значениями основных физических характеристик: угла внутреннего трения ф = 12°, удельного сцепления с = 0,004 МПа и модуля деформации Е = 3,5 МПа.
Проектирование оснований и фундаментов включает обоснованный расчетом выбор: типа основания (естественное или искусственное); типа, конструкции, материала и размеров фундаментов; мероприятий, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций оснований на эксплуатационную пригодность сооружения.
Определяющим является расчёт по деформациям. Расчет деформаций основания временных зданий и сооружений допускается не выполнять, если среднее давление (напряжение о) под фундаментами не превышает расчётного сопротивления сжатию грунтов основания R0, т.е. расчёт сводится к проверке условия о < R0. Расчетное сопротивление можно определить по физическим характеристикам грунтов из табличных значений СНиП. Для временных зданий и сооружений значениями Ro допускается пользоваться для окончательного назначения размеров фундаментов.
Проектом оснований и фундаментов должна быть предусмотрены срезка плодородного
слоя почвы и опирание фундаментов на грунт с установленными характеристиками, а также мероприятия, не допускающие увлажнения грунтов основания, промораживания их в период строительства и обеспечивающие улучшение оснований путём уплотнения или частичной заменой грунтов с неудовлетворительными свойствами. Улучшение свойств грунтов целесообразно в основаниях, сложенных просадочными или пучинистыми грунтами.
Малозаглубленные фундаменты допускается применять для временных сооружений при нормативной глубине промерзания не более 1,7 м. Так как в Омске нормативная глубина промерзания более 1,7 м, следует принимать специальные мероприятия по снижению влияния морозного пучения. Эффективно решение с опиранием фундаментов на мелкие пески, которые используют для замены пучинистых грунтов.
Исходя из изложенного, фундаменты временных антенных опор рекомендуется выполнять заглубленными на 0,5 м, что обеспечит устойчивость сооружения на сдвиг, а для снижения негативного влияния пучения следует
заменить пучинистый грунт мелким песком на
0,5 м ниже подошвы фундамента.
Размеры фундаментов в плане (площадь А) при сжатии силой N принимают из условия А > N/R0. Исходя из анализа свойств грунтов на территории г. Омска, расчётное сопротивление грунта сжатию со значительным запасом можно принять R0 = 0,15 МПа. Минимальную высоту бетонного (железобетонного) фундамента следует принимать не менее 0,6 м из условия заделки анкерных болтов d в бетоне.
Для сборно-разборных антенных опор возможны 2 варианта выдёргиваемых (анкерных) фундаментов: с пригрузом и винтовыми сваями.
Размеры анкерных фундаментов с пригрузом принимаются из условия превышения веса G груза (фундамента) с понижающим коэффициентом надёжности по нагрузке Yf = 0,9 выдёргивающей силы Nd.
Несущая способность винтовых свай, определённая по наиболее неблагоприятным свойствам грунта, достигает Nсв = 160 кН.
Принципиальные решения пригруженных фундаментов антенных опор представлены на рис. 2.
Рис. 2. План и сечение пригруженных фундаментов мачт с оттяжками через 90° в плане и трёхгранных башен
Особенности расчёта антенных опор
Расчёты выполнены в программном комплексе ЛИРА на основное сочетание постоянной нагрузки с ветровой и особое сочетание с учётом сейсмического воздействия.
Ствол мачтовых опор принят из стальных труб 0325x5 мм, определённых из условия
устойчивости. При радиусе инерции сечения i = 0,354 0,32 = 0,113 м гибкость X = 15/0,113 = 133 меньше предельной гибкости Хи = 150 сжатого элемента с расчётной длиной 15 м (расстояние между узлами крепления оттяжек). Площадь сечения ствола А = 50,24 см2 и момент сопротивления сечения № = 403 см3.
В качестве оттяжек приняты спиральные или закрытые стальные канаты с максимальным модулем упругости E = 1,67105 МПа после предварительной вытяжки усилием не менее 60 % разрывного усилия. С целью оптимизации по условию жёсткости мачты (предельное значение горизонтального перемещения верхнего узла мачты xu = H/100, например, при высоте мачты H = 50 м предельное перемещение xu = 50/100 = 0,5 м) варьировался диаметр канатов.
На 2,5 м ниже верхнего узла опоры закреплены антенны общей площадью 5,15 м2 и массой 0,3835 т, на 7,5 м ниже верхнего узла - антенна площадью 1,77 м2 и массой 0,0598 т.
Расчёт ветровых нагрузок выполнен по методике СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Нагрузки складываются из средних и пульсационных составляющих. Нормативные значения средней составляющей Wm приведены к сосредоточенным узловым нагрузкам и определены в зависимости от площади z-го участка Az по формуле Wm = w0kzctAz. Расчётные значения вычислены с коэффициентом надёжности по нагрузке yf = 1,4. Для второго ветрового района w0 = 0,3 кПа; коэффициент kz принят для типа местности А.
Для трубчатых элементов диаметром d и ветровой площадью Ai = dl сначала вычисляли коэффициенты сХм в зависимости от числа
1/2 5
Рейнольдса Re = 0,88d(w0kzyf) 10 при соот-
ветствующих значениях коэффициента kz на средней высоте секции z, а также в зависимости от отношения 0,001/d. Затем определяли коэффициенты cxi = kcxa0 в зависимости от соотношения размеров элементов X = l/d и коэффициента k.
В результате расчёта установлено, что обеспечить жёсткость мачтовых опор с пологими оттяжками через 120° в плане при высоте более 40 м практически невозможно. Поэтому для дальнейшего анализа рассматривались только мачты с пологими оттяжками через 90° в плане.
Для сравнения вариантов разработана трёхгранная решётчатая башенная опора из стальных трубчатых элементов (рис. 1). Башни разной высоты собираются из унифицированных секций высотой по 5 м: 8 нижних секций в виде усечённых пирамид и 2 верхних в виде призм. Размеры треугольных оснований граней пирамидальных секций уменьшались снизу вверх по линейной зависимости: до высоты 10 м от 8,5 м до 5,5 м; до высоты 25 м от 5,5 м до 2,5 м и до высоты 40 м от 2,5 м до 1 м.
Высоту башен изменяли путём снятия верхних секций. В процессе расчёта изменяли по условию прочности и устойчивости только сечения поясов. Каждую секцию собирали из стальных прокатных элементов трубчатого профиля.
По всей высоте башни предусматривали стальную лестницу с площадками и ограждениями из элементов круглого сечения.
На башне закрепляли такие же антенны, что и на мачте. Предусмотрен также пояс фидеров шириной Ьф = 0,1 м.
Аэродинамический коэффициент для решётчатой конструкции башни определяли в зависимости от коэффициента ф = 2A,/Ak < 0,8. Здесь 2А, - суммарная площадь поверхности элементов расчётного участка с увеличением на 15% и Ак - площадь его контура.
Аэродинамический коэффициент плоской конструкции определяли по формуле сх = 2cxfl/Ak. Коэффициенты cxi для профильных элементов лестницы, антенн и лент с фидерами принимали равными 1,4, для элементов лестницы круглого сечения - 1,2. Простран-ственность конструктивной системы ствола учитывали формулой ct = cx(1 + n)k1. Коэффициент п определяли в зависимости от отношения b/h = 0.866 и коэффициента ф. При давлении ветра на ребро башни принимали коэффициент k1 = 0,9.
Для оценки работоспособности опор с крутыми оттяжками через 120° в плане выполнен расчёт на заданные нагрузки опоры комбинированного типа высотой 42 м, проект которой разработан ООО «РАДИОТЕХНИК» (рис. 1.).
Опора представляет собой комбинированную трёхгранную конструкцию из решётчатого ствола призматической формы с базой 1,2 м, закреплённого вместе с оттяжками на общем основании (базе) с длиной стороны 9,54 м. Пояса ствола приняты из трубы 076x4 мм, распорки из уголка 50x5 и раскосы из трубы 040x4. Расстояние между узлами поясов 0,74 м.
Ствол на высоте 24 м и 36 м раскреплён 2 ярусами канатных оттяжек и на высоте 9 м подкосами и распорками из труб 089x4 и 076x4 мм.
Ствол состоит из 14 монтажных секций высотой по 3,04 м, оттяжки 025,5 мм приняты из каната с гибким сердечником, база выполнена из прокатного швеллера №18.
В результате расчёта получено, что максимальное линейное перемещение от нормативных нагрузок верхнего узла опоры на отметке 42 м x = 0,79 м соответствует относи-
тельному прогибу 1/53 > 1/100, т.е. жёсткость опоры при заданной нагрузке не обеспечена. Сравнение вариантов Область эффективного применения антенных опор с пригруженными фундаментами
определяли из сравнения вариантов мачт с оттяжками через 90° в плане и башен высотой 35 м, 40 м, 45 м и 50 м. (табл. 1.)
Таблица 1 - Технико-экономические показатели вариантов
Материалы Мачты при высоте, м Башни при высоте, м
50 45 40 35 50 45 40 35
Сталь, т 4,29 3,28 2,39 1,66 4,46 4,02 3,68 3,44
Железобетон, м3 25,5 25 21,8 10,4 24,85 20,65 16,6 13
Песок, м3 33 33 33 30 21 21 21 21
Для сравнения вариантов приняты объёмы стальных несущих конструкций антенных опор, конструкций железобетонных фундаментов и мелкозернистого песка, которым заменяется пучинистый грунт, характерный для заданного региона. Масса стали определена расчётом антенных опор; масса железобетона фундаментов соответствует весу сборных блоков с размерами в плане 2x2 м и высотой, необходимой для пригруза 3 фундаментов башен и 4 фундаментов мачтовых оттяжек
(размеры блока под ствол мачты 1,5х1,5х0,6 м); масса песка определена из расчёта заполнения приямков по схеме 2.
Для каждого варианта выполнен локальный сметный расчёт по программе «Гранд-СМЕТА». В табл. 2. приведены показатели стоимости на материалы, изготовление и монтаж антенных опор.
В табл. 3. приведены показатели стоимости материалов, изготовления и монтажа на 1 п.м. башенных опор.
Таблица 2 - Стоимость антенных опор, тыс. руб.
Стоимость Мачты при высоте Н, м Башни при высоте Н, м
50 45 40 35 50 45 40 35
Материалов и конструкций 449,83 395,36 290,31 195,89 364,49 321,25 283,9 253,9
Изготовления антенных опор 308,02 256,00 166,63 129,03 229,69 207,03 189,52 177,16
Монтажа 562,56 462,60 338,07 234,99 514,12 459,88 415,79 382,68
Всего с НДС 1194,6 1012,39 741,49 508,44 1036,76 921,73 825,63 751,17
Таблица 3. - Стоимость 1 п.м. башенных опор, тыс. руб.
Стоимость Башни при высоте Н, м
50 45 40 35
Материалов и конструкций 7,29 7,14 7,06 7,25
Изготовления антенных опор 4,59 4,6 4,74 5,06
Монтажа 10,28 10,22 10,39 10,93
Всего с НДС 20,74 20,48 20,64 21,46
Заключение
1. Определяющим на рассматриваемые сооружения является основное сочетание нагрузок (постоянных и ветровых с учётом динамического воздействия ветровых пульсаций).
2. Применение мачтовых (комбинированных) антенных опор с оттяжками через 120° в плане на ограниченной площади (до 100 м2)
3. недопустимо.
4. Возможно применение мачтовых антенных опор с оттяжками через 90° в плане, но
при высоте более 40 м башенные опоры эффективнее.
5. Наиболее рациональны башенные трёхгранные решётчатые опоры из трубчатых элементов с максимально развитым основанием (рис. 1.).
6. По стоимости 1 п.м. оптимальны башни высотой около 45 м.
7. Возможно применение пригруженных фундаментов в виде сборных железобетонных блоков с закладными деталями (рис. 2.), при этом резкого изменения стоимости мате-
риалов и конструкций в пределах высот 35 -50 м не обнаружено.
8. Вместо пригруженных фундаментов может быть эффективным применение винтовых свай в качестве анкерных фундаментов башен (1 - 2 сваи в фундаменте без бетонных ростверков).
Библиографический список
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т.3. Стальные сооружения, конструкции из алюминиевых сплавов. Реконструкция, обследование, усиление и испытание конструкций зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. Редакцией В. В.Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н. П.Мельникова) - М.: изд-во АСВ, 1999. - 528 с.
2. Шестаков В. Н., Тюменцева О. В. Инженерно-геологические и гидрогеологические особенности г. Омска по условиям фундаментостроения // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2006. - Вып. 4. - С. 143 -148.
APPLICATION OF MODEL OF COMPONENT
BAR FOR THE CALCULATION OF FLAG FROM THE GLUED BOARDS
Y. V. Krasnoshekov
The calculation chart of flag from glued boards is presented as a component bar with absolutely hard transversal and resilient - pliable connections of change, which gasket elements are. The method of calculation of beam flag from a tree from wood, made from 3 - 7 layers of boards, is offered, taking into account symmetry in relation to a longitudinal ax. It is set calculations, that it is possible pliability of connections not to take into account in most cases.
Краснощёков Юрий Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций СибАДИ. Основные направления научных исследований - взаимодействие элементов железобетонных конструкций. надёжность конструктивных систем.Количество публикаций - 120.e-mail: uv1942@mail.ru.
УДК 691. 328. 43
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФИБРОНАБРЫЗГБЕТОНА В МОСТО - И ТОННЕЛЕСТРОЕНИИ
В. Е. Русанов
Аннотация. В статье описывается опыт ремонта мостов, строительства и ремонта транспортных тоннелей с использованием технологии набрызгбетониро-вания и применения фибробетона на основе макросинтетической фибры в качестве конструкционного материала.
Ключевые слова: фибробетон, фибронабрызгбетон, фибра, ФБ, ФНБ, мост, тоннель, эксплуатация, ремонт.
Основателем технологии набрызгбетони-рования принято считать американского изобретателя Карла Итена Эйкели (Carl Ethan Akeley), который разработал устройство для нанесения штукатурки (цементного раствора), поступающей под давлением сжатого воздуха в виде сухой смеси по материальному шлангу до сопла (nozzle), где сухая смесь смешивается с водой, подаваемой по другому шлангу. Впервые эта технология была применена в 1907 году при ремонте фасада Музея в Чикаго (Field Museum of Chicago), где работал Эйкели [1].
С тех пор технология набрызгбетонирова-ния в строительстве развивалась и продолжает развиваться уже более 100 лет. Расши-
рились также и области ее применения. Набрызгбетон показал свою эффективность при строительстве, реконструкции и ремонте: гражданских и промышленных зданий и сооружений, берегоукрепительных и других морских сооружений, гидротехнических сооружений, горных выработок промышленного назначения, транспортных тоннелей, мостов и др. [2-5].
Ремонт мостов с использованием набрызгбетона является относительно молодой областью применения технологии. Тем не менее, благодаря своей эффективности, она пользуется большим спросом.
Основные преимущества набрызгбетони-рования при ремонте мостов: возможность
