CC BY
23
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/
Том 9, №4 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-4.php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/43TVN417.pdf
Статья опубликована 08.09.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Щуцкий В.Л., Коробкин А.П., Шевченко А.С., Стельмах С.А. Исследование работы конических опор линий электропередач в качестве стоек для антенных башенных надстроек // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №4 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/43TVN417.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 624.012.45
Щуцкий Виктор Лукьянович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Россия, Ростов-на-Дону
Академия строительства и архитектуры Профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции»
Кандидат технических наук E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com РИНЦ: http://elibrary.ru/author_profile. asp?id=808135
Коробкин Александр Петрович
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Россия, Ростов-на-Дону
Академия строительства и архитектуры Доцент кафедры «Железобетонные и каменные конструкции»
Кандидат технических наук E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Шевченко Александр Сергеевич
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Россия, Ростов-на-Дону
Академия строительства и архитектуры
Магистрант
E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Стельмах Сергей Анатольевич
ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Россия, Ростов-на-Дону
Академия строительства и архитектуры Доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»
Кандидат технических наук E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Исследование работы конических опор линий электропередач в качестве стоек для антенных
башенных надстроек
Аннотация. Выполнен статический и динамический расчет конструкций антенных опор с тремя типами металлических башенных надстроек в программном комплексе «Selena». На основе расчетов проведен анализ напряженного состояния стоек на воздействие предварительного напряжения арматуры стойки, постоянных нагрузок от собственного веса стойки, веса башенной надстройки и лестничного трапа, и временных нагрузок (ветровой, гололедной, температурной), включая пульсационную составляющую ветровой нагрузки и сейсмическое воздействие. Разработана методика и алгоритм итерационного расчета прочности кольцевого сечения, усиленного железобетонной обоймой, внецентренно сжатых и изгибаемых стоек антенных опор.
Анализ показал, что напряженное состояние стоек антенных опор зависит от типа антенных башенных надстроек, а также районирования нагрузок. При этом наибольшее влияние на напряженное состояние оказывает статическое и пульсационное ветровое воздействие.
Конические стойки, используемые в качестве опор антенных башенных надстроек на территории Ростовской области, в большинстве случаев, не обладают достаточной несущей способностью. Особенно, начиная с третьего ветрового района, эксплуатация антенных опор с первым и третьим типом башенных надстроек не рекомендуется вследствие их недостаточной несущей способности.
Предложены решения по усилению стоек железобетонной обоймой.
Ключевые слова: железобетонные конструкции; кольцевые сечения; предварительное напряжение; расчетная прочность; усиление конических стоек
Значительный опыт производства и эксплуатации центрифугированных опор в России и за рубежом свидетельствует об их достаточной эксплуатационной надежности, чему способствовали многочисленные научно-исследовательские и проектные работы в направлении совершенствования конструкции опор и технологии их изготовления.
Наибольший вклад в теорию расчета и проектирования центрифугированных железобетонных конструкций кольцевого сечения внесли А. С. Дмитриев, В. М. Баташев, Т. Ф. Нагорная, В. Н. Лебедев, А. П. Кудзис, Т. М. Пецольд и др. [1, 2, 3, 4, 5, 6].
В последние годы большое внимание исследованию физико-механических свойств центрифугированного бетона, прочности и деформативности железобетонных опор ЛЭП уделено в работах В. Л. Щуцкого, Д. А. Дедуха, М. Ю. Гриценко, Т. Д. Талиповой [7, 8, 9, 10].
Стойки конические железобетонные центрифугированные согласно ГОСТ 22687.1-85 предназначены для опор высоковольтных линий электропередачи, эксплуатирующихся в I -VII районах по давлению ветра и в 1-У гололедных районах согласно СНиП 2.01.07-85. При использовании их по назначению проявляют хорошие показатели эксплуатационной пригодности и долговечности.
Однако, в недавнее время конические стойки начали массово применяться операторами сотовой связи в качестве опор для металлических антенных башенных надстроек (рис. 1). Башенная надстройка (рис. 2) представляет собой пространственную конструкцию (в большинстве случаев являющуюся пространственной консольной фермой) состоящую из металлических элементов (уголков, труб, швеллеров, круглого проката и т. п.) и предназначена для установки на нее антенно-фидерного оборудования (панельных, секторных, радиорелейных антенн, внешних радиомодулей, фидеров).
Рисунок 1. Использование конических железобетонных центрифугированных стоек в качестве опор антенных башенных надстроек (составлен авторами)
Рисунок 2. Металлическая антенная башенная надстройка с антенно-фидерным оборудованием (составлен авторами)
Конструкции рассматриваемых антенных опор испытывают значительные перегрузки за счет воздействия веса башенной надстройки и антенно-фидерного оборудования, веса лестничного трапа, ветровых, температурных и гололедных нагрузок. В большинстве случаев в результате расчета данных конструкций с навешенным оборудованием максимальный момент стойки в уровне защемления превосходит предельный момент по прочности согласно ГОСТ 22687.1-85. Поэтому для дальнейшей нормальной эксплуатации сооружений необходимо выполнять усиление конструкции стоек.
Проектные организации, специализирующиеся на разработке проектов усиления данных сооружений, выполняют в большинстве случаев упрощенные вычисления, не подкрепленные качественными инженерными расчетами.
В связи с этим возникает необходимость разработки расчета конструкции усиления и типа усиления, который мог бы применяться с высокой надежностью и инженерной обоснованностью.
В данной работе авторами проведен статический и динамический расчет стойки антенной опоры в программном комплексе «Selena» на воздействие следующих нагрузок:
• собственного веса стойки, веса лестничного трапа и башенной надстройки (статич. загр.);
• воздействия давления ветра (статич. загр.);
• гололедной нагрузки (статич. загр.);
• температурных воздействий (статич. загр.);
• воздействия ветровой пульсационной нагрузки (динамич. загр.);
• сейсмического воздействия (динамич. загр.).
В табл. 1 приведены основные комбинации загружений стойки в соответствии с требованиями норм СП 20.13330.2011 и СП 14.13330.2011.
Таблица 1
№ п.п. Нагрузка Коэф. надёжн., уг Коэф< шциенты сочетаний наг рузок
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
1 Собственный вес конструкций антенной опоры 1,05; 1,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,9 0,9
2 Статическая и пульсационная ветровая нагрузка под углом 0° 1,4 1 — — — — 0,25 — — — — 1 — — — — 1 — — — — — —
3 Статическая и пульсационная ветровая нагрузка под углом 45° 1,4 — 1 — — — — 0,25 — — — — 1 — — — — 1 — — — — —
4 Статическая и пульсационная ветровая нагрузка под углом 90° 1,4 — — 1 — — — — 0,25 — — — — 1 — — — — 1 — — — —
5 Статическая и пульсационная ветровая нагрузка под углом 135° 1,4 — — — 1 — — — — 0,25 — — — — 1 — — — — 1 — — —
6 Статическая и пульсационная ветровая нагрузка под углом 180° 1,4 — — — — 1 — — — — 0,25 — — — — 1 — — — — 1 — —
7 Гололедная нагрузка 1,3 1 1 1 1 1
8 Температурные воздействия «+» 1,1 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
9 Температурные воздействия «-» 1,1 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 — —
10 Сейсмическое воздействие вдоль оси Х 1 1 —
11 Сейсмическое воздействие вдоль оси У 1 1
Составлена автором
На рис. 3 приведены характерные эпюры моментов в стойке СК26.2-1.5 от различных воздействий.
Рисунок 3. Изгибающий моменты (кНм) относительно оси У (лестница со стороны точки 2): а - от действия собственного веса и предварительного натяжения арматуры; б - от воздействия наиболее неблагоприятного сочетания нагрузок (ветер по направлению оси у) (составлен авторами)
б
а
а б в
Рисунок 4. Эпюры изгибающих моментов (Н): а - Му от нагрузки «Давление ветра» под углом 45°; б - Ы2 от нагрузки «Давление ветра» под углом 45°; в - Му от нагрузки «Гололед» (составлен авторами)
Наиболее характерные эпюры напряжений в бетонном сечении представлены на рисунке 5 (лестница располагается со стороны точки 2).
а б в
Рисунок 5. Напряжения в бетоне (МПа): а - в точке 2 от собственного веса и предварительного натяжения; б - в точке 1 от наиболее невыгодного сочетания нагрузок (ветер по направлению оси у); в - в точке 3 от наиболее невыгодного сочетания нагрузок (ветер по направлению оси у) (составлен авторами)
Выполнен анализ результатов расчета стойки с тремя типами антенных башенных надстроек, приведенных на рисунке 6.
В таблице 2 отображены 22 конечных элемента железобетонной стойки и конечные элементы башенных надстроек.
Для расчета прочности сечений стойки, усиленной железобетонной обоймой (рис. 7) разработан алгоритм итерационного расчета.
В соответствии с разработанным алгоритмом были проведены численные расчеты определения несущей способности стоек для различных типов антенных башенных надстроек, ветровых и гололедных районов.
Анализ результатов расчета показал, что несущая способность антенных опор с первым и третьим типом металлических башенных надстроек эксплуатирующихся до второго
ветрового района включительно на территории Ростовской области обеспечена, несущая способность стоек со вторым типом металлической башенной надстройки обеспечена для всех ветровых и гололедных районов Ростовской области. Начиная с третьего ветрового района эксплуатация антенных опор с первым и третьим типом башенных надстроек не рекомендуется вследствие их недостаточной несущей способности.
Полученные результаты позволили разработать рекомендации по усилению стоек железобетонной обоймой, представленной на рис. 8. Для каждого типа стойки и различных условий эксплуатации получены параметры обоймы усиления, включающие в себя количество ненапрягаемой арматуры, толщину и высоту обоймы усиления.
а б в
Рисунок 6. 3 типа башенных надстроек: а -1 тип; б - II тип; в - III тип (составлен авторами)
N Гр. 1 тип 2 тип 3 тип
Легенда группы Легенда группы Легенда группы
1 СК26 608/465 СК26 608/465 СК26 608/465
2 СК26 599/458 СК26 599/458 СК26 599/458
3 СК26 590/450 СК26 590/450 СК26 590/450
4 СК26 581/442 СК26 581/442 СК26 581/442
5 СК26 572/435 СК26 572/435 СК26 572/435
6 СК26 562/427 СК26 562/427 СК26 562/427
7 СК26 553/419 СК26 553/419 СК26 553/419
8 СК26 544/412 СК26 544/412 СК26 544/412
9 СК26 535/404 СК26 535/404 СК26 535/404
10 СК26 525/396 СК26 525/396 СК26 525/396
11 СК26 516/388 СК26 516/388 СК26 516/388
12 СК26 507/381 СК26 507/381 СК26 507/381
13 СК26 498/373 СК26 498/373 СК26 498/373
14 СК26 488/365 СК26 488/365 СК26 488/365
N Гр. 1 тип 2 тип 3 тип
Легенда группы Легенда группы Легенда группы
15 СК26 479/358 СК26 479/358 СК26 479/358
16 СК26 470/350 СК26 470/350 СК26 470/350
17 СК26 461/342 СК26 461/342 СК26 461/342
18 СК26 442/327 СК26 442/327 СК26 442/327
19 СК26 435/335 СК26 435/335 СК26 435/335
20 СК26 433/319 СК26 433/319 СК26 433/319
21 СК26 424/312 СК26 424/312 СК26 424/312
22 СК26 415/304 СК26 415/304 СК26 415/304
24 С8240-89 10 Р8732-78 89x 3.5 С8240-898
25 -80х6 С8240-89 10 L8509-93 63x6
26 С8240-89 10 2L63x5, г6 L8509-93 50x5
27 Ь8509-93 50x5 Ь8509-93 63x5 Р8732-78 89x 3.5
28 Ь8509-93 63x5 L8509-93 50x5 в08Т 2590-2006 16
29 Ь8509-93 63x5 Р8732-78 89x 4.0 2L75x6, г6
30 Ь8509-93 50x5 2L50x5, г4 -40х4
31 Ь8509-93 50x5 -4х25 L8509-93 50x4
32 Р8732-78 89x 3.5 L8509-93 50x5 в08Т 2590-2006 16
33 в08Т 2590-2006 16 в08Т 2590-2006 14 -40х4
34 -40х4 в08Т 2590-2006 12 Фиктивная масса
35 Ь8509-93 50x4 -40х4 Абсолютно жесткая связь
36 в08Т 2590-2006 16 L8509-93 50x4 —
37 -40х4 в08Т 2590-2006 16 —
38 Фиктивная масса -40х4 —
39 Абсолютно жесткая связь Фиктивная масса —
40 — Абсолютно жесткая связь —
Составлена автором
Рисунок 7. К расчету конструкции усиления (составлен авторами)
Аь, ^¿ог, - соответственно площадь бетона, площадь ненапрягаемой и
напрягаемой арматуры стойки;
А'ь, А'5,1о1: - соответственно площадь бетона, площадь ненапрягаемой арматуры обоймы усиления.
Рисунок 8. Схема конструкции усиления стойки обоймой (составлен авторами)
Основные выводы
Анализ показал, что напряженное состояние стоек антенных опор зависит от типа антенных башенных надстроек, а также районирования нагрузок.
Стойки, эксплуатирующиеся в качестве опор для антенных башенных надстроек на территории Ростовской области, в большинстве случаев не обладают достаточной несущей способностью.
При этом несущая способность антенных опор с первым и третьим типом металлических башенных надстроек, эксплуатирующихся до второго ветрового района включительно обеспечена. Начиная с третьего ветрового района эксплуатация антенных опор с первым и третьим типом башенных надстроек не рекомендуется за счет недостаточной несущей способности. Несущая способность стоек со вторым типом металлической башенной надстройки обеспечена для всех ветровых и гололедных районов Ростовской области.
Разработана конструкция усиления стоек кольцевой железобетонной обоймой и рекомендации по выбору параметров обоймы усиления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев С. А., Батащев В. М., Деформации (прогибы) железобетонных элементов кольцевого сечения и раскрытие трещин в них. Сборник трудов НИИЖБ" Особенности деформаций бетона и железобетона и использование ЭВМ для оценки их влияния на поведение конструкций". Стройиздат, Москва, 1969, С. 157-189.
2. Баташев В. М., Нагорная Т. CD. Исследования прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения // Реферативный сборник Межотраслевые вопросы строительства. 1969. Вып. 12. ЦНИИС Госстроя СССР.
3. Баташев В. М., Андросов, С. Т., Лебедев В. Н., Нагорная Т. Ф., Расчет прочности изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов кольцевого и круглого сечения // Бетон и железобетон. N5. С. 31-34.
4. Кудзис А. П. О расчете по прочности внецентренно сжатых элементов кольцевого сечения при малых эксцентриситетах. Труды КПИ "Исследования по железобетонным конструкциям" П, Вильнюс, 1969.
5. Кудзис А. П. Железобетонные конструкции кольцевого сечения. Вильнюс: Минтис, 1975. 224 с.
6. Пецольд Т. М. Железобетонные центрифугированные конструкции промышленных зданий и сооружений: Дис. ... док. тех. наук: Минск, 1983. 459 с.
7. Щуцкий В. Л., Дедух Д. А., Гриценко М. Ю. Исследование физико-механических свойств центрифугированного бетона // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», №2 ч.2, 2015. -http://ivdod.ru/uploads/article/pdf/IVD_81_Shucki.pdf_4abcf9232c.pdf свободный. -Загл. с экрана. - Яз.рус., англ.
8. Щуцкий В. Л., Дедух Д. А., Гриценко М. Ю. Планирование эксперимента при исследовании свойств центрифугированного бетона. «Научное обозрение», 2016. №12. С. 89-96.
9. Щуцкий В. Л., Шилов А. В., Талипова Т. Д. Прочность конических опор линий электропередач с учетом ограничений по второй группе предельных состояний // Интернет журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №2 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/29TVN216.pdf.
10. Щуцкий В. Л., Насевич А. С. Методика расчета железобетонных опор ЛЭП по прочности. «Научное обозрение», 2014. - №10. - С. 3.
Schutsky Viktor Lukianovich
Don state technical university, Russia, Rostov-on-Don E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Korobkin Alexander Petrovich
Don state technical university, Russia, Rostov-on-Don E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Shevchenko Alexander Sergeevich
Don state technical university, Russia, Rostov-on-Don E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Stel'makh Sergey Anatol'evich
Don state technical university, Russia, Rostov-on-Don E-mail: shevchenko.zhbk@gmail.com
Study of conical pillars as stands for antenna tower superstructures
Abstract. Performed static and dynamic structural analysis antenna supports three types of metal tower superstructures in the software package "Selena". Analysis based on the calculations of the stress state stands on the effects of prestressing stands, permanent loads self weight of the pillar weight of the tower superstructure and stair ladder, and temporary loads (wind, ice, temperature), including the pulsation component of wind load and seismic effects. The developed technique and algorithm of iterative calculation of the strength of the ring section reinforced concrete clip, eccentrically compressed and bent struts of the antenna supports.
The analysis showed that the stress state stands antenna supports depends on the type of antenna tower superstructures, as well as zoning loads. The greatest influence on the stress state provides static and pulsating wind influence.
Tapered pillar used to support the antenna tower superstructure on the territory of the Rostov region in most cases not have sufficient bearing capacity. Especially since the third wind area antenna supports operation with the first and third type of tower superstructures are not recommended due to their insufficient bearing capacity.
Proposed solutions for strengthening reinforced concrete pillars clip.
Keywords: reinforced concrete structures; the annular cross-section; pre-tension; design strength; strengthening conical pillars
