CC BY
14
Оригинальная статья / Original article УДК 628.35.001.24
DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-2-242-249
Оптимизация конструкций поверхностного фундамента воздушной линии электропередач
© М.А. Магомедов
Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала, Россия
Резюме: Цель работы заключается в изучении конструкции поверхностного фундамента для опор воздушных линий электропередач в сложных инженерно-геологических условиях. Исследованы существующие аналоги, выявлены их недостатки. Рассмотрен опыт строительства опор воздушных линий электропередач с применением поверхностного фундамента в сложных грунтовых условиях с целью повышения устойчивости конструкций. Предложен вариант поверхностного фундамента, повышающего прочность и надежность конструкций. Проектирование поверхностного фундамента производилось с помощью проектно-вычислительной программы SCAD, которая анализирует конечно-элементную модель статических и динамических нагруженных вычислительных схем, осуществляет контроль конструкций на устойчивость, проверку металлических систем на надежность, а также подбор невыгодных комбинаций усилий. Программа базируется на методе конечных элементов с применением в качестве основных неизвестных перемещения и повороты узлов конструкций вычислительной схемы. Рассмотрены два варианта поверхностного фундамента в одинаково сложных грунтовых условиях при одинаковых нагрузках на фундаменты, но разном расположении балок-ригелей. Расчет показал, что в сложных инженерно-геологических условиях при действии максимальных нагрузок наибольшая разность осадок фундамента между двумя вариантами увеличивается в 2 раза. Представлена значимость трудностей решения задач с увеличением безопасности, установленных стратегиями развития электроэнергетики России. Выбраны расчетные модели опор с поверхностным фундаментом, работающих как балки со сложной геометрией. Экспериментальными и аналитическими исследованиями показана действительная эффективность использования поверхностного фундамента.
Ключевые слова поверхностный фундамент, грузовые балки, метод конечных элементов, вертикальная нагрузка, деформация фундамента, площадь опирания
Информация о статье: Дата поступления 26 марта 2020 г.; дата принятия к печати 28 апреля 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 июня 2020 г.
Для цитирования: Магомедов М.А. Оптимизация конструкций поверхностного фундамента воздушной линии электропередач. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020;10(2):242-249. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-242-249
Structural optimisation of shallow foundations for overhead power line
Marsel A. Magomedov
Daghestan State Technical University, Makhachkala, Russia
Abstract: The present work is aimed at studying the design of shallow foundations for overhead power line the towers under complex engineering and geological conditions. The study investigates existing designs and reveals their main shortcomings. In order to increase structural stability in complex soil conditions, the experience of constructing overhead power line towers using a shallow foundation is considered. The proposed shallow foundation option demonstrates increased strength and structural reliability. The shallow foundation design was carried out using the SCAD design software analysing the finite element model of static and dynamic loaded computation schemes, monitoring the structures for stability, checking metal systems for reliability and selecting disadvantageous combinations of forcing. The finite element method on which the software is based uses the movements and rotations of the structural nodes in the computation scheme as the main unknown variables. Two shallow foundation options are considered under equally complex soil conditions with the same loads, but a different arrangement of collar beams. Under complex engineering and geological conditions and the action of
ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 242 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 242-249 242 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 242-249
maximum loads, the calculation showed the greatest difference in the foundation settlement between the two options to increase by 2 times. The significance of the difficulties involved in increasing security of supply established by the development strategies of the electric power industry in Russia is presented. A design models for towers having shallow foundations, operated as beams of complex geometry, was selected. Experimental and analytical studies demonstrated the practical effectiveness of using the identified shallow foundation approach.
Keywords: surface foundation, cargo beams, finite element method, wind load, foundation deformation, cargo area
Информация о статье: Дата поступления 26 марта 2020 г.; дата принятия к печати 28 апреля 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 июня 2020 г.
For citation: Magomedov MA. Structural optimisation of shallow foundations for overhead power line. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(2):242-249. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-242-249
Введение
В связи с развитием энергетики и объемом вводов в эксплуатацию Минэнерго РФ линий электропередачи (ЛЭП) напряжением 110 кВ и выше, одной из важнейших задач является строительство воздушных ЛЭП в сложных инженерно-геологических условиях (обводненные торфяные грунты).
Также одной из основных стратегий развития энергетики России в нормальных и чрезвычайных условиях является обеспечение надежности конструкций и создание безопасных условий работы.
В работе рассмотрена конструкция поверхностного фундамента для опор воздушных линий электропередач в сложных геологических условиях. Исследованы существующие аналоги, отражены их недостатки при применении на производстве.
Предложена конструкция поверхностного (незаглубленного) фундамента для опор воздушных линий электропередач, которая позволит повысить прочность и надежность конструкций1.
Поверхностный (незаглубленный) фундамент (ПФ) - металлическая, железобетонная конструкция, устраиваемая на грунт без заглубления, работающая за счет собственного веса и площади опирания. Фундамент выполнены из железобетонных грузовых балок в виде унифицированных свай Г35-12 с сечением 35х35 см.
Ростверк фундамента представляет собой конструкцию из трех ферм в виде треугольника, собранных из уголков проката: два треугольного сечения и один трапецеи-
дального сечения. Верхние узлы ферм, к которым крепятся башмаки опор, соединены распорками и затяжками, середина ферм соединена распорками. Объемная ферма показана в плане как треугольник, устроенный относительно квадрата или прямоугольника основания. Нижние соединительные узлы плоских ферм выполнены из стальных труб. Все узлы элементов пространственной балки выполнены на болтах2 [1, 2].
При монтаже провода воздушных ЛЭП класса напряжения 110 кВ и выше на опорах используются разные конструкции из опорно-поддерживающих систем, состоящих из фундамента и опоры.
При строительстве больших объемов ЛЭП необходимо привлечение больших материальных и финансовых ресурсов.
В связи с этим экономическая обоснованность строительства ЛЭП остается одной их первоочередных задач. Поэтому повышение прочности конструкции ПФ, а также экономическая обоснованность технических решений приобретает актуальное значение.
Надежность ПФ-конструкций важна при устройстве опор воздушных ЛЭП класса напряжения 110 и выше, т.е. при монтаже одностоечных опор.
Прочность таких опор зависит от способа устройства в грунте. Грунты основания ЛЭП при больших протяженностях неоднородны, в связи с этим по всей трассе наблюдается разброс деформационных и прочностных характеристик.
Повышение устойчивости опор при действии вертикальных нагрузок может быть
1Моховиков Е.С. Влияние лежней на перемещение и устойчивость горизонтально нагруженных опор контактных сетей и линий электропередач: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2018. 24 с. 2Чикишев В.М. Экспериментально-теоретические основы расчета фундаментов из свай повышенной несущей способности в сложных инженерно-геологических условиях: автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. Пермь, 1997. 49 с.
Том 10 № 2 2020
с. 242-249 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate pp. 242-249_
ISSN 2227-2917
(print) 243
ISSN 2500-154X 243 (online)
обеспечено путем применения
поверхностного фундамента (за счет увеличения площади фундамента, оптимальных размеров и рационального расположения грузовых балок)3.
Методы
Проектирование ПФ производится с помощью проектно-вычислительной программы SCAD.
Программа SCAD анализирует конечно-элементную модель статических и динамических нагруженных вычислительных схем, контроль конструкций на устойчивость, подбор невыгодных комбинаций усилий, выбор арматуры ж/б конструкций, проверку на надежность металлических систем.
В базу программы положен метод конечных элементов (КЭ) с применением в качестве основных неизвестных перемещения и повороты узлов конструкций вычислительной схемы [3].
Главная концепция метода КЭ заключается в том, что любое постоянное в определенной сфере значение (например, внутреннее усилие в фундаментной балке, деформация) возможно приближать разрывной моделью, что создается из большого количества кусочно-постоянных функций, определенных в окончательном количестве подобластей (элементов) [4, 5]. В основе данного метода идеализирование системы фигура, адаптированная к использованию данного
способа: модель показана в варианте комплекта тел стержней, пластинок, слоев и т.д., называемых конечными элементами и присоединенными к узлам (рис. 1).
Главная модель метода деформаций выбирается путем наложения в любом узле всех связей, воспрещающих узловые деформации [6]. Конструкция ПФ расчет произведен на 12 нагрузок, из которых 9 являются статическими, а 3 - динамическими.
Динамический расчет ПФ выполнен с использованием разложения по формам собственных колебаний. В динамической нагрузке используется модуль № 21 «Пульсация ветрового потока, определяемый по ПУЭ-7» и расчет произведен по методике, в которой усилие от ветровой нагрузки на конструкцию рассматривается, как сумма статической и пульсационной составляющей ветровой нагрузки [7].
Предметом исследований является напряженно-деформированное состояние фундаментов опор, воспринимающих вертикальную нагрузку, с применением грузовых балок в зависимости от геометрических размеров, количества и высоты приложения нагрузки, распределения давления по поверхности фундамента и подземной части опоры [8].
Рис 1. Расчетная схема Fig. 1. Design scheme
3Усманов Р.А. Слабые водонасыщенные грунты, образованные обводнением лессов, как основания сооружений в условиях республики Таджикистан: дисс. ...д-ра техн. наук. 252 с.
ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 244 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 242-249 244 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 242-249_
Результаты и их обсуждение
1. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена эффективность использования Пф, что позволило уменьшить деформацию и увеличить несущую способность.
2. Применение на практике высоко уплотненных грунтовых подушек при устройстве ПФ.
Трамбованные подушки могут быть выполнены из следующих материалов: песка, гравия, щебня, связного грунта и др. материалов.
Анализ существующих на практике подушек при строительстве ПФ показывает, что наиболее широко используют песчаные подушки.
При выполнении песчаных подушек применяется крупный или средней крупности песок, который отсыпают толщиной не более 30 см и трамбуют до достижения удельного веса сухого грунта в его теле не менее 1,65 т/м3 [9, 10].
3. При разработке метода расчета вертикально нагруженной опоры с ПФ по устойчивости, исходя из практики, рассматривается, как вдавливаемая жесткая балка со сложными геометрическими характеристиками и с двумя коэффициентами постели [7, 11].
4. Расчетные значения коэффициента постели рекомендуется определять: при вдавливании балки через модуль общей деформации грунтов с использованием формулы Шлейхера [12].
5. Показано, что повышение прочности опоры, работающей на вертикальную нагрузку, при увеличении площади ПФ дает значительный эффект, чем при его в исходном положении.
Рекомендованы рациональное расположение и количество балок, исходя из технико-экономического обоснования их применения на практике, т.е. по соотношению «деформационная и несущая способность -расход материала» [13, 14].
i 1
/Ш \ m ----- Ш\
a b
Рис. 2. Поверхностный фундамент из железобетонных грузовых балок Г35-12 в количестве 12 шт: а - конструкция поверхностного фундамента согласнотиповом проекту 11141 тн-т.1; b - конструкция поверхностного фундамента
с увеличением площади опирания и рациональным расположением грузовых балок Fig. 2. Shallow foundations foundation made of reinforced concrete cargo beams G35-12 in the amount of 12 pieces: a - shallow foundations construction according to standard project 11141 tn-t.1; b - shallow foundations construction with increasing area support and rational arrangement of cargo beams
Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917
*
Рис. 3. Перемещения по оси Z поверхностного фундамента из железобетонных грузовых балок Г35-12 в количестве 12 шт согласно типовом проекту 11141 тн-т.1 Fig. 3. Movements along the Z axis of the surface shallow foundations made of reinforced concrete cargo beams G35-12 in the amount of 12 pieces according to the standard
project 11141 tn-t. 1
к
Рис. 4. Перемещения по оси Z поверхностного фундамента из железобетонных грузовых балок Г35-12 в количестве 12шт ПФ с увеличением площади опирания и рациональным расположением грузовых балок Fig. 4. Z-axis movement of the surface shallow foundations from reinforced concrete cargo beams G35-12 in the amount of 12 PCs PF with an increase in the area of support and rational
arrangement of cargo beams
ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 246 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 242-249 246 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 242-249
Выводы
1. Изучена и проанализирована практика проектирования и строительства опор воздушных ЛЭП с применением ПФ в сложных инженерно-геологических условиях для повышения несущей способности и уменьшения деформаций. Показана актуальность проблемы повышения безопасности, определяемая стратегией развития электроэнергетики РФ, а также необходимостью проведения дальнейшего изучения в этой области.
2. Выбраны расчетные модели опор с ПФ, работающих как балки со сложной геометрией, моделируемой с двумя коэффициентами постели.
3. Экспериментальными и аналитическими исследованиями показана действительная эффективность использования ПФ. Были рассмотрены два случая поверхностных фундаментов в одинаковых грунтовых
условиях и с одинаковыми нагрузками на фундаменты [15].
В первом случае конструкция ПФ имеет двенадцать грузовых балок, расположенных в два ряда. Расчет показал, что максимальная разность осадок фундамента в сложных инженерно-геологических условиях при действии максимальных нагрузок составляет 60 мм (рис.1, а и рис. 3).
Во втором случае конструкция ПФ также имеет двенадцать балок-ригелей, расположенных в три ряда с постепенным увеличением грузовой площади и с более рациональным расположением. Расчет такого варианта показал, что максимальная разность осадок фундамента в сложных инженерно-геологических условиях при действии максимальных нагрузок составляет 30 мм, что является в два раза меньше с первым случаем (рис.1, Ь и рис. 4) [16, 17].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Каверина Р.С., Сенькин Н.А. Нормы проектирования поверхностных фундаментов для опор ВЛ и ПС. М., 2010. 31 с.
2. Курносов А.И., Носов И.М., Соколов А.С. Рабочие чертежи № 11141 тн.т 1. Разработка и внедрение малозаглубленных и поверхностных фундаментов для металлических опор 110-330 кВ. М., 1982. 95 с.
3. Фаерштейн В.Д. Об одной возможности определения несущей способности горизонтально нагруженной жесткой сваи в неоднородном грунте. Установка С-832 для статического зондирования грунтов ЦБНТИ Мин-промстроя СССР. 1970. С. 43-48.
4. Ухов С.Б. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов. М.: МИСИ. 1973. 118 с.
5. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра. 1987. 221 с.
6. Барчукова, Т.Н. Расчет основания горизонтально нагруженной сваи-колонны с уши-рением. Киев, 2008. С. 493-499.
7. Буслов А.С., Куппасэми Т. Упруго-ползучий анализ работы горизонтально нагруженных железобетонных свай в связных грунтах // Тр. Х Международного конгресса ФИМ. Са-марканд-Нью Дели, 1986. 46 с.
8. Архангельский М. М. Расчет гибких фундаментов, свай и шпунтовых стенок на действие горизонтальных сил // Тр. НИИЖТа. М., 1952. вып.VIII. С. 95-115.
9. Готман А.Л. Расчет пирамидальных свай на совместное действие вертикальной, горизонтальной и моментной нагрузок // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1987. № 1. - С. 12-14.
10. Грутман М.С. Циприанович И.В., Шпигель
И.Д. Фундамент «Свая с шайбой»: материалы к XXIX науч.-техн. конф. Секция: Основания фундаменты. Киев, 1968. С. 92-99.
11. Маслов Н.Н. Основы механики грунтов и инженерной геологии. 2-е изд. перераб. и доп. М., 1968. 632 с.
12. Пилягин А.В., Казанцев С.В. Смешанная упругопластическая задача расчета грунтового основания в пространственной постановке // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1989. № 4. С. 24-26.
13. Матус Ю.В. Теоретическое определение параметров совместной работы с грунтомос-нования низкого ростверка горизонтально нагруженной одиночной пирамидальной сваи // Вюник Одесьш державноi академИ будiвиництва та арх^ектури. 2000. Вып. 8. С. 126-132.
14. Матус Н.Ю. К расчету горизонтально нагруженной сваи-колонны с низким ростверком-оголовком. Одесса: ООО «ГТ Проект -Украина», 2013 г. 8 с.
15. Федоровский В.Г., Курилло С.В., Кулаков Н.А. Расчет свай и свайных кустов на горизонтальную нагрузку по модели линейно-деформируемого полупространства // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1988. № 4. С. 20-23.
16. Снитко А.Н. Расчет гибких опор в грунтовой среде с изменяющимся коэффициентом постели // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1968. № 3. С. 6-8.
17. Тимофеева Л.М., Гольдштейн В.М., Бере-гий Ю.Г. Модельные испытания группы свай на горизонтальную нагрузку // III Украинская науч.-техн. конф. по механике фунтов и фундамен-тостроению. Одесса. 1997. Т. 1. С. 176-179.
Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917
REFERENCES
1. Kaverina RS, Sen'kin NA. Design standards for surface foundations for overhead line and PS supports. Moscow; 2010. 31 p. (In Russ.).
2. Kurnosov AI, Nosov IM, Sokolov AS. Working drawings no. 11141 tn. t 1. Development and implementation of low-depth and surface foundations for metal supports 110-330 kV. Moscow; 1982. 95 p. (In Russ.).
3. Faershtein VD. On one possibility of determining the bearing capacity of a horizontally loaded rigid pile in an inhomogeneous soil. Installation S-832 for static sounding of soil CBNTI of the Ministry of Industry of the USSR. 1970. p. 43-48. (In Russ.).
4. Ukhov SB. Calculation of structures and bases by the finite element method. Moscow: Moscow Institute of civil engineering; 1973. 118 p. (In Russ.).
5. Fadeev AB. Method of finite elements in ge-omechanics. Moscow: Nedra, 1987. 221 p. (In Russ.).
6. Barchukova TN. Calculation of the base of a horizontally loaded pile-column with broadening. Kiev; 2008. p. 493-499. (In Russ.).
7. Buslov AS, Kuppasemi T. Elastic-creeping analysis of the work of horizontally loaded reinforced concrete piles in connected soils. Tr. 10 Mezhdunarodnogo kongressa FIM. Samarkand-New Deli; 1986. 46 p. (In Russ.).
8. Arkhangel'skii MM. Calculation of flexible foundations, piles and sheet walls on the action of horizontal forces. Trudy Novosibirskogo insti-tuta inzhenerov zheleznodorozhnogo transporta = Proceedings of Novosibirsk Institute of railway transport engineers. 1952;8:95-115. (In Russ.).
9. Gotman AL. Calculation of pyramid piles on the joint action of vertical, horizontal and momentary loads. Osnovaniya, fundamenty i mek-hanika gruntov. 1987;1:12-14. (In Russ.).
10. Grutman MS, Tsiprianovich IV, Shpigel' ID.
Foundation "Pile with washer": materialy k XXIX nauch.-tekhn. konf. Sektsiya: Osnovaniya fundamenty = Materials for the XXIX scientific and technical conference. Section: bases and foundations. Kiev; 1968. p. 92-99. (In Russ.).
11. Maslov NN. Fundamentals of soil mechanics and engineering Geology. Second ed. revised and supplemented. Moscow, 1968. 632 p. (In Russ.).
12. Pilyagin AV, Kazantsev SV. Mixed elastic-plastic problem of calculating the soil base in a spatial setting. Osnovaniya, fundamenty i mek-hanika gruntov. 1989;4:24-26. (In Russ.).
13. Matus YuV. Theoretical definition of the parameters of joint work with a low-growth soil-bearing structure of a horizontally loaded single pyramid pile. Visnik Odes'koi derzhavnoi akademii budivinitstva ta arkhitekturi. 2000;8:126-132. (In Russ.).
14. Matus NYu. To the calculation of a horizontally loaded pile-column with a low height-cover head. Odessa: GT Proekt - Ukraina; 2013. 8 p. (In Russ.).
15. Fedorovskii VG, Kurillo SV, Kulakov NA. Calculation of piles and pile bushes for horizontal loading on the model of linear-deformable half-space. Osnovaniya, fundamenty i mek-hanika gruntov. 1988;4:20-23. (In Russ.).
16. Snitko AN. Calculation of flexible supports in a ground environment with a changing bed coefficient. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 1968;3:6-8. (In Russ.).
17. Timofeeva LM, Gol'dshtein VM, Beregii YuG. Model tests of a group of piles on a horizontal load: III Ukrainskaya nauch.-tekhn. konf. po mekhanike funtov i fundamentostroeniyu = III Ukrainian scientific and technical conference on pound mechanics and pound construction. Odessa, 1997. Vol. 1. P. 176-179. (In Russ.).
Критерии авторства
Магомедов М.А. провел исследования, подготовил статью к публикации и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Contribution
Magomedov M.A. has conducted the study, prepared the article for publication and bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by the author.
ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020 240 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 242-249 248 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _(online)_pp. 242-249
Сведения об авторе
Магомедов Марсель Айдемирович,
аспирант,
Дагестанский государственный технический университет,
367026, г. Махачкала, пр-т Имама Шамиля, 70, Россия,
Ие-таИ: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5517-919X
Information about the author
Marsel A. Magomedov,
Postgraduate Student,
Daghestan State Technical University,
70 Imam Shamil Avenue, Makhachkala 367026,
Russia,
He-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5517-919X
Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917
