CC BY
57Юрьев А.Г., акад. РАЕ, д-р техн. наук, профессор, Клюев С. В., проф. РАЕ, канд. техн. наук, доцент,
Клюев А. В., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОТНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛИ
В большинстве случаев исследуемые конструкции имеют стержневую структуру. Работы отечественных и зарубежных ученых были направлены на создание методов расчета такого рода конструкций. Однако, как было показано выше, эти методы не предусматривают современные постановки задач проектирования, исходящие из всеобъемлющего охвата ресурсов материалов путем варьирования их формы и композиции конструкции [1, 3].
Были осуществлены оптимальные проекты лишь отдельных типов гражданских и промышленных сооружений. Сохраняется актуальность проблемы, решение которой приведет к значительному экономическому эффекту. В то же время конструктивное решение не должно создавать дополнительных сложностей в технологических пр оцессах по возведению конструкций р ассм ат-риваемого типа.
Проектные расчеты подразумевают оптимальную форму и оптимальные сочетания материалов. Конструкции со стержневой структурой, как правило, являются статически неопределимыми системами. При малом количестве стержней для их расчета можно применить классические методы - метод сил и метод перемещений. С нарастанием числа стержней эти методы дают усложненное решение, поэтому проектировщики чаще используют метод конечных элементов, а именно, его вариант метода перемещений.
Конструкции рассматриваемого типа являются пространственными решетчатыми конструкциями. Первая в Европе башня для радиовещания спроектирована российским инженером В.Г. Шуховым в 1921 году и построена в 1922 году в Москве. Конструкции башенного типа требуют малой площади застройки, недороги в эксплуатации, хотя и небезопасны для воздушного транспорта.
Вес четырехгранной трубчатой радиобашни при высоте до 200 метров составляет 0,5 - 0,6 т/м, трехгранной - 0,4 - 0,5 т/м. Меньшие значения относятся к низ -ким башням, большие - к высоким. Башни из уголков в 1,5 -1,7 раза тяжелее трубчатых.
В связи с этим и возникает необходимость оптимального проектирования конструкций башенного типа [4].
К конструкциям башенного типа относятся: антенные сооружения, радиобашни, телебашни и т.д. В ряде случаев антенные сооружения на оттяжках не удовлетворяют радиотехническим требованиям и могут выполняться только в виде радиобашен. В соответствии с ра-
диотехническими требованиями радиобашни проектируются либо с изолированным, либо с заземленным основанием. Ширина базы башни назначается в пределах 1/12 -1/17 высоты, ширина верхушки - около 1,5 - 2 м, толщина шпиля - 0,3 - 1,0 м.
Большую группу исследуемых конструкций составляют антенные устройства для телевидения, радиовещания и многоканальной телефонной связи. При передаче средних волн мачта высотой 200 - 500 м может выполнять функции излучателя. В иных случаях башни и мачты служат для размещения на определенной высоте проволочной сети или специальных антенных устройств.
Башни рассчитывают на комбинации нагрузок, дающих наибольшие усилия в элементах или наибольшие перемещения башни. Расчетной схемой при наличии антенной сети является ураганный ветер наиболее невыгодного направления.
Кроме того, башни, поддерживающие антенные сети, рассчитывают на односторонний обрыв всей сети, вызывающий изгиб, или на обрыв половины сети, который создает крутящий момент (аварийный случай). Расчет башни, не несущей антенной сети, упрощается, так как расчетной схемой в этом случае всегда является ветер на угол башни прямоугольного сечения и ветер на грань башни треугольного сечения [2].
Башни принято классифицировать: по количеству граней - трех-, четырех- и многогранные; по конфигурации - без переломов граней по высоте и с переломами граней; по схеме решетки - с треугольной, ромбической, крестовой и другими решетками.
Наибольшее распространение имеют четырехгранные башни. Трехгранные башни менее металлоемки, не требуют устройства диафрагм для обеспечения неизменяемости контура, менее чувствительны к осадкам фундаментов, имеют меньшее число сборочных элементов. В то же время им присущи существенные недостатки. Расположение граней в плане под углом 60° не позволяет применять для поясов стандартные уголки и крестовые сечения из них, усложняются узлы сопряжения элементов.
Многогранные башни тоже уступают четырехгранным по конструктивным и технологическим показателям. Однако, по расходу стали при достаточно большой высоте они могут оказаться более экономичными. Их применяют крайне редко, главным образом в уникальных конструкциях по архитектурным соображениям.
Рис. 1. Конструктивные элементы башни: 1 - пояса; 2 - раскосы; 3 - дополнительная распорка;
4 - распорки; 5 - связи; 6 - шпренгель Основные типы силуэтов башни даны на рис. 2
Основные конструктивные элементы четырехгранной башни с ромбической решеткой приведены на рис. 1. Аналогичную конструкцию имеют грани трехи многогранных башен.
Неизменяемость контура поперечного сечения обеспечивают с помощью диафрагм, которые размещают по высоте башни на расстояниях, в 1,5...2,5 раза превышающих ширину грани башни. Диафрагмы одновременно используют для размещения обслуживающих устройств. Для подъема на площадки сооружают лестницу или лифт. В трехгранных башнях диафрагмы предусматривают только в целях устройства площадок, поскольку контур таких башен неизменяем.
Призматические башни (рис. 2, а) сооружают при небольшой их высоте, например, в осветительных вышках и при больших продольных силах (водонапорные башни). В этих условиях некоторое несоответствие между очертанием башни и эпюрой изгибающих моментов
от ветровой нагрузки несущественно сказывается на повышении металлоемкости конструкций. В то же время изготовление и монтаж призматических башен значительно проще других типов, особенно при габаритных размерах, допускающих перевозку укрупненных отправочных марок.
Пирамидальные башни (рис. 2, б) отчасти сохраняют технологические преимущества призматических башен и имеют более удачные показатели по распределению усилий. Однако малая повторяемость элементов приводит к большому количеству типоразмеров элементов.
Башни с переломами граней по высоте (рис. 2, в, г) включают призматическую и пирамидальную части. С помощью переломов граней можно обеспечить близкое соответствие между конфигурацией башни и эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки, а также повысить архитектурную выразительность сооружения. Однако узлы сопряжения поясов в местах их перелома имеют сложную конструкцию и трудоемки в изготовлении. Обычно предусматривают 1-2 перелома. В телевизионных башнях изменение сечения по высоте достигается не только за счет переломов поясов, но и путем использования двух призматических частей разных размеров. Размеры поперечного сечения верхней призматической части назначают, исходя из условий удобства размещения антенн.
Соединительная решетка обеспечивает совместную работу поясов и воспринимает сдвиг от поперечной силы. В этом состоит ее основная роль и этим, главным образом, определяется ее напряженное состояние. Но, кроме того, при обжатии ветвей продольной силой уменьшаются длины панелей, что сопровождается поворотом раскосов и раздвижкой поясов. Так как распорки препятствуют такой раздвижке, возникают дополнительные напряжения. Их величина и знак зависят от схемы решетки. При рассмотрении вторичных напряжений будем полагать, что элементы решетки соединены с поясами с помощью шарниров.
Учитывая особенности работы различных схем решеток, выбор того или иного типа нужно производить, исходя из габаритов сооружения и конкретных условий эксплуатации, изготовления и монтажа [2].
Ветровая нагрузка оказывает преобладающее, а в ряде случаев доминирующее влияние на работу высотных сооружений. Поэтому их конструктивная форма должна быть назначена с учетом максимального снижения ветровых воздействий. Ветровая нагрузка передается на саму башню и на оборудование, связанное с ней, в связи с чем весьма важно учитывать составляющие этой нагрузки. В телевизионных опорах на башне устанавливаются небольшие антенны метрового или дециметрового диапазонов, на которые передается небольшая часть суммарной ветровой нагрузки, а собственный вес их пренебрежимо мал по сравнению с конструкциями башни. В этом случае элементы башни должны иметь хорошие аэродинамические свойства, так как именно они будут определять общие технико-экономические показатели конструкции.
Опыт проектирования таких башен высотой 200 м показал, что применение трубчатых профилей позволяет в два и более раза снизить металлоемкость конструкций. В вытяжных башнях, как правило, основная доля ветровой нагрузки возникает от давления ветра на газоотводящий ствол, но и в этом случае использование трубчатых профилей позволяет снизить металлоемкость на 15...20%. При проектировании водонапорных и им подобных башен, когда ветровая нагрузка уже не является определяющей, не имеет смысла уделять особое внимание улучшению аэродинамических показателей элементов башни.
Наиболее распространенными типами сечений элементов башни являются круглые трубчатые. Наряду с
Рис. 3. Схемы решеток: а - треугольная; б - треугольная с распорками; в - полураскосная; г - крестовая; д - ромбическая; е - крестоворомбическая
ними применяют также крестовые или коробчатые профили (рис. 4, а, б).
Сечения элементов диафрагм назначают в зависимости от характера и условий работы элемента. Сжатые
Рис. 4. Типы сечений элементов башни
и раскрепляющие элементы выполняют обычно того же профиля, что и основные элементы башни, т.е. трубчатого, коробчатого, крестового сечений. Изгибаемые элементы большей частью проектируют из прокатных швеллеров. Если вертикальные нагрузки на диафрагму велики (например, от газоотводящего ствола вытяжной башни), возникает необходимость в использовании прокатных, а иногда и сварных двутавров.
Элементы шпренгелей выполняют, как правило, из однотипных с поясами и решеткой профилей. Шпренге-ли и связи в нижней части башни выполняют из одиночных прокатных уголков.
Заводские соединения поясов выполняют только при помощи сварки. Соединения трубчатых элементов одинакового диаметра производят сваркой встык на подкладном кольце или с помощью парных кольцевых накладок. Элементы разного диаметра соединяют сваркой встык через коническую вставку или путем заводки трубы меньшего диаметра и врезанного в нее креста в трубу большего диаметра. Коническую вставку применяют при соединении труб большого диаметра (800... 1400 мм).
Монтажные соединения могут быть фланцевыми, сварными на остающихся подкладных кольцах или встык через врезной крест, с помощью уголковых накладок на высокопрочных болтах. Фланцевое соединение считается достаточно надежным в сопряжении труб диаметром до 400 мм и при растягивающих усилиях, не превышающих 2 МН. Разность диаметров труб в фланцевых соединениях не должна превышать 50 мм.
Заводские и монтажные стыки поясов крестового сечения из прокатных уголков осуществляют при помощи сварки или высокопрочных болтов с помощью уголковых или листовых накладок. Аналогично выполняются монтажные стыки элементов крестового сечения. Заводские стыки элементов крестового сечения осуществляются св аркой встык.
При строительстве башен, особенно телевизионных, широкое применение нашли узловые сопряжения фланцевого типа на болтах. Если размер грани призматической башни или ее верхней части укладывается в габариты железнодорожного транспорта, то целесообразна поставка отправочных марок в виде плоских ферм. В этом случае элементы решетки, расположенные в других плоскостях, крепят при монтаже на болтах. В башнях с ромбической и треугольной схемами решеток примыкание раскосов к поясам можно осуществить с помощью специальных " лап", которые при неб ольших диаметрах раскосов (до 250 мм) и небольших усилиях в них (до 200 кН) можно приваривать непосредственно к торцевой заглушке с внутренним ребром, а в других случаях заводить в прорезь раскоса. По торцам фасонок приваривают кольцевые ребра, раскрепляющие пояс во избежание потери местной устойчивости и воспринимающие усилия от изгибающего момента в месте расположения продольного шва приварки фасонки к поясу башни, который возникает за счет эксцентриситета между швом и осью узла [2].
Примыкание раскосов к поясам крестового сечения также производят на болтах, проходящих через фасонки, приваренные к поясам на заводе. Заводское крепление фасонок к поясам крестового сечения из прокатных уголков осуществляют обычным способом: фасонку одной гр ани б ашни пропускают между уголками пояса, а фасонку смежной грани не доводят до оси и приваривают только к одному из уголков. Если крестовое сечение пояса башни выполнено сварным из листовой стали, то фасонки для крепления раскосов прикрепляют заводскими швами к поясу встык.
Опорный узел позволяет передать на фундамент продольную и поперечную силы. В зависимости от направления ветра продольная сила может быть сжимающей или растягивающей. Сжимающая сила передается непосредственно через опорную плиту, растягивающая -через анкерные болты. Для передачи поперечной силы предусматриваются упоры, которые обычно устанавливаются в плоскостях двух смежных граней с внешних сторон башни. Они выполняются из заделанных в фундамент швеллеров, соединяемых при монтаже с опорной плитой с помощью пластин.
При малых усилиях в опорном узле (до 1000 кН) опорная плита может быть установлена горизонтально с непосредственным креплением к ней анкерных болтов. При больших усилиях необходимы устр ойство анкерных сто -ликов и более четкая передача усилий, что можно обеспечить при установке опорной плиты перпендикулярно оси пояса башни, а анкерных болтов - параллельно ей. Желательно предусмотреть 4 анкерных болта. Если при этом диаметр болтов превысит 90 мм, то следует применить 8 болтов, прикрепив анкерные столики к траверсе в виде врезного креста.
Выводы
1. Тип и конфигур ация конструкций б ашенного типа во многом определяются их назначением и действующими нагрузками.
2. При директивных габаритах башни варьированию подлежат сечения элементов поясов, топология, геометрия и параметры элементов решетки.
3. Типы сечений элементов башни определяются в процессе сопоставления вариантов проекта, исходя из принятого критерия оптимальности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. Статика. / В.Л. Бидерман. - М.: Машиностроение, 1977. - 488 с.
2. Горев В.В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. Специальные конструкции и сооружения: Учеб. для строит. вузов / В.В. Горев. - М.: Высш. школа, 1999. - 544 с.
3. Леонтьев Н.Н. Основы строительной механики стержневых систем / Н.Н. Леонтьев, Д.Н. Соболев, А.А. Амосов. -М.: Изд-во АСВ, 1996. - 541 с.
4. Юрьев А.Г. Основы проектирования рациональных несущих конструкций / А.Г. Юрьев. - Белгород: БТИСМ, 1988. - 94 с.
