CC BY
108
Останкинской телебашне в Москве 45 лет
В.И.Травуш
История проекта. Останкинская телевизионная башня в Москве высотой 540,1 м была сдана в эксплуатацию 45 лет тому назад. 5 ноября 1967 года был подписан акт Государственной комиссии о ее приемке. В течение нескольких лет она являлась самым высоким свободно стоящим сооружением в мире. Строительство башни было связано с необходимостью создания общесоюзного телевизионного центра, способного обеспечить вещание по четырем черно-белым и одной цветной программам с возможностью непосредственного приема телевизионного сигнала на площади радиусом 120 км, чтобы население Москвы и Московской области могло принимать передачи общесоюзного телевизионного центра без ретрансляции.
Проектирование телебашни началось в 1956 году с разработки ГСПИ Минсвязи СССР технологической части проекта телевизионных антенн, которые должны были располагаться на 500-метровой опоре. В этом же году ЦНИИПСК разработал проект опоры в виде стальной мачты с растяжками, но он не был одобрен. Затем свою стальную конструкцию опоры создала киевская «Проектстальконструкция». Все проекты рассматривались в марте 1958 года на заседании Строительно-архитектурного совета АСиА СССР, в ходе которого Н.В.Никитин предложил соорудить опору телевизионных антенн в виде башни из монолитного предварительно на-
Сотрудники отдела по проектированию Останкинской телебашни ЦНИИЭПим. Б.С.Мезенцева:Д.Дмитриев, В.Милашевский, А.Гоухберг, Ю.Климов, Н.Никитин, В.Травуш, Т.Пашкова, Э.Гофман, Н.Трусова, Г.Васильева, А.Юрин
пряженного железобетона. Тогда же в марте Моспроект, где в то время работал Никитин, получил от Госстроя СССР задание в трехдневный срок представить проект опоры антенн в виде предварительно напряженной железобетонной башни. После рассмотрения нескольких проектов башни в МГК КПСС три макета опоры антенн были выставлены в Манеже и показаны членам ЦК КПСС во главе с Н.С.Хрущевым. Докладывал председатель Госстроя СССР В.А.Кучеренко, который сказал, что Госстрой остановил свой выбор на железобетонной башне, и представил Никитина как автора проекта. Этот выбор был одобрен, и в сентябре 1958 года Моспроект выпустил проектное задание на проектирование телевизионной башни высотой 508 м за подписью главного инженера проекта А.Н.Кондратьева, архитекторов Л.И.Баталова, Д.И. Бурдина и инженера Н.В.Никитина. Первоначально предполагалось расположить башню в Черемушках, однако в связи с близостью аэропорта Внуково и проходящими в этом районе трассами самолетов было принято решение в пользу Останкина. 27 сентября 1960 года началось бетонирование фундамента башни1.
Конструкция башни. Башня состоит из железобетонной оболочки высотой 385,6 м и стальной опоры антенн высотой 154,5 м. Ее фундамент в виде десятиугольной кольцевой плиты толщиной 3 м с шириной кольца 9,5 м и средним диаметром 60 м заглублен на 3,5 м от поверхности земли. Он опирается на слой моренных суглинков толщиной 4-5 м, под которыми залегают пески и супеси. На фундамент башня опирается десятью наклонными опорами, которые на отметке 17,3 м переходят в коническую железобетонную оболочку. Эта оболочка имеет два уклона: сначала 38% до отметки 43 м и затем 23% до отметки 63 м, где ее наружный диаметр составляет 18,2 м. Между отметками 63 и 311 м выполнена коническая оболочка с уклоном 2%, выше, до отметки 385,6 м, - цилиндрическая с наружным диаметром 8,2 м. В нижней конической оболочке толщина стенок - 500 мм, далее 400 мм и в цилиндрической оболочке - 350 мм. Железобетонная оболочка, сооруженная из монолитного бетона марки по прочности на сжатие М400 и по морозостойкости Мрз500, армирована вертикальной и горизонтальной арматурой из стали 35ГС класса А-Ш. Для предотвращения появления горизонтальных трещин в железобетонной оболочке ствола башни ее стены обжаты предварительно напряженной канатной арматурой из 149
1 В 1970 году Н.В.Никитин, Д.И.Бурдин, Б.А.Злобин, М.А.Шкуд, Л.Н.Щи-пакин были награждены Ленинской премией за проект Останкинской телевизионной башни в Москве.
116 4 2012
канатов диаметром 38 мм, каждый из которых натянут на усилие 72 т. Канатная арматура располагается открыто, внутри ствола башни на расстоянии 2-5 см от железобетонной стенки. В нижней конической части башни канаты с помощью специальных анкеров крепятся в специальных кольцевых диафрагмах на отметках 43 и 63 м. Внутри ствола на восьми уровнях предусмотрены кольцевые консольные диафрагмы для закрепления верхних концов канатной арматуры на отметках 195, 237, 258, 279, 300, 321, 357 и 385 м. Анкеровка канатов осуществлялась с помощью гильзоклиновых анкеров.
Металлическая наружная часть башни высотой 154,5 м, являющаяся опорой технологических антенных устройств, выполнена из цилиндрических стальных тонкостенных оболочек диаметром 4, 3, 2,6, 1,72, 0,72 м и призматической оболочки со стороной 0,186 м. Между собой оболочки соединены сваркой на монтаже с помощью специальных конических переходов. Для закрепления нижней цилиндрической оболочки диаметром 4 м в железобетонном стволе ее нижняя часть заводится внутрь его на 10,4 м и крепится в диафрагмах, расположенных на отметках 375,1 и 385,6 м. Верхняя диафрагма выполнена в виде кольцевого утолщения ствола до 2 м с высотой 1,5 м. Для пропуска стальной антенной опоры внутрь железобетонного ствола до отметки 375,1 м в центре диафрагмы предусмотрено отверстие диаметром 4,2 м. По периметру отверстия замо-ноличены закладные детали из стальных листов с мощными анкерами. Зазор между частью стальной опоры и железобетонной диафрагмой замоноличен бетоном на мелком гранитном щебне. На эту диафрагму установлены 24 ребра с шагом 150 , на них передается вся вертикальная нагрузка от стальной опоры. Горизонтальная нагрузка от изгибающего ветрового момента, возникающего в основании стальной опоры, передается на эту и нижнюю диафрагмы. Нижняя диафрагма представляет собой металлическое кольцо из стального листа толщиной 20 мм, которое крепится сваркой к стальной опоре антенн и к мощной закладной детали, заделанной с помощью анкеров в железобетонный ствол.
Значительная часть внутреннего объема железобетонного ствола занята стальной пространственной решетчатой конструкцией, в которой размещаются шахты четырех скоростных лифтов, кабелей связи, силовых кабелей, фидеров, стояков водопровода и канализации, пожарной лестницы. Между отметками 353,6 и 375,1 м размещены пять этажей машинных отделений лифтов.
На высоте 117-151 м в пространстве между шахтами и внутренней поверхностью железобетонной стенки ствола находятся девять этажей, из них восемь отапливаемых служат аппаратными радиорелейной связи. Стальные конструкции шахт по периметру утеплены пеностеклом.
Стальная пространственная конструкция шахт разделена по высоте на десять участков. Нижний участок в виде железобетонного цилиндра, расположенный в отметках 6,8 -63,1 м, опирается на отдельный круглый фундамент. Остальные конструкции шахтной клети длиной по 42 или 21 м подвешены
к опорным конструкциям в виде перекрестных систем балок и ферм, опирающихся на кольцевые диафрагмы, служащие для анкеровки канатов. Такое деление кратно модулю 3,5 м - расстоянию между смежными креплениями направляющих лифтов. Через каждые 7 м по вертикали шахта по углам развязана двумя распорками, упирающимися в кольцевые закладные детали на стенке ствола. Это обеспечивает совместность изгибных деформаций железобетонного ствола и шахты лифтов. Секции соединяются с помощью скользящих стыков, которые фиксируют шахту в плане и позволяют ей свободно перемещаться вертикально, что компенсирует разность вертикальных деформаций ствола и конструкции шахты. Через каждые 3,5 м по вертикали шахта имеет горизонтальные связи, на которых устроены площадки из рифленой листовой стали. На них опираются направляющие кабин и противовесов четырех лифтов, защитные асбоцементные трубы высоковольтных кабелей, жесткие фидеры, теплоизолированные водопроводные и канализационные трубы-стояки и другие вертикальные коммуникации.
Наружные обстройки башни расположены между отметками 147-253 м и 323-360 м. Самая крупная кольцевая десятиэтажная обстройка расположена между отметками 323 и 360 м. Она имеет диаметр 18,8 и высоту 37 м. Обстройка расчленена по высоте на две части. Каждая часть имеет свою опорную конструкцию. Нижняя опорная конструкция решена в виде замкнутой кольцевой оболочки, имеющей в плане форму правильного 24-угольника. Снаружи она прикреплена к железобетонному стволу гибкими листовыми подвесками и не передает на него никаких горизонтальных и момент-ных усилий. Верхняя опорная конструкция воспринимает нагрузку от подвешенных к ней пяти технических этажей и перекрытия на отметке 360 м. Между верхней и нижней частями обстройки на отметке 337 м расположена смотровая площадка диаметром 23,1 м, ниже ее на отметках 334, 331 и 328 м - три этажа ресторана.
Механизмы обслуживания. Для ремонтных работ и систематического наблюдения за состоянием внешней и внутренней поверхностей ствола, внешних обстроек, а также технологического оборудования, смонтированного по всей высоте, выполнен комплекс грузоподъемных устройств, обеспечивающих доступ к любой точке поверхности башни. В систему обслуживания входят механизмы различных типов. Каждый механизм предназначен для определенного участка башни, ограниченного конструкциями внешних обстроек или внутренними перекрытиями. Каждая подъемная система представляет собой кольцевую платформу, подвешенную на двух полиспастах к электрическому подъемному механизму, перемещающемуся по кольцевому монорельсу.
На башне создан метеорологический комплекс для дистанционных метеорологических измерений. Метеорологические датчики вынесены на реях длиной 10 м на уровнях 85, 128, 201, 253, 305, 385 м и 5 м на отметке 503 м. Комплекс позволяет получать метеорологическую информацию в ниж-
нем 500-метровом слое атмосферы относительно погодных условий, скоростей ветра и его направлений, температуры воздуха и других атмосферных параметров.
Для расчета сооружения и его отдельных элементов - кольцевого фундамента, наклонных опор, конических оболочек, различных обстроек, стальной опоры антенн и т.д. - на действие вертикальных, ветровых, температурных, гололедных нагрузок, усилий натяжения канатов предварительно напряженной арматуры, монтажных нагрузок от самоподъемного агрегата, монтажных кранов и т.д. были решены различные статические и динамические задачи строительной механики. Для динамического расчета башни на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки была решена задача определения собственных частот и форм колебаний сооружения с учетом его деформированной схемы и разработан алгоритм численного расчета. Расчет башни производился с помощью логарифмической линейки и арифмометра.
Возведение железобетонной оболочки башни производилось секциями по 5,25 м с помощью самоподъемного агрегата, который находился над бетонируемой секцией, а монтаж стальной опоры антенн производился укрупненными секциями весом до 25 т краном, прикрепляемым снаружи к уже смонтированной секции.
За время проектирования и строительства высота телебашни несколько раз изменялась. По первоначальному проекту она составляла 508 м, затем в процессе проектирования увеличилась до 525 м, а уже к окончанию строительства в 1967 году стала 533,3 м. Через несколько лет по новому технологическому заданию башня еще подросла, и в 1973 году ее верхняя отметка достигла 540,1 м.
Наблюдения за конструкциями башни. Еще до возведения фундаментов были заложены глубинные марки бетона на расстоянии 25, 12 и 6 м от поверхности земли под каждой из десяти опор башни. После бетонирования фундамента в 1961 году начались замеры перемещений грунта непосредственно под фундаментом и перемещений глубинных марок бетона. Эти замеры проводятся уже более 50 лет. Осадка основного фундамента - 50-55 мм, при этом крен его составляет 4,56 х 10-4, а отклонение вершины, вызванное креном, равно 24,6 см. После сдачи башни в эксплуатацию там регулярно проводятся и другие измерения. Измеряются уровень грунтовых вод, усилия натяжения в канатной арматуре, ход температурных трещин, скорость ветра, температура стенок железобетонной оболочки, периоды колебаний сооружения и т.д. Приведем данные периодов колебаний для первых трех их форм.
Форма Расчетный период, сек. Период по опытным данным, сек.
1 13,2 11,4
2 4,7 4,7
3 2,8 2,2
Основной период оказался на 14% меньше расчетного. Это объясняется тем, что марка бетона к моменту измерения частот колебаний была выше проектной. Кроме того, на повышение частоты колебаний могли повлиять не учтенные в расчете конструкции, увеличившие жесткость сооружения. Замерялись также отклонения башни и амплитуда ее колебаний. Максимальная замеренная амплитуда верха железобетонной ее части составила 30,4 см, следовательно ускорение колебаний по основной форме на уровне смотровой площадки и ресторана составило 70 мм/сек2, что меньше нормы на ускорения для высотных зданий, составляющей 80 мм/сек2. Поскольку верхняя обстройка башни расположена около узла второй формы колебаний, ускорения по этой форме близки к нулю. По остальным формам колебаний ускорения незначительны. Таким образом, посетители, находящиеся в помещениях ресторана и смотровой площадки, не испытывают неприятных ощущений от действия ветровой нагрузки. Можно также подчеркнуть, что при расчетах башни, выполненных с помощью логарифмической линейки, получены результаты, незначительно отличающиеся от результатов натурных наблюдений.
Под действием солнечного нагрева сечения башни описывают кривую, близкую по форме к эллипсу. На отметке 525 м замеренное температурное отклонение составило 1,8 м.
Чрезвычайная ситуация. 27 августа 2000 года в районе отметки 450 м начался пожар с распространением пламени вниз, потому что вниз падала расплавлявшаяся полихлорвиниловая изоляция фидеров. Пожар удалось остановить в районе отметки 80 м. В результате пожара на внутренней поверхности железобетонного ствола башни произошли взрывообразные отслоения бетона защитного слоя с различной степенью обнажения арматуры, а также температурные трещины. Отслоения бетона происходили участками площадью от 3 до 10 м2 и глубиной от 4 до 6 см. В результате обследования находящихся внутри железобетонного ствола стальных конструкций, к которым крепятся несущие подвески шахтной клети, было обнаружено, что в ряде несущих опорных конструкций повреждения носили катастрофический характер. В остальных металлических конструкциях произошли потеря устойчивости стенок балок, их выпучивание и скручивание полок. Очень сильно была повреждена стальная диафрагма и анкеры закладных деталей на отметке 375,1 м, где крепится нижняя часть стальной части башни. Вследствие огня и падения кабин лифтов значительные повреждения получили почти все балки и подвески шахты. Отклонения подвесок, достигавшие в основном 50, 100, 150 мм, привели к значительной деформации шахтной клети в плане. Большинство канатов предварительно напряженной арматуры потеряли натяжение, провисли или оборвались. Натяжение сохранилось лишь в 20% канатов.
Восстановление и реконструкция башни. Для восстановления поврежденных железобетонных и металлических конструкций был использован комплекс научно-исследовательских работ по наблюдению за напряженно-деформированным состоянием башни, проводимых специализированными
118 4 2012
организациями в течение почти 40 лет с начала строительства сооружения. При реконструкции башни были разработаны специальные технологии восстановления железобетонных и металлических конструкций, учитывающие сложные условия производства работ в стесненном пространстве на большой высоте. Серьезные трудности возникали из-за отсутствия вертикального транспорта внутри башни. Для заделки трещин, а также заполнения повышенной пористости в «слабом» бетоне вместо традиционных эпоксидных и полиуретановых инъекционных составов были использованы низковязкие по-лимеризующиеся композиции на основе метилметакрилата, что позволило значительно увеличить скорость заполнения дефектов в бетоне, глубину проникновения композиции в поровое пространство и трещины бетона и проводить ремонтные работы в зимнее время при температуре до -300С. Были полностью демонтированы, заменены на новые и натянуты канаты предварительно напряженной арматуры.
Особую сложность представляло усиление стальных конструкций, находящихся под нагрузкой. Были разработаны специальные технологические схемы по усилению конструкций в стесненных условиях и при отсутствии возможности их замены. В короткие сроки был выполнен комплекс работ по пассивной и активной противопожарной защите Останкинской телебашни. Построенные и введенные в эксплуатацию скоростные лифты по уникальности значительно превосходят как ее бывшие, так и современные лифты других
Монтаж новых канатов после пожара
высотных сооружений мира. Отсутствие подвесного кабеля связи кабины с машинным отделением компенсируется тремя независимыми системами радиосвязи. Применена система индуктивной передачи электроэнергии для питания оборудования кабины при ее скоростном движении, заменяющая ранее используемые тяжелые, громоздкие, требующие частой подзарядки аккумуляторные батареи. Один из лифтов отличается пожаростойким исполнением и автономным электроснабжением для перевозки пожарных команд. Одновременно с реконструкцией сооружения, созданием новых лифтов осуществлялись работы по модернизации радиотехнического оборудования на базе использования полупроводниковых и цифровых телевизионных и радиовещательных передатчиков. Останкинская телебашня, являясь крупнейшим предприятием телерадиовещания, играет огромную общественную роль в жизни нашей страны. После реконструкции2 она осуществляет эфирную трансляцию на Москву и Московскую область 19 телевизионных и 16 радиопрограмм. В настоящее время на телебашне успешно функционирует более 25 комплексов радиотелефонной, транкинговой, пейджинговой и радиорелейной связи крупнейших отечественных операторов, установлен цифровой телевизионный передатчик, который может одновременно передать восемь телепрограмм первого мультиплекса. В дальнейшем будут установлены телевизионные передатчики второго и третьего мультиплексов.
45 Years Since the Construction of Ostankino Tower.
By V.I.Travush
The article is dedicated to the outstanding structure, a piece of the engineering art - Ostankino Tower. It contains the information about the history of the project, the construction, the service mechanisms and the observation over the tower and the critical situation after the fire that took place in 2000. The author participated in the construction of the tower as a co-designer and in its restoration and reconstruction after the fire.
Ключевые слова: железобетонная оболочка, стальная опора антенн, канатная арматура, стальная пространственная конструкция шахт, метеорологический комплекс, замеры перемещения грунта, усиление стальных конструкций.
Key words: ferroconcrete shell structure, steel antennae support, wire-rope reinforcement, steel spatial construction of shafts, meteorological complex, ground shift measuring, reinforcement of a steel carcass.
2 Лауреатами премии Правительства РФ 2007 года за восстановление и реконструкцию Останкинской телебашни стали: Г.И.Скляр, Е.А.Ильяич, В.А.Орешников, К.В.Головин, А.И.Демьянов, С.А.Винокуров, В.И.Травуш, Ю.В.Максимов, И.А.Болодьян, В.Д.Мучник.
