Author: Горев В.В.
Tags: строительство инженерных сооружений строительство металлические конструкции строительное проектирование издательство высшая школа серия металлические конструкции
ISBN: 5-06-003787-8
Year: 2002
Text
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
ШЮПНЯП11ииЛ11ЛЯИ11НШШЛ1№1ЯтЛиИ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ
КОНСТРУ кии И
И СООРУЖЕНИЯ
31
Под редакцией
заслуженного деятеля науки
Российской Федерации, члена-корреспондента
РААСН, доктора технических наук,
профессора В.В.Горева
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности
«Промышленное и гражданское строительство»
? Москва
«Высшая школа» 2002
УДК 624
ББК 38.5
М54
Аржаков В.Г., Бабкин В.И., Горев В.В., Енджиевский Л.В.,
Зверев В.В., Казарновский В.С., Крылов И.И., Кузнецов А.Ф.,
Митюгов Е.А., Ольков Я.И., Панин А.В., Путилин В.М.,
Пуховский А.Б., Репин А.И., Сабуров В.Ф., Сигаев И.П.,
Сидоров И.В., Собакин А.А., Филиппов В.В.,
Щеглов А.С., Якимец О.П.
Рецензенты:
кафедра «Металлические конструкции и сварка в строительстве» Воронежской
государственной архитектурно-строительной академии (зав. кафедрой—
чл.-корр. РААСН, д-р техн, наук, проф. А. М. Болдырев); д-р техн, наук, проф.
Ю. И. Кудишин (Московский государственный строительный университет)
Металлические конструкции. В 3 т. Т.З. Специальные конст-
М54 рукции и сооружения: Учеб, для строит, вузов; Под ред. В. В. Го-
рева.— 2-е изд., испр.—М.: Высш, шк., 2002. — 544 с.: ил.
ISBN 5-06-003787-8 (т. 3)
В учебнике изложены вопросы конструирования и расчета специальных конст-
рукций и сооружений. Представлены листовые конструкции (резервуары, газгольде-
ры, бункеры, трубопроводы); высотные сооружения (антенные устройства, опоры
высоковольтных линий электропередачи, промышленные трубы, водонапорные баш-
ни, вышки, градирни, морские стационарные платформы, лыжные трамплины, над-
шахтные копры); другие виды конструкций и сооружений (комбинированные и
трансформируемые конструкции, пешеходные мосты, конвейерные галереи, крано-
вые эстакада, гидротехнические конструкции). Рассмотрены дополнительные сведе-
ния для проектирования металлических конструкций: состав и правила оформления
чертежей, технология изготовления металлических конструкций, основы экономики.
Для студентов строительных специальностей высших учебных заведений,
аспирантов и инженерно-технических работников проектных организаций.
УДК 624
ББК 38.5
ISBN 5-06-003787-8 (т. 3)
ISBN 5-06-003697-9
© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2002
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа»
и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства
запрещается.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Третий том курса металлических конструкций «Специальные конст-
рукции и сооружения» является продолжением первых двух томов: «Эле-
менты конструкций» и «Конструкции зданий», однако для читателя, зна-
комого с общими расчетными положениями и основами проектирования
металлических конструкций, это не является помехой для усвоения мате-
риала, Ссылки на текст, рисунки и таблицы первых двух томов лишь до-
полняют и уточняют отдельные положения, которые можно найти в спра-
вочной литературе. Это относится также к основным буквенным обозна-
чениям величин, список которых приведен во втором томе, но он
полностью соответствует нормам проектирования стальных конструкций
СНиП П-23-81*.
Третий том состоит из 25 глав, которые разбиты на четыре раздела.
Нумерация рисунков, формул и таблиц дается отдельно в пределах каж-
дой главы, нумерация ли гературных источников - - общая по разделам.
В первом разделе представлены листовые конструкции. Наиболее
подробно рассмотрены вертикальные цилиндрические резервуары с осо-
бенностями конструктивного оформления и расчетов стенки, днища,
понтона, крыши. Рассмотрены также горизонтальные цилиндрические,
каплевидные и сферические резервуары. В числе газгольдеров перемен-
ного объема представлены мокрые и сухие газгольдеры. Затронуты во-
просы проектирования цилиндрических и сферических газгольдеров по-
стоянного объема. Даны конструкции бункеров с плоскими стенками, си-
лосов, а также висячих бункеров. Уделено внимание наземным и
подземным трубопроводам большого диаметра.
Во втором разделе изложены особенности высотных сооружений, их
общая характеристика, нагрузки и воздействия. Рассмотрены конструк-
тивные схемы, узлы, расчет башенных и мачтовых конструкций. Дано
описание телевизионных башен, радиорелейных линий, радиотелескопов
и антенн космической связи. Представлены вытяжные башни и дымовые
трубы, стальные опоры высоковольтных линий электропередачи, вышки
различного назначения (осветительные, буровые, спортивные и др.), во-
донапорные башни, морские стационарные платформы на континенталь-
ном .-шельфе, башенные градирня, лыжные трамплины.
3
В третьем разделе рассмотрены специальные конструкции (комбини-
рованные, трансформируемые, предварительно напряженные, больше-
пролетные) и сооружения различного назначения, не вошедшие в первые
два раздела: пешеходные мосты, конвейерные галереи, открытые крано-
вые эстакады, надшахтные копры и гидротехнические конструкции (за-
творы, ворота шлюзов).
В четвертом разделе представлены вопросы, без решения которых
нельзя грамотно оформить проект стальных конструкций с учетом требо-
ваний их заводского изготовления и технико-экономического обоснова-
ния. Здесь рассмотрены правила оформления проектов КМ и КМД, тех-
нология заводского изготовления металлических конструкций и основы
экономики.
Главы 1, 2 написаны канд. техн, наук, доц. А.В. Паниным; гл. 3, 4,
5 — акад. РИА, д-ром техн, наук, проф. А.Б. Пуховским; гл. 6, 7, 8 —
чл.-корр. РААСН, д-ром техн, наук, проф. В.В. Горевым; гл. 9 —канд.
техн, наук, доц. А.И. Репиным; гл. 10 — инж. О.П. Якимцом; гл. 11 —
канд. техн, наук, доц. В.И. Бабкиным; гл. 12 — канд. техн, наук, доц.
И.В. Сидоровым; гл. 13 — канд. техн, наук, доц. В.Ф. Сабуровым; гл, 14 и
§ 10.4 — канд. техн, наук, проф. И.И. Крыловым; гл. 15,17 — акад. РА-
АСН, д-ром техн, наук, проф. Я.И. Ольковым; гл. 16 — чл.-корр. РААСН,
д-ром техн, наук, проф, Л.В. Енджиевским;-гл. 18 — д-ром техн, наук,
доц. В.С. Казарновским; гл. 19—чл.-корр. РАН, д-ром техн, наук, проф.
В.В. Филипповым, канд. техн, наук, проф. В.Г. Аржаковым и канд.
техд.наук, доц. А. А. Собакиным; гл. 20 — канд. техн, наук, доц. В.М. Пу-
тилиным; гл. 21 — проф. В.В. Горевым по материалам инж. Л.Л. Лебе-
динского (Справочник проектировщика под ред. В.В. Кузнецова); гл.
22 — канд. техн, наук, доц. Е.А. Митюговым; гл. 23 — канд. техн, наук,
доц. И.П. Сигаевым и канд. техн, наук, доц. А.С, Щегловым; гл.
24 — канд. техн, наук, доц. В.М. Путилиными канд. техн, наук, доц. В.В.
Зверевым; гл. 25 — д-ром техн, наук, проф. А.Ф. Кузнецовым.
Авторы выражают глубокую благодарность чл.-корр. РААСН, д-ру
техн, наук, проф. А.М. Болдыреву и сотрудникам кафедры металличе-
ских конструкций и сварки в строительстве ВГАСА, д-ру техн, наук,
проф. Ю.И. Кудишину, принявшим участие в рецензировании книги. Ав-
торы будут благодарны также читателям, которые сочтут возможным вы-
сказать свои замечания и пожелания по содержанию учебника.
Авторы
РАЗДЕЛ I
ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Глава 1
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Общие сведения
Листовые конструкции представляют собой сплошные тонкостенные
пространственные конструкции в виде различной формы оболочек,
обычно совмещающих несущие и ограждающие функции. Их использу-
. ют для хранения, перегрузки, транспортирования, переработки жидко-
стей, газов и сыпучих материалов.
Классификация листовых конструкций может быть представлена в
следующем виде:
резервуары для хранения и технологической обработки жидкостей
(нефти, нефтепродуктов, масел, воды, сжиженных газов, аммиака, ки-
слот, спиртов и пр.);
газгольдеры для хранения, смешивания и выравнивания состава га-
зов, для регулирования их расхода и давления;
бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов
(руды, угля, песка, гравия, щебня, цемента, сахара и др.);
трубопроводы большого диаметра (D > 0,5 м) для транспортирования
воздуха, газов, жидкостей, размельченных или разжиженных твердых ве-
ществ;
специальные листовые конструкции металлургической, химической,
нефтяной и других отраслей промышленности (кожухи доменных печей,
воздухонагревателей, пылеуловителей, сосуды химической аппаратуры,
защитные оболочки АЭС и т.п.).
По характеру работы листовые конструкции разделяют на надзем-
ные, наземные и подземные; наливные и работающие под внутренним
давлением или вакуумом; находящиеся под действием высокой, нормаль-
ной или низкой температуры; работающие на статическую, знакопере-
менную и ударную нагрузки; работающие в условиях нейтральных или
агрессивных сред.
5
1.2. Особенности листовых конструкций
Соединения элементов листовых конструкций должны удовлетво-
рять требованиям не только прочности, но и плотности. При этом протя-
женность сварных швов в листовых конструкциях примерно в два раза
больше, чем в стержневых конструкциях. Основным типом соединений
листовых конструкций является сварное соединение встык, которое обу-
славливает наименьший расход наплавленного металла и высокую на-
дежность соединения. Для негабаритных листовых конструкций харак-
терно широкое использование автоматической и полуавтоматической
сварки как при изготовлении, так и при монтаже. Для контроля качества
сварных швов используют физические методы.
При изготовлении листовых конструкций применяют специальные
операции: фасонный раскрой листового проката, вальцовку цилиндриче-
ских, конических оболочек и колец, штамповку и вальцовку оболочек
двоякой кривизны, отбортовку и строжку кромок выпуклых днищ и др.
Листовые конструкции работают, как правило, в более тяжелых по
сравнению с другими типами металлических конструкций условиях: они
почти постоянно испытывают значительные напряжения, близкие к рас-
четным сопротивлениям, в зонах сопряжений их элементов возникают
значительные местные напряжения, обусловленные краевым эффектом,
температурными воздействиями, а также большим числом сварных швов.
В условиях двухосного напряженного состояния, которое ограничивает
возможность свободной деформации металла, особую остроту приобре-
тает проблема хрупкого разрушения, в связи с чем стали, применяемые
для большинства листовых конструкций, должны удовлетворять допол-
нительным требованиям по ударной вязкости.
Для листовых конструкций во многих случаях экономически оправ-
дано применение высокопрочных сталей.
В резервуарах для хранения агрессивных жидкостей целесообразно
применение алюминиевых сплавов или биметаллов — стальных листов,
плакированных со стороны агрессивной среды нержавеющей сталью или
никелем. При отсутствии такой возможности внутреннюю поверхность
резервуаров из обычной стали защищают от коррозии перхлорвинило-
вым или другого вида покрытием.
1.3. Основные сведения из теории оболочек
В своем большинстве листовые конструкции являются оболочками
различной формы. Оболочкой называют сплошную конструкцию (или
6
Рис. 1.1. Геометрия оболочек:
а — нормаль и нормальные сечения; б—кривизны нормального сечения
элемент), две ограничивающие криволинейные поверхности которой от-
стоят друг от друга на весьма малое расстояние, во много раз меньшее,
чем прочие размеры. Воображаемую поверхность, равноотстоящую от
обеих ограничивающих поверхностей, называют срединной поверхно-
стью. Геометрическое наименование оболочки определяется формой ее
срединной поверхности (цилиндрическая, сферическая, эллипсоидаль-
ная, торосферическая и т.д.). В частном случае при плоской срединной
поверхности оболочка превращается в пластинку.
Через заданную точку поверхности оболочки с можно провести единственную нормаль
к поверхности сп, а через нее бесчисленное множество плоскостей, нормальных к поверхно-
сти в этой точке (рис. 1.1, а). Плоские кривые аа, ЬЬ и др., образуемые при пересечении по-
верхности нормальными к ней плоскостями, называют нормальными сечениями поверхно-
сти в данной точке. Центром кривизны нормального сечения аа в точке с является точка О
пересечения нормали сп с нормалью е'п’ в предельном положении, когда дуга ес стремится
к нулю. Длина отрезка еО, равная Л, называется pedwjmw кривизны (рис. 1.1,6); величина
\/R~fC — кривизной нормального сечения аа в точке с. Бесчисленному множеству нормаль-
ных сечений аа, hb и др., проходящих через точку поверхности с, соответствует нанормаяи
сп бесчисленное множество центров кривизны, непрерывно заполняющих некоторый уча-
сток этой нормали OiO> (рис. 1.2). Центрам кривизны, расположенным по разные стороны
поверхности, соответствуют разные знаки радиусов кривизны R. Аналогично определяются
знаки для кривизны К. Экстремальные значения радиусов кривизны, определяемые (с уче-
том знака)отрезками еОу и сОз, называютгтавлылшрадиусами кривизны поверхности вдан-
Рис. 1.2. Центры кривизны нормальных сечении
7
ной точке; соответствующие экстремальные значения кривизн —главными кривизнами по-
верхности в данной точке. Их обозначают Rt и R2, Kt и К2. Произведение главных кривизн
КуКг = I/(R\Rt) называют гауссовой кривизной поверхности. Все поверхности делят на три
основных класса — положительной (Kt и К2 одного знака), отрицательной (Л) и К2 разных
знаков) и нулевой гауссовой кривизны (Kt или К2 равно нулю). Например, сферические и
эллиптические оболочки являются оболочками положительной гауссовой кривизны, гипер-
болические — отрицательной гауссовой кривизны, цилиндрические и конические — нуле-
вой гауссовой кривизны.
В оболочках вращения, образуемых вращением произвольной плоской кривой вокруг
оси z-z (рис. 1.3), каждая точка меридиана описывает окружность, плоскость которой нор-
мальна к осн z-z. Меридиан в каждой своей точке является одним из главных сечений по-
верхности. Радиус кривизны меридианаRy,равный eOi, является первым главным радиусом
кривизны поверхности вращения. Параллель с радиусом г, являясь одной из линий кривиз-
ны поверхности, не является одним из главных сечений, таким сечением является кривая К,
центр кривизны которой лежит на нормали в точке с поверхности и одновременно на оси
у-у независимо от формы меридиана. Таким образом, второй главный радиус кривизны R2
равен сОэ- Если <р — угол между нормалью и осью вращения, а г — радиус параллели, то
Л2=г sirup.
В зависимости от отношения радиуса оболочки к ее толщине R !t принято разделять
оболочки на толстостенные, R/t< 20, в теории которых рассматривается трехосное на-
пряженное состояние, н тонкостенные, R/t >20, теория которых основана на рассмотрении
двухосного напряженного состояния.
Применительно к листовым конструкциям большинство оболочек яв-
ляются тонкостенными, для которых характерно безмомешпное двухос-
ное напряженное состояние, за исключением мест скачкообразного из-
менения нагрузки или формы оболочки, где возникают локальные, быст-
ро затухающие при удалении от этих мест (краев), напряжения краевого
эффекта. В частном случае оболочки вращения, находящейся под дейст-
Рис. 13. Оболочка вращения
8
,z
Рис. 1.4. К определении усилий в оболочке вращения
вием осесимметричной нагрузки в безмоментном напряженном состоянии,
действуют только нормальные меридиональные и кольцевые усилия.
Безмоментное напряженное состояние оболочек вращения описыва-
ется уравнением Лапласа, получаемым из рассмотрения равновесия бес-
конечно малой площадки, выделенной двумя меридиональными и двумя
горизонтальными плоскостями (рис. L4)
V,
(1.1)
где JVt и М — соответственно меридиональное и кольцевое усилия;
р — нормальная составляющая внешней нагрузки на элементарной пло-
щадке. Кроме того, рассматривая равновесие вершинной части обо-
лочки, отсеченной горизонтальной плоскостью, перпендикулярной осп
симметрии л-r, получают зависимость для определения меридионального
усилия
ркг — 2лл\1соз[3.
или
У,=рЯ2/2. (1.2)
Кольцевое усилие можно найти из уравнения Лапласа (L1) с исполь-
зованием равенства (1.2)
аг, - одг-яия,). (1.3)
9
Рис. 1.5. Схема конической оболочки
Для определения меридиональных и кольцевых усилии в оболочках
конкретного типа достаточно подставить в равенства (1.2), (1.3) радиусы
кривизны. Соответствующие напряжения при толщине оболочки t будут
равны:
П] = Nx //; о2 = Ы2 /Г.
Для сферической оболочки Л, = Л2 = поэтому
О] = о2 = pr /(It). (1.4)
Для цилиндрической оболочки R\ = <*>; R2 - г, следовательно
Oi = pr /(2t); ст2 = pr/t. (1.5)
Для конической оболочки (рис. 1.5) при Rx = R2 = г /cosP будем
иметь:
a1=^r/(2z cosp); сг2 = pr/(t cosP). (1.6)
Для листовых конструкций в виде оболочек вращения, находящихся
под действием осесимметричной нагрузки, условие прочности определя-
ется выражением
х/<5?-су1о2+<^ <_Ryye, (1-7)
где Gj = A’l /1, с 2 = N2 h — соответственно меридиональные и кольце-
вые напряжения; у. — коэффициент условий работы конструкции, назна-
чаемый в соответствии с требованием СНиП 2.09.03-85 «Сооружения
промышленных предприятий» (см. п. 2.2.3).
При этом абсолютные значения нормальных напряжений не должны
быть больше значений расчетных сопротивлений, умноженных на ус:
Oi < , <з2 < Ryyc. (1.8)
10
Рис. 1.6. Стесненность свободы перемещений при скачкообразном изменении формы
оболочки
В местах возникновения краевого эффекта в сечениях оболочек, кро-
ме меридиональных и кольцевых усилий, определяемых по безмомент-
ной теории, как упоминалось, появляется еще изгиб оболочек, сопровож-
дающийся возникновением изгибающих моментов, поперечных сил и
дополнительных меридиональных и кольцевых усилий. Физическими
причинами возникновения этих усилий могут быть:
• стесненность свободы перемещений точек линии сопряжения и то-
чек прилегающей зоны оболочки под действием нагрузок (рис. 1.6);
• разрыв непрерывности силовых воздействий.
Для определения этих усилий применяется моментная теория оболо-
чек, на основе выводов которой появляется возможность решить задачу о
краевом эффекте обычными методами строительной механики: методом
сил или методом перемещений. Подробнее об этом см. п.2.2.6.
Местные напряжения краевого эффекта в соответствии с действую-
щими нормами проектирования [3] должны быть учтены при расчете лис-
товых конструкций.
Устойчивость оболочек в значительно большей степени, чем у
стержневых конструкций, зависит от их формы, условий закрепления, на-
чальных несовершенств, характера нагрузок; поэтому в практических
расчетах рассматривают отдельно устойчивость цилиндрических, кони-
ческих, сферических и других оболочек.
В частности, условие устойчивости замкнутых круговых цилиндри-
ческих оболочек вращения равномерно сжатых параллельно образую-
щим
0, * УЛ «го 0-9)
11
где Qi — pa vieгное меридиональное напряжение в оболочке; сгсг1 — кри-
тическое напряжение, равное меньшему из значении уЛ,, и cEt / г
(г — радиус срединной поверхности, t — толщина оболочки).
Значение коэффициентов у при 0 < r/t < 300 определяют по формуле
Г R V
у = 0,97 - 0,00025 + 0,95 V-
Е ]t
(1.10)
Значения коэффициентов с принимают по табл. 1.1.
Таблица 1.1. Коэффициенты с
r/t 100 200 300 400 600 800 1000 1500 2500
с 0,22 0,16 0,14 0,11 0,09 0,08 0,07 0,06
Условие устойчивости замкнутых круговых оболочек вращения при
действии равномерного внешнего давленияр, нормального к боковой по-
верхности
(1-П)
где <т2 —- расчетное кольцевое напряжение в оболочке; осг2 — критиче-
ское напряжение, определяемое по формулам:
для оболочек коротких и средней длины при 0,5 < 1/г < 10
& сг2
(1-12)
для длинных оболочек 1/г >20
а„,=<у7/Л; (1.13)
При 10 < 1/г <20 напряжение Осг2 определяют линейной интер-
поляцией (/ — длина цилиндрической оболочки).
Если оболочка укреплена достаточно жесткими кольцевыми ребра-
ми, расположенными на расстоянии s > 0,5г между их осями, то их под-
держивающее влияние учитывается только тем, что длина оболочки при-
нимается равной расстоянию s.
Замкнутую круговую цилиндрическую оболочку, подверженную од-
новременному действию нагрузок, вызывающих осевое и поперечное
сжатие, с небольшим запасом проверяют на устойчивость по формуле
12
-^-+-51. <yr. (1.14)
CT<rI $ cr2
Расчет на устойчивость конической оболочки вращения (см. рис. 1.5)
при действии внешнего равномерного давленияр, нормального к боковой
поверхности, выполняют по формуле (1.11), принимая:
2 = РГт / С Оcr2 = 0’55£Z 1 ГтУП> Гт = (°>9г2 + 0’1Г1)1 С0Ф
Расчет на устойчивость полной сферической оболочки (или ее сег-
мента) при г / / < 750 и действии внешнего равномерного давленияр, нор-
мального к ее поверхности, следует выполнять по формуле
(1-15)
где о =рг/2Г; <scr =Q,\Et/r.
Глава 2
РЕЗЕРВУАРЫ
2.1. Общие сведения, классификация,
назначение резервуаров
Резервуарами называют сосуды, предназначенные для приема, хране-
ния, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов, сжи-
женных газов, воды, жидкого аммиака, технического спирта и других
жидкостей.
В зависимости от положения в пространстве и геометрической фор-
мы резервуары делят на вертикальные цилиндрические, горизонтальные
цилиндрические, сферические, каплевидные, торовые, траншейные.
По расположению относительно планировочного уровня строитель-
ной площадки различают надземные (на опорах), наземные, полузаглуб-
ленные и подземные резервуары.
Тип резервуаров выбирают в зависимости от свойств хранимой жид-
кости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строи-
тельства.
Наибольшее удельное значение в числе хранимых жидкостей имеют
нефть и продукты ее переработки. Во время их хранения происходит ис-
парение и потеря наиболее летучих, самых ценных компонентов. Кроме
прямых убытков это явление оказывает вредное воздействие на окружаю-
щую среду. Потери нефтепродуктов происходят главным образом вслед-
ствие больших и малых «дыханий» резервуаров.
Малые дыхания возникают вследствие колебаний температуры неф-
тепродуктов и газовой смеси над их поверхностью (в газовой «подуш-
ке»), а также колебаний атмосферного давления. Когда давление в газо-
вой подушке становится ниже атмосферного, в резервуаре образуется ва-
куум, что может привести к потере устойчивости корпуса. Для избежания
этого предусматривают дыхательный клапан, через который атмосфер-
ный воздух попадает в резервуар. При повышении температуры увеличи-
вается внутреннее давление и вместе с ним—опасность разрушения ре-
зервуара. Для защиты резервуара от разрыва предусматривают предохра-
нительный клапан, через который газовоздушная смесь, наполненная
парами хранимого продукта, выбрасывается в атмосферу. Чем ниже дав-
14
ление, при котором срабатывает клапан, тем больше потери хранимого
продукта, но дешевле стоимость резервуара вследствие простоты его
конструкции и малой толщины корпуса. Годовые потери от малых дыха-
ний составляют в среднем 0,5-1 % хранимого нефтепродукта.
Большие дыхания происходят при опорожнении и наполнении ре-
зервуара. При опорожнении в резервуар засасывается атмосферный воз-
дух, при наполнении воздух вместе с нарами продукта выбрасывается в
атмосферу. В среднем потери при заполнении резервуара бензином со-
ставляют в зимнее время 0,35 кг/м3 емкости, в летнее время—0,55 кг/м3
за один цикл. Определяющее влияние на потери при больших дыханиях
имеет число циклов наполнения—опорожнения в год (оборачиваемость
резервуара). Это число зависит от назначения нефтехранилищ (перева-
лочные или распределительные) и колеблется в пределах от 12 до 96 цик-
лов в год.
Потери нефтепродуктов можно существенно снизить или даже со-
всем ликвидировать, увеличив расчетное избыточное давление в резер-
вуаре или ликвидировав газовую «подушку», отделив воздушное про-
странство от жидкости путем устройства плавающей едыши или понтона.
Для хранения сырой нефти с низким потенциалом бензина, отбензи-
ненной нефти, керосина, дизельного топлива, мазута и темных нефтепро-
дуктов применяют резервуары, рассчитанные на давление в газовом про-
странстве до 2 кПа. Для хранения бензина и сырой нефти с высоким по-
тенциалом бензина применяют резервуары повышенного давления—до
70 кПа, или резервуары с плавающими крышами (понтонами).
Для хранения больших объемов сжиженных газов применяют гори-
зонтальные цилиндрические и сферические резервуары.
2.2. Вертикальные цилиндрические резервуары низкого
давления
Вертикальные цилиндрические резервуары (рис.2.1) используют при
избыточном давлении в паровоздушной зоне до 2 кПа и вакууме до 0,25
кПа. Эти резервуары имеют плоские днища, изготовленные из стальных
листов тппп^йиой 4—6 мм, и стенки в виде ряда поясов, толщина которых
увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере при-
ближения к днищу. Тип крыши зависит как от вместимости резервуара,
так и от величины внутреннего давления под крышей. На практике наибо-
лее часто применяют конические, сферические и плавающие крыши. Ре-
же используют висячие (шатровые), складчатые крыши.
15
Вместимость вертикальных цилиндрических резервуаров колеблется
от 100 до 120000 м3 и увеличивается по мере разработки противопожар-
ных мероприятий.
При определении оптимальных размеров резервуаров (высоты и диа-
метра) за критерий оптимальности обычно принимают удельный расход
стали, приходящийся на 1 м3 их полезного объема.
Суммарная масса резервуара складывается из масс днища, крыши и
стенки. Она получается минимальной, если масса днища и крыши равна
массе стенки.
В этом случае
где Н—высота резервуара; у,—удельный вес хранимой жидкости,
2?,sv —расчетное сопротивление сварного шва; = 0,8 — коэффициент
условий работы. — коэффициент надежности по нагрузке от гидро-
статического давления жидкости; А — сумма приведенных толщин кры-
ши и дниша. зависящих от объема резервуара (табл. 2.1).
Tati,чина 2.1. Приведенные толщины для резервуаров
I', м’ 2000 4000 : КООО 12090 ; 16000 ; 20000
----------------------------______---------.---------i--------j---------(
А, см 0.9 1,2 1.4 ; 1,6 1,7 I 1,8 |
16
Более совершенным решением при оптимизации параметров резер-
вуаров является решение на основе приведенных затрат по изготовлению
и монтажу конструкций резервуаров. При оптимизации параметров ре-
зервуаров по приведенным затратам высота резервуара несколько снижа-
ется, а диаметр увеличивается по сравнению с оптимизацией по расходу
металла.
При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывают ус
ловие кратности высоты резервуара ширине листов, а длины окружно-
сти — длине листов [5]. Наиболее часто в резервуарах применяют листы
размерами 1500 х 6000; 1800 х 8000; 2000 х 8000 мм, следовательно, вы-
соту резервуаров следует принимать кратной 1490,1790 или 1990мм в за-
висимости от принятого типоразмера листов, а длину окружно-
сти — кратной соответственно 5990 или 7990 мм (с учетом строжки лис-
тов). Разрешается принимать длину окружности, кратной половине
длины листов.
Высота резервуаров, изготовляемых способом рулонирования, обыч-
но не превышает 9 м при 1500 м3,12 м при V< 5000 м3 и 18 м при боль-
ших объемах.
' 2.2.1 .Основания и днища резервуаров
Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на достаточ-
’ но простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого
на них давления. Обычно вначале удаляют растительный слой, засыпают
площадку насыпным грунтом и уплотняют его катками. Поверх насыпно-
го грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнивают ее,
организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего удале-
ния подтоварной воды и отстоя. Уклон выполняют равным 1:50 для ре-
зервуаров вместимостью 10—20 тыс.м\1:75 —для объемов 30—40 тыс.
м3 и 1; 100 для объемов более 50 тыс. м3. Диаметр подушки должен быть
на 1,5-2,0 м больше диаметра днища резервуара. Между днищем резер-
вуара и песчаной подушкой располагают гидроизоляционный (гидрофоб-
ный) слой толщиной около 100 мм. Обычно это смесь песка с жидким би-
тумом, мазутом или нефтью.
Для резервуаров вместимостью 10000 м3 и более по периметру осно-
вания устраивают железобетонное кольцо.
На скальных грунтах устройство оснований иногда сводится к вырав-
ниванию площадки и подсыпки песчаной подушки.
Вокруг резервуара предусматривается устройство ограждений в виде
BJJ1UU, JiiLJiLJDfiroTrT-" или металлических стенок. Их казна-
Т В А -М И j г
iTUVll с-7г- r"i>
ченис — удержать хранимый продукт при вытекании из резервуара в ава-
рийных случаях.
Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от дав-
ления жидкости, поэтому толщину их принимают по технологическим
соображениям удобства и надежности выполнения сварных соединений
и сопротивляемости коррозии. ;
Днище резервуара состоит из четного числа полотен (для возможно-
сти создания уклона), каждое из которых обычно не превышает 12 м по
ширине.
Полотна сваривают из листов размерами 1500 х 6000 мм или 2000 х
х 8000 мм толщиной 5 мм при вместимости до 10000 м3 и толщиной 6 мм
при больших объемах. Сборку и сварку полотен на заводах выполняют на
механизированных станах, где плоскую большеразмерную заготовку
сворачивают в многослойный габаритный рулон, удобный для перевозки
к месту монтажа по железной дороге. Из этого условия масса рулона не
должна превышать 60 т.
Соединение листов полотнищ производят двусторонней автоматиче-
ской сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине
свариваемого металла. Присадочные материалы должны обеспечивать
равнопрочность сварного шва встык основному металлу. Поперечные
стыки полотен днища обычно совмещают в прямую линию. В случаях,
когда применяют разбежку всех или части поперечных стыков, величина
последней должна быть не менее 500 мм.
В резервуарах малого объема допускаются нахлесточные соединения
листов по длинным кромкам с перекрытием 30—60 мм, а для толщин
4—5 мм — по всем кромкам, при условии подгибки листов в местах трой-
ной нахлестки.
На монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна дни-
ща накатывают на подготовленное основание, освобождают от закрепле-
ния и разворачивают в проектное положение. Полотна днища соединяют
внахлест, минимальная величина нахлеста — 30 мм.
Крайние листы (окрайки), составляющие периферийную часть дни-
ща, начиная с резервуаров объемом 2000 м3, делают на 2—3 мм толще
листов средней части днпща, что связано с восприятием окрайками зна-
чительных краевых усилий. Расстояние от края днища (окраек) до стыков
с более тонкими листами центральной части полотен должно быть не ме-
нее 1000 мм. В резервуарах вместимостью более 5000 м3 окрайки делают
значительной толщины, более 10—12 .мм (примерно 0,35 -г-0,5/„), что не
позволяет равномерно сворачивать полотнища в рулон. Поэтому толстые
1
Ряс. 2.2. Днища резервуаров вместимостью 5000 и3 (слева) и 10000 м’ (справа)
окрайки днища поставляют из отдельных листов сегментной формы и
приваривают к основным полотнам внахлест. Соединения окраек между
собой выполняют стыковыми швами на остающихся подкладках
(рис.2.2).
В случае полистовой сборки днища все листы соединяют между со-
бой внахлестку односторонними швами.
2.2.2. Стенки резервуаров
Цилиндрические стенки резервуаров состоят из ряда поясов высотой,
равной применяемой ширине листов (1500,1800 или -000 мм). В резер-
вуарах малой вместимости при толщине листов 4 мм сопряжение поясов
может осуществляться внахлестку как при изготовлении на заводе, так и
на монтаже. Начиная с резервуаров вместимостью 800 м’ толщина листов
для нижних поясов постепенно увеличивается, что отражает увеличение
воспринимаемых нагрузок от столба жидкости. В этом случае все соеди-
нения листов выполняют встык.
19
Стенки резервуаров, как правило, изготовляют на специализирован-
ных заводах и поставляют в виде полотнищ, свернутых в габаритный ру-
лон, удобный для перевозки к месту монтажа по железной дороге.
Стенки в одном рулоне поставляют для резервуаров объемом до
5000 м3. Полотнища стенок резервуаров большой вместимостью постав-
ляют в виде нескольких рулонов, масса которых определяется грузоподъ-
емностью обычных четырехосных железнодорожных платформ (60 т). На
рис. 2.3 представлена стенка резервуара вместимостью 10000 м3. Стенка
состоит из двух одинаковых полотнищ. Длина полотнища дана с припус-
ком 140 мм для образования монтажных стыков. Монтажные швы стенки
варят встык электродами типа Э50А с контролем проникающими излуче-
ниями по всей длине.
В резервуарах значительных объемов расчетная толщина нижних
поясов стенки в случае применения малоуглеродистых сталей оказывает-
ся столь велика, что исключает применение рулонирования полотнищ. В
этом случае оказывается целесообразным использование в нижних поя-
сах стенок высокопрочной стали (полотна стенок, свернутые в рулон, раз-
ворачиваются без заметных пластических деформаций, если толщина
стенки не превышает 18 мм).
Чтобы использовать метод рулонирования для резервуаров больших
объемов с расчетной толщиной стенки большей, чем допустимо техниче-
ским пределом, нижние пояса стенок можно усилить бандажами, сделать
Ркс. 2.3. Полотнище стенки резервуара вместимостью 10000 мэ
20
двухслойную стенку или создать предварительное напряжение обратного
знака путем обмотки стенки высокопрочной проволокой [6].
Бандажи изготовляют из отдельных свальцованных листов, сварен-
ных между собой по коротким сторонам. Их приваривают к усиливаемым
поясам стенки понизу и поверху швом с катетом 4 мм.
Наружный слой двухслойной стенки выполняют в виде нескольких
полотнищ, соединяемых между собой монтажными швами на подклад-
ках. Наружная оболочка приподнята над уровнем днища на высоту 100
мм. Зазор между оболочками порядка 50 мм заполняют бетоном, пере-
дающим напряжение от внутренней стенки к наружной.
Резервуары вместимостью 10000—20000 м3 рулонной сборки показа-
ли себя в эксплуатации вполне надежными. В резервуарах вместимостью
50000 м3 и более наблюдается угловатость монтажного стыка, сопровож-
дающаяся пластической деформацией металла и опасностью развития
малоцикловой усталости. По этой причине, а также в случае отсутствия
над лежащего оборудования, сложностях транспортировки или при нали-
чии других веских причин стенки резервуаров монтируют методом поли-
стовой сборки. Стенку резервуара изготовляют и монтируют из свальцо-
ванных листов одинаковой длины с разделанными на заводе кромками.
Разделка V-образная, Х-образная и К-образная, в зависимости от положе-
ния шва в пространстве и его толщины (рис. 2.4). При монтаже замыкаю-
щий лист каждого пояса обрезают по месту. Расстояние между верти-
кальными стыками стенки и стыками окраек днища должно быть не ме-
нее 200 мм. Сварные швы стенки плотнопрочные с полным проваром по
толщине свариваемого металла с применением повышенных способов
контроля качества швов.
Рис. 2,4. Развертка стенки полистовой сборки резервуара вместимостью 50000м1
21
2.2.3. О6щие положения расчета элементов вертикальных
цилиндрических резервуаров
Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров
рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строитель-
ными нормами и правилами [3], [4], с учетом дополнительных требова-
ний по СНиП 2.09.03-85 «Сооружение промышленных предприятий». В
соответствии с ним стенки и окрайки днищ резервуаров вместимостью 10
тыс. м3 и более, фасонки крыш резервуаров отнесены к 1-й группе конст-
рукций. Ко 2-й группе отнесены стенки и окрайки днищ резервуаров вме-
стимостью менее 10 тыс. м3, покрытия, опорные кольца покрытия и коль-
ца жесткости, центральные части днищ, понтона и плавающие крыши ре-
зервуаров всех вместимостей.
Дополнительно также принимают коэффициенты условий работы ус
равными: для стенок вертикальных цилиндрических резервуаров при
расчете на прочность (нижний пояс — 0,7, остальные пояса — 0,8); для
сопряжения стенки с днищем —1,2; для стенки резервуаров при расчете
на устойчивость — 1; для сферических и конических покрытий распор-
ной конструкции при расчете по безмоментной теории— 0,9.
Коэффициента надежности по нагрузке уу принимают равными: от
избыточного давления и вакуума —1,2; от гидростатического давления
жидкости —1,1; от ветровой нагрузки на вертикальную поверхность ци-
линдрических резервуаров при расчете на устойчивость — 0,5 (при этом
ветровую нагрузку условно принимают равномерно распределенной по
окружности); от снеговой нагрузки на сферические крыши резервуа-
ров—0,7.
Названные нормы не распространяются на проектирование резервуа-
ров: для нефтепродуктов с упругостью паров выше 93,6 кПа при темпера-
туре +20°С; для нефтепродуктов, хранящихся под внутренним рабочим
давлением выше атмосферного на 70 кПа.
2.2.4. Расчет стенки резервуаров на прочность
Стенка резервуара, являясь оболочкой вращения, при действии осе-
симметричной нагрузки находится в безмоментном состоянии, итолько в
зонах краевого эффекта (в частности, в месте сопряжения стенок с дни-
щем) имеет место моментное напряженное состояние.
При воздействии внутреннего равномерного давления р в тонкостен-
ной оболочке возникают меридиональные и кольцевые напряжения и
о2, связанные между собой соотношением (1.1).
22
Основной нагрузкой для стен-
ки вертикального цилиндриче-
ского резервуара является внут-
реннее давление р как сумма гид-
ростатического давления жидко-
сти и давления паровоздушной
смеси (рис. 2.5).
На расстоянии х от днища рас-
четное давление равно
Рис. 2.5. Гидростатическое давление жидко-
сти и избыточное давление паровоздушной
смеси
А = У/(Л ~ *) • Уд + Рй1/р, (2-2)
где yz — удельный вес хранимой
жидкости; h — расстояние до рас-
четного уровня жидкости (обычно предполагается, что резервуар напол-
нен жидкостью до верха стенки и h=H)‘, р0 — нормативное значение из-
быточного давления в паровоздушной среде.
Кольцевое растягивающее напряжение на уровне х
с
Рх Г
(2-3)
в два раза больше меридионального напряжения и поэтому определяет
прочность стенки
поскольку вертикальные швы резервуаров обычно стыковые, в том числе
и замыкающие.
Толщину нижнего пояса стенки определяют на отметке на 300 мм вы-
ше уровня днища (вследствие разгружающего влияния моментного на-
пряженного состояния)
уДЛ-х-ЗОсм)^!^#
--------г, (2.4)
где Yc = 0,7.
Вместе с тем, прочность оболочки вращения, находящейся в безмо-
ментном напряженном состоянии, определяется одновременным воздей-
ствием нормальных напряжений по двум взаимно перпендикулярным на-
правлениям. Поэтому после уточнения толщины пояса по сортаменту
следует вычислить фактические значения <Ti и Oj и выполнить проверку
по формуле (1.7).
23
2.2.5. Расчет стенки резервуара на устойчивость
Стенка незаполненного резервуара может потерять устойчивость под
воздействием вертикальной нагрузки (веса кровли и установленного на
ней оборудования Рр собственного веса вышележащей части стенки Gw
снега р„, вакуумар„ ветровой нагрузки, создающей отсос на крыше ри.) и
равномерного давления нормального к боковой поверхности, создающе-
го сжимающие усилия в кольцевом направлении (вакуум ветровая на-
грузка на боковую поверхность корпуса резервуара p„j).
Суммарное продольное- сжимающее напряжение в стенке равно:
(25)
Ps Y/g =U A =14-5-1,6; A = AoYa> Ya
Pw=%Yw.A Yw/=1,4,
где .y0 — нормативное значение веса снегового покрова; Ц — коэффици-
ент перехода к снеговой нагрузке на покрытие; w0—нормативное значе-
ние ветрового давления; к — коэффициент, учитывающий изменение
ветрового давления по высоте; с — аэродинамический коэффициент;
A₽mm—толщина самого нижнего из наиболее тонких листов стенки; у =
= 0,9— коэффициент сочетания нагрузок.
Суммарное кольцевое сжимающее напряжение
=(А/ + P,)Wr/ (2.6)
где pwf— условный вакуум, которым заменяют ветровое давление на
сУенку резервуара, pwf = 0,5 wekc, twin—среднее значение толщины стен-
ки; п — число поясов стенки.
Ветровое давление на стенку изнутри пустого резервуара с плаваю-
щей крышей осесимметрично, как и ветровое воздействие, создающее от-
сос на крыше.
Условие устойчивости цилиндрических оболочек вращения, равно-
мерно сжатых параллельно образующим, определяют по формуле (1.9),
при этом критическое напряжение с учетом данных табл. 1.1 находят по
формуле
(2.7)
г
Если условие устойчивости не выполняется, следует увеличить тол-
щину стенки. Постановка продольных ребер увеличивает критическое
24
Рис. 2.6. Схема работы кольца жесткости стенки резервуара
напряжение <тсг, но зачастую это оказывается экономически нецелесооб-
разно.
Устойчивость стенки резервуара при действии равномерного внеш-
него давления, нормального к боковой поверхности, проверяют по фор-
муле (1.11) с учетом зависимостей (1.12), (1.13)
Если условие устойчивости не выполняется, стенку укрепляют коль-
цевым ребром жесткости, располагая его на расстоянии s > 0,5г от днища
резервуара. Повторный расчет выполняют, подставляя в формулу (1.12)
значения з и !— s вместо / (рис. 2.6).
Если условие устойчивости не будет выполняться после постановки
одного кольца жесткости, ставят второе кольцо жесткости или увеличи-
вают толщину верхних поясов.
Кольцо жесткости устраивают из неравнобокого уголка, приваренно-
го к стенке большим пером, или из швеллера, либо составного сечения.
Чтобы кольцо жесткости выполняло свою функцию, его условная гиб-
кость должна быть
f Е <6,5. (2.8)
Кроме того, кольцевое ребро само должно быть проверено на устой-
чивость в своей плоскости как сжатый стержень при расчетной длине
lgf= 1,8г на воздействие силы Nk (рис.2.6)
(2.9)
25
Стенку резервуара, подверженную одновременному действию нагру-
зок, вызывающих осевое и поперечное сжатие, проверяют на устойчи-
вость по формуле (1.14).
2.2.6. Расчет сопряжения стенки с днищем
В зоне сопряжения стенки с днищем вертикального цилиндрического
резервуара за счет стесненности радиальных перемещений стенки возни-
кают изгибающие моменты и поперечная сила.
Предполагается, что полоски единичной ширины, вырезанные из
стенки и днища, работают как балки на упругом основании. Основную
систему метода сил можно получить путем разделения стенки и днища
(рис. 2.7) и найти лишние неизвестные X] и Х2 из решения канонических
уравнений
^11^1 + ^12^2 + А = /7 юч
821Afj +822Х2+Д2р=(1
Все перемещения состоят из двух слагаемых, выражающих соответственно перемеще-
ние стенки и днища: 8П - 811г + 8а/; 3]2 - Зц„ + 3)2/ и т.д., при этом принимается, что
днище на растяжение абсолютно жесткое и не деформируется в горизонтальной плоскости,
т.е. 312/ = 321/ = 8И/ = Д2^ = 0. При таких условиях система уравнения (2.10) принимает
вид
(Бц«, + $п/)^ч + 3I2wX2 + Д1рг + Д|^ =0 (211)
^21» + Зи„ + ^2рг = ®-
Все перемещения, входящие в канонические уравнения, получают из решения диффе-
ренциального уравнения оси изогнутой балки на упругом основании
Рис. 2.7. Сопряжение сгеикн резервуара с
днищем
Обозначив коэффициент постели
v Et К *
стенки АГ = -у и — = 4т , уравнение
(2.12) представляют в виде:
(2.13)
ах D
где т
коэффициент деформа-
г,
ции стенки; D = —----------цилиндри-
12(1—v’)
ческая жесткость стенки; v — коэффици-
ент Пуассона, Е—модуль упругости
стали.
26
Общее решение однородного уравнения (уравнения 2.13 без правой части) имеет вид
2ш
у0 = —е~“'[Х2 cosmx-mX^cosmx- sinmr)].
(2.14)
Дифференцируя это уравнение, находим выражение для ф0
Фо = — =^—e‘a[-X2(cosmx+ sinmx)+ 2mXt cosmx].
dx к
Принимая x = 0, Jq = 0 и Aj = 1, из уравнения (2.14) получают
_ _ 2m _ 2m _ 1
Л - 22. - - 4Лв4 ~ 2m3D-
Аналогично, при х = 0, Ху = 1, Х2 = 0 из уравнения (2.15) находят
4>tt = 5,b'=^D
(2.15)
2.16)
(2-17)
и из любого из них
к
S _S _____________1
k ~ 2m2D
(2-18)
Из решения частного неоднородного уравнения определяют перемещения точек стен-
ки резервуара от гидростатического давления
Л=^(А-х) = ^(Я-х> (2.19)
jdIL *
Принимая х = 0, получаем выражение для перемещения стенки
А2г,=^Я- (2.20)
Значения ед иничных перемещений днища находят, используя теорию изгиба полубес-
конечиой балки на упругом основании, находящейся под действием сосредоточенного мо-
мента, приложенного на расстоянии с от левого конца балки, вертикальной силы, включая
собственный вес покрыли и корпуса Ту, также действующего на расстоянии с от левого
конца балки, и гидростатического давления жидкости на уровне днищар^ начало эпюры ко-
торой отстоит от левого конца балки иа расстоянии с(х=с):
е 1 i+vL+2^, .,-,n
5П/-— - , 12U)
Д1Х=Д0.,/ + Д)Х; (2.22)
Лв!/=2^;^;
~ + <2.23)
Здесь для сокращения записи использованы обозначения:
- е"стпк - е'^ йптс,
27
где по аналогии со стенкой
m = mf =
1 т
(2-25)
В формулах (2.24—2.26) к}— коэффициент постели основания, принимаемый равным
от 0,05 до 0,2 кН/см3 в зависимости от степени уплотнения песчаного основания и равным
0,3—1,5 кН/см3 при наличии железобетонного фундамента; у—толщина окраек днища,
принимаемая равной 0,35-0,5 толщины листа нижнего пояса стенки; с — величина свеса
днища (назначается в пределах от 3 см для резервуаров малого объема, до 8 см для резервуа-
ров большой вместимости).
После вычисления перемещений и решения системы канонических уравнений (2.11)
определяют неизвестные X = -Мх н Хг - -Qi. Изгибающий момент в кольцевом направле-
нии М = гЛГ,; кольцевое усилиЬ ^2 = + №1, где
Ft
(2-27)
Лэо — кольцевое усилие моментного напряженного состояния; = рг — кольцевое уси-
лие безмоментного состояния.
Длина полуволны затухания краевого эффекта S„ = .
В пределах этого расстояния кольцевые усилия за счет стесненности кольцевых дефор-
маций меньше, чем на вышележащих участках стенки.
Изгибающий момент в днище
A// =“L(1+ (2.28)
2 4т 2т
Проверка напряжений с учетом краевого эффекта. Как видно на
рис. 2.8, в общем случае условие прочности при действии меридиональ-
ных напряжении в стенке
'’-=±^±71=t^L±7lsirA,- <2»)
Знак перед 7\ зависит от рассматриваемого расчетного случая: jmw-
нуе — при сочетании нагрузок: собственный вес кровли и стенки, снего-
вая нагрузка, вакуум; плюс—при сочетании нагрузок: собственный вес
кровли и стенки, избыточное давление, ветровой отсос.
Кольцевые напряжения в стенке
« 4- Ч 4. N2 4. 6vMl 4. 4-
:-= » ^=±^ ±т^±; • (2J0)
Условие прочности о.* < 'feR .
Изгибное напряжение в днище
2J
M, 6Mf
а'=тг="/'(231)
rr f if
Условие прочности
а/ ^?Л-
Проверку прочности уг-
лового шва, прикрепляюще-
го стенку к днищу, произво-
дят на одновременное воз-
действие поперечной силы
и момента. Меридиональ-
ное усилие ввиду малости
не учитывают. Величину ка-
тета шва Предварительно за-
дают в пределах 0,3 tv.
Прочность проверяют по
металлу шва и по границе
сплавления. Представляя
момент My как произведе-
ние силы на плечо (рис.2.9)
и распределяя поперечную
Рнс. 2.8. Напряжению состояние стенки в зоне
краевого эффекта
Рис. 2. 9. Расчетная схема сварного шва, соеди-
няющего стенку с днищем
силу на два шва, получаем
условие прочности по металлу шва
(2.32)
и аналогично по границе сплавления.
При пустом резервуаре возможен отрыв корпуса резервуара от осно-
вания под действием внутреннего избыточного давления и ветрового воз-
действия. Для предупреждения отрыва по периметру резервуара преду-
сматривают постановку анкерных устройств.
2.2.7. Крыши резервуаров
Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления вмести-
мостью до 5000 м3 в большинстве случаев имеют коническую щитовую
кровлю, значительно реже, при малой снеговой нагрузке находит приме-
нение висячая, шатровая кровля. В резервуарах большего объема основ-
ным типом является сферическая кровля.
29
3
Рис. 2.10. Схема щитовой крыши:
1—щиты; 2—центральное кольцо;
3—стенка резервуара
Максимальная вместимость резер-
вуаров со стационарной крышей со-
гласно СНиП 2.11.03-93 не должна пре-
вышать: при хранении легковоспламе-
няющихся жидкостей (например,
бензина) 20000 м3, а при хранении го-
рючих жидкостей (например, мазута)
50000 м3.
Резервуары большей вместимости
делают с плавающей крышей, или со
стационарной крышей и понтоном.
Щитовую коническую кровлю при-
меняют в резервуарах низкого давления
с внутренним избыточным давлением в
газовой подушке до 200 мм водного
столба (2 кПа) и вакуумом до 25 мм вод. ст. (0,25 кПа).
Коническая крыша состоит из жестких щитов, покрытых стальной
оболочкой и опирающихся на центральное кольцо, а по периметру — на
стенку корпуса. Щиты изготовляют нескольких типов в зависимости от
объема резервуара и расположения технологического оборудования.
Один или два секторных щита составляют равнобедренную трапецию с
криволинейным основанием (рис. 2.10).
Каркас щитов выполняют из двутавров, швеллеров, уголков, в том
числе гнутых. Листы кровли толщиной 2,5-3 мм крепят на каркас щита с
напуском с одной стороны на ширину нахлестки (рис. 2.11).
30
При расчете стационарных крыш резервуаров низкого давления учи-
тывают две комбинации нагрузок:
1) расчетные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: вес
конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум
(2.33)
2) расчетные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внут-
реннее избыточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос (вес
теплоизоляции и снеговая нагрузка не учитываются),
Pt=(Po + Pw)V"Pe- (2.34)
При расчете конической кровли несущие радиальные балки двух диа-
метрально противоположных щитов рассматривают как элементы трех-
шарнирной арки (рис. 2.12).
Поперечные ребра щитов рассчитывают по схеме простых балок,
опирающихся на средние радиальные балки.
Расчет настила сводится к определению расстояния между его опора-
ми (поперечными ребрами щитов). Принимая толщину настила 2,5 мм и
относительный прогибf/l—1/150, мож-
но приближенно определить расстоя-
ние между поперечными ребрами из
выражения:
= 4п0Н 1 j 72.Е,
15 I
где n0 -Ij/f — заданное отношение про-
лета настила к его предельному проги-
бу; 9п — нормативная нагрузка на на-
стил;
Сферические кровли оказываются
экономически оправданы для резервуа-
ров вместимостью более 5000 м3. Это
могут быть ребристые, ребристо-коль-
цевые или сетчатые купола. В типовых
проектах резервуаров в основном при-
меняют ребристо-кольцевые купола,
состоящие из системы радиальных ре-
31
Сечение
(все размеры по оси деугпавров)
Рве. 2.13. Геометрическая схема ребристо-кольцевого покрытия:
1—стенка резервуара; 2—опорное кольцо; 3 — радиальные элементы; 4 — промежуточное кольцо;
5—центральное кольцо
бер, связанных кольцевыми элементами и стальной обшивкой толщиной
2,5—4 мм.
На рис. 2.13 приведена геометрическая схема сферического ребри-
сто-кольцевого покрытия резервуара вместимостью 50000 м3 для хране-
ния нефти и нефтепродуктов. Конструкция покрытия состоит из цен-
трального кольца, верхнего купола, имеющего 28 стропил, промежуточ-
ного кольца, нижнего купола, включающего опорное кольцо и имеющего
56 стропил. Для удобства монтажа ребристо-кольцевое покрытие решено
в вцде сборных щитов, по длинным сторонам которых расположены дву-
тавры, являющиеся элементами стропил. Двутавры гнут по радиусу сфе-
ры, равному 2—3 радиусам стенки резервуара. Поперечные ребра щитов
изготовляют из равнополочных уголков 90 х 8, прикрепляемых к про-
дольному ребру посредством фасонок, обеспечивающих необходимую
жесткость узлов. Стальная обшивка из листов шириной 1500 мм, толщи-
ной 4 мм приварена по всей длине к продольным и поперечным ребрам.
Опорное кольцо ребристо-кольцевого покрытия имеет вид коробча-
той балки, промежуточное кольцо покрытия выполнено в виде сварного
тавра, центральное кольцо имеет расчетное сечение в виде сварного дву-
тавра.
32
Наиболее простой приближенный способ расчета сферического реб-
ристо-кольцевого покрытия состоит в том, что сферическое покрытие
расчленяют на отдельные плоские арки, включающие диаметрально про-
тивоположные щиты покрытия. В местах соединения щитов и располо-
жения кольцевых прогонов, узловых шарнирах, вводят условные затяжки
(см. п. 6.4.2 [2]).
Опорное кольцо воспринимает распор купола, воздействие вакуума
(избыточного давления) и ветрового напора на 0,4 высоты стенки.
Поскольку радиальные ребра купола передают на опорное кольцо
значительные усилия с достаточно большим шагом, в кольце, кроме про-
дольной силы Nb возникают изгибающие моменты, аналогичные опор-
ным и пролетным моментам в неразрезной балке.
Сетчатые купола (рис. 2.14) собирают из унифицированных щитов.
Каждый щит формируют из плоского стального листа толщиной 3—4 мм,
подкрепленного по двум радиальным кромкам ребрами из гнутого швел-
лера. При укрупнении в секторные блоки щиты между собой соединяют
внахлестку, а просветы между ними заполняют листовыми вставками.
Рис. 2.14. Покрытие из унифицированных элементов резервуаров вместимостью
10000 м1 и 50000 м*:
а—унифицированный щит покрытия; б—схема покрытия резервуара £-10000 м ; в — схема укруп-
ненного секторного щита покрыли резервуара F-10000 г—то же.. Г=500<Ю м
33
Приближенно сетчатые купола рассчитывают по безмоментной тео-
рии как сплошную осесимметричную оболочку (см. п.6.4.3 [2]).
Плавающие крыши рационально применять при хранении легкоис-
паряющихся жидкостей (сырой нефти, бензина) в резервуарах, распола-
гаемых в южном и среднем климатических поясах; в северных районах,
где возможны снежные заносы, применяют резервуары со стационарной
крышей и понтоном.
Понтон резервуара со стационарной крышей состоит из понтонного
кольца, обеспечивающего плавучесть всего понтона, и центральной час-
ти из плоских стальных листов. Понтонное кольцо проектируют двух ти-
пов: из замкнутых коробов или из открытых отсеков. На рис. 2.15 показан
понтон с открытыми отсеками резервуара вместимостью 5000 м3. На
круглом днище понтона установлены наружные и внутренние концен-
трические стенки, пространство между ними разделено на отсеки ради-
альными гнутыми стенками.
Между стенкой резервуара и наружной стенкой понтонного кольца
предусматривают зазор шириной 200—275 мм, для герметизации этого
пространства устанавливают уплотняющий затвор жесткого или мягкого
типа.
Центральная часть понтона толщиной 4 мм состоит из двух полот-
нищ, изготовляемых методом рулонирования. Концентрически и ради-
Рис. 2.15. Резервуар вместимостью 5000 м3 со сгяинонярвой крышей в понтоном:
а—вертикальный разрез; 6—план понтона; 1 — стенка; 2—понтонное кольцо; 3—радиальные гну-
тые перегород ки; 4—опорные стойки; 5 — мембрана понтона; 6 — направляющие понтона; 7 — патру-
бок опорной стойки
34
ально расположенные стенки отсеков приняты из листов толщиной 6 мм,
сверху они окаймлены уголком 50 х 4. Наружная стенка отсеков имеет
высоту 370 мм, внутренняя—260.
Понтонное кольцо в нижнем положении опирается на стойки, распо-
ложенные в один ряд по окружности, а центральная часть понтона опира-
ется на стойки, расположенные по концентрическим окружностям, число
которых зависит от объема резервуара. Чтобы предотвратить поворот
понтона при его подъеме и опускании иод воздействием жидкости, на
днище размещают две направляющие трубы, которые наверху свободно
устанавливают в патрубки, прикрепленные к покрытию резервуара, а
внизу приваривают к днищу.
Понтон плавающей крыши (рис.2.16) состоит из закрытых гермети-
чески коробов, образующих замкнутое кольцо, обеспечивающее его
плавучесть. Центральная часть плавающей крыши представляет собой
тонкую стальную мембрану, приваренную к внутреннему контуру коро-
бов. В зависимости от объема резервуара мембрана состоит из двух, че-
тырех, шести или большего числа полотнищ заводского изготовления,
сваренных между собой внахлест. Для обеспечения стока дождевой во-
ды мембране придается уклон к ее центру. Удаление воды с крыши про-
изводят через гибкий шланг или шарнирную трубу, прикрепленную к
центру мембраны снизу и снабженную поворотными шарнирами. Резер-
вуары с плавающей крышей имеют люки, лазы, предохранительные и
вакуумные клапаны, размещенные на крыше. Для обслуживания резер-
вуара предусматривают внутреннюю катучую лестницу, нижний конец
Рис. 2.16. Резервуар вместимостью 10000 м3 с плавающем крышей
35
которой перемещается по специальной опорной балке (ферме), закреп-
ленной на крыше. Верхний конец лестницы шарнирно прикреплен к
стенке резервуара. Снаружи резервуара для обслуживания плавающей
крыши устанавливают шахтную лестницу. Для придания открытой
сверху стенке резервуара необходимой жесткости в пределах ее верхне-
го пояса устанавливают кольцо жесткости, которое одновременно явля-
ется и ходовой площадкой.
Закрытые герметические короба понтонов проектируют размерами,
приемлемыми для транспортировки. Короба изготовляют в кондукторе
на заводе, что обеспечивает высокую технологичность их монтажа. В ка-
ждом отдельном элементе кольца обычно располагают три ребра, одно
или два из которых выполняют в виде решетчатых ферм или рамы с замк-
нутым контуром и одно из сплошного гнутого листа, в которое вваривают
патрубок для пропуска стойки. Сплошные ребра разделяют понтонное
кольцо на изолированные отсеки.
Для уменьшения кинематических перемещений мембраны плаваю-
щей кровли ее укрепляют радиальными ребрами жесткости из гнутых
листов и пригружают коробами с песком. В резервуарах больших объе-
мов пригруз мембраны осуществляют по всей ее площади. С той же це-
лью плавающие крыши резервуаров подкрепляют ветровыми кольцами.
Опорные стойки делают плавающими трубчатого сечения. Обычно
нижнее положение понтона предусматривают на отметке 1,8 м, поэтому
стойки имеют различную длину, связанную с их расстоянием от центра
мембраны и принятого уклона мембраны и днища резервуара.
Расчет плавающей крыши (понтона) сводится к определению высоты
ее коробов и положения ватерлинии.
2.3. Вертикальные цилиндрические резервуары
повышенного давления
Резервуары повышенного давления применяют для хранения бензина
и сырой нефти с высоким потенциалом бензина. Повышенное (до 70 кПа)
избыточное давление заметно снижает потери летучих фракций в процес-
се эксплуатации. Резервуары повышенного давления наиболее экономич-
ны при длительном хранении нефтепродуктов (оборачиваемость не более
10 —12 раз в год).
Наиболее распространенным видом резервуаров повышенного давле-
ния являются резервуары со сфероцилиндрической кровлей. Радиус кри-
визны сферической части кровли равен диаметру цилиндрической стенки
резервуара. Радиус кривизны торовой вставки принимают равным 0,1 ра-
зе
диуса сферы (рис.2.17). Лепестки сферической части 1фовли и торовой
вставки вальцуют только в меридиональном направлении. Таким обра-
зом, нижняя кромка крыши в плане образует многоугольник, и сопряже-
ние со стенкой осуществляется через верхнее кольцо жесткости.
Чтобы предотвратить подъем резервуара от избыточного давления,
которое стремится придать днищу сферическую форму, резервуары обо-
рудуют грунтовыми противовесами в виде анкеров с железобетонной
плитой внизу. Болты через специальные столики прикрепляют к стенке
резервуаров, а другим концом заделывают в железобетонные плиты, раз-
мещаемые в траншее по периметру резервуара. Плиты засыпают грун-
том, который вместе с плитами противодействует подъему стенки.
Усилие в анкерных болтах можно определить из неравенства
рй яг2 < G+nNа, (2.36)
оттуда усилие в одном болте
#о<-й>-то'2~(?, (2.37)
где р0—избыточное давление, G—вес кровли, стенки и части днища
шириной 1 м, п—число анкеров.
Ряс. 2.17. Вертикальным цилиндрический резервуар со сфероцилиндрической кров-
лей:
а—общий вид; б — опирание кровли иа стенку;«—анкерное устройство; 1—эпюра кольцевых уси-
лий; 2—эпюр* моментов; 3 —эпюра меридиональных усилий
37
D,= 34200
Da = 34600
Рис. 2.18. Изотермический резервуар вместимо-
стью 20000 м3 для хранения жидкого аммиака:
1 — кольцо жесткости; 2 — анкеры; 3 — железобетонная пли-
та (ростверк) свайного основания
В зависимости от зна-
чения Na определяют сече-
ние болта и величину при-
грузки (железобетонной
плиты и грунтовой засып-
ки).
Конструкция и расчет
основных несущих элемен-
тов в цилиндрическом ре-
зервуаре повышенного дав-
ления— стенки, сопряже-
ния стенки с днищем, сфе-
рической части крыши —
не отличается от приведен-
ных ранее. Исключение со-
ставляет торовая часть
кровли. От внутреннего из-
быточного давления торо-
вая часть в меридиональном направлении растягивается, а в кольцевом
сжимается, вследствие чего при критических нагрузках возникает опас-
ность потери устойчивости.
К резервуарам повышенного давления относят также изотермические
резервуары (рис. 2.18) для хранения сжиженных газов при постоянной от-
рицательной температуре. Как правило, это двухслойные конструкции с
зазорами, которые заполняют теплоизоляцией (плита из стекловаты, пер-
лит). Размеры зазоров зависят от величины отрицательной температуры.
Крыша внутреннего резервуара торосферическая, наружного—сфе-
рическая. Стенку резервуара укрепляют кольцевыми ребрами жесткости.
Изотермические резервуары опирают на искусственное основание,
например свайное с железобетонным ростверком, необходимым для пре-
дотвращения промерзания грунта. Если температура хранения не ниже
-65°С, то в резервуарах применяют строительные стали, при более низ-
ких температурах используют стали специальных марок (никельсодержа-
щие, нержавеющие), алюминиевые сплавы.
Расчет несущих конструкций изотермических резервуаров выполня-
ют как для обычных конструкций, за исключением учета температурных
деформаций.
38
2.4. Каплевидные резервуары
К резервуарам повышенного давления относят также каплевидные
резервуары (их форма соответствует форме капли жидкости на несмачи-
ваемой поверхности).
Оболочки каплевидных резервуаров имеют геометрическую форму
эллиптических поясов с уменьшающимися до экватора радиусами кри-
визны с таким расчетом, чтобы меридиональные и кольцевые усилия по
всей поверхности от гидростатического нагружения и избыточного дав-
ления были равны между собой:
= -^2 = const, (2.38)
т.е. в основу расчета каплевидного резервуара положено условие равно-
прочное™ оболочки.
Основная расчетная нагрузка, действующая на оболочку,
р=У/(й+у), (2.39)
где h — высота расчетного столба жидкости; h = pa / у,; у — расстояние
по вертикали от вершины до рассматриваемой точки оболочки (рис.2.19).
При соблюдении условия (2.38) уравнение Лапласа (1.1) приобретает
вид
1 ] 1 =Ъ(Ь + у) = Р
R, N N
(2.40)
Характер распределения усилий от избыточного давления и от гидро-
статического давления жидкости приведены на рис. 2.20.
Различают каплевидные резервуары с опорным кольцом и с экватори-
альными опорами (рис. 2.21). В резервуарах с опорным кольцом возника-
ют зоны значительной
концентрации напряже-
ний, осложняющие ра-
боту оболочки. В резер-
вуарах с экваториальны-
ми опорами величины
усилий изменяются мяг-
че, как следствие эти ре-
зервуары работают бо-
лее четко и оказываются
более экономичны.
Рис. 2.19. Расчетпаа схема каплевидной оболочки
39
Рис. 2.20. Эпюры меридиональных М и кольцевых М усилий в каплевидной оболочке
резервуара;
а — с опорным кольцом от избыточного давления; б—то же, от гидростатической нагрузки; в — с эква-
ториальной опорой от избыточного давления; г—то же, от гидростатической нагрузки
Рис. 2.21. Каплевидный резервуар вме-
стимостью 2000 м*:
а—с опорный кольцом; б—с экваториальной
опорой
2.5. Горизонтальные
цилиндрические резервуары
Горизонтальные цилиндриче-
ские резервуары предназначены
для надземного, подземного или по-
луподземного хранения нефтепро-
дуктов, сжиженных газов и других
жидкостей под повышенным давле-
нием.
Нефтепродукты хранят под из-
быточным давлением до 0,07 МПа,
сжиженные газы под давлением до
1,8 МПа. В таких резервуарах воз-
можен вакуум до 0,1 МПа.
Горизонтальные цилиндриче-
ские резервуары, как правило, габа-
ритные, т.е. их диаметр ограничен
железнодорожным габаритом и
обычно находится в пределах от 1,4
до 3,25 м (по специальному согла-
40
сованию иногда достигает 3,8 м). Вместимость резервуаров для хранения
нефтепродуктов — до 100 м3, для сжиженных газов —до 300 м3. Длина
корпуса резервуаров может быть от 2 до 27 м, толщина стенки 4—36 мм.
Резервуары имеют простую конструктивную форму, их поточно изго-
товляют на заводах с использованием кондукторов и манипулято-
ров — вращателей, перевозят в готовом виде и легко устанавливает в
проектное положение.
Корпус горизонтального резервуара состоит из нескольких листовых
обечаек, свальцованных на цилиндрических валках из одного или не-
скольких листов шириной 1500—2000 мм, сваренных встык. Кольцевые
соединения при толщине стенки до 5 мм выполняют внахлестку, при
большей толщине — встык. Монтажный стык можно сваривать как
встык, так и внахлестку. Для восприятия внешнего давления, вакуума и
обеспечения жесткости при транспортировке и монтаже обечайки усиди-
вают опорными и промежуточными кольцами жесткости из уголков, при-
варенных пером к листу (при r/t < 200 промежуточные кольца жесткости
можно не ставить). Опорные кольца жесткости в резервуарах надземной
установки имеют дополнительную диафрагму в виде треугольника или
другой геометрической фигуры (рис. 2.22).
Днища горизонтальных резервуаров в зависимости от давления и диа-
метра резервуара делают плоскими, коническими, цилиндрическими,
сферическими и эллипсоидальными. Плоские днища применяют в резер-
вуарах объемом до 100 м3 и небольшим избыточным давлением (до 40
кПа), конические днища применяют при избыточном давлении до 50 кПа,
Цилиндрические днища в резервуарах объемом до 150 м3 используют при
избыточном давлении 70—150 кПа, при давлении, близком к 200 кПа,
днища делают сферического или эллипсоидального очертания.
Надземные резервуары опирают на две седловидные или стоечные
опоры, подземные — на сплошную седловидную опору. Угол седловид-
ной опоры составляет от 60 до 120°.
В двухопорном резервуаре расстояние между осями опор принимают
равным /=0,586/г из условия равенства пролетного и опорного моментов
от действия поперечной неосесимметричной нагрузки, равномерно рас-
пределенной по длине оболочки интенсивностью/? (кН/м). В этом случае
опорный момент равен пролетному
» pl~
Мг = Л/г = М=0,02145р/; - (2.41)
4/
41
1
2
Рис. 2Л2. Горизонтальный цилиндрический резервуар:
а—общий вид и разрезы; б—типы днищ; I)—плоское; 2)— коническое; 3)— цилиндрическое;
4) — сферическое; 5) — эллипсовидное; / — кольцо жесткости; 2 — опорная диафрагма; 3 — стоечная
опора
Наивыгоднейший диаметр резервуара зависит от давления:
при рс< 0,07 МПа Do/), =0,8VF;
при />о> 0,07 МПа DBp,=Q,&jV. (2.42)
Расчет стенки резервуара на прочность. В стенках горизонтальных
цилиндрических резервуаров возникают меридиональные и кольцевые
напряжения, вызванные внутренним избыточным давлением в газовом
пространстве, гидростатическим давлением жидкости, собственным ве-
сом, воздействием ветра, обледенением и др. При этом только напряже-
ния от избыточного давления в газовом пространстве и гидростатическое
давление жидкости (с некоторым приближением) являются осесиммет-
ричными и определяются по формулам безмоментной теории оболочек.
42
Кольцевое напряжение ст2 имеет максимальное значение в нижней
части корпуса
a,
t
(2.43)
Меридиональное напряжение суммируется
<У ! —<У £
где <У^ — напряжение от избыточного и гидростатического давления на
днище, а а 2 —- напряжение от изгиба резервуара под действием попереч-
ных нагрузок
1 2Г
(2-44)
Знак приближенного равенства вызван тем, что равнодействующая гид-
ростатического давления приложена со смещением относительно про-
дольной оси резервуара. При критерии — > 10 резервуары на изгиб рас-
г"
_ Л2
считывают как балку кольцевого сечения, а при критерии —~< 10— как
г
цилиндрическую оболочку.
Напряжения от изгиба резервуара как балки кольцевого сечения
равны
i G 2¥/2 И
+ у,7ГГ ----С
Д8-------J (2.45)
W itr~tv
где W - nr2tw — момент сопротивления кольцевого сечения корпуса,
/=0,586/г — расстояние между опорами, с — вылет консоли, G — вес
корпуса.
При r/t >200 стенку оболочки усиливают кольцами жесткости. Их на-
личие приближает работу стенки резервуара к работе балки кольцевого
сечения.
Усилие для стенки как цилиндрической оболочки определяют по
формулам общей теории оболочек.
Несущую способность резервуаров при р0 < 70 кПа рассчитывают по
первой группе предельных состояний, и. поскольку толщина стенки оп-
ределяется прочностью продольных сварных швов, условие прочности
стенки имеет вид
43
<*2^Y<Ar
Кроме того, так как для стенки резервуара характерно плоское напря-
женное состояние, должно выполняться условие (1.7).
При р0 > 70 кПа несущую способность резервуаров этого типа опре-
деляют по специальным условиям (ГОСТ 14249-80).
Расчет стенки резервуара на устойчивость. Условие устойчивости
стенки резервуара определяется общим выражением (1.14), в котором
<jj — меридиональное напряжение от вакуума и от изгиба корпуса пусто-
го резервуара; о2 — кольцевое напряжение от вакуума в отсутствие гид-
ростатического давления.
Если условие устойчивости не выполняется, следует уменьшить рас-
стояние между кольцевыми ребрами жесткости.
Днища горизонтальных цилиндрических резервуаров рассчитыва-
ют на прочность и устойчивость в зависимости от их типов. Прочность
сопряжения днища с цилиндрической оболочкой проверяют с учетом из-
гибающего момента, возникающего вследствие внецентренного прило-
жения усилия от днища.
Опорные кольца жесткости и диафрагмы. Опорную диафрагму
резервуара принимают в виде кольца жесткости, подкрепленного тре-
угольной или иного вида диафрагмой. Наибольшие усилия Мк и Nk в эле-
ментах опорной диафрагмы возникают при полном заполнении резервуа-
ра под воздействием сдвигающей силы от гидростатического давления и
собственного веса, а также от реактивного давления опоры.
Реактивное давление опоры на кольцо определяют, исходя из условия
равновесия кольца и принятого закона распределения давления опоры.
Гидростатическое давление жидко-
сти воспринимает оболочка, а сварной
шов передает на кольцо сдвигающие
усилия от гидростатического давления
и веса резервуара. Сварной шов рассчи-
тывают на срез по сумме сдвигающих
усилий. Характер эпюр Мк и Nk в опор-
ном кольце представлен на рис. 2.23.
Рас. 2.23. Эпюры и Nt ж кольце
Следует отметить, что треугольные
диафрагмы необходимы для резервуа-
ров объемом 50 м3 и более. В резервуа-
рах объемом менее 50 м3 достаточно ук-
репить кольцо одним горизонтальным
стержнем.
44
2.6. Сферические резервуары
Сферические резервуары используют для хранения сжиженных газов
под высоким избыточным внутренним давлением (до 0,25—2 МПа). Они
могут служить также технологическими аппаратами в некоторых произ-
водствах. В отечественной практике получили распространение сфериче-
ские резервуары вместимостью 600 и 2000 м3 (рис. 2.24).
Лепестки для сферических резервуаров изготовляют горячей штам-
повкой или холодной вальцовкой. При холодной вальцовке плоской, вы-
резанной по шаблону, веретенообразной заготовке толщиной до 36 мм
придают двоякую кривизну на многовалковых или шаровых вальцах.
При этом обеспечивается меридиональный однопоясной раскрой
(рис. 2.25, а).
При изготовлении лепестков горячей или холодной штамповкой наи-
более распространенными являются параллельно-меридиональный и ме-
ридионально-экваториальный раскрой (рис. 2.25, б и в). Размеры лепест-
ков выбирают так, чтобы их можно было перевозить от завода по желез-
ной дороге в специальных контейнерах с целью сохранения формы,
приданной лепесткам.
+17,600
Рис. 2.24. Сферический резервуар. Общий вид
45
Рис. 2.25. Раскрой оболочки сферических резервуаров:
а — меридиональный; б—экваториально-меридиональный; в — параллельно-меридиональный
Сборка оболочки шаровых резервуаров может осуществляться от-
дельными лепестками, укрупненными блоками и полушариями в зависи-
мости от принятой технологии монтажа и числа лепестков.
Сферические резервуары опирают на кольцевую опору или на систе-
му стоек, что предпочтительнее, так как дает большую, свободу темпера-
турным деформациям. Число стоек должно быть кратно числу лепестков
в экваториальном сечении. Стойки приваривают к оболочке и соединяют
между собой связями, обеспечивающими их пространственную жест-
кость.
Расчет сферической оболочки на прочность и устойчивость. Рас-
чет оболочки резервуара на прочность производят на действие избыточ-
ного давленияр0 и гидростатического давления жидкости у,. Значениями
ветровой и снеговой нагрузок, а также нагрузкой от собственного веса
пренебрегают ввиду их незначительного влияния на напряженное состоя-
ние оболочки.
Усилия в оболочке при воздействии избыточного расчетного давле-
ния определяют по формуле
*г=*з=~- (2-46)
При расчете оболочки на гидростатическую нагрузку давление жид-
кости на уровне, соответствующем углу <р (рис.2.26), определяют из вы-
ражения:
р - Y - cos Ф)- (2.47)
Меридиональное и кольцевое усилия в оболочке выше уровня опор
будут равны:
(2.48)
6 l+cosrpj
46
N2 =I£-| 5~6cos<p4-2cOS— [. (2.49)
6 l+cos(p)
Усилия в оболочке ниже уровня опор
N, = 5 + 2-s2 (2.50)
6 l-COS<p J
jV, = bdfi-2co£^_6cos<pY (251)
6 (_ l-cos<p )
В частных случаях будем иметь: у
верхнего пояса (<р = 0) = N2 = 0; у эква-
тора (ф = 90°) Nt =^~, У2 =7Т,г2; У
О о
нижнего пояса (<р=180°) N} =ytr2 = N2.
Рис. 2.26. Схема определения уси-
лив в сферической оболочке
Усилия в сферической оболочке от воздействия вакуума
*1=^=^-
Расчет корпуса сферического резервуара осуществляют в соответст-
вии с указаниями ГОСТ 14245-80.
Глава 3
ГАЗГОЛЬДЕРЫ
ЗЛ. Назначение и классификация газгольдеров
Газгольдеры предназначены доя хранения, смешения и регулирова-
ния расхода и давления газов, они служат аккумуляторами, выравниваю-
щими как производство, так и потребление газа. Их включают в газовую
сеть между источником получения газа и его потребителями.
Газгольдеры применяют для хранения природного и искусственного
газа, на металлургических, коксохимических и газовых заводах, в хими-
ческой и нефтяной промышленности, в городском хозяйстве.
По своим технологическим особенностям и требованиям газгольдеры
разделяют на два типа: переменного объема (постоянного давления) и по-
стоянного объема (переменного давления). Газгольдеры переменного
объема предназначены для эксплуатации при низком избыточном давле-
нии (не выше 0,005 МПа), а газгольдеры постоянного объема — для хра-
нения газа при более высоком избыточном давлении (нередко более 0,4
МПа).
Газгольдеры постоянного объема имеют цилиндрическую или сфери-
ческую геометрическую форму.
Цилиндрические газгольдеры могут быть как вертикальными, так и
горизонтальными и иметь различную форму днищ: сферическую, эллип-
тическую и торовую. Объемы их колеблются от 100 до 200 м3 при внут-
реннем давлении от 0,4 до 1,8 МПа. В отдельных случаях давление может
достигать 7,0 МПа и более.
Объемы сферических газгольдеров составляют 600 ... 1000 мэ. Они
более экономичны по массе, расход металла на их изготовление на 40%
меньше, чем на цилиндрические.
В газгольдерах переменного объема постоянное по значению внут-
реннее давление сохраняется в результате опускания или подъема верх-
ней части газгольдера. По конструкции газгольдеры переменного объема
разделяют на мокрые и сухие. В мокрых газгольдерах нижняя часть за-
полнена водой, которая образует водяной затвор, обеспечивающий гер-
метичность газового пространства. В сухих газгольдерах вода отсутству-
ет. Их верхняя часть представляет собой конструкцию в виде поршня, из-
48
менение положения которого определяет объем внутреннего
пространства газгольдера при заданном внутреннем давлении.
3.2. Газгольдеры переменного объема
3.2.1. Мокрые газгольдеры
Мокрые газгольдеры применяют главным образом для хранения га-
зов, не вызывающих интенсивной коррозии стали. Они имеют объем
100—10 ООО м3 и состоят из следующих основных частей (рис.3.1): резер-
вуара с водой 4, промежуточных кольцевых звеньев (телескопов) 2,3, ко-
локола 1, внешних направляющих 5 и внутренних направляющих 6. В
конструкциях газгольдеров небольшого объема телескоп может отсутст-
вовать. Через дно резервуара под колокол подводят трубопроводы 13 для
подачи и расходования газа.
Принимают следующие марки стали: для корпуса (оболочки) резер-
вуара и подвижных звеньев газгольдера при расчетной температуре ниже
Рис. 3.1. Схема мокрого газгольдера с вертикальными направляющими;
а—подвижные звенья опущены; о—подвижные звенья подняты давлением газа. /— колокол;
2 — 1-й телескоп; У — 2-й телескоп; 4 — резервуар; 5 — внешние направляющие. -5 - внутренние на
правляющие, 7— верхний ролик колокола; •?. 9 — верхние ролики телескопов; яиьний ролик ко-
локола; II, I: — нижние ро лики телескопов; 13 — газоввод: 14 — колпак над гмовводом с перепускной
грубой; 15 — верхние бетонные груды; 16 — нижние чугунные грузы
4?
-30° — сталь С255, при температуре выше -30° — сталь С245, при этом
необходимы дополнительные гарантии по химическому составу; для про,
чих расчетных элементов — сталь С235 с дополнительными гарантиями
загиба в холодном состоянии.
Непроницаемость соединения отдельных движущихся частей мокро-
го газгольдера обеспечивается гидравлическими затворами, представ-
ляющими собой два кольцевых желоба, входящих один в другой.
При наполнении порожнего газгольдера газом колокол газгольдера
поднимается из своего нижнего положения, зачерпывает воду из резер-
вуара нижним желобом и захватывает им верхний желоб телескопа.
В зависимости от числа подвижных частей (колокола и .телескопа)
газгольдер бывает однозвеньевым, двухзвеньевым и т. д. Резервуар газ-
гольдера иногда может быть выполнен не стальным, а железобетонным.
Если во внутреннем объеме газгольдера требуется сохранить сверхниз-
кое давление, то колокол поддерживается в нужном положении системой
противовесов или понтонами.
Плавность движения телескопа и колокола обеспечивается внешними
и внутренними направляющими, по которым движутся ролики. Верхние
ролики скользят по наружным направляющим стойкам каркаса, ниж-
ние — по внутренним стойкам каркаса, приваренным к оболочке нижс-
расположенного звена. Наружные направляющие укрепляют на стенке
резервуара.
Наиболее выгодные с точки зрения расхода стали размеры мокрого
газгольдера средних объемов достигаются в случае, когда высота его от
днища до обвязочного кольца крыши (при наивысшем положении коло-
кола) приблизительно равна среднему диаметру. Для газгольдеров малых
объемов оптимальная высота немного больше диаметра, для газгольде-
ров крупных объемов — несколько меньше.
К недостаткам мокрых газгольдеров относятся существенные колеба-
ния давления газа, а также трудность их обслуживания при отрицатель-
ной температуре. В последнем случае приходится либо подогревать воду
в резервуаре и затворах, либо устанавливать газгольдеры в специальных
отапливаемых зданиях, объем которых значительно превышает объем и
габаритные размеры газгольдеров.
Стенки телескопа и колокола рассчитывают на наибольшее возмож-
ное давление газа в газгольдере, значение которого определяется весом
колокола и телескопа с затворами, заполненными водой, и весом снега на
крыше колокола. При расчете стенки резервуара кроме этого давления
учитывают гидростатическое давление жидкости. Сферическую крышу
колокола рассчитывают на снеговую нагрузку и проверяют на наиболь-
шее возможное давление газа за вычетом веса крыши при отсутствии сне-
говой нагрузки. Стрелу подъема сферического купола крыши газгольдера
назначают равной 1/15 диаметра цилиндрической части колокола. Обвя-
зочное кольцо крыши проверяют на устойчивость под действием макси-
мального давления газа на крышу.
При основных сочетаниях нагрузок (с одной и несколькими кратко-
временными нагрузками, при соответствующих коэффициентах сочета-
ний) учитывают: вес конструкций; давление газа и (или) воды; снег, рас-
пределенный по всей поверхности крыши или на половине ее поверхно-
сти; временные нагрузки на площадке обслуживания; нагрузку от ветра.
При особом сочетании принимают во внимание нагрузку от собственного
веса; нагрузку от давления жидкости и газа; сейсмическое воздействие.
Значение коэффициента условий работы принимают равным: для
корпуса резервуара газгольдера ус =0,8; для внешних вертикальных на-
правляющих ус = 0,9; для сжатых основных элементов крыши колокола
(стропила, пояса жесткости и др.) ус = 0,9; для прочих элементов уе = 1.
При расчете на прочность с учетом сейсмических сил (особое сочета-
ние нагрузок) принимают специальный коэффициент условий работы
Ъ =1,4-
Максимальное давление газа под колоколом возникает при его
' наивысшем положении, его принимают с учетом собственного веса под-
вижных звеньев газгольдера, уровня воды в затворах, пригрузки, а также
с учетом плотности воздуха и хранимого газа по формуле
Р =—— -р )
(3.1)
где D—диаметр колокола в однозвеньевом газгольдере; Q — общий вес
колокола, телескопа, пригрузки, оборудования на подвижных звеньях,
роликов, направляющих воды в затворах; Qx —вес погружаемых в воду
частей колокола и телескопа; р„ pw, pg—плотность соответственно ста-
ли, воды и газа.
Стенки резервуара, телескопов и колокола (крыши) выполняют, как
правило, из рулонированных заготовок. Толщину стенки резервуара оп-
ределяют по формуле
+ РЧ» > 7 №
а толщину стенок телескопов и колокола—по формуле
^=Plji>riRyyt. (3.3)
51
Так как давление газа под колоколом Р мало, то расчетная толщина
стенки колокола получается незначительной и ее назначают конструк-
тивно в пределах 4—5 мм.
Крыша колокола состоит из тонколистовой сферической (пологой)
оболочки и поддерживающих ее радиально расположенных в плане арок,
которые между собой соединены кольцевыми стержнями и системой свя-
зей (решеткой), образующими купольную систему. Наиболее часто при-
меняют «дышащую» крышу, когда оболочка крыши свободно лежит на
стропилах и не скрепляется с ними, ее приваривают только к упорному
уголку в зоне опорного кольца. Вследствие этого усилия от внутреннего
избыточного давления Р воспринимаются оболочкой крыши как мембра-
ной без включения в работу стропильных конструкций. Поэтому толщи-
ну стенки крыши определяют как для сферической оболочки по формуле
t„^P\/2Rylc, (3.4)
где гс—радиус сферической оболочки; Р* - Р- Go6—разность между
внутренним избыточным давлением в газгольдере и весом оболочки.
Стропила рассчитывают на нагрузку от собственного веса крыши и
снега на ней.
Конструкции наружных направляющих, связанных между собой
кольцевыми площадками и раскосами, можно представить в виде систе-
мы, как пространственный сквозной призматический стержень, загру-
женный сосредоточенными силами от давления наружных роликов, пере-
дающих ветровую нагрузку, которая воспринимается телескопами и ко-
локолом, а также одностороннюю снеговую нагрузку на крышу колокола.
Раскладывая эти сосредоточенные силы по плоским фермам, состав-
ляющим грани призм, и рассматривая их как консольные системы, опре-
деляют осевые усилия во всех элементах. Наибольшие усилия возникают
в тех элементах граней, которые оказываются параллельными направле-
нию ветра. Кроме продольных усилий наружные направляющие могут
испытывать местный изгиб от сосредоточенного давленг?; роликов, что
также нужно учитывать в расчете.
Горизонтальные кольца, кроме осевого растягивающего усилия,
должны быть проверены на изгиб в вертикальной плоскости от собствен-
ного веса и вертикальной нагрузки (в пределах до 2 кН/м2).
Пригрузку составляют, как правило, бетонные плиты, которые распо-
лагают на крыше колокола по ее наружному краю на специальной коль-
цевой площадке, и чугунные элементы (грузы), которые размещают на
нижнем кольце жесткости у гидрозатвора на специальном уширении. Вес
пригрузки определяют по упрощенной формуле g* ~PnD2 /4.
52
Одной из разновид-
ностей газгольдеров пе-
ременного объема явля-
ется геликоидальный
винтовой мокрый газ-
гольдер (рис.3.2). На на-
ружных сторонах теле-
скопов и колокола такого
газгольдера размещены
под углом 45° спиралеоб-
разные направляющие,
образующие в простран-
стве отрезок винтовой
Рис. 3.2. Схема винтового мокрого газгольдера:
а — общий вид; б—винтовая направляющая и ролики
линии, а на захватывающих чашах и на круговом обводе бассейна уста-
новлены роликовые кронштейны, которые равномерно распределены по
периметру. Направляющие вышерасположенного звена скользят между
роликами нижнего звена, в результате чего звено перемещается в верти-
кальном направлении и закручивается. Движение колокола и каждой те-
лескопической секции направляется одним ярусом двухребордных роли-
ков, которые жестко соединены попарно в подшипниках, укрепленных
болтами на верхних кольцах каждой секции телескопа и на верхнем коль-
це резервуара. Усилия от ветра уравновешиваются роликами, располо-
женными под углом 45° к оболочке (в вертикальных плоскостях) и пере-
дающими вертикальные усилия с плечом, равным диаметру газгольдера.
Жесткость винтовых газгольдеров обеспечивается суммарной жестко-
стью резервуара и телескопических звеньев. Направляющие ролики дей-
ствуют совместно и практически не могут потерять взаимной регулиров-
ки после окончания их монтажа.
Винтовые газгольдеры более выгодны по расходу стали, чем газголь-
деры с вертикальными направляющими, так как в них исключены внеш-
ние направляющие со связями и уменьшена масса площадок н лестниц с
ограждениями, однако они не получили широкого применения в нашей
стране.
3.2.2. Сухие газгольдеры
- Сухие газгольдеры применяют в случае, когда хранимые газы имеют вы-
сокую концентрацию (до 99,9% и выше) и не допускают увлажнения (эти-
лещ пропилен и др.). Объем их колеблется в пределах от 10 до 600 тыс. м3.
Конструкция сухих газгольдеров (рис.3.3) состоит из цилиндрической обо-
53
Рве. ЗЛ. Схема сухого газгольдера объемом
100000 и3:
1—площадка фонаря; 2—шайба в верхнем положении;
3—шайба в нижнем положении; 4—обшивка; 5—пепиав
лестница; б—подьемнак.клеп; 7—наружный подъемник;
3—подвод газа
дочки (обшивки) 4, сварен-
ной с плоским днищем, по-
коящимся на песчаной по-
душке основания, и со
сферической крышей, вы-
полненной из листов толщи-
ной 3-4 мм, которые крепят к
каркасу в виде радиально
расположенных гнутых
швеллеров. Внутри цилинд-
рического корпуса переме-
щается специальная конст-
рукция в виде поршня (шай-
бы) 3, плотно прилегающего
к внутренней поверхности
корпуса. Шайба имеет несу-
щий каркас и наружную об-
шивку из листовой стали.
Несущий каркас образуется
пространственной конструк-
цией, состоящей из радиаль-
но расположенных стальных
балок или ферм, снабжен-
ных на концах роликами, ко-
торые скользят по стенкам
корпуса газгольдера. По
очертанию поршень бывает
плоским или пологим сфе-
рическим.
Наиболее сложной и ответственной конструкцией сухого газгольдера
является затвор, перекрывающий зазор между шайбой и корпусом. Суще-
ствуют затворы с консистентной и жвдкой смазкой. Последние (рис. 3.4)
получили наибольшее распространение в отечественной практике. С по-
мощью рычага 1 с грузами 2 прижимное эластичное кольцо 3 с фартуком
4,5 удерживает газгольдерное масло 6 внутри затвора. Часть масла проса-
чивается через неплотности затвора и стекает по стенкам вниз, попадая в
кольцевой желоб на днище газгольдера. После очистки масло по наруж-
ному трубопроводу подается наверх, откуда через отверстия в стенке кор-
пуса г азгольдера стекает по внутренней поверхности стенки в затвор.
54
Поршневые газгольдеры
могут достигать весьма боль-
ших размеров. Самый крупный
в мире сухой газгольдер объе-
мом 600 тыс. м3 (Германия)
имеет высоту 150 м.
В последнее время разра-
ботаны конструкции сухих газ-
гольдеров, имеющих гибкую
связь шайбы с корпусом, осу-
ществляемую с помощью эла-
стичной оболочки из специаль-
ной газонепроницаемой ткани
(рис. 3.5). Гибкая секция (мем-
брана) из ткани прикреплена
как к резервуару, так и к под-
вижной шайбе. При подъеме
шайбы оболочка мембраны
распрямляется, создавая ем-
кость для хранения газа, при
опускании гибкая оболочка ук-
ладывается в зазор между стен-
кой корпуса и защитной стен-
кой шайбы.
Шайба при своем движе-
нии должна сохранять гори-
зонтальное положение, для че-
го предусмотрено выравни-
вающее устройство (рис. 3.6),
напоминающее приспособле-
ние для черчения из роликов и
ниток, с помощью которого
рейсшина перемещается па-
раллельно самой себе.
Стенки корпуса и днища
сухих газгольдеров изготовля-
ют в нашей стране из рулон-
ных заготовок. Стейка корпуса
снабжена (усилена) каркасом
Из вертикальных стоек, заде-
Рис. 3.4. Поперечный разрез затвора сухого газ-
гольдера с жидкостным уплотнением
Рис. 3.5. Сухой газгольдер с гибкой секцией:
I—выравнивающие ролики; 3—трос выравнивающих
роликов; 3 —защитная стенка шайбы; 4—каркас шай-
бы; 5—гибкая секция из прорезиненной ткани; 6 — ниж-
ний листовой напил
55
Рис. 3.6. Выравнивающая система шайбы:
а — принципиальная схема выравнивающего устройст-
ва; б —узел выравнивающего устройства; 1 — корпус
резервуара; 2—шайба; 3—ролики; 4 — канат;
5—верхний узел натяжного устройства; 6—коробка
натяжного устройства; 7— крышка коробки; 8—козы-
рек узла закрепления каната; 9—сжимы хи канатов
данных в фундамент, и гори-
зонтальных колец из прокатных
профилей. В настоящее время
все соединения элементов су-
хих газгольдеров выполняют
сварными.
Сравнение удельного рас-
хода стали для газгольдеров од-
ного и того же объема (напри-
мер, 10 тыс. м3) показывает, что
в газгольдере с гибкой секцией
расход стали (28,8 т) значитель-
но меньше, чем в газгольдерах
поршневого типа (31,4 т), т.е. на
8,5%. Кроме того, в последних
оказалось более сложной систе-
ма уплотняющего затвора с
жидкостным уплотнителем.
Основным расчетным эле-
ментом сухого газгольдера яв-
ляется стенка корпуса, которую
рассчитывают на избыточное
внутреннее давление. Расчет-
ная толщина стенки оказывает-
ся незначительной, поэтому
обычно принимается конструк-
тивно равной 5 мм. Так как кон-
струкция корпуса является тон-
костенной цилиндрической
оболочкой, то его проверяют
также на устойчивость при от-
сутствии газа и наличии вакуу-
ма. В этом случае от веса корпу-
са и крыши с оборудованием,
веса снега на крыше, а также от
полезной нагрузки в корпусе
возникают продольные мери-
диональные напряжения, кото-
рые не должны превышать кри-
тических значений.
56
3.3. Газгольдеры постоянного объема
Природный газ, выходящий из недр земли под большим давлением,
может быть использован для отопления, освещения, для бытовых нужд
и для получения энергии на значительных расстояниях от места его до-
бычи. Газ подают по магистральным газопроводам протяженностью в
сотни и тысячи километров под весьма высоким давлением (до 7,0
МПа). Вблизи места потребления газ собирают на газгольдерных стан-
циях, где его используют для покрытия суточного и недельного расхо-
дов, а также для обеспечения равномерного давления в газопроводах.
Наиболее рациональным типом газгольдеров в условиях поступления
газа под высоким давлением в значительных количествах и при боль-
шом суточном обороте являются газгольдеры постоянного объема, не
имеющие подвижных частей.
Газгольдерная станция газопровода природного газа имеет общую ра-
бочую емкость до 500 тыс. м3 и требует большого числа газгольдеров.
Размещение газгольдеров на станции производится в соответствии с тре-
бованиями противопожарных норм, касающихся разрывов между от-
дельными газгольдерами, а также продиктовано удобством их эксплуата-
ции. Газгольдеры объединяют в секции: габаритные — по 10—20 пгт., не-
габаритные — по 4—8 шт. в каждой секции. Объем секции при этом
достигает 25 тыс. м3 полезного газа.
Расстояние в свету между соседними газгольдерами в одной секции
принимают равным (2/3)0, разрыв между секциями -(1/2)1, где D — диа-
метр газгольдера, a L — общая длина секции.
По сравнению с газгольдерами низкого давления они требуют мень-
шего расхода стали на 1 м3 свободного газа, более компактны, не нужда-
ются в обогреве и просты в эксплуатации, но требуют больших затрат на
оборудование для сжатия газа. Газгольдеры постоянного объема имеют
рабочее давление от 0,4 до 2,0 МПа, поэтому их проектируют с учетом
требований специальных правил устройства и безопасной эксплуатации
сосудов, работающих под повышенным и высоким давлением. Объем
газгольдера и предельное давление газа в нем регламентируются ГОСТ
5172-63.
Газгольдеры постоянного объема подразделяют на вертикальные ци-
линдрические, горизонтальные цилиндрические и сферические.
3.3.1. Вертикальные цилиндрические газгольдеры
Вертикальные цилиндрические газгольдеры (ВЦГ) состоят из цилин-
дрического корпуса, днища и крыши, которые чаше всего выполняют в
57
виде полусфер, хотя возможны и другие конструктивные формы, напри-
мер эллиптическая. Объем таких газгольдеров, например эллиптическо-
го, колеблется от 50 до 300 м3, что позволяет делать их в основном габа-
ритными для перевозки от завода — изготовителя до строительной пло-
щадки. Установлено, что по сумме единовременных затрат на
строительство газгольдерной станции и эксплуатационных расходов за
50-летний срок службы наиболее экономичными являются: при давлении
газа до 0,7 МПа — однослойные негабаритные газгольдеры, а при давле-
нии газа более 0,7 МПа—однослойные габаритные газгольдеры.
Оборудование газгольдера постоянного объема состоит из предохра-
нительных клапанов, лаза для осмотра, штуцера для подключения газ-
гольдера в сеть, вентиля для спуска воды (от гидравлического испытания
или конденсата), „патрубка для свечи.
Для осмотра, ремонта и обслуживания оборудования на уровне верха
газгольдера устраивают площадку, огражденную перилами. Площадка
сообщается с поверхностью земли лестницами: для газгольдеров высотой
до 6 м—типа стремянки с ограждающими конструкциями, а для газголь-
деров большей высоты — шахтной или винтовой.
Основными недостатками ВЦГ являются их значительная высота, за-
трудняющая эксплуатацию, и относительно малый объем, приводящий к
увеличению на станции числа газгольдеров, коммуникаций и оборудова-
ния. Однако в тех случаях, когда речь идет об аппаратах высокого давле-
ния, с этими недостатками приходится мириться.
Основной нагрузкой, определяющей толщину стенки цилиндриче-
ского корпуса ВЦГ, является внутреннее давление газа. Кроме того, необ-
ходимо учитывать собственный вес конструкций, давление воды (при
гидравлических испытаниях), сосредоточенные силы при монтаже и дру-
гие нагрузки. Толщина стенки корпуса обычно изменяется от 8 до 36 мм,
однако стенки могут быть и большей толщины, причем все листы одно-
слойной цилиндрической оболочки сваривают встык, что вызывает зна-
чительные технологические трудности производства сварочных работ. В
этом случае применяют многослойные рулонируемые крупногабаритные
ВЦГ высокого давления с эффективным использованием различных схем
предварительного напряжения. При изготовлении таких сооружений
стенку корпуса по толщине разделяют на несколько зои. Сначала создают
центральную обечайку (основу) из обычной или коррозионно-стойкой
стали либо из цветного металла. С помощью специальных навивных ма-
шин на эту основу навивают рулонную сталь с предварительным натяже-
нием. Трубы отдельных обечаек обрабатывают механическим способом,
после чего осуществляется наплавка кромок. Сварку кольцевых швов
58
производят на стендах электрошлаковой сварки. Многослойные обечай-
ки в отличие от однослойных не требуют многократного нагрева, уни-
кальных термических печей и оборудования для ковки, штамповки, ка-
либровки и нормализации и могут быть изготовлены при практически не-
ограниченных габаритах и толщинах стенки. В настоящее время
изготовление многослойных обечаек полностью механизировано и авто-
матизировано. Область рационального применения таких газгольде-
ров — крупногабаритные сосуды высокого давления с внутренним диа-
метром цилиндрического корпуса до 3 м, толщиной стенки до 400 мм и
массой до 500 т.
К многослойным сосудам давления относятся также сооружения, соз-
даваемые спирально рулонным способом. На центральную трубу нама-
тывают с предварительным натяжением или с предварительным нагре-
вом стальную полосу по спирали без зазора между витками. Каждый по-
следующий слой навивают в направлении, обратном предыдущему.
Связь слоев между собой получается фрикционной.
Спирально-рулонные многослойные корпуса обладают существен-
ным преимуществом по сравнению с рулонными, так как в них отсутству-
ют массивные кольцевые швы, сварка которых является исключительно
трудоемкой операцией и требует специального сварочного оборудова-
ния. Кроме того, сварные швы являются зоной повышенных напряжений.
Спирально-рулонные крупногабаритные сосуды мсиут изготавливаться
непосредственно на месте их монтажа при невозможности их перевозки
Железнодорожным транспортом.
Другой способ изготовления сосудов высокого давления заключается в
том, что на центральную трубу-основу навивают высокопрочную сталь-
ную проволоку с предварительным натяжением. Витки проволоки распо-
лагают вплотную друг к другу- Число слоев обмотки определяется расче-
том и может достигать нескольких десятков. Навивка проволоки осуществ-
ляется на стационарном заводском оборудования, если наружный диаметр
Корпуса сосуда давления не превышает 3,5 м, либо специальными намо-
точными машинами на месте монтажа, если его диаметр больше 3,5 м. Воз-
можны два вида намотки проволоки—кольцевая и спиральная. Предвари-
тельное напряжение позволяет создать оболочку, равнопрочную в осевом
(меридиональном) и кольцевом направлениях. Ооласть рационального
применения таких газгольдеров—крупногаоаритные и сверхкрупногаоа-
ритные сосуны с внутренним давлением до 40 МПа И выше.
Расчет вертикальных цилиндрических газгольдеров и сосудов давле-
ния на прочность аналогичен расчету резервуаров.
59
3.3.2. Горизонтальные цилиндрические газгольдеры
Горизонтальные цилиндрические газгольдеры (ГЦГ) по своей конст-
руктивной форме аналогичны горизонтальным цилиндрическим резер-
вуарам (ГЦР). Они также состоят из цилиндрического корпуса, но так как
являются емкостями (сосудами) повышенного и высокого давления, то
днище в них делают только сферического или элипсоидального очерта-
ния путем горячей штамповки листов на специальных прессах. По поло-
жению в пространстве ГЦГ в большинстве являются надземными соору-
жениями (рис.3.7) и реже — подземными. Надземные газгольдеры, как
правило, имеют две опоры. В цилиндрической оболочке корпуса над опо-
рами устраивают кольца (диафрагмы) жесткости. В основном ГЦГ — га-
баритные сооружения, их целиком изготовляют на заводе.
Расчетные толщины стенок цилиндрического корпуса и сферических
днищ определяют по формулам:
для цилиндрического корпуса
(3.5)
для сферических днищ
tv=py^D/4Ryyc, (3.6)
где уе = 0,6 — коэффициент условий работы ГЦГ.
Кольца жесткости в корпусе в местах опирания газгольдера выполня-
ют из составного или прокатного тавра, приваренного к стенке корпуса.
Рис. 3.7. Горизонтальный газгольдер постоянного объема
бг
Наибольшие усилия в кольцах (диафрагмах) жесткости возникают
при гидравлических испытаниях газгольдера водой. Сдвигающие усилия
между стенкой корпуса и кольцом определяют по формуле (см. рис. 3.7)
F = Fo sin ф = (G / 2nr)sin ф, (3.7)
где Fo = G/2nr — максимальное значение сдвигающего усилия в месте со-
пряжения кольца жесткости со стенкой; G—общий вес газгольдера с
оборудованием и водой; ср — угловая координата.
При 0 < <р < я/ 2 продольную силу N определяют по формуле
- g (1 сое ф ,.008 Ф008^ । sin <psin 2tp tpsin ф^
2л <4 4 4 2 j 1 J
Кольца жесткости проверяют на совместное действие момента (см.
- эпюру моментов на рис. 3.7) и продольной силы. В условную площадь по-
перечного сечения кольца жесткости включают часть стенки корпуса (на
рис. 3.7 — разрез 2-2). В газгольдерах с небольшим значением внутрен-
него избыточного давления кольцо жесткости выполняют из уголка, со-
гнутого на перо и усиленного дополнительными стержнями (по типу
опорных колец СГЦР).
3.3.3. Сферические газгольдеры
Сферические газгольдеры (СГ) являются наиболее рациональным ти-
пом по расходу стали для газгольдеров постоянного объема. Однако от-
носительно высокая стоимость изготовления и монтажа СГ ограничивает
их широкое распространение. Сферические газгольдеры любого объема
(в диапазоне от 100 до 6 000 м3 и более) не вписываются в железнодорож-
ные габариты и поэтому не могут полностью изготовляться на заводе с
доставкой в готовом виде на строительную площадку.
Диаметр корпусов СГ обычно принимают равным 10...12 м. Их опира-
ют на стойки, число которых принимают кратным четырем (4; 8; 12 сто-
ек). Обычно стойки сферических газгольдеров устанавливают таким об-
разом, чтобы они были направлены по касательной к сфере.
При больших давлениях возрастают трудности штамповки толстых
листов, поэтому в некоторых случаях их заменяют несколькими более
тонкими листами, которые не сваривают между собой в процессе изго-
товления. Они прижимаются друг к другу внутренним давлением газа в
процессе эксплуатации газгольдера. Многослойные сферические газ-
гольдеры можно применять при давлении газа до 2,4 МПа.
Конструктивное оформление и методика расчета сферических газ-
гольдеров такие же, как для сферических резервуаров для хранения сжи-
женных газов (см.п.2.2.6).
6!
Глава 4
БУНКЕРЫ И СИЛОСЫ
4.1. Общие сведения
Бункерами и силосами называют емкости, предназначенные для хра-
нений и перегрузки сыпучих материалов (рис. 4.1). Силосы, как правило,
бывают круглыми в плане. Бункеры отличаются большим разнообразием
конструктивных решений. Их подразделяют на пирамидально-призмати-
ческие, лотково-призматические, гибкие (параболические), гибкие с же-
сткими, разгрузочными воронками и конусно-цилиндрические.
Бункеры могут находиться как внутри здания, так и на открытом воз-,
духе. Загружают бункеры механическим или пневматическим способом
через отверстия в верхнем перекрытии. Разгрузка производится под дей-
ствием массы сыпучего материала при открывании выпускных отвер-
стий. Для улучшения условий разгрузки бункеры и силосы заканчивают-
ся снизу суживающейся частью, называемой воронкой. Наименьший
угол наклона стенки воронки к горизонту на 5—10° превышает угол есте-
ственного откоса сыпучего материала.
Рис. 4.1. Емкости дм сыпучих материалов:
1 — етенкз; 2—воронка; 3—выпускное отверстие
В зависимости от вида разгру-
зочного устройства и механиче-
ских характеристик сыпучего ма-
териала выпускные отверстия
бункеров и силосов могут иметь
круглую, квадратную, прямо-
угольную или вытянутую щеле-
вую форму в плане. Размер выпу-
скного отверстия
до=к (Ь + 80) tg<p, (4.1)
где а0—сторона квадрата или
диаметр D выпускного отверстия,
мм; fc=2,4—2,6 — опытный коэф-
фициент; b—максимальный раз-
мер кусков сыпучего материала,
мм; <р -— угол естественного отко-
са сыпучего материала, град.
62
Размеры выпускных отверстий а0 изменяются от 300 (для сухого пес-
ка) до 1500 мм (для крупной руды, скрапа, угля-плитняка).
В бункерах, предназначенных для хранения твердых кусковых мате-
риалов, внутреннюю поверхность наклонных стенок футеруют, чтобы
предохранить стенки от истирания и образования вмятин при ударах. Тип
футеровки зависит от истирающих свойств сыпучего материала. Так,
бункеры для руды и скрапа футеруют листовой марганцовистой сталью
толщиной 6—10 мм. Иногда применяют деревянную футеровку.
Основные несущие конструкции бункеров с плоскими стенками и си-
лосов изготовляют из углеродистой стали, а гибких бункеров — из низ-
колегированной. Конструкции бункеров и силосов выполняют сварными
с соединением элементов встык. Соединения внахлестку допускают
только как монтажные. В некоторых случаях монтажные соединения де-
лают болтовыми.
4.2. Бункеры с плоскими стенками
4.2.1. Конструктивные особенности •
Бункеры с плоскими стенками являются жесткими конструкциями,
так как сохраняют постоянную геометрическую форму в процессе загру-
жения и разгрузки. По конструктивной форме их разделяют на пирами-
дально-призматические и лотково-призматические. Они состоят из верх-
ней призматической части и нижней части (воронки), имеющей форму
усеченной пирамиды или лотка большой протяженности.
Вертикальные стенки образуются, как правило, бункерными несущи-
ми балками и имеют горизонтальные и вертикальные ребра жесткости
Обшивку воронки укрепляют обычно только горизонтальными ребрами
жесткости (рис. 4.2).
Бункеры опирают на колонны через бункерные балки. Последние с
колоннами образуют поперечные рамы. Неизменяемость формы соору-
жения в продольном направлении бункерной эстакады сбеспечиваетсй
продольными связями.
Лотково-призматический бункер представляет собой большой про-
тяженности лоток призматической формы, имеющий в днище ряд отвер-
стий, предназначенных для выпуска сыпучей массы (рис. 4.3). Боковые
стенки бункеров могут быть вертикальными или наклонными: течки мо-
гут иметь форму суживающихся книзу воронок.
Бункеры этого типа так же, как и пирамидально-призматические, от-
носятся к числу жестких, сохраняющих постоянную форму в процессе за-
гружения и разгрузки. Это позволяет выполнять их несимметричными с
Рис. 4.2. Пнрамидально-нрнзматическнн бункер:
а — общий вид; б—стык ребер жесткости воронки; в— конструкция выпускного отверстия; г, д,
е — варианты сопряжения воронок с бункерными балками; 1 — бункерная балка; 2 — воронка; 3 — реб-
ра жесткости воронки; 4—ребра жесткости бункерной балки
Рис. 4.3. Лотково-нрнзматическнй бункер
произвольным расположением выпускных отверстий. Поперечная жест-
кость бункера, показанного на рис. 4.3, обеспечивается специальными
седловидными рамами 1 с распорками 2, расположенными между ворон-
ками.
4.2.2. Основные положения расчета
Бункеры с плоскими стенками рассчитывают на воздействие следую-
щих нагрузок: от веса конструкций (1-1,2 кН/м ), снеговой и ветровой на-
64
грузок, временных нагрузок на перекрытие (до 4 кН ), а также от давления
сыпучего материала. Нагрузки от ветра и снега принимают по СНиП [4].
При расчете принимают следующие коэффициенты надежности по
нагрузке: отвеса конструкции уу= 1,05; от давления сыпучего материала
У/= 1,3; от ветра уу-1,2. Коэффициент условий работы ус для обшивки и
бункерных балок принимают равным 0,8, для остальных конструк-
ций—yt.= 1.
Расчет производят отдельно для призматической и пирамидальной
или лотковой частей бункера. Плоские стенки бункеров рассчитывают
как пластинки, которые под воздействием равномерно распределенного
давления сыпучего материала находятся в состоянии цилиндрического
изгиба. Предполагается, что пластинки шарнирно прикреплены к ребрам
жесткости. Изгибающий момент в середине пролета пластинки
М = Мь - 4yfpBlzN / 7? (АГ + АГ.), (4.2)
где Мь — изгибающий момент для простой балки в середине пролета;
N—продольное растягивающее (цепное) усилие в обшивке, определяе-
мое по формуле
у (4.3)
1| (7-v!)24
I—расстояние между ребрами жесткости; Ne='iC'Et3 H2^.-vz)l2.
Вертикальное qB и горизонтальное prt нормативные давления сыпуче-
го материала в бункерах определяют по формулам:
(4-4)
где у—удельный вес сыпучего материала; к = tg2 (45° - W2) — отноше-
ние горизонтального давления к вертикальному; <р —угол естественного
откоса сыпучего материала; у — расстояние от верха сыпучего материала
до рассматриваемого сечения.
При расчете стенок воронки по формулам (4.3), (4.4) вместо рп под-
ставляют значения нормативного давления сыпучего материала, направ-
ленного перпендикулярно наклонной поверхности воронки,
р^„ = Чп^2 ° + к sina)’ <4-5)
где qn принимают по формуле (4.4).
Прочность обшивки проверяют по формуле
a = N /1 ± fW=N/t±/ Г <R,уг9 (4.6)
З-ЧЗ
65
где WW76 — момент сопротивления полосок в обшивке шириной 1 см;
Г, = 0,8.
Для участков в верхней части бункера необходимо учитывать напря-
жения в обшивке, развивающиеся от усилия N^,
e = N/t + N„yft±6Mmaft2<Ryyc, (4.7)
где = N2pVy[2(ay + Ъу )]; аг by — размеры в плане бункерной ворон-
ки на уровне у, м;
Vy = (hy/3)[ayby + (ау + ao)(by + Ьо) + а0Ь„] +
а, b —высота и размеры в плане призматической части бункера;
hy — высота воронки с материалом.
Максимальные значения прогиба пластинки определяют по формуле
f = ,4Р"-— I/] = —1- (4.8)
n\N + Ne) 50
Горизонтальные ребра жесткости пирамидальной части бункера вы-
полняют из уголков, приваренных пером к обшивке с наружной стороны.
Полка уголка может располагаться горизонтально (рис.4.2, б), что позво-
ляет объединить смежные уголки в жесткую рамку, однако часто распо-
лагают ее перпендикулярно поверхности обшивки, так как в этом случае
упрощается технология сварки и уменьшается крутящий момент ребра.
Ребра рассчитывают на поперечный изгиб и продольную силу.
Прочность ребра как для растянуто-изогнутого стержня проверяют по
формуле
<т = N / Ау + М / Wp < (4.9)
где M = qpl2/8; qp + Ai+1)/2sina; N =qpby / 2; ус=1; 4>,
—соответственно площадь и момент сопротивления ребра с приле-
гающей к нему частью обшивки шириной, равной l,3t^E !RV.
Прогиб проверяют по формуле прогиба балки с защемленными кон-
цами
1 g/ £ l_z
v 384 EJr 250 г’
Бункерные балки рассчитывают как однопролетные шарнирно опер-
тые на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок от конструк-
66
Рис. 4.4. Расчетная схема бункерной балки:
°—действующие нагрузки; 6—приложение вертикальных и горизонтальных нагрузок; в—расчетная
схема работы балки на вертикальные нагрузки; г—то же, на горизонтальные нагрузки
ЦИЙ, давления сыпучих материалов и временных нагрузок на перекрытие
(рис. 4.4). Принимается, что на вертикальные и горизонтальные нагрузки
в основном работают только пояса балки. Стенка балки в заполненном
бункере работает на распор от засыпки как пластинка, опертая на пояса
балки, а также на горизонтальные и вертикальные ребра жесткости.
Вертикальная распределенная нагрузка q включает постоянные на-
грузки п и вес заполнения бункера g, который в случае симметричного
бункера может быть найден путем деления полного веса заполнения на
периметр верхнего сечения бункера. Горизонтальные распределенные
нагрузки //будут равны: H\=ph\l6‘t H^=g ctg a —ph\ /3 -ра h2 /2sin а. Си-
лы N характеризуют действие балок смежных граней, загруженных на-
грузками Н.
4.3. Гибкие бункеры
4.3 Л. Конструктивные особенности
Гибкий или висячий бункер представляет собой открытую (незамкну-
тую) цилиндрическую оболочку нулевой гауссовой кривизны, подвешен-
ную к двум продольным несущим балкам, опирающимся на колонны
(рис. 4.5). По торцам бункеров устраивают жесткие вертикальные стен-
ки-диафрагмы. Благодаря отсутствию ребер жесткости и работе стенок в
основном на растяжение гибкие бункеры являются наиболее экономич-
ными по расходу стали сооружениями для хранения сыпучих материалов.
67
Рис. 4.5. Гибкий (параболический) бункер:
I — оболочка; 2 — продольная балка; 3 — поперечная балка-распорка; 4—торцевая стенка; 5—тяжи;
б—течки; 7—колонна
Для определения формы гибкого бункера используют следующие за-
висимости (см. рис. 4.5):
у =2/[3(х / Ь}2 -2(х / Ь)3]; (4.10)
у = 4/(х/й)2. (4.11)
Площадь поперечного сечения бункера и его объем определяют по
формулам:
J = (5/8)A F = (5/8)#Z, (4.12)
где Z —длина бункера (см. рис. 4.5).
Пролет гибкого бункера b определяют из выражения
Ъ = (2 / 3\/(Я, +ЛД//Г) - (3 / 4)й, (4.13)
где R„ Rf соответственно расчетные сопротивления стали оболочки и
футеровки, кН/см2; tf—толщина листов футеровки, см; у—удельный
вес сыпучего материала, кН/см3; h-—высота бункера, см.
Оптимальное соотношение пролета бункера к высоте оболочки b/f
обычно принимают равным 1,4.
68
4.3 .2. Основные положения расчета
При расчете стенок гибких бункеров принимают, что они работают
как гибкие нити только на растяжение. Максимальные цепные усилия в
стенке F, кН/м, возникают в месте ее подвеса к продольным бункерным
балкам, их определяют по .формуле
F = А +16« ' *)2П + (3 / 2)(й / /)]. (4.14)
При b/f= 1,4 получаем F - (уд Z>2/4) [ 1 + (3/2) (h/f)}, а минимальное рас-
четное цепное усилие в нижней точке днища
Fo = F/D, (4.15)
где/Ь=1+ ф /50; ф — угол естественного откоса сыпучего материала, град.
Подбор сечения гибкой стенки при заданных параметрах бункера и
характеристиках сыпучего материала может быть произведен с учетом
расчета стенки по плоской схеме (как растянутой нити) в любом сечении
i-i по формуле
Тм=Г//(йдД (4.16)
где F. — f' - 4(F - Fo )($ / L), кН/см; ус=1; S — расстояние от точки подве-
са гибкого бункера до рассматриваемого сечения i—i, м;
L-b (1 + 4л/ fib) — длина криволинейного контура оболочки
16Z J
бункера, м (при b/f= 1,4 L = 1,8#).
Минимальную толщину стенки висячей оболочки бункера t принима-
ют равной 4 мм, а стенки днища, к которому подвешивают разгрузочные
механизмы и площадки для обслуживания, — не менее 6 мм.
Бункерные балки проектируют высотой до 3—4 м. Стенка такой бал-
ки оказывается тонкой, поэтому на опоре ее проверяют на срез и устойчи-
вость от действия только касательных напряжений
3FB
4 ht
FB
2ht
(4.17)
где Тд. — критическое касательное напряжение; ус—0,8.
Для восприятия нагрузок от распора оболочки и укрепления гибкой
стенки устанавливают вертикальные ребра жесткости из одиночных
уголков, приваренных пером к наружной поверхности стенки. В зоне
подвеса оболочки стенку бункерной балки дополнительно укрепляют
продольным ребром жесткости.
69
При расчете на прочность сечений ребер жесткости учитывают рабо-
ту на изгиб составного сечения, состоящего из ребра и примыкающей к
нему стенки шириной, равной / Ry.
4.4. Силосы
Современные силосы используют для хранения как продовольствен-
ных продуктов — зерна колосовых и зернобобовых культур, кукурузы и
риса, сахара и муки, силосной и сенажной массы, — так и многих видов
сыпучих промышленных материалов.
В зависимости от применяемых схем разгрузки силосов (самотеком
или с помощью шнеков) различают две конструктивные разновидности:
на стойках с коническим дном и наземные с плоским дном.
Корпус силоса выполняют из тонколистовой стали или алюминие-
вых сплавов с толщиной листов 1,5-5 мм. Листы соединяют между со-
Рис. 4.6. Круглый силос:
а—общин вид; б, в—узлы сопряжения воронки и
цилиндрической части
бой на сварке, болтах, дюбелях
или с помощью фланцев. В зави-
симости от способов монтажа си-
лосов вертикальные швы между
листами располагают вразбежку
или по одной линии. При соору-
жении силосов из сборных пло-
ских элементов возможны квад-
ратная, прямоугольная или поли-
гональная в плане формы
каждого силоса.
Для наиболее распространен-
ных в плане круглых (рис. 4.6) ме-
таллических силосов возможны
следующие способы их возведе-
ния:
• сборка корпуса из гладких,
волнистых или горизонтальных
заготовок;
• сборка корпуса из тонколи-
стовых мембранных панелей,
прикрепляемых к каркасу;
70
• образование цилиндрического корпуса спиральной наливкой из’
стальной или алюминиевой полосы;
• разворачивание цилиндрической стенки из заводских рулониро-
ванных заготовок.
Корпуса силосов рассчитывают на прочность и устойчивость. К на-
грузкам, действующим на вертикальные стенки, относятся: горизонталь-
ное давление сыпучих материалов и дополнительное — от температур-
ных воздействий; ветровое воздействие на корпус незаполненного сило-
са; вертикальное давление сыпучего материала, передающееся на стенки
силоса силами трения; собственный вес стенки и кровли силоса; снеговая
нагрузка на покрытие силоса.
В расчете на устойчивость следует учитывать, что при действии на
тонкостенную оболочку корпуса реактивного отпора сыпучего материала
в. сочетании с осевым сжатием возможна как классическая форма потери
устойчивости (прощелкивание) с выпучиванием внутрь, так и неупругое
выпучивание складками наружу.
Глава 5
ТРУБОПРОВОДЫ
5.1. Общие сведения и классификация трубопроводов
Стальные трубопроводы являются сооружениями, предназначенны-
ми для транспортирования различных газов, жидкостей, пылевидных и
разжиженных масс. Протяженные трубопроводы большого диаметра на-
зывают магистральными трубопроводами (СМТ). Область их примене-
ния велика: магистральные газопроводы; нефтепроводы; углепроводы;
напорные трубопроводы гидравлических электростанций и циркуляци-
онные трубопроводы ТЭС и АЭС; заводские газопроводы и воздуховоды
металлургических заводов, нефтехимических заводов; подводные трубо-
проводы (дюкеры). Они являются исключительно металлоемкими и до-
рогостоящими сооружениями.
По месту укладки и типу опирания трубопроводы могут быть надзем-
ными, лежащими на отдельных опорах; подземными, уложенными в
грунт (в траншеях, канавах, насыпях и штольнях) или на опоры в тонне-
лях; подводными, уложенными по дну водоемов и рек или в траншеях,
прорытых на дне.
Магистральные нефтепроводы и нефтепродуктоводы в зависимости
от диаметра подразделяют на 4 класса: 1 класс—при диаметре более
1000 мм; 2 класс — 500<£К1000 мм; 3 класс — 300<D<500 мм; 4
класс—£><300 мм.
В зависимости от внутреннего давления трубопроводы делят на на-
порные и безнапорные. Напорные трубопроводы могут быть высокого,
среднего и низкого давления (в пределах от 0,7 до 10 МПа).
Стальные трубы трубопроводных систем изготовляют на специали-
зированных заводах. Операции изготовления состоят из правки листов,
обрезки и подготовки кромок листов, вальцовки или свивки (при спи-
ральных швах) труб, автоматической сварки продольного (меридиональ-
ного) стыка, гидравлического растяжения труб (для выравнивания дефек-
тов формы кольцевого сечения), очистки и защиты наружной поверхно-
сти труб от коррозии.
Трубопроводы изготовляют из следующих сталей (по ГОСТ 27772
-88):
72
• трубопроводы, работающие при температурах от -40° Сдо+350’ С
и внутреннем давлении до 2,5 МПа, при отсутствии коррозионной сре-
ди— С245-5-С285 или низколегированных сталей С345, С 375;
• трубопроводы, работающие при низких температурах (до
-70°С), — С345, С375;
• трубопроводы, работающие при высоком давлении (до 10
МПа), —от С345 до С590.
Трубопроводы, работающие в условиях активных коррозионных
сред, делают главным образом из нержавеющей стали.
Основными направлениями по снижению стоимости и экономии рас-
хода стали в трубопроводах являются: увеличение диаметра труб и повы-
шение давления; применение сталей повышенной и высокой прочности;
уточнение нагрузок, условий работы трубопроводов и совершенствова-
ние методики их расчета; уменьшение числа стыков и компенсаторов;
увеличение пролетов надземных трубопроводов; применение самоком- '
пенсирующихся надземных трубопроводов с использованием предвари-
тельного напряжения; применение переходов трубопроводов через есте-
ственные препятствия (реки, водоемы, дороги) в виде самонесущих ароч-
ных и висячих конструкций.
Стыки элементов трубопроводов выполняют одним из следующих
видов сварки:
• электродуговой автоматической или полуавтоматической сваркой
под слоем флюса или в защитной среде углекислого газа;
• электродуговой ручной сваркой с применением электродов, каче-
ством не ниже типа Э42А;
• электроконтактной стыковой сваркой оплавлением.
От принятого способа сварки зависят форма, угол скоса и величина
притупления кромок стыкуемых участков труб. Для трубопроводов боль-
шого диаметра применяют главным образом два первых способа сварки,
при этом используется аппаратура и технология автоматической сварки в
среде углекислого газа неповоротных стыков труб с применением специ-
альных сборочно-центровочных устройств, позволяющих осуществлять
строительство магистральных трубопроводов поточным методом непре-
рывного наращивания труб в «нитку».
5.2. Нагрузки и воздействия на трубопроводы
К основным нагрузкам (рис. 5.1) относят: внутреннее давление жид-
кости с учетом гидравлического удара или давление газа; продольные си-
лы, вызываемые внутренним давлением жидкости или газа при измене-
73
Ряс. 5.1. Поперечные нагрузки, действующие ня надземный трубопровод, лежащий на
отдельных опорах:
и — собственный вес; б—вес пыли; в — давление конденсата; г — давление жидкости при частичном
заполнении трубопровода; д—равномерное внутреннее давление газа; е—вакуум; ж—ветровая на-
грузка; з — нагрузка от обледенения
нии диаметра трубопровода и на его поворотах, а также силы, действую-
щие на торцы компенсаторов, затворы, заглушки и пр.; поперечные
нагрузки в виде собственного веса трубопровода и веса заключенной в
нем жидкости (или пыли); силы трения трубы на промежуточных опорах
и в компенсаторах, а также силы трения жидкости о стенки трубопровода;
центробежные силы на закругленных или ломаных участках трассы; воз-
действия, возникающие в случае неравномерной осадки опор; давление
засыпки, упругий отпор грунта, давление грунтовых вод (для подземных
трубопроводов).
Дополнительными нагрузками являются: неожиданное увеличение
внутреннего давления при нарушении нормальной работы регулирую-
щих устройств; вакуум, возникающий при опорожнении трубопровода;
воздействия, возникающие при частичном заполнении трубопровода во
время его наполнения или опорожнения; ветровая нагрузка; нагрузка от
обледенения; нагрузка от действия солнечной радиации; воздействия,
возникающие при монтаже и демонтаже трубопровода; воздействия, воз-
никающие при гидравлическом испытании трубопровода.
74
К особым нагрузкам и воздействиям относят сейсмические воздейст-
вия, давление воды при катастрофических паводках, сильные осадки
грунта, оползни и т.п.
5.3. Конструирование и расчет надземных трубопроводов
5.3.1. Конструирование трубопроводов
Надземные трубопроводы имеют две разновидности расчетных схем,
разрезную и неразрезную. Разрезная схема состоит из отдельных участ-
ков, связанных между собой компенсаторами.
Участки могут быть прямолинейными (протяженными) криволиней-
ными или ступенчатыми. Криволинейные участки имеют отводы, развил-
ки и места примыкания к различным сооружениям. В пределах каждого
прямолинейного участка трубопровод опирается на две анкерные и ряд
промежуточных опор (рис. 5.2). При необходимости изменения толщины
стенки трубопровода по его длине наружный диаметр трубопровода дол-
жен оставаться постоянным.
Анкерные опоры устанавливают в местах изменения направления оси
трубопровода (оси трассы), а также на прямолинейных участках, превы-
шающих предельную длину участка трубопровода между компенсатора-
ми, на котором трубопровод имеет продольную подвижность. Длина это-
го участка зависит от температурного перепада, от площади поперечного
Рис. 5.2. Схема напорного трубопровод» гвдрозлекгрнческой стянупи;
/—анкерные опори; 2-промежуточные опоры
75
Рис. 53. Катковая опора трубопровода
Рве. 5.4. Трубопровод ня качающихся опорах
сечения трубы, от величи-
ны продольных сил, давле-
ния жидкости (или газа)
при изменении диаметра
трубопровода, а также от
давления на торец компен-
сатора и трения в сальнико-
вом компенсаторе при из-
менении температуры.
Промежуточные опоры
надземного трубопровода
должны обеспечивать воз-
можность его осевого (про-
дольного) перемещения.
Для трубопроводов применяют катковые (рис. 5.3), качающиеся (рис.
5.4), подвесные (рис. 5.5), скользящие (рис. 5.6) и седловидные (рис. 5.7)
опоры.
Выбор того или иного типа опор зависит главным образом от диамет-
ра трубопровода. При диаметрах до 0,5 м наиболее выгодным оказывают-
ся седловидные опоры, при диаметре 0,6—1.2 м—скользящие. При диа-
метрах свыше 1,2 м — катковые и качающиеся опоры. Трубопроводы
76
Рис. 55. Подвесная опора трубопровода
Рис. 5.6. Скользящая опора трубопровода:
1 — опора; 2—сварные швы; 3 — бетонная подушка
wwmmwwwwjwjjhm
Рис. 5.7. Седловая опора тру-
бопровода
опирают на промежуточные опоры при помо-
щи жесткого кольца, приваренного к корпусу
трубы. Не допускается расположение опор тру-
бопровода под сварными стыками труб. Свар-
ной стык располагают на расстоянии, равном
1/5 пролета от опоры, но не ближе 1 м от нее.
Компенсаторы в надземных трубопроводах
выполняют, как правило, по гибкой схеме с
обеспечением продольной и (при специальных
условиях, например, при сейсмических воздей-
ствиях) угловой подвижности трубопровода
при его деформациях. Подвижность в компен-
саторе обеспечивается за счет перемещений
гибких из своей плоскости кольцевых полос (рис. 5.8) или путем дефор-
маций набивки сальника (рис. 5.9).
Все стыковые сварные швы при диаметрах труб более 1000 мм долж-
ны быть V-образными или Х-обрззными. При осуществлении V-образ-
ных швов необходима подварка корня с обратной стороны.
Конструкция соединений должна обеспечивать наименьшие гидрав-
лические потери, поэтому внутренняя поверхность труб должна быть
гладкой (не иметь резких выступов).
Конические звенья при переходе от одного диаметра трубы к другому
выполняют с учетом конусности не более 7°.
Устойчивость стенки трубопроводов большого диаметра обеспечива-
ютпостановкой ребер жесткости, размещаемых снаружи по отношению к
трубе, а не увеличением толщины стенки трубы, принятой по условиям
77
Рис. 5.8. Схемы гибких компенсаторов заводских
газопроводов диаметром 0,6-3 м:
а—П-образиый компенсатор; б—линзовый компенсатор
обеспечения ее прочности.
При этом с целью уменьше-
ния отрицательного влияния
краевого эффекта наружные
кольца жесткости располага-
ют от кольцевых швов на рас-
стоянии £>0,6-УгЛ
Для снижения величины
остаточных сварочных на-
пряжений и упрощения свар-
ки продольных швов трубо-
провода стыки колец жестко-
сти смещают по отношению
к продольным швам, причем
стыки колец жесткости сва-
Рас. 5Л. Компенсатор сальникового типа трубопровода гидроэлектростанции:
а ,вд сбоку; б—разрез по 1-1; в—разрез г.о 2-2; I — резиновый шнур; 2 — пеньковая оплетка
78
Рис. 5.10. Конструктивные узлы трубопровода большого диаметра:
ч — примыкание кольца жесткости к оболочке; б—расположение люка или лаза а углу листа; в—раз-
мещение люка (лаза) внутри контура листа; I, 2—дополнительные листы; 3—люк; 4—кольцевой
шов; 5—продольный шов оболочки
ривают после окончания сварки продольных швов. С целью обеспечения
свободной усадки шва, прикрепляющего ребро жесткости к трубе, уча-
сток этого шва на длине 400 — 500 мм в каждую сторону от стыка кольца
сваривают после заварки стыковых швов как в трубе, так и в ребре жест-
кости. Для улучшения качества монтажных соединений продольные швы
размещают за пределами угла 30° по отношению к горизонту (рис. 5.10).
Кольца жесткости могут иметь различные формы поперечного сече-
ния (рис. 5.11): уголковое, тавровое или двутавровое. Ребра жесткости в
виде неравнобоких уголков, приваренных к трубе пером широкой полки,
а также в виде сварных или прокатных тавров, приваренных к трубе стен-
кой, оказываются предпочтительнее других типов колец, так как при оди-
наковой с ними жесткости они требуют меньшего расхода стали.
Габаритные трубы (диаметром до 3,25 м включительно) изготовляют
на заводах звеньями дайной до 18 м. При больших диаметрах трубопро-
водов свальцованные листы доставляют на строительную площадку рос-
сыпью (в пакетах) и сваривают на месте.
79
Рис. 5.11. Типы колец жесткости трубопровода большого диаметра
Для возможности монтажа, ремонта и наблюдения за техническим со-
стоянием надземного трубопровода вдоль всей его трассы расстояние от
низа трубы до поверхности земли должно быть не менее 600 мм.
Для внутренних периодических осмотров, контроля и ремонта трубо-
провода устраивают лазы (см. рис. 5.10).
5.3.2. Основы расчета
Надземные трубопроводы, располагаемые на отдельных опорах, рас-
считывают как балку кольцевого сечения с учетом граничных условий на
опорных контурах трубопровода. Стенки трубопроводов рассчитывают
на прочность и устойчивость. Толщину стенки трубы определяют из ус-
ловия обеспечения прочности продольных стыковых швов и от совмест-
ного действия продольных и кольцевых напряжений — по формулам
(2.43) —(2.46).
Опорные кольца надземных трубопроводов рассчитывают на сдви-
гающие (касательные) усилия Т, которые передаются с трубы на кольцо, а
также на реактивные воздействия опоры. Наиболее удобно производить
расчет опорного кольца по методу сил, приняв за основную систему коль-
цо, разрезанное в своем верхнем сечении. В этом случае имеются два
лишних неизвестных ( момент^ и продольная силаХ), действующих в
верхнем поперечном сечении кольца.
Возникающий при определенных эксплуатационных условиях ваку-
ум в трубопроводе может вызвать потерю устойчивости его стенки. Кри-
тическое внешнее давление при потере устойчивости бесконечно длин-
ной трубы определяют по формуле
(5Л)
or
80
где п—целое положительное число, соответствующее наименьшему '
значению Pcr', EJ—жесткость на изгиб участка стенки трубы шириной
(Ь).
При действии на трубопровод (без колец жесткости) нагрузок, вызы-
вающих не только сжатие, но и изгиб стенок, также может произойти по-
теря устойчивости стенки трубы. Значение изгибающего момента в кри-
тическом состоянии трубы под действием на нее радиальной нагрузки оп-
ределяют по формуле:
_PrW 1
2 \-Р!Р„’
(5-2)
где Р — расчетное давление; Рсг—критическое давление; W — наиболь-
шее радиальное перемещение стенки трубы.
При установке колец жесткости величину критического давления для
трубы можно определять по формуле М. Леви:
, 3EJ
сг 1г3 ’
(53)
где J — момент инерции кольца жесткости с учетом участка трубы, рабо-
тающего совместно с кольцом на длине а + 1,56-Trt; а — длина касания по
образующей элемента жесткости с трубой; I—расстояние между сосед-
ними кольцами жесткости; г—радиус окружности, проходящей через
центр тяжести сечения кольца жесткости.
Условие устойчивости стенки трубы и колец жесткости при расчете
по 1-й группе предельных состояний имеет ввд
Р^Р^ (54)
где Р„—нагрузка от вакуума; Рсгу—критическое давление от вакуума;
уе= 0,65 — коэффициент условий работы надземного трубопровода при
расчете на устойчивость.
Критическое напряжение сжатой зоны трубы надземных трубопрово-
дов большого диаметра может быть определено по формуле
Ft
о г =0,25—. (5.5)
г
Если расчетное продольное сжимающее напряжение в стенке надзем-
ного трубопровода превышает значение, равное 0,65(7,, то устойчивость
сжатой зоны трубы рациональнее обеспечить не утолщением стенки тру-
бы, а постановкой продольного ребра жесткости, приваренного вдоль
верхней образующей трубы в середине пролета и вдоль нижней образую-
щей трубы у опор ( в случае, если принята неразрезная расчетная схема
трубопровода).
5.4. Конструирование и расчет подземных трубопроводов
5.4.1. Конструирование трубопроводов
Для подземных трубопроводов основными воздействиями являются:
собственный вес трубопровода (рис. 5.1, а); внутреннее избыточное дав-
ление в трубе; осевые силы, вызываемые поперечной деформацией тру-
бы; усилия, появляющиеся в местах поворота трубопровода, переломов
профиля трассы и изменения диаметра трубы; давление жидкости, запол-
няющей трубу (рис. 5.1, г); давление и упругий отпор засыпки, окружаю-
щей трубу; температурные воздействия.
Расчетная схема подземного трубопровода должна отражать взаимо-
действие конструкции с окружающим ее грунтом, который является не
только нагрузкой, но также и упругой средой, в которой протекают де-
формации трубопровода, что существенно снижает изгибающие момен-
ты и повышает несущую способность конструкции трубопровода.
Схему прокладки подземных трубопроводов обычно принимают та-
кой же, как и надземных трубопроводов с компенсационными участками.
5.4.2. Основы расчета подземных трубопроводов
Подземные трубопроводы, лежащие на сплошном основании и засы-
панные землей, различают по расчетным схемам в зависимости от нали-
чия или отсутствия поперечных колец жесткости и длины трубопровода.
Расчетной схемой подземного трубопровода большого диаметра (более
1,2 м) при наличии колец жесткости является цилиндрическая оболочка
конечной длины. Расчетной схемой подземного трубопровода любого
диаметра при отсутствии колец жесткости является бесконечно длинная
цилиндрическая оболочка, из которой вырезается кольцо единичной ши-
рины.
В обоих случаях производят расчет на поперечные нагрузки и воздей-
ствия.
При одновременном действии на подземную трубу наружных нагру-
зок и внутреннего давления (рис. 5.12) круглое поперечное сечение трубы
может принять эллиптическую форму. Уравнение упругой линии попе-
речного сечения трубы в этом случае может быть задано в следующем ви-
де:
Q г2
w= “L—cos 20, (5.6)
° 24EJ V ’
где бе и 0 обозначены на рис. 5.12.
Изгибающий момент в произ-
вольном сечении стенки трубы мож-
но определить по формуле
J/O=^cos20, (5.7)
8
поэтому радиальное перемещение
трубы от равномерной нагрузки бу-
дет равно
Мвг2
3EJ
Рис. 5.12. Расчетная схема гибкой трубы
(5.8) ери одновременном действии наружной
нагрузки и внутреннего давления
В деформированной трубе (рис.
5.12) внутреннее равномерное давление Ро вызывает в поперечном сече-
нии трубы изгибающий момент
Мх =-Ропро,
где Ро—нормальная сила от внутреннего давления; w0—радиальное пе-
ремещение стенки трубы от совместного действия внешней нагрузки и
внутреннего давления, определяемое по формуле (5.8).
На основании принципа независимости действия сил полный момент
может быть выражен как алгебраическая сумма моментов от отдельных
нагрузок
Р Л/
М ~ ма + Мх = Мо ~Рог»= Мв -, (5.10)
откуда
где
М = кхМ&
Влияние отпора грунта для подземного трубопровода возрастает с по-
вышением плотности грунта и с увеличением отношения J. Влияние
засыпки как среды, окружающей подземный трубопровод, может быть
учтено коэффициентом к2
83
к,=-----17^7" <511)
i+’qq
E U)
где к—коэффициент сопротивления (отпора) грунта, кН/см3; 1 — коэф-
фициент, зависящий от формы эпюры (эллипс, парабола и др.) и направ-
ления отпора грунта (горизонтальное, радиальное, тангенциальное). Зна-
чения коэффшщента к2 изменяются от 0,002 до 0,06 кН/см3, а величина X
изменяется в пределах от 0,7 до 1,3 в зависимости от свойств грунта и
диаметра труб [9].
При одновременном действии внутреннего давления и упругого от-
пора грунта формула для определения изгибающих моментов принимает
следующий вид
М2=к1к2М0. (5.12)
Неравномерное нагревание (или остывание) достаточно длинного
участка подземного трубопровода может быть рассмотрено (для любого
среднего участка трубы), если представить трубу как брус с заделанными
концами. В этом случае, если замыкание трубопровода произведено при
температуре г °, то при понижении температуры до t2 в нем возникает осе-
вое растягивающее усилие Nf, равномерно распределенное по площади
поперечного сечения трубы:
ЛГ,° ~2nrtvEa (/’ - Г2°), (5.13)
где а = 0,000012 — коэффициент линейного расширения стали.
Неравномерное нагревание вызывает появление изгибающих момен-
тов в продольных сечениях трубопровода
(5.14)
где J = nritVf — момент инерции кольцевого сечения грубы; t° и
t2—температура соответственно на внутренней и наружной поверхно-
стях стенки трубы.
В результате напряженное состояние стенки подземного трубопрово-
да определяется по формулам:
а, (5.15)
N2 6М2
<т2 =—2-+—-2-; (5.16)
«4
r = ~ (5.17)
где T — сдвигающее усилие, отнесенное к единице длины оболочки (тру-
бы).
Для безнапорных трубопроводов и трубопроводов низкого давления
усилия У2 невелики и наибольшие кольцевые напряжения <у2 являются из-
гибающими, а продольные напряжения с?! — осевыми.
В напорных трубопроводах усилия У2 значительны, что может при-
вести к неблагоприятному их сочетанию с усилиями У и вызвать хрупкое
состояние материала.
Литература
1. Металлические конструкции- В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций / Под ред. В.В. Го-
рева.— М.: Высшая школа, 2000.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий / Под ред. В.В. Горе-
ва. — М.: Высшая школа, 2000.
3. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. — М.: ЦИТП, 1998.
4. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.—М.: ГПЦПП, 1996.
5. Поповский Б.В., Дикун В.Н. Изготовление и монтаж крупногабаритных листовых
конструкций. — М.: Стройиздат, 1983.
б. Беленя Е.И., Астряб С.М., Рамазанов Э.Б- Предварительно напряженные метал-
лические листовые конструкции. — М.: Стройиздат, 1979.
7. Веревкин С. И. Газгольдеры.—М.: Стройиздат, 1966.
8. Лессиг Е. И., Лилеев А. Ф., Соколов А. Г. Листовые металлические конструк-
ции.— М.: Стройиздат, 1970.
9. Клейн Г.К. Расчет труб, уложенных в земле. — Я.: Госстройиздат, 1952.
10. Ягофаров X. Гибкие бункера.—М.: Стройиздат, 1980.
РАЗДЕЛ II
ВЫСОТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Глава 6
ОСОБЕННОСТИ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
6.1. Общая характеристика
Высотными называют сооружения, высота которых намного превы-
шает их размеры в плане. Это большой класс сооружений разнообразных
по назначению и конструктивной форме. По характеру статической рабо-
ты они могут быть разделены на башни, работающие как консоли, заде-
ланные в основании, и на мачты, представляющие собой ствол, поддер-
живаемый оттяжками и работающий как балка на упругих опорах. Высот-
ные сооружения могут быть отдельно стоящими (телевизионные опоры,
буровые вышки, водонапорные башни и др.) или входить в систему со-
вместно работающих опор, связанных между собой канатами, провода-
ми, пролетными строениями (опоры воздушных линий электропередачи,
опоры проволочных антенн, опоры канатных дорог и т.п.). По конструк-
тивному решению высотные сооружения могут быть решетчатыми и
сплошными. Решетчатые (сквозные) сооружения выполняют из профи-
лен хорошо обтекаемого круглого сечения, реже используют уголки,
швеллеры, сварные крестообразные профили. Сплошные сооружения,
как правило, проектируют в виде круговой цилиндрической оболочки,
подкрепленной ребрами жесткости.
6.2. Нагрузки и воздействия
8.2.1. Собственный вес конструкций
Собственный вес конструкций определяют по данным аналогичных проектов. Дм
большинства конструкций влияние собственного веса на напряжения не превышает 20%,
поэтому аналог вы можете назначить достаточно смело. Это особенно относится к башням,
так как в процессе подбора сечений элементов башни, который проводят последовательно,
начиная от верха, вы легко можете внести коррективы веса для уже подобранных сечений
вышележащих участков. Если в справочной литературе содержатся данные для опредеде-
86
ния среднего веса 1 пог. м конструкции g, то его значение на высоте Ht (при общей высоте
сооружения Н} нетрудно определить по формулам:
для башен
g, = Q^[l+3Q-H,/Hfi
(6-1)
для мачт
г, = 0.4г(4-зя,/Я).
(6-2)
В некоторых источниках приводят более точные данные, например номограммы для
определения веса конструкций вытяжной башни в зависимости от ветрового района, высо-
ты и диаметра газоотводящего ствола [5].
6.2.2. Ветровая нагрузка
Я
0,7q
Рис. 6.1. Распределе-
ние ветровом нагруз-
ки
Направление ветра по отношению к сооружению в плане мо-
жет меняться произвольно, поэтому вначале решим вопрос, какое
направление ветра будет наиболее опасным. Рассмотрим четырех-
гранную башню. При направлении ветра иа грань (рис. 6.1) в рабо-
те будут участвовать только две параллельные ветру грани. При
направлении ветра на диагональ будут работать все грани, но с
меньшими усилиями, однако усилия в поясах от составляющих
ветровой нагрузки будут суммироваться, поскольку пояса одно-
временно принадлежат двум смежным граням. Следовательно,
опасным направлением ветра для поясов является направление на
Диагональ, а для решетки—на грань.
Для удобства выполнения расчетов сооружеияеразбивают на
несколько участков (для башен обычно 7... 15, в зависимости от
высоты, для мачт—по числу ярусов оттяжек), принимая в пределах каждого участка на-
грузку постоянной интенсивности, а геометрические размеры одинаковыми. Величину на-
грузки определяют в соответствии с требованиями норм проектирования [4]. Высотные со-
оружения рассчитывают с учетом динамической составляющей ветровой нагрузки, которая
зависит от периода собственных колебаний.
Определение периода собственных колебаний. Частоты н соответствующие им фор-
мы колебаний определяют по правилам строительной механики.
Приближенно период собственных колебаний башни по основному тону (по первой
форме) вы можете определить по формуле
(6.3)
где уу — ординаты упругой линии консольного стержня от действия единичной поперечной
силы, приложенной на свободном койне.
Мачта представляет собой систему с большим числом степеней свободы, с переменной
по длине ствола массой и рядом сосредоточенных масс (в том числе оттяжек). При этом ко-
эффициенты динамической связи являются нелинейными функциями перемещений узлов.
Подобный расчет чрезвычайно сложен, поэтому удобнее пользоваться приближенным ме-
тодом приведения массы, заключающимся в замене системы с распределенными массами
системой с одной сосредоточенной массой при одной степени свободы. Несмотря иа прими-
87
тивность такой модели, найденные при ее использовании частоты весьма мало отличаются
от частот, определенных точными методами.
Период колебаний мачты по первой форме на основе метода приведения масс опреде-
ляют по формулам:
где М— приведенная к верхней опоре масса ствола; К — приведенная к верхней опоре же-
сткость (восстанавливающая сила); т—линейная масса ствола; I—высота мачты;
v;—жесткость i-й опоры (отгяжечного узла); xit хг—расстояния до i-й и верхней опор.
Пример. Мачта высотой 120,6 м на 2 ярусах оттяжек с линейной плотностью 211 кг/м
(масса мачты 25,45 т). Длины пролетов между ярусами оттяжек: Ц = 50,4 м, h = 54,0; длина
консоли 7з = 16,2 м. Жесткости опор: vi= 475,8 и v2 = 222,7 кН/м.
Приведенная к верхней опоре мачты масса (на отметке 104,4 м) Л/=25,45-103х
х120,62/(3-104,42) = 11,32-103 кг, а приведенная восстанавливающая сила Х=475,8х
х50,42/104,42 + 222,7 = 333,6 кН/м. Период колебаний Т = 6,28>/1132-101 /333,6- 10Т =
=1,16 с. Точное значение периода колебаний по первому тону составляет 1,21с.
Период колебаний мачты на оттяжках, с, для предварительных расчетов можно также
определить по более грубой (с ошибкой 1О...15%) формуле
Т = 0,01Я, (6.5)
где Н—высота мачты, м.
Учет зонального действия ветра. Распределение ветрового потока по высоте носит
случайный характер. Обычно рассматривают случай, когда ветровая нагрузка по всей высо-
те сооружения имеет максимальное значение. Для некоторых элементов высокого сооружен
ння (раскосы и распорки) более опасным может быть спад ветрового давления в отдельных
зонах по высоте.
При определении усилий в элементах решетки по методу сечений моменты удобно вы-
числять относительно точки схода поясов, исключая тем самым из уравнений равновесия
усилия в поясах (рис. 6.2, а, б). Для учета зонального действия ветра эпюру ветровой нагруз-
ки выше сечения, в котором находится расчетный элемент, представляют в виде двух участ-
ков (зон). На одном из участков эпюра сохраняет свое максимальное значение, на другом
может быть принята уменьшенной (рнс. 6.2 г, д'), при этом следует рассматривать обе воз-
можные схемы спада ветровой нагрузки. Уровень раздела эпюры иа зоны определяется по-
ложением точки схода поясов.
Уменьшенное значение ветровой нагрузки можно определить с помощью графика
(рис. 6.2, ж) по формуле
й=ха <66)
где Q—расчетная ветровая нагрузка; %—коэффициент спада ветровой нагрузки; -—пле-
чо искомого усилия в уравнении моментов (для мачт — высота одного яруса оттяжек).
6.2.3. Снеговые и пылевые нагрузки
Снеговую нагрузку при расчете площадок высоких решетчатых конструкций учитыва-
ют при размерах площадки более 15 м2. Если площадки частично защищены от прямого воз-
88
Ряс. 6.2. Зональное действие ветра:
а, б—расчетные схемы для определения усилий в раскосах и распорках; в—схема максимапхной вет-
ровой нагрузки; г, д, —схемы спада ветровой нагрузки для башен; е—тоже, для мачт; ж—график
для определения спада ветровой нагрузки
действия ветра оборудованием, то следует учитывать снеговую нагрузку независимо от раз-
меров площадки, принимая во внимание скопление снега вокруг оборудования.
Нормативную снеговую нагрузку на 1 м7 площади площадки определяют как н для зда-
ний по формуле 2.19 [2]. При этом коэффициент ( перехода от весаснегового покроваземли
к снеговой нагрузке на площадку при отсутствии специальных технических условий вы мо-
жете определять, условно заменяя габаритные размеры тех нологнческого оборудования эк-
вивалентным диаметром D, принимая: при 1,S<D<5 м р=1,6; при 5<О£10 м ц=2; при
KKDS15 м р=2Д. Снеговую нагрузку с учетом повышенного значения коэффициента ц
следует распространять на зону вокруг оборудования с радиусом не более 2.5D, Если на
площадке установлено несколько технологических агрегатов, то зонускопления снега опре-
деляют для каждого из них.
Нагрузку от пылевых отложений учитывают, если не пред с мотрены специальные ме-
роприятия по их удалению. Величину пылевой нагрузки определяют по технологическому
заданию, а схему приложения—аналогично снеговым нагрузкам.
6.2.4. Гололедные нагрузки
Нормативное значение линейной гололедной нагрузки определяют в соответствии с
требованиями норм проектирования [4]. Коэффициент надежности по нагрузке у, для голо-
ледной нагрузки принимают равным 1,3, за исключением случаев. оговоренных в специаль-
ных нормативных документах.
89
Давление ветра на покрытые гололедом поверхности принимают равным 25% норма-
тивного значения. Температуру воздуха при гололеде независимо от высоты сооружения
принимают в горных районах с отметкой более 2000 м — минус 15°C, от 1000 до 2000 м —
минус 10°С; для остальной территории России для сооружений высотой до 100 м — минус
5°С, более 100 м — минус 10°С.
6.3. Конструкции башенного типа
6.3.1. Конструктивные схемы башен
Башни можно классифицировать: по количеству граней — трех-, че-
тырех- и многогранные; по конфигурации — без переломов граней по
высоте и с переломами граней; по схеме решетки — с треугольной, ром-
бической, крестовой и другими решетками.
Наибольшее распространение получили четырехгранные башни.
Трехгранные башни менее металлоемки, не требуют устройства диа-
фрагм для обеспечения неизменяемости контура, менее чувствительны к
осадкам фундаментов, имеют меньшее число сборочных элементов, но,
вместе с тем, им присущи существенные недостатки. Расположение гра-
Ряе. 63. Ковструктявные
элементы бяшвв:
7—пока; 2—раскосы; 3— до-
полнительная распорка; 4—рас-
порки; 5 — с»гш; б—-шпренгель
ней в плане под углом 60° не позволяет приме-
нять для поясов обычные уголки и крестовые
сечения из них, усложняются узлы сопряже-
ния элементов. При взгляде на такую башню
сбоку параллельно одной из граней она кажет-
ся асимметричной, а вблизи — «падающей»,
что делает ее непривлекательной с эстетиче-
ской точки зрения.
Многогранные башни также уступают че-
тырехгранным по конструктивным и техноло-
гическим показателям. По расходу стали они
могут оказаться более экономичными лишь
при большой высоте. Их применяют исключи-
тельно редко, главным образом в уникальных
конструкциях, исходя из архитектурных сооб-
ражений.
Основные конструктивные элементы че-
тырехгранной башни с ромбической решеткой
показаны на рис. б.З. Аналогичную конструк-
цию имеют отдельные грани трех- и много-
гранных башен.
90
Неизменяемость контура по-
перечного сечения башен обес-
печивают с помощью диафрагм,
которые размещают по высоте
башни на расстояниях, в 1,5...2,5
раза превышающих ширину гра-
ни башни. Диафрагмы одновре-
менно используют для устройст-
ва обслуживающих площадок.
Для подъема на площадки преду-
сматривают лестницу или лифт.
В трехгранных башнях диафраг-
мы предусматривают только для
устройства площадок, поскольку
контур таких башен неизменяем.
Конфигурация (силуэт)
башни. Основные типы силу-
этов башни показаны на рис. 6.4.
Призматические башни (рис. 6.4, а) применяют при небольшой высо-
те, например, в осветительных вышках и при больших нормальных силах
(водонапорные башни). В этих условиях несоответствие между очертани-
ем башни и эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки не суще-
ственно сказывается на повышении металлоемкости конструкций, а изго-
товление и монтаж призматических башен значительно проще других ти-
пов, особенно при габаритных размерах, допускающих перевозку
укрупненных отправочных марок.
Пирамидальные башни (рис. 6.4, б) частично сохраняют технологиче-
ские преимущества призматических и имеют более удачные показатели
по распределению усилий, однако малая повторяемость элементов при-
водит к большому количеству типоразмеров элементов.
Башни с переломами граней по высоте (рис. 6.4, в, г) состоят из приз-
матической и пирамидальных частей. С помощью переломов граней мож-
но обеспечить хорошее соответствие между конфигурацией башни и
эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки, а также повысить
архитектурную выразительность сооружения. Вместе с тем узлы сопря-
жения поясов в местах их перелома сложны по конструкции и трудоемки
в изготовлении. Обычно предусматривают 1—2 перелома. В телевизион-
ных башнях изменение сечения по высоте достигают не только за счет пе-
реломов поясов, но и путем использования двух призматических частей
91
Рис. 6.5. Каркасы монументов:
а — «Родина-Мать» (Киев); б—«Покорителям Кос-
моса» (Москва)
разных размеров. Размеры попе-
речного сечения верхней призма-
тической части назначают из ус-
ловий удобства размещения ан-
тенн.
Конфигурация банши, служа-
щей каркасом монументального
сооружения, определяется архи-
тектурно-художественной фор-
мой монумента (рис.6.5).
Схемы решеток. Соедини-
тельная решетка обеспечивает
совместную работу поясов, вос-
принимая сдвиг от поперечной
силы. В этом состоит ее основная
роль и этим, главным образом,
определяется ее напряженное со-
стояние. Но, кроме того, при об-
жатии ветвей продольной силой
уменьшаются длины панелей, что
сопровождается поворотом рас-
косов с раздвижкой поясов. Поскольку распорки препятствуют такой раз-
движке, возникают дополнительные напряжения, которые иногда назы-
вают вторичными (см. рис. 6.29 [1]). Величина этих напряжений зависит
от схемы соединительной решетки. При рассмотрении вторичных напря-
жений мы будем полагать, что элементы решетки соединены с неразрез-
ными ветвями с помощью примыкающих шарниров.
Простая треугольная решетка (рис. 6.6, а) работает только на попе-
речную силу. При обжатии поясов они могут свободно раздвигаться, по-
этому дополнительные напряжения не возникают. При установке распо-
рок (рис. 6.6, б), последние, сдерживая раздвижку ветвей, приводят к их
изгибу. Аналогичное явление будет наблюдаться при ромбической ре-
шетке (рис. 6.6, д). В крестовой решетке (рис. 6.6, г) раздвижку ветвей
сдерживают распорки, непосредственно связанные с раскосами, поэтому
эффект появления дополнительных напряжений здесь проявляется наи-
более сильно, но изгиб ветвей не возникает, дополнительные напряжения
разгружают пояса, сжимают раскосы и растягивают распорки. При кре-
стоворомбической решетке (так мы условимся называть схему е на рис.
6.6) также будут разгружаться пояса, растягиваться распорки и сжимать-
ся раскосы, ио появится изгиб поясов, правда, весьма малый, так как раз-
92
a—треугольная; б—треугольная с распорками; в—полураскосная; г—крестовая; д—ромбическая;
е — крестоворомбическая; ж—к определению вторичных напряжений
движке ветвей будут препятствовать в основном распорки. Незначитель-
ный изгиб ветвей и распорок будет наблюдаться при полураскосной ре-
шетке (рис. 6.6, в). В практических расчетах имеет смысл учитывать
только дополнительные напряжения изгиба поясов при треугольной с
распорками и ромбической решетках, а также сжатия раскосов и растяже-
ния распорок — при крестовой схеме. При этом некоторой разгрузкой
поясов и растяжением распорок можно пренебречь. Рассматривая вто-
ричные напряжения, обратите внимание, что они могут возникать только
от продольной силы, а при ромбической и крестоворомбической решет-
ках — от продольной силы и изгибающего момента. Влияние решетки с
точки зрения вторичных напряжений можно представить в виде фиктив-
ных стержней (см. ниже), которые для схем решеток, чувствительных
только к продольной силе, располагают в центрах граней, а для схем, чув-
ствительных также к моменту, совмещают с осями ветвей (рис. 6.6, ж).
Перейдем к общей характеристике различных схем решеток, прини-
мая во внимание отмеченные выше обстоятельства.
Треугольная решетка наиболее проста в конструктивном отношении
и не чувствительна к обжатию ветвей. Ее основной недостаток — боль-
шая свободная длина пояса в пределах панели — становится решающим
при значительных размерах башни в плане. Треугольная с распорками ре-
шетка по сравнении с треугольной имеет в два раза меньшую свободную
Длину пояса, что позволяет применить ее при соответственно больших
высотах башни и размерах поперечного сечения. Но, как уже отмечалось,
здесь требуется учитывать изгиб поясов от их обжатия. Область примене-
ния треугольных и треугольных с распорками схем решеток -— башни не-
большой высоты, например осветительные вышки, антенные части теле-
визионных опор и т.п. Малые габариты поперечного сечения позволяют
93
формировать отправочные марки в виде пространственных секций пол-
ной заводской готовности. Применение треугольной решетки в башнях
большой высоты может быть оправдано в условиях повышенной агрес-
сивности среды, когда с целью сокращения количества узлов увеличива-
ют свободную длину поясов, используя трубы большого диаметра.
Полураскосная решетка по количеству элементов, их расчетным дли-
нам и углам наклона раскосов не отличается от крестоворомбической, в
чем вы легко можете убедиться, изменив через одну панель направление
раскосов на противоположное. При прочих равных условиях в элементах
башни с такими решетками будут возникать одинаковые усилия, за ис-
ключением дополнительных усилий от обжатия поясов, которые будут
отличаться не только в количественном, но и в качественном отношени-
ях. Так, в распорках полураскосной решетки, кроме растяжения, будут
возникать напряжения от изгиба. Здесь не может быть эффективно ис-
пользовано предварительное напряжение раскосов. Отсутствие ка-
ких-либо существенных преимуществ полураскосной решетки по сравне-
нию с крестоворомбической объясняет более широкое применение по-
следней.
Крестовая решетка по сравнению с треугольной с распорками имеет в
два раза больше раскосов, но в отличие от последней позволяет учиты-
вать в работе только растянутые раскосы, выключая из работы сжатые.
Иными словами, при одном направлении ветра включают в работу одни
раскосы (восходящие к этому направлению), а при противополож-
ном —другие. Это позволяет проектировать раскосы из гибких элемен-
тов, Используя предварительное напряжение, сжатые раскосы можно
также включить в работу, повысив тем самым жесткость системы. При
этом усилия в растянутых раскосах будут суммироваться с усилиями от
предварительного напряжения, но переход на гибкие раскосы из круглой
стали часто дает суммарный экономический эффект. При проектирова-
нии крестовой решетки необходимо учитывать дополнительные напря-
жения от обжатия поясов.
Ромбическая решетка является геометрически изменяемой, что тре-
бует установки дополнительных распорок 3 (см. рис. 6.3). Можно ограни-
читься установкой распорки в верхнем ромбе, но обычно дополнительно
устанавливают распорку также в первом снизу ромбе решетки. В послед-
нем случае не забудьте учесть дополнительные напряжения от обжатия,
которые возникнут на участке между распоркой и фундаментом. Помни-
те также об изгибе ветвей от продольного обжатия в тех панелях башни,
где отсутствуют распорки. Ромбическая схема решетки получила наи-
большее распространение в вытяжных башнях.
94
Крестоворомбической решет-
ке присущи как преимущества,
так и недостатки крестовой и ром-
бической схем. Хотя недостатки
здесь проявляются в большей со-
вокупности, такая решетка явля-
лась основным типом в телевизи-
онных башнях прошлых лет.
Рис. 6.7. Схемы диафрагм
Учитывая указанные выше особенности работы различных схем ре-
шеток, выбор того или иного типа из них нужно производить исходя из
габаритных размеров сооружения и конкретных условий эксплуатации,
изготовления и монтажа.
Схемы диафрагм. Диафрагмы обеспечивают поперечную жесткость
башни в горизонтальных плоскостях, сохраняя неизменным ее контур.
Для этого они должны быть геометрически неизменяемыми. Схема диа-
фрагмы зависит от поперечных размеров башни в данном сечении, ее
обычно формируют по принципу «матрешки» (рис. 6.7, а), ориентируясь
на гибкость элементов.
Не менее важным назначением диафрагм является использование их в
качестве площадок для обслуживания башни и размещения технологиче-
ского оборудования. В таких случаях диафрагмы проектируют по типу ба-
лочных клеток, не забывая о наличии осевых усилий и необходимости
обеспечения жесткости в вертикальной плоскости. При небольших разме-
рах сечения башни на данной отметке предусматривают сплошной настил
с отверстиями для пропуска технологических коммуникаций, лифта ши
лестниц с ограждением, либо выносят площадки с настилом за пределы
башни. При больших габаритных размерах поперечных сечений наспи
устраивают только в пределах зон обслуживания конструкций башни и
технологического оборудования, например, как показано на рис. 6.7. б.
6.3.2. Конструктивное оформление башен
Конструктивное оформление башен тесно связано с их назначением и
будет рассмотрено в соответствующих главах второго раздела. Но есть
общие черты, присущие всем типам башенных конструкций, которые и
составляют предмет настоящего рассмотрения. Естественно, что здесь
будут затронуты лишь принципиальные. характерные и наиболее удач-
ные решения, получившие наибольшее распространение при проектиро-
вании башенных конструкций.
95
Типы сечении элементов башни. Ветровая нагрузка оказывает пре-
обладающее, а в ряде случаев решающее влияние на работу высотных со-
оружений, поэтому их конструктивная форма должна быть назначена с
учетом максимального снижения ветровых воздействий. Ветровая на-
грузка передается на башню непосредственно и на оборудование, с ней
связанное, поэтому весьма важно учитывать доли той и другой состав-
ляющих этой нагрузки. Так, в телевизионных опорах на башне установле-
ны небольшие антенны метрового или дециметрового диапазонов, на ко-
торые передается ничтожная часть суммарной ветровой нагрузки, а соб-
ственный вес их пренебрежимо мал по сравнению с конструкциями
башни. Понятно, что в таком случае элементы башни должны иметь хоро-
шие аэродинамические свойства, так как именно они будут определять
общие технико-экономические показатели конструкции. Опыт проекти-
рования таких башен высотой 200 м показал, что использование трубча-
тых профилей позволяет в два и более раза снизить металлоемкость кон-
струкций. В вытяжных башнях, как правило, основная доля ветровой на-
грузки возникает от давления ветра на газоотводящии ствол, но и в этом
случае при проектировании элементов башни из трубчатых профилей
удается снизить металлоемкость на 15...20%. При проектировании водо-
напорных и им подобных башен, где ветровая нагрузка уже не является
определяющей, не имеет смысла уделять особое внимание улучшению
аэродинамических показателей элементов башни.
Наиболее распространенными типами сечении элементов башни яв-
ляются круглые профили из труб, наряду с которыми применяют также
крестовые или коробчатые профили (рис. 6.8, а, б).
Ряс. Ь.Я. Типы сеченян элементов
башни
Трубчатые элементы выполняют из
стандартных бесшовных, электросвар-
ных или вальцованных (при диаметрах
более 600 мм ) труб. Наряду с высокими
аэродинамическими показателями, тру-
бы обладают равноустойчивостью и хо-
рошо работают в агрессивных средах.
Элементы коробчатого сечения вы-
полняют из прокатных уголков или гну-
тых профилей. По аэродинамическим
характеристикам, коррозионной стой-
кости и некоторым другим показателям
они существенно уступают элементам
трубчатого профиля, но имеют мень-
шую стоимость. Кроме того, имеющие
96
место в гнутых профилях структурные изменения стали в месте хиба от-
рицательно сказываются на работе конструкций, находящихся в услови-
ях знакопеременных и динамических воздействий. Несколько сдержива-
ет применение коробчатых профилей также необходимость наложения
двух сварных швов по всей длине элемента с последующей правкой его.
Область применения гнутых профилей ограничена башнями небольшой
высоты, так как сечение гнутого профиля существенно ограничено тол-
щиной исходного для его изготовления листа.
Элементы крестового сечения выполняют из прокатных уголков или
из трех сваренных листов. Они также хуже трубчатых сечений по аэроди-
намическим показателям, имеют пониженную стойкость антикоррозион-
ного покрытия из-за наличия значительного количества внутренних и
внешних-углов в поперечных сечениях. Несмотря на это их достаточно
широко применяют в башенных конструкциях, главным образом из-за
простоты изготовления и относительно низкой стоимости. При этом
предпочтение отдают более простым в изготовлении элементам из про-
катных уголков, переходя на сварные листы лишь в тех случаях, когда
прокатные уголки не могут обеспечить необходимую площадь попереч-
ного сечения.
Сечения элементов диафрагм принимают в зависимости от характе-
ра и условий работы элемента. Сжатые и раскрепляющие элементы диа-
фрагм 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 диафрагме велики (например, при опирании
газоотводящего ствола вытяжной башни на одну из д иафрагм), возника-
ет необходимость в использовании прокатных, а иногда и сварных дву-
тавров.
Элементы шпренгелей выполняют обычно из однотипных с поясами
и решеткой профилей. Шпренгели и связи в нижней части башни могут
быть выполнены из одиночных прокатных уголков.
Соединения поясов. Заводские соединения поясов выполняют толь-
ко на сварке. Соединения трубчатых элементов одинакового диаметра
производят сваркой встык на остающемся подкладном кольце или с по-
мощью парных кольцевых накладок (см. рис.7.27 [I ] |. Элементы разного
диаметра можно соединять сваркой встык через коническую вставку
(рис.6.9, а) или путем заводки трубы меньшего диаметра и врезанного в
нее креста в трубу большего диаметра (рис.6.9, о). Коническую вставку
применяют при соединении труб большого диаметра (S0Q... 1400 мм).
9"
Рис. 6.9. Соединения элементов из труб:
а—встык через коническую вставку; 6—через врезной сварной крест; г—то же, с уголковыми наклад-
ками
Монтажные соединения могут быть фланцевыми, сварными на ос-
тающихся подкладных кольцах по типу заводских стыков или встык че-
рез врезной крест, с помощью уголковых накладок на высокопрочных
болтах (рис. 6.9, в). Фланцевое соединение (рис. 6.10) можно считать дос-
таточно надежным в сопряжении труб диаметром до 400 мм и при растя-
гивающих усилиях, не превышающих 2 МН. Разность диаметров труб,
соединяемых на фланцах, не должна превышать 50 мм.
Заводские и монтажные стыки поясов крестового сечения из прокат-
ных уголков осуществляют на сварке или высокопрочных болтах с помо-
щью уголковых или листовых накладок. Аналогично выполняют мон-
тажные стыки элементов крестового сечения. Заводские стыки элементов
крестового сечения осуществляют сваркой встык.
Узлы сопряжения поясов с решеткой. При строительстве башен,
особенно телевизионных, нашли широкое применение узловые сопряже-
ния фланцевого типа на болтах. На рис. 6.10 показан узел типовой телеви-
зионной башни для верхней ее части, где раскосы выполнены из круглой
стали. Концевые фасонки 2 распорок 3 при монтаже конструкций соеди-
няют между собой на болтах планками 1 и зажимают между фланцами.
98
Раскосы 6 из круглой ста-
ли поступают с завода с
приваренными по концам
фасонками 5, к которым в
свою очередь приварены
парные проушины 4, об-
разуя «вилку» с отвер-
стиями для крепления к
фасонке. Фланцевые со-
пряжения нижних секции
отличаются лишь конст-
рукцией примыкания
трубчатого раскоса, с ко-
торой вы можете ознако-
миться по рис. 6.П, б.
Если размер грани
призматической башни
или ее верхней части ук-
ладывается в габариты
железнодорожного транс-
порта, то возможна по-
ставка отправочных ма-
рок в виде плоских ферм.
В этом случае элементы
решетки, расположенные
в других плоскостях, кре-
пят при монтаже на бол-
тах, как показано на рис.
6.11, а. В башнях с ромби-
ческой и треугольной схе-
Рис. 6.10. Фланцевое соединение
Рис. 6. 11. Узлы сопряжении решетки с поасдия
мами решеток узлы примыкания раскосов к поясам можно осуществить с
помощью специальных «лап», которые при небольших диаметрах раско-
сов (до 250 мм) и небольших усилиях в них (до 200 кН) можно привари-
вать непосредственно к торцевой заглушке с внутренним ребром, а в дру-
гих случаях заводить в прорезь раскоса , как показано на рис. 6.11, б. По
торцам фасонок приваривают кольцевые ребра, раскрепляющие пояс от
потери местной устойчивости и воспринимающие усилия от изгибающе-
го момента в месте расположения продольного шва приварки фасонки к
поясу башни, который возникает за счет эксцентриситета между швом и
осью узла.
При небольших диаметрах пояса раскосы не слишком удалены друг
от друга, поэтому можно установить общую для них фасонку. В бесфа-
соночных узлах к поясу в заводских условиях приваривают выпуски из
обрезков труб, к которым на монтаже присоединяют раскосы, например
с помощью полубандажей (рис. 6.11, в). Возможно усиление узла бето-
ном.
Примыкание раскосов к поясам крестового сечения также производят
на болтах, прикрепляя их к фасонкам, приваренным к поясам на заводе.
Заводское крепление фасонок к поясам крестового сечения из прокатных
уголков осуществляют обычным способом, пропуская фасонку одной
грани башни между уголками пояса, а фасонку смежной грани не доводят
до оси и приваривают только к одному из уголков. Если крестовое сече-
ние пояса башни выполнено сварным из листовой стали, то фасонки для
крепления раскосов приваривают заводскими швами к поясу встык.
В местах переломов поясов при фланцевом решении узлов сопряже-
ний (рис. 6.10) трубы приваривают на заводе под некоторым углом к
фланцам. При решении узла излома поясов посредством врезного креста
его делают с соответствующими перегибами оси в двух плоскостях и раз-
вивают в поперечном направлении так, чтобы крест одновременно мог
выполнять роль узловой фасонки для крепления элементов решетки. При
этом монтажный стык поясов обычно выносят за пределы креста. Для ба-
шен с ромбической решеткой вы можете использовать решение, показан-
ное на рис. 6.12, если уверены, что не произойдет расслоение металла
Р«. 6.12. Узел перелома пояса аз
прокладки под действием растяги-
вающих сил. Кроме того, нужно
обратить внимание на качествен-
ное наложение двустороннего за-
водского шва в сечении 2-2.
Узлы перелома поясов кресто-
вого сечения выполняют на кресто-
вых фасонках с перегибом оси в
двух плоскостях по типу врезного
креста.
Узлы пересечения элементов
решетки отличаются многообра-
зием конструктивных решений,
поскольку в них могут сходиться
раскосы, распорки, элементы диа-
фрагм и площадок. При этом рас-
тру6 порка может быть прервана в узле
100
или выполнена по неразрезной схеме с
примыкающими элементами раскосов
и диафрагм. Последнее решение по ти-
пу рис. 6.13 получило наибольшее рас-
пространение. Вертикальная фасонка
при небольших усилиях в раскосах мо-
жет быть не прорезной, и следователь-
но, заводской стык труб распорки мо-
жет отсутствовать.
Опорные узлы башен. Через
опорный узел на фундамент передают-
ся нормальная и поперечная силы. В
зависимости от направления ветра нор-
мальная сила может быть сжимающей
или растягивающей. Сжимающая сила
передается через опорную плиту, рас-
тягивающая — через анкерные болты.
Для передачи поперечной силы преду-
сматривают упоры, которые обычно
устанавливают в плоскостях двух
смежных граней с внешних сторон
башни. Эти упоры выполняют из заде-
ланных в фунда-
Рис. 6.13. Узлы пересечений элемен-
тов решетки
мент швеллеров, со-
единяемых при
монтаже с опорной
плитой с помощью
пластин.
При малых уси-
лиях в опорном узле
(до 1000 кН) опор-
ная плита может
быть установлена
горизонтально с
непосредственным
креплением к ней
анкерных болтов
(рис. 6.14, а). При
больших усилиях
требуется устройст-
Ряс. 6.14. Опорные узлы башен
J0I
I-I
Ряс. 6.15. Опорный узел башня с восьмью анкерными болтана
во анкерных столиков и более четкая передача усилий, что можно обеспе-
чить при установке опорной плиты перпендикулярно оси пояса башни, а
анкерных болтов—параллельно ей (рис.6.14, б). Желательно предусмот-
реть четыре анкерных болта, принимая их по табл. 6.11 [1]. Если при этом
диаметр болтов превысит 90 мм, то следует перейти на 8 болтов, прикре-
пив анкерные столики к траверсе в виде врезного креста (рис. 6.15).
6.3.3. Расчет башенных конструкций
Как уже отмечалось, башню разбивают по высоте на отдельные уча-
стки, в пределах которых конструкции элементов и их сечения приняты
одинаковыми. При высоте башни до 50 м рекомендуется назначать 4...5
участков, при высоте 100 м—6...8, при высоте200м—8... 12 и при высо-
те 400 м—10...16. Последовательно рассчитывают все участки, начиная
с верхнего. Расчетные значения изгибающих моментов и поперечных сил
наход ят по соответствующим эпюрам на уровне низа участка. Продоль-
ные силы уточняют на основе подбора сечений вышерасположенных уча-
стков, добавляя каждый раз приближенное значение веса рассчитываемо-
го участка. При этом для определения усилий в поясах принимают на-
правление ветра по диагонали, а для решетки—на грань. Дополнительно
в решетке определяют усилия с учетом спада ветрового давления (см.
рис. 6.2) и принимают для дальнейшего расчета наибольшее. В комбина-
ции нагрузок без гололеда рассматривают ветровую нагрузку максималь-
ной интенсивности, а при учете гололеда давление ветра принимают рав-
ным 25% от нормативного значения. Если принятые в результате расчета
площади сечения элементов отличаются от изначально заданных при со-
хранении общих габаритов (диаметра трубы, ширины полки уголка и
102
т.п.), то достаточно уточнить нагрузку от собственного веса конструкций
башни и проверить несущую способность элементов по уточненной на-
грузке. При. существенном отличии габаритов элементов от заданных
следует продолжить расчеты башни в остальных сечениях, рассматривая
эти расчеты как предварительные, после чего полностью повторить их,
начиная от сбора нагрузок.
Определение усилий в элементах башни. В сечениях башни действуют нормалыше
усилия, изгибающие моменты и поперечные силы. Каждый из этих силовых факторов при-
водит к появлению в элементах башни усилий, которые являются преобладающими, но не
единственными. Кроме них возникают усилия от местных нагрузок на площадках и вторич-
ные усилия от обжатия ветвей (см. п.б.6.2 [1]).
При компоновочных расчетах и когда нет уверенности, что габаритные размеры эле-
ментов совпадут с изначально заданными (и следовательно, потребуется дальнейший пере-
расчет), можно воспользоваться формулами без учета дополнительных и вторичных уси-
лий, полностью передавая моменты и нормальные силы на пояса, а поперечные силы—на
решетку.
Нормальные усилия в поясах и раскосах четырехгранной башни можно соответственно
определить по формулам:
с - «71
J i— > * )
е 4cosy AV2cosy
(6.8)
^4 2й Jsina 4sma
где М, N, Q—изгибающий момент, нормальная и поперечная силы; Л — размер грани баш-
ни в плане; a—угол между раскосом и вертикалью в плоскости грани; Р—то же, между
поясом и вертикалью в плоскости грани; у—то же, в пространстве.
Обратите внимание, что усилия в раскосах записаны применительно к двум рабочим
раскосам в пределах панели одной грани. Если сжатые раскосы перекрестной решетки вы-
ключены из работы или в пределах панели имеется лишь один раскос (например, при тре-
угольной решетке), то усилия следует увеличить в два раза.
Усилие в распорке ромбической решетки от ветровой нагрузки в пределах панели 0'бу-
Дет равно
5, = ±0'/4. (6.9)
в местах переломов поясов оно составит
С
Л 4 2Л ‘
(6.10)
Усилия в элементах решетки от местных нагрузок на площадках зависят от компоно-
вочных схем этих площадок. Их нетрудно определить в каждом конкретном случае.
Дополнительные усилия от обжатия ветвей зависят от схемы решетки банши (см. п.
6.3.1). Весьма громоздкие формулы для определения этих усилий можно найти в специаль-
ной литературе. Удобно использовать инженерную методику определения дополнительных
усилий от обжатия ветвей, заменяя раскосы фиктивными стержнями (см. рис. 6.5, ж) и рас-
считывая полученное сечение по общим правилам с последующим возвратом от фиктивных
103
стержней к рескосам . При расчете башен с крестовой и крестоворомбической решетками
вы можете воспользоваться формулой (6.58 [1]), понимая под Л* площадь поперечного се-
чения одной ветви.
Усилия в элементах решетки с учетом спада ветровой нагрузки при зональном дейст-
вии ветра удобно находить по методу сечений (см. рис. 6.2). Из опыта проектирования ба-
шенных конструкций известно, что усилия в раскосах и распорках ниже нижнего перелома
поясов при зональном действии ветра могут увеличиться вдвое по сравнению с усилиями от
полной ветровой нагрузки. В целях сокращения трудоемкости расчета, если усилия в ниж-
ней части решетки от полной ветровой нагрузки не превышают 100 кН, расчет по схеме зо-
нального действия ветра можно не производить, а усилия в элементах решетки от полной
ветровой нагрузки увеличить вдвое [5].
Трех- и многогранные башни можно рассчитывать аналогично четырехгранным при
соответствующем разложении нагрузок по плоским граням. Можно воспользоваться фор-
мулами, аналогичными (6.7), (6.8):
р и cosy иг cosy’
(6.8а)
и sin а
где л — количество граней; г — радиус описанной окружности. Остальные обозначения
прежние.
Проверка несущей способности элементов башни. Элементы поя-
сов и решетки рассчитывают как самостоятельные стержни, при этом не-
значительный изгиб от местного давления ветра на элемент не учитывают
и рассматривают эти элементы как центрально сжатые (см. п. 6.3.3 [1 ]).
Предельные гибкости элементов башни следует ограничить значениями:
для поясов.............................................кй„<80
для раскосов и распорок крестового сечеиия.............1^^120
то же, трубчатого сечения (для предотвращения
автоколебаний в ветровом потоке).................... Х;|М^80
для элементов шпренгелей и внутренних связей..............X^SlSO
Площадки рассчитывают по общим правилам проектирования балоч-
ных клеток (8.2, 8.3 [1]). В элементах, одновременно входящих в состав
башни и площадки (например, распорки, на которые опирается настил),
нужно учитывать осевые усилия от их работы в составе башни.
Расчет по второй группе предельных состояний. Деформативность
башни в целом оценивают по амплитуде ее колебаний, а распорок решет-
ки, поддерживающих площадки, по стрелке прогиба.
Гарев В. В. Определение дополнительных усилий от обжатия ветвей в элементах продоль-
но-сжатых стержневых конструкций,— Известия вузов. Строительство и архитектура.
1985 г„ № 3, с. 13—17.
104
Под амплитудой колебаний понимают максимальное горизонтальное
перемещение верхней точки башни от полной нормативной ветровой на-
грузки, действующей на грань. Предельно допустимое перемещение для
башен высотой Я обычно принимают равным Н/100, если в проектном за-
дании или технических условиях не оговорено иное значение. Перемеще-
ние можно определить по формуле Мора и оценить деформативность
башни по условию
5 = (6.11)
, £4,- 100
Прогиб распорки, работающей на изгиб, определяют пр деформиро-
ванной схеме с учетом действия нормальных сил и ограничивают его ве-
личиной Z/400:
Mi2 / (10EJ- М2) < //400, (6.12)
где Af— максимальный изгибающий момент от нормативной нагрузки;
N— нормативная нормальная сила; EJ—жесткость распорки; I—про-
лет.
6.4. Мачты
Мачта состоит из ствола, опирающегося на центральный фундамент,
и оттяжек, закрепленных в анкерных фундаментах, с помощью которых
ствол удерживается в вертикальном положении.
В зависимости от назначения мачты ствол может поддерживать тех-
нологическое оборудование (резервуар, антенну и пр.) или сам выпол-
нять технологические функции (дымовой трубы, излучателя радиоволн и
ДР-)-
6.4.1. Конструктивные решения
По сравнению с башней мачта более экономична по затрате металла,
но для ее размещения требуется большая территория. Этот недостаток
можно значительно ослабить, применяя мачту с круто поставленными от-
тяжками (рис.6.16, а), что позволяет разместить ее на стесненном участ-
ке. Для повышения жесткости ствола и вибростойкости оттяжек их под-
крепляют специальными реями, уменьшающими провисание оттяжек.
Традиционные радио- и телевизионные мачты (рис.6.16, о) обычно уста-
навливают за городской чертой.
Стволы решетчатых мачт проектируют трехгранными, реже четырех-
гранными. Их выполняют из отдельных секций, увязывая размеры с
105
удобством размещения на платформах
в пределах железнодорожных габари-
тов. Разработаны типовые проекты ра-
диомачт, конструктивные формы кото-
рых вы можете взять за основу при про-
ектировании мачт иного назначения.
Инвентарные мачты с размером ба-
зы (стороны) 2200 мм предназначены
для высот 150...400 м (рис.6.17). Пояса
и распорки таких мачт выполнены из
труб, раскосы крестовой решетки—нз
круглой стали без предварительного
напряжения. В лацменных секциях, к
которым крепят оттяжки, предусмотре-
ны детали Б для их крепления. Если
планируется монтаж мачты ползучим
краном, то предусматривают опорные
столики А для перестановок крана.
106
Рис. 6.18. Секция мачты с уменьшенной базой
1-1
Рис. 6.19. Секции мачты с малой базой
Высоты 100...250 м можно успешно перекрывать мачтами с умень-
шенной базой 1350 мм (рис. 6.18). При такой базе выгоднее принимать
треугольную решетку из труб.
Пояса и решетка мачт при их высоте 50...150м могут быть выполнены
из квадратной или круглой стали (рис. 6.19). Отдельную лестницу в таких
мачтах не делают, используя для этой цели дополненную ступенями ре-
шетку одной из граней.
107
Опирание ствола на фундамент может быть шарнирным или жестким.
Радиомачты, выполняющие функцию излучателя радиоволн, часто опи-
рают на фундамент через опорный изолятор (рис. 6.20, а). При жестком
сопряжении ствола с фундаментом должна быть обеспечена надлежащая
заделка анкерных болтов в теле бетона (рис. 6.20, б).
Наряду с решетчатыми стволами применяют стволы в виде одной
трубы большого диаметра (однотрубные мачты). Конструктивная форма
ствола зависит от назначения мачты. Особенности конструктивного
оформления однотрубных стволов будут рассмотрены в соответствую-
щих главах. Здесь мы отметим лишь общие черты на примере радиомачт
и опор радиорелейных линий связи.
При высоте мачт 200...350 м стволы диаметром 2400.. .2600 мм выпол-
няют цельносварными. Отдельные секции длиной примерно 6 м с элемен-
тами площадок, лестниц и пр. (рис. 6.21) изготовляют на заводе, транс-
портируют на место монтажа в готовом виде и сваривают в рабочем поло-
жении путем наложения горизонтального кольцевого шва каждый раз
после подъема очередной секции ствола мачты. Можно выполнять соеди-
нения секций между собой на высокопрочных болтах.
Так же как и в решетчатых мачтах, к сплошному стволу прикрепляют
необходимые монтажные приспособления—столики для установки кра-
на и устройства для фиксации положения отдельных секций, необходи-
мее. 6.20. Опирания ствол» мачта! иа фундамент:
а — шарнирное через опорный изолятор; б— жесткое; 1—опорная секция; 2—балансир; 3 — опор-
ный взолягор; 4—съемные консоли; 5—стяжные болты; 6—домкраты; 7—шпальная клетка;
8—упорные планки; 9—фундаментная плита
108
Рис. 6.21. Фрагмент ствола однотрубной мачты
мые для сварки конструкций, а также для закрепления монтажных оття-
жек.
Внутренние площадки обеспечивают поперечную жесткость цилинд-
рического ствола, поэтому их желательно совмещать с местами прикреп-
ления оттяжек и других сосредоточенных сил. При отсутствии площадок
предусматривают кольца жесткости. Такие кольца устанавливают также
по концам секций для придания им жесткости при перевозке и обеспече-
ния местной устойчивости тонкой оболочки ствола в процессе эксплуата-
ции.
В местах образования отверстий для пропуска оборудования или ла-
зов для людей необходимо проводить усиление с тем, чтобы площадь се-
чения и жесткость ствола в целом, а также местная жесткость ствола у вы-
резов сохранялись одинаковыми с замкнутой оболочкой. Для этой цели в
зонах вьфеза устанавливают манжеты и патрубки, имеющие очертания
отверстия. Суммарная площадь сечения элементов усиления 2 должна
быть не менее площади сечения вырезов 1 (см. сеч. 1-1 рис. 6.21). Отвер-
стия должны иметь овальную форму для уменьшения концентрации на-
пряжений у выреза.
Конструктивное оформле- _________________ б)
ние узла опирания ствола на * *
фундамент при шарнирном со-
пряжении показано на рис.
6.22, а. Если узел выполнен в
виде листового шарнира (рис.
6.22, б), то он способен воспри-
нимать нормальные силы, при- рнс, 6.22. Узлы опирания цилиндрического
ложенные с некоторым зксцен- ствол» на фундамент
109
триситетом. Вследствие этого в нижней части цилиндрической оболочки
напряжения неравномерны, и поэтому ее делают утолщенной.
При жестком сопряжении ствола с фундаментом опорное кольцо всей
своей поверхностью опирается на закладные детали, надежно заанкерен-
ные в теле бетона, либо по периметру трубы предусматривают анкерные
столики.
6.4.2. Расчет мачт
При расчете мачту обычно рассматривают как сжатоизогнутый стер-
жень на нелинейно-упругих опорах, роль которых выполняют оттяжки. В
качестве неизвестных можно принять надопорные моменты М, переме-
щения узлов у и опорные реакции Н (рис.6.23). Перемещения узлов у и
опорные реакции Н, характеризующие жесткости опор, зависят также от
силовых и геометрических параметров оттяжек, поэтому расчет прихо-
дится выполнять несколько раз, последовательно уточняя жесткостные
характеристики опор. Весьма громоздкие вычисления затрудняют руч-
ной счет и делают привлекательным обращение к программам машинно-
го расчета, например к программам SUD, МАВР-3 и др.
Статический расчет мачты
При статическом расчете мачты дня определения неизвестных используют три группы
уравнений, которые можно записать для каждого яруса оттяжек. Это уравнения неразрыв-
ности упругой линии, уравнения равновесия и уравнения общности деформаций узлов кре-
пления оттяжек данного яруса к стволу мачты.
Прежде чем приступить к составлению таких уравнений, напомним известные из
строительной механики сведения, дополнив их учетом влияния сжимающий силы на дефор-
мации стержня при изгибе.
Напоминание. Углы поворота стержня данной I с шарнирно закрепленными концами
на опорах Л и В, загруженного сжимающей силой N, а также сосредоточенным моментом М,
приложенным на опоре А, или равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q
можно определить соответственно по формулам:
„ Ml , . n Ml . , _ _ о/3 . .
9. -----ф(«); = ——w(u); 9. = 9. = ——vhA
* fiEJ * 3EJ 24EJ
где
1
, < 3 ( 1 1 > , . 3 f 1 1)
== —->] » I — |; wfa) =s —| —- — *-—— Г
tgu\sin2u 2u) 2u\2u tg2wj
L fjL
З(г^и-и)
= u =
u
(6-13)
Вернемся к построению уравнений для определения неизвестных.
ПО
Рнс. 6.23. К расчету мачты
Рнс. 6.24. Схема оттяжек
Из условия равенства углов поворота смежных но отношению к i-й опоре участков
ствола (рис. 6.23) будем иметь:
М,
4 г ч 1
— ©(«,) + М—
6EJ, '
1 1 1
+*'
у«(«)+Ши) +4
AC J; ]
_L4--g£_Z(M)+ ^.А».
/,ь1 24ЕЛД34ЕГМ
-^-(0(м .)+>: 1-
(6.14)
, л . т.. J. . , „ „
Г) + ¥(«/) + Ф(«;г , ) = О,
joJj од»/... j
где т, и mf+i — добавочные моменты от усилий в оттяжках (разность моментов от усилий в
наветренной и заветренной оттяжках).
Условие равновесия /-го узла имеет вад:
{N;
М
Л7,-» , «Л+С-Л, , с/.ШО + соУи) , w, W,.; о _п
—• V,--i--—“ " 1 1 г "т- ———- - - . т “Г*" _ П<; — vw
Л ’ 4*1 2 4cosa 4 4-<
(6.15)
где q^ nv, hj—нагрузка на оттяжки, количество оттяжек данного яруса в плане, высота рас-
положения оггяжечного узла.
Для записи уравнений общности деформаций узлов крепления оттяжек данного яруса
рассмотрим оггяжечный узел мачты (рис. 6.24), который под действием расчетной ветровой
нагрузки в направлении оси Оу переместился в плоскости ветрового потока на величину у. В
исходном состоянии напряжения во всех оттяжках одинаковы и равны ст .. После перемеще-
ния узла напряжения в оттяжках будут равны с,, где i—номер оттяжки.
Составив для каждой оттяжки уравнение состоянии (8.19 (2]). дополнив эти уравнения
условием совместности перемещений всех оттяжек в узле и выполнив преобразования,
можно записать следующие зависимости (зля четырех оттяжек в плане, при направлении
ветра вдоль оттяжки У“3) [6):
у, = (6.16)
Л £tga Ц ’ 24a; J J
III
h(J + tgza)j[ ' Y2bW+tga)2l J
* 1 ЙЗ J f
(«.17)
Я = а0
y2/i2-Etg2a
24g2 ’
(6.18)
где Л — расстояние по вертикали от обреза фундамента до оттяжечного узла; a — угол на-
клона оттяжки к вертикали; у =— плотность материала оттяжки; к — отношение приведен-
ной ветровой нагрузки на оттяжку к приведенному весу нити (с учетом веса изоляторов).
И наконец, еще одно уравнение — условие равновесия оттяжечного узла
Н, ~ (стз _ ai )4 sin ai- (6-
Обратите внимание, что кроме основных неизвестных Mh у,-, Н;, подлежащих определе-
нию при решении системы уравнений (6.14), (6.15), эти уравнения не могут быть составле-
ны, так как содержат продольные силы N,-, и моменты mh которые также не известны. Вот
почему вначале нужно выполнить предварительный грубый расчет и лишь затем присту-
пить к составлению и решению уравнений. При грубом расчете допускается расчленять
мачту на ствол и оттяжки, рассматривая систему однопролетных балок, шарнирно опираю-
щихся на жесткие оттяжечные узлы. Загрузив ствол расчетной ветровой нагрузкой, можно
найти усилие в наветренной оттяжке, расположенной под углом а к вертикали, по формуле
N„ = kQi / s'n ai> (6.20)
где Qi — сумма реакций балок в i-м узле; к— коэффициент, учитывающий предваритель-
ное напряжение оттяжек, принимаемый при трех или четырех оттяжках в узле равным 1,2-
При назначении диаметра каната можно полагать, что усилие тяжения не превышает поло-
вины величины разрывного усилия. Размеры сечения ствола можно назначить по прибли-
женным значениям момента М н продольной силы N:
М = 0,М:; (6.21)
N = O,52JVfc. cosaf + N, + N„, (6.22)
где q — усредненное значение равномерно распределенного давления ветра на конструк-
цию и оборудование рассматриваемого пролета; !Nlt cosa, — сумма проекций усилий всех
вышерасположенных оттяжек на вертикаль; Ns, No — уашм от собственного веса ствола и
оборудования.
Систему уравнений, построенных с использованием зависимостей (6.14), (6.15) и запи-
сан ных последовательно для всех узлов мачты, нельзя рассматривать без учета соотноше-
ний (6.16).,. (б. 18). поскольку число неизвестных в этой системе превышает число уравне-
ний. Это обстоятельство существенно усложняет процесс вычислений. Вначале нужно за-
даться предварительным напряжением оттяжек а0 и их сечениями Л, после чего, выполнив
все необходимые вычисления, а также решив систему уравнений, определить изгибающие
момешы. Распределение моментов, скорее всего, окажется неудачным, поэтому все опера-
ции нужно вы поднять несколько раз. добиваясь оптимизации. Этого можно избежать, поль-
зуясь методом заданных эпюр и выполняя расчет в следующей последовательности:
• Задайтесь удачным распределением моментов, исходя из равенства опорных и про-
летных моментов для каждого пролета. Грубо это можно сделать из условия
112
- Wi / 8) / 2 с осреднением моментов для соседних пролетов, более точно — с исполь-
зованием рекомендаций [6].
• Подставьте моменты Mt в систему уравнений (6.14), решите ее и определите переме-
щения всех отгяжечных узлов у,.
• Подставьте М и у, в систему уравнений (6.15), найдите реакции оттяжек на ствол
мачты Нь
• Назначьте напряжение аз в наветренной оттяжке равным расчетному сопротивле-
нию каната (см. формулу 8.2 [1]) и подставьте это значение в (6.17), принимая перемещение
оттяжечного узлау3 данного яруса равным у, (определенном при решении системы (6.26).
Найдите значение параметра В.
• По формуле (6.16) вычислите напряжение в 1-й (заветренной) оттяжке.
• По формуле (6.19) назначьте сечения затяжек.
• Решив кубическое уравнение (6.18), определите начальное напряжение оттяжек ое.
Не обольщайтесь надеждой, что решение закончено. Оно только начинается, т.к. вы
проверили лишь одну комбинацию нагрузок (ветер максимальной интенсивности) при на-
правлении ветра на 3-ю оттяжку. Необходимо проверить расчетом другие комбинации: го-
лоледной при отсутствии ветра и при его наличии с интенсивностью 25% от нормативного;
монтажного натяжения оттяжек при отсутствии ветра, причем, рассматривая ветровую на-
грузку, нужно учитывать возможный спад ветрового давления. Выполняя эти расчеты, вы
уже не можете пользоваться методом заданной эпюры моментов, поскольку величина пред-
варительного натяжения в оттяжках <т0 всякий раз должна оставаться одинаковой. Поэтому
решение нужно выполнять в обратном порядке, приняв за основу од, а это связано с необхо-
димостью решения системы нелинейных уравнений. Расчеты обычно выполняют путем по-
следовательных приближений. Понятно, что если в результате расчетов придется изменить
площадь сечения или величину предварительного натяжения оттяжек, то прежний расчет
методом заданной эпюры моментов потеряет смысл и нужно будет повторить расчет на ос-
нове решения системы нелинейных уравнений при направлении ветра максимальной интен-
сивности на 3-ю оттяжку.
Все сказанное относится к расчету мачт с тремя оттяжками в плане. Естественно, урав-
нения (6.16...6.19) при этом будут иметь другой вид, приведенный в [61.
Расчет мачты на устойчивость. Мачта должна быть проверена на устойчивость из
плоскости действия моментов и в монтажном состоянии. Наиболее просто эта задача реша-
ется при рассмотрении мачты как шарнирной цепи на упругих опорах. При этом исходят из
очевидного утверждения: если не потеряет устойчивость подкрепленная оттяжками цепь
шарнирно соединенных стержней, то будет устойчив неразрезной ствол, подкрепленный
оттяжками. Из условия равновесия оттяжечного узла нетрудно получить исходное уравне-
ние, которое, естественно, будет совпадать с (6.15) без свободных членов и моментов, при
Последовательно записывая это уравнение для всех узлов, подучим систему однород-
ных уравнений, нетривиальное решение которых может быть найдено из условия равенства
нулю определителя, составленного из коэффициентов при неизвестных. Найденные таким
способом продольные силы, определяющие критическое состояние, не позволяют дать
обобщенную оценку на основе сравнения их с действующими усилиями. Поэтому поступям
иначе. Будем понимать под .V фактически действующие на систему силы «расчетные уси-
лия) и поставим задачу с разыскании такого числа п- при умножении на которое всех сил .V,
система потеряет устойчивость. Поставив таким образом задачу разыскания коэффициента
Ш
запаса на устойчивость, заменим все входящие в (6.23) значения N через 13М Приравняв ну-
лю определитель, получим алгебраическое уравнение степени (л -1) относительно Т|
И’хс-W' хс-йГ ’-4V хсЯ)хс- °- (б и)
Каждый из коэффициентов С* равен сумме субдетерминантов порядка (и - к), которые по-
лучаются из исходного определителя вычеркиванием столбцов и строк, пересекающихся на
главной диагонали.
Для определения коэффициента запаса можно поступить иначе: задаваясь рядом значе-
ний tj и вычисляя D, постройте график и найдите значение ц, при котором Л = 0.
Приближенное значение коэффициента запаса можно определить, принимая средние
значения v, N, I по формуле
(6.25)
где р—коэффициент, зависящий от количества ярусов, определяемый по табл. 6.1.
Наименьшее значение т) = 1,3.
Конструктивный расчет мачты. Ствол решетчатой мачты рассчи-
тывают по общим правилам проектирования сквозных стержней, состав-
ленных из трех или четырех ветвей (см. п. 6.6.3 [1]). При определении
приведенной гибкости ствола расчетную длину определяют, руково-
дствуясь следующими положениями.
Если значение© = v,/3 / (EJ)больше, чем указано в табл. 6.1, то опоры
мачты можно рассматривать как жесткие и принимать расчетную длину
равной длине пролета между отгяжечными узлами. В противном случае
следует определить коэффициент приведения длины к расчетной, пользу-
ясь рекомендациями, например, изложенными в [6].
Таблица 6.1. Коэффициенты £ и О
i Определяемые велмчкны Значения при числе пролетов
1 2 3 4 5 6 >7
и i ₽ = л;т/г/ 1 0,382 0,308 0,283 | 0,271 0,265 0,25
'С— 9,87 25,85 32,05 34,86 | 36,34 37,22 39,48
При конструировании узла крепления оттяжки к стволу (рис.6.25) на-
до стремиться к минимальному расстоянию между линией действия уси-
лия Л'и центром тяжести площади сечения сварных швов, крепящих фа-
сонку 3 и горизонтальные ребра 2 к стволу 1. Причем оттяжку следует
центрировать в точку пересечения осей пояса и распорки.
114
Рис. 6.25. Крепление оттяжки к стволу:
а—конструкция узла; б—очертание сварных швов креплени» фасонки к трубе
Проверку прочности сварного соединения по металлу шва произво-
дят с учетом момента от внецешренного приложения силы по отноше-
нию к центру тяжести площади сварных швов М = 2Vesina:
^(Nsina /+Му„их / Jf)2 + (#cosa / Л,)2 < (6.26)
Аналогичную проверку производят по металлу границы сплавления.
Для увеличения площади смятия к фасонке с двух сторон приварива-
ют кольцевые накладки #, суммарную толщину которых определяют ус-
ловием 2/4 > (N / Rf"fbd) -12. Расчет швов крепления каждой накладки к
фасонке 3 производят на усилие N4-Nl4/ (2t4+t2).
6.5. Особенности расчета комбинированных систем
Комбинированными будем называть высотные сооружения, которым
присущи черты как башенных, так и мачтовых конструкций. Достаточно
широкое применение получили башни, подкрепленные жесткими подко-
сами (см. рис. 7.15, Э). При расчете таких систем необходимо учитыва л»
совместную работу двух различных конструкции, используя условия со-
вместности деформаций.
Н5
Рнс. 6.26. Расчетная схема башни
с подкосами
Рассмотрим работу сооружения, пока-
занного на рис. 6.26, при действии сил NQ,
Qo, Мо, приложенных в месте присоедине-
ния подкосов к основному стволу. От обжа-
тия системы силой Nq в подкосах возникнут
усилия XN, равные
, (6.27)
л cos а +-------—
EaAdcos а
где п — количество подкосов; ЕЛ —жест-
кость ствола; — жесткость каждого из
подкосов; а — угол наклона подкоса к вер-
тикали.
При одновременном действии всех
компонентов сил и произвольном направ-
лении плоскости действия сил Qo, Mq,
характеризуемого углами ф„ значения уси-
лий в подкосах Xi, Х2, Х$ при их симметрич-
ном расположении определим, используя
следующие уравнения [9]:
АГ, =^o"COsa^A’,; (6.28)
Qx =-sina^2^,cos(p( «0; (6-29)
Qy ~ Go -sba52Xisin Ф/; (6.30)
= MQ -rcosa^^G sin (6.31)
AfOy - rcos a 52 X, cos <p, «0. (6.32)
Перемещения точки прикрепления подкосов к стволу равны:
3EJ 2EJ (6.33)
д х 3EJ 8EJ 2EJ ’ (6.34)
А Д, =—; * ЕЛ (6.35)
Qji2 4 J? мн Д - + 4 5 4- * 2EJ ' 6EJ EJ ’ (6.36)
116
y 2EJ EJ
Вместе с тем имеем следующие зависимости:
Дг1дз = te+/краг cos <р1ДЗ;
Х.„1
Aysin a sm (р1ДЗ cos а = —
(6.37)
(6.38)
(6.39)
Приведенные формулы позволяют составить и решить систему урав-
нений с определением неизвестных усилии в подкосах.
Глава 7
АНТЕННЫ
7.1. Общая характеристика
Электромагнитные колебания высокой частоты свободно распро-
страняются в пространстве со скоростью порядка 300 тыс. км в секунду.
Это свойство используется человеком для обмена информацией (радио,
телевидение, связь); обнаружения объектов (радиолокация); управления
движением летательных аппаратов и судов (радионавигация); изучения
космических объектов (радиоастрономия). Преобразование энергии
электромагнитных колебаний из цепей радиотехнического устройства в
энергию излучаемых радиоволн осуществляется с помощью передающих
антенн. Для обратных преобразований используют приемные антенны.
Формы, размеры и конструкции антенн зависят от их назначения и длины
радиоволн. Применяются антенны в виде отрезка провода, комбинации
таких отрезков, спиралей, отражающих металлических зеркал различной
конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых выреза-
ны щели и др. Современные передающие антенны представляют собой
достаточно сложные устройства, при характерных размерах (по высоте и
протяженности) порядка 50...500 м их деформации ограничены весьма
малыми величинами.
Простейшей антенной является вибратор (диполь) Герца (рис.7.1, л),
представляющий собой разрезанный на две части металлический стер-
жень /, в разрыв которого включаются провода 2 от генератора (приемни-
ка) высокочастотных электрических колебаний. Любая сложная антенна
может рассматриваться как совокупность большого числа элементарных
вибраторов. Длина вибратора должна быть значительно меньше длины
излучаемой (принимаемой) волны так, чтобы вибратор мог целиком обте-
каться по всей длине полем высокой частоты с одинаковой амплитудой и
фазой. Наибольшее распространение получили четвертьволновые вибра-
торы. Интенсивность излучения зависит от пространственного положе-
ния вибратора: она максимальна в направлении, перпендикулярном плос-
кости расположения вибратора. Графически это изображают диаграммой
направленности. Эффективность антенны в направлении наибольшего
излучения характеризуют ее коэффициентом усиления.
их
Рис. 7Л. Типы антенн:
а — вибратор Герца; б — несимметричный вибратор:»—диполь Надеиенко; г — Т-образная; а—син-
фазная; е—турникетная; ж — бегущей волны; и — волновой канал; к — рупорная; л — линзовая;
ж — параболическая; н—то же. с выносным облучателем; я — рупорно-параболическая: р — ляухзер-
кальная; с— волноводная шелемя
119
Рассмотренный тип вибратора называют симметричным. Применяют
также несимметричный (относительно точки подвода энергии) вибратор
(рис.7.1, б), представляющий собой длинный вертикальный стержень 1,
между нижним концом которого и заземлением 3 включают передатчик
или приемник. Вертикальный несимметричный вибратор в виде изолиро-
ванной от земли антенны-башни или антенны-мачты широко применяют
для передачи длинных и средних волн. При этом оттяжки мачты разделя-
ют изоляторами на отдельные короткие секции с целью уменьшения то-
ков, наводимых в них электромагнитным полем вибратора. Для повыше-
ния эффективности антенн увеличивают их высоту (до 300 м и более), вы-
равнивают распределение тока путем добавления горизонтальных
проводов (рис.7.1, г), снижают волновое сопротивление, используя пучки
проводов (рис.7.1, в, г).
Иногда требуется направленное излучение антенны. В этом случае
устанавливают рядом два вибратора, один из которых (активный вибра-
тор) непосредственно питается от передатчика, а второй (рефлектор) воз-
буждается вследствие электромагнитной связи с первым. При надлежа-
щей настройке пассивного рефлектора в результате интерференции волн,
излучаемых активным вибратором и пассивным рефлектором, сущест-
венно увеличивается излучение со стороны вибратора и ослабляется со
стороны рефлектора.
Длинные и средние волны могут огибать землю, поэтому антенны в
виде вертикальных несимметричных вибраторов способны обслуживать
огромные территории. На коротких волнах, распространяющихся только
по прямой, такие антенны применяют на линиях связи малой протяжен-
ности (десятки километров). На линиях большой протяженности (от
50... 100 км и более) связь на коротких волнах осуществляют посредством
радиоволн, однократно или многократно отраженных от ионосферы. На
таких линиях широко применяют антенны из горизонтальных симмет-
ричных вибраторов (рис.7.1, а), обеспечивающих максимальное излуче-
ние под некоторым углом к горизонту. Состояние ионосферы зависит от
времени суток, года, солнечной активности и других факторов, что требу-
ет частой подстройки длин волн принимаемого диапазона. Поэтому ис-
пользуют диапазонные антенны с малым волновым сопротивлением, не
требующие перестройки. Примером такой антенны является дийоль На-
дененко (рис.7.1, в).
На дальних коротковолновых линиях часто применяют синфазные
антенны (рис.7.1, д), представляющие собой группы симметричных виб-
раторов 1, объединенных линиями 2 в единую систему. На некотором
удалении от антенны поля, возбуждаемые токами одинаковой фазы, суМ-
120
мируются в направлении, перпендикулярном плоскости решетки, и ос-
лабляются в других направлениях. Этот эффект усиливают путем разме-
щения с противоположной стороны вибраторов рефлектора из сети гори-
зонтальных проводов 4. На приемных коротковолновых радиоцентрах
часто применяют антенны бегущей волны (рис.7.1, ж). Разновидностью
такой антенны, применяемой для метрового и дециметрового диапазо-
нов, является антенна типа «волновой канал», состоящая из активного
вибратора 1, рефлектора 2 и системы директоров 5, увеличивающих на-
правленность и коэффициент усиления антенны. Подобные антенны ши-
роко используют для приема телевизионных передач, для метеорной ра-
диосвязи, основанной на отражении радиоволн от ионизированных сле-
дов метеорных частиц и др.
На сверхвысоких частотах, охватывающих дециметровые, сантимет-
ровые и миллиметровые волны, применяют синфазные поверхностные
антенны. По принципу действия такие антенны подобны синфазной мно-
говибраторной решетке и отличаются только тем, что они состоят не из
дискретных вибраторов, а представляют собой сплошную поверхность,
на которой возбуждено синфазное электромагнитное поле. Простейшей
поверхностной антенной является рупорная антенна (рис.7.1, к) в виде
металлического радиоволновода (тонкостенной прямоугольной трубы) с
плавно увеличивающимся сечением. У выхода рупора 12 плоская поверх-
ность, проходящая через его кромки, получается синфазно возбужден-
ной. Рупорная антенна может быть использована как самостоятельное из-
лучающее устройство, так и в качестве облучателя зеркальных и линзо-
вых антенн.
Линзовая антенна (рис.7.1, д) по принципу действия аналогична опти-
ческой линзе и состоит из собственно линзы 8 и облучателя 7, установ-
ленного в его фокусе. Линза трансформирует фронт волны б из сфериче-
ского в плоский. Наибольшее распространение в области сверхвысоких
частот получили зеркальные антенны (рис.7.1. л», и), состоящие из метал-
лического зеркала в форме параболоида 9 и облучателя 7, установленного
в его фокусе. В качестве облучателя применяют рупоры, вибраторы, спи-
рали и др. В обычной параболической антенне (рис.7.1, .и) облучатель на-
ходится в поле волн, отраженных от зеркала, что вызывает их искажения.
Во избежание этого применяют параболические антенны с вынесенными
за пределы «вырезки» из параболоида вращения 9, облучателем 7. волно-
водом 10 и несущими конструкциями (рис. 7.1, н}.
В радиорелейной связи широкое применение получила рупорно-па-
раболическая антенна (рис.7.1, л), являющаяся вариантом зеркальной ан-
тенны с вынесенным облучателем. В этой антенне облучатель 10, рупор
I2J
12 и параболическое зеркало 11 составляют единое целое, что практиче-
ски устраняет утечку энергии за края зеркала. Кроме металлических зер-
кал в форме параболоида применяют плоские зеркала, с профилем пара-
болического цилиндра, сферы и др.
Двухзеркальные антенны (рис.7.1, р) состоят из основного параболи-
ческого зеркала 9, вспомогательного эллиптического зеркала 13 и вспо-
могательного гиперболического зеркала 14. Электромагнитная энергия
подводится к облучателю 10, установленному в вершине параболоида, и
излучается иа малое зеркало, после отражения от которого направляется
на основное зеркало. Малое вспомогательное зеркало 14 служит для оп-
тимального распределения электромагнитного поля в раскрыве основно-
го зеркала.
Характерной для сверхвысокочастотного диапазона является щеле-
вая антенна (рис.7.1, с) в виде замкнутого полого металлического короба
10 с прорезанными в нем щелями 15. Внутрь короба вводится электромаг-
нитная энергия, которая излучается через щели (щелевые вибраторы) во
внешнее пространство. Размеры и расположение щелей подбирают так,
чтобы они возбуждались синфазно. В диапазоне сверхвысоких частот
применяют также антенны, состоящие из системы излучателей, возбуж-
денных по закону бегущей волны (с прогрессивно нарастающим от эле-
мента к элементу запаздыванием по фазе). К ним относятся спиральная,
волновой канал, диэлектрическая, импедансная и другие типы антенн.
7.2. Проволочные антенны и их опоры
Излучателем проволочных антенн служат провода, образующие виб-
ратор (рис. 7.1, в, г), либо группу вибраторов, объединенных в систему
(рис. 7.1, д, ж).
Антенны навигационных и длинноволновых радиостанций могут
иметь протяженность в несколько километров. На рис. 7.2 показан узел
большой Т-образной антенны (выполненной по схеме рис. 7.1, г) проле-
том около двух километров. Иногда проволочные антенны имеют слож-
ную конфигурацию, занимают километровые пространства и устанавли-
ваются на опорах высотой до 350 м (рис. 7.3).
Опорами проволочных антенн могут служить башни (рис. 7.1, г, <?)
или мачты (рис. 7.1, в). Технические решения и конструктивное оформле-
ние башенных типов опор соответствует описаниям, приведенным в §6.3,
а мачтовых — в §6.4.
Прикрепление проволочной сети к опорам может быть непосредст-
венным или с помощью контргрузов. В первом случае на опоры переда-
122
Рис. 7.2. Креилеиже к оемомпив баянной Т-образной антенны
Рас. 7-3. Схема антенны дянповолномма дналаэона
кугся переменные силы оттяжения проводов, зависящие от температуры
окружающего воздуха, скорости ветра, наличия гололеда и т.п. Во втором
случае эти силы постоянны, что облегчает работу опор и уменьшает де-
формации антенного полотна. Антенны с кошргрузамн мохут быть двух
типов: первый —обычный, при котором контргруз все время висит на ка-
нате, создавая постоянное тяжение, позволяя антенне менять свою длину
при внешних воздействиях; второй—когда контргрузы покоятся на упо-
рах и включаются в работу лишь после достижения в канате некоторого
редко возникающего усилия. Кроме того, проволочные антенны могут
быть прикреплены к опорам неподвижно (допуская спуск полотна антен-
123
Рис. 7.4. Схем* крепления к башне
антенн:
I—рея; 2—узел крепления реи к поясам;
3—гибкие элементы; 4—узел крепления
антенны к рее
ны лишь в периоды ремонтов) или с по-
мощью специальных устройств, позво-
ляющих перемещать антенну в процес-
се эксплуатации.
Неподвижное прикрепление антен-
ного полотна характерно для синфаз-
ных горизонтальных антенн (см. рис.
7.1, д'). Полотна антенной решетки и
рефлектора прикрепляют к башне с по-
мощью рей (рис. 7.4). Реи, в свою оче-
редь, прикрепляют к поясам башни не-
посредственно с помощью хомутов, а
концы рей дополнительно крепят с по-
мощью гибких элементов. В современ-
ных антеннах с большими пролетами
узлы прикрепления антенны к опоре, а
опоры к фундаментам могут иметь
сложное конструктивное оформление
(см. рис. 7.2).
Подвижное прикрепление антен-
ных полотен к опорам наиболее распро-
странено в антеннах, имеющих в плане
форму правильного многоугольника.
Лучи таких антенн начинаются в цен-
тре многоугольника на центральной
опоре, и, расходясь к периферии, они
крепятся к леерным канатам, которые в
свою очередь крепятся каждый раз к
двум смежным периферийным опорам
(рис.7.5). Для удобства подъема и спуска антенны ее делят на независи-
мые секторы, подъем и спуск которых может быть сделан автономно, не
затрагивая остальные секторы. Оттяжки в мачтах размещают так, чтобы
они находились между смежными секторами и не мешали опусканию
сектора антенны на землю.
У центральной мачты радиальные лучи каждого сектора проволочной
антенны закрепляют к общей для этого сектора фасонке, которую с помо-
щью каната прикрепляют к опоре с помощью вертикального ролика и ка-
ната, идущего вдоль ствола опоры к нижней лебедке. У периферийных
мачт концы леерных канатов соединены с роликами, расположенными в
верхней части мачты (рис.7.6). Для уменьшения засорения льдом роликов
1'4
Ряс. 7.5. Антенна в форме правильного многоугольника:
1—ролики; 2—лебедки; 3—контргрузы
при движении обледенелого
каната перед роликами уста-
навливают специальные но-
жи, разрушающие лед. Сни-
жение антенны прикрепля-
ют к фундаментам с
помощью контргрузов.
Для электрической изо-
ляции антенных полотен,
вибраторов, оттяжек уста-
навливают изоляторы, типы
и количество которых опре-
деляют на основе радиотех-
нических расчетов. Наибо-
лее употребительны ореш-
ковые изоляторы типов ИТ
(рис. 7.7, а) и ИТО (рис. 7.7,
б). Изоляторы ИТ-I, ИТ-2,
ИТ-3 используют для тросов
Рис. 7.6. Крепление сектора антенны к мачте
125
Рве. 7.7. Изоляторы
Ж диаметром соответственно 8; 9,5
Fn и 12,5 мм при допускаемых уси-
lill лиях 9; 14 и 22,5 кН, изоляторы
liill ИТО-1...ИТО-5—для тросов
Ш диаметром 7,7...26,5 мм при уси-
лит лиях 7,5...85 кН. Палочные изо-
уй» лягоры (рис. 7.7, в, г) рассчитаны
_______д/_да__________ на усилия 7,5; 15; 25 и 45 кН, по-
этому в тех случаях, когда уси-
Ряс. 7.8. Узел соединения элементов антенны ЛИЯ ВСЛИКИ, устанавливают два
или три изолятора параллельно.
При пересечении вертикальных
и горизонтальных частей антенн устанавливают крестообразные палоч-
ные армированные изоляторы. Не изолированные части антенн соединя-
ют между собой, как показано на рис. 7.8.
Провода антенных полотен и оттяжки мачт подвержены вибрациям,
которые представляют опасность для выносливости узлов крепления и
изоляторов. Различают два вида вибраций: высокочастотная вибрация
5...60 Гц и «пляска» проводов. Высокочастотная вибрация возникает под
действием порывов ветра, который приводит к смещениям узлов крепле-
ния проводов к мачтам и к изменению нагрузки по длине проводов. Это
вызывает раскачивание проводов относительно линии, соединяющей
точки закрепления и колебания, связанные с изменением конфигурации
гибкой нити. Возможны также колебания при срыве вихрей. Пляска про-
водов, так же, как и вибрация, возбуждается ветром, ио отличается от
вибрации большой амплитудой и большой длиной волны.
Для уменьшения амплитуды колебаний и связанных с ними явлений
применяют виброгасители различных типов. Наибольшее распростране-
ние получили виброгасители из двух грузов (рис. 7.9).
126
Гасители вибраций устанавлива-
ют на обоих концах проводов и кана-
тов при пролетах 300 м и более неза-
висимо от величины натяжения. При
пролетах менее 120 м их устанавли-
Провод
Рве, 7.9. Виброгаситель
вают, если напряжения превышают
250 МПа для стальных тросов; 200 МПа для стальных проводов и 50 МПа
для сталеалюминиевых проводов.
«Пляска» проводов возникает также при одностороннем обледенении
проводов и связанной с этим динамической неустойчивостью. Для борь-
бы с таким явлением удаляют лед путем электропрогрева, если это техни-
чески возможно. Других эффективных способов борьбы с «пляской» про-
водов нет.
7.3. Радиорелейные линии
Для передачи телефонных, телеграфных и телевизионных сигналов
на большие расстояния используют дециметровые и сантиметровые вол-
ны, поскольку в этих диапазонах возможна одновременная работа боль-
шого числа радиопередатчиков с шириной спектра сигналов до несколь-
ких десятков МГц, низок уровень атмосферных и индустриальных помех,
возможно применение остронаправленных антенн. Вместе с тем такие
волны не огибают землю и не отражаются от ионосферы, поэтому их
можно передавать только на расстояния прямой видимости, не закрытые
искривленной поверхностью земли. Это вызывает необходимость
ретрансляции сигнала путем создания сети приемно-передающих уст-
ройств, каждое из которых принимает сигнал от соседнего устройства
(ретранслятора), усиливает его и передает к следующему. Для того чтобы
расстояние между ретрансляторами было как можно больше, их антенны
устанавливают на башнях или мачтах высотой 70...120 м. На равнинной
местности этим высотам соответствуют расстояния 40...50 км.
Обычно иа станциях устанавливают несколько комплектов прием-
но-передающей аппаратуры, размещаемых в общем техническом здании,
с созданием отдельных стволов связи. В одном стволе может быть разме-
щено 2700 и более телефонных канатов.
Линии радиорелейной связи разделяют на линии большой емкости
(магистральные), средней емкости (зоновые, малоканальные» для связи
на железнодорожном транспорте, нефтепроводах, газопроводах, а также
малоканальные линии связи с подвижными станциями. используемые в
военных целях.
12г
Рас. 7.11. Радиорелейные антенны
! 28
Для борьбы с потерями энергии
в волноводных трактах излучающие
устройства стремятся максимально
приблизить к антеннам. Это можно
осуществить на уровне земли с по-
мощью отражающих поверхностей
(рис. 7.10, а), используя радиорелей-
ную антенну типа Р-60 (рис. 7.11, а)
или путем установки технического
здания в верхней части опоры (рис.
7.10, б) в непосредственной близо-
сти к рупорно-параболическим ан-
теннам (рис. 7.11, б). Для обслужи-
вания радиотехнической аппарату-
ры предусматривают как
лестницы-стремянки, так и лифт
грузоподъемностью 0,5 т, устанав-
ливаемые внутри ствола мачты.
При использовании волноводов
их размещают в закрытой шахте,
применяя трубчатую мачту (рис.
7.10, б), или используют открытое
расположение волноводов на ре-
шетчатой опоре. В последнем слу-
чае приходится делать специальные
площадки для крепления волново-
дов, поскольку по радиотехниче-
ским условиям не допускается их
изгиб.
При расположении здания йа
опоре нагрузки на ближайшие к
зданию оттяжки увеличиваются и в
некоторых случаях приходится ус-
танавливать сдвоенные оттяжки в
одном луче. Такие оттяжки следует
делать независимыми и не присое-
динять их к стволу и фундаментам с
помощью коромысла, что дает шанс
избежать полного обрушения мач-
ты при обрыве одной из оттяжек.
В конструктивном отношении опоры ра-
диорелейных линий связи не имеют особен-
ностей по сравнению с башнями и мачтами
общего назначения, их проектирование мож-
но выполнять в соответствии с рекоменда-
циями гл. 6.
Для магистральных радиорелейных ли-
нии разработаны типовые решения однотруб-
ных и решетчатых мачт, а также решетчатых
башен разных типоразмеров в зависимости от
высоты и ветрового района. На рис. 7.12 в по-
рядке примера показана типовая решетчатая
башня высотой 100 м для магистральной ра-
диорелейной линии. На верхней части ствола
башни 1 установлена антенная этажерка 2 и
техническое здание 5, для сообщения с кото-
рым предусмотрена шахта 4 с лифтом и лест-
ницами. Опора оборудована тремя большими
б и тремя малыми ба рупоропараболическими
антеннами; блоками антенн УКВ ЧМ веща-
ния 7, 7а; четырьмя параболическими зерка-
лами 3; телевизионными трансляционными
антеннами 9. Предусмотрен эксплуатацион-
ный кран 3 грузоподъемностью 2,5 т при вы-
лете стрелы 6,5 м.
Пояса башни выполнены из труб диамет-
ром 426 мм с толщиной стенки до 30 мм, рас-
порки — из труб диаметром 351 мм, а раско-
сы— из стальных оцинкованных канатов
диаметром 55 и 63 мм. Раскосы предваритель-
но напряжены без использования стяжных
муфт. С этой целью концы канатов заделаны
во втулки с фланцами, которым соответству-
ют фланцы на патрубках, прикрепленных в
узлах к поясам башни. Исходные заготовки
раскосов делают на 50 мм меньше проектной
длины и вытягивают до нужного размера в
процессе монтажа путем стягивания фланцев.
Расстояние между пунктами передачи и
приема радиосигналов можно существенно
5--JS
Рис. 7.12. Типов»» опор»
ретранслятора
J29
Рве. 7.13. Антенна тропосферной связи:
а — общий вид; б—узел крепления щитов зеркала; в—крепление щитов к каркасу антенны
увеличить, используя тропосферную радиосвязь. Такая связь основана на
эффекте переизлучения электромагнитной энергии в электрически неод-
нородной тропосфере. Из-за малой интенсивности тропосферных неод-
нородностей приходится использовать передатчики большой мощности,
высокочувствительные приемники и специальные антенны больших раз-
меров (рис. 7.13), достигающие иногда 40x40 м2. Энергетические пара-
метры оборудования позволяют создавать до 120...240 телефонных кана-
лов в одном высокочастотном стволе при дальности передачи 150.. .250
км и до 12 каналов при дальности 800...1000 км. Передача телевизионных
сигналов возможна лишь на расстояниях 150...200 км, причем качество
передачи невысокое, вследствие приема множества волн с различным
временем запаздывания.
Радиосвязь с использованием декаметровых волн (7...30 МГц), отра-
жающихся от ионизированных слоев атмосферы, имеет большую даль-
ность при малой скорости передачи сообщений. Ионосферную радио-
связь используют в качестве малоканальной связи на большие расстоя-
ния, например для передачи сообщений дальним подвижным объектам о
стихийных бедствиях.
130
7.4. Телевизионные опоры
Для передачи телевизионных про-
грамм используют метровый и деци-
метровый диапазоны, поэтому сами ан-
тенны имеют небольшие размеры, но
устанавливать их приходится на боль-
шой высоте с целью охвата значитель-
ных территорий. В антенне обычно ис-
пользуют труппы симметричных виб-
раторов, объединенных в турникетные
антенны (см. рис. 7.1, е). В начальный
период развития телевидения в нашей
стране для установки телевизионных
антенн использовали башни, ранее по-
строенные для других целей, или воз-
водились новые по проектам, разрабо-
танным для коротковолновых синфаз-
ных антенн.
Начиная с 1950 г. на телевизион-
ных опорах, кроме турникетных ан-
тенн высотой 12 м, стали устанавли-
вать антенны УКВ ЧМ вещания, рас-
полагаемые на призматической
этажерке квадратней формы в плане
высотой 25 м при ширите базы 1,75 -л.
Для этой цели были разработаны спе-
циальные типовые проекты (рис. 7.14),
позволяющие возводить такие опоры
высотой 100,124,148. и 180 м в разных
ветровых районах. По этим проектам в
период 1954—65 гг. было построено
более 100 башен. Пояса ч решетка в
нижних секциях выполнялись из груб.
192,5 160,5 112,5
башни
раскосы верхних секций — из круглой стали с предварительным напря-
жением, которое создавалось при помошимуфт с разным направлением
резьбы по концам. Сопряжение секций осуществлялось на фланцах по
типу рис. 6.10. Узлы пересечения элементов решетки принимались по
типу рис. 6.13.
В этот же период были разработаны и построены однотрубные мачты
(см. рис. 6.16,6.21) высотой 180+12 м, диаметром 1600 мм. внутри кото-
рых размещались фидерные линии, лифт и лестница-стремянка.
131
По мере развития телевидения, увеличения числа каналов телепере-
дач и совершенствования систем ЧМ связи усложнялись конструкции
антенн. Современная антенная этажерка занимает по высоте более
100 м. Кроме того, по высоте башни (мачты) располагаются площадки
для крепления радиорелейной аппаратуры, а иногда — смотровые пло-
щадки и закрытые помещения для технического обслуживания, экскур-
сий и т.п. Телевизионные опоры часто являются украшением города,
поэтому к ним предъявляют высокие архитектурно-художественные
требования. Такие сооружения были построены в Москве, Санкт-Петер-
бурге и в большинстве столиц союзных республик СССР. Некоторые из
них показаны на рис. 7.15.
Телевизионная башня высотой 392 м в Киеве построена в 1973 г.
Ствол башни восьмигранного очертания вписан в окружность диаметром
20 м. Все соединения, включая монтажные, сварные, поэтому монтаж
производился методом подращивания снизу. Масса башни — 2600 т. Те-
левизионная башня высотой 275 м в Тбилиси построена в 1975 г. Цельно-
сварной ствол цилиндрической формы диаметром 4 м укреплен двумя
подкосами. Расход стали — 1273 т. Телевизионная башня высотой 312 м
в Ереване, сооруженная в 1978 г., состоит из трех частей: нижней в виде
132
трехгранной решетчатой пирамиды; средней в форме шестигранного ци-
линдра и верхнего цилиндра переменного сечения. Внутри башни по всей
ее высоте расположен цилиндрический ствол диаметром 4 м. Расход ста-
ли —1705 т. Ствол телебашни высотой 360 м в Алма-Ате (1982 г.) состо-
ит из участков цилиндрической формы диаметрами от 18,5 до 9 м. Конст-
рукция ствола решена в виде решетчатых призм, выполненных из свар-
ных двутавров. Для уменьшения ветровой нагрузки решетчатые грани
ствола облицованы алюминием. Расход стали — 3700 т. Телевизионная
башня высотой 350 м в Ташкенте, возведенная в 1983 г., имеет централь-
ный решетчатый ствол из труб, которые подкреплены тремя сплошно-
стенчатыми подкосами. Расход стали—2900 т.
Разработаны проектные решения телевизионных башен различной
конфигурации высотой до 4000 м, однако они имеют очень высокую
стоимость и вряд ли будут осуществлены. По оценкам японских фирм на
строительство башни высотой 2400 м необходимо затратить около 300
млн. долларов. При вариантном проектировании нужно учитывать целый
ряд факторов, включая сооружение радиорелейных линий, спутниковой
связи, выбора материала и др.
Примером необоснованного выбора материала может служить башня Московского те-
лецентра высотой 530 м. Она была выполнена из железобетона, хотя проектная стоимость
железобетонной башни более чем вдвое превышала проектную стоимость стальной башни
и более чем втрое—стальной мачты с круто поставленными оттяжками. Действительная
стоимость Останкинской башни оказалась в несколько раз большей и декларируемая авто-
рами проекта стоимость 0,8 млн. руб. была увеличена сначала до 10 млн. руб., а окончатель-
но составила около 30 млн. руб. [9]. Заметим для сравнения, что фактическая стоимость
стальной телевизионной мачты высотой 350 м с круто поставленными оттяжками, постро-
енной в I960 г. в Виннице, составила 0,3 млн. руб. и приблизительно совпадала проектной
оценкой.
7.5. Антенны космической связи и радиотелескопы
Антенны космической связи используют для связи с летательными
аппаратами, находящимися в пределах околоземной зоны, для трансля-
ции телевизионных программ и другой информации через спутники, а
также для исследования солнечной системы и Вселенной. В зависимости
от назначения конструктивные схемы таких антенн можно объединить в
три класса: полноповоротные; вращающиеся по углу места; стационар-
ные. С помощью полноповоротной антенны можно связаться с любой
точкой небосвода, видимой в данный момент из географического места
установки антенны. Полноповоротные антенны, в свою очередь, делят на
параболические, двухзеркальные и с сопряженными отражающими по--
верхностями. Антенны, вращающиеся по углу места, позволяют наблю-
133
дать лишь объекты, расположенные в данный момент времени в видимой
части меридиональной плоскости. Для поворота антенны в другом на-
правлении используют вращение земли относительно собственной оси.
Стационарно установленные на земле антенны в каждый момент време-
ни направлены в одну зону небосвода, которая с течением времени пере-
мещается вследствие вращения земли вокруг солнца и собственной оси.
Такие антенны не пригодны для сопровождения движущихся объектов,
их используют только для исследований Вселенной.
Полноповоротные параболические антенны. Этот тип антенн (см.
рис. 7.1, >и, н) получил наибольшее распространение как в отечественной,
так и в зарубежной практике. Источник (приемник) излучения 10 уста-
навливают в фокусе параболического рефлектора 12. Иногда в фокусе ус-
танавливают дополнительное зеркало, а приемное устройство располага-
ют вне его.
Рис. 7.16. Схемы полноповоротвых ан-
тенн:
и—башеннах; б—катковая
7.17. Башенный радиотелескоп
134
Параболическое зеркало (реф-
лектор) антенны представляет со-
бой сложную конструкцию, к кото-
рой предъявляют очень жесткие
требования по ограничению дефор-
маций, возникающих при поворо-
тах рефлектора вследствие перерас-
пределения сил от собственного ве-
са конструкций, а также от
ветровой нагрузки. Диаметр реф-
лектора может составлять десятки
метров, а в некоторых радиотеле-
скопах 100 м и более, поэтому эти
силы могут достигать весьма боль-
ших значений. Заметим, что масса
рефлектора диаметром 100 м со-
ставляет около 500 т.
В зависимости от способа вра-
щения зеркала радиотелескопы де-
лят на башенные и катковые (рис.
7.16).
Башенный радиотелескоп (рис.
7.17) состоит из зеркальной систе-
мы, опорно-поворотного устройст-
ва (башни) с опорной плитой и ме-
ханизмов вращения. Зеркальная
система включает: облучатель, под-
держиваемый пространственной ра-
мой 7; зеркало 2, состоящее из несу-
щих и отражающих конструкций;
опорные части горизонтальной (уг-
ломестной) оси 3; контргрузы 4,
поддерживаемые специальными
консолями; вилкообразную конст-
рукцию, служащую для закрепления
угломестной оси и механизмов к
азимутальной (вертикальной) оси.
Несущие конструкции рефлек-
тора состоят из радиально располо-
женных плоских ферм (рис. 7.18),
объединенных между собой в верх-
ней части пространственными коль-
цевыми фермами треугольной фор-
мы, которые соединены между со-
бой решеткой, располагаемой по
вахней поверхности несущих кон-
Ряс. 7.18. Схема несущих конструкций
зеркала
струкций. По нижней поверхности
между фермами установлены распорки из труб и гибкие предварительно
напряженные раскосы из круглой стали. У зоны опирания все радиальные
фермы объединяются решеткой в пространственное кольцо, нижние поя-
са которого имеют коробчатое сечение.
Это кольцо через нижние коробчатые пояса опирается в 16 точках на
жесткий ростверк (рис.7.19), образованный системой перекрестных ба-
лок коробчатого сечения. В узлах опирания установлены специальные
Устройства с пружинами и стяжными винтами, позволяющие регулиро-
вать податливость узлов опирания. К ростверку жестко прикрепляют
подшипники горизонтальной оси вращения и два сектора с цевочными
Устройствами, с помощью которых зеркальную систему приводят во
вращение по углу места. Весовую балансировку зеркальной системы от-
носительно угломестной оси осуществляют с помощью чугунных про-
тивовесов, располагаемых в плоскостях ведомых венцов на специаль-
ных рамах, прикрепленных к балочному ростверку. Момент от контр-
грузов должен несколько превышать момент от веса рефлектора с тем,
чтобы в случае вынужденного выхода механизма из работы чаша пово-
рачивалась в зенит.
125
Рис. 7.19. Ростверк для закрепления зеркала
Механизмы вращения рефлектора по углу места закреплены на вил-
кообразной опоре вертикальной оси, представляющей собой сварную ко-
робчатую конструкцию. Сама ось имеет трубчатое сечение диаметром
6000 мм с толщиной стенки 70 мм. Внутри оси расположены лифт, лест-
ницы и площадки.
Рис. 7.20. Узел опирания щитов отражаю-
щей поверхности
Щиты отражающей поверхно-
сти выполняют из алюминиевого
сплава. Они имеют трапецеидаль-
ную форму и состоят из листов и ре-
бер. Каждый щит 1 опирают на ра-
диальные фермы 3 в четырех точках
и крепят к ним с помощью регули-
ровочных винтов 2 (рис. 7.20)-
Предварительно устанавливают и
тщательно выверяют с помощью
точных геодезических инструмен-
тов реперные устройства 4, на кото-
рые накладывают пространствен-
ные шаблоны, и по ним ориентиру-
ются при регулировке установоч-
ных винтов.
136
Рис. 7.21. Катковым радиотелескоп
Рис. 7.22. Крестообразная антенна
В катковом радиотелескопе (рис. 7.16, б) вращение по углу места осу-
ществляют путем поворота зеркальной системы с помощью специальных
катков, располагаемых по окружности с центром у горизонтальной оси
вращения, а повороты по углу места—с помощью катков, располагае-
мых на горизонтальной платформе.
Применяют также другую конструкцию каткового радиотелескопа
(рис. 7.21), в которой горизонтальную ось опирают на две решетчатые
башни, установленные на общей горизонтальной платформе. Платформа
имеет в центре вертикальную ось, а по периферии—систему тележек,
которые перемещаются по рельсовым путям, уложенным на кольцевые
фундаменты. Вращение по азимуту осуществляют с помощью приводов,
установленных на тележках, или с помощью цевочного устройства.
Примером антенны, вращающейся по углу места, может служить
Крест Миллса физического института Академии наук длиной 1000 м и
шириной 40 м (рис. 7.22). Неподвижная линия его расположена в направ-
лении С-Ю, подвижная представляет собой сетчатый параболоид, вра-
щающийся по оси 3-В. Параболическая поверхность зеркала образована
из 430 параллельных проволок, натянутых между’ 37 фермами из тонко-
стенных труб, внутренние пояса которых очерчены по параболе. Фермы с
помощью шарниров опираются на стойки, заделанные в фундаменты, и
имеют возможность одновременно поворачиваться по углу места. Для на-
правления в заданную точку небосвода по азимуту используется суточ-
ное вращение земли вокруг собственной оси.
137
Глава 8
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТРУБЫ
8.1. Общая характеристика
Промышленные трубы являются неотъемлемой частью предприятий
металлургической, химической и других отраслей промышленности.
Вначале они служили только для создания тяги, обеспечивающей нуж-
ный режим горения, что позволяло ограничиваться трубами малой высо-
ты. Позднее возникла необходимость в отборе тепла для использования
его в других целях и защите окружающей среды от выноса в атмосферу
вредных промышленных отходов. Для охраны природы стали использо-
вать вынос предварительно очищенных газов из производственной зоны
на большую высоту с тем, чтобы рассеять их на значительную площадь и
тем самым снизить концентрацию до безопасного уровня.
Предварительная очистка газов, как правило, связана с их увлажнени-
ем, а отбор тепла — с понижением температуры отходящих газов. Это
приводит к образованию конденсата и появлению тумана из мельчайших
капель слабых растворов кислот и щелочей. Для защиты несущих конст-
рукции от коррозии потребовалась их изоляция с помощью химически
стойких материалов, что определило разделение в промышленных тру-
бах несущих и ограждающих функций. При возведении железобетонных
труб стали использовать конструкцию «труба в трубе» с внутренним
стволом из коррозиеустойчивых материалов. В металлостроительстве
появились вытяжные башни, в виде решетчатой конструкции, поддержи-
вающей газоотводящий ствол.
По технологическому назначению промышленные трубы делят на
вытяжные и дымовые.
Вытяжные башни (трубы) отводят прошедшие очистку газовые и
газовоздушные смеси малой агрессивности с влажностью более 80% при
невысокой температуре.
Дымовые трубы отводят газовоздушные смеси, содержащие сажу,
золу, пыль и продукты окисления перерабатываемого сырья. Влажность
смесей не более 60%, температура 100...500°С.
По конструктивному решению промышленные трубы делят на сво-
бодно стоящие трубы, подкрепленные трубы и вытяжные башни.
138
Свободно стоящие трубы представляют собой башню в виде сталь-
ной футерованной изнутри цилиндрической оболочки, сочетающей в се-
*бе несущие (инженерные) и ограждающие (технологические) функции.
Иногда свободно стоящие трубы проектируют из верхней цилиндриче-
ской части и нижней — конической. Ствол подкрепленных труб раскре-
пляют оттяжками или жесткими подкосами. В вытяжных башнях четко
разделены инженерные и технологические функции между несущей баш-
ней и газоотводящим стволом.
8.2. Вытяжные башни
8.2.1. Технические решения
Вытяжная башня состоит из несущей
обычно решетчатой конструкции и одного
или нескольких газоотводящих стволов. По-
нятно, что вытяжная башня может быть ис-
пользована в качестве дымовой трубы, что
становится эффективным при высоте более
120...150 м.
Проектированием вытяжных башен
занимаются различные проектные организа-
ции, но ведущая роль всегда принадлежала
Ленинградскому отделению института
ЦНИИПроектстальконструкция, где выпол-
нено более 200 проектов вытяжных башен
различного назначения высотой от40 до 280
м с газоотводящими стволами диаметром от
0,6 до 10 м. Опыт работы по проектирова-
нию этих сооружений обобщен в моногра-
фии [5].
Наибольшее распространение получили
башни с одним газоотводящим стволом
(рис. 8.1). Когда технология производства
требует параллельного отвода газов из не-
скольких агрегатов, в одной башне может
быть размещено несколько газоотводящих
стволов.
На рис. 8.2, а приведена вытяжная баш-
ня ТЭЦ с четырьмя газоотводящими ствола-
ми диаметром 4 и 5 м. Особенностью компо-
Рнс. 8.1. Вытяжная башня с од-
ним гагоогводяшим стволом
139
, 15000
[
15000
20000
Ряс. 8.2. Вытяжные батин с тремя газоотводящими
стволами
новочной схемы являет-
ся использование карка-
са шахты лифта, распо-
ложенного в центре
башни, в качестве про-
межуточной опоры для
элементов диафрагм.
Это позволило упро-
стить конструкции диа-
фрагм, обслуживающих
и переходных площа-
док. Для удобства об-
служивания, ремонта и
замены газоотводящих
стволов их иногда раз-
мещают не внутри баш-
ни, а выносят на консо-
ли, расположенные по
одной из граней (рис.
8.2, б), которую в этом
случае делают верти-
кальной.
Интенсификация про-
мышленного производ-
ства связана с увеличе-
нием объемов и степени
концентрации вредных
выбросов. Несмотря на
постоянное совершенст-
вование очистных со-
оружений пока еще не удается добиться их вполне эффективной работы,
поэтому иногда требуется обеспечить выброс в атмосферу больших объе-
мов прошедших очистку газов на высоте 250...500 м и более. Увеличение
количества газоотводящих стволов и их высоты может привести к эконо-
мической целесообразности увеличения количества граней несущей баш-
ни, что позволит более удобно разместить газоотводящие стволы и
уменьшить расчетные длины элементов башни. Примером такого соору-
жения может служить шестигранная башня (рис. 8.3, а) высотой 280 м с
двумя газоотводящими стволами диаметром 8 м каждый и шахтой лифта
с лестницами диаметром 3,75 м. Диафрагмы на призматическом участке
140
башни выполнены вы-
носными, в виде коль-
цевых площадок, рас-
положенных с внешней
стороны башни. Для бо-
лее полной характери-
стики сооружения мож-
но отметить, что диа-
метр труб поясов пре-
вышает 1 м, при расчет-
ных усилиях 30 МН.
Общий расход стали на
сооружение составляет
3400 т.
Для вытяжных ба-
шен больших высот мо-
жет оказаться целесо-
образным подкрепле-
ние несущей башни
подкосами. Примером
такого решения являет-
ся вытяжная башня вы-
сотой 320 м с двумя га-
зоотводящими ствола-
ми диаметром 8,4 м
(рис. 8.3, б). Несущая
башня представляет со-
бой решетчатый много-
гранник призматиче-
ской формы, подпер-
тый на отметке 108 м
Рис, 8.3. Многогранные башни
тремя подкосами, расположенными в плане под углом 120°. Многогран-
ник интересен тем, что он представляет собой систему плоских решетча-
тых панелей размером 18x3,2 м, устанавливаемых поярусно в шахматном
порядке с образованием чередующихся безраскоснмх участков граней.
Подкосы башни имеют трубчатое сечение диаметром 3,2 м, что допуска-
ет их перевозку длинными царгами. Однотипность элементов башни,
удобство их перевозки и монтажа омрачаются высокой металлоемкостью
конструкций данного типа, так как общий расход стали здесь составил
5370 т.
141
Рис. 8.4. Размещение газоотводя-
щиж стволов в поясах несущей
башни
При больших высотах вытяжных ба-
шен становится рациональным размеще-
ние газоотзодащих стволов в поясах несу-
щей башни. На рис. 8.4 приведена схема
вытяжной башни ГРЭС высотой 320 м с
двумя газоотводящими стволами диамет-
ром 8,4 м. Башня представляет собой про-
странственную многоярусную раму, за-
щемленную в основании. Сквозные стой-
ки рамы сечением 10x10 м размещены в
плане но вершинам равностороннего тре-
угольника со стороной 40 м. Две из них
имеют квадратную форму в плане, од-
на—треугольную. В стойках квадратной
формы размещены газоотводящие стволы,
в стойках треугольной формы — шахта
лифта. Кроме основных ригелей каждая
стойка имеет консольные наружные диа-
фрагмы.
Дальнейшим развитием подобных
идей является размещение газоотводящих
стволов в трубчатых поясах башни. На
рис. 8.5 показан общий вид вытяжной
башни высотой 600 м с двумя газоотводя-
щими стволами диаметром 8 м. Башня со-
стоит из трех поясов, выполненных в виде
цилиндрических оболочек диаметром
13 м, расположенных в плане по углам
равностороннего треугольника со сторо-
ной 80 м. Пояса соединены между собой
распорками через 86 м и крестовыми пред-
варительно напряженными связями. Внут-
ри двух поясов размещены газоотводящие
стволы с системой лестниц и обслуживаю-
щих площадок. В третьем поясе размещен грузопассажирский лифт и
маршевая лестница. Распорки используются для устройства в них ходов
сообщения между поясом башни с лифтом и поясами с газоотводящими
стволами.
Проблема строительства сверхвысоких башен возникла сравнительно
недавно, поэтому рассмотренное здесь техническое решение башни вы-
142
Рис. 8.5. Размещение газоотво-
дящнх стволов в трубчатых
поясах башпн
+ 1000,000
£^~
i-j
Шахта
Рис. 8.6. Размещение газоотводящих стволов в тру-
бе-оболочке
сотой 600 м пока еще не доведено до стадии внедрения. Другим приме-
ром интересного в техническом отношении, но еще не осуществленного
решения вытяжной башни является проектное предложение для башни
высотой 1000 м с газоотводящими стволами и шахтой лифта, располо-
женными внутри гофрированной трубы-оболочки (рис. 8.6). Понятно, что
гофрированная оболочка может быть заменена гладкой цилиндрической
с ребрами жесткости. В горизонтальном направлении ствол раскреплен
двумя длинными подкосами, развязанными с несущим стволом и между
собой системой распорок и связей.
Основным типом вытяжных башен сегодня остаются сооружения, в
к “>ых один или несколько газоотводящих стволов расположены внут-
143
Рис. 8.7. Схемы опирания газоотводящего ствола
ри несущей бащни (см. рис. 8.1). На основании накопленного опыта про-
ектирования таких сооружений можно рекомендовать для вытяжных ба-
шен с одним газоотводящим стволом четырехгранную башню, а для со-
оружении с несколькими стволами: четырехгранную — при двух
газоотводящих стволах; трехгранную — при трех.
Газоотводящий ствол передает на несущую башню вертикальные и
горизонтальные силы. Применяемые схемы опирания газоотводящего
ствола на несущую башню, как правило, предусматривают раздельную
передачу вертикальных и горизонтальных силовых воздействий.
Горизонтальные силы возникают от ветрового напора и при сейсми-
ческих явлениях. На несущую башню эти силы передаются в местах рас-
положения диафрагм.
Вертикальные силы возникают от веса ствола, теплоизоляции, корро-
зионной защиты, а также от веса конденсата, пыли и других отложений на
его стенках. Эти силы желательно передавать на отдельный фундамент,
не связанный с фундаментами несущей башни. Так обычно поступают,
если газоходы и их вводы в газоотводящий ствол расположены ниже ну-
левой отметки. В противном случае способ опирания зависит от уровня
расположения газоходов. При сравнительно небольших отметках газохо-
дов газоотводящий ствол опирают на отдельный фундамент непосредст-
венно (рис. 8.7, а) или через решетчатую опору (рис. 8.7, б). Если ввод га-
зохода расположен сравнительно высоко, то газоотводящий ствол опира-
ют на одну из нижних диафрагм башни (рис. 8.7, в).
На период монтажа и ремонтов газоотводящих стволов предусматри-
вают возможность их подвески к верхней диафрагме. При необходимости
возможна дополнительная подвеска к другим диафрагмам. В этом случае
следует предусмотреть дополнительные распорки 3 (см. рис. 6.3) в ромбе
решетки ниже уровня опирания ствола.
Габаритные размеры несущей башни определяются диаметром и вы-
сотой газоотводящего ствола. Эти размеры, предварительно назначенные
по технологическим условиям производства с учетом требований охраны
144
окружающей среды, должны быть увязаны с условиями изготовления,
монтажа и эксплуатации конструкций. При назначении размеров граней
верхних секций следует предусмотреть возможность размещения площа-
док и лестниц для обслуживания конструкций. Размеры башни в основа-
нии зависят от ее высоты. Унифицированные габаритные схемы конст-
рукций вытяжных башен приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Рекомендуемые отношения диаметра к высоте трубы
Форма трубы Тип трубы
нефутерованная футерованная
без гасителей колебаний с гасителями колебаний
Цилиндрическая 1/15 1/30 1/25
8.2.2. Конструктивные решения
Конструктивное оформление несущей башни соответствует общим
рекомендациям §6.3, за исключением башен, высота которых превышает
150...200 м. Большие усилия в раскосах таких башен, достигающие 8...3
МН, а также большие диаметры труб поясов (более 1 м) усложняют кон-
струкции узлов. В этих случаях вы можете выполнить узлы на парных фа-
сонках (рис. 8.8), превратив трубчатые элементы решетки в районе узла в
Рис. 8.8. Узел башни при больших усилиях в элементах
145
Рис. 8.9. Консольная площадка для размещения газоотводящих стволов
замкнутое коробчатое сечение, которое при помощи накладок соединено
с узловыми фасонками.
Некоторые особенности конструктивного оформления присущи так-
же вытяжным сооружениям, газоотводящие стволы в которых вынесены
за пределы несущей башни, например по типу решения, показанного на
рис. 8.2, б. В этом случае на вертикальной грани башни предусмотрите
консольные площадки (рис. 8.9), в уровне которых газоотводящие ство-
лы, опертые внизу на самостоятельные фундаменты, имеют скользящие
опоры, не препятствующие вертикальным перемещениям ствола, но пе-
редающим на несущую башню ветровую нагрузку.
Общие принципы проектирования решетчатых башенных конструк-
ций остаются без изменений, поэтому ниже будут рассмотрены только
конструкции газоотводящего ствола. При конструктивном оформлении
несущей башни вы можете следовать рекомендациям §6.3.
Материалы. Газоотводящий ствол выполняют из металла (стали,
алюминия и его сплавов, титана), конструкционных пластмасс (стекло-
пластика, текстофаолита и др.), древесины. Выбор материала зависит от
состава, температуры и влажности газовоздушных смесей.
Установлено четыре вида режимов эксплуатации газоотводящих
стволов:
146
• низкотемпературный сухой режим, характеризующийся темпера-
турой ниже 100°С и отсутствием конденсата (относительная влажность
ниже 50...60%);
• низкотемпературный влажный режим с температурой ниже 100°С
и наличием конденсата (относительная влажность выше 60%);
• высокотемпературный сухой режим с температурой выше 100°С
без конденсата;
• переменный режим с периодически переменной температурой в
интервале 30...300°С и влажностью, меняющейся в широком диапазоне.
В отводимых газах чаще всего присутствуют следующие химические
компоненты: сернистый газ, серный ангидрид; оксиды азота; хлор, хло-
ристый водород; фтор, фтористый водород; фосфорный ангидрид; серо-
водород, сероуглерод.
При наличии таких компонентов и низкотемпературном сухом режи-
ме газоотводящий ствол можно выполнять из малоуглеродистой стали
(обычно Ст.З) без защиты или с защитой эпоксидными материалами. В
настоящее время сталь марки Ст.З является основным конструкционным
материалом для газоотводящих стволов. Если в перечисленных выше
компонентах отсутствуют оксиды азота, малоуглеродистую сталь можно
применять также для низкотемпературного влажного режима, при усло-
вии защиты внутренней поверхности ствола гуммированием, а при нали-
чии в составе газов сероводорода либо сероуглерода—с защитой метал-
лизацией алюминием или цинком.
Гуммирование практикуют при температуре отводимых газов не вы-
ше 60°С и при образовании в стволе кислот (кроме азотной). Его выпол-
няют путем обкладки внутренней поверхности ствола листами сырой
резины с последующей вулканизацией в специальных камерах. Наибо-
лее часто применяют трехслойную обкладку, состоящую из мягкой ре-
зины №1976толщиной 1,5 мм, гибкого эбонита № 2169 толщиной 3 мм и
резины № 1476 толщиной 1,5 мм. При гуммировании внутренней по-
верхности газоотводящего ствола обычно одновременно гуммируют на-
ружную часть ствола, находящуюся в зоне окутывания, а также все
фланцы и болты.
Если в перечисленные выше компонентах газовой смеси отсутствуют
фтор, фтористый водород, сероводород, сероуглерод, то малоуглероди-
стую сталь можно также использовать для высокотемпературного сухого
режима. При отсутствия в составе отводимых газов фтористо-водород-
ной кислоты можно рекомендовать для защиты стали от коррозии трех-
слойные лакокрасочные покрытия на основе кремнийорганических мате-
риалов КО-813, КО-198 (до 300°С) и ВН-30 (400°С).
147
К сожалению, в настоящее время эффективной защиты газоотводя-.
щих стволов не существует, поэтому иногда толщину стенки ствола (осо-
бенно в зоне окутывания) увеличивают на 2.„4 мм по сравнению с необ-
ходимой по условиям прочности и устойчивости.
Перспективным направлением защиты от коррозии газоотводящего
ствола являются неорганические футеровочные материалы типа пено-
стекла, которые одновременно являются теплоизоляторами, предотвра-
щающими образование конденсата. Их можно использовать при отсутст-
вии в составе отводимых газов фтористоводородной и кремнефтористо-
водородной кислот, а также концентрированного щелочного конденсата.
Защиту от коррозии наружной поверхности газоотводящего ствола и
несущих конструкции башни производят в соответствии с рекомендация-
ми §1.5 [2].
Высоколегированные стали используют, если требуется высокая
коррозионная стойкость, и при высокой температуре отводимых газов.
Их применяют, как правило, в виде плакирующего покрытия по малоуг-
леродистой стали.
Хромистая сталь марки 0X13 может быть использована в средах, со-
держащих сероводород и оксиды азота. Хромоникелевые стали
ОХ21Н5Т, Х18Н9Т, Х18Н10Т целесообразно использовать при низко-
температурном влажном режиме для работы в средах, содержащих
оксиды азота и фосфора. Последние две марки сталей вы можете приме-
нить также при высокотемпературном и переменном режимах в средах,
содержащих оксиды серы, сероводород и хлор. В средах, содержащих се-
роводород, оксиды серы, азота и фосфора, можно использовать сталь с
добавкой молибдена Х17ШЗМ2Т. Дополнительное легирование стали
медью повышает коррозионную стойкость во всех средах, сталь
ОХ23Н28МЗДЗТ можно применять в средах, содержащих оксиды серы,
фтористые и галогеносодержащие соединения.
Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью
к воздействию сухого сернистого газа при температурах 2О...4О°С, а так-
же в атмосфере сероводорода и сухих оксидов азота. При температуре
выше 100°С ухудшаются прочностные характеристики сплавов. В конст-
рукциях газоотводящих стволов используют технический алюминий
марки АД1 и сплав алюминия с марганцем марки АМц.
Титан и его сплавы сочетают в себе большую прочность с малой
плотностью и высокой коррозионной стойкостью в различных средах, в
том числе кислых. Наиболее стоек титан в сухом сернистом газе, во влаж-
ном хлоре и азотной кислоте, несколько хуже сопротивляется серной, со-
ляной и фосфорной кислотам. Нестоек в плавиковой кислоте и в сухом
148
хлоре. С повышением температуры защитные и прочностные свойства
титана ухудшаются, его не следует применять при температурах выше
350°С.
Конструкционные пластмассы в газоотводящих стволах пред-
ставлены, главным образом, фаолитом, который получают из фенол-
формальдегидной смолы и наполнителя. Он обладает высокой химиче-
ской стойкостью, достаточной прочностью, допускает все виды механи-
ческой обработки. Фаолит можно применять при температурах от -30
до +130°С. Он устойчив к действию хлора, сероводорода, оксидов серы,
а также к соляной (до 100°С) и фосфорной (до 80°С) кислотам любой
концентрации, к 95%-ной (до 60°С) и 50%-ной (до 100°С) серной кисло-
те. Неустойчив к действию оксидов азота и азотной кислоты, к соедине-
ниям фтора и щелочам.
Древесина, пропитанная фенолформальдегидной смолой, достаточно
стойка при температурах до 125°С к действию серного ангидрида, хлора,
хлористого водорода, фтористого водорода, сероводорода, а также рас-
творов серной, соляной, плавиковой, фосфорной, сероводородной ки-
слот. Доски, из которых изготовляют газоотводящий ствол, должны быть
пропитаны антипиренами и окрашены с двух сторон огнестойкой крас-
кой ПХВО. Для защиты от конденсата их покрывают химически стойким
лаком ХСЛ. Доски соединяют гвоздями из нержавеющей стали.
Опирание газоотводящего ствола на несущую башню. При проек-
тировании вытяжных башен прежде всего нужно решить вопросы пере-
дачи на несущую башню вертикальных и горизонтальных воздействий
газоотводящего ствола с сохранением свободы его вертикальных переме-
щений. Все многообразие таких решений может быть сведено к четырем
основным типам.
• Газоотводящий ствол опирается на каждую диафрагму с передачей
на башню как вертикальных, так и горизонтальных воздействий. Темпе-
ратурные перемещения погашаются компенсаторами вблизи узла опира-
ния на башню ствола (рис. 8.10).
• Газоотводящий ствол целиком опирается на отдельный фундамент
(см. рис. 8.7, a, б) и передает на него вертикальные силы. Горизонтальные
силы передаются на башню в плоскостях нескольких или всех диафрагм
через катки, что обеспечивает свободу’ вертикальных перемещений ство-
ла (рис. 8.11).
• Газоотводящий ствол опирается на башню с помощью тяжей; на-
клонных в нижней части, передающих на башню вертикальные силы: го-
ризонтальных в уровнях основных узлов примыкания решетки к поясам
передающих на башню горизонтальные воздействия (рис. S.I2)
149
Рис. 8.10. Опирание гязоотводшцего ствола ла диафрагмы
* Газоотводящий ствол целиком опирается на диафрагму в нижней
части банши и передает на нее вертикальную нагрузку. Горизонтальные
силы передаются в плоскостях диафрагм башни через скользящие опоры
(рис. 8.13).
При совмещенной передаче горизонтальных и вертикальных сил (см.
рис. 8.10) отдельные секции трубы на каждую из диафрагм обычно опи-
рают посредством опорного кольца, образованного двумя горизонталь-
ными ребрами жесткости (рис. 8.14, а). Такое решение используют при
трубах диаметром 8—4 м. В
газоотводящих стволах
больших диаметров часть
стенки в зоне расположе-
ния опорного кольца может
быть усилена (рис.8.14, б).
При малых диаметрах ство-
ла опорное кольцо можно
заменить отдельными «ла-
пами» (рис. 8.14, в).
Опирание газоотводя-
щего ствола на несущую
Рве. 8.11. Передача горизонтальном нагрузки при башню С совмещенной пе-
помощм катков редачей вертикальных и го-
150
Рнс. 8.12. Опирание газоотводящего ствола ня тяжах
ризонтальных сил на каж-
дую диафрагму применя-
ют сравнительно редко.
Такое решение не получи-
ло широкого распростра-
нения из-за высокой тру-
доемкости изготовления
конструкций, а также
сложности устройства ан-
тикоррозионного покры-
тия в местах компенсато-
ров.
Вследствие этого кон-
струкция ствола без ком-
пенсаторов с раздельной
передачей вертикальных и
горизонтальных нагрузок
более предпочтительна.
Однако использование
Катков для горизонтально-
го опирания ствола на не-
сущую башню нельзя при-
знать удачным, поскольку
температурные перемеще-
Рас. 8.13. Скользящие опоры
Рис. 8.14. Узлы опнржвп газоотводящего ствола с
совмещенной передаче* вертикальных ж горизон-
тальных свл
151
ния газоотводящего ствола, связанные с колебаниями температуры на-
ружного воздуха, незначительны по величине и скорости изменения, а су-
щественные перемещения возникают лишь в редкие моменты пуска и ос-
тановки технологического процесса. С другой стороны, изготовление и
установка катков на монтаже требуют повапленной точности, иначе воз-
можен их перекос и заклинивание, вызывающие разрушение опорного
устройства или недопустимые деформации оболочки газоотводящего
ствола. Не получил широкого распространения также способ передачи
горизонтальных сил с помощью тяжей, что связано с необходимостью
строгого соблюдения допусков на изготовление, которые исчисляются
для каждого яруса по соответствующим температурным деформациям
сооружения. Такое решение может быть оправдано только при неболь-
шой разнице между температурами наружного воздуха и отходящих га-
зов (порядка 50°С).
Наиболее перспективным решением является конструкция со сколь-
зящей опорой. При температурных перемещениях ствола относительно
башни до 400 мм можно использовать конструктивное решение, пока-
занное на (рис. 8.13). Если же перемещения превышают эту величину,
то целесообразно увеличивать высоту опорного кольца и размер сколь-
зящей опоры в вертикальном направлении (рис. 8.15). Высоту упоров в
этом случае можно назначать конструктивно. Преимущество такого ре-
шения заключается в более четкой передаче горизонтальной силы на
диафрагму несущей башни, при которой исключена возможность воз-
никновения кручения упоров и местного дополнительного момента на
балку площадки.
Опирание газоотводящего ствола на одну из нижних диафрагм может
быть выполнено по типу рис. 8.10. Подвеска газоотводящего ствола на
наклонных тяжах (рис. 8.12) также достаточно надежна и может быть ре-
Рмс. 8.15. Узел скользящей опоры
комецдована к примене-
нию при небольшой раз-
нице между размерами
башни в плане и газоотво-
дящего ствола в зоне креп-
ления тяжей. Кроме того,
необходимо иметь в виду,
что подвеска ствола на тя-
жах достаточно трудоемка
в исполнении и поэтому
может быть оправдана
лишь при условии ограни-
152
чения диаметра тяжей размерами _>о...42 мм и угла наклона тяжей к гори-
зонту в пределах 50...70°. Эти предельные размеры позволяют осуществ-
лять подвеску ствола общей массой примерно до 60 т. Существенным не-
достатком такого способа опирания ствола является то, что его опорное
кольцо и узел крепления тяжей к башне должны воспринимать значи-
тельные горизонтальные силы, обусловленные наклонным положением
тяжей.
Газоотводящий ствол, выполненный из алюминия или его сплавов,
следует опирать на диафрагму несущей башни не в четырех, а в восьми
точках, или равномерно по всему периметру через дополнительное про-
межуточное стальное кольцо, что связано с относительно низким расчет-
ным сопротивлением материала ствола. Участок газоотводящего ствола в
месте опорного кольца всегда делают утолщенным по сравнению со всей
оболочкой ствола, а кольца раскрепляют большим количеством верти-
кальных ребер. Для предотвращения гальванической коррозии во всех
местах соприкосновения сплава алюминия со сталью необходимо преду-
сматривать изолирующие прокладки из оцинкованной стали. Болты (в
том числе и сборочные) должны быть также оцинкованными.
Для газоотводящих стволов, выполненных из сплава титана, следует
предусматривать изоляцию от стали с целью предотвращения гальвани-
' ческой коррозии. В качестве изоляции применяют прокладки из тефлона
Или полиизобутилена. Используемые в настоящее время для газоотводя-
щих стволов сплавы титана по механическим характеристикам близки к
стали, поэтому в остальном (за исключением наличия прокладок) узлы
опирания титанового ствола не отличаются от соответствующих узлов
опирания стального.
Пластмассовые газоотводящие стволы набирают из отдельных типо-
вых царг высотой до 3 м и опирание их на диафрагмы несущей оашни
осуществляют через вспомогательный поддерживающий каркас из сталь-
ного проката. Горизонтальные воздействия со ствола на башню переда-
ются тяжами; свобода вертикальных температурных перемещений обес-
печивается компенсаторами.
Компенсаторы газоотводящего ствола предусматривают при опи-
рании ствола на каждую секцию с совмещенной передачей вертикальных
и горизонтальных сил. При больших высотах сооружения (свыше 120 м) с
опиранием газоотводящего ствола на отдельный фундамент или на ниж-
нюю диафрагму башни возникает опасность его заклинивания в процессе
температурных перемещений, что делает порой целесообразным опира-
ние ствола не на одну, а на 2...3 диафрагмы с устройством необходимых в
этом случае компенсаторов. Компенсаторы создают лучшие условия для
153
работы оболочки ствола,
упрощают его монтаж и
ремонт, который можно
осуществлять в этом слу-
чае посекционно. Практи-
чески же вопрос О целесо-
образности устройства
компенсаторов того или
иного типа и их количестве
Рис. 8.16. Компенсаторы газоотводящего ствола решается В КЭЖДОМ KOH-
кретном случае отдельно в
зависимости от принятой схемы и температурных условий эксплуатации
сооружения.
Существует достаточно много типов компенсаторов, некоторые из
которых показаны на рис. 8.16. В компенсаторах из листовой стали для
предотвращения образования конденсата и задержки удаляемых через
ствол продуктов нижнюю стенку компенсатора (рис. 8.16, а) делакуг с
выпуском внутрь ствола, а оболочку ствола над компенсатором — с вы-
пуском в зону компенсатора. Нижняя стенка компенсатора должна
иметь такой уклон, чтобы происходил сток конденсата. Сальниковый
компенсатор (рис. 8.16,6) находит широкое применение, но при неболь-
ших диаметрах газоотводящего ствола. Хорошими эксплуатационными
качествами обладают компенсаторы, выполненные из эластичного ма-
териала, стойкого к химической агрессии и повышенной температуре.
На рис. 8.6, в показан один из таких компенсаторов.
Стыки газоотводящего ствола. Наибольшее распространение полу-
чили три типа монтажных соединений газоотводящего ствола: сварка
встык (рис. 8.17, а); соединение кольцевой накладкой (рис. 8.17, б, в); со-
единение на болтах кольцевых ребер (рис. 8.17, г). Кольцевые накладки в
виде полубандажей (рис. 8.17, в), используемые для стволов небольшого
Ряс. 8.17. Стыки газоотводящего ствола
диаметра, существен-
но уменьшают количе-
ство монтажной свар-
ки. Монтажный стык
фланцевого типа дела-
ют в тех случаях, когда
секции в целях анти-
коррозионной защиты
предварительно гум-
мируют.
154
8.2.3. Расчет конструкций
Особенности расчета несущей башни. Расчет конструкций несущей
башни не имеет принципиальных отличий от рассмотренных выше об-
щих положений расчета пространственных высотных сооружении. При
отклонении осей поясов от вертикали в пределах до 20°, что соответству-
ет реальным очертаниям поясов вытяжных башен, нагрузку можно рас-
кладывать по граням и рассматривать их как плоские системы. Усилия в
раскосах и распорках определяют расчетом плоских ферм, усилия в поя-
сах — алгебраическим суммированием соответствующих усилий в смеж-
ных гранях. При этом для расчета решетки принимают направление ветра
на грань, при расчете поясов — по диагонали.
Вертикальные нагрузки от газоотводящего ствола передают на несу-
щую башню или отдельный фундамент в зависимости от выбранной схе-
мы опирания ствола. Горизонтальные нагрузки прикладывают в виде со-
средоточенных сил к диафрагмам.
Ветровая нагрузка на заветренную грань, защищенную газоотводя-
щим стволом, несколько снижается. Это относится также к газоотводя-
щему стволу, частично защищенному с наветренной стороны элементами
несущей башни. Эти обстоятельства при расчете обычно не учитывают,
пренебрегая (в запас несущей способности) снижением ветровой нагруз-
ки на газоотводящий ствол и элементы башни с заветренной стороны.
Основные положения расчета газоотводящего ствола. Газоотво-
дящий ствол представляет собой тонкую цилиндрическую оболочку, точ-
ный расчет которой является достаточно сложной задачей. Для практиче-
ских расчетов можно воспользоваться приближенными методами, по-
строенными для бесконечно длинного цилиндра по геометрически и
физически линейной расчетной схеме. Проверка результатов расчета
труб конечной длины (H/D > 25) на ЭВМ с использованием точных мето-
дов показала приемлемость приближенного
подхода с достаточной для практических це-
лей точностью.
На прямоугольный элемент, вырезанный
из стенки трубы, действуют внутренние уси-
лия, показанные на рис. 8.18.
Меридиональное усилие Тх можно опреде-
лить как для сжато-изогнутого стержня коль-
цевого сечения, подверженного действию про-
дольной силы Лг и изгибающего момента
Tt = ‘A+MtlW, (8.1)
Рис. 8.18. Напряженное со-
стояние оболочки газоотво-
дпиего ствола
155
где A, W— площадь и момент сопротивления сечения газоотводящего
ствола; t — толщина стенки ствола. Осевое усилие возникает от собст-
венного веса ствола, теплоизоляции, гололеда, отложений и т.д., изги-
бающий момент— от ветровой нагрузки. Обычно ствол считают по раз-
резной схеме с шарнирным опиранием на диафрагмы. Ветровую нагрузку
определяют по нормам проектирования [4]. Касательное напряжение
вычисляют, используя формулу Журавского ти = QS IJt. Понятно, что при
расчетах нужно рассматривать различные комбинации нагрузок, причем
при учете гололеда ветер следует принимать с интенсивностью 25% от
максимального значения. Выполняя компоновочные расчеты, кольцевые
напряжения можно не учитывать. При больших диаметрах газоотводяще-
го ствола (Н/D) необходимо принимать во внимание моменты и попереч-
ные силы, возникающие от прогиба несущей башни, определяя их из ус-
ловия совместной работы башни и газоотводящего ствола.
Для определения кольцевых усилий удобно воспользоваться разложением аэродина-
мического коэффициента (рис. 8.19) в ряд
с(а) -Za + Zl cosa + Z2 cos2a + Z3 cos3a + Z4 cos4a, (8-2)
г/e Zo = -0,958; Z, = 0,327; Z2 = 1,322; Z, = 0,559; Z4 = -0,208.
Нагрузка, связанная co вторым членом Zjcosa разложения (8.2), вызывает изгиб газоот-
водящего ствола по балочной схеме, который был учтен выше другим способом. Нагрузка,
Рис. 8.19. К расчету газоотводящего ствола
1*6
связанная с остальными членами разложения (8.2), вызывает в оболочке газоотводящего
ствола кольцевые усилия:
К = ~qrZD-,
Z
т = -qr > -;сояин;
и-2 П~ — 1
/г <4
2„ - ’--sinna,
л=2» -1
(8.3)
(8.4)
(8-5)
где q — расчетное давление ветра на единицу площади без учета аэродинамического коэф-
фициента; г — радиус срединной поверхности оболочки; а — угловая координата, отсчи-
тываемая от оси направления ветрового потока (см. рис. 8.19).
Прочность газоотводящего ствола определяют по приведенным на-
пряжениям
+СТУ -а-гаг +Зх1 С8-6)
где
Gx=TJt- Gy=Tyit + 6m/t\ тр=(3,;2)/©/Г).(8.7)
В местах размещения кольцевых ребеп жесткости возникают допол-
нительные напряжения краевого эффекта. Эти напряжения можно опре-
делить и учесть их влияние по правилам, изложенным в § 1.3. Обычно при
проектировании газоотводяших стволов такой расчет не производят, а
для исключения чрезмерных перенапряжений толщину стенки ствола в
местах установки опорных колен конструктивно увеличивают на 2...4 мм.
Это одновременно позволяет компенсировать влияние температурных
деформаций от изменения температурного режима на напряженное со-
стояние оболочки в зоне краевого эффекта.
Проверка местной устойчивости. Местную устойчивость стенки га-
зоотводящего ствола, не подкрепленного промежуточными кольцами же-
сткости, проверяют по формуле
(г •' tf!, )2 -га п с. < 1, (8.8)
где т, <у — касательные и нормальные напряжения, действующие в сече-
нии ствола; т01, сгб1 —критические касательные и нормальные напряже-
ния.
Проверку устойчивости стенки газоотводящего ствола по формуле
(8.8) следует производить трижды, определяя напряжения на нейтрхть-
ной оси сечения (при а ®л /' 2); в наиболее удаленной от нейтральной оси
точке (при а=0); в точке с ко ординатой а = arccos[(nM/ / О И ~ : ' 2п, )].
Нормальные и касательные напряжения определяют по формулам
157
g = Mcosa J (%r20 + N / (2itrt); т = £sina / (itrt), (8.9)
где M, Q, N— соответственно изгибающий момент, поперечная сила,
сжимающая сила, действующие в поперечном сечении ствола.
Критическое нормальное напряжение <у01 равно меньшему из значе-
ний фй,, или cEtJr, где ф =0,97-(0,00025 + 0,95Яу/E)(r/f); с —по
табл. 1.1.
Критическое касательное напряжение т01 определяют по формулам:
для длинных оболочек при (£/г)2 (//г) > 77
t01 =[0,167£/(l-p2)3/4]a/r)3'2; (8.10)
для средних и коротких оболочек при (Z/r)2 (t/r) < 77
t0I =[0,18£ / (l-p2)5/g](Z/2г)5/4(г/ Z)’/2, (8.П)
где р—коэффициент Пуассона; L — длина оболочки (расстояние между
опорными кольцами газоотводящего ствола).
В тех случаях, когда оболочка газоотводящего ствола на участках ме-
жду диафрагмами несущей башни подкреплена системой промежуточ-
ных кольцевых ребер жесткости, а длина полуволны, изогнутой в резуль-
тате потери местной устойчивости поверхности,
I =2%Trt /712(1-р2) (8.12)
не превышает расстояния между ребрами жесткости, последние не оказы-
вают подкрепляющего влияния на оболочку. В противном случае нор-
мальное критическое напряжение ст01 в условии устойчивости (8.8) следу-
ет определять по формуле
= (cEt / r)7^-p2)/(l-p2), (8.13)
где X=l + (l-p2)^«ft; Ar—площадь промежуточного ребра; d—шаг
ребер; с—коэффициент, принимаемый по табл. 1.1.
8.3. Дымовые трубы
8.3.1. Конструктивные особенности
Высота стальных дымовых труб составляет от 10 до 120 м, диаметр
ствола — от 0,3 до 4 м. Обычно применяют свободностоящие трубы. При
малых диаметрах и больших высотах стальные трубы рекомендуется про-
ектировать на оттяжках. Диаметр трубы и ее высоту определяют тепло-
техническим расчетом с учетом экологических требований.
158
б)
Рис. 8.20. Тилы дымовых труб
Расчаленные трубы (трубы на оттяжках)
делают цилиндрическими (рис. 8.20, а); их
диаметр изменяется от 30 до 70 см, толщина
стенок — от 4 до 8 мм.
Свободностоящие трубы обычно имеют
переменное сечение: нижнюю часть их вы-
полняют конической, верхнюю — цилинд-
рической (рис.8.20, б). Высоту конической
части принимают не менее 1/4 высоты тру-
бы, диаметр нижнего основания кону-
са — около двух диаметров цилиндрической
части, при этом его отношение к высоте тру-
бы не должно превышать 1/10 для нефутеро-
ванных труб и 1/15 — для футерованных. Ре-
комендуемые отношения диаметра к полной
высоте цилиндрической части приведены в
табл. 8.1.
Дымовую трубу изготовляют из листов толщиной 8...18 мм секциями
длиной 4,5...8 м, соединяемыми при монтаже с помощью сварки. С точки
зрения монтажа наиболее удобно фланцевое соединение секций (по типу
узла соединения поясов башни, см. рис. 9.26) или соединение через коль-
цо жесткости (рис. 8.21, а), хотя такие соединения с точки зрения работы
конструкции менее удачны из-за краевого эффекта в месте сопряжения
листа с фланцем (кольцом жесткости). Высокие местные напряжения не-
желательны вследствие колебаний трубы от действия ветровой нагрузки,
поэтому для высоких труб (Я> 70 м) более надежным является соедине-
ние секций встык с односторонней раздел кой нижних кромок каждой сек-
ции (рис. 8.21, б).
Для защиты внутренней стороны оболочки (кожуха) трубы от корро-
зии под действием дымовых газов и теплоизоляции газов от наружного
воздуха устраивают футеровку из огнеупорного кирпича (шамота). Тол-
щина футеровки зависит от температуры дымовых газов. Между футе-
ровкой и оболочкой трубы оставляется зазор 2...3 см, который заполняют
котельным шлаком или инфузорной землей. Дтя опирания футеровки и
обеспечения жесткости к оболочке трубы приваривают кольца из уголков
(рис. 8.21, в) или листовой стали (рис. 8.21. а). Для уменьшения местных
напряжений от внецентренной передачи веса футеровки через листовые
кольца жесткости их иногда усиливают приваренными снизу опорными
планками, расположенными по всему’ периметру трубы. В местах опира-
ния футеровки на кольца необходимо перекрывать мостики передачи те-
159
Рис. 8.21. Узлы дымовых труб
пла, предусматривая напуск футеровки и заделку зазоров асбестовой ме-
лочью с глиной (рис. 8.21, а, в).
Цилиндрические секции трубы обычно габаритны, их изготовляют на
заводе стальных конструкций. Коническая часть высокой трубы негаба-
ритна, ее сваривают на месте установки из заранее свальцованных лис-
тов. Для усиления верхнего конца трубы и защиты футеровки от атмо-
сферных осадков устраивают верхнее окаймляющее кольцо (рис. 8.22, а).
Кроме того, вблизи верха трубы устраивают круговую площадку для те-
лежки маляра и обслуживания светового ограждения; вдоль трубы преду-
сматривают лестницу. В обязательном порядке к трубе приваривают 2...3
молниеотвода в виде стержней, выступающих на 1,5 м над верхом трубы.
Коническую часть трубы устанавливают на опорную плиту толщиной
20...40 мм и приваривают к ней (рис. 8.22, б). Плиту прикрепляют к фун-
даменту анкерными болтами диаметром 24...48 мм. Анкерные столики
могут быть расположены симметрично относительно стенки трубы, если
среда не является агрессивной и в нижней части трубы организован вход
б)
Футеровка га
шамотного кир- -
пича на огнеупор-
ном растворе
Футеровка из .
красного кирпича
Песок ,
Кожух
Ряс. 8.22. Конструктивное оформление дымовых труб
160
б)
Риг 8,23, Несниметрнчная опорная плита
внутрь для периодического осмотра анкерных болтов. В противном слу-
чае анкерные болты располагают только снаружи (рис. 8.23) по схеме а с
кольцом жесткости или без него, либо по схеме б, если требуется приме-
нять высокие анкерные болты.
Узел соединения цилиндрической и конической частей трубы работа-
ет в сложном напряженном состоянии. Предпочтительной является свар-
ка встык (рис. 824,
а). Усложнение это-
го узла путем введе-
ния колец и ребер
(рис.8.24, б, в) не оп-
равдало себя.
При диаметре
газохода, не превы-
шающем половину
диаметра трубы, до-
пускается непосред-
ственная врезка его
в трубу с усилением
стенки трубы фар-
туком. Для врезки
крупных газоходов
Ряс. 8.24. Тялы соединена к иилмндрнческон м конической
частей трубы:
а — смриаспщб—свари черезф.ияец;в—сыркаастнж с усилени-
ем места перелома ребрами
161
целесообразно вблизи трубы переходить с цилиндрической на прямо-
угольную форму газохода с тем, чтобы сократить размер ввода по шири-
не. Место ввода следует усилить кольцами (ниже и выше отверстия) и
вертикальными ребрами.-Если газоходов несколько, то их размещают в
разных уровнях.
При температуре отводимых газов ниже 350°С футеровку труб можно
не предусматривать. Однако при наличии в составе отводимых газов се-
ры и других вредных примесей, способствующих образованию конденса-
та, содержащего кислоты, на наружной поверхности трубы устраивают
теплоизоляцию. Ее обычно выполняют из минераловатных плит, закреп-
ляемых на приваренных к трубе штырях. Плиты защищают от осадков
листами из алюминия или оцинкованной стали.
8.3.2. Основы расчета
Стальную оболочку трубы рассчитывают на прочность, местную ус-
тойчивость, выносливость при резонансных колебаниях. Кроме того,
проверяют устойчивость на опрокидывание трубы совместно с фунда-
ментом с коэффициентом запаса 1,3 (при ветре максимальной интенсив-
ности и отсутствии футеровки) и ограничивают прогиб верха трубы не
более 1/200 от высоты.
Расчет на прочность не имеет принципиальных особенностей по
сравнению с общими принципами расчета высоких сооружений. Нагруз-
ками на трубу являются собственный вес кожуха, футеровки и горизон-
тальные силы (ветер, сейсмические воздействия). Трубу разбивают по
высоте на участки длиной 15...20 м, в пределах которых ветровой напор
принимают постоянным. Интенсивность равномерно распределенной
ветровой нагрузки назначают из условия равенства момента от этой на-
% грузки моменту от линейно возрастающей нагрузки, определенной с уче-
/ том возрастания скоростного напора по высоте. При вычислении периода
< собственных колебаний, необходимого для определения пульсационной
составляющей ветровой нагрузки, можно воспользоваться рекоменда-
циями п.6.2.2.
л/ Прочность для каждого участка (на уровне его нижнего сечения) про-
•; веряют по формуле
* N! А + М /W<Ryye, (8Л4)
где # продольное расчетное усилие от вертикальных нагрузок
М расчетный изгибающий момент от горизонтальных нагрузок; А "
— 2icrt площадь поперечного сечения оболочки трубы; W = — м0”
162
мент сопротивления поперечного сечения оболочки; г—радиус сечения
оболочки; t—толщина оболочки.
Для диаметров труб более 2...2,5 м следует, дополнительно к мери-
дианальным, учитывать кольцевые напряжения в оболочке от ветровой
нагрузки (см. рис. 8.19).
В местах установки фланцев и в месте сопряжения цилиндрической
части кожуха с конической следует учитывать напряжения краевого эф-
фекта, которые можно определить согласно указаниям и формулам §6.3.
Проверку местной устойчивости оболочки можно выполнять в со-
ответствии с рекомендациями п. 8.2.3.
Расчет на ветровой резонанс. При обтекании цилиндрической тру-
бы плоскопараллельным ветровым потоком в области, находящейся по-
зади трубы, образуются вихри, причем они возникают не по оси трубы, а
справа и слева от нее. Вихри периодически отрываются от трубы то с од-
ной, то с другой стороны и создают периодическую пульсацию трубы,
вызывающую ее колебания в направлении,
перпендикулярном ветровому потоку. Эту
пульсацию нельзя рассматривать как внеш-
нюю заданную силу, так как колебания труб
сами влияют на отрыв вихрей (автоколеба-
ния), на их частоту и интенсивность, что явля-
ется одной из основных причин колебания
труб со своей собственной частотой. Когда
частота срыва вихрей совпадает с частотой
собственных колебаний, возникает резонанс;
в этом случае амплитуды колебаний трубы
возрастают и в соединениях кожуха возника-
ют значительные динамические напряжения,
которые могут явиться причиной разрушения
сварных швов или основного металла в око-
лошовной зоне.
Для устранения резонанса применяют га-
сители колебаний. В последние время наи-
большее распространение получили гасители
колебаний (ингерцептеры), представляющие
собой три спирали из полосовой стали (рис.
8.25), приваренные к верхней трети трубы.
Для снижения трудоемкости спираль можно
выполнять из отдельных пластин, не стыкуе-
мых между собой. Шаг каждой спирали равен
1-1
(повернуто)
Рис. 8.25. Фрагмент трубы с
итерпептероы
163
3... 5 диаметрам трубы. Ширина полосы 1/8... 1/12 верхнего диаметра тру-
бы, толщина 2...3 мм.
При отсутствии виброгасителей выполняют поверочный расчет на ре-
зонанс в следующей последовательности:
• Определяют критическую скорость ветра, вызывающую резонанс-
ные колебания:
v^-Sd/T,, (8.15)
где Т, — s-й период свободных колебаний трубы, с; d—диаметр цилинд-
рической трубы (для труб малой коничности d—диаметр верхнего сече-
ния трубы).
Проверку на резонанс не производят, если критическая скорость вет-
ра менее 2у q и более 25 м/с (q — нормативный скоростной напор для вы-
соты над поверхностью земли 10 м).
• Определяют интенсивность аэродинамической силы Fs(xtf), дейст-
вующей на трубу при ее колебаниях по s-й форме:
Fs(x,t) = F0ta.-(x)sin(ost, (8.16)
где Fqs =(vc„)2 d 164 — амплитуда аэродинамической силы, соответст-
вующая наибольшей относительной ординате s-й формы колебаний (для
консольного стержня значение FOs соответствует свободному концу, для
двухопорного—середине пролета); а,(х) — относительная ордината 5-й
формы свободных колебаний; == 2nlTs— s-я круговая частота.
• Загружая трубу силами Fs(x,t), строят эпюру изгибающих моментов
М„ рассматривая действие этих сил как статическое, и находят резананс-
ные динамические изгибающие моменты по формуле
Msj = 0,8л/И, /5, (8.17)
где 0,8 — коэффициент, учитывающий малую вероятность возникнове-
ния плоскопараллельного потока по всей высоте трубы; 8 — логарифми-
ческий декремент колебаний, принимаемый для стальных дымовых труб
и мачт равным 5 = 0,8.
Определяют расчетные динамические изгибающие моменты как
геометрические суммы резонансных моментов MJ ti и моментов Л4 от
критической ветровой нагрузки, действующей в направлении ветрового
потока при скорости ветра, соответствующей срыву вихрей v^:
(8.18)
При определении моментов Mw учитывают среднюю и пульсацион-
ную составляющие ветровой нагрузки, т.е. повторяют все процедуры вы-
1X4
числений при сборе
ветровой нагрузки, но
выполняют их для ско-
рости ветра, соответ-
ствующей срыву вих-
рей. Если эта скорость
не превышает 10 м/с,
момент в направлении
ветрового потока М„
можно не учитывать.
• Расчетные сече-
ния трубы проверяют
на выносливость при
совместном действии
нормальных усилий и
динамических изги-
бающих моментов
Рис. 8.26. К расчету дымовых труб
N ! A + M!W<
(8.19)
где Rv, a, yv — соответственно расчетное сопротивление усталости и ко-
эффициенты, учитывающие количество циклов и вид напряженного со-
стояния, определяемые согласно рекомендациям СНиП [3].
При компоновочных расчетах вы можете учитывать только колеба-
ния трубы по основному тону и принять в качестве исходной кривой па-
раболу, которая является эпюрой загружения трубы силами инерции:
р=Рог у 1g. (8.20)
Ординаты эпюры для середин участков разбиения трубы (рис.8.26) не
трудно вычислить, исходя из наибольшей амплитуды колебаний верхуш-
ки трубы, которую можете принять равной 1/200 высоты трубы.
Динамический изгибающий момент в произвольном сечении трубы
будет равен
2/ЛЛ, (821)
g I
где co - 2д IT— круговая частота колебаний; Г—-период колебаний;
g—ускорение свободного падения; Рп — собственный вес участка тру-
бы; h„ — расстояние от центра участка до верха конической части трубы;
Уп — горизонтальное смещение центра участка.
Глава 9
СТАЛЬНЫЕ ОПОРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
9.1. Общие сведения о высоковольтных линиях
Воздушные линии электропередачи предназначены для транспорти-
ровки электроэнергии от производителя к потребителям по проводам,
расположенным на открытом воздухе. При помощи гирлянд изоляторов и
линейной арматуры провода подвешивают к опорам. От ударов молнии
воздушные линии защищают грозозащитными тросами, расположенны-
ми над проводами. Воздушные линии напряжением более 1000 В (1кВ)
принято называть высоковольтными. Они могут быть переменного тока
(как правило, трехфазного) или постоянного. Высоковольтные линии на-
пряжением 330 кВ и более относят к линиям сверхвысокого напряжения
(СВН), которые играют основную роль в образовании объединенных
энергосистем и в межсистемных транзитах электроэнергии. В нашей
стране, в основном, нашли применение высоковольтные линии перемен-
ного тока напряжением 3,6,10,15,20, 35, 110,150, 220, 330, 500, 750 и
1150 кВ. Эти стандартные величины напряжений получили название
классов напряжений.
9.1.1. Провода и грозозащитные тросы
Для воздушных высоковольтных линий электропередачи (в дальней-
шем ВЛ) применяют, как правило, неизолированные многопроволочные
сталеалюминиевые провода, имеющие сердцевину из стального высоко-
прочного каната и оплетку из алюминиевых проволок (рис. 9.1). Такие
провода обладают достаточно малым электрическим сопротивлением и
сравнительно высокой прочностью. Их выпускают по ГОСТ 839-80*Е с
присвоением буквенно-цифровых обозначений. Например, если указана
марка провода АС 120/19, то это означает, что провод сталеалюминиевый
(на это указывают буквы АС), а площади алюминиевой и стальной частей
сечения составляют соответственно 120 мм2 и 19 мм2. В действующем
сортаменте соотношение А:С у проводов колеблется в довольно широких
пределах: от 22 (провод АС 400/18) до 1,44 (провод АС 185/128). С увели-
чением в проводах соотношения А:С уменьшается их прочность, снижа-
166
ется приведенный модуль уп-
ругости, повышается деформа-
тивность. Поэтому при
больших механических на-
грузках на провода или на осо-
бо ответственных и больших
переходах применяют провода
с меньшим соотношением
Рве. 9.1. Примеры сечений сталеалюминиевых
проводов (темная часть сечения — стальной ка-
нат, светлая — алюминиевые проволоки)
алюминия и стали.
Кроме этого, сортаментом предусматриваются специальные усилен-
ные провода, такие, как АС 70/72 и АС 95/141, которые применяют в ка-
честве грозозащитных тросов в линиях СВН, где они параллельно выпол-
няют функции проводной высокочастотной связи.
В высоковольтных линиях электропередачи происходят потери элек-
троэнергии за счет ионизации воздуха около проводов (потери на коро-
ну), которые уменьшаются с увеличением площади поверхности прово-
дов. Эти потери становятся ощутимыми в линиях напряжением ПО кВ и
выше. Поэтому, чтобы снизить их, стремятся применять провода больше-
го диаметра, что ведет к дополнительному расходу металла на провода,
или расщепляют фазу на несколько проводов. Например, на линиях 330
кВ применяют фазы, расщепленные на два провода, на линиях 500
кВ — на три, 750 кВ — на четыре-пять, а на линиях 1150 кВ — на во-
семь— двенадцать проводов.
В качестве грозозащитных тросов применяют стальные канаты точеч-
ного касания (ТК) по ГОСТ 3062-80,3063-80,3064-80 из оцинкованных
проволок. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) определено,
что на линиях напряжением 35 кВ и выше для этого применяют стальные
Канаты площадью сечения не менее 35 мм2.
На рис. 9.2 приведена схема провода ВЛ с обозначением его генераль-
ных геометрических параметров. Расстояние между точками подвеса
провода (/) называют пролетом провода; расстояние от уровня поверхно-
сти земли до низшей точки провода (Л.)—габаритом высоковольтной
Линии. Размер/называют стрелой провеса провода. Буквой h будем обо-
значать высоту от уровня поверхности земли до точки крепления провода
к изолятору или гирлянде изоляторов.
Согласно ПУЭ провода и грозозащитные тросы рассчитывают на нор-
мативные нагрузки и воздействия по методике допускаемых напряжений.
Уровень которых устанавливается ПУЭ.
Нагрузки и воздействия на провода и тросы. Максимальные нор-
мативные значения ветрового давления и толщину гололедных отложе-
167
Рис. 9.2. Схема провода ВЛ
ний на провода и тросы определяют, исходя из повторяемости их 1 раз в
15 лет для ВЛ 500 кВ, 1 разе 10летдляВЛ6...330кВи1разв5летдляВЛ
3 кВ и ниже. Ветровое давление на провода и тросы ВЛ определяют по
высоте расположения их приведенного центра тяжести:
=>•. Р О
где hp — средняя высота крепления проводов к изоляторам или тросов на
опоре, отсчитываемая от уровня поверхности земли в местах установки
опор;/— максимальная стрела провеса провода или троса, определяемая
механическим расчетом.
Нормативную ветровую нагрузку на провода и тросы определяют по
формуле:
Wn = aKACxw9Ad sin2 ср, (9-2)
где a—коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового давле-
ния по пролету ВЛ; — коэффициент, учитывающий влияние длины
пролета на ветровую нагрузку; Сх — коэффициент лобового сопротивле-
ния провода или троса, покрытых гололедом или свободных от гололеда;
w0—нормативное ветровое давление (МПа) в соответствии с ветровым
районом на высоте hp в рассматриваемом режиме (ветер без гололеда или
ветер с гололедом); Ad—площадь диаметрального сечения провода, м*
(при гололеде с учетом нормативной толщины стенки гололеда);
Ф—угол между направлением ветра и осью ВЛ.
Нормативное значение линейной гололедной нагрузки на провода и
тросы определяют по СНиП [4] в зависимости от района по гололеду, ис-
ходя из цилиндрической формы гололедных отложений (рис. 9.3), Н/м:
i = KfeA|i;(c/+6A|i;)pglO"3, (9.3)
168
1 Мрыюд
Рис. 93. Поперечное сечение про-
вода, покрытого гололедом
где b — толщина стенки гололеда, мм;
к—коэффициент, учитывающий измене-
ние толщины стенки гололеда по высоте;
d—диаметр провода (троса), мм;
р, — коэффициент, учитывающий изме-
нение толщины стенки гололеда в зависи-
мости от диаметра провода или троса;
р=0,9 — плотность льда, г/см3; g—уско-
рение свободного падения, м/с2.
Результирующие линейные нагрузки,
получаемые путем геометрического сло-
жения вертикально действующих нагру-
зок (от веса проводов или тросов с гололе-
дом или без гололеда) с горизонтально
действующим ветровым давлением, прикладывают к проводу (тросу) для
последующего статического расчета его как гибкой нити.
Расчет провода (троса) ведут для следующих сочетаний климатиче-
ских условий:
• высшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
• низшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
• среднегодовая температура t3, ветер и гололед отсутствуют;
• провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С, ве-
тер отсутствует;
• максимальное нормативное ветровое давление и'лямк, температура
минус 5°С, гололед отсутствует;
• провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С, вет-
ровое давление 0,25 н’„/ГОах (скорость ветра 0,5 vmai).
Напряжение в проводе (тросе) при изменяющихся атмосферных усло-
виях определяют из уравнения состояния провода (см. п. 8.1.5 [ 11 ]):
о_Й£=о,-Д^-«ве-г,). (».4)
24<Г
где ст, у, t— соответственно напряжение, удельная нагрузка, температура
в конечном (искомом состоянии); Но, ?о, 4 — напряжение, удельная на-
грузка, температура в начальном состоянии; Е— модуль упругости про-
вода (троса); а — коэффициент линейного расширения.
Следует заметить, что в расчетах проводов и тросов обычно пользу-
ются не единичными, а удельными (приведенными) нагрузками, полу-
ченными путем деления единичной (погонной, равномерно распределен-
169
ной) нагрузки на площадь сечения провода или троса и измеряемыми в
даН/(м-мм2), или кгс/(м-мм2).
Стрелу провеса провода вычисляют по одной из формул:
а) для пролетов I < 800 м б) для пролетов I > 800 м
/=Й; /=Й+ 12L,
8ст 8ст 384а
где I—пролет провода (троса), м; у — удельная нагрузка в рассматривае-
мом сочетании, даН/(м-мм2); ст — напряжение в рассматриваемом соче-
тании, даН/мм2.
При этом длину провода (троса) определяют по формуле:
£ = /+
13у2
24а2’
(9-6)
9.1.2. Изоляторы и линейная арматура
Изоляторы (стеклянные или фарфоровые), применяемые для высо-
ковольтных линий (рис. 9.4), подразделяют на две группы:
• штыревые, закрепляемые на опорах при помощи штырей (приме-
няют на линиях напряжением до 35 кВ включительно);
• подвесные, закрепляемые на опорах при помощи линейной армату-
ры; их соединяют в гирлянды путем сцепления друг с другом (применяют
на линиях напряжением 35 кВ и выше).
В последние годы нашли применение полимерные изоляторы, основ-
ным преимуществом которых является очень малый вес, что имеет важ-
ное значение в условиях монтажа.
Рве. 9.4. Высоковольтные изоляторы:
а—подвесной; б — штыревой
170
Рже. 95. Зажжмы:
а—глухой поддержихающий; б—ботово& нзтхжзой
Линейную арматуру применяют для закрепления проводов в гир-
ляндах подвесим* изоляторов, крепления изоляторов к опорам, закрепле-
ния оттяжек, соединения проводов и тросов, соединения друг с другом
проводов расщепленной фазы и т.п. Арматуру, которую крепят к опорам,
что оказывает влияние на конструкцию узлов опор, можно разделить на
два вида:
• зажимы, предназначенные для закрепления проводов и тросов;
• сцепную арматуру, предназначенную для соединения зажимов с
изоляторами, для подвески гирлянд на опорах и т.д.
Крепление проводов к подвесным изоляторам, а также тросов к опо-
рам производят при помощи поддерживающих или натяжных зажимов
(рис. 9.5). Натяжные зажимы применяют в тех случаях, если на опору не-
обходимо передать тяжение проводов и тросов, поддерживающие —ес-
ли на опору хотят передать преимущественно вертикальные нагрузки.
171
К сцепной арматуре относят различ-
ные скобы, серьги, промежуточные зве-
нья и т.п. Эскизы некоторых элементов
сцепной арматуры приведены на рис. 9.6.
9.2. Классификация и характери-
стика стальных опор
Опоры линий электропередачи Пред-
назначены для поддержания токонесу-
щих проводов. На рис, 9.7 приведен фраг-
мент схемы высоковольтной линии. Рас-
стояние между смежными опорами
определяется пролетом провода. Любая
высоковольтная линия содержит в своем
составе довольно большое число разно-
образных типов опор, которые можно
Рис. 9.6. Примеры использования
сцепной арматуры:
а—узел крепления ввдаесното изолятора;
б—узел крепления натяжного изолятора
— ххддямо ViiUJJy HAJI UJJtolG
классифицировать по следующим признакам: по количеству цепей на
опоре; по назначению; по конструктивной схеме; по форме и типу сече-
ния стволов опор.
Рассмотрим более подробно приведенные труппы классификации.
По количеству цепей линии могут быть одноцепными, двухцепными
и многоценными. В состав одной цепи вход ит три провода (фазы) пере-
менного трехфазного тока. В нашей стране наиболее распространены од-
но- и двухцепные линии, причем цени в двухцепных линиях могут быть
как одного, так и разных классов напряжений. Обычно одна двухцепная
линия дешевле, чем две параллельные одноцепные линии.
Натяжная гирпянда Поддерживающая гирнянда
Праает
Пропет
Пропет
__________Анкерованный участок.
Рас. 9.7. Схема фрагмента
высоковольтном лнн мн
172
угловая опора
По назначению опоры делят на несколько типов. Промежуточные
прямые опоры, поддерживающие провода, закрепленные в вертикально
расположенных гирляндах изоляторов, устанавливают на прямолиней-
ных участках ВЛ. Обычно доля этих опор составляет около 90% общего
числа опор высоковольтной линии. Промежуточные опоры воспринимав
ют вертикальные нагрузки от проводов и тросов, а также горизонтальные
от ветрового давления на провода, тросы и опору. Кроме этого, они могут
воспринимать ограниченное тяжение проводов или тросов при возмож-
ном обрыве их в одном из смежных пролетов. Промежуточные угловые
опоры (рис. 9.8) устанавливают в углах поворота ВЛ. Они также поддер-
живают провода, закрепленные в вертикально расположенных гирляндах
изоляторов. Эти опоры дополнительно воспринимают нагрузки от попе-
речных составляющих тяження проводов и тросов. Анкерные опоры (рис.
9 9), кроме всего прочего, воспринимают тяжение проводов, что достига-
17J
Рас. 9.10. Двухцепняя пере-
ходная проиежуточиая опо-
ра ВЛ 110 кВ
ется путем закрепления их в зажимах натяж-
ных гирлянд изоляторов. По длине трассы ВЛ
анкерные опоры устанавливают через опреде-
ленные расстояния, которые называют анкеро-
ванными участками ВЛ (см. рис. 9.7), длины
которых назначают при разбивке трассы воз-
душной линии. Если анкерные опоры устанав-
ливают в точках поворота высоковольтной ли-
нии, то их называют анкерно-угловыми. Такие
опоры дополнительно воспринимают нагрузки
от поперечных составляющих тяжеяия прово-
дов и тросов. На концах воздушных линий пе-
ред подстанцией устанавливают концевые опо-
ры, обычно воспринимающие полное односто-
роннее тяжение проводов и тросов.
Переходные опоры (рис. 9.10) устанавливают
на переходах через большие водные преграды
(озера, реки), ущелья, овраги и т.д.
По конструктивной схеме стальные опо-
ры ВЛ можно разделить на две группы, опоры
без оттяжек и опоры с оттяжками из сталь-
ных высокопрочных канатов. Опоры без оття-
жек— это свободностоящие одноствольные
опоры башенного типа и многостволь-
ные—портальные. Опоры с оттяжками по
конструктивной схеме весьма разнообразны.
Это и одноствольные опоры, мачтового типа
(рис. 9.11), и многоствольные. Во всех типах
одноствольных опор провода при помощи гир-
лянд изоляторов подвешивают к траверсам
консольного типа, в многоствольных — к тра-
версам балочного типа. Многоствольные опо-
ры могут быть портальными (рис. 9.12) и V-об-
разными (рис. 9.13). Причем в V-образных
опорах может использоваться различная конструкция травме — балоч-
ного типа и висячая (рис. 9.14). Использование в опорах распорных вися-
чих траверс ведет к возникновению дополнительных усилий в оттяжках и
стойках от вертикальных нагрузок на провода.
174
зол
Pee 9.11. Промежуточная одноцепняя одноствольная опора с оттяжками ВЛ 110 кВ
Рис 9Л2. Промежуточная портальная опора с оттяжками ВЛ 500 кВ
175
гвеаятсров
Ряс. 9.14. Промежуточна* V-обряз-
иаж опора на оттяжках с висячими
траверс амж:
а—с пепной траверсой из полимерных изо-
лжгоров; 6, в—с вантовыми траверсами из
стальных высозопрочных канатов
176
Опоры башенного типа имеют ряд
преимуществ, связанных, в основном, с
их малой опорной базой. Это относи-
тельно небольшая занимаемая площадь
и возможная простота установки на ко-
согорах. Вместе с тем наличие малой
базы ведет к большим нагрузкам на
фундаменты и основание.
Опоры на оттяжках—это плоско-
стные конструкции с применением же-
стких решетчатых брусьев и простран-
ственной ориентацией оттяжек. К дос-
тоинствам такой конструктивной
формы можно отнести простоту укруП"
нательной сборки на монтаже ввиду
плоскостного строения опоры, что не-
маловажно в полевых условиях. Приме-
нение в качестве оттяжек стальных вы-
сокопрочных канатов ведет к сниже-
нию металлоемкости конструкции
опор. Среда многоствольных опор на
оттяжках предпочтительнее, по-види-
мому, конструкции опор с V-образной
стойкой из-за возможности расширения опорной базы практически без
увеличения длины стойки, что приводит к снижению усилий в стойках и
оттяжках и, соответственно, нагрузок на фундаменты. Среди недостатков
применяемых конструкций многоствольных опор на оттяжках можно вы-
делить два наиболее существенных. Первый заключается в нерациональ-
ной «двухплечевой» схеме работы опоры на ветровую нагрузку, которую
воспринимает только одно плечо, состоящее из опорной стойки и оттяж-
ки: при смене направления ветра на противоположное в работу включает-
ся другое плечо. Второй недостаток связан с неудобством и, следователь-
но, высокой трудоемкостью раскатки проводов средней фазы под опора-
ми при их монтаже, предполагающей протягивание их в «окно»,
образованное V-образно- расположенными стойками или оттяжками.
Типы сечений стволов делят на сплошные, сквозные. В качестве
сплошного сечения используют, как правило, трубчатое, а в одностволь-
ных опорах башенного типа, кроме этого, замкнутое гнутосварное много-
гранного профиля, в том числе переменного сечения. Формы сквозных
сечений стволов—прямоугольная (квадратная) и треугольная. Анало-
гичные формы сечений применяют в траверсах многоствольных опор.
9.3. Конструирование и расчет
Как уже отмечалось, назначение опор — поддерживать провода вы-
соковольтной линии электропередачи. Поэтому конструктивная форма
опор во многом определяется параметрами, связанными с проводами и
грозозащитными тросами, — количеством цепей и схемой расположе-
ния проводов на опоре, межфазными расстояниями, изоляционными
расстояниями между токоведущими и заземленными частями. Помимо
этого при выборе той или иной конструктивной формы опоры важное
значение имеют экономические, экологические, а также эстетические
соображения.
9.3.1. Расположение проводов и тросов на опорах
Двух- и многоценные линии, как правило, дешевле, чем две или не-
сколько параллельных одноцепных. В таких линиях меньше расход мате-
риалов на опоры и фундаменты, более существенна экономия на земля-
ных работах и монтаже опор и, как следствие, — сокращение сроков воз-
ведения линий. Поэтому в отечественной и зарубежной практике
широкое распространение получили двухцепные линии, в особенности
для классов напряжений 35...33O кВ. На рис. 9.15 показаны различные
схемы расположения проводов на опорах для одноцепных (а. б, в, д. е) и
177
9
г
9
Рис. 9.15. Схемы расположения проводов в* опорах
m
двухцепных (г, ж, з, к, к, л, м) линии трехфазного тока. Провода могут
располагаться в один, два или три яруса. Расположение проводов в один
ярус называют горизонтальным (рис. 9.15, а—г), расположение в два или
три яруса без смещения проводов относительно друг друга по горизонта-
ли называют вертикальным (рис. 9.15, д, и) и, наконец, если провода яру-
сов расположены со смещением по горизонтали, то такое расположение
называют смешанным (рис. 9.15, е, ж, з, к, л, м). Горизовггальные расстоя-
ния £>, вертикальные В и горизонтальные смещения Л регламентированы
ПУЭ. При возведении линий в районах с частой пляской проводов (см. И-
7.2) и большой толщиной стенки гололеда рекомендуется применять го-
ризонтальное расположение проводов. Такое же расположение проводов
рекомендуется на линиях напряжением 500 кВ и выше при любых усло-
виях. Недостатками горизонтального расположения проводов являются
неооходимость применения более сложных конструктивных схем опор, а
также отвод более широкой полосы земли, отчуждаемой под воздушную
линию. Линии с вертикальным расположением проводов лишены этих
недостатков, но имеют при прочих равных условиях большую высоту.
Достоинством опор с вертикальным и смешанным расположением про-
178
водов является то, что при обрыве проводов в
них возникают меньшие крутящие моменты.
Наибольшее применение в типовых двухцеп-
ных опорах нашли схемы расположения прово-
дов, получившие названия прямая и обратная
«елка» (рис. 9.15, к, л) и «бочка» (рис. 9.15, м).
На поперечные горизонтальные размеры
опор существенное влияние оказывают так на-
зываемые межфазные расстояния D (см. рис.
9.15), определяемые, главным образом, из усло-
вий недопущения схлестывания проводов в
пролете. Эти расстояния, зависящие от напря-
жения линии и стрел провеса проводов, опреде-
ляются ПУЭ. Кроме этого, указанные размеры
опор зависят и от наименьших расстояний от
Рис. 9.16. Отклонение под*
держнвающен гирлянды
изоляторов от вертикали
проводов до элементов опор, определяемых при условии отклонения под-
держивающих гирлянд изоляторов от действия ветра иа провода (размер
С на рис. 9.16). Тангенс угла отклонения поддерживающей гирлянды от
вертикали в этом случае будет составлять:
kW
tg(n=----------
G + 0,5Gg
(9-7)
где W—ветровая нагрузка на провод в рассматриваемом режиме;
G—вес провода (с гололедом или без гололеда); Gg—вес гирлянды изо-
ляторов; к—коэффициент, зависящий от ветрового давления:
м>0, даН/м2 . 40 45 55 65 КО и более
к........... 1,0 0,95 0,9 0,85 0,8
При многоярусном расположении проводов высота опор помимо га-
барита линии зависит от вертикальных расстоянии между ярусами (раз-
мер В на рис. 9.15) и превышения грозозащитного троса над проводами
верхнего яруса (размер h на рис. 9.17). Линии с горизонтальным распо-
ложением проводов защищают, как правило, двумя грозозащитными
тросами, а остальные — одним (см. рис. 9.17). При двух грозозащитных
тросах защитный угол <х должен быть не более 20°, а при одном тро-
се—-не более 30°.
9.3.2. Конструирование опор
Двадцатый век является веком становления и бурного развития энер-
гетики. Вместе с ней развивались и совершенствовались высоковольтные
179
Рис. 9.17. Расположение тросов ня опорах:
о—линия со смешанным расположением проводов; б—линия с горизонтальным расположением про-
водов
линии электропередачи, создавались объединенные энергосистемы, на-
ращивались передаваемые мощности и, как следствие, совершенствова-
лись и разрабатывались новые схемы и конструкции стальных опор. Мно-
голетний опыт конструирования и исследования действительной работы
опор ВЛ позволил отобрать для массового применения наиболее простые
и вместе с тем технологичные конструктивные формы. Эти опоры полу-
чили название унифицированных и возведение высоковольтных линий
электропередачи в нашей стране основывается на применении именно та-
ких опор. Опоры унифицированы для линии различных классов напряже-
ний. Унификация таких конструкций как опоры ВЛ имеет ряд положи-
тельных качеств. Она позволяет эффективно налаживать массовое произ-
водство опор, механизировать и даже автоматизировать этот процесс.
Разрушившиеся или поврежденные в результате аварий унифицирован-
ные опоры могут быстро заменяться на новые, заранее изготовленные и
хранящиеся на складах энергосистем, и т.д. Вместе с тем унификация в
определенной степени сдерживает развитие конструктивных форм опор,
новых технологий монтажа линий.
Ниже рассмотрены преимущественно конструкции унифицирован-
ных опор, составляющих основной парк опор высоковольтных линий.
Соединения. Стальные унифицированные опоры ВЛ — это про-
странственные решетчатые конструкции, изготовляемые из прокатных
элементов. Соединения элементов могут быть как сварными, так и болта*
выми. Преимущественное применение того или иного вида соединения в
опоре связано с несколькими фактор и.
180
Использование болтовых соединений позволяет членить конструк-
цию на отдельные элементы, давая тем самым возможность перевозить
их в пакетах, что улучшает транспортабельность опоры, повышает эф-
фективность использования транспортных средств. Особенно выгодна
поэлементная транспортировка опор в труднодоступные и горные рай-
оны. Иногда из-за негабаритности опоры по условиям перевозки желез-
нодорожным транспортом ее также приходится изготавливать поэле-
ментно с последующей сборкой на монтаже. Необходимость поэлемент-
ного изготовления опоры и применения при этом болтовых соединений
возникает также и при использовании горячего цинкования в качестве ан-
тикоррозионного покрытия, так как по экономическим и технологиче-
ским соображениям цинковать целесообразно отдельные стержни, пред-
варительно объединенные в пакеты.
Болтовые опоры имеют и существенные недостатки. Это повышенная
трудоемкость монтажа, которая существенно удлиняет сроки возведения
линии. Это более низкое качество сборки опор в полевых условиях, а не
на специализированном заводе, что, естественно, ведет к снижению на-
дежности работы конструкции.
Применение преимущественно сварных соединений элементов опор
в заводских условиях позволяет изготовлять их укрупненными отправоч-
ными марками, что существенно снижает трудоемкость сборки опор на
трассе, повышает их качество, надежность эксплуатации. Однако опоры,
изготовленные сварными на заводе, менее приспособлены для транспор-
тировки, так как не обеспечивают достаточной загрузки транспортных
средств.
Типы сечений стержней. Стержни практически всех типов решетча-
тых опор, за исключением переходных, выполняют из прокатного угло-
вого профиля. Опоры больших переходов, имеющие значительные уси-
лия в стержнях, зачастую изготовляют из горячекатаных труб, как, впро-
чем, и некоторые сильно нагруженные анкерные опоры. Уголковые
сечения весьма удобны в конструктивном отношении, позволяя осущест-
влять простые и технологичные узловые сопряжения элементов опор.
Однако они уступают замкнутым трубчатым сечениям в стойкости про-
тив механических повреждений (погибей, вмятин) и коррозии.
Типы соединительных решеток стволов. В стальных решетчатых
опорах применяют разнообразные схемы соединительных решеток. При-
менительно к решеткам опор ВЛ остаются справедливыми положения,
отмеченные в п.6.3.1. поэтому ниже рассмотрены лишь некоторые допол-
нения к этим положениям. Треугольную решетку с несовмещенными । ла-
мы в смежных гранях, называемую «в елку» (рис. 9.18. а), применяют а
18)
а) .... б) в) г) д) е)
Рис* 9.1& Схемы соеданжтельяых решеток;
я—треугольная с несовмещенными ушами («в елку»); б—ромбическая с совмещенными узлами;
в ромбическая с несовмещенными узлами; г—полураскосная; д—крестовая; в—ширенгельная
стволах опор башенного типа при сравнительно небольших нагрузках, а
также в стволах опор с оттяжками. Применение ромбической решетки с
совмещенными (рис. 9.18, 6) и несовмещенными (рис. 9.18, в) узлами в
смежных гранях становится экономически выгодным при широких ство-
лах опор башенного типа и значительных нагрузках. При этом схема с не-
совмещенными узлами позволяет снизить гибкость поясов и упростить
сопряжение стержней, сходящихся в узлах поясов. Уменьшить расчетные
длины поясов и раскосов можно путем применения полураскосной ре-
шетки (рис. 9.18, г). В отдельных случаях в опорах больших переходов
применяют крестовую решетку (рис. 9.18, д'). Раскосы в такой решетке
выполняют гибкими, что ведет к выключению из работы сжатых раско-
сов, нисходящих к направлению ветра. Восходящие раскосы работают на
растяжение и обеспечивают восприятие ветровой нагрузки соответст-
вующего направления. При необходимости уменьшения расчетных длин
поясов широкоствольных переходных и анкерных опор башаиного типа
дополнительно могут быть установлены итренгели (рис. 9.18, ё).
Траверсы (консоли) опор башенного типа и одноствольных опор с от-
тяжками могут быть сплошными и сквозными (решетчатыми). Причем
сплошные траверсы (как правило, из прокатных шнеллеров) характерны
для опор ВЛ более низких классов напряжений (1...35 кВ), в том числе со
штыревыми изоляторами. В сквозных траверсах применяют те же тины
сечений стержней, что и в стволах, объединяя пояса, в основном, тре-
угольной или раскосной решетками. Аналогично проектируют сквозные
балочные траверсы многоствольных опор, применяя, кроме перечислен-
ных, ромбическую решетку.
182
В последние годы находят применение висячие траверсы (см. рис.
9.14), которые используют с V-образными опорами на оттяжках. Такие
траверсы либо сами состоят из полимерных изоляторов (так называемые
«цепные» траверсы), либо к тросовым траверсам провода подвешивают
при помощи полимерных изоляторов. Висячие траверсы имеют сущест-
венно меньший вес, менее трудоемки в монтаже из-за малого веса, их
применение позволяет снизить высоту опор. Помимо этого «жесткое»,
неподвижное, крепление проводов к «цепным» траверсам в отличие от
креплении к подвесным изоляторам позволяет несколько уменьшить
межфазные расстояния и изоляционные расстояния от проводов до эле-
ментов опор.
Для обеспечения пространственной жесткости стволов опор устраи-
вают диафрагмы, расстояния между которыми колеблются от 8 до 15 м в
зависимости от поперечных размеров стволов. Помимо этого диафрагмы
устанавливают в сечениях стволов, где приложены сосредоточенные си-
лы или осуществляются переломы граней.
На линиях напряжением 35 кВ и выше для крепления к опорам грозо-
защитных (молниезащитных) тросов служат тросостойки. В опорах ба-
шенного типа ими являются верхние окончания стволов в виде решетча-
тых усеченных пирамид (см. рис. 9.8), в многоствольных опорах — это
наклонно расположенные решетчатые консоли, являющиеся продолже-
ниями стволов (см. рис. 9.13) или дополнительные стойки, укрепленные
на траверсе (см. рис. 9.12).
Выбор схем и генеральных размеров опор производят в зависимости
от условий прохождения трассы ВЛ и по экономическим соображениям.
Условия прохождения трассы включают в себя климатические, географи-
ческие, геологические, местные и другие факторы. К местным факторам
относятся: наличие водных и других преград; пересечений с автомобиль-
ными и железными дорогами; интенсивность землепользования и т. п.
Например, в населенных пунктах и в районах интенсивного землепользо-
вания с целью минимизации отчуждаемых под высоковольтную линию
земель стремятся применять узкобазные опоры башенного типа. И наобо-
рот, в слабозаселенных районах широко применяют опоры на оттяжках.
Одноствольные и V-образные опоры на оттяжках удобны при установке
их на поперечных косогорах, где, например, портальные опоры должны
иметь стойки различной длины. Однако следует заметить, что оттяжки
требуют более внимательного наблюдения при эксплуатации за их со-
хранностью из-за подверженности их коррозии в околопочвенной зоне.
Наиболее значимым размером любой опоры является ее высота. Вы-
соту опоры определяют путем технико-экономической оценки участка
из
линии (обычно длиной 1 км) с
опорами различной высоты.
Чем ниже опора, тем меньше
масса ее и фундамента. Одна-
ко при этом увеличивается
число опор, фундаментов,
изоляторов и т. д., растут за-
траты на строительно-мон-
тажные работы. Поэтому оп-
тимальным с экономической
точки зрения будет пролет,
при котором затраты на
строительство 1 км линии бу-
дут минимальными. Такой
пролет называют экономиче-
ским. В унифицированных од-
ноцепных и двухцепных опо-
рах различного назначения
для разных классов напряже-
ний установлены высоты,
близкие к оптимальным. При-
мер унифицированной проме-
Рнс. 9.19. промежуточная двухцепная опора «УТОЧНОЙ даухцепной опоры
вл 220 кВ линии 220 кВ приведен на
рис. 9.19, а примеры анкер-
но-угловых опор—даухцепной и одноцепной — приведены на рис. 9.20.
Полная высота опоры Н определится, исходя из суммы вертикальных
размеров (рис. 9.21):
Н=Н^+2В+В^ . (9.8)
где /Q =Г4/— высота подвески провода нижнего яруса к изолятору, оп-
ределяемая суммой размеров габарита линии Г и максимальной стрелы
провеса провода/при выбранном пролете; В и — соответственно вер-
тикальные расстояния на опоре между смежными ярусами проводов и ме-
жду проводом верхнего яруса и грозозащитным тросом, минимальные
значения которых устанавливаются ПУЭ.
Вылет консолей (траверс) (см. рис. 9.21) определяют, исходя из ве-
личин горизонтальных смещений проводов смежных ярусов А и допусти-
мого расстояния от провода до элементов опоры С (см. рис. 9.16). Рас-
стояния А я С также регламентируются ПУЭ.
пи
Ряс. 9.20. Ликерно-угловые опоры:
а—даухцспнаж ВЛ НО жВ; в—одноцепная ВЛ 220 кВ
Высота сечения у основания (см. рис.
9.21) в унифицированных опорах имеет фик-
сированное значение и колеблется для раз-
ных классов напряжении и типов опор в до-
вольно широких пределах. Например, у про-
межуточных опор она изменяется от Н7 7 до
Н /10 (большие значения характерны для
двухцепных опор, меньшие —для одноцеп-
ных), у анкерных—от Я/3 до HI5.
В унифицированных опорах применяют
типовые узлы сопряжения элементов.
Рассмотрим основные узлы опор, кото-
рые можно разделить по степени значимости
и ответственности на несколько групп; кон-
струкции опорных узлов стволов и крепле-
ния оттяжек к анкерным фундаментам; узлы
крепления элементов соединительной ре-
шетки к поясам (в стволах и траверсах); узлы
стыков поясов; узлы траверс и крепления к
ним гирлянд изоляторов; узлы пересечения
раскосов перекрестных решеток.
Рис. 9.21. Генеральные разме-
ры двудцеиной опоры башен-
ного типа
185
б)
1-1
Ось
симметрии опоры^
2-2
Рис. 9.22. Конструкции опорных частей башенных опор:
а—промежуточной опоры; б—анкерной опоры
Конструкции опорных узлов стволов опор башенного типа приведе-
ны на рис. 9.22. При этом конструкция опорной части опоры устроена та-
ким образом, что каждый пояс имеет свою отдельную базу, состоящую из
опорной плиты и опорных ребер жесткости. Анкерные болты, при помощи
которых производится крепление опорных плит к грибовидным фундамен-
там, располагаются в отверстиях плит между ребрами жесткости. Проме-
жуточные опоры имеют в каждой базе по два анкерных болта (см. рис. 9.22,
а), анкерные опоры—по четыре (см. рис. 9.22, б). Стволы опор на оттяж-
ках опираются на фундаменты при помощи опорных частей, конструкции
которых реализуют принцип пространственного шарнира (рис. 9.23, а).
Оттяжки в подобных опорах, испытывающие большие выдергивающие
усилия, крепят к заглубленным анкерным фундаментам (плитам). Конст-
рукция одного из таких креплений приведена на рис. 9.23, б.
Узлы крепления элементов соединительной решетки к поясам. В
стволах и траверсах применяют идентичные узлы, показанные на рис.
9.24. Как уже отмечалось, крепление элементов соединительной решетки
к поясам может быть болтовым (как правило, на болтах нормальной точ-
ности, реже применяют сдвигоустойчивые соединения на высокопроч-
ных болтах) или сварным. При любом виде соединения узлы должны
быть простыми, технологичными, иметь в своем составе минимальное
число деталей. При конструировании узлов, если позволяют усилия в рас-
косах и размеры полок поясных уголков, стремятся применять бесфасо-
ночные решения (см. рис. 9.24, а...г), так как фасонки увеличивают массу
186
Рис. 9.23. Узлы сопряжения опор на оттяжках с фундаментами:
а—опорный узел ствола; б—крепление оттяжки к анкерному фундаменту
Рие, 9,24. Узлы крепления элементов соединительной решетки к поясам стволов н
диафрагм
187
опоры и трудоемкость изготовления. Для болтовых опор при относитель-
но небольших усилиях в раскосах характерно их крепление к поясам од-
ним болтом (см. рис. 9.24, в, г, Э). Такое решение ведет к экономии болтов
и снижению трудоемкости опор как при изготовлении, так и при сборке в
условиях монтажа. Если усилия в раскосах велики и не позволяют кре-
пить их одним болтом, производят крепление двумя болтами с использо-
ванием фасонок (см. рис. 9.24, е, ж). Практически во всех рассмотренных
конструкциях узлов по соображениям размещения раскосов приходится
прибегать к некоторой расцентровке, что ведет к возникновению допол-
нительных узловых моментов.
Узлы стыков поясов, применяемых в унифицированных опорах,
приведены на рис. 9.25 и 9.26. Следует заметить, что монтажные стыки
поясов даже сварных опор выполняют исключительно на болтах. Это во
многом связано со сложностью организации и производства сварочных
работ в полевых условиях трассы воздушной линии. Конструкции стыко-
вых соединений поясов из уголков могут быть телескопическими, т.е. вы-
полняться «внахлестку» (см. рис. 9.25, а), если усилия в поясах невелики
и возникающий при расцентровке дополнительный изгибающий момент
не оказывает существенного влияния на устойчивость пояса. Достоинст-
вом такого стыка является малое количество болтов и отсутствие допол-
нительных деталей, что положительно сказывается на его трудоемкости.
Если невозможно или нецелесообразно осуществить телескопический
стык, то его выполняют с применением стыковых накладок, например
уголковых (см. рис. 9.25, б, в). В опорах, в основном переходных, в кото-
Рис. 9.25. Стыки поясов ствола опоры
188
1-1
Рис. 9.26. Узел фланцевого соедине-
ния трубчатых поясов ствола опоры
Рнс. 9.27. Узел подвески гирлянды изоляторов
к траверсе анкерной угловой опоры
рых пояса выполняют из труб, применяют фланцевые соединения с высо-
копрочными предварительно натянутыми болтами (рис. 9.26). Усилие на-
тяжения болтов выбирают таким, чтобы не допустить в процессе эксплуа-
тации раскрытия фланцевого соединения от действия растягивающих
усилий.
Узлы траверс и крепления к ним гирлянд изоляторов. Чаше всего в
опорах башенного типа применяют решетчатые траверсы (консоли), ко-
торые, как правило, легче сплошных. Для крепления гирлянд подвесных
изоляторов при помощи скоб в траверсах промежуточных опор преду-
сматривают специальные отверстия. Узел подвески сдвоенных натяжных
гирлянд к траверсе анкерно-угловой опоры показан на рис. 9.27. Конст-
руктивное решение узла обеспечивает шарнирность крепления в двух
плоскостях.
Узлы пересечения раскосов перекрестных решеток могут быть
болтовыми и сварными. Соединения раскосов в узлах обычно выполняют
189
а) б); в)
г) д)
Рис. 9.28. Узлы пересечения элементов перекрестных решеток
с прокладками (рис. 9.28, л, б), а в некоторых случаях, при относительно
высокой гибкости раскосов — без прокладок (рис. 9.28, в, г). В случае пе-
ресечения в узле трех стержней (двух раскосов и распорки) роль проклад-
ки между раскосами выполняет соединительная фасонка (рис. 9.28, д').
9.3.3. Особенности расчета
Стальные опоры высоковольтных линий электропередачи рассчиты-
вают по методике предельных состояний на расчетные нагрузки, которые
действуют как на подвешенные к опоре провода и тросы, так и непосред-
ственно на опору. Это вертикальные и горизонтальные нагрузки, причем
горизонтальные нагрузки могут быть направлены перпендикулярно ли-
нии и вдоль линии.
Вертикальные нагрузки:
• вес проводов, тросов, изоляторов и арматуры, собственный вес
опоры;
• вес гололеда на проводах и тросах.
Горизонтальные нагрузки:
• ветровая нагрузка на провода и тросы;
• ветровая нагрузка на конструкцию опоры (статическая и динамиче-
ская составляющие);
• тяжение проводов и тросов.
190
Кроме этого, в период монтажа линии могут действовать монтажные,
нагрузки.
Опоры рассчитывают на сочетания нагрузок, соответствующие ре-
жимам работы ВЛ—нормальным и аварийным.
I. Нормальные режимы:
• провода и тросы не оборваны и свободны от гололеда при мак
мальном ветровом давлении на провода и температуре окружающего воз-
духа минус 5°С;
• провода и тросы не оборваны и покрыты гололедом при ветровом
давлении 25% от максимального и температуре окружающего воздуха
минус 5°С.
При расчете анкерных опор учитывается разность тяжений проводов
и тросов от вертикальных нагрузок в случае неравенства смежных проле-
тов. Кроме того, анкерные и угловые опоры рассчитывают на условия
низшей температуры без ветра, если тяжение проводов и тросов в этом
режиме больше, чем в других.
II. Аварийные режимы:
1. Промежуточные опоры рассчитывают на следующие условия:
• оборван провод или провода одной фазы (при любом числе прово-
дов на опоре), тросы не оборваны;
• оборван один трос, провода не оборваны.
При этом нагрузки от проводов и тросов принимают в режиме без го-
лоледа и ветра.
2. Анкерные опоры рассчитывают на следующие условия в зависи-
мости от сечения подвешиваемых на них проводов:
• оборваны провода одной или двух фаз (при любом числе фаз на
опоре), тросы не оборваны;
• оборван один трос, провода не оборваны.
При этом нагрузки от проводов и тросов принимают равными тяже-
нию проводов или тросов в режиме гололеда без ветра при температуре
окружающего воздуха минус 5°С или в режиме низшей температуры, ес-
ли в этом случае тяжеиие больше.
В аварийных режимах предусматривают обрывы тех проводов или
тросов, при которых возникают наибольшие усилия в рассматриваемых
элементах опоры.
Сочетания нагрузок в нормальных и монтажных режимах работы ВЛ
относятся к основным сочетаниям, а в аварийных режимах и при сейсми-
ческих воздействиях — к особым сочетаниям. При расчете опор на проч-
ность и устойчивость в аварийных режимах и при сейсмических воздей-
ствиях расчетные нагрузки от веса гололеда, ветровые нагрузки на опо-
191
ры, провода и тросы и от тяжения проводов и тросов умножают на
коэффициенты сочетаний:
• в режимах обрыва проводов и тросов при расчете промежуточных
опор — 0,8, при расчете анкерных опор—0,9;
• при воздействии сейсмических нагрузок — 0,8.
Рассмотрим принципы определения нагрузок на опоры. Предвари-
тельно введем определение габаритного и весового пролетов. Габарит-
ным пропетом lh называют пролет, при котором вертикальный габарит от
провода, имеющего максимальную стрелу провеса, до ровной поверхно-
сти земли равен нормированному значению.
Весовым пролетом lg называют длину участка ВЛ, вес проводов или
тросов которого воспринимается опорой. При установке опор с одинако-
вой высотой точек подвеса проводов на ровной поверхности ls = lh. При
проектировании типовых опор обычно принимают lg = 1,25 lh.
Расчетные нагрузки от веса проводов и тросов определяют по фор-
муле:
(9-9>
где ту— коэффициент надежности по нагрузке; g — линейный вес прово-
да или троса.
Расчетные нагрузки от веса гололеда на проводах и тросах опреде-
ляют по формуле
Gr =yfilg, (9.Ю)
где =2,0 (для гололедной нагрузки); i — вес гололеда на 1 м провода
или троса (определяется по формуле 9.3).
Расчетные ветровые нагрузки на провода и тросы вычисляют по
формуле
W=yfWnlTi (9.11)
где у/=1,2 (провода и тросы свободны от гололеда), уу= 1,4 (провода и тро-
сы покрыты гололедом); W„ — нормативная ветровая нагрузка на прово-
да и тросы, определяемая по формуле (9.2).
Расчетную ветровую нагрузку на конструкцию опоры определяют
как сумму статической и динамической составляющих. При этом для
опор высотой менее 50 м вычисляют суммарную ветровую нагрузку пу-
тем умножения статической составляющей на фиксированное значение
коэффициента динамичности, зависящее от типа опоры.
Расчетные нагрузки от тяжения проводов и тросов можно опреде-
лить по формуле:
(9.12)
192
где Vf = 1,3 —коэффи-
циент надежности по
нагрузке для горизон-
тальной нагрузки от тя-
жения проводов и тро-
сов, свободных от голо-
леда или покрытых
гололедом; ст—напря-
жение в проводе или
тросе в рассматривае-
мом режиме, определен-
ное из формулы (9.4);
Л—площадь сечения
провода или троса.
Ряс. 9.29. Измеиение стрелы провеса необорванного
провода ври обрыве провода в смежном пролете
Нагрузка на промежуточную опору с подвесными изоляторами и не-
расщепленными фазами от тяжения при обрыве провода в смежном про-
лете зависит от типа зажима, применяемого на линии, и площади сечения
проводов. Например, если на линии применяют глухие зажимы, а пло-
щадь сечения проводов не превышает 185 мм2, эту нагрузку принимают
равной 0,5если площадь сечения проводов 205 мм2 и бо-
лее — 0,4 Правилами устройства электроустановок регламентирует-
ся также нагрузка от тяжения проводов расщепленных фаз. Применяемые
в расчетах промежуточных опор с подвесными изоляторами пониженные
значения нагрузок от тяжения проводов связаны с редукцией тяжений в
необорванных проводах за счет отклонения гирлянды изоляторов от вер-
тикали и увеличения вследствие этого стрелы провеса необорванного
провода (рис. 9.29).
Расчетные схемы и основные предпосылки расчета опор должны от-
ражать действительную работу конструкций. Расчет опор башенного ти-
па выполняют, как правило, по яедеформированной схеме (без учета из-
менений геометрии конструкции под действием нагрузок). Опоры на от-
тяжках рассчитывают по деформированной схеме, т.к. в таких опорах
Деформации оказывают существенное влияние на распределение усилий
в элементах конструкции, особенно в стволах. Поэтому при проверке ус-
тойчивости поясов в сквозных стволах опор на оттяжках продольную си-
лу в них определяют с учетом дополнительной силы от изгибающего мо-
мента. Значение этого момента if в середине шарнирно-опертого ствола
определяют по формуле:
(9.13)
4 о
1М
где Mq — балочный изгибающий момент в середине ствола от попереч-
ной нагрузки; Р — коэффициент, равный 1,2 при болтовых соединениях
и 1,0 — при сварных соединениях; N—продольная сила в стволе; 8 =
=1 - О, INI I (EJ), здесь: J— момент инерции сечения ствола относитель-
но оси, перпендикулярной плоскости действия поперечной нагрузки,
I длина ствола;^ — прогиб в середине ствола от поперечной нагрузки;
Jo = //750—стрелка начального искривления ствола.
Относительные отклонения опор от вертикали вдоль линии при дей-
ствии нормативных нагрузок ограничивают только для анкерных и пере-
ходных опор. Отклонения этих опор поперек линии, а также отклонения
промежуточных опор вдоль и поперек линии не ограничивают. Подлежат
ограничению также относительные прогибы траверс в вертикальной
плоскости.
9.4. Тенденции развития конструкций опор
Дальнейшее развитие конструктивных форм опор, по-видимому, бу-
дет определяться факторами, диктуемыми логикой развития общества и
экономики страны, которые можно сформулировать следующим обра-
зом. Во-первых, это дальнейшее развитие Единой энергетической систе-
мы России, связанное со строительством сверхдальних магистральных
линий электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН) и, следова-
тельно, с созданием новых конструкций опор, лбеспечипаюших повЫ'
шейную надежность и экономичность ВЛ. Во-вторых, это возрастающие
требования общества к любым промышленным установкам, в том числек
воздушным линиям, в области экологической безопасности, в эстетиче-
ском воздействии на человека.
Создание объединенных энергосистем в нашей стране, а также необ-
ходимость передачи электроэнергии за рубеж приводят к необходимости
создания воздушных линий электропередачи большой протяженности и
пропускной способности, т.е. линий напряжением более 1000 кВ. ТайК
линии иногда для удобства называют линнямиультравысокого напрях*'
ния (УВН). Характерными особенностями линий УВН являются:
„ большие пролеты (400...500 м и более) по сравнению с опорами-111'
нии более низких классов напряжений;
существенно большие межфазные расстояния, а также расслоят
от токонесущих проводов до поверхности земли (габарит линии) и зазс51
ленных элементов опор;
194 * ЗНаЧИТеЛЬНобольшаядлинагиРляндизоляторов(10миболееУ
• применение расщепленных фаз с большим числом проводов (на-
пример, фаза ВЛ-1150 кВ состоит из 8...12 сталеалюминиевых проводов с
круговым расположением—диаметр окружности при этом составляет
1,0...1,2 м);
• понтлпанпые требования надежности ко всем составным частям
линии, в том числе опорам, из-за возможных больших материальных и
социальных потерь в случае аварии с ВЛ УВН.
Следствием первых трех пунктов перечисленных особенностей ВЛ
УВН является то, что опоры на таких линиях имеют очень крупные раз-
меры (например, высота их может составлять 50 м и более) и испытывают
значительные нагрузки. В условиях возведения воздушных линий УВН
крайне важными становятся вопросы трудоемкости монтажа как самих
опор, так и линий в целом. Это связано со значительными трудозатратами
на земляные работы и устройство фундаментов, сборку и монтаж опор в
полевых условиях, установку большого числа линейной арматуры (в том
числе изоляторов), раскатку и подвеску грозозащитных тросов и прово-
дов расщеплен пых фаз и т. д. Исходя из приведенных особенностей и ус-
ловий возведения ВЛ УВН, можно сформулировать некоторый набор ос-
новных требований к конструкциям опор.
• Конструкции опор должны быть многоствольными, обеспечиваю-
щими под песку одной цепи с горизонтальным расположением проводов.
По возможности опоры должны быть без оттяжек, в которых в то же вре-
мя сохранялись бы отдельные достоинства портальными V-образных
опор с оттяжками. В этом случае утяжеление конструкций за счет отсут-
Щвия оттяжек должно компенсироваться приобретением ими некоторых
Дополнительных достоинств.
• Опоры, являющиеся высотными сооружениями, должны обладать
Улучшенными аэродинамическими качествами за счет применения ра-
циональных конструктивных форм и сечений элементов.
• Конструктивные формы опор должны обеспечивать высокую ин-
ДУстриальность изготовления—залог высокой надежности и низкой
трудоемкости любой конструкции.
* Опоры должны иметь конструктивную форму, позволяющую; а)
существенно снижать объемы земляных работ для устройства фундамен-
тов; б) повышать технологичность монтажа как самих опор, так и фаз с
грозозащитными тросами.
В качестве примера конструкции опоры, отвечающей этим треоова-
ниям, можно привести проектную разработку стальной промежуточной
опоры ВЛ-П50 кВ, получившей название аЛирамида» (рис. 9.з0). Осо-
бенностями этой опоры являются:
195
47500
под опооашГитА^ап СВо6одн°й Раскладки (раскатки) проводов всех фаз
монтажа- ’ е™ Одним из Факторов снижения трудоемкости их
~вфазИ^зо?^Х^ из<мипгоРов к траверсе, а также
Же является одним из футоров сш!Ж№^еПОСреДСТВеННО уземли’ 410 №
• РеализацияорипшальногостеНТТ^^ДОеМКОСТЯМОНТаЖаЛИНИИ
тросов, заключающегося в возмЛ Монтажа Ф33 и грозозащитна
проектное положение Жн°сти их одновременного вывода в
нию трудоемкости монтажа линии^”4^’ ЧТ° ТакЖе ®едет К ****’
пиональной передачи УсХ^™тараб°ТПОД^ундаментыиз’заболее!Г‘!
работы (база «плеча» равна ? ОСНованИе » «одноплечевой» схе>«
уменьшить усилия на ЛунламрЛ36 опоры)> Что позволяет значительна
некоторых случаях дает возмпж 4 * особешгости выдергивающие; эта s
Даже поверхностные фундаме^^”*ПереЙТИ на малозаглубленные ил’-;
НЯДСЖНОСТЬ И ПрОСТОТя ib-A
оттяжек. эксплуатации опор вследствие отсутствие
оказывают разнообразное * 3^ei?^nepe£atffl>» особенности СВН и УВ#
196 03deucms^»^ окружающую среду.
вия, касающиеся непосредственно опор, связаны, в первую очередь, с
изъятием участков земли под опоры из землепользования и с эстетиче-
ским воздействием на человека.
При прочих равных условиях наименьшую площадь основания име-
ют опоры без оттяжек, в особенности опоры башенного типа. Поэтому с
точки зрения экономии отчуждаемой земли они наиболее предпочтитель-
ны. Наихудшие показатели по этому параметру имеют многоствольные
опоры на оттяжках. Одноствольные на оттяжках и многоствольные опо-
ры без оттяжек занимают промежуточное положение.
В районах с высокой плотностью населения наряду с экономически-
ми и техническими требованиями к воздушным линиям все серьезнее
предъявляются требования, связанные с эстетическим воздействием ли-
ний на человека, или, иначе говоря, эстетическим восприятием ВЛ людь-
ми. Это воздействие связано, в основном, с размерами (в особенности вы-
сотой) опор, частотой их расстановки, архитектурными формами, харак-
тером и цветом окраски. Наиболее сильное влияние на конструктивную
форму оказывает удовлетворение требований архитектурной вырази-
тельности. Конструктивная схема опоры должна соответствовать совре-
менным представлениям промышленной эстетики, отличаться правиль-
ными архитектурными формами, ажурностью. Для иллюстрации на рис.
9.31 приведена проектная разработка промежуточной опоры ВЛ-1150 кВ
Рис. 9.31. Промежуточна опора ВЛ-1150 кВ типа «Пустая рюмка»
197
с названием «Пустая рюмка», конструктивная схема которой соответст-
вует требованиям промышленной эстетики. Считается, что линии, на ко-
торых будут применены опоры, отвечающие эстетическим требованиям,
окажутся не на много дороже обычных.
Особо следует выделить линии, расположенные внутри крупных на-
селенных пунктов. Это преимущественно линии напряжением 35...ПО
кВ в городах, где имеются тепловые станции или крупные подстанции.
Опоры таких линий можно условно назвать опорами «городского» типа и
указанные выше требования эстетики к таким опорам, по всей видимо-
сти, должны быть усилены. Кроме всего прочего эти линии должны быть
более компактными, занимать как можно меньше городской площади,
привлекать к себе меньше внимания. Поэтому опоры «городского» типа
должны быть, как правило, узкобазными, с неподвижной подвеской про-
водов на V-образных подвесных или натяжных гирляндах полимерных
изоляторов. Гирлянды из полимерных изоляторов отличаются сравни-
тельно малыми поперечными размерами, что снижает визуальное воздей-
ствие изоляторов.
Глава 10
ВЫШКИ
10.1. Общая характеристика
Развитие энергетики, связи, промышленности и других отраслей спо-
собствует возведению вышек различного назначения, для которых харак-
терна индивидуальность конструктивных решений. Многообразие конст-
руктивных форм относится лишь к отдельным деталям конструктивного
оформления вышки при сохранении общих положений проектирования
высотных сооружений, рассмотренных в гл. 6. Мы не будем повторять
эти положения, а отметим только особенности вышек того или иного ти-
па, связанные с их функциональным назначением. Наряду с доминирую-
щим влиянием метеорологических факторов на напряженное состояние
вышек, при выборе наиболее оптимального варианта их конструктивного
решения следует учитывать конкретные технологические нагрузки.
10.2. Осветительные вышки
Осветительные вышки предназначены для освещения территорий и
участков производства работ на многих объектах гражданского, про-
мышленного, транспортного и другого назначения, а также для архитек-
турного и иллюминационного освещения.
Прожекторное освещение применяют для освещения (аэродромов,
перронов, карьеров, стадионов, строительных площадок, причалов и др.),
сигнализации и военной техники. По функциональному назначению раз-
личают прожекторы дальнего действия, заливающего света и сигналь-
ные.
Прожекторы дальнего действия, получившие распространение в во-
енном деле, дают крутлокоиические световые пучки, формируемые стек-
лянными параболоидными отражателями диаметром до 3 м. При помощи
прожекторов заливающего света освещают открытые территории. 8 та-
ких прожекторах используют как стеклянные, так и металлические круг-
лосимметричные отражатели диаметром 0.25..Д6 м. а также параболоии-
линдрические отражатели, дающие веерообразный пучок света. Сигналь-
ные прожекторы применяют для передачи информации световыми
проблесками или для обозначения места расположения прожектора (мая-
ки). В первом случае сигнальные прожекторы оснащают параболоидны-
ми отражателями диаметром 0,25...0,4 м, во втором — они практически
не отличаются от прожекторов дальнего действия. В оптических систе-
мах маяков применяют не только зеркальные отражатели, но также коль-
цевые (дисковые) и поясные (цилиндрические) линзы Френеля.
По способу эксплуатации вышки делят на стационарно устанавливае-
мые и передвижные. Стационарно устанавливаемые вышки используют
для освещения территорий фабрик, заводов, объектов железнодорожного
и водного транспорта, спортивных сооружений; передвижные — для ос-
вещения территорий стройплощадок и различных карьеров.
При осуществлении временного освещения рационально использо-
вать сборно-разборные прожекторные вышки многократного примене-
ния. Составные части, на которые разбирают вышки по своим габаритам,
должны быть транспортабельными.
Для обеспечения надлежащих условий эксплуатации осветительной
установки на каждой вышке, внутри или вне ствола предусматривают ле-
стницу. Для подъема прожекторов и другого оборудования на верхние
площадки применяют укосины с блоками.
Имеется большое количество конструкций прожекторных вышек.
Наиболее широко применяют вышки высотой 45 и 35 м (рис.10.1) для ус-
тановки на них осветительных приборов как с лампами накаливания, так
и с ксеноновыми.
Ствол вышки представляет собой решетчатую пространственную
ферму: для мачты 35м — квадратную в плане 1,4 х 1,4 м, для мачты 45м с
двумя нижними секциями, имеющими пирамидальную ферму с нижним
квадратным основанием 2,6 х 2,6 м и верхним 1,4 х 1,4 м.
Боковые плоскости вышек выполняют в виде плоских ферм одинако-
вых между собой по конструкции. Соответственно, блоки стволов вышек
по основным геометрическим размерам унифицированы между собой и
имеют лишь различные сечения поясов, раскосов и распорок. На нижнем
конце каждого блока ствола устраивают лестничную площадку, к кото-
рой крепят нижиий конец лестницы, располагаемый внутри ствола.
Вышку высотой 35м сооирают из пяти секций высотой 6,8 м каждая
вышку высотой 45м из шести секций: двух нижних пирамидальных по 8 м
и четырех верхних по 6,8 м.
Площадки для этих мачт разработаны четырех типов: П-1 (3.-2 х
м).* П-2(3,0 хл,0 м) для установки светильников с ксеноновыми лампа-
ми 10 кВт и более в сочетании с прожекторами; П-3 (1,4 х 16 м)—ДлЯ
тановки прожекторов в количестве 28 шт. в один ряд (на мачтах высотой
200
Рис.10.1. Прожекторные вышки высотой 45м:
о — с площадкой типа П-4; б — с удли ненной площадкой; в — с площадкой нормальной длины
35 м); П-4 (1,4 х 9,0 м) для установки прожекторов в количестве до 40 шт.
в два ряда (на вышках высотой 45м).
Прожекторные площадки выполняют из прокатного металла с соеди-
нением элементов на сварке. В настиле площадок, выполненном из риф-
леной стали толщиной 4 мм, предусмотрен люк размером 70 х 70 см, ко-
торый закрывается крышкой.
Ограждения площадок из круглой стали диаметром 20 мм использу-
ют одновременно и для размещения осветительных приборов.
Прожекторная вышка высотой 48 м также состоит из нескольких сек-
ций. Габариты нижней секции 4 х 4 м, фундамента б х 6 м. верхней
площадки 5,2 х 2 м.
Вышки высотой 25.20,15 и 10 м выполнены из пятиметровых секций.
Для всех типов предусмотрена одна и та же конструкция площадки для
установки 16 прожекторов типа ПЗС-45 или двух светильников с мощны-
ми ксеноновыми лампами.
Вышка высотой 20 м с двумя площадками на высоте 15 и ^.0 м преду-
смотрена для установки на верхней площадке 16 прожекторов типа
201
ПЗС-45 и на нижней — 8
прожекторов типа
ПЗС-35 (рис. 10.2). Ме-
таллоконструкции выш-
ки состоят из трех ре-
шетчатых секций из уг-
ловой стали.
Вышки высотой 28 и
21м (рис. 10.3) собирают
из секций длиной 6,8 м.
Секции представляют
собой решетчатые про-
странственные фермы,
квадратные в плане.
Секции соединяют меж-
ду собой наружными на-
кладками из уголков на
сварке. В конце каждой
секции имеются пло-
Рис. 10.2. Прожекторная вышка высотой 20 м с двумя ЩаДКИ, на которые ОПИ-
площядкями раются лестницы. Верх-
няя площадка, предна-
значенная для установки прожекторов, дается в двух вариантах — для
установки 16 и 27 прожекторов.
Опирание всех типов вышек осуществляется через опорные башмаки,
используемые также для подъема вышей при их монтаже.
При необходимости создания на освещаемой территории больших ос-
вещенностей (100 лк и более), например на спортивных стадионах, при-
ходится на каждой из прожекторных мачт устанавливать большое коли-
чество прожекторов. Для этой цели применяют вышки высотой 33 и 20 м.
Вышки высотой 33м рассчитаны на установку до 62 прожекторов типа
ПЗС-45 (рис. 10.4). Ствол мачты конструктивно выполнен из угловой ста-
ли и состоит из 4-х секций: опорной секции высотой 6 м, с размерами
нижнего основания 6 х 6 м и трех пролетных высотой 9 м каждая. Внутри
ствола предусмотрена лестница. Укрепляемая к верхней части ствола эта-
жерка для установки прожекторов предусмотрена в 4-х вариантах — Д-®
54,56,60 и 62 Прожекторов. Мачта высотой 20м выполнена аналогично.
Весьма разнообразны по конструкции вышки для освещения стади°’
нов. Наибольшее распространение получили конструкции, аналогичны®
202
Рис. 10.3. Прожекторные вышки высотой 21 и 28 м
39,0
Рис. 10.4. Прожекторная
вышка высотой 33 м для
установки большого ко-
личества прожекторов
показанной на рис. 10.5. Для придания прожекторной вышке архитектур-
ной выразительности ее часто делают наклонной трехгранного сечения.
Представляют интерес конструкции вышек с портальным основани-
ем (рис. 10.6, а) и вышек, совмещающих функции освещения и опоры
гибких поперечин контактной сети железных дорог (рис. 10.6, б). Досто-
инство мачты с портальным основанием состоит в том, что для своей ус-
тановки она не требует уширенного междупутья и может быть установле-
на в двух смежных междупутьях шириной по 5,3 м. Необходимость
Использования таких вышек возможна на существующих железнодорож-
ных станциях, где нет уширенных междупутии. Применение мачт, совме-
щенных с опорами гибких поперечин контактной сети, всегда целесооб-
разно в целях экономии металла, если для подвески контактной сети ис-
пользуют гибкие поперечины, а для освещения путевого развития
станции — прожекторные вышки высотой 28 м.
203
Рис. 10.5. Прожекторная вышка для ста-
диона:
1 — ствол; 2— осветительная кассета
Рис. 10.6. Вышки с портальным основа-
нием и совмещенные с опорами кон-
тактной сети
Технико-экономические показатели наиболее широко применяемых
в практике вышек для прожекторного освещения приведены в табл. 10.1-
Таблица 10.1. Характеристики осветительных вышек
1» Г 4 i , Высота, г Фундамент 1 Ствол ! Площадка с леетиипей Общий расход 1 матевиалов ;
. пи. м 1 масса t объем 1 масеа j | масса масса объем ।
металла, 1 кг 1 бетона, м3 ; металла, ; J_ .КГ i ТИП j металла, металла. бетона, ’ м’
i 1 21 ; 800 г 6,4 1 1920 i П-2 ( 740 3460 6,4 ?
1 2 28 1 920 ; 7,2 j 2650 ! П-2 820 4390 7,2
j * □J i 1200 | 7,9 г 2600 , П-1 1220 5020 7,9 j
! 4 35 { 1430 1 8,6 : 4060 1 П-3 ! 2410 7900 8,6
’ 5 45 i 1510 8,6 S 5630 i П-1 ; 1660 8800 8,6 :
: _ 6 45 [_ 2000 11,6 i 6620 ! П-4 i 2170 10790 ’
Кроме вышеприведенных типов осветительных вышек иногда приме-
няют специальные
на рис. 10.7... 10.9
конструкции вышек, некоторые из которых показаны
Складная решетчатая вышка (рис 10.7), предназначенная для у®**
новки на ней осветительной аппаратуры, представляет собой ствол, со
стоящий из шарнирно соединенных между собой секций многогранного
204
0999000000
тектурно-декоративного ос-
вещения
Рис. 10.7. Складная решетчатая вышка:
I опорная плита; 2—противовес; 3 — ствол; 4—промежуточ-
ные площадки
сечения, и опорную плиту с откидными аутригерами. Шарниры располо-
жены на одной из боковых граней секции и в каждой последующей по вы-
соте опоры секции на смежной с предыдущей боковой грани со смещени-
ем этих шарниров вокруг продольной оси опоры в одном направлении.
Вышка для архитектурно-декоративного освещения (рис. 10.8) пред-
назначена для освещения архитектурных комплексов направленными ис-
точниками света. Она включает в себя телескопическую опору, выдвиж-
ные секции которой взаимодействуют с тяговым тросом канатно-поли-
спастного механизма и траверсу с осветительными приборами,
смонтированную на верхней секции. Каждая секция снабжена подпружи-
ненным контактным роликом, опертым на тяговый трос, обхватывающий
соответствующую секцию, а каждая нижележащая ио отношению к ней
секция снабжена упорными поворотными эксцентриками, связанными
посредством рычагов с электродвигателями, сблокированными с кон-
тактным роликом.
205
Рис. 10.9. Трансформируемая вышка
Трансформируемая выш-
ка (рис. 10,9) предназначе-
на как осветительная для
использования в основном
при строительстве в труд-
нодоступных и удаленных
районах. Вышка, включаю-
щая в себя телескопиче-
ский ствол с обслуживаю-
щей площадкой на верхней
секции, снабжена поддо-
ном в виде прикрепленного
к нижней секции ствола
шарнирно-стержневого кар-
каса, на котором закреплен
эластичный материал.
Внутренний объем поддона
заполнен местным мате-
риалом (грунтом, щебнем 0
т.п.), что обеспечивает ус-
тойчивость вышки.
При конструировании и расчете вышек вы можете ориентироваться
на общие указания гл. 6. При определении нагрузки от собственного веса
несущих конструкций можете пользоваться данными табл. 10.1 и уточ-
нить их после предварительного проектирования. Полезную нагрузку от
прожекторов или другого оборудования следует принимать в соответст-
вии с техническим заданием или по справочным данным. Так, масса про-
жектора типа ПЗС составляет 10 кг, ПЗС-45 — 21 кг, прожектора для не-
оновых ламп — 370 кг.
10.3. Буровые вышки
Этот таи сооружений предназначен д и бурения и эксплуатации «о-
догор^ведовных ссважш, нефтегазовой оциюан. Бурову Льшку уда-
’ЮЯ СИаЖИ"°й Лм «Чта» и подъема бурового инструмент».
°вСаДтК ®= оенаЩа—снаиолТсреДст-
nmr fan..™» 34 И™^ко'подъе11ныхо1герацийикассетондияразме1де-
отлооектиойг^У ЫСО1У буровой вышки принимают в зависимости
9 Д О 58 М Их warn ИВЫ скважинЫф Применяют буровые вышки высотой от
9 до 58 м. Их изготовляют нз труб или соргового проката в ваде трех-,«-
Рис. 10.10. Буровые вышки:
а—башенного типа; б—А-образная; в — схема буровой установки; /—буровая вышка; 2 • буровые
насосы; 3,4 — обсадные и бурильные трубы; 5—турбобур; б— дщидо; 7— ротор; Я—буровые ле-
бедки; 9—вертлюг; 10—талевая система
тырехгранной или усеченной пирамиды (рис. 10.10, л), а также А-образ-
ной формы (рис. 10.10, б). Буровые вышки перемещают в собранном виде
на тягачах или разбирают на отдельные элементы и монтируют на новом
месте. Буровая установка, кроме вышки, включает буровой станок, сило-
вой привод и другое оборудование (рис. 10.10 в).
Необходимость перемещения буровых вышек с одного места на дру-
гое привела к разработке технических решений складывающихся и теле-
скопических конструкций.
На рис. 10.11 показана буровая вышка, у которой секции ствола вы-
полнены в виде призматических ферм, нижняя из них имеет открытую пе-
реднюю грань и выполнена с возможностью размещения внутри нее
верхней секции. Вышка снабжена связанным с передней гранью верхней
секции силовым цилиндром, шток которого шарнирно связан с задней
гранью нижней секции.
207
Ряс. 10.11. Складываю-
щаяся буровая вышка:
1—нижняя секция; 2—верх-
няя секция; 3 — гидроцилиндр
Телескопическая буровая вышка (рис. 10.12
а), в состав которой входят две ноги прямоуголь-
ного сечения с открытыми внутренними гранями,
выполнена в виде внутренней подвижной и на-
ружной неподвижной секций. Поперечные связи
между ногами вышки размещены в плоскостях
передней и задней граней вышки. В сечение ног
встроены магазины для свечей бурильных труб.
Такая конструкция вышки позволяет сократить
трудозатраты при монтаже-демонтаже вышки и
сократить ее габариты в транспортном положе-
нии.
Буровая телескопическая вышка (рис. 10.12,
б) содержит подвижную внутреннюю и непод-
вижную наружную секцию с открытыми перед-
ними гранями, балкон верхового рабочего и под-
свечники. Для упрощения монтажа-демонтажа и
перевозки вышки балкон размещен в нижней час-
ти подвижной секции, а подсвечники жестко свя-
заны с неподвижной секцией, причем размещены
они в пределах габаритов внутреннего простран-
ства вышки.
10.4. Вышки для прыжков в воду
В конструктивном отношении вышки представляют собой вертикаль-
но ориентированные консольные системы, к которым по высоте крепят
платформы. Их размещают на высотах 5,0; 7,5 и 10 м над уровнем воды в
бассейне (рис. 10.13... 10.15). Размеры платформ на высоте 5.0 и 7,5 м при-
нимают 6,0 х 2,0 м, а платформы на высоте Юм — 6,5x2,5 м. Платформа
на высоте 7,5 м не должна находиться непосредственно над платформой
на отметке 5,0 м и под платформой на отметке 10 м, я должна быть отнесе-
на в сторону (рис. 10.14).
На платформах рекомендуется делать настил из реек твердых пород
древесины по лагам независимо от обязательного синтетического покры-
тия. Все платформы должны быть ограждены перилами. Вход на плат-
форму (трап или ступеньки) разделяют на марши с устройством перил-
Лестницы и трапы не должны уменьшать основных размеров платформы.
Высоту перил принимают не менее 900 мм, ширину лестниц или тра-
пов — 600...1000 мм. Возможно также устройство лифта на одного чело-
208
Рис. 10.12. Телескопические Суровые вышки:
о — портальная; б — башенная; 7 -— подвижная секция; 2 — неподвижная секция, 3 кронолочная ра-
ма; 4—поперечные свяли; 5—шарнирные оперы
Рис. 10.13. Вышка для прыжков в воду
в виде консольной пространственной
фермы
Рнс. 10.14. Вышка для прыжков в воду в виде
рамно-подкосной системы:
7—несущи рама; 2—лесдНШГ’З «ссдсг: рамы;;
у..«идкесы кенемышх гиацэда; 4— ксиеольные
ялошада; 5 — перила егр.-акг.ет?ич
299
Рис. 10.15. Вышки для прыжков в воду в виде консольно-рамной системы
века, в этом случае лифтовую шахту можно располагать внутри вышки
(рис. 10.14).
Вышки могут располагаться внутри помещения или в открытых бас-
сейнах. Рекомендуемая привязка положения платформ к краю бассейна
приведена на рис. 10.13.
Вышки выполняют в виде консольной пространственной фермы (рис.
10.13), в ввде рамно-подкосной системы (рис. 10.14) и в виде консоль-
но-рамной системы (рис. 10.15).
Высоту сечения консольной пространственной фермы в месте креп-
ления к фундаментам принимают в пределах (1/4... 1/6) от длины фермы.
Решетку проектируют треугольной или раскосной, увязывая ее с отметка-
ми платформ. Сечения элементов рекомендуется принимать замкнутыми,
узловые соединения—сварными. Платформы устраивают на выносных
консолях.
Рамно-подкосные системы (рис. 10.14)) состоят из П-образной рамы,
укрепленной подкосом, выполняющим одновременно функцию лестнич-
кого марша. Угол наклона подкоса составляет 45°...60°. Платформы кре-
пят к раме на выносных консолях, подкрепленных своими подкосами.
Вариантом конструктивного решения вышки может быть консоль-
но-рамная система, состоящая из двух плоских консольных ферм, оот>е"
диненных в поперечном направлении связями-ригелями в уровне плат-
210
форм, образующих жесткую раму (рис. 10.15). Платформы крепят на вы-
носных консолях.
Узлы крепления ветвей жестких вышек к фундаментам аналогичны
узлам, показанным в гл. 9. Конструктивное решение промежуточных уз-
ловых соединений элементов аналогично узлам, приведенным в [1,2] для
ферм, рам и балочных клеток.
Конструкции вышек, расположенных в закрытых помещениях, рас-
считывают на воздействие постоянных нагрузок от массы конструкций,
на воздействие ремонтных нагрузок и на полезную нагрузку от толпы лю-
дей по указаниям [4]. Для вышек, расположенных у открытых бассейнов,
дополнительно учитывают воздействия кратковременных атмосферных
нагрузок по указаниям [4].
Расчет конструкций не представляет затруднений, его можно выпол-
нять в соответствии с рекомендациями гл. 6.
10.5. Другие виды вышек
Геодезические вышки являются геодезическими сигналами, соору-
жаемыми на пунктах триангуляции и иногда на пунктах полигонометрии.
Они предназначены для установки геодезических инструментов (теодо-
литов) на высоте, обеспечивающей непосредственную видимость на
смежные знаки, находящиеся в зависимости от класса триангуляции на
расстоянии от 5... 10 км до 30...50 км. На вышках устанавливают визирные
Цели, служащие объектом визирования.
В открытых районах строят про-
стые пирамиды (рис. 10.16, а) высо-
той от 6 до 15 м. В этом случае геоде-
зический инструмент устанавливают
под пирамидой на обычном штативе.
Сложные геодезические сигналы
(рис.10.16, б) имеют высоту от 16 до
55 м, их используются для обозначе-
ния более важных геодезических то-
чек при точных съемках на больших
площадях.
Вышки ветровых двигателей
предназначены для преобразования
энергии ветра в электроэнергию. Они
входят в состав ветросиловых элек-
тростанций в основном мощностью
Рис. 10.16. Геодезические вышки
211
Рис. 10.17. Опора ветросиловой станции:
д —~ с вертикальной трансмиссией; б—с расположением узлов в головке; I — ветроколесо; 2 —- вер*’
инн редуктор; 3 хвостовое оперение; 4—вертикальный вал; 5 •— нижний редуктор; 6—рабочая ма-
шина
от 5 до 100 кВт. Применяют различные схемы ветровых двигателей (кару-
сельные, роторные, барабанные) в зависимости от типа рабочего органа и
положения его оси относительно потока воздуха. На вышках устанавли-
вают крыльчатые ветродвигатели.
Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых ветро-
двигателей: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным
механизмом (рис. 10.17, а), или с расположением всех узлов в головке вет-
родвигателя (рис.10.17, б). Головку монтируют на поворотной опоре
башни, и при изменении направления ветра она поворачивается относи-
тельно вертикальной оси. Высота вышки определяется диаметром ветро-
колеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению
воздушного потока.
Ориентация ветроколеса по направлению ветра осуществляется авто-
матически хвостовым оперением или другими способами, например
212
вспомогательным поворотным
ветроколесом (виндрозой), уста-
новленным в плоскости, перпенди-
кулярной плоскости вращения ос-
новного колеса.
Одной из разновидностей вы-
шек является конструкция ветро-
силовой установки, представляю-
щая собой ствол с подкосом, кото-
рый опирается на кольцевой
фундамент и снабжен щитом-флю-
гером для возможности передви-
жения по кольцевому замкнутому
Рис. 10.18. Ветродвигатель с подкосом
пути при изменении направления
ветра (рис.10.18).
Аэродромные вышки исполь-
зуют в качестве опорных конструк-
ций для глиссадных радиомаяков,
огней подхода, осветительных устройств на перронах и местах стоянки
самолетов в аэропортах гражданской авиации и на базах ВВС (рис. 10.19)..
Высотные аэрометрические вышки предназначены для исследова-
ния пространственной структуры воздушных потоков. Они обычно вклю-
чают в себя опору и элементы для установки метеоприборов (рис. 1 .20).
Рнс, 10.19. Многосекцнонные аэродромные пышки:
а— вышка огней подхода; б—вышка антенны глиссадного радиомаяка; в вышка дзя освещения
перрона или мест стоянки; /—опорный фундамент; 2—ствол; 3—горизокгалывге связи
213
1
Рис. 10.20. Аэрометрическая вышка:
I—пространственны система; 2—высотная опора; 3—пло-
щадки обслуживания метеоприборов
Рис. 10.21. Вышка лесника:
1 — ствол; 2 — смотровая кабина
2
Вышка лесника служит для наблюдения за лесными массивами и об-
наружения источников возгорания. Квадратная или трехгранная в плане
вышка оборудована вертикальной лестницей и смотровой кабиной
(рис. 10.21). Каркас обычно выполняют из уголкового профиля.
Глава 11
ВОДОНАПОРНЫЕ БАШНИ
Водонапорные башни являются наполнительными емкостями и слу-
жат для хранения запаса и регулирования подачи веды от насосных стан-
ций II подъема к потребителю, обеспечивая требуемое давление в сети в
часы максимального водоразбора и во время остановки насосов. Водона-
порная башня, как правило, состоит из двух основных элементов; резер-
вуара (бака) и поддерживающей конструкции (ствола). Объем резервуара
и высоту водонапорной башни назначают из технологических расчетов в
проекте водоснабжения.
Регулирующий объем бака водонапорной башни определяют по со-
вмещенным ступенчатым или интегральным графикам подачи и потреб-
ления воды [18].
Объем воды бака водонапорной башни находят по формуле
vb = vr + (НЛ)
где Vr — регулирующий объем; Vp—противопожарный запас воды, при-
нимаемый достаточным для 10-минутного тушения пожара при одновре-
менном наибольшем расходе воды на другие нужды.
При расчете и проектировании хозяйственно-питьевого водопровода
на предприятии или городского водопровода составляют общий трафик
водопотребления с учетом неравномерности расходования воды в соот-
ветствии с требованиями СНиП.
Высоту водонапорной башни определяют, исходя из условия, чтобы
при питании из башни был обеспечен требуемый свободный напор в наи-
более удаленной (диктующей) точке при низком уровне воды в баке
Ц: ~ Hd + bh~(Hb-Ha), (11.2)
где — высота водонапорной башни от поверхности земли до днища
бака, м; Hd—наименьший допускаемый свободный напор над поверхно-
стью земли в диктующей точке; Нь и На - геодезические отметки по-
верхности земли соответственно в критической точке и в месте рас-
положения башни «5»; Хй — сумма потерь напора в участках сети от во-
донапорной башни до точки «а» в период наибольшего расчетного
водопотребления.
215
Рис, 11.1. Конструктивные схемы водонапорных башен;
а, б—со сплошным стволом; в—со сквозным стволом
Оборудование башен состоит из напорно-разводящегл трубопровода,
переливной и спускной труб. От насосной станции по трубопроводу вода
поступает в нижнюю часть башни. Этот же трубопровод служит для отво-
да воды из башни потребителям. Переливная труба заканчивается на наи-
высшем уровне воды в баке. Для полного опорожнения бака предусмат-
ривают спускную грязевую трубу.
Тип резервуара зависит от вместимости,' высоты башни, заданной раз-
ности верхнего и нижнего уровней воды в баке, производственных воз-
можностей завода-изготовителя и местных условий.
Ствол водонапорной башни может быть выполнен сплошным в виде
вертикальной цилиндрической оболочки (рис. 11.1, а, б) или сквозной
конструкции (рис. 11.1, в). Сквозная опора состоит из 4...12 колонн, рас-
положенных по периметру бака.
Корпус бака представляет собой вертикальную цилин дрическую обо-
лочку с плоским или пространственным днищем. Опирание бака с про-
странственным днищем на колонны осуществляют через опорное кольцо,
с плоским днищем на балочную клетку. Пространственное днище эко-
номичнее плоского и обеспечивает возможность доступа для осмотра, ре'
монта, окраски, так как под днищем балочная клетка отсутствует.
Основным вопросом проектирования водонапорной башни является
выбор типа и размеров резервуара, объем которого может изменяться от
216
Рис. 11.2. Схемы резервуаров с пространственным днищем:
а—эллипсоидальным; б—сферическим; в—коническим
10 до 5000 м3 при высоте ствола башни от 10 до 45 м, диаметре бака 2...25
м, высоте бака 4...13 м и толщине листов 5...12 мм.
Пространственное днище может быть выполнено коническим, сфери-
ческим или эллипсоидальным.
Эллипсоидальное днище (рис.11.2, а) не вызывает сжимающих уси-
лий в опорном кольце, но имеет большую трудоемкость изготовления.
Изготовление сферического днища (рис. 11-2, б) проще, чем эллипсом
дальнего, но оно вызывает сжимающие усилия в опорном кольце, лу и
ну сферического днища принимают обычно равной 1/6 диаметра бака.
Коническое днище (рис.112, в) изготовляется значительно проще
сферического, так как не требует горячей обработки листов, однако весо-
вые показатели резервуаров с коническим днищем хуже, чем аков со
сферическим или с эллипсоидальным днищем. Применение конического
Днища в баках рационально для воды, содержащей много выпадающих
примесей, что упрощает полное удаление осадка.
Баки с эллипсоидальным днищем могут опираться на ствол по пери-
метру без опорного кольца, если между стенкой бака и днищем имеется
плавный переход. Если направления образующих у стенки бака и днища
создают угол, то в зоне перелома возникают местные напряжения и гори-
зонгальная составляющая усилий, вэтомслучае необходимо увеличивать
толщину как стенки, так и днища и применять горизонтальную кольце-
вую площадку (опорное кольцо).
Одним из важнейших критериев эффективности являете,
тк®ерхиости бака, что соответствует минимуму его стоимости и надень-
Шим расходам по защите резервуара от коррозии.
Покрытие бака выполняют аналогично соответствующим элементам
Р „р/ЬтепПОДУКГОВ (кровля обычно пологая
вертикального резервуара для нефтепроду ' г
коническая или сферическая со стрелкой подъема, равной 1 Ь диаметра
корпуса). 2П
Особенности расчета пространственного днища. В эллипсоидаль-
ном днище (рис. 11.2, а) меридиональные и кольцевые напряжения в ниж-
нем элементе дна резервуара будут равны
<Т,=О2=^, (11.3)
а в точках сопряжения днища с корпусом
a, (11.4)
2nrt
yr( 2V "\
ff2=-T A»“— • <lt5)
t \ nr J
В сферическом днище (рис. 11.2, б) максимальные напряжения будут
действовать в нижней точке днища, где высота столба воды наибольшая,
поэтому
СТ1=СТ2=1^о. (11.6)
2t
В коническом днище (рис. 11.2, в) напряжения в сечении днища на
расстоянии «у» от низа будут равны:
ст^^Гя--^; (11.7)
2t V 3 )
(11.8)
В формулах (11.3...11.8): — напряжения в меридиональном на-
правлении; <у2—напряжения в кольцевом направлении; у — плотность
воды; Я- ht + Л2 — высота бака, включающая высоту корпуса (hi) и вы-
соту днища (Л2); V объем бака; — радиус кривизны пространствен-
ного днища; г—радиус цилиндрической части бака; Ко = — пара-
sina
метр конуса днища; 1—толщина стенки.
Толщину стенки определяют по максимальному напряжению, полу-
ченному по формулам (11.3... 11.5), исходя из условия прочности <т — Ryk
с последующей проверкой приведенных напряжений по формуле (1.10)-
Для оптимизации размеров бака и днища (по массе) в зависимости от
заданного объема V рекомендуется назначать диаметр и высоту корпуса
бака (D = Кх ; Я=К2 tfv), используя параметры п К2, приведенные
в табл. 11.1. При отклонении диаметра бака от его оптимального размер®
218
до 15% масса бака увеличивается незначительно. Радиус сферического
днища 2?0 обычно назначают равным 5/Зг, глубину днища равной 1/Зг,
Окончательные размеры бака уточняют в соответствии с длиной и шири-
ной листов, выпускаемых на заводах. Все соединения следует проектиро-
вать стыковыми.
Таблица 11.1. Параметры оптимальных размеров бака
Тал резервуара К,
Бак с коническим днищем, hi =г 1,134 0,805
Бак со сферическим днищем, hi = 0,5г 1,142 0,788
Бак со сферическим днищем, hi = 0,33г 1,13 0,9
Корпус бака (цилиндрическую обо-
лочку) рассчитывают как вертикальный
цилиндрический резервуар на гидро-
статическое давление воды (см. гл. 2).
Опорное кольцо. Поперечные се-
чения опорных колец показаны на рис. рис> j 13. к расчету опорного кольца
11.4. В состав рабочего сечения кольца
включают примыкающие участки стен-
ки и ребер (выделенные на рисунке), размеры которых определяют из ус-
ловия местной устойчивости 0,65^Е! Ry-
При опирании кольца на ствол башни по всему периметру в нем воз-
никают только осевые сжимающие напряжения от горизонтальных со-
ставляющих опорных реакций в месте соединения днища с корпусом.
Усилие в опорном кольце (рис. 11.3) равно
у -(?
(11.9)
где уу— коэффициент надежности по нагрузке; G вес воды и резервуара.
Рис. 11.4. Конструкции опорных колец, со сферическим (и) и с коническим (б) дни-
щами
219
(11.11)
Кольцо ПрОвсрямт ка ю м Ле№
N у п _ N
№ г? ’а-“7~^лЛ. (11.10)
Щее критическое напряжение Кр1ГГИЧеской снпы и соответствую-
них кольца; I_момент * радиус к°льца; Лк — площадь сече-
оси, пролов Zr.B7~™bUa °™“° —»
кольцефис.Н.4)вобщеь^сл^ч Ш КОЛОНИЬ1 скв°зного ствола в опори®
стесненного кручения Г1 от возника10т напряжения сжатия, изгибая
кручения [19], определяемые по формуле:
А Л Z ’
^-₽аИСТое усилие в (ПЛ));
^М°М^В^™»неразрезаой6алкХ^_цр(иям«.
соседними опорами стоп™ л п
ла башни; п— количество опор:
’ 2пг~ЮрТИКМЫ'“ Распределен™, (см. ц.3);
У—'расстояние от нейтрал кип “
верхности кольца; В _Da И °°И Д° РассматРиваемого элемента вс-
мент инерции сечения 6имомент; 7Й — секториальный №
точки, в которой оппрпат, Ца’ Ш тлаъная секториальная координат
«апр„евие.
бы равнодействующая ил™, ОПорНого кольца его проектируют так, чте-
ста сечения опорного кол^К^И9т(НЗ)проходилачерезцентрт®!е-
в плане определяются размер2'
тякальным цилиндрическим011510^ СТВол Расчитывают аналогичяоэер
Дельных стоек (колонн) Оягп^е3е^В^арам’ Сквозной ствол состоит из W'
соединенных верТ£жальиктмгт°Л<>ЖеННЬ1ХП0 пеРИМетру опорногокольй^
принимают обычно из сйя«« ИГОризонтальнымисвязями. Сечение ст^
Циональнее выподдх^ щГ-^<«ДВУТаВра’ В ВЬГСоких башнях стойки р
Ствол рассчитывают ня °° связями из круглой стали.
массы резервуара с водой кл^ЛСТВЯе ъетропон нагрузки и нагрузки?-
кает ПРИ инправлении ветпя Ксимальное усилие в колонне сгволавоз»1’
угольного сечения ство^я ft ^^яельно наибольшей диагонали мне*1'
ОТТОИ- Всячину еторостаого напора ветра с >*"
динамического коэффициента принимают в соответствии с требования-
ми СНиП [4]. Расчет ствола аналогичен расчету башен, рассмотренных в
гл. 6.
Анкерные болты ствола башни рассчитывают при незаполненном ре-
зервуаре (весом (?о ) и максимальном моменте М от горизонтальных на-
грузок на растягивающее усилие
y=lf^£-(70l (11.12)
«V г )
Для возможности осмотра бака снаружи башни и внутри бака устраи-
вают лестницы, на уровне опорного кольца предусматривают галерею
шириной 0,5..0,6 м, в покрытии резервуара делают смотровой люк. В за-
висимости от климатических условий вокруг башни может быть устроен
утепляющий шатер, причем расстояние между стенками бака и шатра
должно быть не менее 0,7 м для обеспечения доступа.
Широкое распространение получили унифицированные водонапор-
ные башни заводского изготовления (системы Рожновского) объемом 15,
25,50 м3, высотой 12,15,18 м (рис. 11.1, а). Они разработаны для приме-
нения в системах сельскохозяйственного водоснабжения, а также в водо-
проводах малых предприятий. В этих башнях бак не имеет днища, пере-
ходя своей конической частью в цилиндрическую опору, заполненную
водой. Основные узлы водонапорных башен системы Рожновского при-
ведены на рис. 11.5, 11.6.
Рожковского
321
Рис, 11.6. Опорный узел башни
При применении таких башен следует учитывать, что в зимний перл
од резервный запас воды может уменьшиться на величину объема образе
вавшегося льда в неутепленной башне, поэтому в некоторых случаях сле-
дует применять утепление всей башни или местный обогрев ее опоры-
ли башню проектируют бесшатровой, неотапливаемой, то на внутренИйХ
поверхностях стенок бака и опоры образуется естественная ледяная теп
лоизоляция толщиной до 240...300 мм. Замерзающая вода выделяет йфн
тую теплоту льдообразования, замедляющую темп нарастания ледя»
корки. С конца января темп нарастания толщины льда еще более умеаь
шается от влияния солнечной радиации.
В таловых водонапорных башнях баки различной вместимости ине
ют унифицированный диаметр 3020 мм, диаметр водозаполненной опо
ры—1220 мм.
При проектировании башен-колонн вместимостью 160 м3 и обДО*
высотой 25 м условно считают, что 50 м3 составляет полезный запас
выше уровня 18 мот земли и 110м3 составляет резервный запас в ни»
части ствола. Для климатических зон с расчетной температурой воздав
наиболее холодную пятидневку -20°С,...~40°С с режимом работы ба
в два водообмена в сутки используют теплоизоляцию. Стенки башни j
пляют на монтаже минераловатными мягкими плитами, с защит0110
кованными листами.
Стальную крышу приваривают на заводе к цилиндрической
На внутренних стенках бака приваривают скобы-льдодержатели (Р
11.5) и лестницу (или скобы) для обслуживающего персонала. На вы
3...4 м в стволе башни предусматривают герметичный смотров0® лК)К‘
222
Днище башни крепят на сварке к шести закладньш пластинам, закре-
пленным в фундаменте. К одной из таких пластин приваривают нижнюю
часть шарнира (рис. 11.6) для подъема башни методом поворота.
Интересным техническим решением водонапорной башни является
башня В. Г. Шухова, гиперболический ствол которой выполнен из пере-
крещивающихся прямолинейных швеллеров. Решетчатые конструкции
такого типа в прежние годы использовались в качестве башен для радио-
станций, маяков и других высотных сооружений.
Глава 12
МОРСКИЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ПЛАТФОРМЫ
Освоение нефтяных и газовых месторождений континентального
шельфа Мирового океана обусловило развитие сравнительно новой об-
ласти инженерного искусства, связанной с конструированием и расчетом
морских платформ различного назначения. Почти все морские месторож-
дения, эксплуатируемые в настоящее время, разрабатывают со стацио-
нарных платформ. Однако эти сооружения используются не только в ука-
занной отрасли промышленности, применяются они также для военных й
навигационных целей.
Особенностью современных конструкций морских стационарных
платформ (МСП) является применение массивных блоков (модулей) за-
водского изготовления: опорной части, массивного моноблока и съемно-
го многопалубного верхнего строения, укомплектованных определен-
ным технологическим оборудованием (рис. 12.1, а). В настоящее время
ведутся исследования и разработка проектов упругих (с натяжными опо-
Ряс. 12.1. Типы МСП
224
рами) конструкций платформ
(рис. 12.1, б) на большие глу-
бины (до 1000 м). В проектах
используется эффект взаим-
ной компенсации волновых
нагрузок при резонансных
частотах. Существуют проек-
ты гравитационных плат-
форм, где в качестве основа-
ния использованы железобе-
тонные резервуары для
F F 3 * с Рнс.12.2.МСПдлярабогывледовыхусловиях
временного хранения добы-
той нефти (рис. 12.1, в). Разра-
ботан ряд конструкций платформ для работы в ледовых условиях (рис.
12.2).
12.1. Назначение и типы МСП, их классификация
Морская стационарная платформа—уникальное (часто им присваи-
вают собственные имена) гидротехническое сооружение, предназначен-
ное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и вспомогатель-
ного оборудования., обеспечивающего бурение скважин, добычу нефти и
газа, а также других работ, связанных с разработкой морских Нефтяных и
газовых месторождений, и предназначена для эксплуатации в конкрет-
ном районе акватории моря.
В последние годы в связи с широким развитием работ по освоению
морских нефтяных месторождений в различных районах Мирового океа-
на предложен и осуществлен ряд новых типов и конструкций МСП. Эти
типы различают по виду конструкции; способу опирания и крепления к
морскому дну; по материалу. По типу конструкции МСП делят на жест-
кие (гравитационные, гравитационно-свайные, свайные) и упругие (баш-
ни с оттяжками, плавучие башни, гибкие оашни), что отражает конструк-
тивные особенности платформы и ее податливость, характеризуемую пе-
риодом собственных колебаний. У жестких платформ ом составляет 4...6
с- а У упругих — 20...100 с.
Жесткие конструкции классифицированы по способу обеспечения
их устойчивости под воздействием внешних натрузок на гравитацион-
ные, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае сооружение не
сдвигается относительно морского дна олагодаря собственной массе, во
втором не смещается из-за крепления его сваями. Гравятациоино-свай-
S.93 225
ные сооружения не сдвигаются благодаря собственной массе и системе
свай. Упругие конструкции по способу крепления разделены на башни с
оттяжками, плавучие башни и гибкие башни. Башни с оттяжками сохра-
няют свою устойчивость системой оттяжек, понтонов плавучести и про-
тивовесов. Плавучие башни подобны качающемуся маятнику, они воз-
вращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плавучести, рас-
положенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются
от вертикали под действием волн, но при этом они, подобно сжатой пру-
жине, стремятся возвратиться в состояние равновесия.
12.2. Жесткие свайные МСП
Сооружения этого типа (рис. 12.1, а) состоят из собранного на берего-
вой строительной базе металлического опорного основания, имеющего
вид пространственной фермы пирамидальной формы, простирающейся
от морского дна до некоторой отметки над водной поверхностью, и ме-
таллического, заранее изготовленного верхнего строения (платформы).
Платформа опирается на трубчатые сваи, забитые в грунтовое основание
через колонны опорного основания, или через направляющие кондукто-
ры, расположенные на колоннах. Эти сваи не только поддерживают плат-
форму, но и фиксируют сооружение в целом от сдвигающих нагрузок,
вызванных ветром, волной и течением.
Чтобы представить масштабы сооружения, приведем основные раз-
меры платформы, предназначенной для установки на глубины моря до
100 м. Высота платформы сравнима с 30-этажным зданием. Верхнее
строение имеет в плане размеры 18x36 м и массу около 900 т. Масса опор-
ного основания около 1800 т. Диаметр несущих колонн около 1600 мм с
толщиной стенки до 60 мм. Диаметр свай 1220 мм с толщиной стенки око-
ло 25 мм. Все сваи забиты в грунт на глубину от 60 до 90 м. С дальнейшим
ростом глубин диаметры и толщины стенок элементов конструкции уве-
личиваются (диаметр до 2500 мм при толщине стенки до 90 мм). Хотя с
увеличением глубин моря основные положения проектирования плат-
форм сохраняются, однако условия глубоких вод усложняютрешение за-
дач проектирования. Определяющую роль также играет принятый способ
установки платформ на место эксплуатации (рис. 12.3).
Опорный блок изготовляют на берегу в горизонтальном положении,
затем надвигают на баржу и буксируют на ней к месту установки. Там
опорное основание сд вигают с баржи, и с помощью плавучего крана (рис-
12.3, а) или путем балластировки водой отдельных отсеков (рис. 12.3, о)
устанавливают в вертикальное положение на морском дне. Затем с помо-
226
Рис. 123. Способы установки платформы на место эксплуатации
щью копра, находящегося на судне, погружают сваи. По достижении про-
ектной глубины забивки свай верхние их части, выступающие над опор-
ным основанием, срезают и устанавливают верхнее строение, которое
приваривают к головам свай.
12*3. Проектирование МСП
Индивидуальность конструкций МСП требует особого подхода к их
проектированию. В частности, вопросы расчетов прочности и устойчиво-
сти МСП тесно переплетаются с вопросами исследовательских работ, не-
обходимостью сочетания при проектировании расчетных методов с экс-
периментальной проверкой на моделях и в натурных условиях. При про-
ектировании обязательно предусматривают установку контрольно-изме-
рительной аппаратуры для выполнения режимных и контрольных наблю-
дений и исследований при эксплуатации МСП.
Назначение МСП обычно определяет минимальные значения площа-
ди и веса платформы, которая должна быть установлена в определенном
месте. На стадии предварительного проектирования некоторые варианты
227
конструктивных решений могут быть отвергнуты, как экономически не-
выгодные или неприемлемые с точки зрения технологии изготовления
или способа постановки сооружения на морское дно. Воздействие окру-
жающей среды, т. е. влияние на прочность конструкции ветра, течения,
волн, а также действия плавающего льда и землетрясений, должно быть
изучено заранее. К местным условиям относятся глубина воды и характе-
ристика грунтового основания, причем последнее особенно важно дня
расчета фундамента сооружения.
Эксплуатационные нагрузки рассчитывают прямым методом, а воз-
действия окружающей среды путем последовательных приближений.
Это объясняется тем, что изменение размеров элементов конструкции
приводит к изменению нагрузок на эти элементы и на сооружение в це-
лом. Кроме того, запроектированное сооружение должно быть проверено
на способность выдерживать нагрузки, возникающие в процессе транс-
портировки и постановки на дно. Эти нагрузки могут оказаться весьма
значительными, и пренебрежение ими может привести к серьезным по-
вреждениям сооружения еще до начала его эксплуатации. И наконец, сле-
дует отдавать предпочтение конструкции, допускающей ее демонтаж при
завершении эксплуатации промысла и его ликвидации.
12.4. Внешние нагрузки
Перед расчетом проектируемого сооружения необходимо получить
количественные оценки для всех основных нагрузок, которым оно может
быть подвергнуто со стороны окружающей среды в океане. Воздействия
окружающей среды характеризуются в основном ветром в приводном
слое атмосферы, поверхностными волнами и течениями, возникающими
в условиях жесткого шторма (рис. 12.4). Для замерзающих акваторий до-
бавляется давление льда.
Штормовой ветер играет существенную роль в расчете МСП, по-
скольку он оказывает значительное силовое воздействие на надводную
Часть сооружения. Скорость ветра при урагане может, например, дости-
гать 50 м/с, при этом горизонтальная ветровая нагрузка на сооружение
может превысить 500 кН.
Поверхностные волны в штормовых условиях также имеют важное
значение в расчете прочности сооружения из-за значительных нагрузи
на его подводную часть от сопровождающего волнение движения масс
воды. Высота волны (разница между максимальным и минимально1
уровнями воды в любой момент времени) порой достигает в период
шторма 25 м, а вызванное ими движение воды оказывает на сооружен^
228
горизонтальную нагрузку, в
несколько раз превышаю-
щую ветровую. Наконец, в
некоторых районах моря су-
щественную добавку к на-
грузке на подводную часть
сооружения могут оказать
течения. Под течением по-
нимают общее движение
масс воды, причины которо-
го иные, чем те, которые вы-
зывают поверхностные вол-
ны, Это, например, прилив-
ные течения, вызванные си-
лами притяжения Луны и
Солнца, ветровые или дрей-
фовые течения, связанные с
трением воздушных потоков
о поверхность воды, тече-
ния, связанные с речными
стоками, и наконец, океани-
ческие течения, обусловлен-
ные широкомасштабными
ветровыми системами над
оксаном. В штормовых усло-
виях поверхностные течения
со скоростью 0,6 м/с и более
нс являются чем-то необыч-
ным: связанная с ними гори-
зонтальная нагрузка на со-
оружение на 10% или более
увеличивает нагрузку, вы-
званную волнами.
В качестве дополнитель-
Рис. 12.4. Основные нагрузки на платформу:
1—ветровой напор; 2—нагрузка от приливного течения;
3— нагрузка от течения вследствие ветрового нагона;
4 —волновая нагрузка; 5— нагрузка от собственного веса и
технологические нагрузки
Рис. 12.5. Дополнительные нагрузки на платфор-
му:
а ледовая натру <ка; t'—назрузкд о г наносов: 1 - - si яге si е
«жпжения; уплотненные отложения
ных и особых нагрузок мож-
ио отмстить ледовые нагрузки и нагрузки от наносов (рис. -• ? * >'
гичсские нагрузки (навал судов, воздействие буровых механизмов и т.дд.
сейсмические нагрузки.
Согласно СНиП [20] воздействие внешних нагрузок, определяемое по
средним многолетним значениям, рассматривают при расчете на основ
ные сочетания нагрузок, а определяемые по максимальным значениям
расчетной вероятности — на особые сочетания нагрузок. В зарубежных
нормах принято два типа расчетного состояния: эксплуатационное
(функциональное) состояние, при котором действие нагрузок обеспечи-
вает возможность эксплуатации сооружения (статистическая повторяе-
мость наибольших нагрузок 1 раз в месяц); экстремальное, при котором
эксплуатация сооружения должна быть прекращена (повторяемость на-
грузок один раз в 50 или 100 лет).
Нагрузки и воздействия необходимо принимать в наиболее неблаго-
приятных, но реальных для рассматриваемого расчетного случая сочета-
ниях отдельно для периода монтажа и эксплуатационного периода.
12.5. Материалы
Конструкции МСП можно отнести к 1-й группе конструкций СНиП
[3], для которых следует применять стали классов С255, С285.
С345...С440 по ГОСТ 27772-88 с дополнительными требованиями по кор-
розионной стойкости (с медью). Применение в конструкциях МСП тол-
столистового проката (толщина стенки труб несущих стволов опор может
достигать 90 мм) вызывает дополнительные требования по сплошности и
к характеристикам стали поперек проката. Нормативные документы ре-
комендуют следующие марки стали для применения в несущих элемен-
тах морских стационарных платформ: 14Г2АФ(Д), 16Г2АФ(Д)-
12ХГДАФ, 09Г2С(Д), 09Г2С-Ш.
Морская вода по степени агрессивного воздействия на металлические
конструкции может быть отнесена к среднеагрессивной (при скорости
движения воды до I м/с) или сильноагрессивной (при скорости более 1
м/с) среде. В соответствии с этим не допускается применение в конструк-
циях МСП сталей марок 09Г2, 14Г2 и 18Г2АФпс
12.6. Конструирование МСП
МСП свайного типа обычно состоят из трех основных частей: верхне-
го строения, опорного опока и свай. Размеры в плане и количество палу*?
верхнего строения определяют, исходя из предусматриваемого количест-
ва скважин и соответственно требуемой площади для размещения техно-
логических и жилых модулей. При этом площадь палуб стремятся уста-
навливать минимально допустимых размеров с целью обеспечения опти-
мальных общих размеров сооружения и его технико-экономически
показателей. Увеличение размера палубы приводит к значительному #
230
Рис. 12.6. Схема платформы на 24 скважины:
I опорное основание; 2,3—модули подвышечиого основания и вышки; 4—модуль буровых насо-
сов н Циркуляционной системы; 5—модуль бункеров; 6 — модуль емкостей воды и топлива; 7—мо-
дуль вспомогательного оборудования; 8—модуль энергетического оборудования; 9—жилых
помещений; 10—вертолетная площадка
Утяжелению, поэтому в целях уменьшения площади верхней части плат-
формы верхнее строение проектируют двух- и трехпалубным. На рис.
12.6 приведен пример компоновки модулей на платформе для бурения 24
скважин.
Отметку нижней грани верхнего строения МСП определяют е таким
расчетом, чтобы между гребнем расчетной волны, определяемым с уче-
том ветрового нагона и наибольшей высоты прилива, и нижней гранью
верхнего строения МСП оставался безопасный просвет (не менее 0,5 м).
Этот просвет должен обеспечить проход исключительно высоких волн
231
(больше, чемрасчетная волна).. Не допускается размещение элементов
связей (распорок, раскосов, сварных швов) на высоту приливно-отлив-
ных зон.
Возвышение низа палубной части платформы над расчетным уров-.
нем на замерзающих морях должно быть не менее восьми расчетных тол-
щин льда.
Жилой блок располагают со стороны господствующих ветров, а выш-
ку и факел— с противоположной стороны. С противоположной же от
места расположения устьев скважин стороны размещают вертолетную
площадку, проектирование которой выполняют в соответствии с общими
авиационными требованиями ОАТ ГА-80.
Причально-посадочные устройства располагают с двух сторон соору-
жения для обеспечения подхода судов с наветренной стороны. При этом
такие устройства должны возвышаться над расчетным уровнем моря не
менее чем на 1,5 м. При наличии приливов и отливов высоту причальных
устройств определяют с учетом обеспечения швартовки судов и высадки
людей. В ледовых условиях предусматривают подъем посадочно-при-
чальных устройств на высоту, обеспечивающую беспрепятственное про-
хождение льда (не менее 1 м). В конструкции МСП предусматривают на-
стилы, люки, переходы, лестницы, перила и специальные смотровые при-
способления, позволяющие вести осмотр и обслуживание конструкций в
процессе эксплуатации МСП.
К установленной расчетом нижней отметке грани верхнего строения
привязывают остальные части и элементы конструкции палуб верхнего
строения платформы.
Опорную часть МСП для незамерзающих акваторий обычно конст-
руируют из одного или нескольких блоков. Количество блоков, основные
размеры конструкции, ее сборочных и транспортируемых узлов опреде-
ляют, исходя из конкретных условий места установки МСП в море, с та-
ким расчетом, чтобы обеспечить возможность их погрузки на площадке
изготовления и транспортировки к месту установки в море имеющимися
погрузочно-разгрузочными и транспортными средствами. При этом учи-
тывают максимальную унификацию и модульность узлов МСП. Пример-
но до глубин моря 30 м используют сооружения из двух платформ (рис-
12. 7). Первая платформа на 12 —15 скважин является буровой, а экс'
плуатационное оборудование размещают на второй платформе.
До глуоин вод порядка 150 м в основном принимают одноблочную
конструкцию (рис. 12.8, о). В целях экономии металла, материальных ®
трудовых затрат платформу в зависимости от проектной глубины сква-
жин и запасов месторождения проектируют на 15 — 60 скважин.
232
Рис. 12.8. Одноблочная платформа:
а—двухсекционная; 6 — односекционная
При дальнейшем увеличении глубин опорную часть платформы изго-
товляют из двух секций (рис. 12.8, а). Это обусловливается возможностя-
ми технологического оснащения заводов и наличием транспортных
средств необходимой грузоподъемности.
Металлоконструкция опоры обычно представляет собой пирамидаль-
ную пространственную ферму (или прямоугольный параллелепипед). На
поясах фермы предусматривают направляющие для пропуска свай. Сваи
обычно конструируют трубчатыми. Конструкцию и количество свай оп-
ределяют. исходя из обеспечения требуемой расчетом устойчивости
платформы Конструктивные решения сварных узлов из трубчатых эле-
ментов выполняют в соответствии с требованиями ВСН |21j и других
нормативных документов.
Уклон опорных стоек в плоскости граней пирамидальной (или другой
формы) платформы принимают в пределах от 1/8 до 1/10. Расчетную дли-
ну элементов ферм верхнего строения, решетки опорных блоков и падко-
сти элементов опорных блоков и ферм верхнего строения принимают яе
более значений, приведенных в СНиП [3].
Опорный блок МСП для замерзающих акваторий проектируют в виде
гладких колонн без раскосов и примыканий в зоне воздействия льда пли с
защитой от обледенения и смерзания опор с ледяным полем.
233
Расчетную схему МСП принимают в виде пространственной конст-
рукции с учетом совместной работы опорной части с верхним строением
и свайного фундамента (рис. 12.4).
При сложных конструкциях МСП (многоблочная в сложных геологи-
ческих условиях) допускается принимать расчетную схему в виде отдель-
ных пространственных опорных блоков или плоских конструкций, шар-
нирно связанных между собой жестким верхним строением.
Усилия в элементах конструкции опорных блоков (блока) определя-
ют из условия защемления их на уровне центра опорных узлов. Получен-
ные при этом реакции опор являются внешними для расчета свай. Усилия
в элементах конструкций МСП (изгибающие моменты, продольные и по-
перечные силы) определяют по упругой стадии работы сооружения. При
вычислении усилий в элементах решетки опорного блока волновую на-
грузку принимают в виде сосредоточенных сил в узлах конструкции. Для
элементов, воспринимающих непосредственно волновые нагрузки, нахо-
дят дополнительно изгибающий момент от распределенной нагрузки с
учетом требований СНиП [3]. При наличии эксцентриситетов в узлах эле-
ментов решеток опорного блока усилия определяют с учетом соответст-
вующих изгибающих моментов.
Расчет конструкций МСП ведут по двум группам предельных состоя-
ний. По первой группе предельных состояний проводят расчеты: общей
прочности и устойчивости системы; прочности отдельных элементов,
разрушение которых приводит к невозможности эксплуатации сооруже-
ния; расчеты перемещений конструкций, от которых зависит прочность
или устойчивость сооружения в целом и т.д. По второй группе выполня-
ют расчеты по ограничению перемещений и деформаций, прочности от-
дельных элементов сооружения, не рассматриваемых по предельным со-
стояниям первой группы.
Расчет на прочность сварных бесфасоночных узлов конструкций из
труб выполняют в соответствии с требованиями ВСЯ 51.4 — 85.
Так как МСП можно отнести к башенным сооружениям, подвержен-
ных циклическим динамическим нагрузкам, их конструкции необходимо
проверять расчетом на выносливость.
С увеличением высоты собственная частота колебаний сооружения
может оказаться близкой по значению к частотам внетпиих нагрузок, что
приведет к значительным перемещениям. Горизонтальное перемещение
на уровне верхнего строения платформы не должно превышать 1/200 h,
где h высота от уровня верхнего строения платформы до центра опор*
ных узлов, м. При этом расчетные волновые нагрузки учитывают коэф*
фициентом 0,25 при глубинах моря до 40 м и коэффициентом 0,4 при гЛУ*
бинах моря более 40 м без учета коэффициента динамичности.
234
Глава 13
ГРАДИРНИ
13.1. Классификация градирен
Градирни представляют собой сооружения для охлаждения воды ат-
мосферным воздухом в оборотных системах водоснабжения ТЭС, АЭС и
Других предприятий, работа оборудования которых связана с отводом
большого количества теплоты. Градирни по принципу охлаждения могут
быть испарительными и с поверхностными теплообменниками (радиа-
торными).
t-t **
Ряс. 13.1. Схема открытой капельной градирни:
несущий каркас; 2—оросительное устройство; 3—воздухонаправ.тяющие жалюзи; 4—водосбор-
ный бассейн; 5—водораспределительная система; 0—отводящий водовод
235
В испарительных градирнях передача теплоты от воды воздуху
происходит за счет испарения, что обеспечивает более глубокое сниже-
ние температуры. Поэтому испарительные градирни более эффективны,
чем радиаторные, в которых передача теплоты от воды к воздуху осуще-
ствляется через стенку радиатора за счет теплопроводности материала
радиаторов и конвекции.
В свою очередь испарительные градирни подразделяют на 3 основ-
ных типа:
* открытые или атмосферные градирни (рис. 13.1), в которых для
протока воздуха через ороситель используется ветер и отчасти естествен-
ная конвекция воздуха;
• вентиляторные градирни (рис. 13.2) с механической тягой воздуха;
Рис. 13.2. Схема вентиляторной противоточной градирня:
/ — вентилятор; 2—несущий каркас; 3—водоуловитель; 4 — водораспределительная система,
5 — оросительное устройство; 6 — vnxfXDXSWims окна; 7 — водосборный бассейн; 8—ветровая пере-
городка; 9—отводящий водовод
236
Рис. 133. Башенная противоточная градирня:
1—каркас вытяжной башни; 2—водоуловитель; 3 — водораспределительная система; 4 ороситель-
ное устройство; 5—воздухорегулирующее устройство; 6—воздуходувные окна; 7 водосборный
бассейн; S—каркас оросителя; 9—подводящий водовод; 10— светоограждоние
• башенные градирни (рис. 13.3) с естественной тягой воздуха.
Открытые градирни предназначены для систем с небольшим расхо-
дом оборотной воды от 10 до 500 м3/ч. Для них характерен высоким охла-
дительный эффект, простота строительных конструкций и условий экс-
плуатации. Одняко применение таких градирен ограничено возможно-
стью размещения на незастроенных площадках, сильно продуваемых
ветром, а также допустимостью кратковременного повышения темпера-
туры охлаждаемой воды в период штиля.
Вентиляторные градирни рекомендуется применятьв системах обо-
ротного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлажде-
ния воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.
Башенные градирни являются с технологической точки зрения наибо-
лее пациопапьимм типом охладителей большой производительности от
237
Рис. 13.4. Башенная градирня Н = 151 м с
обшивкой из алюминиевых волнистых
листов
10 000 до 100 000 м3/ч. В них удает-
ся достичь почти равномерного рас-
пределения воздуха по площади
оросителя, что ведет к быстрому и
глубокому охлаждению воды.
Современные башенные гра-
дирни достигают огромных разме-
ров, их высота превышает 100 м.
Проектируются градирни высотой
136 и 160 м (рис. 13.4).
Перечисленные типы испари-
тельных градирен разделяются так-
же по признаку создания поверхно-
стей охлаждения: а) путем разбрыз-
гивания воды соплами (брызгаль-
ные градирни); б) с оросительными
устройствами, которые могут быть
капельного типа (теплоотдача в ос-
новном происходит с поверхности
капель воды); пленочного типа (те-
плоотдача с поверхности водяной пленки, образующейся на щитах оро-
сителя); смешанного капельно-пленочного типа.
По признаку направления движения воздуха в оросителе по отноше-
нию к движению воды храдирнй могут быть с противоточным движением
воздуха (вода сверху вниз, а воздух — снизу вверх); с поперечным дви-
жением воздуха (вода сверху вниз, а воздух в горизонтальном направле-
нии); со смешанным поперечно-противоточным движением воздуха.
В оросительное устройство градирни охлаждаемая вода поступает
под давлением циркуляционных насосов и разбрызгивается при помощи
специальных сопел над оросителем. Водяная пленка, стекающая по стен-
кам оросителя, охлаждается вследствие испарения и соприкосновения с
воздухом, входящим в оросительное устройство через вентиляционные
окна, расположенные в нижней части градирни. Нагретый и насыщенный
водяными парами воздух отводится вверх под действием естественной
тяги через вытяжную оашню, а охлажденная вода стекает в водосоорныи
бассейн, глубина которого достигает 2 м. Из водосборного бассейна охла-
жденная вода поступает в системы водоснабжения для охлаждения тех-
нологического оборудования. Системы водоснабжения с башенными
градирнями используют преимущественно на ТЭЦ и металлургически^
заводах, а также на конденсационных электростанциях (КЭС) и АЭС.
238
Наряду с производительностью основной показатель градирни — пло-
щадь оросительного устройства в горизонтальном сечении. В крупных со-
временных градирнях она составляет 4000...6400 м2. Разработан проект
сверхмощной градирни площадью орошения 9400 м2. Высота вытяжной
башни таких градирен составляет соответственно 90, ПО и 150 м при вы-
ходных диаметрах 43, 55 и 73 м.
13.2. Конструкции башенных градирен
' Основными элементами конструкции башенных градирен являются:
• вытяжные башни, создающие циркуляцию воздуха, а также отводя-
щие насыщенные пары на достаточную высоту для их рассеивания в ат-
мосфере;
• оросительные устройства, обеспечивающие создание необходимой
поверхности охлаждения;
• водосборные бассейны, служащие для сброса охлажденной воды и
создания необходимого запаса воды в циркуляционной системе.
Вытяжные башни в зависимости от производительности градирни
имеют различные конструктивные формы, их выполняют из дерева, же-
лезобетона или стали.
Башни со стальными каркасами обычно имеют пирамидальную фор-
му с основанием в виде многоугольника или квадрата, с переходом выше
оросителя на многоугольник и форму, приближающуюся к гиперболоид-
ной (рис. 13.3). Подобная форма является оптимальной как по условиям
аэродинамики, так и по условиям прочности и устойчивости. Стальные
каркасы башен проектируют с учетом удобства их монтажа укрупненны-
ми панелями.
В последнее время стали применять преднапряженныс оболочки гра-
дирен с подвеской к вертикальному пилону (рис. 13.5) или группе таких
пилонов.
При высоте башен 50 м и выше они должны иметь в верхней части
светоограждение и маркировочную окраску, выполняемую в соответст-
вии с установленными правилами- Для подвески .полек при ремонтных
работах, а также для доступа к светоотраждеишо в верхней части башен
устраивают круговую площадку с лестницей.
Фундаменты под каркас башни—-столочатые из монолитного или
сборного железобетона. Размеры фундаментов каркасно-оошивных ба-
шен градирен должны не допускать их отрыва от грунта при действии го-
ризонтальных нагрузок.
239
Fmc. 13.5. Схема вантовых оболочек башенных градирен с одним пилоном:
а ~с растянутыми элементами крепления верхнего кольца жесткости к пилону; б — то же, со сжатыми
элементами; в то же, с комбинированным креплением; I -— пилон; 2—сетчатая оболочка; 3 — ого-
ловок пилона; 4 тяги подвески; 5 — подкосы; б—верхнее кольцо жесткости;, 7—промежуточное
кольцо жесткости; 8 нижнее кольцо жесткости; дополнительные стойки верхней зоны башни;
Ю колонны-направляющие нижнего кольца жесткости
Башни со стальным каркасом и с обшивкой его изнутри деревянными
щитами, асбоцементными, алюминиевыми или полимерными листами
имеют преимущество перед железобетонными башнями, как по техни-
ко-экономическим показателям, так и по срокам возведения, особенно в
условиях низких температур.
Оросительные устройства состоят из опорного несущего каркаса и
заполнения в виде реек в капельном оросителе или щитов в пленочном
оросителе. Несущий каркас должен обладать достаточной жесткостью
для предупреждения его деформаций в условиях эксплуатации. Располо-
жение стоек каркаса оросителя осуществляют по радия ггмтпй или прямо-
угольной сетке. Радиальная сетка отвечает лучшим технологическим по-
казателям градирни, однако, усложняет выполнение оросителя. Несущие
каркасы оросителей выполняют из железобетонных сборных элементов,
а сами оросительные устройства — из дерева, асбестоцементных или из
полимерных материалов. Оросительные устройства располагают по вы-
соте в один или несколько ярусов при горизонтальной, ступенчатой или
наклонной компоновкам.
Водосборные бассейны располагают под оросителем. Они имеют
глуоину 2,0 м при превышении бортов над уровнем воды 0,3 м. Бассейн и
другие подземные конструкции башенных градирен выполняют из моно-
240
лигного железобетона, однако допускается фундаменты башни и стенку
водосборного бассейна выполнять из сборного железобетона. В зависи-
мости от режима работы градирни и ее размеров в плане бассейн может
быть разделен перегородками на секции. Стенки и днище покрывают гид-
роизоляцией из холодной асфальтовой мастики, наносимой механизиро-
ванным способом. Поверх слоя гидроизоляции на днище укладывают за-
щитный слой бетона с уклоном для стока воды в приямки канализацион-
ных труб.
13.3. Особые требования к материалам для градирен
Выбор материалов для башенных градирен определяется спецификой
их работы в различных конструктивных элементах, а также общими усло-
виями работы конструкций. Рассмотрим эти условия более подробно.
Условия работы конструкций. Температура поступающей на гра-
дирню воды летом доходит до +45°С, зимой—до +25°С, а температура
охлажденной воды-—летом до +35°С, зимой—до +20°С. Входящий в
градирню наружный воздух имеет температуру до +35°С летом и до
-40°С зимой, по мере прохождения градирни нагревается и увлажняется.
Температура выходящего из градирни воздуха летом до +40° С, а зимой
до +20° С при относительной его влажности 100 %.
В наиболее тяжелых условиях эксплуатации находится внутренняя
обшивка, которая подвергается воздействию изнутри нагретой воды и
проходящего через градирню теплого, насыщенного парами воздуха, а
снаружи, в зимний период, воздействию окружающего воздуха с пере-
менными параметрами. Кроме того, на внутренних поверхностях этих
конструкций образуется конденсат, стекающий с них в виде пленки.
По своему составу охлажденная в градирнях тепловых электростан-
ций вода в большинстве случаев является нейтральной или слаоощелоч-*
ной (pH = 6... 10), однако, для предотвращения обрастания оросителей во-
дорослями циркуляционную воду хлорируют.
Таким образом, при проектировании строительных конструкций гра-
дирен необходимо учитывать специфические условия их работы, кото-
рые заключаются в следующем:
• влажность воздуха внутри градирни достигает 100%,
* орошение конструкций оооротнои водой с температурой от 10 до
60=с;
• возникновение значительных внутренних напряжений в зимнее
время при замораживании в водонасыщенном состоянии пористых
строительных материалов;
24?
• попеременное увлажнение и высушивание строительных конст-
рукций в летнее время;
• агрессивность к материалам строительных конструкций оборотной
воды и воздуха, проходящих через градирню, которая усугубляется цик-
лическим характером воздействий, зависящим от климатических факто-
ров и от технологических условий работы градирни.
Материалы для градирен. Сталь для каркасов башен. В соответст-
вии с рекомендациями [27] сталь для несущих конструкций градирен сле-
дует принимать по Нормам [3] в зависимости от расчетной температуры
наружного воздуха, при этом следует относить:
• к группе 1 — конструкции ригелей, балок и ферм под вентиляторы
в вентиляторных градирнях;
• к группе 2 — конструкции балок покрытий и перекрытий в венти-
ляторных градирнях и элементы несущего каркаса башенных градирен;
• к группе 3 — стойки и колонны вентиляторных и открытых гради-
рен, опорные плиты колонн, а также конструкции, поддерживающие оро-
ситель и водораспределительную систему, конструкции водосборного
бассейна;
• к группе 4 — конструкции фахверка, связей, ограждений, площа-
док и лестниц обслуживания.
В соответствии с рекомендациями [27] предпочтительными для при-
менения в градирнях являются следующие стали:
для группы 1 — сталь С 375 (10Г2С1Д, 15ХСНД);
для группы 2 — стали С 345 (09Г2С-6), С 255 (В СтЗсп5,18Гпс) и С
245 (В СтЗпсб);
для группы 3 — стали С 375 (10Г2С1), С 245 (В СтЗ псб) и С 235
(18кп);
для группы 4 — сталь С 235 ( В СтЗкп2, 18кп).
При соответствующем технико-экономическом обосновании могут
быть использованы и другие стали, рекомендуемые в [3].
Для элементов конструкций, эксплуатируемых в труднодоступных
либо недоступных, без демонтажа оборудования, зонах, следует приме-
нять стали марок 10Г2С1Д. 15ХСНД, 10ХСНД. При технико-экономиче-
ском обосновании для таких конструкций возможно также использова-
ние нержавеющей стали типа XI3 для обеспечения их долговечности не
ниже'долговечности конструкций технологического оборудования.
Дерево при строительстве градирен применяют для изготовления щи-
тов обшивки башен, оросительных и водораспределительных устройств.
242
Для деревянных конструкций градирен необходимо применять древеси-
ну хвойных пород (сосну или лиственницу) не ниже II сорта по ГОСТ
2695-82*. Деревянные щиты в водонасьпценном состоянии имеют
плотность около 800 кг/м3.
Разрушение дерева в условиях градирен происходит по причинам хи-
мического и биологического характера. Из химических элементов, содер-
жащихся в циркуляционной воде, наиболее агрессивными свойствами
обладают щелочи и хлор, вызывающие делигнификацию древесины и
распад ее структурных элементов.
Продление срока службы дерева в условиях градирен достигается его
антисептированием. Для защиты от гниения древесину рекомендуется
пропитывать растворами антисептического препарата ХМ-11 по ГОСТ
23787.8 — 80. Антисептирование древесины повышает срок ее службы в
градирнях в 2,5-3 раза.
Асбестоцемент. Асбестоцементные листы применяют для обшивки
вытяжных башен, ветровых перегородок, щитов оросительного устройст-
ва и водоуловител ей. Наружная обшивка башен находится в наиболее не-
благоприятных условиях эксплуатации. Ее выполняют из волнистых ас-
боцементных листов усиленного профиля (листы ВУ) по ГОСТ
16233 — 87. Насыщаясь изнутри водою, асбестоцементные листы об-
шивки под влиянием размораживания расслаиваются. Для защиты листов
обшивки от насыщения водой их подвергают пропитке стойкими водоза-
щитными составами. Лучшим пропиточным материалом является камен-
ноугольный пек и петролатум, обеспечивающие наиболее высокую стой-
кость асбестоцементных листов против воздействия мороза и агрессив-
ных вод и повышающие его прочность. Плотность волнистых
асбестоцементных листов составляет 200 кг/м3 при прочности на растя-
жение 15 МПа.
Крепление асбестоцементных волнистых листов обшивки к несуще-
му стальному каркасу и между собой производят стальными оцинкован-
ными болтами и кляммерами (рис. 13.6). Для уплотнения стыков листов
применяют битумную мастику.
Алюминий применяют для наружной обшивки башен градирен. Для
этого используют волнистые листы (ГОСТ 21631-76) из алюминиевого
сплава АМг2 М по ГОСТ 4784-74. Толщина листов —1,2... 1,4 мм при
Длине волны 125 мм и высоте 35 мм. Листы соединяют между собой бол-
тами, а с каркасом — болтами и кляммерами по типу асбестоцементных
листов (рис. 13.6). Для предотвращения коррозии в местах соприкоснове-
ния алюминия со сталью каркаса нужно устанавливать изолирующие
прокладки из паронита (ГОСТ 481-80), устраняющие возможность их не-
оцинкованная-40*40*3
Рис. 13.6. Крепление обшивки из асбестоцементных листов к каркасу башенной гра-
дирни
посредственного контакта и образования гальванической пары. Кроме
того, алюминиевые листы в местах их соприкосновения с элементами
стального каркаса следует покрывать защитной краской, предохраняю-
щей от коррозии.
Пластмассовые материалы применяют для обшивки вытяжных ба-
шен, щитов оросительных устройств, водоуловителей, ветровых перего-
родок, трубопроводов систем водораспределения и разбрызгивающих
устройств. К полимерным материалам, используемым для обшивки вы-
тяжных башен градирен, предъявляются следующие требования:
• достаточная прочность для восприятия ветровых нагрузок и долго-
вечность;
244
• невозгораемость и стойкость к температурным воздействиям без
размягчения и охрупчивания;
• химическая стойкость к воздействию конденсата и воды, имеющей
слабощелочную или слабокислотную реакцию, а также к хлорированной
воде;
• минимальная водопоглощаемость и морозостойкость.
Этим требованиям отвечают листы из полиэфирного стеклопластика,
обладающие хорошей морозостойкостью и гидрофобностью. Для повы-
шения огнестойкости ограждающих конструкций градирен рекомендует-
ся использовать стеклопластик самозатухающего типа. Листы полиэфир-
ного стеклопластика для выполнения обшивки башенных градирен реко-
мендуется применять следующих размеров: наибольшая длина 4800 мм;
ширина 1200 мм; толщина 1,9 мм; шаг волны 125 мм; высота волны 51
мм. Такие листы обладают высокой прочностью на изгиб (130 МПа); име-
ют достаточно низкую поверхностную плотность (14 кг/м2), водопогло-
Щение листов из стеклопластика равно 0,7 г/дм2.
Для герметичности обшивок из стеклопластика горизонтальные и
вертикальные швы следует промазывать перед их креплением специаль-
ным клеем, рекомендуемый состав которого дан в [27]. Крепление листов
стеклопластика к каркасу и между собой выполняют по типу асбестоце-
ментных листов (рис. 13.6) при помощи стальных оцинкованных крепеж-
ных деталей.
Крепежные металлические детали — болты, кляммеры, гвозди, при-
меняемые при сооружении градирен, должны быть защищены от корро-
зии. Обычно их оцинковывают гальваническим способом. Толщина слоя-
гальванического покрытия должна быть не менее 10 мкм.
13.4. Антикоррозионная защита стальных конструкций
ФЗДирни
в связи с тем, что металлические конструкции градирен эксплуатиру-
ются в неблагоприятных условиях коррозионно-активной среды, при
проектировании необходимо не только учитывать рекомендации §1.5[2],
но и предусмотреть некоторые дополнительные конструктивные меры,
направленные на снижение коррозии.
Эти меры сводятся к следующему:
• элементы каркаса должны быть вынесены из зоны непосредствен-
ного увлажнения (где это возможно) и иметь доступ для осмотров и по-
вторного нанесения антикоррозионных покрытий без демонтажа ооору-
Дования;
245
• все элементы каркаса, как правило, следует проектировать из про-
катных или гнутых профилей сплошного сечения. Запрещается приме-
нять составные элементы таврового сечения из двух уголков, двутаврово-
го— из двух швеллеров, крестовых — из четырех уголков;
• с целью предотвращения щелевой коррозии применение односто-
ронних и прерывистых швов не допускается;
• внутренняя поверхность элементов из труб или гнугосварных про-
филей должна быть герметизирована;
• при конструировании узлов сопряжения элементов следует избе-
гать образования закрытых полостей и щелей;
• все крепежные детали должны быть оцинкованы и дополнительно
окрашены тремя “слоями эмали общей толщиной 80 мм;
• для предотвращения контактной коррозии между алюминиевыми
листами и стальными элементами необходимо использовать паронито-
вые прокладки толщиной 2...3 мм.
Защиту конструкций от коррозии лакокрасочными покрытиями сле-
дует выполнять с учетом рекомендаций п.1.5,3[2]. При этом последний
покрывной слой следует наносить на монтажной площадке. Поверхно-
сти стальных конструкций перед нанесением защитных покрытий необ-
ходимо очищать от загрязнения, окалины и ржавчины пескоструйным
или дробеструйным методами на заводе-изготовителе. Поверхности
алюминиевых листов должны быть покрыты анодной пленкой и допол-
нительно лакокрасочными материалами со стороны контакта с водой
[2]. Качество поверхности алюминиевых конструкций перед электрохи-
мическим анодированием должно соответствовать требованиям ГОСТ
3002-70.
13.5., Расчет конструкций башенных градирен
Расчет строительных конструкций вытяжных башен градирен выпол-
няют на действие нагрузок от собственного веса ограждающих и несущих
конструкций и нагрузок от ветра. Кроме того, при расчетах необходимо
учитывать нагрузки от снега и наледи, действие которых возможно При
перерывах в работе градирни.
Постоянные нагрузки складываются из нагрузки от обшивки башни и
нагрузки от стального каркаса. Нормативные значения постоянных на-
грузок от обшивки башни определяют по данным о весе готовых элемен-
тов и изделий или вычисляют по проектным размерам конструкций и
плотности материалов. Нагрузка от веса несущих стальных конструкций
246
может быть предварительно определена по данным ранее выполненных
проектов.
Нормативное значение поверхностного веса обшивки башни, кН/м2,
предварительно может быть принято равным:
для панелей из деревянных щитов 0,25...0,35;
из асбестоцементных листов усиленного профиля 0,20...0,25;
из алюминиевых листов 0,10...0,15;
из листов стеклопластика 0,03....0,05.
Нормативное значение нагрузки от массы несущих конструкции баш-
ни зависит от мощности градирни и составляет 0,25...0,60 (меньшее зна-
чение для верхних ярусов).
Нагрузку от снега принимают по Нормам [4] с умножением полного
нормативного значения на коэффициенты [27]: 0,3 для III снегового
района; 0,5 — для IV района; 0,4 — для V и VI районов.
Расчетную нагрузку от наледи принимают равной от 1 до 2 кН /м .
Снеговую нагрузку и нагрузку от наледи прикладывают на основные ри-
гели башни, высоту сечения которых принимают равной 1/8...1/10 шири-
ны панели рассматриваемого яруса по высоте башни.
Ветровую нагрузку на башню градирни определяют по Нормам [4]
как сумму статической и динамической составляющих ветрового напора.
Допускается динамическое воздействие ветра учитывать коэффици-
ентом р, определяя расчетное значение ветровой нагрузки на вертикаль-
ную поверхность башни градирни по формуле.
где те0 — нормативное ветровое давление на высоте 10 м от поверхности
земли, кН/м2; к2 — коэффициент, учитывающий изменение ветрового
Давления по высоте; е—аэродинамический коэффициент;^=1,4-—ко-
эффициент надежности по нагрузке; р-коэффициент, учитывающий
Динамическую составляющую ветрового напора на каркасно-обшивные
башни, принимаемый равным 1,3 для башен высотой до 90 м и 1,4 для оа-
шен высотой 90... 150 м.
Величину аэродинамических коэффициентов с по периметру каркас-
но-обшивных башен желательно определять по данным специальных ла
бораторных аэродинамических исследовании. Для антенных градирен,
имеющих 12 граней и более, допускается принимать аэродинамические
коэффициента по рекомендациям [29] как для шероховатых ооолочек
(рис. 13.7).
Эксплуатация башенных градирен показала, что при наклонном к го-
Ризонгунаправлении ветра верхняя часть внутренней поверхности наш-
247
1 — для каркасно-обшивной пирамидальной восьмигранной формы; 2—то же, для двенадцатиграиной;
3— то же, для гладкой цилиндрической, конической и гиперболической форм
ни испытывает дополнительную нагрузку. Для учета этого явления реко-
мендуется в верхней части башни дополнительно учитывать распреде-
ленное по ее внутренней поверхности давление с коэффициентом с=-0,5
[27]. Однако для упрощения расчетов дополнительное давление можно
учитывать путем условного повышения высоты башни и, соответствен-
но, эпюры скоростного напора на величину, равную D/10 , где D —Диа'
метр вписанной окружности верхней части башни.
. При расчете башни градирни на ветровую нагрузку необходимо рас-
сматривать два варианта загружения—действие ветра на грань башни
(лобовое направление) и на ребро (угловое направление) при различных
значениях аэродинамических коэффициентов с. Расчеты показывают, что
лобовое действие ветра вызывает наибольшие усилия в стойках башни, а
угловое — в раскосах. В качестве примера на рис. 13.8 приведены эпюры
значений аэродинамического коэффициента для 12-гранной башни гра-
дирни.
Статический расчет градирни на действие ветровой нагрузки необхо-
димо выполнять с учетом пространственной работы каркаса вытяжнби
248
Рис. 13.8. Эпюры аэродинамических коэффициентов для 12-гранной башни:
0— при лобовом направлении ветра; б—при угловом направлении ветра
Рис. 13.9. Башня градирни площадь» орошения 160» м2
башни. Для этого можно использовать., например, прикладные програм-
мы «ЛИРА», «МИРАЖ» и Др.
На рис. 13.9. показана конструктивная, а на рис.13.10—расчетная
схемы каркаса башенной градирни с площадью орошения 1600 эг. Кар-
249
Рис. 13.10. Расчетная схема башни гра-
дирни
кас башни представляет собой про-
странственную решетчатую систему,
состоящую из 12-ти граней, объеди-
ненных по высоте пятью горизонталь-
ными решетчатыми кольцами жестко-
сти. Кольца жесткости способствуют
более равномерному распределению
ветровой нагрузки, действующей на
отдельные грани и, таким образом,
обеспечивают эффект пространствен-
ной работы.
Высоту ферм горизонтальных ко-
лец жесткости принимают равной
1/8... 1/10 ширины грани на соответст-
вующей высоте башни. В расчетной
схеме учитываются только растянутые
раскосы.
Стойки башенной градирни рассчитывают как центрально-сжатые
элементы, а ригели — как внецентренно сжатые. Изгиб ригелей происхо-
дит в вертикальной плоскости от действия нагрузок от собственного веса
этих элементов, от веса прикрепленной к ним обшивки и от снеговой или
гололедной нагрузки. Пояса ригелей на вертикальную нагрузку рассчи-
тывают по двухпролетной неразрезной схеме.
Днище бассейна рассчитывают как плиту на упругом основании на
нагрузки от собственного веса, давления воды, собственного веса ороси-
теля, водораспределителя и водоуловитсля, передаваемые колоннами
каркаса оросителя.
При проектировании градирен необходимо учитывать коэффициент
надежности у„, зависящий от класса ответственности сооружения, в ком-
плекс которого входит градирня.
Глава 14
ЛЫЖНЫЕ ТРАМПЛИНЫ
14.1. Виды, профили и назначение размеров трамплинов
Трамплины для прыжков на лыжах можно устраивать на естествен-
ном склоне горы со средним углом наклона 20°...40° или возводить из же-
лезобетона, металла, дерева. Чаще трамплины выполняют по смешанной
схеме, когда часть трамплина проходит по естественному грунту, а дру-
гая часть возводится искусственно с приданием профилей и размеров,
пригодных для безопасных прыжков на лыжах (рис. 14.1).
Лыжные трамплины, в том числе смешанного типа, подразделяют на
тренировочные с длиной прыжка L до 30 м, трамплины для соревнований
(L 70 м), трамплины для Олим-
Ряс. 14.1. Виды лыжных трамплинов:
1~ «тесгвенный грунт; 2—насыпмпй грунт;
3 штусигвенное сооружение; 4 —- вспомогательное
сооружение
пийских прыжков (£<90 м) и
трамплины для лыжных прыж-
ков с д линой «полета» до 120 м.
Трамплины для прыжков на
лыжах состоят из следующих со-
ставных частей (рис. 14.2):
• стартовой площадки 1 дли-
ной 4...6 м;
• разгонной зоны 2. состоя-
щей из участка^, (с углом накло-
на а = 20°...40° и радиусом R\ ~
- 70...90 м), на котором идет на-
бор скорости лыжником; участка
Е2 с длиной, равной 0,15...0,2г м
(v—скорость движения лыжни-
ка в конце участка Д ), и уступа 3
с длиной =0.2v м для отрыва от
лыжной дорожки и дальнейшего
полета;
• горы приземления на уча-
стке от уступа до критической
точки Р (с углом наклона касз-
251
Рис. 14.2. Профнль лыжного трамплина:
1 — стартовая площадка; 2—участок разгона; 3— уступ трамплина; 4—участок прыжка (полета);
5 — кривая торможения
тельной в критической точке у = 35°...42° и радиусом Л2 =100...200 м),
предназначенной для полета над ней и дальнейшего приземления;
• площадки торможения, выполняемой по вогнутой кривой с радиу-
сом R3 =90... ПО м, предназначенной для торможения и остановки.
Остальные обозначения на рис. 14.2 следующие: Ех — верхняя часть
длины разгонного участка по развертке, на которой увеличивается ско-
рость; Е2 нижняя часть длины разгонного участка по развертке и длина
уступа по прямой, на которой не увеличивается скорость; Е—Е\*
^Е2 длина разгонного участка по развертке; N — горизонтальная про-
екция разгонного участка; hp — высота разгонного участка; hv — высота
уступа; Н- (hp+hy) — высота трамплина; lh — длина участка прыжка по
развертке; Nh — горизонтальная проекция участка прыжка; Hh — высота
участка прыжка; а — угол наклона прямой зоны разгонного участка;
7' угол наклона кривой приземления в критической точке Р> Ry R&
R3 соответственно радиусы кривых разгонного участка, участка прыж-
ка и участка торможения.
Рекомендуемое отношение проекций длины прыжка lh на вертикаль-
ную и горизонтальную плоскости Hh/Nh = 0,5...0,58.
Ширину лыжной дорожки в зоне разгона принимают в предела*
2Д..4 м, а в зоне горы приземления увеличивают до (ZA / 7-^4) м.
Выбор генеральных размеров трамплина производят по указаниям
норм Международной лыжной федерации (ФИС) [17]. Необходимые дан-
ные для назначения этих размеров приведены в табл. 14,1 и 14.2.
252
Таблица 14.1. Нормы ФИС для определения длины и высоты разгона (размеры в м)
Скорость Угол наклона участка разгона а, град
на участке £2, м/с 20 25 30 1
35 40
Ei ь. L A—L Ei Et A, Ei
20 104 27 71 [ 27 55 26 45 26 39 26
21 118 31 so ; 30 62 29 L_52 , 29 44
22 136 35 91 1 33 71 33 32 L 40_ 32 !
23 159 39 104 i 37 80 37 65 36 54 36
24 200 44 120 : 42 89 41 72 40 60 40
25 — — 139 ’ 46 99 45 80 44 67 44
26 • 160 j 52 111 50 90 .49 74 48
27 — — 195 ! 57 124 55 100 54 81 53
29 — — 1 R 150 67 120 65 95 64
30 — i — 1 — 163 74 130 71 _ 103 7D
Таблица 14.2. Нормы ФИС для определения длины прыжков
> Угол наклона каса- i тельной в крнтиче- i ской точке Р, град Длина прыжков, м, при П*/№, равном ! j El •
0,58 j 0,56 0,54 i 0,52 0,50 . 1 P, М/С •
35-36 61 59 57 5 55 53 '• 20-22 } 10 |
• (48) ! (47) (45) ! (44) (42) ; i
37-38 87 ! 84 81 1 78 75 J 23-25 । 16
(74) ' (72) (69)_1 (67) (64) ; ... . "
39-40 113 ! 109 105 ’ 101 97 i 26-28 ! 19 ?
(юо) ! &Т)_ _(*?)„ («б) :
41-42 127 : 122 118 ! 114 no ; 29-30 ! 24
(из) ; (109) gos) ; (ЮО (97) | — .a
Примечание: 0 скобках приведены данные дая тренировочных трамплинов.
Пример назначения размеров трамплина. На основании продольного профиля буду-
щего трамплина для квалификационных прыжков назначьте: отношение Нп / Nj, (например,
Я* fNh = 0,56); угол наклона в критической точке Р (у=38°); угол наклона участка. разгона
(а = 30°). Далее по табл. 14.2 определите донну прыжка 4=84 м и скорость разгона
>’=23-25 м/с, которую можно достичь при благоприятных условиях. По табп. 14.1 наедите
ПО известной скорости разгона т = 23...25 м'с (v^ 24 м/с) и углу едклонаа=30» длину рй-
гопного участка Д =89мивысоту этого участкайр= 41м. Потабл. 14.2 одновременно ну-
дите дайну участка £,= 16 м. Тогда общая дойна зоны разгона составит £==£3 +
= 84+16=100 м. Ширину лыжной дорожки Кв зоне разгона примите равной А = 4м, ан зоне
прыжка К- (84/7 + 4) = 16 м.
Покрытием лыжной дорожки трамплина, чаще всего, служит искус-
ственный материал игелит, позволяющий осуществлять прыжки в разное
время года. Искусственное покрытие укладывают по деревянному насти-
лу разгонной зоны трамплина- Лыжную дорожку разгонной зоны по ши-
рине ограничивают направляющими (бордюром) из деревянных брусьев.
253
о обеим сторонам либо с одной стороны лыжной дорожки устраивают
лестницы шириной 0,9... 1,2 м, которые с внешней стороны ограждают пе-
рилами высотой 0,9 м. Лестницы устраивают на консольной части прого-
нов либо в пределах ширины пролетного строения.
У большинства современных трамплинов для горы приземления и
иногда для площадки торможения используют естественный грунт, кор-
ректируемый для получения нужного профиля насыпными грунтами, а
для стартовой площадки и зоны разгона — искусственные сооружения.
^2 ^°MnOHOBO4Hb,e И конструктивные решения
трамплинов
пРалетньк строении трамплинов можно применять следующие
статические схемы:
м фисб8е}3раСПОрНую) «ему при дайне зоны разгона до 70... 80
рамную схему при длине зоны разгона 60...120 м (рис. 14.4);
• коисольную схему при длине зоны разгона до 30..,40м (рис.14.5);
шт ялдар^^0183111^10 СХем^ (°бычно гибкая арка с балкой жесткости)
яри дайне разгонной зоны свыше 120 м (рис. 14.6);
ше 150°м6^ю°Т4Т)™ ВИСЯЧую схемУ ПРИ длине разгонной зоны сяы-
лппГппт?МеНДУеМЫе °®ласти применения различных статических схем
аохптотпт И3 ^СЛО®ИИ сни»ения металлоемкости, удобства монтажа и
архитектурных соображении. ™
ния Фис 4J4Jn пролетных строений. Балочные пролетные строс-
солыкяы vtnu-nr ЛНЯ1ОТ’ как правило, двух- и трехпролетными с кон*
чтобы избежать применения ферм тяжелого
ставияет^^ж^^йО1НОШЙ,НИ балочное пролетное строение при*
везных dienw пт пространственный блок обычно из двух нераз-
Хр=зТ™5^:х±ои верти~и ~ ?
мы с консольной частью нижнего^ХТМеНеНИе °даопР°лТ0И Т
шаймоментипозводающейпри^
Очен<гя«№ »=nv «рнэтомприменить фермы легкого типа.
фамплина. очеДХшх по™ ”0ВТО1’*ег Ч’°Фгаь Г33™11"
ДЛЯ пояса ппийимятп-r nof С0В принимают по прямой ЛИНИИ ЛИОС
вых сообрХний И руХХ™™ ®“да “
254 дствуясь требованием снижения расхода ста
Рнс. 143. Балочный двухпролетный трамплин:
/ — двухпролетные фермы легкого типа; 2—концевая опора; 3 — связи пролетного строения: 4—про-
гоны; 5—перила ограждения; 6—лифтовая шахта; 7—деревянный настил по прогонам
ли. Решетку ферм чаще всего принимают треугольной с дополнительны-
ми стойками и шпренгельными элементами к верхним поясам ферм для
уменьшения шага прогонов, однако возможно применение и других ти-
пов решетки.
Высоту сечения неразрезных ферм в пролете назначают в пределах
(1/12...1/15) , на промежуточных опорах высота сечения может быть
увеличена по архитектурным и конструктивным соображениям до
(1/6...1/8) пролета фермы.
Элементы ферм пролетного строения чаще всего вьшолняюттаврово-
го сечения из прокатных тавров или из двух спаренных уголков. Можно
применять двутавровые сечения из двух швеллеров, прокатных двутав-
ров, а также замкнутые сечения из труб. Элементы решетки обычно име-
ют крестовое сечения из двух уголков. Предпочтительно все же приме-
нять замкнутые сечения, обладающие более высокими эксплуатационны-
ми качествами. Соединения элементов ферм принимают, как правило,
сварные. Конструкции узлов ферм пролетного сечения решаются анало-
гично узлам сварных легких ферм [1].
Горизонтальные связи по верхним поясам ферм выполняют одновре-
менно функцию ветровых ферм. Длину панели последних принимают
равной шагу прогонов, который, в свою очередь, определяется несущей
способностью деревянного настила и колеблется в пределах 1,5...3 м.
255
Горизонтальные связи по нижним поясам ферм пролетного строения
(рис. 14.3) также выполняют функцию ветровых ферм. Решетку проекти-
руют чаще всего крестового типа из уголков.
Вертикальные связи обеспечивают геометрическую неизменяемость
блока и необходимую жесткость. Эти связи ставят в плоскости опорных
сечений ферм, а по длине ферм через 12... 15 м.
Прогоны обычно проектируют двутаврового сечения. Статическая
схема прогонов, как указано выше, определяется расположением лест-
ниц.
Фермы пролетного строения опираются в нижней части разгонной зо-
ны непосредственно на бетонные фундаменты, являющимися анкерными
неподвижными опорами ферм и воспринимающими скатную составляю-
щую нагрузки от пролетного строения. Прочими опорами ферм являются
либо плоские («качающиеся») стойки, что является статически подвиж-
ной опорой, либо пространственные (жесткие) опоры и тогда опорные уз-
лы ферм конструируют подвижными. Компенсация температурных де-
формаций ферм пролетных строений производится за счет установки «ка-
чающихся» опор либо защемленных в фундаментах опор с достаточно
большой гибкостью (рис. 14.3).
Подвижные «качающиеся опоры» пролетных строений можно вы-
полнять в виде плоских двухветвевых опор в том случае, если предусмот-
рена отдельно стоящая лифтовая шахта (рис. 14.3), либо в виде простран-
ственной сквозной опоры, в ветвях которой размещается лифтовая шахта
(рис. 14.4). Плоские опоры первого типа выполняют при высоте подъема
до 25...30 м, при большей высоте предпочтительны пространственные
системы со встроенной лифтовой шахтой.
Плоские опоры проектируют двухветвевыми с одно- или двухплоско-
стной решеткой обычно крестовой с дополнительными стойками; дяя
ветвей используют прокатные или сварные двутавры; элементы решетки
выполняют из прокатных уголков или замкнутого сечения; узловые со-
единения — сварные.
Пространственные опоры проектируют обычно сквозными. Они со-
стоят из двух пространственных стоек, соединенных по высоте горизон-
тальными пространственными ригелями. Стойки пространственной опо-
ры выполняют сквозными четырехветвевыми или грехветвевыми с соот-
ветствующим количеством плоскостей связевой решетки. Стойки опоры
по высоте раскрепляют распорками (диафрагмами).
Конструкции пролетного строения и прогоны рассчитывают: на по-
стоянные нагрузки от искусственного покрытия (g=80...100 Н/м'-
1,2): деревянного настила (g=300...400 Н/м2, у,— 1,2); на временные
256
Рис. 14.4. Консольно-рамный трамплин:
1 —двухпролетаые сквозные рамысконсольнымучасгкомригеля; 2—сквозная пространственная рам-
ная опора, совмещенная с лифтовой шахтой; 3—промежуточная пространственная опора; 4—прого-
ны; 5—перила ограждения; 6—деревянный настиг по прогонам
(ремонтные) нагрузки (р = 2 кН/м2, — 1,2); на полезные нагрузки от тол-
пы людей на лестницы и стартовую площадку, а также на кратковремен-
ные снеговые и ветровые нагрузки. При расчете трамплина обязательна
проверка на опрокидывание от действия ветра.
Расчет конструкций балочного пролетного строения и опор произво-
дят по указаниям (3] и рекомендациям [1].
Рамные, рамно-консольные и консольные системы. Рамные сис-
темы целесообразно применять при длине разгонного участка более
60...70 м. Для уменьшения пролетных моментов можно, например, конце-
вой участок пролетного строения на участке Е2 выполнять консольным
(рис. 14.4). При большой высоте трамплина > 30...40 м желательно
Пролетное строение на участке Et выполнять двухпролетным с шарнир-
ным опиранием концевого пролета со стороны стартовой площадки па
крайнюю опору, чтобы не передавать дополнительный изгибающий мо-
мент на эту опору.
При небольшой длине разгонного участка < 30...4(1 м пролетное
строение можно выполнять консольным (рис. 14.5).
Независимо от принятой схемы трамплина в конструктивном отно-
шении пролетное строение представляет собой жесткий блок из двух ри-
гелей (как правило, ферм легкого типа), объединенных системой гори-
1-1
Рис. 14.5. Консольный трамплин:
1 — консольные фермы; 2 — связи пролетного строения; 3—прогоны; 4—деревянный настил по про-
гонам; 5—перила ограждения
зонтальных и вертикальных связей, аналогично конструктивным реше-
ниям для балочных схем. Высоту сквозных ригелей в пролете для рамной
системы принимают в пределах (1 /15... 1 / 20) где — пролет ригеля.
Для консольных систем высоту ригеля в заделке принимают в пределах
(1/4...1/6) где /,— вылет консоли.
Большая длина разгонной зоны приводит к необходимости примене-
ния высоких опор и, как следствие, к выбору пространственной схемы
концевой опоры. Ширину такой опоры в плоскости ригелей принимают в
пределах (1/20...1/30) Н, где Н— высота опоры. Необходимо иметь в ви-
ду, что на фундаменты опор с жестким сопряжением с ригелем передает*
ся распор и, следовательно, это обстоятельство должно учитываться при
конструировании опорных узлов. Поперечный размер опор b определяет-
ся шириной пролетных строений и требованиями устойчивости сооруже-
ния на опрокидывание.
Типы сечений элементов ригелей и связей, узловые сопряжения эле-
ментов принципиально не отличаются от принимаемых для балочных
систем и могут выполняться по рекомендациям [1].
Расчет конструкций производят на нагрузки и воздействия, описан-
ные выше для балочных систем. Особенностью расчета рамных трамплп*
нов является необходимость учитывать усилия от температурных воздей-
258
стали и дополнительные усилия, возникающие от неравномерной осадки
опор.
Статический расчет рамных систем можно производить методами
строительной механики, с помощью готовых таблиц по указаниям [30]
или на ЭВМ. Конструктивный расчет также производится по указаниям
[3] и рекомендациям [1,2].
Комбинированные и висячие системы. В тех случаях, когда общая
длина разгонной зоны трамплина £ более 100... 120 м, целесообразно ис-
пользовать комбинированную систему, состоящую, например, из балки
жесткости, установленной по верху гибкой арки (рис. 14.6). Достоинст-
вом такой системы является, в частности, меньший расход стали по срав-
нению с балочными и рамными системами, а также архитектурная выра-
зительность конструкции. Недостатком системы является значительный
распор, который необходимо воспринять фундаментами, ее чувствитель-
ность к температурным воздействиям и сложность изготовления и монта-
жа конструкций.
Балку жесткости располагают чаще сверху гибкой арки (возможно
также решение с расположением балки жесткости в пределах высоты ар-
ки). Ее обычно выполняют сплошностенчатой двутаврового сечения, ре-
же в виде фермы легкого типа. Высоту сечения балки жесткости прини-
мают в пределах (1/40... 1/60) 4 (/,-—пролет арки) из условия обеспечения
требуемого прогиба f. Относительный прогиб балки жесткости можно оп-
ределить по формуле:
f / Z=[5(g„ +Л)/;]/[6150ЕЛ=[/ / Л,
где (&+Рж) — нормативные значения достоянной и временной нагрузок;
EI—жесткость балки; [///]—допускаемый прогиб по [4].
По балкам жесткости укладывают прогоны, деревянный настил лыж-
ной дорожки, в пределах высоты сечения балки жесткости располагают
ветровую ферму.
Гибкую арку проектируют параболического, реже кругового очерта-
ния сппошностенчатого сечения высотой (1/100.-1/120)4-
Над арочные стойки к балке жесткости работают на центральное сжа-
тие. Шаг стоек по длине арки определяют из технико-экономических со-
ображений и принимают в пределах 6...9 м. Высоту сечения стоек назна-
чают в пределах (1/15... 1/20) Zv., где /с —длина стойки.
Особенностью статического расчета комбинированной системы яв-
ляется необходимость учета геометрической нелинейности деформиро-
вания системы. Особенностью расчета балок жесткости является необхо-
димость учитывать в них дополнительные усилия от ветровой яахрузки.
259
Вариант 1
2-2
Вариант 2
Рис. 14.6. Трамплин с комбинированной системой пролетного строения:
1 — балка жесткости; 2 — гибкая арка пролетного строения разгоннойзоны; 3—гибкая полуарка учаи-
ко прыжка; /—надарочные стойки: 5—оттяжка (ванты); б—ветровые связи пролетного строен!*»-’
7—прогоны: Я—пилон ( рамная плоская опора); 9—лифтовая шахта; 10—пилон (рамная просгрзн-
сгвениая опора, совмещенная с лифтовой шахтой): 11—деревянный настил лыжной дорожки
как в поясах ветровой фермы. Особенностью расчета арок, в случае их
выполнения в виде двухветвевой системы (рис. 14.6, вариант 1 сечения),
является необходимость учета в решетке арки дополнительных усилий от
обжатия ветвей. Расчет производится по указаниям норм [3] и рекоменда-
циям [ 1 ] на нагрузки, описанные выше в разделе балочных систем.
Конструктивным альтернативным решением при длине разгонной зо-
ны Е более 100 м является комбинированная система с использованием
растянутых «нитей» и балок жесткости (рис. 14.7), которую для кратко-
сти будем называть далее висячей системой. Достоинством такой систе-
мы является возможность использования для основных несущих конст-
рукций растянутых элементов (тросов, канатов), удобство транспорти-
ровки и монтажа этих элементов, низкая металлоемкость конструкции и
архитектурная выразительность системы. Недостатком висячей системы
являются наличие большой выдергивающей силы, что требует устройст-
ва мощных фундаментов, повышенная деформативность при подвижных
нагрузках.
Висячая система состоит из двух опор (опоры—пилона в начале раз-
гона и анкерной опоры в плоскости уступа), несущих тросов, стабилизи-
рующего троса, балки жесткости и стоек к балке жесткости. Для обеспе-
чения требуемой жесткости такой системы несущие и стабилизирующий
тросы предварительно напрягают. Эти тросы со стороны высокой опоры
закрепляют в отдельном фундаменте. С противоположной стороны ста-
билизирующий трос крепят ко второму фундаменту в месте расположе-
ния уступа трамплина, а несущие тросы крепят к балкам жесткости горы
приземления.
Балки жесткости, как правило, выполняют по неразрезной многопро-
летной схеме, сплошностенчатыми двутаврового сечения с высотой сече-
ния в пределах (1/60... 1/80) от длины пролета, перекрываемого висячими
конструкциями. По балкам укладывают прогоны, деревянный настил
лыжной дорожки. В пределах высоты сечения балок устраивают горизон-
тальные связи — ветровые фермы с крестовой решеткой.
Особенностью статического расчета висячей системы является необ-
ходимость учета геометрической нелинейности работы от действия под-
вижной нагрузки. Статический расчет пролетного строения висячей ком-
бинированной системы с балкой жесткости желательно производить на
ЭВМ с учетом особенности работы системы. Нагрузки на пролетное
строение и опоры описаны выше в разделе балочных систем. Конструк-
тивный расчет балки жесткости производят по указаниям норм [3] и реко-
мендациям [1]. Особенностью расчета балок жесткости является необхо-
261
2-2
3-3
Рис. 14.7. Трамплин с висячей системой пролетного строения:
1—балка жесткости; 2—несущие тросы; 3 — стабилизирующий трос; 4—стойки балки жесткости к
несущим и стабилизирующему тросам; 5 — гибкая полуарка пролетного строения участка прыжка;
6— оттяжка; 7 — надарочные сгонки; 8— пространственная опора, совмещенная с лифтовой шахтой;
9—опора в конце разгонной зоны; 10—ветровые связи пропетого строения; II — прогоны
димостъ учитывать в них дополнительные усилия от ветровой нагрузки,
как в поясах ветровой фермы.
Неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения ба*
лок жесткости в комбинированных висячих системах делают последние
весьма чувствительными к действию ветра и в связи с этим важной зада*
чей является обеспечение аэродинамической устойчивости. Даже при
равномерном обтекании потоком воздуха пролетного строения могут
возникнуть вынужденные колебания» Проверку аэродинамической ус*
тойчивости пролетного строения проводят путем проверки условия
ver>v > гДе va- скорость ветра, при которой в данном пролетном строе"
нии возникают аэроупругие явления (см. гл. 6), у — расчетная скорость
262
ветра (максимально возможная в данном районе строительства), прини-
маемая по указаниям норм [4]. Минимальное превышение скоростей при-
нимается vtr / v = 1,5. Более подробно проверка аэродинамической устой-
чивости изложена в гл. 18.
Усилия предварительного напряжения несущих и стабилизирующего
тросов назначаются по рекомендациям §8.5 [2].
Особенностью расчета пилона является необходимость учета допол-
нительного усилия от предварительного напряжения тросов и проверка
устойчивости этой опоры па опрокидывание в результате действия ветро-
вой нагрузки на пилон и пролетное строение.
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций 7 Под ред. В.В. Го-
рева. —- М.: Высшая школа, 2000.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий / Под ред. В.В. Горе-
ва. — М.: Высшая школа, 2000,
3. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. — М-: ЦИТП, 1998.
4. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.—М.: ГПЦПП, 1996.
5. Солодарь М. Б., Кузнецова М. В., Шишкин Ю. С. Металлические конструкции
вытяжных башен, — Л.: Стройиздат (Ленинградское отд.), 1975.
6. Справочник проектировщика. Металлические конструкции промышленных зда-
ний и сооружений/ Под ред. В. П. Мельникова. — М.: Стройиздат, 1962.
7. Справочник проектировщика. Металлические конструкции/ Под ред. Н, П. Мель-
никова.— М,: Стройиздат, 1980.
8. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. В 3 т./ Под ред. В. В.
Кузнецова. --М.: Изд. АСВ, 1998, 1999.
9. Соколов А. Г. Металлические конструкции антенных устройств. — М.; Стройиз-
дат, 1971.
10. Зелпчеико А.С., Сммрвов Б.И. Проектирование механической части воздушных
Линий сверхвысокого напряжения. - - М/. Энерген.здат, 1981.
11. Кесельмаи Л.М. Основы механики воздушных линий электропередачи. ~~ М.:
Энергоатомиздат, 1992.
12. Крюков К.П., Курносов А.И., Новгородцев Б.П. Конструкции и расчет металли-
ческих и железобетонных опор линий электропередачи.— • Л.; Энергия, 198'.
13. Правила устройства электроустановок. — М.: Эверз самиздат, 1986.
14. Да,(иомов М.С. Прожекторное освещение.—М.: Энергия, 1978.
15. Сысоев КА. Основы геодезии. -М.: Колос, 1965.
16. Буровые сооружении и подъемно-транспортное оборудование. Каталог. М.:
ЦППТИхимнефтемши, 1978.
17. Спортивные сооружения. Проектирование и етроптельетво/ Код ред. Р. Виршил-
До. — Варшава: Изд-во «Аркады», 396S.
18. Гидравлика, водоснабжение и канализация? И.В. Прозоров, 1.1*. Пикодадзе,
А.В. Минаев и др. — М.: «Высшая школа», 1990.
19. Листовые металлические конструкции / E.II. Яессиг, Л.Ф. Лтшеев, А.1. (.око-
•Дов. М.: Стройиздат, 1970.
263
20. СНнП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проекти-
рования / Госстрой СССР- — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.
21. ВСН 51.1-81. Проектирование морских стационарных платформ. — М.: Миннеф-
тепром СССР, 1981.
22. ВСН 41-88. Проектирование ледостойких стационарных платформ.—М.: Мин-
нефтепром СССР, 1988.
23. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. Пер. с англ. — Л.: Судо-
строение, 1986.
24. Симаков Г.В., Шхииек К.И, Смелов В.А. Морские гидротехнические сооруже-
ния континентального шельфа. — Л.: Судостроение, 1989.
25. Скрыпннк СТ. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин на море. — М.:
Недра, 1989.
26. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции / Под ред. В Л.Гиршфельда. — М.:
Энергоатомиздат, 1987.
27. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04,02.-84 «Водоснабжение. На-
ружные сети и сооружения») /ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.—М.: ЦИТП Госстроя
СССР, 1989.
28. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. — М.:ЦИТП
Госстроя СССР, 1985.
29. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. — М.: Строй-
издат, 1978.
30. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. Т. 1 / Под ред. АЛ
Уманского.—М.: Стройиздат, 1972.
РАЗДЕЛ 111
ДРУГИЕ ВИДЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Глава 15
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
15.1. Приемы предварительного напряжения
Металлические предварительно напряженные конструкции — это та-
кие конструкции, в которых искусственным путем в период изготовления
или монтажа создаются начальные напряжения или усилия, обычно об-
ратного знака по отношению к усилиям от внешней нагрузки.
Предварительное напряжение применяют для снижения расхода ме-
талла и стоимости конструкции. За счет предварительного напряжения
может быть достигнуто повышение устойчивости конструкции или ее
элементов, либо жесткость системы. Предварительное напряжение при-
меняют также при усилении существующих конструкций для повышения
их несущей способности.
Предварительное напряжение металлических конструкций можно
создавать различными приемами. Ниже мы рассмотрим наиболее
используемые из них.
Предварительное напряжение регулированием уровня опор. Суть
приема — поддомкрачивание, подклинка или устройство опор на разном
Уровне для видоизменения внешних эпюр изгиоающих моментов в нераз-
резных конструкциях (балках, фермах).
Наиболее просто это можно продемонстрировать на примере двух-
пролетной неразрезной балки, нагруженной равномерно распределен-
ной нагрузкой. Поставим задачу: выровнять опорный п пролетные изги-
бающие моменты в балке, не допуская развития пластических деформа-
ции, т. е. в упругой стадии. В качестве регулирующего воздействия
Примем преднамеренно заложенную разницу в уровне опор (см.
Рис. 15.1). Балка, поставленная на крайние опоры под действием собст-
венного веса, либо некоторой начальной нагрузки, лиоо после подтяж-
265
Рис. 15.1. Регулирование расчетной эпю-
ры изгибающих моментов изменением
уровня опор
ки, например болтами к средней
опоре, расположенной ниже край-
них опор на величину расчетного
зазора, в итоге будет иметь на опо-
ре уменьшенный изгибающий мо-
мент. Закрытие зазора на средней
опоре равносильно воздействию
начальной сосредоточенной силы,
вызывающей равную зазору де-
формацию балки. Таким образом,
выравнивание опорного и пролет-
ных моментов достигается без вы-
хода в упругопластическую ста-
дию, т.е. без опасности лавинного нарастания деформаций при образо-
вании шарниров пластичности.
Иногда требуется перераспределить изгибающие моменты в много-
пролетной балке. Так, в мостах высоту балки на опоре желательно делать
больше, чем в пролете, что позволит понизить верхнюю отметку проез-
жей части моста и сократить затраты на устройство подъездов при одно-
временном увеличении подмостового габарита для обеспечения судоход-
ного пространства во время паводка. В таких балках переменного сече-
ния (с криволинейным очертанием) опорные моменты должны быть
больше пролетных, что достигается путем регулирования уровня опор.
Для усиления положительного эффекта в мостах часто одновременно ис-
пользуют другие приемы предварительного напряжения, например за-
тяжками из пучков высокопрочной проволоки (см. ниже). Один из мостов
этого типа построен через реку Томь в г. Новокузнецке общей длиной 486
м (крайние пролеты по 73 м, средние — по 109 м), другой — через реку
Дон в г. Ростове-на-Дону, где средние пролеты составляют 128 м.
Оригинальный вариант регулирования НДС в балочных конструкци-
ях был предложен В.М. Вахуркиным и назван автором системой «бал-
ка — тяж». Балку на двух опорах подтягивают в середине пролета с помо-
щью гибкого тяжа к тяжелому фундаменту или любому иному анкерую-
щему устройству с получением начального изгиба в том же направление
что и от последующей внешней нагрузки (рис. 15.2, а). Приложение
внешней поперечной нагрузки снижает усилие натяжения тяжа, но при
правильном выборе начального натяжения можно запроектировать сис-
тему с таким расчетом, чтобы тяж оставался растянутым и в условиях экс-
плуатации. Тогда тяж будет работать аналогично дополнительной упру-
гой стойке от временной нагрузки, создаст неразрезность системы. При
266
*7777, *7777,
Рис. 15.2. Схемы «балка—тяж»
подвижной полезной нагрузке появляется возможность существенно
улучшить диапазон изменения напряжений в балке и тем самым повы-
сить ее выносливость.
Возможно и иное решение, в котором концы двухконсольной балки
подтягивают тяжами к анкерным опорам и эпюра изгибающих моментов
от предварительного напряжения имеет знак, обратный значениям мо-
ментов от поперечной внешней нагрузки (рис. 15.2, б). Тяжи и в этом слу-
чае следует натянуть с таким расчетом, чтобы они оставались растянуты-
ми после приложения поперечной нагрузки. Тогда они выполнят роль до-
полнительных упругих опор, а работа балки на внешнюю поперечную
нагрузку будет аналогичной работе двухпролетной неразрезной балки.
Нетрудно догадаться, что подобные приемы вполне приемлемы и для
усиления существующих конструкций и могут быть использованы в про-
ектах реконструкции при соответствующем расчетном обосновании.
Изменение внутренней эпюры напряжений. Большое внимание
привлекали, особенно вначале 60-х годов нашего века, составные балки,
в которых продление упругой работы достигается за счет взаимного
предварительного напряжения частей, например начальным изгибом.
Две части балки предварительно выгибают в направлении, обратном из-
гибу от проектной внешней нагрузки, и только после этого сваривают ме-
жду собой (рис. 15.3, а). После того как обе части бачки освободятся от
предварительного выгиба, будучи уже объединенными в единый стер-
жень, в сечении появятся нормальные напряжения, вызванные силами
упругого сопротивления (рис. 15.3, б). Вместе с напряжениями от началь-
ного выгиба они дают результат по напряжениям, показанный на эпюре
Затем балку нагружают поперечной нагрузкой и в ее сечении (напри-
мер, наиболее нагруженном) развиваются нормальные напряжения, изо-
браженные на эпюре 4. Складываясь с напряжениями предыдущих ста-
дий, эти напряжения приводят к образованию результирующей эпюры
напряжений 5. Можно так подобрать параметры балки и уровень началь-
ных напряжений в ее составных частях, что конечная эпюра напряжений
будет близка к прямоугольной, т. е. результат по степени использования
Эпюры с
Рис-15.3. Изменение эпюры нормальных напряжений предварительным изгибом двух
ее половин до соединения сваркой:
а — предварительный выгиб; б—нагружение балки полезной нагрузкой; 1...5 — эпюры напряжений
материала в сечении балки будет практически тот же, что и при использо-
вании перехода в пластическую стадию работы, но в данном случае нет
опасности чрезмерного развития деформаций балки при образовании
«перелома» в шарнире пластичности. Балка работает упруго практически
до момента достижения несущей способности.
Фирма Baulton & Paul в Великобритании организовала производство
балок комбинированного сталежелезобетонного сечения, основываясь на
этой идее, и широко использует их при строительстве виадуков, пешеход-
ных мостов и т.п.
Предварительное напряжение стальных гибких стержней. Кре-
стовую решетку башенных конструкций, крестовые связи и т.п. часто
проектируют из гибких элементов в расчете на то, что сжатые элементы
выключатся из работы и внешнее воздействие полностью передастся на
растянутые. Если гибкие элементы будут предварительно натянуты, то
при действии внешней нагрузки в растянутых элементах усилия будут
суммироваться, а в сжатых — вычитаться. В результате внешним воздей-
ствиям будут сопротивляться все элементы, поэтому деформативность
системы уменьшится.
Регулирование усилий в процессе сборки сооружения нутем изме-
нения расчетной схемы. Главная особенность такого регулирования со-
стоит в использовании различных типов соединений (введение шарнир**
или, наоборот, жесткого узла в процессе возведения, либо постановка
дополнительных элементов).
В качестве первого примера, иллюстрирующего суть обсуждаемой
идеи, приведем схему регулирования усилий в двухпролетной раме про-
мышленного цеха. В процессе проектирования была допущена ошибка и
оказалось, что крайние панели нижнего пояса ригелей не отвечают треоо-
268
элементы, устанав-
ливаемые после
приложения всей
постоянной нагрузки
Рис. 15-4. Двухпролетная рама с изменяющейся схемой
ванию устойчивости при полной нагрузке на покрытии. Тогда было приня-
то решение устанавливать стержни этих панелей пояса лишь после монта-
жа конструкций покрытия и устройства кровли, т.е. после приложения
всей постоянной нагрузки на покрытии. Таким образом, рама работает на
постоянную нагрузку покрытия как разрезная с шарнирами, примыкающи-
ми к средней стойке рамы, а на снеговую нагрузку, которая в данном слу-
чае была примерно равна постоянной, рама уже работает как неразрезная с
жестким сопряжением ригелей и со средней колонной (рис. 15.4).
К этому же классу конструкций следует отнести рамно-балочные
мосты, в которых в процессе возведения двухконсольно-балочная схема
превращается в рамно-балочную после предварительного деформирова-
ния балок за счет укладки пригруза на консоли, установки дополнитель-
ных элементов, соединяющих концы консолей с основанием устоев мос-
та и, наконец, снятия пригруза с консолей. Последовательность операций
при возведении сооружения показана на рис. 15.5. Характерная черта
этого приема предварительного напряжения—использование не только
изменения расчетной схемы в различных стадиях, но и использование уп-
ругих свойств конструкции для создания взаимного предварительного
напряжения частей и, как правило, без применения специальных меха-
низмов. домкратов и т.п.
Создание предварительного напряжения затяжками из высоко-
прочных материалов. Одним из наиболее перспективных способов
предварительного напряжения металлических конструкций следует при-
знать напряжение с помощью высокопрочных затяжек, вант (напрягаю-
щих элементов). Принципиальные черты этого способа удобно рассмот-
269
Рис. 15.5. Схема предварительно напряженного моста рамно- балочной системы:
а...в— cajuai возведения моста с установкой пригруза (б) и подкосов (в); г— предварительно напря-
женная рама моста в эксплуатации
Рис. 15.6. Работа предварительно сжатого стержня на растяжение:
в— стержень; б—диаграмма напряжений; в—диаграмма деформаций; 1—жесткая часть стержня
(обойма); 2—напрягающий элемент
реть на прямом стержне постоянного сечения, работающем на осевое рас-
тяжение (рис. 15.6). Жесткую часть (обойму) стержня выполняют из
трубы, двух швеллеров, двух (четырех) уголков и т.п. и подвергают пред-
варительному сжатию натянутой на нее высокопрочной затяжкой (арма-
турой), расположенной по центру тяжести сечения (рис. 15.6, а). Затяжку
выполняют из стального каната, пучка высокопрочной проволоки или ар-
матурного стержня. Система однажды статически неопределима. Началь-
ное сжимающее напряжение ст01 в жесткой части уравновешивается рас"
тягивающим напряжением сг02 в затяжке.
При приложении внешней натрузки Р обойма и затяжка работают на
растяжение совместно, причем в затяжке растягивающее напряжение
270
растет, а в обойме сначала погашается начальное напряжение сжатия, а
затем появляется растягивающее напряжение (рис. 15.6, б). Площади се-
чения обоймы и затяжки и величину начальной силы натяжения выбира-
ют так, чтобы полностью использовать возможности материалов по несу-
щей способности. В предварительно сжатом стержне удлинение от на-
грузки не зависит от расчетного сопротивления затяжки и не может быть
больше, чем удвоенное удлинение стержня из обычной малоуглероди-
стой стали, так как qoj не может быть больше 7?]. Материал затяжки имен-
но поэтому используется эффективно. Это относится к любым конструк-
циям, напрягаемым с помощью высокопрочных затяжек (балки, фермы,
арки, рамы, структурные плиты, блоки и т.п.). Кроме того, введение в ра-
боту затяжек изменяет расчетную схему конструкции, повышая степень
ее статической неопределимости, что при обоснованном назначении раз-
меров сечений элементов, как правило, повышает эффективность конст-
рукции не только по материалоемкости, но и по надежности.
Многоступенчатое предварительное напряжение. В рассмотрен-
ном выше примере предварительно сжатого стержня обсуждается одно-
кратное натяжение затяжки. Если внешнюю нагрузку прикладывать час-
тями и чередовать ее со ступенчатым натяжением затяжки, то можно по-
высить эффект от предварительного напряжения (рис. 15.7). После на-
чального предварительного
натяжения а01, близкого по
величине к расчетному со-
противлению материала,
прикладывают нагрузку,
Л j погашающую предвари-
тельное напряжение. После
Дополнительного предвари-
тельного напряжения cfo
вновь прикладывают часть
нагрузки Р/. Циклы смены
нагрузки и предварительно-
го напряжения могут быть
повторены несколько раз, за
счет чего грузоподъемность
конструкции повышается в
несколько раз.
Однако следует пом-
нить, что частями можно
прикладывать лишь посто-
271
янную нагрузку. Временной может быть лишь нагрузка последнего цик-
ла. Нельзя забывать, что снятие нескольких циклов нагрузки может при-
вести к перегрузке конструкции от воздействия суммарного усилия пред-
варительного напряжения, не имеющего компенсации от снятой части
нагрузки. Таким образом, только в конструкциях со значительной посто-
янной нагрузкой, позволяющей прикладывать ее ступенями, возможно
применение многоступенчатого предварительного напряжения.
15.2. Стержни, предварительно сжатые затяжками,
работающие на растяжение
В растянутых стержнях при больших усилиях целесообразно приме-
нять предварительное напряжение с помощью затяжек. Такие стержни
могут быть элементами ферм, затяжками арок, рам и т.п. Жесткую часть
комбинированного стержня лучше проектировать в виде симметричного
сечения относительно главных осей инерции (рис. 15.8 ). В качестве жест-
кой части (обоймы) применяют трубы, составные сечения нз швеллеров,
уголков и гнутые профили. В открытых тонкостенных стержнях затяжки
следует располагать в одной из главных плоскостей поперечного сечения
лучше всего вне круга устойчивости (рис. 15.8, а, б).
Рис. 15.8. Тииы сечений предварительно сжатых стержней с затяжками:
/—круг устойчивости; 2—эксцентриситет; 3—затяжка с направляющей шайбой; а—р—типы сечений
272
Затяжку чаще всего проектируют на всю длину стержня. Для обеспе-
чения жесткости стержня на продольный изгиб применяют направляю-
щие шайбы, муфты или диафрагмы, создающие поперечную связь между
обоймой и затяжкой, но не препятствующие продольным перемещениям
затяжки. Расстояние между ними приблизительно равно свободной дли-
не стержня при расчете на продольный изгиб и из экономических сообра-
жении выбирается таким, чтобы гибкость стержня не превышала 40...50.
В стержнях с трубчатой обоймой удобнее использовать направляющие
шайбы, заклиненные на самой затяжке, но свободно скользящие в трубе
(рис. 15,8, р).
Затяжки предварительно напряженных конструкций выполняют из
высокопрочных материалов — пучков высокопрочной проволоки, семи-
проволочных прядей, стержневой высокопрочной арматуры, витых и не-
витых стальных канатов заводского изготовления (смл.8.1.3 [2]). Меха-
нические характеристики материалов для затяжек приведены в приложе-
нии 8 [2]. Для стабилизации упругих свойств канатов их подвергают
предварительной вытяжке (см.п.8.1.3 [2]) усилиями, превышающими на
15...20% расчетные усилия, выдерживая под нагрузкой в течение не ме-
нее 30 мин, либо на специальных стендах, либо на самой конструкции, ес-
ли это обосновано расчетом. Эту операцию, как правило, выполняют в го-
товых канатных элементах, оснащенных анкерными устройствами, что
позволяет выполнить одновременно и испытание анкерных устройств.
В пучках высокопрочной проволоки используют гладкую арматуру
диаметром 2,5...8 мм с временным сопротивлением 1400...1100 МПа.
Наиболее часто применяют проволоку 4 и 5 мм. Проволоку в пучке распо-
лагают прямолинейно с плотным заполнением круглого сечения или по
периметру окружности с образованием трубчатого сечения. При трубча-
том сечении число проволок в пучке обычно кратно шести <12,18,24. об
шт.) в зависимости от расчетного усилия в затяжке и конструкции тяну-
щего домкрата, выбираемого с учетом начального усилия в пучке,
Анкерные крепления для витых канатов и пучков с большим числом
проволок чаще всего применяют стаканного типа (см. рис. 8.10 (zj), как
Правило, с нарезкой на наружной поверхности для навишшвания захват-
ных приспособлений тянущего домкрата. Концевые крепления затяжек
из пучков с числом проволок не оолее лб и диаметром проводок 4...S мм
оформляют в виде анкера типа «колодка с пропкой>> (ем, рис. 8.13, ь ЕЛ).
Применяют также и другие анкеры.' гизьзокляновыс, гильзостержневые,
стаканные с забивкой клиньев и др. (см. п. 8.1.3 [2]).
Мощные затяжки значительной длины выполнимы в виде уесконуч-
йои петли. Петлю удобно закрепить на специальных укорах, щн из ко-
торых подвижен (рис. 15.9). Под-
вижный упор перемещают с по-
мощью толкающего домкрата,
натягивая затяжку до заданной
величины усилия, после чего
упор закрепляют на конструкции
с помощью сварки, болтов или за-
клепок.
Работа и расчет предвари-
тельно сжатых стержней, рабо-
тающих нй растяжение. Рас-
„ Л смотрим комбинированный стер-
Рис. 15.9. Петлевидная затяжка с подвнж- J
иым упором: жею” состоящий из жесткой
— общий вид; б-схема натяжения затяжки; ЧаСТИ И ЗЭТЯЖКИ, расчетная схема
1—неподвижный упор; 2—затяжка; з—упор для которого приведена на рис. 15.0.
домкрата; 4—домкрат, 5—подвижный упор Предположим, что наиболее вы-
годное распределение материала
достигается при полном использовании несущей способности обеих час-
тей стержня в состоянии наибольшего напряжения каждой из них и при
условии полного использования прочности материала обеих частей в ста-
дии эксплуатации.
Введем следующие обозначения:
М No—усилия в стержне от внешней нагрузки (растяжение) и усилие
предварительного сжатия; ДУ—приращение усилия в арматуре (от дей-
ствия усилия У); урс — коэффициент условий работы жесткой части при
предварительном сжатии натяжением затяжки в упор на торец стержня;
ki—коэффициент потерь в затяжке (обычно компенсируется повышени-
ем усилия натяжения затяжки); <р — коэффициент продольного изгиба
обоймы (зависит от расстановки диафрагм, направляющих втулок и др-
связей); А], А2, Е^, Ez~ Ri} Rz — соответственно площади сечения, модули
упругости и расчетные сопротивления обоймы 1 и арматуры 2; £—Еу iЕг-
- 1; ка ~ R2 JRi £ 1 —безразмерные соотношения модулей упругости и
расчетных сопротивлений материалов; У[ > 1,у2 < 1 —- коэффициенты на-
дежности контроля величины усилия предварительного сжатия.
Запишем условие устойчивости обоймы при предварительном напря-
жении:
Уо <-/^к^Аг /у, =у7,й,Л1
или где ур = у^Лф/Уь
274
(15.1)
Условия прочности обоймы и арматуры в конечной стадии:
У-ЛДГгУо/^+ДУ)^^,, (15.2)
£R2A2.
Условие совместности деформаций при воздействии силы Уна комби-
нированный стержень (закон Гука): kj&Nl / (£2Л2)=(У -Л, ДУ)/ / (Ег J,),
или, с учетом значения р, Л,ДУ -NA2! фА2 +Л2).
Вставляя далее значения Уо из (15.1) и kt bN в неравенства (15.2), по-
сле их совместного решения получим:
Л0=Л1+Л2/₽>У/[/?!(1+у?у2)], (15.3)
где Ао можно рассматривать как потребную приведенную площадь ком-
бинированного стержня с учетом различной продольной жесткости мате-
риала обоймы и затяжки.
Учитывая обозначение ка, после простых подстановок имеем:
4> =ЛФу2,«'/[*в₽+т2,(«'-и’)-1]}=ЛНо» 05.4)
где ро — оптимальный процент армирования стержня, имеющего приве-
денную площадь поперечного сечения Ао и расчетные характеристики
свойств материала, принятые выше (см. обозначения).
Площадь поперечного сечения обоймы равна:
Л!=Ло-Л2/0 = Л(1-Ро^Р)- (15.5)
Рассмотрим несколько подробнее, какие значения могут принимать в
реальных расчетах коэффициенты Ур., к2, <р, Yi. , Р, ка. Это не только
позволит оценить эффективность предварительного напряжения стерж-
ней, но будет полезно и для практического использования в расчете таких
стержней.
Коэффициент Ур. учитывает особенности работы жесткой части
стержня во время натяжения затяжки (главным образом, наличие люфтов
в местах контакта соединительных элементов обоймы с затяжкой, увели-
чивающих реальную расчетную длину стержня по сравнению с предпола-
гаемой и равной расстоянию между связями). Этот коэффициент может
быть принят равным = 0,9.
Коэффициент <р может быть задан самим конструктором, который оп-
ределяется расстоянием между диафрагмами, направляющими кольцами
или трубками. Обычно это расстояние выбирают е таким расчетом, чтобы
гибкость стержня была равна40...50, что дает значения коэффициента <р=
= 0,9 ...0,85.
2?5
Коэффициенты надежности контроля усилия предварительного сжа-
тия принимают равными единице при прямом контроле величины усилия
по манометру гидравлической установки (домкрата). При косвенном кон-
троле усилия (по удлинениям элементов, колебаниям затяжки и т.п.) вво-
дят коэффициенты у1, равный 1,1 и у2> равный 0,9, в зависимости от того,
какой эффект оказывает усилие предварительного сжатия (увеличивает
или уменьшает величину расчетного усилия в элементе).
Коэффициент kt отражает потери предварительного натяжения в за-
тяжке и связанное с этим снижение разгружающего эффекта для расчет-
ного усилия в обойме. Обычно эти потери стараются компенсировать со-
ответствующим повышением усилия натяжения, что должно быть отра-
жено в расчете. Потери натяжения объясняются деформациями анкерных
устройств и релаксацией напряжений в затяжке. Контролируемое усилие
рекомендуется задавать по формуле:
Хсоп=Х/0,95 + &аА2Е2Н2, (15.6)
где Хсоп—усилие, контролируемое в процессе натяжения затяжки;
X—расчетная величина усилия начального натяжения; 0,95 — коэффи-
циент релаксации (только для канатов и пучков высокопрочной проволо-
ки); А2 , Е2 , 1г — площадь сечения, модуль упругости и длина затяжки;
Дв — податливость анкеров; при закреплении анкеров гайками или кли-
новидными пробками ДЛ = 0,1 см; при использовании анкеров с проклад-
ками Да = 0,2 см.
Коэффициенты р и ка зависят от материалов обоймы и затяжки и
обычно находятся в пределах Р = 1...1,4 и ка = 3...6. Применение затяжек с
относительно более низким расчетным сопротивлением материала в
предварительно сжатых стержнях малоэффективно.
15.3. Балки и балочные системы
15.3.1. Балки, предварительно напряженные с помощью затяжек
Предварительное напряжение балок с помощью высокопрочных затя-
жек применяется наиболее часто, поскольку технология их изготовления
и методы контроля натяжения достаточно отработаны.
Конструктивные решения. Основная идея создания предваритель-
ного напряжения в балках с затяжками заключается в том, что создаются
дополнительные линии передачи усилий растяжения в зоне, расположен-
ной около растянутого пояса. Они играют роль дополнительных поясов
(прямолинейных, ломаных или криволинейных). Более просты в изготов-
276
a)
5)
Рис. 15.10. Схемы размещения затяжек в однопролетных балках
лении прямолинейные затяжки (рис. 15.10. а), устанавливаемые на не-
большом расстоянии от нижнего пояса. Затяжку иногда проектируют
укороченной (рис. 15.10, б), а в балках значительных пролетов она может
быть выполнена из нескольких ветвей и в средней части—составной
внахлестку (рис. 15.10, д). Но следует помнить, что в балках, работающих
на знакопеременную вибрационную нагрузку, устройство анкерных кре-
плений затяжки в пролете нежелательно, так как появляющиеся в зоне ан-
керных устройств концентраторы напряжении понижают выносливость
балок. Наиболее близкое к эпюре изгибающих моментов повышение не-
сущей способности сечения при равномерной нагрузке на балку достига-
ется устройством криволинейных затяжек (рис. 15.10, в), но это треоует
устройства направляющих на стенке оалки. Возможно и применение
Шпренгельных предварительно напряженных балок (рис. 15.10, г, и), од-
нако во избежание потери устойчивости предварительно сжатого нижне-
го пояса в этом случае требуются оолее развитые связи, объединение ба-
лок попарно в блоки и т.п.
Сечения балок могут быть одностенчатыми (рис. 15.11, а-—в), либо
двустенчатыми (рис. 15.11, г, <)). Более выгодны сечения несимметрич-
ные с меньшей площадью растянутого пояса, разгружаемого затяжкой. В
таких сечениях можно добиться наиболее полного использования несу-
щей способности материала из условия равенства краевых напряжений
поясов расчетному сопротивлению материала при действующей расчет-
ной нагрузке. Напряжение в затяжке при этим должно быть также равно
расчетному сопротивлению материала затяжки.
Верхний пояс балки чаще всего выполняют из листа, а нижний может
быть запроектирован в виде уголка, круглой или прямоугольной трубы,
швеллера. В балках двустенчатого и треугольного сечения затяжку обыч-
но располагают внутри сечения, а в одностенчатых’ балках с трубчатым
нижним поясом—внутри нижнего пояса.
Затяжки балок выполняют из канатов, пучков высокопрочной прово-
локи, либо из стержневой арматуры. Предварительное напряжение канат-
ных и пучковых затяжек осуществляют чаще всего тянущими домкрата-
ми, а стержневые затяжки удобно напрягать электротермическим спосо-
бом, либо навинчиванием гаек на концах стержней. Петлевидные
затяжки из канатов или пучков могут быть также натянуты толкающими
домкратами с помощью подвижного упора (см. рис. 15.9). В местах ан-
керных креплений на балку передаются большие сосредоточенные силы,
которые вызывают значительные местные напряжения в поясе и стенке
балки. Стенку балки в этом месте следует укрепить дополнительными
ребрами (рис. 15.12) для обеспечения устойчивости и снижения концен-
трации усилий в зоне анкера.
Устойчивость нижнего пояса при предварительном напряжении обес-
печивается связями с затяжкой в виде ребер, скоб, направляющих втулок
и других устройств, позволяющих затяжке свободно смещаться относи-
Рис. 15.12. Узлы присоединения затяжки, укрепленные ребрами жесткости:
о из опоре балки; б—в пролете
278
Рис. 15.13. Схемы к расчету балки с затяжкой по нижнему иоясу:
а — размещение затяжки; б — поперечное сечение балки; в — эпюра напряжении в сечении балки в ста-
дии эксплуатации
тельно пояса в продольном направлении, но препятствующих выпучива-
нию пояса из плоскости балки. Расстояние между точками соединения
пояса с затяжкой можно задать согласно приближенной оценке устойчи-
вости пояса:
СТх=Т1^/Л+У1^с/^<<рЛ, (15.7)
где ср — коэффициент продольного изгиба пояса (как отдельного стерж-
ня) относительно вертикальной оси балки при свободной длине, равной
расстоянию между местами соединения пояса с затяжкой; No—усилие
предварительного натяжения затяжки; с —расстояние между центрами
тяжести сечения затяжки и жесткой части балки; 17и А — момент сопро-
тивления и площадь сечения жесткой части балки.
Из формулы (15.7) легко найти максимально возможное усилие на-
чального натяжения затяжки, при котором устойчивость пояса обеспече-
на,
=7?ФЯ1Г/ (Г+Ы)г,. (15.8)
Расчет балок. Положим для определенности, что затяжка балки рас-
положена в одном уровне с нижним поясом. Это упрощение можно счи-
тать справедливым и для балок с затяжками, раположенными непосред-
ственно под нижним поясом (рис. 15.13).
Запишем основные условия прочности и устойчивости сечения и его
составных частей для сечения с максимальным изгибающим моментом
(условия полного использования несущей способности):
верхний пояс балки
о I = М I Wt + (у2Лгв + А',) / А - (т2А’о + ‘ Ж =^; (15.9)
нижний пояс балки
ст2 =М -(угА’о +^!)/-4 — (72Л'0 + А,)Л. и -R, (15.10)
279
нижний пояс балки в стадии предварительного напряжения
ахо=тЛо/^ + У1ад/^=^ (15Л1)
напряжение в затяжке при нагружении балки
G3=(J1NQ+Xt)/A3=Ra. (15-12)
Введем понятие «коэффициент напряжения» Э
Р = (уЛо+^1)/^о
и перепишем равенства (1.9)—(1.11) в виде:
М! ИЧРУО / А / Wx =/?; (15.14)
М / W2 +$N0 IА -ДОГД / W2 = R-, (15.15)
yxN0/ A+yxN0h2/W2=R. (15-16)
При совместном решении уравнений (15.14) — (15.15) можно полу-
чить формулы для подбора геометрических характеристик оптимального
сечения балки при заданных значениях расчетного изгибающего момента
и физических характеристик материалов R, Е и Ra, Еа,
M=RcjA*k, (15.17)
и, соответственно, площадь сечения балки составит
А = ^{MIRC}11 к, (15.18)
где к принимает значения 80...120; С—коэффициент, зависящий от
асимметрии сечения балки Ло и параметра ц,
p = (REa)/(RaE). (15-19)
Значения С и Ао принимают по табл. 15.1 в зависимости от значений
коэффициента р, а также от характера поперечной нагрузки на балке (от
него зависит коэффициент самонапряжения, т.е. относительная величина
усилия, возникающего в затяжке от действия поперечной нагрузки, как в
лишней связи статически неопределимой системы). Для стальных балок
значение ц изменяется от 0,1 до 0,4, а для балок из легких сплавов — от
0,3 до 1,5.
Найденную по формуле (15.18) площадь сечения балки распределяют
между полками и стенкой согласно приближенной зависимости т=А*‘А =
= 0,55. Высоту стенки, примерно равную высоте балки, определяют по
формуле
hw £ h = Ан I tv = yhnAk. (15.20)
280
Таблица 15.1. Оптимальные значения параметров Ле, С и длина затяжки для трех
случаев нагружения балки
Схема загружевия балка я 1г = 1 Ti = 1 1г = 0,9 Г» ° 1.1 С Длим ЗЖ1ЯЖКК
А, С Л»
1,87 0,348 1,58 0,347
f / 1 2,11 2,56 3,60 0,369 0399 1,75 1,99 2,40 0,359 0381
0,446 0,415
0.1 1,83 0,344 1,69 0,329
1!1!!!1»!»!1!!„!!1Н1!!11!!1!1!1!ИН1!1! И 0.2 0,3 1,98 2,16 0357 0371 1,80 1,95 0,341 0,354
? 1 f h = i4z s
0,4 2,36 0,384 2,12 0367 J
0.1 1,82 0,342 1,72 0,323 I
ОД 0,3 1,94 0,353 1,88 0328 /у=Е? j
f 1/2 1/2 ! 2,06 0,363 0,373 2,07 2,27 0,332 0,336 i
0,4 2,19 ;
Остальные геометрические параметры поперечного сечения балки (в
том числе и площадь полок Af— А —А^) находят по формулам (1.21) с ис-
пользованием полученных ранее значений площад и сечения балки А, ко-
эффициента асимметрии Ао, а также заданных значении коэффициентов
т и к
уАкт _
4+1’
1 т 1 , _
Л+1 2J^~
4+1 6(4,+1)2
=V ?4~t; W,=4^km^i~
6(4+1) * 6(4+1)
4
4+1
(15.21)
т
2
Площадь затяжки определяется условием
4=Wo)^- (15.22)
Решение уравнения (1.15) относительно (3<Vn дает формулу
рА’о = A(M-lWz)i’ (W^Ak). (15.23)
Из формулы (15.16) находят усилие предварительного напряжения
.V„ = ARW.! (уЛ + У. А)- (15.24)
Усилие самонапряжения затяжки находят из уравнения (15.13)
281
Общая формула для усилия самонапряжения затяжки как элемента
статически неопределимой системы, может быть получена из статическо-
го расчета балки с одной лишней связью при использовании интеграла
Мора:
с —5—ах
5-р _ J EJ.
5п f^2 I 4 , 4
EA EA
(15.25)
Значения интегралов могут быть найдены известным методом «пере-
множения эпюр».
Несущую способность подобранного таким образом сечения прове-
ряют по формулам (15.9) — (15.12) с подстановкой истинного расстоя-
ния от затяжки до центра тяжести сечения балки вместо h2 Корректиров-
ка невязок ведется с помощью коэффициентов тик. Оптимальную длину
затяжки находят по формулам табл. 15.1 в зависимости от коэффициента
6Я0 -т(Л0 +1)2 (15.26)
С 6Лр(Лр+1)
В месте теоретического обрыва затяжки сечение проверяют по фор-
муле Ма/W2<R, где Ма — момекг в месте теоретического обрыва затяж-
ки.
Анкерное крепление затяжки располагают примерно на 0,5 м ближе к
опоре от места теоретического обрыва затяжки, чтобы компенсировать
влияние местных напряжений и полнее включить сечение в работу.
Изложенная выше методика дает возможность оптимального подбора
сечения практически за один цикл вычислений с незначительной после-
дующей корректировкой. Это очень важно в данном, относительно не-
простом, случае расчета предварительно напряженной статически неоп-
ределимой системы. Даже при одной затяжке фактически здесь неизвест-
ных два, так как для полного определения сечения необходимо найти еше
и оптимальную силу предварительного натяжения затяжки.
В балках с анкерным закреплением затяжек в опорных узлах требует-
ся проверка прочности и местной устойчивости нижнего пояса и стенки у
опор при действии максимальной поперечной нагрузки, когда имеют ме-
сто максимальное сжимающее усилие затяжки и наибольшая опорная ре-
акция, а разгружающие напряжения от момента обратного знака в этой
зоне практически отсутствуют. Существенна для предварительно напря-
женных балок рассматриваемого типа и проверка местной устойчивости
282
стенок. Стремление к экономии материала ведет к выбору тонкостенных
сечений ( с соотношением h/tw равным 120 и более), что может потребо-
вать большего числа ребер, так как сжатой является и зона стенки около
анкеров.
Подбор сечений балок с затяжкой, расположенной ниже уровня ниж-
него пояса, имеет свои особенности. При выборе параметров сечения воз-,
можно использование метода последовательных приближений, однако
такой расчет может оказаться слишком трудоемким из-за сложности
удачного выбора начального сочетания параметров и, как следствие, зна-
чительного числа повторных расчетов. Методика подбора сечения, осно-
ванная на законах подобия, позволяет ускорить отыскание рационально-
го сечения предварительно напряженной балки с затяжкой, расположен-
ной на заданном расстоянии от верхнего пояса th > 1 [6].
Расчет по второй группе предельных состояний. В обычных конст-
рукциях при проверке жесткости за расчетный можно принимать прогиб
в середине балки от горизонтальной оси, проходящей через опоры. Пред-
варительный выгиб балки от начального натяжения затяжки становится
при этом дополнительным резервом жесткости.
Если балка при предварительном напряжении и под поперечной на-
грузкой работает в упругой стадии, то ее прогиб и выгиб определяют
обычными способами строительной механики. Так, для балок с прямоли-
нейной затяжкой, расположенной на части длины пролета, выгиб от пред-
варительного натяжения затяжки может быть найден по формуле
f2=N0Cl2(l-^2)/SEJ, (15.27)
где Е = а/I—отношение расстояния от опоры до упора затяжки к длине
пролета.
Точно так же определяют выгиб от усилия самопапрчжешгя Х ^ и от
суммарного усилия в затяжке Ло +Хх„. Прогиб от нормативной нагрузки
/5 <Рп + g^ находят как для обычной балки, а затем выполняют проверку
расчетного прогиба по формуле (рис. 15.14)
/=Л(Л (15.28)
Индекс п здесь и на рис. 15.14 обозначает нормативное значение на-
грузки.
Рекомендуется также проверять и обратный выгио балки от уеизжк
предварительного натяжения затяжки Ne , ограничивая его величиной
предельного прогиба, установленного нормами для данного класса кон-
струкций.
2S3
Примеры применения балок с
затяжками. Первые примеры приме-
нения стальных балок, предваритель-
но напряженных затяжками, относят-
ся к концу 50-х годов текущего столе-
тия, когда было построено несколько
Рис. 15.14. К определению расчетного ОДНОпролетнЫХ автодорожных МОС-
прогнба балки тов в фрг. Затяжка располагалась по
оси нижнего пояса по всей его длине.
Позднее обратили внимание на возможность получения большей эффек-
тивности предварительного напряжения в многопролетных неразрезных
мостах. В неразрезном трехпролетном мосту около г. Монтабара (ФРГ)
главные балки пролетного строения постоянной высоты подвержены
предварительному напряжению непрерывными криволинейными затяж-
ками (рис. 15.15). Положение затяжек увязано с эпюрой изгибающих мо-
ментов: в пролете они расположены около нижнего пояса, а над опорами
поднимаются к верхнему поясу. Затяжки размещались в открытых на-
правляющих желобах с внутренней стороны балок и закреплялись на тор-
цах балок на уровне центральной оси.
В России построено два крупных пятипролетных моста (через р. Томь
у г. Новокузнецка и через р. Дон у г. Ростова). Петлевидные затяжки из
пучков высокопрочной проволоки (по 8 петель, см. рис. 15.9) размещены
над промежуточными опорами балок со ступенчатым смещением.
Рис. 15.15. Неразрезной балочный мост, предварительно напряженный криволиней-
ными затяжками:
а поперечное сечение: б—-общий вид: в — размещение затяжки по высоте сечения
284
Рис. 15.16. Подкрановая балка иод два крана грузоподъемностью 50/10
Эффективно применение предварительного напряжения и в подкра-
новых конструкциях. В нашей стране разработаны разрезные подкрано-
вые балки с затяжками пролетом 12 и 18м для кранов среднего режима
работы грузоподъемностью 50/10 и 30/5 т (рис. 15.16). Сечение балок
принято в виде несимметричного составного сварного двутавра. Затяж-
ки — из пучков высокопрочной проволоки со стаканными анкерами на
концах. За счет предварительного напряжения масса балок снижена на
10... 18%. Эффективность применения предварительного напряжения
повышается с ростом пролета.
15.4. Фермы, предварительно напряженные затяжками
15.4.1. Конструктивные решения ферм
Наиболее разработаны предварительно напряженные фермы покры-
тий зданий. Предварительное напряжение с помощью высокопрочных за-
тяжек из канатов и пучков проволоки применяют в них чаще, чем другие
приемы. Эффект предварительного напряжения зависит оттого, насколь-
ко рационально выбрана конструктивная схема фермы и затяжек, а также
от последовательности предварительного напряжения и загружения по-
перечной нагрузкой.
285
Рис. 15.17. Предвжрительно напряженные фермы вокрытнн с затяжками в пределах
их габаритов
6)
г)
е)
По характеру размещения затяжек и их влиянию на работу фермы
можно выделить три типа ферм: фермы, у которых прямолинейные за-
тяжки размещаются в пределах наиболее натруженных стержней (рис.
15.17, а — е); фермы, затяжки которых располагаются в пределах ее габа-
ритов и вызывают предварительное напряжение в большом числе стерж-
ней фермы (рис. 15.17, е, ас); фермы с затяжками, вынесенными за их га-
бариты (рис. 15.18, 15.19).
Сечения отдельных предварительно сжатых стержней и варианты
размещения затяжек (арматуры) приведены на рис. 15.8 с соответствую-
щими комментариями в тексте. Использование предварительного сжатия
в отдельных растянутых стержнях возможно и целесообразно, хотя наря-
ду с достоинствами (например, возможность создания предварительного
напряжения на заводе) имеет и свои недостатки, в частности, необходи-
мость устройства большого числа анкеров.
Наиболее просто решаются технологические вопросы в фермах с за-
тяжками вдоль нижнего (растянутого) пояса (рис. 15.17, б—д). Одной за-
тяжкой создается предварительное напряжение во всех панелях пояса,
вдоль которых она проходит, но на другие стержни фермы затяжка теоре-
тически не оказывает воздействия, если иметь в виду идеально шарнир-
ное сопряжение в узлах. В фермах больших пролетов при значительной
разнице усилий в панелях нижнего пояса целесообразно ставить две за-
тяжки в нахлестку (рис. 15.17, в), чтобы в панелях с наибольшими усилия-
286
Рис. 15.18. Фермы с затяжками, вынесенными за пределы их габарита:
о—г—очертания затяжек; д—е—объединение ферм в пространственные блоки; 1 — ферма; 2 — за-
тяжка; 3—связи пространственного блока
Рис. 15.19. Фермы тина арки с затяжкой:
а -а—схемы ферм: е — поперечные сечения ферм типа арка с .-лтяъксй; с* • графики работы стержней
фермы; у—при предварительном напряжении до затру жения; 2 • то же,после наличного нагружения
287
ми получить соответственно и больший разгружающий эффект от пред-
варительного напряжения. Чтобы обеспечить устойчивость нижнего поя-
са в процессе натяжения затяжки (и далее, вплоть до нагружения
поперечной нагрузкой), затяжки по их длине соединяют с поясом диа-
фрагмами и другими соединительными элементами так же, как и отдель-
ные предварительно сжатые стержни — через 40...50 радиусов инерции
сечения.
При устройстве затяжек ломаного очертания (шпренгельного типа)
(рис. 15.17, е, ж) можно повысить эффективность предварительного на-
пряжения, включив в сферу воздействия затяжки большее число стерж-
ней. В местах перегиба затяжек устраивают специальные скругленные
упоры для обеспечения свободы и плавности смещений затяжки относи-
тельно упора, а также для предохранения затяжки от повреждения.
Наибольший экономический эффект удается получить в фермах с за-
тяжками, вынесенными за пределы их габарита (рис. 15.18). В таких фер-
мах не только нижний, но и верхний пояс подвержен влиянию предвари-
тельного напряжения. Применение подобных конструкций особенно це-
лесообразно, когда это не связано е ограничениями строительной высоты
покрытия или пролетного строения моста, транспортерной галереи и т.п.
Затяжка в этом классе ферм не связана с нижним поясом фермы и не укре-
пляет его от потери устойчивости, поэтому необходимо предусмотреть
соответствующие меры по обеспечению устойчивости конструкции в це-
лом и ее предварительно сжатого пояса. Это достигается объединением
ферм в блоки (рис. 15.18, д) или выбором пространственно жесткого, на-
пример трехпоясного сечения фермы (рис. 15.18, е).
Наиболее изучены и нашли достаточно широкое применение фермы
типа «арка с затяжкой» (рис. 15.19). Применением ненарушенного ниж-
него пояса можно добиться того, что ферма размещается в габарите обыч-
ных ферм. Рациональность фермы зависит от того, насколько удачно вы-
браны ее очертание, уклон поясов, схема решетки и т.п. Оптимальная вы-
сота фермы от затяжки до верхнего пояса в середине пролета составляет
1/6...1/8 пролета, а высоту жесткой части обычно принимают в пределах
1/10.. 1/12 пролета.
В фермах типа «арка с затяжкой» при правильно выбранных последо-
вательности натяжения и оптимальном усилии в затяжке можно получить
экономию стали 25...30%. В легких предварительно напряженных фер-
мах (пролетом 24...36 м) выгодно применение гнутых профилей открыто-
го или замкнутого профиля, а также труб. Это объясняется тем, что боль-
шинство стержней сжаты в той или иной стадии работы фермы. Повы-
288
Рис. 15.20. Узлы крепления затяжек предварительно напряженных ферм;
1 — анкерное крепление затяжки; 2 — ребра жесткости; 3 — фасонки; 4—затяжка; 5—опорный фла-
нец
шейная устойчивость стержней указанных типов позволяет повысить
силу предварительного натяжения затяжки. В тяжелых фермах применя-
ют стержни двухстенчатые (рис. 15.8, в, е, ж, л, я) или из труб. В фермах
рассматриваемого типа усилие в затяжке достигает значительных вели-
чин, что создает необходимость восприятия в узле закрепления большой
сосредоточенной силы. Примеры решения анкерного узла даны на рис.
15.20, где показаны ребра жесткости, поставленные по расчету на полное
усилие в затяжке.
15.4.2. Расчет ферм, предварительно напряженных затяжками
Фермы, напрягаемые с помощью затяжек, являются статически неоп-
ределимыми системами, для которых нельзя разделить два основных эта-
па расчета—статический расчет и подбор сечений. Усилия в системе за-
висят от соотношения жесткостей элементов, а значит, и от соотношения
площадей сечений (продольная жесткость стержня есть произведение
площади сечения на модуль упругости материала стержня ЛЕ ), Расчет
можно выполнить итерационным путем, чередуя статический расчет с
подбором сечений.
Особенность предварительно напряженных ферм состоит в том, что
Для их расчета необходимо определил, еще одно дополнительное неиз-
вестное—усилие начального натяжения затяжки. Вместе с тем это же
является и дополнительной возможностью регулирования усилий и де-
формаций в системе.
Рассмотрим относительно простой путь построения расчета для одна-
жды статически неопределимых ферм (или ферм с одиночной затяжкой).
Еще в конце XIX века М. Леви была доказана теорема о рациональном
распределении площадей сечении в статически неопределимых фермах.
подверженных однократному статическому нагружению, суть которой
кратко можно записать как «... рациональное распределение площадей
сечений в ферме таково, что после приложения нагрузки в и стержнях (по
числу лишних связей) усилия должны обратиться в нуль». В ферме с од-
ной лишней связью в конечной стадии нагружения хотя бы в одном
стержне должно быть нулевое усилие.
Примем за основную систему жесткую часть фермы, считая затяжку
лишней связью. Найдем в основной системе усилия в стержнях от полной
расчетной нагрузки Л^,, от монтажной нагрузки , приложенной к фер-
ме до натяжения затяжки, и от единичного усилия в затяжке . Стер-
жень, в котором усилие должно обратиться в нуль, назовем критическим.
В фермах типа «арка с затяжкой» таким стержнем является один из
стержней нижнего пояса.
Площадь критического стержня находится по предельной гибко-
сти к—120 при заданной форме поперечного сечения. По площади крити-
ческого стержня в нем находят предельное усилие растяжения
(15-29)
Расчетное усилие в любом стержне фермы определяется формулой
(15.30)
где Npi усилие в i-м стержне основной системы от полной расчетной
нагрузки; Nu—усилие в стержне i от единичной силы в затяжке;
N3 — расчетное усилие в затяжке.
Учитывая, что расчетное усилие для критического стержня равно
(15.31)
получаем усилие в затяжке
N^N^-RA^JN^ (15.32)
и площадь сечения затяжки
А3 ~N3/R„ (15.33)
гдеЛ^. усилие от расчетной нагрузки в критическом стержне из расче-
та основной системы; Н и Л3—расчетные сопротивления соответственно
материала стержня и затяжки.
Приняв за первое приближение, полученное по формуле (15.32) зна-
чение усилия в затяжке N3, можем найти усилия по (15.30) и площади со*
пения стержней также в первом приближении. Усилие самонапряжения
затяжки X, находят по известной формуле Мора для шарнирно-стержне-
вых систем
290
X, ^(LNbNpilt lEAVQNll, IEA;-l3I E3A3\ (15.34)
где /д, Е3 — длина и модуль упругости затяжки.
Полное усилие в затяжке N3 в конечной стадии работы фермы скла-
дывается из усилия предварительного натяжения Na и усилия самона-
пряжения Х} .Таким образом, усилие предварительного натяжения за-
тяжки равно
No ~ N3-Xi- (1535)
Окончательная проверка несущей способности стержней фермы
должна быть выполнена с учетом работы их на всех стадиях предвари-
тельного напряжения и нагружения. Так, на расчетные эксплуатацион-'
ные нагрузки проверка ведется по формулам:
для стержней, усилия которых в основной системе имеют разные зна-
ки при расчете на расчетную нагрузку и от натяжения затяжки:
а) сжатые стержни при расчете на эксплуатационные нагрузки
при Npi>Nl;N0
А;, - ft2N0 +Х,)Nv < tyRA}; (15.36)
при Npi<NuNo
~(тЛо +XJN» (1537)
б) растянутые стержни при расчете на эксплуатационные нагрузки
при Npi>NuN0
Npi -(ТЛо <RAK~, (1538)
при Npi<NuN0
~^No +Xl)N1, < (1539)
для стержней, усилия которых в основной системе от расчетной на-
грузки имеют одинаковые знаки с усилиями отнатяжения затяжки:
а) сжатые стержни
Npi +(yA (15.40)
б) растянутые стержни
N,, +^N0 + Xt)Nti <RA^ (15.41)
Прочность затяжки проверяют по формуле
N^iflo+X^RA, (15.42)
где Nu—усилие в стержне i от единичного усилия в затяжке; А, и
А„-—площадь сечения стержня i (брутто и нетто); <р—коэффициент
продольного изгиба, принимаемый по наибольшей гибкости стержня.
291
Свободную длину стержня определяют по общим правилам проекти-
рования ферм. При определении свободной длины стержней из плоско-
сти фермы учитывают характер раскрепления связями.
15.4.3. Примеры применения предварительно напряженных ферм
Одним из первых примеров применения крупных предварительно на-
пряженных конструкций были фермы покрытия ангара (рис. 15.21) в
Мельсброке (Бельгия). Однопролетные фермы с консолями размером
пролета 49 м и консолью 17 м опираются на главную двухпролетную
предварительно напряженную ферму с пролетами по 76,5 м. Предвари-
тельное напряжение главной фермы осуществлено четырьмя наклонны-
ми затяжками, соединяющими узлы в пролетах фермы со средней опо-
рой. Затяжки выполнены в виде парных пучков высокопрочной проволо-
ки 6407 мм и размещены в пределах габаритов фермы с перепуском, так
что над средней опорой расположено 4 пучка. Экономия металла состави-
ла 12% и стоимости—6%.
Двухпролетный ангар в Алма-Ате перекрыт полигональными ферма-
ми пролетом 84 м с шагом 12 м. Очертание фермы близко к квадратной
параболе, что приближает ферму к арке с затяжкой. Решетка фермы мало
загружена. Предварительное напряжение нижнего пояса оказалось высо-
ко эффективным: массу фермы удалось снизить на 14%. Для нижнего
пояса фермы оказалось достаточным сечение из двух швеллеров №22 и
четырех пучков высокопрочной проволоки диаметром 2405 мм
(рис. 15.22),
Ряд ферм типа «арка с затяжкой» возведено на Урале. Так, простран-
ственные трехгранные фермы из трубчатых профилей применены при
строительстве гаража-стоянки строительных машин с размерами в плане
100x75 м. Двускатные фермы с параллельными поясами установлены с
шагом 12 м. На фермы уложены прогоны из прокатных швеллеров №27 с
шагом 3 м, на которые опираются трехслойные панели типа «сандвичм-
Рис.15.21. Фермы покрытия ангара в Мельсброке (Бельгия)
292
Рис. 15.22. Ферма покрытия ангара в Алма-Ате
Рис. 15.23. Проект покрытия ангара в Чикагском аэропорту
Масса фермы около 12 т. По сравнению с проектом без предварительного
напряжения (в виде структурной плиты) сэкономлено 310 т стали.
Интересное решение найдено в проекте покрытия ангара для Чикаг-
ского аэропорта размерами в плане 127,7x60,3 м с предварительно напря-
женными фермами, имеющими консольный вылет на 42 м (рис. 15.23).
Шаг ферм 12 м. Каждая ферма напряжена шестью затяжками, установ-
ленными над опорным узлом консоли вдоль верхнего пояса. Затяжки вы-
полнены из круглых стержней 028,4 мм. Материал затяжек—сталь с
пределом текучести 914 МПа и временным сопротивлением
1019,5 кН/см2. Предварительное напряжение позволило снизить массу
ферм на 12%.
293
15.5. Предварительно напряженные конструкции
прочих видов
В рамных конструкциях можно применять предварительное напряже-
ние натяжением затяжек, смещением опор, либо одновременно обоими спо-
собами. Наиболее эффективно предварительное напряжение большепролет-
ных рам, несущих значительную нагрузку. В таких рамах можно разгрузить
большепролетный ригель и существенно снизить общий расход металла на
конструкцию. Некоторые примеры применения предварительного напряже-
ния в болшспролетных рамах приведены ниже (см. глазу 17). Может ока-
заться эффективным использование консольно-рамных систем с предвари-
тельным напряжением вертикальными иди наклонными тяжами.
В арках усилие распора создает разгружающий момент. Распор вос-
принимается опорами или затяжкой. Применение в качестве затяжек вы-
сокопрочных гибких элементов создает предпосылки для эффективного
предварительного напряжения арочных систем. Предварительное напря-
жение увеличивает распор и позволяет полноценно включить гибкие вы-
сокопрочные затяжки с относительно малой продольной жесткостью в
работу системы. Имеются интересные предложения с перекрестными, ве-
ерными и другими системами гибких затяжек, подкрепляющих арки с
большой стрелкой подъема, развивающие и дополняющие идеи В.Г. Шу-
хова, впервые предложившего системы перекрестных гибких затяжек для
подъемистых арок перекрытия ГУМа в Москве [6].
Предварительное напряжение нрнстранственных конструкций ти-
па структур и перекрестных балочных систем осуществляется также либо
с помощью пространственных систем затяжек (вант), либо смещением
некоторых опор. Весьма эффективен способ создания предварительного
напряжения в структурных плитах—подкрепление их шпреягельными
системами с заданными начальными усилиями в затяжках. Постановка
двух шпренгелей по диагоналям квадратного в плане покрытия создает
предварительное напряжение практически во всех стержнях структурной
плиты. Направленным варьированием соотношения между жесткостями
затяжек и стержней структуры, а также обоснованным выбором усилий
предварительного натяжения затяжек можно получить оптимальное ре-
шение с минимальным расходом материала или стоимости конструкции-
Принципиальные вопросы расчета предварительно напряженных
конструкций всех видов решаются аналогично тем же вопросам, которые
мы рассмотрели для балок и ферм. Стержневые конструкции со сплав-
ными элементами (арки, рамы) рассчитывают аналогично балкам с выне-
сенными за габариты конструкции затяжками. Пространственно-стер*'
невые системы типа структур могут быть рассчитаны в общей схеме так
же, как и пространственные фермы.
294
Глава 16
КОМБИНИРОВАННЫЕ И ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
К комбинированным конструкциям будем относить конструкции, в
структуру которых включены элементы, выполненные из различных ма-
териалов, например, сталь и железобетон; металл и дерево; металл, дере-
во и элементы из других материалов.
Целесообразность использования таких конструкций обусловлена
прежде всего не одинаковой способностью разных материалов сопротив-
ляться деформациям растяжения и сжатия. В конструкциях с четко выра-
женными зонами сжатия и растяжения существенный экономический эф-
фект может быть достигнут, если взамен мономатериала (железобетона,
металла или дерева) использовать в сжатой зоне железобетон или дерево,
а в растянутой — сталь.
Прототипом таких конструкций можно считать каменные своды с же-
лезными скреп-затяжками, предназначенными для восприятия распора.
Подобное конструктивное решение было применено в Успенском соборе
во Владимире в 1158 г.
Исключая из рассмотрения традиционные типы железобетонных, в
том числе армированных жесткой арматурой, и других армированных
конструкций, выделим две группы комбинированных конструкций:
• объединенные, у которых части поперечных сечений элементов из
разных материалов связаны между собой континуально или большим ко-
личеством дискретных связей;
смешанные, состоящие из различных материалов, объединенных
между собой дискретно.
16.1. Объединенные конструкции
В настоящее время практическое применение находят два типа таких
конструкций:
• железобетонные с внешней листовой арматурой, выполняющей од-
новременно функции несъемной опалубки (рнс. 16.1);
• железобетонные балочные, плитные и оболочечные конструкции,
объединенные со стальными балками (рис. 16.2).
295
Рис. 16.1. Железобетонные балка (л) н влита (б) с внешним армированием:
1 — бетон; 2—профилированные стальной лист
Рис. 16.2. Железобетонные балка (в), плита (б), оболочка (<), объединенные со стальной
прокатной балкой двутаврового сечения:
1—бетон; 2 — стальная балка; 5—упоры
Рис. 163. Конструкции упоров:
i лист; 2 уголок; 3—швеллер; 4—гнутик; 5—пружина; 6—стержень
Основная проблема конструктивного решения объединенных конст-
рукции— обеспечение совместной работы плиты и балки. Это может
быть достигнуто использованием специальных упоров, способных пре-
пятствовать взаимному сдвигу сопрягаемых элементов с восприятием
сдвигающих усилий, возникающих между ними. На рис. 16.3 изображены
возможные конструкции таких упоров. Упоры прикрепляют к верхнему'
поясу металлической балки при помощи сварки, реже на болтах, затем за-
моиоличиваюг в теле бетона плиты. При сборной железобетонной плите
296
I
2
₽пс. 16.4. Объединение сборных железобетонных плит с металлическими балками:
1—уголковые упоры; 2—монтажные сварные швы
жесткие упоры размещают на поясе балки так, чтобы они попадали в окна
или пазы железобетонной плиты (рис. 16.4). После сварки выпусков верх-
ней арматуры плит и приварки закладных деталей к поясу балки, пазы и
окна замоноличивают бетоном.
Расчет объединенной плитно-балочной системы. Для иллюстра-
ции методики рассмотрим простейший случай. Свободно опертая по
Двум сторонам железобетонная плита, объединенная с регулярной систе-
мой стальных балок одного направления (рис. 16.5). Статический расчет
такой конструкции может быть сведен к расчету' одной балки с присоеди-
ненным к ней участком железобетонной плиты (рис. 16.6). При этом об-
щую ширину верхней полки следует принять по рекомендации [8]
b'^\2ht!+bf. (16.1)
Расчетное значение Ь*г можно принимать по аналогии с железобетон-
ными ребристыми плитами при условии, что ширина свеса полки в каж-
297
I — стальные балки; 2— железобетонная плита
Рис. 16.6. Сечение условной балки и эпюры напряжений в стадии монтаже ста"
дин эксплуатации (ау)
дую сторону от грани верхней полки металлической балки должна быть
не более 1/6 длины участка балки между поперечными балками, а при их
отсутствии—между опорными точками, а также быть не более:
а ) при наличии поперечных балок с расстояниями между ними не бо-
лее шага продольных балок или при hpl > 0,1й‘—0,5 расстояния между
вертикальными гранями верхних полок;
б ) при расстояниях между поперечными балками, больших шага про-
дольных балок и hpl >0,1Л’ -6hpl. Здесь Л*—полная высота условного,
приведенного к бетону, объединенного сечения
V ь.
(16.2)
7 ° — момент инерции сечения металлической балки относительно оси
0—0, проходящей через центр тяжести сечения балки; т =ЕЛ/ЕЬ — отно-
шение модулей упругости стали и бетона. Для различных классов бетона
значения т приведены в табл. 16.1.
298
Таблица 16.1. Значения т и модуля упругости бетона
Класс бетон* В15 В20 B2S взо В35 В40 В45 |
Eh МПа 2,3-104 2,7-Ю4 3,0-104 3,26-10" 3,45-10" 3,6104 I 3,75-10" i
т =ЕЯ /Еь 9,13 7,78 7,00 6,44 6,09 5,83 5,60 ;
Определение геометрических характеристик объединенного се-
чения. Приведенная к металлу площадь сечения для рассматриваемого
расчетного участка равна
Ami=At+A^—, (16.3)
m
где Аь — площадь сечения металлической балки; Ар1—площадь сечения
присоединенного участка плиты.
Положение центра тяжести сечения
y=SJAni, (16.4)
где So = (Arlyft) Im—статический момент участка плиты относительно
нейтральной оси сечения стальной балки; ypi—расстояние между цен-
трами тяжести плиты и балки.
Момент инерции приведенного к металлу сечения относительно ней-
тральной оси (х—х) этого сечения
lni = К + Аьу2+1£/т + Ар1 (ур, - у? / т, (16.5)
где/®, — момент инерции сечения плиты относительно собственной цен-
тральной оси.
Моменты сопротивления для характерных точек объединенного сече-
ния следует вычислять по формулам:
для верхних и нижних волокон стальной балки
Jfr =^; (16.6)
Я ‘
при подкреплении плиты палкой симметричного сечения
у, =1гь 12-у, у--/if. 12 + у;
для верхней грани бетона плиты
W3 (16.7)
№
где jj—расстояние отточки 3 (рис. 16.6) до нейтральной оси объединен-
ного сечения.
Напряженно-деформированное состояние элементов объединен-
ного сечения формируется в несколько этапов. Если конструкция созда-
299
ется в построечных условиях, то сначала устанавливают металлические
балки, а затем на основе технологии монолитного бетонирования или
сборного с замоноличиванием стыков формируют железобетонную пли-
ту. Естественно, на этой стадии нагрузку от собственного веса как метал-
лической балки, так и железобетонной плиты воспринимают только бал-
ки. В последующем при наборе монолитным бетоном или швами (при
сборном варианте) достаточной прочности на действие других постоян-
ных и временных нагрузок будут работать все элементы расчетного сече-
ния совместно.
При этом напряжения в расчетных точках балки и плиты (рис. 16.6)
следует определять по формулам:
на стадии изготовления конструкции
<Тц = -^-, ву = -^-, о31 =0, (16.8)
где Wlb, W2b — моменты сопротивлений в металлической балке соответ-
ственно для точек I и 2; М\ — расчетный момент в балке от собственного
веса балки и плиты; 02,1,03,1 — напряжения соответственно в т. 1,2,3
от Mf,
на стадии эксплуатации от какой либо другой постоянной или вре-
менной нагрузки с расчетным моментом М2
с
W. ’
(16-9)
По сравнению с конструкциями из мономатериала рассматриваемые
конструкции, особенно если они эксплуатируются в открытых для атмо-
сферных воздействий пространствах, более чувствительны к температур-
ным воздействиям. В их элементах могут возникать существенные по ве-
личинам и неравномерности распределения по высоте сечения напряже-
ния. Объясняется это тем, что металлическая балка, ввиду большей
теплопроводности, быстрее, чем железобетонная плита, реагирует на рез-
кие изменения температуры окружающего воздуха и особенно локальные
солнечные облучения.
Если температура металлической балки выше, чем железобетонной
плиты, то при совместной работе в расчетных точках возникают напряже-
ния (рис. 16.7):
« -_hb __N, _Мь, hb (16.10)
4 4 2’ * Ab Ib 2’
300
Муи hpi
Х' А„, 4, 2
(16.11)
pi pi
В формулах (16.10), (16.11):
#=Р(£Л+£^;)Д; MbJ =₽у£л/ьД;
Л^=Руад,Д;
„ 1 _________________________
£stA3l ЕьАр1 J
у2 + (Et,Ib+EbIpl)
Д = at — температурная деформация в бетонной плите; a — коэффици-
ент температурного расширения бетона; t — —перепад температур
между балкой и плитой.
Учет усадки железобетона. При необходимости учета усадки желе-
зобетона плиты, напряжения от усадки в элементах объединенного сече-
ния вычисляют по формулам (16.10)...(16.11) с заменой Д на £, ( коэффи-
циент относительной усадки железобетона). Такие расчеты рекомендует-
ся производить для мостовых и других большепролетных конструкций.
Учет ползучести бетона. Влияние ползучести на изменение напря-
женного состояния комбинированной системы приближенно можно
учесть заменой начального модуля упругости бетона на эффективный
(16.12)
где к=Еь /(1 +Др/ Et); A#—пластическая деформация (ползучесть) бетона
к рассматриваемому моменту времени от действия единичного напряже-
ния.
Сопряжение плиты с балкой. Для обеспечения совместной работы
балки с плитой к верхней полке балки с помощью сварки присоединяют
**ис. 16,7. Усилия и напряжения в элементах объединенного сеченая оттемпературных
воздействий ЛГ>0
301
упоры (рис. 16.3 и рис. 16.8). Их функция — препятствовать сдвигу. Они
должны воспринимать сдвигающую силу Т, равную сумме касательных
напряжений по плоскости контакта верхнего пояса балки с плитой на уча-
стке а между двумя соседними упорами,
Т = ^-а, (16.13)
где Spi^—статический момент плиты относительно нейтральной оси
объединенного сечения.
На усилие Т следует рассчитать сварные швы, прикрепляющие один
упор к балке. Кроме того, на воздействие этой силы следует проверить:
а) сечение бетона по вертикальной плоскости упора на смятие
где с и hy—размеры вертикальной полки упора; Rbjoc—расчетное со-
противление бетона на местное смятие, которое можно приближенно
принимать RbJa. = (1,5 1,6)7?ь; Rb — расчетное сопротивление бетона осе-
вому сжатию;
б) сечение бетона по периметру (сечение 1—1) упорного уголка на
скалывание
-<* <R,
где 5] — статический момент относительно нейтральной оси объединен-
ного сечения той части сечения плиты, которая стремится срезаться по
сечению 1—1.
Рис. 16& Расчетная схема сопряжения плиты с металлической балкон
302
Сам упор следует проверить на прочность по приведенному напряже-
нию
л/ст2 +3т2 <Лдс. (16.16)
М, 3Th Т Т
Здесь <т=—- = —т =—=—.
W t}c A ct
16.2. Смешанные конструкции
Наличие в структуре конструкций элементов с резко выраженными
отличительными особенностями по физико-механическим свойствам,
способности воспринимать сжимающие и растягивающие усилия, корро-
зионной стойкости, огнестойкости, технологии изготовления и другим
факторам накладывают особые требования к конструкторским решени-
ям. Уже на стадии выбора конструктивной и расчетных схем требуется
критически переосмысливать сложившиеся стереотипы конструктивных
решений многоэлементных конструкций из мономатериалов, в первую
очередь это относится к узловым соединениям. Здесь более обостренно
проявляется проблема учета концентрации напряжений, передачи растя-
гивающих усилий с малых сечений элементов из высокопрочных мате-
риалов (сталь, синтетические волокна) на слабо сопротивляющиеся рас-
тяжению и изгибу тонкостенные железобетонные элементы или на
склонные к смятию и скалыванию элементы из древесины. При переходе
от конструктивной схемы к расчетной в стержневых конструкциях из мо-
номатериалов узлы, как правило, принимают либо шарнирными, либо
жесткими. В смешанных конструкциях, ввиду того, что сопрягаемые в уз-
ле элементы имеют не сопоставимые (сильно отличающиеся по величи-
нам) погонные жесткости EIt /lt, отдельные узлы следует рассматривать
как комбинированные (рис. 16.9).
При проектировании смешанной конструкция из сборных элементов
могут возникать трудности совмещения допусков на изготовление. Это
объясняется тем, что нормали на конструкции железобетонные, деревян-
ные и металлические в принципе различны.
В статически неопределимых смешанных
конструкциях эффективность достигается не
только за счет формального разделения функ-
ций по материалам, но и в не меньшей степени
за счет подбора рационального соотношения
этих материалов. В противном случае, напри-
Рнс. 16.9. Комбинирован-
ный узел соединения эле-
ментов
303
мер, в сталежелезобетонных конструкциях при избыточных сечениях же-
лезобетонных элементов конструкция может быть «задавлена» собствен-
ным весом этих элементов. При этом доля собственного веса конструк-
ции в результирующей расчетной нагрузке порой превышает полезную
нагрузку, для восприятия которой создавалась конструкция. Именно та-
кие негативные результаты достигаются при создании сталежелезобетон-
ных пространственных конструкций перекрытий из типовых железобе-
тонных ребристых плит, объединенных в единую систему и подкреплен-
ных металлическим шпренгелем. Более эффективные конструкции были
получены в [9] при замене типовых плит облегченными ребристыми пли-
тами, специально спроектированными под конкретный тип смешанной
конструкции.
По характеру работы смешанные конструкции можно разделить на
плоскостные и пространственные.
16.2.1. Плоскостные смешанные конструкции
Рис. 16.10. Шпренгельиая деревянная балка:
а —общий вид и детали узлов; о — расчетная схема (.К=“
.У е сова)
К таким конструкциям
можно отнести металлодере-
вянные и сталежелезобетон-
ные пшренгельные банки
(рис. 16.10, 16.11), фермы
(рис. 16.12,16.13), из клееной
древесины трехшарнирную
арку с металлической затяж-
кой (рис. 16.14).
В конструкциях, представ-
ленных на рис.16.10...16.13,
верхние пояса выполнены ли-
бо из дерева (бревен; бруса;
составного сечения из двух
или трех брусьев, объединен-
ных друг с другом пластинча-
тыми нагелями; составного
клеенного из досок сечения),
либо из железобетона. В пре-
делах отправочных элемен-
тов, как правило, верхний по-
яс проектируют неразрезным
(см. расчетные схемы). Вслед-
304
Ч^Р
Ряс. 16.11. Шнренгельная железобетонная балка:
а—общий вид и узлы; б—расчетная схема; 1 —железобетонная балка; 2—стальной нижний пояс;
3—железобетонная стойка: 4—полосовой хомут; 5—опорная закладная деталь
ствие этого, даже при узловой передаче нагрузки в элементах верхнего
пояса кроме сжимающих усилий возникают еще перерезывающие усилия
и изгибающие моменты.
С целью выравнивания разных по знаку пролетных и опорных (в про-
межуточных узлах неразрезного пояса) расчетных моментов или для их
уменьшения в расчетных сечениях эффективно использовать эксцен-
тричное узловое соединение (рис. 16.10) в сочетании с предварительным
напряжением растянутых элементов нижнего пояса или решетки.
Нижний пояс и растянутые элементы решетки проектируют стальны-
ми из уголковых профилей, а малозагруженные элементы решетки — из
круглой стали. При необходимости создания предварительного натяже-
ния эти элементы объединяют между собой с использованием натяжных
муфт.
305
Б
Рис. 16.12. Металлодеревянная ферма с верхним клееным поясом:
. 1 — верхний пояс из клееной древесины; 2—стальной нижний пояс и раскосы; 3,4—раскосы н стойки
из клееной древесины; 5—стальные башмаки; 6—накладки; 7—-подвеска; 8—-швеллер-упор;
9—пластинчатый упорный лист
Подбор сечения, определение расчетных длин и предельных гибко-
стей стальных элементов производят по рекомендациям [1] аналогично
как для стержней плоских металлических ферм:
для растянутых А (16.17)
для сжатых О6-18'
Проектирование узлов. Особое внимание следует обращать на кон-
структивные детали, через которые передаются усилия на сжатые эле-
менты.
Примеры таких деталей:
швеллер-упор (узел А, рис. 16.10; узлы А и Б, рис. 16.12; узел А, рис-
16.14);
горизонтальный лист (узел А, рис. 16.12);
306
2
Рис. 16.13. Сталежелезобетонная ферма:
I — верхний железобетонный пояс; 2,3,4 —стальные нижний пояс, стойки, раскосы; 5—стальной
башмак
Рве. 16.14. Металлодеревянная трехшарнирная арка:
/—верхний деревянный пояс; 2—сгалиая зягяжи; 3—подвеска; 4 деревянные накладки;
5—стальной башмак; 6—швеллер-упор
полосовой хомут (узел А, рис. 16.11) или стальной башмак (узлы А, В,
Рис. 16.13).
В приведенных конструктивных решениях швеллеры-упоры, листо-
вые упоры работают на изгиб. Их сечения подбирают по требуемому мо-
менту сопротивления
307
(16-19)
Rylc
Расчетные моменты для швеллеров определяют по балочной расчет-
ной схеме, а для листа (рис. 16.12) по табл.6.9 [1], что соответствует рас-
четной схеме плиты с шарнирным опиранием по трем сторонам.
Полосовой хомут (рис. 16.11) работает на растяжение:
^=^/2/?дс, (16.20)
где Nt — усилия в двухветвевом раскосе (АЕ).
Кроме названных расчетов в узловых соединениях требуется прове-
рить торцы сжатых элементов по условиям смятия, а при передаче на-
грузки под углом по условиям скалывания, а также проверить все свар-
ные швы по условиям среза.
16.2.2. Пространственные смешанные конструкции
К таким конструкциям можно отнести железобетонные оболочки и
плиты на пролет, подкрепленные по контуру металлическими фермами
(рис. 16.15, 16.16); типовые железобетонные ребристые плиты или их
системы, подкрепленные пространственным шпренгелем (рис. 16.17);
сталежелезобетонные панели покрытий (рис.16.18); металлодеревянные
пространственные блок-фермы (рис. 16.19).
Объединяющей идеей всех указанных конструктивных решений яв-
ляется то, что в растянутых зонах использованы стержневые элементы из
стали, а в сжатых оболочечные или пластинчатые элементы из железобе-
тона или дерева в различных конструктивных комбинациях.
Рис. 16.15. Сталежелезобетонная панель-оболочка
308
Рис. 16.16. Ребристая железобетонная влита, под-
крепленная по продольным сторонам облегченны-
ми металлическими фермами
Рис. 16.17. Сборная железобе-
тонная плита, подкрепленная
пространственной шпренгель-
нон системой
Первый тип конструкций получен путем замены контурных железо-
бетонных ребер, находящихся в основном в растянутой зоне, на более эф-
фективные в этих условиях металлические фермы. При этом в некоторых
случаях, например в плите (рис. 16.16), удается спроектировать ферму по
весу сопоставимой с весом арматуры железобетонного ребра и сущест-
венно уменьшить расход бетона.
Второй тип комбинированных конструкций создан путем приспособ-
ления типовых плит к работе в принципиально других условиях напря-
женно-деформированного состояния. И поэтому, естественно, эффектив-
ность таких конструкций ограничена резервами типовых плит. Если при
использовании типовых плит по прямому функциональному назначению
они работают только на изгиб по балочной схеме, то в комбинированной
конструкции в них появляются дополнительно сжимающие усилия и, что
более существенно, качественно меняются изгибные деформации. В мес-
тах шпренгельных подкреплений могут возникать растягивающие напря-
жения в верхней части плиты, что не предусмотрено в типовых проектах.
В таких комбинированных конструкциях не может быть в полной мере
реализован принцип рационального распределения материалов с учетом
пространственного формообразования, так как отсутствует возможность
варьирования соотношением материалов сжатой и растянутой зон.
Целенаправленный поиск оптимального соотношения различных по
видам материалов может быть осуществлен лишь в конструкциях, элемен-
ты которых функционально ориентированы на конкретный тип комбини-
рованных конструкций.
Такой подход в соче-
тании с синтезом лучших
образцов современных
пространственных конст-
рукций из мономатериа-
Рис. 16.18. Сталежелезобетоииая нанель покрытия
309
I
18000
Рис. 16.19. Металлодеревянные пространственные блок-фермы
лов—металлических структур (см. гл. 7 [2]) и железобетонных пинг «на
пролет» реализован в (9] при разработке сталежелезобетонных панелей
потфытий Зх(18ч-З6) м. В этих панелях покрытия нижний пояс и решетка
могут быть выполнены из электросварных прямошовных труб, С-образ-
ных холодногаутых профилей или горячекатаных уголков; элементы
верхнего пояса—из специально спроектированных облегченных ребри-
стых железобетонных плит 3x6 м.
Объединение элементов в единую пространственную конструкцию,
за исключением плит между собой, осуществляют с помощью болтовых
соединений. Все элементы конструкции унифицированы и позволяют
формировать комбинированные конструкции под серию пролетов и на
нагрузки в большом диапазоне их изменения,
Порядок проектирования подобных комбинированных конструкции
аналогичен проектированию конструкций из мономатериалов. По ре-
310
зультатам статических расчетов определяют расчетные усилия, по ним
подбирают сечения элементов нижнего пояса и решетки, а также схемы и
параметры армирования ребристых плит верхнего пояса. Особые трудно-
сти возникают при выборе конструкции узловых соединений, которые
обусловлены рядом факторов:
заводской технологией раздельного изготовления железобетонных и
металлических элементов конструкции и стендовой их сборкой на строи-
тельной площадке в единую конструкцию;
необходимостью обеспечения центрированной передачи силового
потока от металлических раскосов к закладным деталям тонкополочных
железобетонных плит;
не одинаковыми допусками на изготовление железобетонных и ме-
таллических элементов, что требует либо включения в систему дополни-
тельных устройств, выбирающих свободные зазоры после сборки, либо в
учете на стадии проектирования узловой податливости.
Принципия пкиая схема узлового соединения (рис. 16.20) может быть
представлена тремя конструктивными элементами: концевые детали ме-
таллических стержней, закладные детали-упоры железобетонной плиты
и промежуточное звено. Промежуточное звено, объединенное с указан-
ными деталями высокопрочными болтами или сваркой, предназначено
для передачи растягивающих или сжимающих усилий от концевых дета-
лей раскосов соответственно на верхние или нижние детали-упоры. Кон-
структивно промежуточное звено может быть выполнено из круглой ар-
матурной стали, высокопрочного болта или шпильки (рис. 16.21, а, б)
листового или фасонного проката (рис. 16.21, в, а); детали-упоры выпол-
Рис. 16.20. Принципиальная схема конструкции узлового соединении:
“ —передача усилий от растянутого раскоса; б—то же, от сжатого раскоса; 1 —конце»» деталь;
2—детали-упоры; 3—промежуточное звено
311
Рве. 16.21. Узловые соединения железобетонной влиты с металлической решеткой
няют из шайб, уголков, швеллеров, листового проката; конструкции кон-
цевых деталей зависят от формы поперечного сечения металлических
раскосов (труба, уголок, С-образный профиль и др.).
Функции концевых деталей состоят в центрированной передаче уси-
лии от раскоса на промежуточное звено и равномерном распределении
напряжений по поперечному сечению основного стержня. Это достигает-
ся определенным расположением концевых деталей по отношению к оси
стержня, использованием заглушки поперечного сечения стержня и ДРУ'
гимн деталями.
Расчеты всех металлических элементов, деталей, болтовых и сварных
соединений следует производить в соответствии с требованиями норм
[3]. Промежуточное звено и концевые детали растянутых раскосов долж-
312
пы удовлетворять условиям прочности N / А„< Луус, а при сжатых рас-
косах дополнительно еще и условиям устойчивости N / (фЛ) < Ryyc. Ес-
ли в качестве промежуточного звена используется болт или шпилька
(рис. 16.21, а, б), то их параметры следует выбирать из условия растяже-
ния: В других конструктивных решениях (рис.16.21, в, г) болтовые соеди-
нения следует рассчитывать на срез и смятие.
Детали-упоры работают на изгиб в соответствии со схемой связей (точ-
ки или линии, по которым соединяется промежуточное звено с дета-
лью-упором) и интенсивностью отпора со стороны железобетонной плиты.
Бетон под упорами следует проверить на смятие.
16.3. Трансформируемые конструкции
К трансформируемым будем относить конструкции и конструктив-
ные системы, которые обладают способностью при полном или частич-
ном выключении небольшого числа внутренних связей, сохраняя общую
структуру, складываться в малогабаритные или другие целесообразные
формы и легко обратно трансформироваться в проектное положение.
Простейшим примером такой системы является всем известный бы-
товой зонтик. Принцип «зонтика» реализован в конструктивной схеме
складывающейся стропильной фермы (рис. 16.22). Здесь за счет конст-
руктивных особенностей узла соединения раскосов и стержней нижнего
пояса со стойкой при выключении связи, препятствующей смещению фа-
сонок вдоль стойки, система превращается в механизм, который может
трансформироваться в новую малогабаритную форму. Очевидно, что от-
личительной особенностью проектирования рассматриваемой фермы от
традиционной (не огладывающейся) является конструктивная проработ-
ка узла, включая болтовое соединение фасонок со стойкой. Болтовое со-
единение следует рассчитывать на вертикальную составляющую от уси-
лий в раскосах.
На рис. 16.23, а представлен замкнутый осесимметричный каркас
многогранной конфигурации в форме усеченной пирамиды, в гранях ко-
торой расположены шар-
нирно сопряженные
стержни. По концам
стержни попарно через
узловой элемент объеди-
нены цилиндрическими
шарнирами с осями, пер-
пендикулярными плоско-
Рнс. 16.22. Складывающаяся ферма
313
i
I
Ряс, 16.23. Каркас усеченной пирамиды:
а—проектная форма; б— пакетная форма
стям граней пирамиды. Узловые элементы выполнены из пластинки в
форме двугранного угла, равного углу между боковыми гранями. За счет
изменения соотношения участков вдоль стержней между средними и
крайними шарнирами можно изменять наклон граней пирамиды, в том
числе превращая ее в правильную призму.
Такая стержневая система в форме правильной призмы, в отличие от
пирамиды, является механизмом и поэтому легко трансформируется в па-
кетную форму (рис.16.23, б). Трансформация же системы в форме пира-
миды может осуществляться либо при препдппемии сопротивляемости
стержней скручиванию, либо допуская поворот стержней в направлениях
скручивания. Последнее может быть обеспечено конструктивно—уве"
личением зазоров в отверстиях шарнирных соединений стержней с узло-
выми элементами.
Складывающиеся пространственные блоки (СПБ). В дополнение
к традиционным достоинствам пространственной конструкции, за счет
возможности складывания в компактный пакет, в СПБ отметим: сутест'
венноеупрощение их транспортировки от завода изготовителя к строи-
тельной площадке с более полным использованием возможностей транс-
портаых средств по грузоподъемности; возможности переноса дополни-
тельной части сборочных монтажных операций в заводские условия:
ускоренный способ возведения здания путем трансформаций конструк-
В качестве примера СПБ рассмотрим блок покрытия на пролет 12 и
(рис. 16.24). Конструктивно он состоит из панели, пыплдвгямяпей фУйК'
ции верхнего пояса, двух наклонных ферм с решеткой и нижними пояса-
ми из одиночных уголков. В состав панели входят профилированные ляс-
314
1-1
Рнс. 16.24- Коисгруктивноеуещеяявблсха покрытия вж пролег 12нвсбСрашгсмЕаде
к трзйевортиом положеняи:
1—профилированный насгнл; 2—Еоие^зчный элемент; 3—раскос L *2^7; 4—елоЗка L 12SX7;
s~ яижииВпмс145х4;6—«^амлкоапЗзлжеяг145х4; 7—иолсрсппгеяак'лэлкп;.?—бсладяа
Kosopoa «ахтаняих ферм
™> прикрепляемые к поиеречиьш элементам, расжяо;ке15;5к?з с н-жм
3 м, и обрамляющие элемскш из 145x4. Крепление профн.-«фжзй'?н?^
листов Н79-860-1 к полбречжям элементам, райййетб;.^'*?.^ кр
в®»т, (М^эцесЕВЗЯин- та болтах ММ Крайние гофри е
Доиьныыи обрамязнощсйла а£Ж®яа®мя савк»8<1^9®м^л ^нйк?.*г
Верхние концы раскосов накатаных ферм Hp;p*a«¥aw?r к
элементам через поворотные накладки с фасовками, itetepr йлсл-й ж?5йд-
кина каждом поперечном элемей ® имеют разлидао& у.5саазджега;э ч?еи-
тов. относительно которых осуществляется иойкрот. 5>«с тажж-гт ну-
тем поворота наклонных ферм тра<^сфвйф«валь1фзгг’Яй6гь^1йУя>
струкцию в плоский пакет ьькйтой 350мм. Болты, отиоситепьш котср^х
Осуществляется поворот, после натяжки на моятаилг^и nxcEiasKe етан©-
31S
вягся рабочими. Нижние пояса наклонных ферм объединяют при помощи
гнутых накладок и болтов.
Мобильные сборно-разборные здания из складывающихся в па-
кет секций. Наибольший эффект от трансформации достигается при ис-
пользовании укрупненных складывающихся секций зданий (ССЗ) пол-
ной заводской готовности. На основе ССЗ, Оргэнергстроем, Краснояр-
ским ПромстройНИИпроектом и другими организациями была
разработана целая серия сборно-разборных зданий. Среди них наиболь-
шее распространение получили быстровозводимые здания системы БКЗ,
унифицированные сборно-разборные здания из складывающихся секций
(УСРЗ-12) и полусекций (УСРЗ-18), складывающиеся комплектные зда-
ния системы СКЗ [13]. Основные проектные показатели этих зданий при-
ведены в табл. 16.2.
Таблица 16.2. Характеристики зданий
1 Наименование показателя 1---------,----------Конструкдая
; БКЗ-18 БКЗ-24 УСРЗ-12 ( УСРЗ-18 CK3-M i
1 Пролег, м ! 18,0 24,0 12,8 1 18,0 12,0 J
j Количество пролетов, шт. 1 1 1—3 j 1—2 1—2 I
; Высота до низа несущих j 6,0; 7,2 6,0; 7,2 6,0 ? 8,4 5,8 ;
конструкций, м 1
। Ширина секций, м ' 3,0 3,0 3,0 1 3.0 3,0 -f
! Грузоподъемность * । кранов: ! 1 j i
j подвесного, кН 2x32; 50 2x32; 50 32 j -2x50 32; 50 i
L _¥£?T?J?or°> _ — - — ! 93 — !
; Расход стали, кг/м2 ' 92 89 87 1 11,6 0,16 96 J
; Трудоемкость: । i " ' '
! изготовления, чел.-ч/м2 i 6,8 6,4 9,1 7,0 ;
j монтажа, чел.-ч/м2 ' 034 _ 0,28 0,16 L. _ -- J 0,16 '
Базовая конструкция мобильных зданий системы БКЗ (рве.
16.25) — металлическая складывающаяся секция, состоящая из двух по-
лусекций, в которых шарнирно соединены между собой панель стены И
панель покрытия. Панель стены имеет несущий каркас, состоящий из
двух колонн и прогонов, а также элементов ограждения..
Колонны — стальные из Z-образного перфорированного элемента,
выполненного из гнутого равнополочйого швеллера. В верхней части ко-
лонн для установки и фиксации опорной части ригеля предусмотрены па-
зы для специальных пальцев. Элементы ограждения изготовлены в виде
трехслойных металлических панелей с теплоизоляцией. Конструкция па-
316
Рис. 16.25. Многоцелевые быстровозводимые сборно-разборные здания конструктив*
нон системы БКЗ:
I — ригель; 2 — колонна; 3 — цилиндрические пальцы; 4—кровельная панель; 5 — стеновая панель
вели покрытия аналогична панели стены. Ригель решен из стального
Z-образного перфорированного элемента и имеет опорные части-пальцы
диаметром 70...75 мм — для крепления его к колонне ив коньковом узле.
В ряде типовых проектов унифицированных сборно-разборных зда-
ний ССЗ конструктивно решены по схеме, изображенной на рис. 1 6.26.
Принципиальной особенностью этой схемы является наличие затяжек
и подкосов, соединяющих ригель с колонной. Как и в конструктивной схе-
ме БКЗ, каждая секция состоит из двух полусекций и представляет собой
фрагмент зд ания полной заводской готовности, включающей д ве стеновые
и две кровельные панели, шарнирно или жестко (рис. 16.26, узлы А и Б) со-
единенные в узлах и подкрепленные подкосами и затяжками.
Каждая панель имеет два продольных ребра, соединенных между со-
бой поперечными ребрами. Продольные ребра панелей выполнены из
С-образных холодногнутых профилей 250-100-30 толщиной от 3 до 5 мм
в зависимости от нагрузки. Крайние поперечные ребра в кровельных па-
нелях и все поперечные ребра в стеновых панелях запроектированы из
гнутого .швеллера 100x50x2, Промежуточные поперечные ребра в кро-
вельных панелях — из гнутых швеллеров 100x50x2 — 100x50x4.
К поперечным ребрам при помощи самонарезающих винтов 1фепят
наружную и внутреннюю обшивки из профилированных стальных лис-
тов с трапециевидной формой гофра, между которыми уклад ывают утеп-
литель из минераловатных плит. Стыки между секциями перекрывают
металлическими нательниками. Крепление нательников— на защел-
ках, прикрепленных к ограждающим обшивкам. Монтажные соединения
выполнены на болтах М20.
Полусекции транспортируют сложенными в пакет. Размер пакета
6,89x3,0x6,35 м. Последовательность монтажа секции показана на
рис.16.27.
317
Рис. 16.26. Скмлнвамяцня секция:
J —млояжк 2— ригель; 3—подкосы*. 4—занжка; 5 —цилиндрические пальцы или болты, кы0®*'
впицие функция цилиндрических шарнире»
Полусекции раскладывают у места монтажа и освобождают от транс-
портных святей. Затем их соединяют шарнирно двумя болтами в кояь^О"
вых узлах; после чего кровельные панели поднимают краном, устанавли-
вают затяжки и остальные болты в коньковых узлах, обеспечивая их за-
щемление. Далее поднимают секцию; стеновые панели, шарнире®
соединенные с кровельными панелями, под действием собственного веса
занимают вертикальное положение. Секцию устанавливают на анкер®
318
фундамента, после чего подко-
сы крепят к стойкам, образуя
жесткий диск в карнизных уз-
лах. Смежные секции соединя-
ют между собой в коньковом уз-
ле, а затем в остальных узлах.
Монтаж подкрановых балок ве-
дут параллельно с монтажом
секции при помощи лебедок.
После установки секции монти-
руют торцевые панели и уста-
навливают ворота, а затем сты-
ки перекрывают нательниками
стеновых панелей.
Специфика проектирования
складывающихся пространст-
венных блоков и секций в ос-
новном обусловлена конструк-
тивными особенностями узлов,
обеспечивающих трансформа-
цию отправочных элементов.
Такие узловые соединения об-
ладают повышенной подвижно-
стью, что в свою очередь отра-
жается на работе подкосов, за-
тяжек и примыкающих к этим
узлам основных несущих эле-
ментов (колонн и ригелей). Пока не будут выбраны зазоры в узловых со-
единениях, элементы, сопрягаемые в рассматриваемом узле, в работу бу-
дут включаться не одинаково и не одновременно. Результирующие де-
формации и усилия элементов трансформируемых конструкций будут
отличаться от соответствующих в подобной конструкции с проектными
неподатливыми узловыми соединениями.
Приближенно податливость узловых соединений, обусловленную
разностью диаметров отверстий и стержней болтов иди цилиндрических
пальцев, можно учесть, заменив реальный модуль упругости приведен-
ным в элементах, примыкающих к податливым узлам,
Е
Рис. 16.27. Последовательность монтажа полу-
секций
р . .. . - .. ..—
(1621)
319
Рис. 16.28. Схема и этапы возведения купола в панта-
доум системе
где Е — реальный модуль
упругости; Ai, I,—соот-
ветственно площадь сече-
ния и длина i-ro элемента;
Nf — усилие в i-м элемен-
те при расчете системы
без учета податливости
узлов; d„— вкаметр от-
верстия и db— пъамещ
болта; к—число (1 или 2)
податливых узлов, к кото-
рым примыкает z-й эле-
мент.
Система Пантадо-
ум. Такая конструктив-
ная система включает в
себя «кинематический
механизм» для рацио-
нального сооружения ку-
польных конструкций.
Купол проектируется как
складывающаяся систе-
ма, состоящая из трех
дисковых механизмов
(рис. 16.28). Диски объе-
диняют в нижнем поло-
жении. Собранная систе-
ма пантадоум может пе-
ремещаться только в од-
ном вертикальном на-
_ правлении.
Подъем системы осуществляют гидравлическими домкратами или с
помощью надувных конструкций. Поднятый в проектное положение ки-
нематический механизм путем наложения недостающих связей превра-
щается в геометрически неизменяемую конструкцию. К основному Дос-
тоинству этой системы следует отнести возможность выполнения боль-
шей части монтажных операций на малой высоте.
Глава 17
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
17.1. Общие положения
Большепролетные конструкции подразделяют на балочные (рис.
17.1), арочные (рис. 17.2), рамные (рис. 17.3), пространственные в виде
оболочек, складок, куполов и сводов, а также висячие, мембранные и ван-
товые конструкции.
Одной из основных особенностей большепролетных конструкций яв-
ляется повышенное влияние собственной массы конструкций на размеры
несущих элементов. Нелинейная зависимость усилий (например, изги-
бающих моментов в балочной конструкции) от величины пролета обще-
13,840
Рис. 17.1. Балочная конструкция покрытия большепролетного здания
Рис. 17.2. Арочное покрытие дворца спорта и Лужниках:
1 — несущая арка; 2 — затяжка; 3 — неподвижная опора; 4—то же, подвижная; 5 — аэрационный фо-
нарь
321
a)
Рнс. 17.3. Рамная конструкция покрытия ангара из легкого сплава:
а—поперечная рама; б—типы сечений
известна. Поэтому снижение собственной массы конструкций является
самой острой задачей при проектировании таких систем. Облегчения не-
сущих конструкций можно добиться применением высокопрочных ста-
лей или легких сплавов. Несмотря на сравнительно высокую стоимость
алюминиевых сплавав, иногда применение их в несущих конструкциях
большепролетных сооружений может оказаться целесообразным, благо-
даря малой плотности и относительно высокой прочности конструктив-
ных сплавов. Характерным примером большепролетной рамной конст-
рукции, выполненной из сплава «авиаль», является ангар в Хатфилде (Ве-
ликобритания) с размерами 66x100 м и высотой в свету 14 м (рис. 17.3).
Несущий каркас ангара выполнен в виде набора плоских двухшарнирных
рам, расположенных с шагом 9,5 м. Заводские соединения рам выполне-
ны на заклепках, монтажные соединения—на стальных оцинкованных
болтах. Стремление снизить собственную массу несущих конструкций,
естественно, приводит часто к использованию предварительного напря-
жения, регулированию усилий и деформаций сооружения в процессе из-
готовления или монтажа, а также применению растянутых поверхностей
(мембран, вантовых сеток) или подкрепляющих растянутых подвесок,
вант, шпренгелей и т.п.
Снижение нагрузок на большепролетном покрытии чрезвычайно
важно не только для облегчения его несущих систем, но и для уменьше-
ния расхода материалов всех нижележащих конструкций. Поэтому осо-
бенно эффективно применение в большепролетных покрытиях облегчен-
ных кровельных конструкций и материалов. В качестве несущего настила
кровли следует применять стальной профилированный настил с легкими
эффективными утеплителями или готовые облегченные панели с несу-
щими и ограждающими элементами из легких алюминиевых сплавов (см>
том 2, гл. 10).
В зданиях больших пролетов по технологическим соображениям час-
то требуется верхнее освещение. Одним из удобных конструктивных Р6"
шении в этом случае является поперечное расположение фонарей, *4®
322
Рнс. 17.4. Покрытия с трехгрянными балочными фермами:
а — поперечный разрез; о—г—варианты продольных разрезов; 1— ферма; 2—затяжка; 3—кро-
вельные плиты; 4—остекление
котором как пролетные несущие конструкции, так и фонарные, объеди-
няют в единую несущую систему (рис. 17.4). Однако частое расположе-
ние поперечных фонарей нецелесообразно для зданий, строящихся в рай-
онах. с большой снеговой нагрузкой, поскольку может вызвать появление
«снеговых мешков», резко увеличивающих нагрузку на покрытая, и не-
эффективность работы фонарей как источников естественного света. Ис-
пользование же разреженного шага основных несущих конструкций по-
крытия (18 м, 24 м) обычно снимает эту проблему.
Все более широкое применение в строительстве приобретают различ-
ные пластмассы. Для неотапливаемых большепролетных зданий могут
найти применение легкие ограждения из лексана и других эффективных
материалов, позволяющих устройство светопрозрачных полос, специаль-
ных зенитных фонарей и т.п.
Большие пролеты несущих конструкций неминуемо связаны с появ-
лением значительных абсолютных величии прогибов несущих конструк-
ций, если даже относительная величина их удовлетворяет всем нормам
проектирования. Эта особенность должна быть учтена при проектирова-
323
нии сопряжения покрытия и стены, чтобы обеспечить одновременно на-
дежное опирание конструкции стенового фахверка на жесткий диск по-
крытия в горизонтальном направлении и независимость деформаций по-
крытия и стены в вертикальной плоскости. Кроме того, здесь же должна
быть обеспечена и неразрывность ограждения, что иногда требует нетри-
виальных решении узлов с устройством в узлах сопряжения ограждений
специальных компенсаторов, фартуков и т.п.
Для ангаров характерной особенностью является наличие протяжен-
ных, почти на всю длину фасадной стены (или на половину ее при двух-
пролетном решении) ворот для пропуска самолетов. Это требует специ-
альных устройств для крепления ворот, их открывания и закрытия. При-
ходится предусматривать довольно мощные надворотные пространст-
венные фермы, способные воспринимать значительные горизонтальные
усилия, передаваемые верхней кромкой ворот при воздействии ветровой
нагрузки. Для упаковки секционных передвижных ворот предусматрива-
ют специальные «карманы», куда отдельные секции полотна ворот соби-
раются при открывании проема.
17.2. Балочные конструкции больших пролетов
Понятие «балочные конструкции» охватывает как балки, так и фер-
мы, т.е. такие конструкции, которые не передают распорных усилий на
опоры. Применение балочных конструкций для перекрытия больших
пролетов привлекает часто их относительная простота в изготовлении и
монтаже, хотя они и уступают рамным и арочным конструкциям по ме-
таллоемкости. При пролетах 60 м и более в качестве несущих безраспор-
ных конструкций, как правило, применяют фермы, так как балки сплош-
ного сечения заметно уступают фермам и по металлоемкости, и по на-
грузке от собственной массы.
Существенной особенностью большепролетных балочных несунЖ
конструкций является наличие значительных общих продольных дефор-
маций поясов, могущих вызвать появление больших горизонтальных пе-
ремещений на опорах, что накладывает отпечаток на выбор конструктив-
ных решений. Иногда одну из опор балочной конструкции устраиваю1"
подвижной, чтобы исключить возможность передачи-усилий, вызванных
упругими деформациями нижнего пояса фермы. Более предпочтительны
конструкции, у которых продольные деформации верхнего и нижнего
поясов, имеющих криволинейное или ломаное очертание, компенсируют
др)т друга (фермы типа «рыбка» и подобные им конструкции, см. Рис'
324
Фермы больших пролетов (более 45 м) при высоте, близкой к опти-
мальной по расходу металла, оказываются негабаритными по условиям
перевозки (h > 3,85 м), в то время как конструкция кровли и наличие под-
весного потолка обычно требуют достаточно частого расположения про-
гонов и, как следствие, небольших панелей решетки, чтобы исключить
неузловую передачу нагрузки. Это приводит к необходимости использо-
вания сложных шпренгельных решеток с учащенным расположением уз-
лов не только по верхнему, но и по нижнему поясу. Негабаритные фермы
приходится расчленять иа отправочные марки какпо длине пролета, так и
по высоте.
Предварительно напряженные фермы полигонального очертания
пролетом 84 м с ромбической решеткой применены в конструкции по-
крытия ЛЭРМ аэропортов в гг. Алма-Ата и Фрунзе (см. рис. 15.22). Близ-
кое к параболе очертание верхнего пояса при наличии прямолинейного
нижнего пояса определило целесообразность предварительного напряже-
ния с помощью пучков высокопрочной проволоки вдоль нижнего пояса.
Действительно, в конструкции типа пологой арки роль затяжки весьма
велика: в данном случае масса затяжки без предварительного напряжения
составляла около 35% от массы всей фермы. Предварительное напряже-
ние позволило снизить общую массу фермы примерно на 15%, при этом
для жесткой части нижнего пояса оказалось достаточным сечение из двух
швеллеров №22, что для фермы пролетом 84 м кажется фантастически
. малым. Затяжка была выполнена из 4 пучков высокопрочной проволоки,
каждый по 2405 мм, расположенных в пределах сечения с фиксацией по-
ложения пучков с помощью планок, приваренных к полкам швеллеров, и
специальных пластинчатых диафрагм с фигурными вырезами под пучки.
Расход стали на фермы оказался равным 26 кг/м2, что достигнуто не толь-
ко благодаря невысокой снеговой нагрузке в заданном районе строитель-
ства, но и за счет применения очень легких алюминиевых панелей (с мас-
сой не более 11 кг/м2 ), легчайшей ромбической решетки и предваритель-
ного напряжения нижнего пояса.
Интересное решение покрытия позволяют создать несущие конструк-
ции в вцде предварительно напряженных трехгранных ферм из трубча-
тых профилей (см. рис. 17.4). Использование рациональных трубчатых
профилей, железобетонной плиты в совместной работе с верхними пояса-
ми фермы и предварительное напряжение нижнего пояса (либо фермы в
целом) обеспечивают высокую экономичность решения по затрате метал-
ла. Поперечные конструкции могут быть использованы для организации
верхнего освещения, если это необходимо.
325
Высокими технико-экономическими показателями отличаются
стальные предварительно напряженные фермы типа «арка с затяжкой»,
которые также могут быть выполнены трубчатыми трехгранными. Опи-
рание ферм устраивается в уровне верхних поясов, а затяжка, закреплен-
ная в узле нижнего пояса, располагается ниже опор, что вместе с систе-
мой предварительного напряжения и разгружающим эффектом затяжек
обеспечивает ферме малые горизонтальные перемещения опорных узлов.
Достаточно эффективным является также предварительное напряже-
ние несущей конструкции фермы типа «рыбка», натяжением на ее пояса
тонкой растянутой обшивки, которая впоследствии под поперечной на-
грузкой включается в работу всей системы на изгиб (рис. 17.5 ). За счет
совмещения функций несущей и ограждающей конструкции удается су-
щественно облегчить сечения стержней жесткой части объемного блока.
Конструкция состоит из объемных блоков, включающих две вертикаль-
ные фермы, расставленные на расстоянии 3...4 м и соединенные по верх-
ним и нижним поясам стальными листами толщиной 10...16 мм. Целый
пролет собирают из отдельных блоков длиной до 12 м. Стальные листы
входят в расчетные сечения поясов ферм. Для включения верхнего листа
в работу пояса ферм на сжатие в нем предварительно создается растяги-
вающее напряжение, несколько большее по величине сжимающего на-
пряжения от поперечной нагрузки. Метод создания предварительного на-
пряжения исключительно прост: предварительно изготовляют щит по-
крытия, состоящий из элементов пояса, распорок и связей с изгибом
каркаса щита на заданную величину перед приваркой к нему листа; при
установке щита в пространственный блок щит с листом выпрямляют, за
счет чего лист, так же, как и элементы жесткой части блока, получает
предварительное напряжение.
7x12000
Рис. 17.5. Каркас спорткомплекса ЦСКА (Москва) с покрытием в виденростраиссв'8
ных блоков с непременной обшивкой
326
17.3. Рамные большепролетные конструкции
В зданиях больших пролетов часто применяют стальные каркасы из
плоских двухшарнирных (рис.17.6, а, б) или бесшарнирных (рис. 17.6, в)
рам. Бесшарнирные рамы более жестки, но вместе с тем и более чувстви-
тельны к неравным осадкам опор и температурным воздействиям. При-
менение их целесообразно на хороших основаниях, что не потребует уст-
ройства слишком тяжелых и громоздких фундаментов. Повышенная же-
сткость рамных каркасов по сравнению с балочными и арочными
решениями дает возможность уменьшить высоту сечения ригеля, что для
больших пролетов может оказаться существенным с точки зрения сниже-
ния площади стенового ограждения, строительного объема здания и экс-
плуатационных расходов, в частности, расходов на отопление.
Соотношения размеров объема, отвечающие функциональному на-
значению большепролетных зданий, чрезвычайно разнообразны. Поэто-
му рамы могут быть приземистыми, с относительно малой высотой (на-
пример, в гаражах, стоянках строительных машин, ангарах и ЛЭРМ) или
ненарушенными ( в некоторых выставочных павильонах, эллингах, тен-
нисных кортах и т.п.). Рамы больших пролетов чаще проектируют сквоз-
ными. Рамы с элементами сплошного сечения применяют обычно при от-
носительно небольших пролетах (до 60 м).
Ригели и стойки сплошностенчатых рам проектируют обычно свар-
ными составными двутаврового сечения. В двухшарнирных рамах целе-
сообразно применять стойки переменного по высоте сечения. Это облег-
чает конструкцию и улучшает
ее внешний вид, увеличивает
полезную площадь помеще-
ния, хотя трудоемкость изго-
товления конструкции не-
сколько увеличивается. Для
повышения надежности рабо-
ты узлов сопряжения стыки
стойки и ригеля рамы, как пра-
вило, смещают от угла рамы в
пролет, где изгибающие мо-
менты уже значительно мень-
ше. чем в углу. Угловой эле-
мент изготовляют на заводе
как единое целое и выполняют
обычно скругленным по внут-
Рис. 17.6. Схемы решетчатых рам больших про-
летов
327
Рнс. 17.7. Конструкция узла сплошной большепролетной рамы и схемы к расчету н»-
пряжеиного состояния в элементах узла:
а—конструкция узла; 6 — напряженное состояние в стенке; в—изгиб полки двутавра
ренней кромке для снижения концентрации напряжений (рис. 17.7); поя-
са обычно обрезают «на ус» и сваривают стыковыми швами с усилением
гнутыми стыковыми накладками. Листовую вставку в узлах укрепляют
ребрами жесткости, расположенными по направлению сжимающих уси-
лий.
Использование предварительного напряжения, регулирования уси-
лий и деформации расширяет диапазон возможного применения сплош-
ностенчатых сечений в большепролетных рамах и на пролеты свыше 60
м. На рис. 17.8 приведена схема конструктивного решения предваритель-
но напряженной рамы, использованной в качестве каркаса спортивного
сооружения (каток Верне в Женеве, 1960 г.). Двухпролетный неразрезной
ригель переменного но длине сечения 1, свободно опертый в первой ста-
дии монтажа на колонны 2 и 3, образует затем с помощью напрягающей
оттяжки 4 и стойки 2 раму, в которой один край ригеля защемлен, а дрУ"
гой оперт на качающуюся стойку 3, стоящую на трибунах. Предваритель-
ный изгиб ригеля дает возможность существенно снизить высоту его се-
чения в пролете и тем самым уменьшить строительную высоту здания. В
покрытии здания применены исключительно легкие алюминиевые пане-
ли с массой не более 11 кг/м2. Предварительное напряжение ригеля осу-
ществлено нагревом стальной оттяжки 4 перед соединением с тяжелым
фундаментом 5.
Бесшарнирные рамы (рис. 17.6, в) применяют при пролетах 120...150
м, когда уменьшение расчетного изгибающего момента в пролете риге®
наиболее важно. Ширину стоек сквозной рамы принимают равной длине
панели ригеля (часто 6 м). Это обеспечивает высокую погонную жест-
кость стоек и увеличивает разгружающее влияние опорных моментов в
328
Рис. 17.9. Конструктивные нряемы снижения пролет-
ных моментов в ригелях большепролетных рам:
а — подвеска стены; б—эксцентриситет в оперном шарнире
Рис. 17.8. Схема каркаса крытого катка Верне в Женеве:
1— неразрезная балка; 2—жестко оперта! стойка (неподвижная опора); 3 — качающаяся стойка;
4—напрягающий элемент (тяга из стальной полосы); 5—тяжелый фундамент
ригеле. Рациональное отношение высоты ригеля к пролету решетчатой
рамы находится в пределах 1/12... 1/20. Однако и при такой высоте он ока-
зывается негабаритным по условиям перевозки и его приходится перево-
зить россыпью, либо расчленяя не только по длине, но и по высоте. Для
разгрузки большепролетного ригеля двухшарнирной рамы применяют
различные приемы: установку затяжки в уровне опорных шарниров, сме-
щение оси опорных шарниров для создания опорного момента, пропор-
ционального вертикальному давлению на шарнир, подвеску стен с экс-
центриситетом к осям стоек (рис. 17.9 ). Указанные приемы могут быть
скомбинированы в одном и том же сооружении, а эффект их усилен при-
менением предварительного напряжения. Характерным примером явля-
ется каркас выставочного
павильона в Сокольниках
(рис. 17.10), где одновре-
менно использованы три
приема из названных (за-
тяжка, предварительное
напряжение подтяжкой
консолей ригеля к фунда-
ментам с помощью сталь-
ных полос, подвеска стен
на стальные полосы). За-
тяжку, расположенную в
полу павильона, защища-
ют от блуждающих токов
размещением ее в канале,
заполненном битумом).
329
Рис. 17.10. Схема каркаса выставочного зала в Сокольниках (Москва):
• 1 —ригель-,2—наклонные трубчатые стойки; У— тяги;4 — затяжка в канале, заполненном битумом
Рис. 17.11. Комбинированная предварительно напряженная рама авнасборочного цеха
прочных °на1шяг'!«п™^На разП’узка Рпгеяя при использовании высоко-
ZZ 2 ^raU,“'K из канатов, которым целесообразно
иродссть рациональное очептяи» г ~
моментов в раме Предвапт^’ согаетстаУкмцее эпюре изгибающих
сборочного Доданное напряжение использовано в проекте
ны из алюминиевого сшава Д16 тТто Р™ Которого вЫПоЯВе'
сокопвочными гта„. и “ с пРеДваРительиым напряжением вы-
(₽Ю17 П > ^обсруловано
Балочная клетка покрытия Кранами грузоподъемностью 15 т.
фермами-пигелями ™ „ образуется тремя типами ферм: главными
пятипролетными нарезными фер-
мами 5x12 м. Предвармному „а “еРа3₽еЗНЬШИ пятипРолетнымИ <&'
рамы и проло^Е;Х Г ГфЯЖе1ШЮ no«BeP™OTC4 поперечные
330 * рМЫ‘ Предварительное напряжение поперечных
рам осуществляется домкратами в удобном положении (с земли). Усилия
в нижнем поясе ригеля снижаются в 2...4 раза, в верхнем поясе — в сред-
нем на 27%.
Конструирование сквозных рам при больших пролетах и нагрузках с
усилиями в стержнях 2000 кН и более ведется так же, как и конструирова-
ние тяжелых ферм. При пролетах 40...50 м сечения сквозных рам могут
быть ближе к сечениям легких ферм, что позволяет и узлы этих рам при-
нимать той же конструкции, что и узлы легких ферм (см. § 7.6 (2]).
Опорные шарниры в рамах при опорных реакциях более 2500. ..3000
кН проектируют балансирными как и в арках (см. рис. 5.7 [2]). При мень-
ших значениях опорной реакции они могут быть плиточными.
Особенности расчета большепролетных рам. Для упрощения ста-
тического расчета легкие сквозные рамы приводят, как правило, к эквива-
лентным по жесткости рамам с элементами сплошного сечения. После
определения расчетных усилий в сечениях рамы находят усилия в поясах
и стержнях решетки рамы по известным правилам перехода (см. гл. 4 [2]).
Мощные сквозные рамы типа тяжелых ферм рассчитывают как стержне-
вые системы с учетом всех компонентов напряженного состояния. Нали-
чие мощных универсальных программных комплексов, таких, как ЛИ-
PA-Windows, СПРИНТ, Аврора, STAAD-Ш и другие, практически сни-
мает проблемы статического расчета, поскольку даже полное
представление расчетной схемы каркаса здания, как пространственной
системы, вполне поддается расчету за приемлемое время.
Учитывая особую важность внутреннего угла рамного узла сопряжения ригеля со стой-
кой (см. рис. 17.7), приведем основные положения его расчета. Нормальные напряжения,
развивающиеся в сечениях, перпендакулярник кривой:
закругления
<т, = IV 'Л + + (Л/:2)уг!(г+ (17.1)
нормальные радиальные напряжения
<7, ~ \-iiu, (17.2)
о г
где г—радиус закругления; Z ~ | ~—<24 —функция, заменяющая моменгинерции в кри-
«оз1инейном брусе; у — расстояние от нейтральной оси до рассматриваемой точки; ирас-
стояние ди рассматриваемой фибры ог внутренней кромки узла.
Наиболыний изгибающий момент (на 1 см) в поясном листе ог радиальных напряже-
ний, распределенных по ширине листа (в месте прикрепления поясного листа к станке), на-
ходят по формуле
331
„ а,Ьг (сД(л2
м=~т=Ы1т
и, соответственно, напряжения:
нормальные
G,=6M//2=f^-Y—1 (17.3)
( 4г Д t )
касательные
т = 1,5с, —.
'2г
(17.4)
Таким образом, наибольшие приведенные напряжения, возникающие в месте сопряже-
ния пояса со стенкой, могут быть определены по формуле:
= т/с2 + а2 - с,с, + 3t 1,15Дус. (17.5)
Чтобы предотвратить потерю устойчивости стенки, в сжатой внутренней зоне ставят
дополнительные короткие ребра жесткости (см. рис. 17.7, а).
17.4. Большепролетные арочные системы
Общие положения. Конструктивные особенности большепролет-
ных арок. Арка представляет собой распорную систему и требует уст-
ройств, способных воспринять распорные усилия. Чтобы облегчить опор-
ные конструкции для восприятия распора, используют затяжки (см. рис.
17.2), сечения которых при больших пролетах оказываются достаточно
мощными. Для того чтобы уменьшить провисание затяжек и связанных с
ним дополнительных усилий, применяют подвески, располагаемые
обычно на расстоянии не более 12 м. Наиболее эффективны затяжки, раз-
мещаемые по оси опорных шарниров, однако в большепролетных здани-
ях с приподнятыми опорами арок может оказаться целесообразным повы-
шенное расположение затяжки, чтобы увеличить полезную высоту зда-
ния, не увеличивая его общей высоты и объема (см. рис. 5.5 [2]).
Очертание арок выбирают близким к линии давления, но для пологих
арок это не столь существенно; технологически же проще круговое очер-
тание (см. гл. 5 [2]).
Большепролетные арки характерны некоторыми отличительными
чертами. Сквозные арки делают чаще всего с параллельными поясами
для упрощения типизации конструктивных элементов. При большой вы-
соте арки иногда устраивают переломы в верхнем поясе. Высоту сплош-
ного сечения большепролетных арок принимают в пределах 1/50... 1/80
пролета, сквозных —1/40...1/60 пролета.
332
Сплошные арки проектируют, как правило, сварными составными
двутаврового сечения. Толщину стенок в пологих арках принимают боль-
шей, чем в балках или рамах, с учетом необходимости восприятия сече-
ниями арок значительных продольных усилий. Сквозные арки проекти-
руют аналогично фермам. Пояса арок проектируют из уголков, тавров,
швеллеров. В тяжелых арках больших пролетов применяют и двухстен-
чатые сечения. Решетки арок значительно менее нагружены, чем решетки
ферм и сквозных рам, поэтому часто их подбирают по предельной гибко-
сти из уголков или легких швеллеров. Чаще всего используют треуголь-
ную решетку, иногда с дополнительными стойками.
Для большепролетных арочных систем может быть эффективно при-
менено предварительное напряжение. Проще всего оно осуществляется
натяжением затяжек с упором в концы арки. Однако используют и другие
приемы, например, принудительное смещение опорных узлов после уста-
новки арки на опоры.
Большепролетные арочные покрытия характерны тем, что развивают-
ся значительные усилия в опорных узлах, поэтому очень важно грамотно
запроектировать надежные узлы опирания. Из трех известных типов
опорных шарниров (см. рис. 5.7 [2]) наиболее подходят для большепро-
летных арок последние два типа. В наиболее тяжелых арках (так же, как и
в тяжелых рамах) применяют балансирные шарниры с цилиндрическими
Цапфами, плотно пригнанными к внутренней поверхности литых или
сварных балансиров, один из которых (верхний) соединен с аркой, а дру-
гой— с ее опорой (фундаментом или нижележащей конструкцией).
17.5. Особенности компоновки конструктивных схем
каркасов большепролетных зданий
Каркасы большепролетных зданий с несущими конструкциями ба-
лочного и рамного типов по своей компоновке конструктивных схем:
близки к компоновке каркасов производственных зданий (см. гл.2), хотя
имеют и свои особенности. Так, при использовании в системах больше-
пролетных покрытий конструктивных элементов двух направлений (ана-
логично балочной клетке) шаг основных несущих конструкций (пролет
продольных элементов) целесообразно принимать большим, чем это при-
нято в зданиях средних пролетов, а именно: 12,18, а иногда 24 м.
Большие пролеты и большая высота конструктивных элементов тре-
буют по условиям монтажа применения пространственно жестких и ус-
тойчивых блочных конструкций. Пространственно жесткие блоки могут
333
быть созданы объединением спаренных плоских ферм, рам или арок, ли-
бо применением трехгранных сечении (см. рис. 17.4).
В арочных системах при значительных пролетах шаг арок принимают
также 12 м и более, что приводит к необходимости использования про-
странственно жестких главных прогонов, тем более, что они, располага-
ясь в наклонных плоскостях, работают на косой изгиб. Здесь также нахо-
дят применение трехгранные пространственные или четырехгранные (из
спаренных плоских ферм) главные прогоны. Использование плоских про-
гонов не исключается, но при расположении их в наклонных плоскостях
необходимо подкреплять их наклонными тяжами к узлам арок. Кроме
главных прогонов часто применяют опирающиеся на них поперечные
ребра, представляющие собой многошарнирные арки с шарнирами на
прогонах. Считается, что ребра передают на главные прогоны только вер-
тикальную нагрузку, а скатную составляющую они сами воспринимают и
передают на опорные конструкции, расположенные в уровне пят арок.
Монтаж арочных покрытий также часто удобнее вести блоками, на-
пример, способом надвижки с торца здания. В этом случае может оказать-
ся целесообразным объединение спаренных плоских арок в блоки, соби-
раемые перед установкой в проектное положение на стенде. Заполнение
между арками в этом случае иногда отличается от заполнения в блоке, как
по размерам (возможно использование чередующегося шага арок), так и
по конструкции. Так, в блоке с небольшим шагом между арками теряет
смысл установка поперечных ребер, а в промежутках между блоками из
спаренных арок, где шаг больше, применение их может быть оправдано
(см. рис. 5.10 [2]). Арки соединяют в ключе (иногда и около опор) про-
дольными связями с целью повысить общую жесткость здания, что осо-
бенно важно для подъемистых арочных покрытий. Поперечные связи
крайнего блока (или связи крайней пары арок) несут функцию ветровой
конструкции, воспринимающей давление от торцевой стены здания. Рас-
чет связевой системы на усилия от ветра лучше вести как пространствен-
ной конструкции. При использовании современных компьютеров и про'
трамм задача эта не является сложной. Для упрощенной оценки усилий в
элементах связей пологих арочных систем их иногда рассматривают ус-
ловно как плоские фермы (в некоторый запас для связевой решетки).
Компоновки конструктивной схемы каркаса ангаров (ЛЭРМ) отлича-
ются размещением основных несущих элементов в направлении больше*
го размера в плане здания. Это объясняется необходимостью устройства
сплошного проема для ворот по фасаду здания. При пролетах 84,96 м р3'
циональный шаг рам оказывается равным 12 м и более. По ригелям рам
устраивают кровлю либо в виде настила, опирающегося на решетчатые
334
прогоны, либо в виде легких утепленных панелей, опирающихся непо-
средственно на ригели. Последнее решение проще с точки зрения техно-
логии монтажа и выгодно снижением числа элементов связей по верхним
поясам ригелей.
При очень больших проемах ворот (более 100 м) может быть более ра-
циональной иная компоновка каркаса ангара, в которой над воротами ус-
танавливают основную несущую большепролетную конструкцию (раму),
и уже на нее опирают стропильные фермы, расположенные в продольном
направлении. Другим своим концом фермы как обычно опираются на ко-
лонны.
Достаточно распространена также консольная компоновка каркаса
ангаров, имеющая некоторые технологические преимущества и обеспе-
чивающая удобное размещение ворот под консолями несущей системы.
Использование предварительного напряжения в конструкции несущей
системы покрытия делает такие каркасы весьма экономичными (см. рис.
15.23).
Нельзя не отметить и некоторые особенности проектирования торцо-
вых каркасов большепролетных зданий. Если в относительно невысоких
зданиях вполне приемлемы обычные компоновки фахверков со стойками
и ригелями, то в зданиях с подъемистыми арочными системами возника-
ют проблемы. В средней части торца высота здания достигает иногда не-
скольких десятков метров, и тогда ни обычная схема со стойками фахвер-
ка, ни схема с использованием горизонтальных ветровых ферм, пролет
которых составил бы 70...100 м, оказываются нерациональными.
В этом случае вы поступили бы разумно, запроектировав комбиниро-
ванную систему с неразрезными ветровыми фермами, опертыми на глав-
ные (более мощные) стойки фахверка, установленные примерно в третях
пролета, и второстепенными стойками фахверка, опирающимися на вет-
ровые фермы.
Глава 18
ПЕШЕХОДНЫЕ МОСТЫ
Мосты, в том числе пешеходные, образуют особый класс сооруже-
ний, на которые не распространяются требования норм проектирования
стальных конструкций [3]. Для проектирования мостов исторически сло-
жилась своя формазаписи некоторых расчетных положений, своя систе-
ма нормативных коэффициентов, имеются особенности конструктивного
оформления деталей и узлов. Понятно, что общая методология проекти-
рования мостов и других сооружений едина, а все различия объясняются
лишь ведомственной разобщенностью. Попытки разработать единые
нормы проектирования предпринимались неоднократно, но пока они не
увенчались успехом. Поэтому при проектировании мостов следует руко-
водствоваться СНиП 2.05.03-84* [14].
18.1. Общие сведения о пешеходных мостах
Область применения и элементы пешеходных мостов. Пешеход-
ные мосты являются частью транспортных сооружений городов и насе-
ленных пунктов и предназначены для обеспечения движения через есте-
ственные и искусственные препятствия. В общем случае к транспортным
сооружениям относят мосты, виадуки, путепроводы и эстакады.
Собственно мостом называют сооружение для обеспечения движе-
ния транспорта и пешеходов через водные препятствия, виадуком — че-
рез глубокие лога, овраги и ущелья; путепроводом называют мостовое
сооружение через автомобильную или железную дороги, улицу. Под эс-
такадой понимается мостовое сооружение для пропуска транспорта над
поверхностью земли, пространство под ними может быть использовано
для различных целей. Отдельную группу сооружений составляют декора-
тивные пешеходные мосты в парках, на территориях выставок и т.п.
Все перечисленные сооружения, предназначенные для пропуска пе-
шеходов, будем далее называть пешеходными мостами.
Пешеходные мосты состоят из пролетных строений и опор. Крайние
опоры устои осуществляют сопряжение моста с подходами. Генераль-
ными размерами моста являются: длина моста (£) —расстояние по оси
между задними гранями крайних опор; ширина моста (В) — расстояние
между перилами в свету; строительная высота пролетного строения
336
(h) — расстояние от пешеходного полотна до самых нижних частей про-
летного строения. Используют также понятия расчетной (Z) и полной (ty
величины пролета. Для мостов через водные преграды существенное зна-
чение имеют уровень межених вод (УМВ), расчетный судоходный гори-
зонт (РСГ) и расчетный уровень высоких вод (РУВВ) (рис. 18.1).
В пролетных строениях выделяют следующие составные части: пе-
шеходную часть, основную несущую конструкцию, систему связей и
опорные части.
Пешеходная часть состоит из мостового полотна и несущих элемен-
тов. Мостовое полотно предназначено для обеспечения безопасного дви-
жения пешеходов и отвода воды. Несущие элементы пешеходной части в
общем случае состоят из балочной клетки и плоской или ребристой пли-
ты. В пешеходных мостах плиту чаще всего опирают на главные несущие
конструкции, без устройства балочной клетки.
Основными несущими конструкциями пролетных строений являются
балки, фермы, арки, а также висячие, вантовые и комбинированные сис-
темы, перекрывающие пролеты между опорами и поддерживающие все
остальные элементы. Главные несущие конструкции соединяют между
собой системой связей, обеспечивающих пространственную неизменяе-
мость и жесткость пролетного строения. Система связей состоит из гори-
зонтальных (верхних и нижних) продольных ферм и вертикальных (опор-
ных и промежуточных) диафрагм. Опорные части представляют собой
специальные элементы, с помощью которых опорные реакции от главных
конструкций передаются на опоры в фиксированных местах. Кроме того,
они обеспечивают поворот и смещение главных балок (ферм) при их про-
гибе от действия временной нагрузки, а также продольные и поперечные
смещения, возникающие в результате температурных деформаций про-
летного строения.
Опоры мостов воспринимают нагрузки от пролетных строений и пе-
редают их на грунт через фундаменты. Промежуточные опоры пешеход-
L
Рис. 18.1. Схема моста через судоходную реку
33'
ных мостов, сооруженных через реки, могут испытывать воздействия
льда и навала судов. Устои моста, кроме того, могут работать как подпор-
ные стенки, воспринимая давление от насыпи подходов в случае их уст-
ройства в одном уровне с пешеходной частью. Опоры пешеходных мос-
тов выполняют металлическими или железобетонными, они могут быть
стоечными, столбчатыми или рамными. В мостах через водные преграды
опоры сооружают, как правило, массивного типа.
Металлическими называют мосты, пролетные строения которых вы-
полнены полностью или главным образом из металла. Опоры моста или
некоторые части металлических пролетных строений могут быть железо-
бетонными, деревянными, полимерными.
Пешеходные мосты могут иметь значительные продольные уклоны:
до 6% в пролетной части и 12...16% на подходах. Входы и сходы с моста
часто выполняют в виде лестниц или пандусов. В плане лестничные схо-
ды располагают как по оси моста, так и под углом к ней. Иногда их
встраивают в первые этажи прилегающих к переходу зданий. Пандусы
могут быть в плане прямолинейными, криволинейными, ломаного очер-
тания, разветвляющимися. Минимальную площадь занимают спираль-
ные пандусы (рис. 18.2). Для предотвращения образования гололеда в
них предусматривают устройство отопительной системы.
Широкое применение в настоящее время получили закрытые пеше-
ходные мосты, которые могут быть оборудованы эскалаторами^ обеспе-
чивающими подъем и спуск с моста. Закрывают мосты прозрачным мате-
риалом, как правило, органическим стеклом.
Архитектурные я градостроительные аспекты строительства пе-
шеходных мостов. Пешеходные мосты наряду с другими транспортны-
ми сооружениями решают важные градостроительные задачи и являются
неотъемлемой частью архи-
тектурного облика городов »
поселков. Обеспечивая рацио-
нальное движение потока пе-
шеходов, обслуживая основ-
ную массу городского населе-
ния, пешеходные мосты,
вследствие разнообразия я от-
крытого расположения своих
конструкций, оказывают зна-
чительное эстетическое воз-
действие. Поэтому художест-
венная выразительность пе-
шеходных мостов, наряду с задачами чисто утилитарного характера,
является неотъемлемым элементом процесса проектирования.
Неповторимый художественный образ создается ритмической орга-
низацией конструктивных ферм, чередованием элементов и интервалов
между ними. Пешеходные мосты достаточно часто сооружают весьма
подъемистыми, с лестничными ступенями и это придает им своеобраз-
ную прелесть, законченность, яркую выразительность. Единство компо-
зиции, ясность архитектоники сооружения достигаются наличием неко-
торой общей идеи, выраженной в сочетании отдельных элементов моста,
образовании центра композиции, ритмическом нарастании пролетов к
центру, или к одному из берегов, двустороннем уклоне. Архитектурным
украшением пешеходных мостов служат также чугунные, художествен-
ного литья перильные ограждения, осветительные колонны и фонари. От-
личительным признаком удачного решения моста является ясная, четкая
форма сооружения, когда даже неискушенный в тонкостях архитектуры
зритель чувствует органичность решения, дающего единый, цельный и
ясный образ.
Важной проблемой сооружения пешеходных мостов становится ар-
хитектурно-планировочное решение, увязка с архитектурным ансамблем
окружающей городской застройки или ландшафтом, которые влияют на
общую композицию моста, его схему н конструкцию.
Таким образом, используя пропорции, ритм, масштаб, фактуру, цвет,
приемы нюанса и контраста и другие средства архитектурно-художест-
венной выразительности, возможно создать сооружение, в котором функ-
циональная и техническая целесообразность сочетаются с художествен-
ной законченностью.
Основные виды и системы пешеходных мостов. Применяемые в
настоящее время системы металлических мостов весьма разнообразны.
По статической схеме главных несущих элементов пролетных строений
мосты могут быть балочные, рамные, арочные, висячие и вантовые. Кро-
ме того, металлические мосты могут быть комбинированной системы, об-
разованные путем сочетания простых или добавлением к простым систе-
мам дополнительных элементов.
Балочные мосты являются внешне безраспорными, остальные могут
быть как распорными, так и безраспорными. В зависимости от статиче-
ской схемы балочные мосты выполняют разрезными, неразрезными и
консольными. Главные балки проектируют сплошностенчатыми и сквоз-
ными.
Металлические арочные мосты, являясь распорной системой, требу-
ют меньших затрат металла, но для восприятия распора опоры моста при-
339
ходится выполнять более мощными. По своей конструкции арочные мос-
ты могут быть сплошного сечения или в виде решетчатых арочных ферм.
Главными несущими элементами висячих мостов служат растянутые
гибкие криволинейные нити (канаты), опирающиеся на стойки (пилоны)
и поддерживающие, с помощью подвесок проезжую часть. Усилие натя-
жения передается на грунт или устои, в этом случае система является рас-
порной, при креплении оттяжек к концам балки жесткости система стано-
вится внешне безраспорной. Разновидностью безраспорных конструкций
являются вантовые системы, образованные балкой жесткости и гибкими
растянутыми прямолинейными вантами.
В пешеходных мостах наибольшее распространение получили балоч-
ные системы, достаточно широко применяются также традиционные
арочные системы. Висячие мосты конца XIX — начала XX века украша-
ют города по сей день. В последние 20...30 лет наибольшее распростране-
ние получили вантово-балочные мосты, которые за рубежом не без осно-
вания именуются символом современного мостостроения. В практике
строительства мостов при малой интенсивности пешеходного движения
применяют легкие висячие конструкции, перекрывающие широкие реки
или глубокие ущелья.
Устройство одежды пешеходного полотна зависит от конструкции
пролетного строения. По стальному настилу укладывают асфальтобетон
со специальными добавками толщиной —5 см или полимерное покрытие
толщиной 2...3 см, что вполне обеспечивает гидроизоляцию нижележа-
щих конструкций. Одежда пешеходного полотна по железобетонной пли-
те состоит из выравнивающего слоя (—10 см), гидроизоляции, защитного
слоя и асфальтобетонного или цементобетонного покрытия. При дере-
вянном многослойном настиле пешеходным полотном является продоль-
ный защитный верхний слой.
18.2. Конструкция современных пешеходных мостов
18.2.1. Балочные пролетные строения
Пролетные строения со сплошными главными балками имеют наибо-
лее широкое применение благодаря ряду достоинств: простоте конструк-
ции; пониженной трудоемкости изготовления и монтажа по сравнению
со сквозными конструкциями; невысоким эксплуатационным затратам-
Диапазон перекрываемых пролетов весьма широк — от 10...20 м до 150 м
и более.
Пролетные строения со сплошными балками могут быть разрезными,
неразрезными или консольно-балочными (рис. 18.3, а—д). Разрезные
340
Рис. 183. Системы балочных иролетяых строений
пролетные строения рациональны при пролетах до 50...60 м, при больших
пролетах экономичнее неразрезные, в которых снижается расход металла
главных балок и материала промежуточных опор. Неразрезные главные
балки устраивают постоянной или переменной (при 1> 80 м) высоты.
Увеличение высоты опорных сечений диктуется распределением изги-
бающих моментов по пролету. Очертание нижнего пояса может быть ло-
маным или криволинейным. Балки с криволинейным очертанием нижне-
го пояса более сложны в изготовлении, но отличаются хорошими архи-
тектурными качествами.
Неразрезные балочные пролетные строения чаще всего проектируют
трехпролетными. Применение неразрезных систем с большим числом
пролетов сдерживается усложнением конструкции температурных де-
формационных швов. Кроме того, трехпролетные балки предпочтитель-
нее по архитектурным соображениям. Соотношение средних и крайних
пролетов неразрезных балок /э h наиболее рационально в пределах
0,7...0,8, в этом случае выравниваются значения пролетных и опорных
моментов. Из-за отрицательного влияния значительных неравномерных
осадок опор на усилия в неразрезной балке в конце XIX начале XX в. ши-
роко примени пись балочно-консольные системы. Современные фунда-
менты позволяют существенно снизить осадки опор, в связи с чем иераз-
резные системы нашли применение при любых грунтовых условиях.
341
Ря®. 18.4. Поперечные сечения балочных мостов
В главных балках пешеходных мостов используют двутавровое или
коробчатое поперечное сечение. При малых пролетах (1< 8... 10 м) приме-
няют прокатные широкополочные двутавры. В остальных случа-
ях — сварные тонкостенные двутавры и коробчатые сечения с вертикаль-
ными или наклонными стенками (рис. 18.4), которые компонуют из лис-
товой стали.
Высота главных балок в пролете (Л) и над опорами (й) зависит от мно-
гих факторов. В случае применения сварных составных сечений необхо-
димо учитывать значения hopl и h„;n, вычисляемые по формулам, приве-
денным в первом томе [1]. Ориентировочно высота разрезных главных
балок может быть принята равной 1/15...1/20 пролета (/). В сталежелезо-
бетонных пролетных строениях высота балок может быть снижена до
1/20...1/30I. Высота неразрезных и консольных балок с постоянной высо-
той сечения обычно составляет 1/20...1/301. Неразрезные балки перемен-
ной высоты с коробчатым сечением могут иметь очень небольшую высо-
ту в середине пролета (до 1/60 I), высота сечения балки над опорами Н
ооычно в 1,3... 1,8 раза и более превышает высоту в пролете h (рис. 18.3).
Современные пешеходные металлические мосты проектируют, в ос-
новном, с железобетонной или стальной ортотропной (цельиомегалличе-
342
ской) плитой проезжей части. Применяют также деревянное полотно в ви-
де дощатого настила по деревянным поперечинам или прогонам (рис. 18.4,
а). Железобетонную и стальную ортотропную плиты практически всегда
опирают на главные балки без устройства дополнительной балочной клет-
ки (рис. 18.4, б—ж), характерной для автодорожных мостов. При этом
железобетонную плиту в современных мостах, как правило, включают в
совместную работу с главными балками, образуя так называемую сталеже-
лезобетонную (объединенную) конструкцию балок (рис. 18.4, г, д).
Двутавровые стальные балки изготовляют из трех листов (рис. 18.5).
При необходимости каждый пояс разрешается выполнять из двух листов
ввиде сварного пакета. Толщину стенки назначают не менее 10мм.
Местная устойчивость стенки обеспечивается поперечными ребрами
жесткости, шаг которых принимают в соответствии с требованиями норм
[3]. В местах прикрепления ребер жесткости к поясам в них устраивают
вырезы (рис. 18.4, г).
Пролетные строения с ортотропным стальным настилом применяют с
раздельными или коробчатыми главными балками. Ортотропная плита
проезжей части включается в работу сечения как верхний пояс, кроме то-
го, плита совмещает функции верхних продольных связей, воспринимаю-
щих горизонтальную нагрузку. Пролетные строения со стальным насти-
лом изготовляют из отдельных модульных элементов, свариваемых в за-
водских условиях или на монтаже в коробчатые балки, объединенные
ортотропными плитами и поперечными связями. Поперечные связи мон-
тажных блоков выполняют сварными, болтовыми или болтосварными.
Рис. 18.5. Конструкция сварных сплошностснчатых балок:
о — поперечное сечение; о, в - составные полки; г — ребражеспюии; в — изменение сечеяиж полки
343
Стенки и нижнюю плиту коробчатых балок часто укрепляют с внутрен-
ней стороны системой продольных и поперечных ребер.
В пешеходных мостах применяют, в основном, одноконтурные ко-
робчатые сечения (рис. 18.4, б, е), недеформируемость контура обеспечи-
вают устройством поперечных решетчатых связей в пролете и сплопшо-
стенчатых диафрагм — в опорных сечениях.
Ортотропная плита состоит из горизонтального листа настила толщи-
ной 12...16 мм, подкрепленного продольными ребрами и поперечными
ребрами (балками). Продольные ребра в большинстве случаев выполня-
ют из листового проката, иногда применяют швеллеры, тавры, уголки,
сварные конструкции замкнутого профиля, что позволяет увеличить рас-
стояние между продольными ребрами (рис. 18.6). При небольшой шири-
не габарита применяют опирание ортотропной плиты непосредственно
на главные балки. В этом случае настил подкрепляют только поперечны-
ми ребрами.
При традиционной конструкции ортотропной плиты поперечные реб-
ра имеют перевернутое тавровое сварное сечение из листового проката
толщиной 10...20 мм. Расстояние между поперечными ребрами принима-
ют в широких пределах — от 1,5 до 5...6 м. Продольные ребра жесткости
проходят непрерывно по всей длине, для чего в поперечных балках пре-
дусматриваются вырезы (рис. 18.6, Э).
Для пешеходных мостов, в связи с небольшими габаритами, целесо-
образно применение коробчатых блоков полной заводской готовности.
Рнс. 18.6. Виды ортотропного настила н крепление продольных ребер к поперечны»
балкам:
а.-.е-—конструкции продольных ребер; д—узлы пересечения ребер
344
Рнс. 18.7. Сварной монтажный стык главных балок:
а—фрагменты стыкуемых элементов; б — конструкция стыка; 7- 7—последовательность наложения
сварных швов
Монтажные стыки главных балок осуществляют с применением сварки
или комбинированными—болтосварными. Цельносварные стыки уст-
раивают с применением вставок в стенке и верхнем поясе (рис. 18.7). Ши-
рина вставок определяется габаритами сварочных автоматов и составляет
0,4...0,5 м.
В монтажных болтосварных стыках стенки соединяют накладками с
высокопрочными (фрикционными) болтами, пояса на сварке. Для об-
разования стыка по концам стенок стыкуемых блоков предусматривают
овальные технологические вырезы и роспуски поясных швов длиной не
менее 300 мм. При оформлении стыка вначале устанавливают вертикаль-
ные-накладки и затягивают высокопрочные болты. Затем осуществляют
заварку стыковых швов поясов. Для удобства монтажа целесообразно
первым выполнить стык верхнего пояса с применением компенсирую-
щей вставки, а потом стык нижнего пояса. Далее устанавливают проклад-
ки в технологические вырезы и накладки на них с высокопрочными бол-
тами. Последними заваривают поясные роспуски (рис. 18.8).
Сталежелезобетонные пролетные строения, в которых гарантирована
совместная работа железобетонной плиты и стальных балок, наиболее
эффективны в разрезных системах, когда железобетонная плита попадает
в сжатую зону по всей длине пролета. В неразрезных пролетных строени-
ях совместная работа обеспечивается или на части длины в зоне положи-
тельных изгибающих моментов, или на всей длине созданием предвари-
тельного натяжения в зоне отрицательных моментов для восприятия бе-
тоном растягивающих напряжений.
Включение железобетонной плиты в совместную работу со стальны-
ми балками снижает расход металла на пролетное строение, увеличивает
345
б)
Рнс. 18.8. Болтосварной монтажный стык:
а—фрагменты стыкуемых элементов; б—конструкция стыка
жесткость конструкции и позволяет соответственно уменьшить строи-
тельную высоту. Совместная работа железобетонной плиты и стальной
части балки обеспечивается установкой жестких упоров, гибких арматур-
ных связей или высокопрочными болтами.
Жесткие упоры (рис.18.9, а) изготовляют из прокатного профиля
(уголок, труба и т.п.) и приваривают к верхнему поясу стальной балки.
Существенным недостатком жестких упоров являются значительные ме-
стные напряжения в бетоне. Гибкие арматурные связи (рис. 18.9, б, в)уст-
раивают из наклонных арматурных стержней с отгибами на концах или в
виде петель. Желательно располагать их по направлению главных растя-
гивающих напряжений в бетоне плиты. Гибкие арматурные связи обычно
объединяют в труппы и приваривают к металлическим листам, которые
во время монтажа крепят к стальным балкам высокопрочными болтами
или сваркой. В качестве гибких связей достаточно часто используют ко-
роткие вертикальные стержни с головкой, которые закрепляют контакт-
ной сваркой (рис. 18.9, г).
Железобетонную плиту устраивают монолитной или из сборных бло-
ков. Последние значительно ускоряют строительство, особенно в зимних
условиях, но при этом усложняется конструкция упоров. Сборные желе-
зобетонные плиты объединяют со стальными балками высокопрочными
болтами. С этой целью в плитах устраивают отверстия диаметром 50...60
мм, а на верхней поверхности плиты укладывают стальные прокладки.
Бетон в зоне расположения болтов дополнительно армируют пространст-
венным каркасом или спиральными обоймами вокруг отверстий
(рис. 18.9, д). Шов между железобетоном и сталью омоноличивают инье-
346
Рис. 18.9. Конструкции анкерных креплений железобетонной плиты со стальной бал-
кой
Пированием цементно-песчаным (полимер-цементным) или клеепесча-
ным раствором.
Существуют оригинальные отечественные конструкции соединений
железобетонной плиты со сталью. Одно из них—это объединение на вы-
сокопрочных болтах (рис. 18.10, а) или сварке (рис. 18.10, б) посредством
закладных деталей, состоящих из гибкого горизонтального листа с отвер-
стиями для болтов, боковых листов, охватывающих нижнюю часть желе-
зобетонного ребра, и петлевых анкеров из полосовой стали. Соединения
такого вида называют «сухими», они позволяют вести монтаж без мокрых
процессов, что ускоряет строительство и повышает качество зимних работ.
Балочные пролетные строения с главными фермами применяют в пе-
шеходных мостах для перекрытия пролетов от ЗО...4О м и более. Наиболее
распространены пролетные строения с решетчатыми фермами при движе-
нии поверху (см. рис. 18.3, г), конструктивное решение которых во многом
аналогично балочным пролетным строениям со сплошной стенкой.
При больших пролетах (> 40 м) целесообразны пролетные строения с
Движением понизу (см. рис. 18.3, д), что позволяет свести к минимуму
347
Рис. 18.10. Конструкция объединения стальном балки с железобетонной плитой
пт ЧП
ц it hit
1.1. »»i.
Ряс. 18.11. Торгово-пешеходный мост через р. Москву
строительную высоту. Компонуются они, как правило, из двух главных
ферм, балочной клетки и системы связей. Высота ферм диктуется необхо-
димостью обеспечения габарита пешеходной часта по высоте—2,5 м.
Применяют в основном фермы с параллельными поясами и треугольной
решеткой с дополнительными стойками и подвесками. Конструктивное
решение главных ферм при малых пролетах во многом аналогично лег-
ким фермам (см. §7.6 [1]), а при больших—тяжелым фермам [6J. Высоту
разрезных ферм (А) с движением поверху и понизу назначают в пределах
1/6...1/101, а неразрезных ферм —1/10... 1/151. Оптимальная длина пане-
ли («0 ферм с дополнительными стойками равна 1,0...!,2 высоты фермы,
при отсутствии стоек—О,6...О,8 высоты.
На рис. 18.11 представлена схема торгово-пешеходного моста «Багра-
тион» через Москву-реку, сданного в эксплуатацию в 1998 году. Это пер-
348
вый крупный пешеходный мост в России, возрождающий традиции сред-
невековых городов, когда мосты были воротами города и жизненным про-
странством одновременно. Поперечное сечение неразрезного пролетного
строения (147+49) м—треугольное с одним верхним и двумя нижними
поясами. Сечения элементов двутавровые, соединения на высокопрочных
болтах. Мост двухъярусный, ширина нижней пешеходной зоны 15 м, верх-
ней—11. Нижний пешеходный уровень представляет собой полностью
застекленную крытую галерею. Второй уровень частично застеклен, сред-
няя часть открыта и представляет собой смотровую площадку.
18.2.2. Рамные, арочные, висячие и вантовые системы
Рамная система находит применение в пешеходных эстакадах и путе-
проводах благодаря более рациональному, по сравнению с балочными
системами, распределению усилий и возможности получения конструк-
ций с малой строительной высотой при достаточно высокой вертикаль-
ной жесткости. Легкие стальные опоры рамных систем позволяют до-
биться благоприятного внешнего вида сооружения и одновременно улуч-
шить условия эксплуатации транспортных магистралей, пересекаемых
мостом.
В рамных системах небольших пролетов применяют вертикальные
стойки с шарнирным опиранием на фундаменты, что снижает чувстви-
тельность системы к изменениям температуры и неравномерным осадкам
опор (рис. 18.12, а).
Достаточно широкое распространение получили металлические рам-
ные мосты с наклонными стойками. Конструкции по схемам, представ-
ленным на рис. 18.12, в, г, явились дальнейшим развитием системы «бегу-
щая лань» (рис.18.12, б). Пролет ригеля в рамах с наклонными стойками
существенно меньше пролета рамы, что, наряду с увеличением распора,
обусловливает существенное снижение изгибающих моментов в ригеле.
В результате удается значительно понизить высоту ригеля до 1/30... 1/50
пролета рамы, а при больших пролетах и до (1/60...1/80)/. Соотношение
пролетови/2 в многопролетных рамах принимают примерно 3:1.
Значительный распор, передаваемый наклонными стойками на фун-
даменты, несколько снижает эффективность рамных систем при слабых
грунтах основания.
В практике строительства преимущественно применяют пешеходные
мосты рамной системы со сплошной стенкой. Конструктивное решение
ригелей аналогично балочным пролетным строениям. Существенную
особенность представляет узел сопряжения ригеля со стойкой. Сложное
349
Рнс. 18.12. Схемы рамных пролетных строений
напряженное состояние стенки требует особого внимания к обеспечению
ее устойчивости.
Арочные металлические пролетные строения пешеходных мостов об-
ладают большим разнообразием конструктивных решений. Основное
достоинство арочных систем—художественная выразительность. Пе-
шеходные арочные мосты применимы практически при любых пролетах,
легко вписываются в городскую застройку. Арочными были первые пе-
шеходные мосты Санкт-Петербурга. Конструкция арок состояла из чу-
гунных тюбингов, соединенных болтами.
При малых пролетах (20...30 м) пешеходную часть в виде лестничных
маршей устраивают непосредственно по аркам. При больших пролетах в
традиционных арочных системах имеется надарочное строение. В пеше-
ходных мостах применяют, в основном, двухшарнирные арки (рис. 18.13,
а), которые мало чувствительны к изменениям температуры и осадкам
опор. Приэтомдвухшарнирные арки обладают достаточной жесткостью.
350
Рис. 18.13. Основные системы арочных мостов
Величина стрелы подъема f в большой степени влияет на работу арок
и опор. Увеличение ее снижает усилия в арках и облегчает конструкцию
опор, но яри этом возрастает строительная высота. В существующих мос-
тах отношение f/l колеблется в широких пределах (1/2.. Л/18). Чаще все-
го применяют арки с пологостью 1/7...1/8.
При наличии слабых грунтов арочные пролетные строения проекти-
руют с гибкой затяжкой (рис.18.13, б), воспринимающей распор.
Для повышения эффективности арочных мостов стремятся использо-
вать совместную работу надарочного строения с аркой. На рис. 18.13, в
представлена схема моста, в котором арка трубчатого сечения образует
единую пространственную конструкцию с надарочным строением из
трубчатых элементов и железобетонной проезжей частью.
На основе арочной и балочной систем, в зависимости от соотношения
их жесткостей, конструируются многочисленные комбинированные сис-
темы. На рнс. 18.13, г показана схема безраспорного пролетного строения,
скомпонованного двумя наклонными арками и балкой жесткости, в уров-
не которой устроена пешеходная часть.
В пешеходных мостах малых и средних пролетов арки применяют, в
основном, сплошностенчатого двутаврового сечения. При больших про-
летах сечения конструируют замкнутого коробчатого или круглого
(трубчатого) профиля. Высоту сечения сплошностенчатых арок в замке
принимают равной 1/50...1/70 /. Высота сечения может быть постоянной
по всей длине пролета или постоянной на большей части длины с умень-
351
Рис. 18.14. Схемы висячих мостов
шением к пятовым шарнирам (серповидные арки). Рациональная ось арок
в пешеходных мостах близка к параболе, но для упрощения изготовления
форму оси принимают по дуге окружности.
Пространственная неизменяемость и поперечная жесткость арочных
пролетных строений обеспечивается системой пропопкммх и поперечных
связей.
Основа несущих конструкций висячих и вантовых пешеходных мос-
тов — система растянутых элементов из высокопрочных стальных кана-
тов или вант, к которым подвешивают балки жесткости с пешеходной ча-
стью. В практике строительства висячих и вантовых мостов применяют
одно-, двух- и трехпролетные системы. Наряду с классической схемой ви-
сячего моста (рис. 18.14, а), применяют системы повышенной жесткости,
352
вертикальные прогибы которых в сравнении с системой «нить-балка»
меньше на 30...50%. Жесткость висячих мостов повышают за счет поста-
новки дополнительных нисходящих вант, использования треугольных и
наклонных подвесок (рис. 18.14, б, в, г). Распор может быть передан на
балку (рис. 18.14, <)).
В пешеходных мостах находят применение висячие системы, отли-
чающиеся отсутствием балки жесткости и представляющие собой гео-
метрически изменяемые конструкции. Временная вертикальная нагрузка
уравновешивается в результате искажения геометрической схемы. Пеше-
ходная часть может быть уложена непосредственно на кабели (ленточная
конструкция) или подвешена к ним. В последнем случае кабели могут вы-
полнять функцию перил (рис. 18.14, е).
Безраспорные вантовые системы (вантово-балочные мосты) могут
иметь симметричную или несимметричную схемы (рис. 18.15, а, б). По
расположению вант различают радиально-вантовые мосты (рис. 18.15, я),
когда все ванты сходятся на вершине пилона, ярусно-параллель-
ные — «арфа» (рнс. 18.15, б) и веерные иди ярусно-расходящисся (рис.
18.15, в). По конструктивным и архитектурным соображениям в ванто-
вых мостах нередко применяют одаолилонные системы (рис. 18.15. б, в).
В современных висячих и вантовых мостах применяют, в основном,
неразрезные цельнометаллические балки жесткости двутаврового или
коробчатого сечения высотой от 1/100 до 1/300 I в висячих системах и
1/50...1/120 I в вантовых. При этом распор может быть передан на
грунт — внешне распорная система, или на балку жесткости—внешне
безраспорная система. Во внешне безраспорных конструкциях балка же-
сткости работает не только на изгиб, но и на продольную силу, что не-
353
Рис. 18.16. Вид пилонов в поперечном сечении моста
сколько увеличивает рас-
ход металла, но при этом
отпадает необходимость
устройства анкерных опор.
Конструкции пилонов
висячих и вантовых мостов
весьма разнообразны (рис.
18.16). Достаточно часто
используют одностоечные
пилоны (рис. 18.16, а). В
этом случае ванты или под-
вески висячего моста под-
держивают балку жестко-
сти в срединной плоскости. Для распределения усилий поперек моста
устраивают мощные поперечные балки, к которым и крепят ванты или
подвески. При больших пролетах применяют П-образные пилоны (рис.
18.16, б) с двумя плоскостями вант или кабелей. По архитектурным сооб-
ражениям устраивают А-образные пилоны (рис. 18.16, в). Ванты или
главные кабели в этом случае располагают в двух наклонных плоскостях
или в одной плоскости.
Наклонные ванты или главный кабель увеличивают поперечную же-
сткость пролетного строения. Расположение их в одной плоскости созда-
ет благоприятный внешний вид моста, но ухудшает условия работы бал-
ки жесткости на кручение. В связи с этим балки жесткости рекомендуется
применять коробчатого сечения. В практике строительства вантовых
мостов встречаются и наклонные пилоны. Стойки пилонов выполняют,
как правило, коробчатого или круглого сечения.
Высоту пилонов от пешеходной части принимают в пределах 1/7... 1/3
главного пролета. Стрелу провисания главного кабеля в висячих мостах
назначают в пределах 1/8...1/12 пролета.
Канаты висячих мостов, как и гибкие ванты, изготовляют из спираль-
ных, многопрядных или закрытых канатов заводского изготовления или
из параллельных проволок, прядение которых выполняют на месте
строительства.
Важный узел моста—пересечение пилона с балкой жесткости. Для
двухстоечных и П-ооразных пилонов наиболее характерно расположение
стоек с двух сторон балки жесткости. В этом случае балка жесткости и
стоики пилонов опирают на подферменную площадку опоры. Для А-оо-
разных пилонов применяют опирание балки жесткости на ригель пилона,
что придает мосту воздушность. Балка жесткости при виде с фасада как
354
бы парит над опорой, не касаясь ее. При небольшой нагрузке пилон мо-
жет опираться на балку жесткости в надопорном сечении.
В большинстве случаев стойки пилонов жестко защемляют в конст-
рукции опоры или балки жесткости. Шарнирное опирание стоек исполь-
зуют при монтаже с последующим закрытием шарниров.
18.3. Особенности проектирования пешеходных мостов
18.3.1. Общие сведения о проектировании пролетных строений
Пролетные строения пешеходных мостов проектируют в соответст-
вии с требованиями норм [14]. Ширину пешеходных мостов устанавлива-
ют в зависимости от расчетной перспективной интенсивности движения
пешеходов в час пик и принимают не менее 2,25 м. Ширину мостов, со-
оружаемых вне населенных пунктов, допускается принимать равной 1,5
м. При этом средняя расчетная пропускная способность 1 м ширины пе-
шеходного моста составляет 2000 чел/ч, а лестниц—1500 чел/ч.
Габариты приближения конструкций под пешеходными путепрово-
дами, расположенными на улицах и дорогах населенных пунктов, назна-
чают в соответствии с требованиями норм (рис. 18.17). При этом высоту
габарита h (расстояние от поверхности проезда до верхней линии очерта-
ния габарита) назначают не менее 5 м. Размер Z>i определяется конструк-
цией ограждений. В случае расположения опор мостов на разделительной
полосе дороги расстояние от кромки проезжей части до грани опоры на
городских дорогах и улицах должно быть не менее 1,5 м, включая полосу
безопасности шириной 1 м.
Опоры пешеходных
мостов, пересекающих го-
родские скоростные маги-
страли и улицы, следует
располагать на расстоянии
не менее 1 м от ограждения
проезжей части улиц (бор-
дюра), и не менее 1,5 м от
кромки проезжей част, ес-
ли ограждение отсутству-
ет. Ширина разделитель-
ной полосы с должна быть
не менее 2 м плюс ширина
ограждения.
Рис. 18.17. Схемы габаритов приближенна конст-
рукций под путепроводами
355
Для пешеходных мостов над железнодорожными путями необходимо
учитывать железнодорожный габарит приближения строения.
Величина пролетов и высотные отметки низа пролетного строения
пешеходных мостов через судоходные реки должны назначаться с учетом
подмостового судоходного габарита, который увязывается с расчетным
судоходным уровнем воды. В мостах через несудоходные реки и в несу-
доходных пролетах судоходных рек возвышение низа пролетных строе-
нии над расчетным уровнем высоких вод назначают в соответствии с п.
1.23 норм проектирования [14].
Конструкции пешеходных мостов рассчитывают на действие посто-
янных нагрузок, временных от пешеходов и прочих временных — ветро-
вой, температурной, сейсмической и др. При расчете на одновременное
воздействие нескольких временных нагрузок вводят коэффициенты соче-
таний, учитывающие пониженную вероятность одновременного появле-
ния максимальных значений рассматриваемых нагрузок. Вертикальную
нормативную равномерно распределенную нагрузку от пешеходов при-
нимают равной 3,92 кН/м2, коэффициент надежности по нагрузке ту—1,4.
В связи с эксплуатацией мостов на открытом воздухе к применяемым
сталям предъявляют повышенные требования хладостойкости, коррози-
онной стойкости и т.п. Выбор марки стали определяется условиями экс-
плуатации. В зависимости от расчетной отрицательной температуры раз-
личают три типа исполнения конструкций мостов: обычное — при рас-
четной минимальной температуре 9mn>-40“C; северное «А»—при
-40°С > 0min > -50°С и северное «Б» — при Gmin < -50°С. За 0min принима-
ют среднюю температуру наружного воздуха наиболее холодной пяти-
дневки в районе строительства с обеспеченностью 0,98.
В конструкциях мостов используют ограниченный перечень марок
стали, выпускаемых по ГОСТ 6713-91. Это малоуглеродистая сталь 16Д
спокойной плавки и низколегированные хромоникелевые стали марок
15ХСНД, 10ХСНД класса прочности С375 и С390 по ГОСТ 27772-88.
Применяют также безникелевые стали 15Г2АФДпс и 14Г2АФД класса
прочности С380К. В последние годы в практику мостостроения внедряет-
ся листовой прокат из сталей 15ХСНДА и 10ХСНДА по ТУ-1-5120-92.
Кроме перечисленных сталей, применяемых в виде проката, для изготов-
ления опорных частей и шарниров используют литую сталь марок 20Л>
ЗОЛ и 35Л по ГОСТ 977-88. В висячих и вантовых мостах применяют ка-
наты и ванты из высокопрочной проволоки и тросов заводского изготов-
ления.
Статический расчет главных несущих элементов следует проводить
по расчетной схеме, наиболее полно отражающей конструктивные осо-
356
бенности пролетного строения. В большинстве случаев усилия, напряже-
ния и перемещения вычисляют в предположении упругой и линейной ра-
боты пролетного строения. Геометрическая нелинейность серьезно ска-
зывается на работе висячих, вантовых и относительно гибких
комбинированных пролетных строений. Физическая нелинейность, свя-
занная с развитием пластических деформаций, учитывается в расчетах
элементов на прочность и устойчивость.
При определении усилий ог постоянной нагрузки необходимо учиты-
вать способ монтажа пролетного строения, что особенно важно при
строительстве мостов через водные преграды или глубокие ущелья.
Пролетные строения пешеходных мостов представляют собой про-
странственные конструкции, образуемые главными балками (фермами,
арками), системой связей, конструкцией проезжей части.
Действительное распределение усилий между отдельными частями
пространственной системы при одновременном действии вертикальной
временной нагрузки (от пешеходов) и горизонтальной (давление ветра,
сейсмическое воздействие) зависит от соотношения жесткостей элемен-
тов и вида их соединений. Точная оценка напряженно-деформированного
состояния пролетных строений, в рамках численного анализа, может
быть выполнена путем пространственного расчета с применением метода
конечных элементов (МКЭ). Эффективность метода обусловлена воз-
можностью наиболее просто учитывать различные краевые условия, осо-
бенности прикладываемых нагрузок, форму конструкции и т.д.
Главный принцип МКЭ заключается в дискретизации конструкции,
которую расчленяют на элементы конечных размеров, представляющих
собой малую область тела. Конечные элементы связаны между собой в
определенном числе точек (узлов).
Напряженно-деформированное состояние конечного элемента опре-
деляется через его узловые перемещения и реактивные усилия взаимо-
действия между элементами. Дискретизация конструкций пролетных
строений должна проводиться с учетом соблюдения равенства энергий
деформаций заданной системы и ее заменяющей модели. В зависимости
от особенностей рассматриваемой конструкции применяются три типа
аппроксимации заданной системы — стержневая, двухмерная и трехмер-
ная. Стержневые элементы моделируют работу балочных и ферменных
стержней, двухмерные—плитных и оболочечных конструкций с различ-
ными силовыми и деформационными параметрами. Трехмерные конеч-
ные элементы аппроксимируют массивные части конструкции.
В практике проектирования применяют вычислительные комплексы
Лира, COSMOS/M, NASTRAN, РАСК, комплекс МИИТа (ТУПС) и дру-
357
гие. Вычислительные комплексы позволяют определять усилия, напря-
жения и перемещения в предположении линейно-упругой и нелинейной
стадиях работы металлического пролетного строения. Нелинейные рас-
четы позволяют учесть упругопластическую стадию работы материала
(физическая нелинейность) и геометрическую нелинейность сооруже-
ния. Учет геометрической нелинейности особенно важен для пролетных
строений комбинированных систем, вантовых и висячих мостов.
В инженерной практике, наряду с пространственными расчетами, час-
то пользуются упрощенными приближенными методами определения уси-
лий, при которых конструкция разделяется на плоские системы, а взаимо-
действие и особенности работы отдельных частей конструкции учитывают
простейшими методами (введением коэффициентов н т.п.), которые опре-
делены в большинстве случаев по опыту проектирования и исследователь-
скими работами. Расчетные усилия в плоских конструктивных систе-
мах —главных балках (фермах, арках), продольных горизонтальных и по-
перечных фермах—вычисляют в зависимости от вертикальной и
горизонтальной нагрузок.
Особенностью статического расчета висячих систем является необхо-
димость учета их геометрической нелинейности. Необходимость такого
расчета определяется кинематической подвижностью гибкой висячей ни-
ти. При этом необходимо иметь в виду, что наиболее невыгодное загру-
жение висячих пролетов — загружение временной нагрузкой полупр°ле-
та. Последнее вызывает S-образный изгиб балки жесткости.
Статический расчет вантовых мостов допускается выполнять без уче-
та геометрической нелинейности, но при этом необходимо следить за
тем, чтобы в гибких вантах не появлялись сжимающие усилия, которые
выключают их из работы. Иначе требуется корректировка конструкции.
Важной проблемой проектирования висячих и вантовых мостов явля-
ется обеспечение их аэродинамической устойчивости, т. е. способности
противостоять воздействиям ветра. Необходимость приведения аэроди-
намических расчетов связана с повышенной деформативностью висячих
и вантовых мостов, их относительно малым собственным весом, неблаго-
приятными динамическими свойствами (низкие частоты и малые значе-
ния логарифмических декрементов колебаний).
Металлические пролетные строения, их элементы и соединения еле*
дует проверить на прочность, устойчивость и жесткость, т. е. по ДВУ'!
труппам предельных состоянии. Расчет прочности элементов изгибае-
мых в одной из главных плоскостей, элементов изгибаемых в двух WaB"
ных плоскостях, а также стержней, подверженных действию осевой силы
с изгибом, выполняется по критерию предельных относительных пласти-
ческих деформаций. Этот критерий учитывает ограниченное развитие
358
пластических деформаций в сечениях элементов. Прочность поперечных
сечений проверяют по формулам сопротивления упругих материалов в
форме проверки напряжений, но с введением к упругим моментам сопро-
тивления поправочных коэффициентов х £14].
18.3.2. Проектирование балочных цельнометаллических пролетных
строений
Цельнометаллические пролетные строения, состоящие из сплошных
или сквозных главных балок, ортотропной плиты проезжей части и систе-
мы связей, представляют собой пространственную конструкцию, напря-
женно-деформированное состояние которой может быть оценено с помо-
щью указанных выше программных комплексов методом конечных эле-
ментов. В случае выполнения упрощенных расчетов, что находит
применение в инженерной практике и неизбежно при курсовом и диплом-
ном проектировании, пролетное строение расчленяют на отдельные пло-
скостные элементы.
Расчет главных балок со сплошной стенкой должен осуществляться с
учетом совместной работы балки с ортотропной плитой. При определе-
нии геометрических характеристик двутавровых или коробчатых балок в
расчетное сечение вводят ширину ортотропной плиты bej с учетом нерав-
номерности распределения нормальных напряжений по ширине поясов
балок (рис. 18.18).
Достаточную точность дает методика, изложенная в [16]. Расчетная
ширина разрезного пролетного строения может быть определена с
помощью табл. 18.1. В зависимости от отношения ширины рассматривае-
мой пластины к пролету b /1 и положения рассматриваемого сечения в
пролете хг /1 по таблице определяют коэффициент К, который характери-
зует неравномерность распределения нормальных напряжений по шири-
не пластины при упругой работе стали. Переход к упругопластической
стадии работы, с ограниченными пластическими деформациями, учиты-
вают коэффициентом а, равным отношению минимальных нормальных
напряжений в рассматриваемой части ортотропной плиты к максималь-
ным а=стт|-п/<ути=1,5А-0,5.
Таблица 18.1. Значение коэффициента К
Xi/l Значение коэффициента К при Ь/1. равном i 0,80 i
о 1 0.04 i 0,10 0,20 j 0,40 f
0 I ; 0.-91 ' 0,80 I 0,65 ' 0,45 , 0,27 j
0,25 i > 0,98 | 0.97 j 0,90 * 0,70 ; 0,39 j
0,5 1 : 0,99 0,98 j 0,92 ! 0,74 j 0,42 ;
359
1
Рис. 18.18. Схема определения расчетной ширины ортотропной плиты
Окончательное значение эффективной ширины пояса, включенного в
расчетное сечение, будет равно: = ХуД. Редукционный коэффициент
v получают в зависимости от значения а:
а 1,0...0,7 0,5 0,38 0,25 0,20 0,10 0,00
V 1,0 0,85 0,72 0,65 0,60 0,52 0,43
Элементы ортотропного настила работают как верхний пояс главных
балок и как плита пешеходной части. В первом случае напряжения в лис-
те настила и продольных ребрах (стхе) получают по общим усилиям (М) ®
главных балках. Напряженное состояние ортотропной плиты на местный
изгиб определяют расчетом по упрощенным моделям методами строи*
тельной механики. Это, прежде всего, методы, основанные на замене ор-
тотропной плиты балочным ростверком.
К следующей группе расчетов ортотропной плиты относится анализ с
помощью теории конструктивно-анизотропных пластин. Может быть
также использован метод плитно-балочной конструкции [16].
При упрощенном подходе ортотропную плиту (рис.18.19, а) рассмат-
ривают как систему балок на упругих или жестких опорах. Так, напри-
мер, стальной лист можно представить неразрезной балкой, опорами ко-
торой являются продольные ребра. Если настил расположен между попе-
360
Рис. 18.19. Расчетные схемы элементов ортотропной плиты.
речными ребрами, следует учитывать упругую податливость опор
(поперечных балок), для участка настила, расположенного у поперечных
ребер, податливость продольных ребер незначительна. В этом случае
лист можно представить в виде неразрезной балки на жестких или упру-
гих опорах (рис. 18.19, б, в, г).
Определение усилии в неразрезных балках на упругих опорах выпол-
няют с помощью линий влияния опорных реакций Rh опорных Мо и про-
летных Мо>5 изгибающих моментов (рис. 18.20). Загружсние участков ли-
ний влияния осуществляют равномерно распределенной пешеходной на-
грузкой. Ординаты линий влияния определяются по таблицам 11.1 и 11.2
[15] и другой справочной литературы в зависимости от характеристики
жесткости а, равной a =S3i где S—шаг расположения упругопо-
датливых опор, I—мо-
мент инерции поперечно-
го сечения соответствую-
щей неразрезной балки,
Д — прогиб упругой опо-
ры при воздействии на
нее груза Р=1. Величина
а колеблется в пределах
от 0,001 (весьма гибкие
опоры) до 20 и более (ма-
ло проседающие опоры).
Выражения, необходи-
Рис. 18.20. Линии влияния опорных реакций и изги-
бающих моментов в неразрезной балке
361
мые для вычисления характеристик, входящих в формулу определения а,
приведены в табл. 18.2.
Таблица 18.2. Характеристики для определения жесткости балки
Вид неразрезной балки 5 1 балки I опоры Д
Лист настила а Ы1 12 А ЗЕЦ
Продольное ребро 1 А h (l-yfy1 ЗЕ1гЬ
Примечание: Л,моменты инерции поперечных сечений продольного и поперечного ребер; х -
расстояние от поперечного ребра до оси рассчитываемой балки (настила); b = J м - ширина балки
(настила); у - расстояние от стенки главной балки до рассчитываемой продольной балки.
Проверку прочности элементов ортотропной плиты необходимо про-
водить с учетом напряженного состояния от работы настила и продольно-
го ребра в составе главных балок (охс, оу„ и местного изгиба плиты
(tr-q,, Сур, тда) [14]. В СНиПе [14, прил.18] выделены для проверки прочно-
сти наиболее опасные места, в которых происходит векторное сложение
напряжений от обоих воздействий. Это условие прочности имеет вид:
<Rfm, (18.1)
где т, тг — коэффициенты условии работы, т,=1/2, (£ — коэффициент,
учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций в сече-
нии); Xi — коэффициент влияния остаточных сварочных напряжений;
V — коэффициент, зависящий ог формы сечения.
Стальной лист необходимо проверить на прочность по приведенным
напряжениям. Помимо прочности, элементы ортотропной плиты должны
удовлетворять условиям местной устойчивости, а вся плита — условию
общей устойчивости [14].
18.3,3. Основы расчета сталежелезобетонных пролетных строений
Поперечное сечение сталежелезобетоннон балки комплектуется из
стальной части и совместно с ней работающей железобетонной плиты.
Составляющие сечение материалы имеют различные механические ха-
рактеристики и в зависимости от действующих в них напряжений могут
работать в упругой, упругопластической и пластической стадиях. Точ-
ный учет всех особенностей работы сечения достаточно сложен, поэтому
при расчете по прочности считают, что стальная часть балки работает уп-
руго, а в бетоне и арматуре плиты напряжения могут не достигать расчет-
ных сопротивлений (упругая работа) или быть нм равными (пластическая
362
стадия). Независимо от
стадии работы расчеты
выполняют, исходя из
гипотезы плоских сече-
ний, без учета податли-
вости швов объедине-
ния стальной и железо-
бетонной частей. Реко-
Рис. 18.21. Схема для определения расчетной ширины
сталежелезобетонном плиты
мендации по расчету
сталежелезобетонных конструкций изложены в §16.1. Здесь будут рас-
смотрены лишь особенности определения расчетной ширины сталежеле-
зобетонной плиты.
Расчетную ширину железобетонной плиты, учитываемой в расчете
прочности нормального сечения сталежелезобетонной балки, вычисляют
как сумму расчетных величин свесов плиты в обе стороны от оси сталь-
ной конструкции с учетом размеров вута (рис. 18.21). Ширину участка
плиты между балками (Ь) принимают равной Ь=1„ / 2. Если пролет балки
меньше четырехкратного пролета плиты (1^, то b=a+6tsl. Расчетная шири-
на консольной части плиты (Ьс) зависит от отношения вылета консоли (4)
к пролету балки. Если пролет балки превышает двенадцатикратный вы-
лет консоли, то Ье=1к, в противном случае Ьс-а+б1Лс, но не более вылета
консоли и не менее 1/12 пролета балки.
18.3.4. Динамический расчет пешеходных мостов
Движение по мосту группы людей, в случае возникновения у пролет-
ного строения колебаний резонансного типа, может оказать значительное
Динамическое воздействие. Появление вынужденных колебаний в этом
случае вызывает неприятные ощущения у пешеходов или чрезмерные
усилия в отдельных элементах конструкции моста.
Во время ходьбы центр тяжести человека описывает в пространстве
некоторые криволинейные траектории. При этом он, помимо равномер-
ного поступательного движения, совершает периодические колебания в
вертикальной и горизонтальной поперечных плоскостях, а кроме того, то
«забегает» вперед, то «отстает» от равномерно движущихся текущих ко-
ординат. При этом колебания центра тяжести в направлении движения и в
вертикальной плоскостях совершаются с периодом, равным продолжи-
тельности одного шага, а в поперечном горизонтальном направле-
нии— с периодом, равным продолжительности двух шагов.
Естественно, что периодические колебания массы тела движущегося
человека приводят к возникновению соответствующих периодических
363
a)
p-j НШ f TF Ti
т.
в)
/”/
инерционных сил и, сле-
довательно. идущий че-
ловек оказывает не толь-
ко статическое воздейст-
вие, но и динамическое.
т3
4-
Во избежание явления
—п резонанса нормы [14]
требуют, чтобы в про-
летных строениях пеше-
ходных мостов расчет-
ные периоды собствен-
ных колебаний в
I
4---
незагруженном состоя-
нии но двум низшим формам не находились в интервалах от 0,45 с до 0,60
с в вертикальной и от 0,9 до 1,2 с в горизонтальной плоскостях. Эти пе-
риоды колебаний соответствуют частотам 2,22 ... 1,67 Гц в вертикальном
направлении и 1,11 ... 0,83 Гц — в горизонтальном. Нормы требуют так-
же учитывать возможность загружения моста толпой, создающей нагруз-
ку 0,49 кН/м2.
Из динамики сооружений известно, что собственные колеба-
ния — это частный случай свободных колебаний, когда последние совер-
шаются по типу стоячей волны с определенной частотой и формой. Вы-
званные некоторыми начальными возбуждениями, любые свободные ко-
лебания сооружения состоят из суммы частных собственных колебаний,
то есть имеет место спектр собственных колебаний, отражающий фунда-
ментальные свойства той или иной системы.
Частоты собственных колебаний в вертикальной или горизонтальной
плоскостях разрезных пролетных строений, представляющих собой сис-
темы с бесконечным числом степеней свободы (рис. 18.22, а), определя-
ются выражением:
т (Ы.2,3 ...), (18.2)
где 00,. —• круговая частота (за 2л секунд): т — равномерно распределен-
ная масса пролетного строения с учетом и без учета загружения толпой
(0,49 кН/м2); /- -момент инерции поперечного сечения пролетного
строения относительно вертикальной или горизонтальной осей.
Сквозные разрезные пролетные строения при вычислении частот соб-
ственных колебаний заменяются условной сплошной балкой с эквива-
лентной жесткостью.
364
Сложные конструктивные схемы пешеходных мостов рассматривают
как дискретные динамические расчетные схемы в виде системы невесо-
мых стержней с точечными сосредоточенными массами. Последние со-
бираются с примыкающих участков стержня. Линейным перемещениям
отвечает обычное понятие массы, а угловым — момент инерции массы
относительно осей вращения. Таким образом, реальное сооружение с рас-
пределенными массами моделируется системой с л-степенями свободы.
Характеристики собственных колебаний в вертикальном и горизонталь-
ном (поперечном) направлениях вычисляют раздельно.
Уравнения свободных колебаний системы с л-степенями свободы в
матричной форме имеют вид:
(18.3)
где У( — вектор-столбец перемещений по i-й форме собственных колеба-
ний; X,. =1/g)2, со,—частота z-й формы собственных колебаний;
Е—единичная матрица; А—динамическая матрица системы, равная
произведению матрицы перемещений D на диагональную матрицу масс
М, т. е.:
1 to сч СО 0 ... О'
A=DM; D = ; г> = 0 ... 0 . (18.4)
5,1 5я2 ... 5„„ 0 0 ... т„
Условие нетривиальное™ решения однородного уравнения (18.3)
имеет вид:
,.£)=(). (18.5)
Это уравнение называется характеристическим. Раскрывая его, полу-
чим уравнение л-й степени относительно решение которого дает л по-
ложительных корней, соответствующих частотам свободных колебаний
®1, «2, -®п-
Формы собственных колебаний (У{;) с точностью до постоянного
множителя определяются из решения уравнения (18.3) после подстанов-
ки найденных значений частот. Числа А; и векторы Уи — это собственные
числа и собственные векторы матрицы А, они могут быть найдены по спе-
циальным стандартным программам на ПЭВМ.
Частоты собственных колебаний в горизонтальной плоскости, перпен-
дикулярной оси пешеходных мостов с разрезными балочными пролетны-
ми строениями и высокими опорами стоечного типа, должны быть проана-
лизированы по дискретной расчетной схеме, приведенной на рис. 18.22. б.
При этом следует учесть фактическое положение опорных частей.
365
Рис. 18.23. Образование и срывы вихрей:
а, б—возникновение дорожки Кармана; в — гра-
фик силы 5 от вихрей Кармана
Особенности динамических
свойств висячих и вантовых мостов
(низкие частоты, малые значения
коэффициентов затухания), небла-
гоприятные аэродинамические
формы поперечного сечения балок
жесткости делают их весьма чувст-
вительными к действию ветра. В
связи с этим д ля указанных систем
весьма важной проблемой является
обеспечение аэродинамической ус-
тойчивости, т. е. способности про-
тивостоять воздействиям ветра. Да-
же при равномерном обтекании
пролетного строения потоком воз-
духа могут возникнуть вынужден-
ные колебания. Основная причина
этого явления заключается в обра-
зовании завихрений при обтекании
воздухом какого-либо препятствия.
Это явление называется «дорожка
Кармана» (рис. 18.23, а).
Вихри Кармана формируются
поочередно за обтекаемым телом с
разных сторон по ходу потока, вызывая вибрацию пролетного строения
в направлении, перпендикулярном потоку. В результате поочередного
отделения вихрей на пролетное строение действует периодическая сила
<8, направленная перпендикулярно движению потока воздуха (рис.
18.23, б, в).
Частота срыва вихрей Кармана и собственно периодичность силы S
зависит от многих факторов: скорости потока Ки его плотности р, разме-
ра сооружения D, формы конструкции.
Безразмерный параметр, учитывающий форму при обтекании жидко-
стью или газом, известный под названием «число Струхаля» -
Sh=GDiV. В общем виде возмущающее воздействие равно
S=/(p,^)sm9f, (18.6)
где в—круговая частота образования вихрей Кармана.
В случае совпадения частоты 6 действия силы Sc собственными час-
тотами <вв, ®r, пролетного строения мост начнет испытывать колеба-
ния либо в вертикальной, либо в горизонтальной плоскостях. Могут воз-
366
никнуть и крутильные колебания за счет несимметричного приложения
возмущающих сил , 52. На практике колебания пролетного строения
происходят еще сложнее, так как ветер может действовать под углом к
конструкции (и в вертикальной, и в горизонтальной плоскостях) и от-
дельными порывами. Вследствие этого причинами аэроупругих колеба-
ний гибких тел в ветровом потоке могут быть различные силы, которые
вызывают многообразные виды аэродинамической неустойчивости.
Наиболее опасны следующие аэроупругие явления.
Флаттер (изгибно-крутильный или классический)—связанные изгибио-крутильные
быстро нарастающие во времени самовозбуждающиеся колебания, причина которых в не-
совпадении точки приложения аэродинамических сил с центром изгиба поперечного сече-
ния балки жесткости моста.
Бафтинг — наблюдается у элементов конструкции, находящихся в турбулентном по-
токе или в следе за другими элементами из-за интерференции аэродинамических сил.
Ветровой резонанс—нарастание амплитуд автоколебаний поперек потока воздуха,
наблюдаемое при совпадении частоты 0 срыва вихрей Кармана с одной из собственных час-
тот to,-.
Галопирование (раскачивание), которому подвержены плохо обтекаемые гибкие эле-
менты с аэродинамически неустойчивыми поперечными сечениями (квадратными, прямо-
угольными). Подобные явления чаще всего возникают у канатов в случае их покрытия
льдом.
Параметрический резонанс—заключается в «перекачке энергии» вертикальных ко-
лебаний в горизонтальные, н наоборот. Наблюдается при кратности частот <яв и <аг.
Дивергенция потеря устойчивости от крутильных колебаний.
Проверка аэродинамической устойчивости мостов заключается в оп-
ределении критической скорости ветра для конкретного пролетного
строения где 7СГ— скорость ветра, при которой на данном про-
летном строении возникает одно из аэроупругих явлений; V—расчетная
скорость ветра, т. е. максимально возможная для данного района (обычно
25.. .35 м/с). Минимальное превышение скоростей должно составлять не
более 1,5, т.е. Vcr >1,5Е
Определение критической скорости для висячих или вантовых мос-
тов — весьма сложная задача, так как Ус, зависит от многих факторов: от
формы и размеров конструкции, ее массы, динамических характеристик
балки жесткости (со,), климатических условий и т.д. Влияние отдельных
факторов в настоящее время оценивается только экспериментальным пу-
тем или на основе приближенного анализа. Для приближенных расчетов
можно пользоваться упрощенным методом по формулам и графикам,
представленным в [17, 18].
Глава 19
КОНВЕЙЕРНЫЕ ГАЛЕРЕИ
. В комплексе сооружений промышленных предприятий широкое рас-
пространение получили конвейерные галереи, которые являются основой
внедрения современных автоматизированных технологических процес-
сов. Конвейерные галереи (в дальнейшем галереи) предназначены для
размещения технических коммуникаций и конвейеров, с помощью кото-
рых производится перемещение сыпучих материалов. Галереи представ-
ляют собой горизонтальные или наклонные сооружения с продольным
углом наклона, не превышающим 24°. В зависимости от условий эксплуа-
тации и требуемого температурного режима галереи проектируют отап-
ливаемыми и неотапливаемыми. Последние могут быть открытыми, час-
тично или полностью закрытыми.
Сравнительно небольшой 70-летний опыт эксплуатации галерей сви-
детельствует, что они относятся к наиболее повреждаемому классу со-
оружений. Повышенная повреждаемость галерей обусловлена совмест-
ным воздействием неблагоприятных факторов, включая динамические
нагрузки и непосредственное влияние климатических температур.
19.1. Компоновка и конструктивные решения галерей
Галереи состоят из опор и Пролетных строений. В состав пролетных
строений входят несущие конструкции, перекрытия и шатровая часть.
С целью снижения усилий от температурных деформаций протяжен-
ные галереи разрезают с помощью деформационных швов на температур-
ные блоки. Для районов с расчетной температурой наружного воздуха не
ниже минус 40°С длина температурного блока не должна превышать 130
м, а при расчетной температуре ниже минус 40°С не более 100 м. Для
обеспечения продольной устойчивости сооружения в каждом темпера-
турном блоке предусматривают неподвижную (анкерную, жесткую, про-
странственную) опору. Остальные металлические опоры выполняют в
виде плоских конструкции, обладающих незначительной жесткостью в
направлении продольной, оси галереи.
Возможны три схемы продольной компоновки галерей. По схеме 1
(рис. 19.1, а) неподвижные опоры размещают в нижней части температур'
ного блока. По схеме 2 неподвижные опоры располагают в средней части
368
Рис. 19.1- Схемы компоновки галерей:
а—схема 1:6 — схема 2; в—схема 3; 1 —неподвижное закреп-
ление; 2—плоская (качающаяся) опора; 3— пространственная
(неподвижная) опора; т.б. •—температурный блок
блока (рис. 19.1, б). Схе-
му 3 (рис.19.1, в) приме-
няют, когда невозможно
установить вблизи зда-
ния промежуточную опо-
ру и обеспечить консоль-
ное примыкание галереи.
Температурный шов в
этом случае выполняют,
используя спаренные
промежуточные опоры.
Конвейеры распола-
гают как по низу несу-
щих конструкций про-
летных строений, так и
по верху. В первом слу-
чае при использовании в
качестве несущих конст-
рукций пролетных строе-
ний стальных ферм пре-
дусматривают сжатый
опорный раскос, во вто-
ром— растянутый. Наи-
большее применение в
галереях получили кон-
вейеры, опирающиеся на
пол. Однако для удобства
уборки просыпей применяют подвесные конвейеры с креплением к попе-
речным балкам покрытия.
При компоновке поперечного сечения галереи необходимо Преду-
сматривать проходы с двух сторон конвейеров для обслуживания, монта-
жа и ремонта оборудования. В необходимых случаях галереи оснащают
подвесным подъемно-транспортным оборудованием (монорельсом) для
ремонта и замены конвейерного оборудования.
При использовании в качестве несущих конструкций прслетяых
строений ферм возможны два варианта расположения ограждающих кон-
струкций. В нервом варианте фермы находятся снаружи галерей, во вто-
ром — внутри отапливаемого пространства. Недостатком первого вари-
анта является возможность непосредственного контакта с наружным воз-
духом элементов фермы, что приводит к снижению эксплуатационной
369
надежности в условиях низких температур. Во втором варианте конст-
рукции подвергаются воздействию влажной среды, способствующей
коррозионному износу стали. Кроме того, по элементам ферм образуется
мостик холода в результате контактирования нижнего пояса с наружным
воздухом, что приводит к образованию конденсата в узлах ферм. При вы-
боре варианта компоновки необходимо учитывать условия эксплуатации,
влажностный режим внутри галереи, район строительства.
19.1,1. Конструктивные решения галерей
В качестве несущих конструкций пролетных строений применяют со-
ставные и тонкостенные балки, фермы с параллельными поясами, прямо-
угольные и круглые цилиндрические оболочки, а также другие виды кон-
струкций (рис. 19.2). Балки экономически оправданы при небольших
пролетах (до 30 м), фермы — 24... 42 м, оболочки — свыше 30 м. Макси-
мальная экономия материала достигается при определенном соотноше-
нии между высотой опор и пролетами конструкций. При высоте опор до
12 м рекомендуемый пролет составляет 18 м, при высоте от 13 до 20 м
пролеты принимают 24 м н при высоте опор более 20 м оптимальными
считаются пролеты свыше 30 м.
19.1.2. Пролетные строения
Первоначально в галереях применялись несущие конструкции из про-
катных и сварных двутавровых балок с размещением конвейеров и эле-
ментов перекрытия на уровне верхних поясов. Несмотря на большой рас-
ход стали, балки менее трудоемки в изготовлении по сравнению с ферма-
ми, и, как показывает опыт эксплуатации, такие галереи обладают
большей надежностью в условиях низких температур. По мере накопле-
ния опыта строительства и эксплуатации галерей конструктивные реше-
ния все более усовершенствовались, и в 70-х годах для энергетического
строительства началась разработка серий УМК — унифицированных ме-
таллических конструкций-
Несущими конструкциями пролетных строений серии являются
сплошные балки из сварных двутавров высотой 1600 мм при пролетах 18
и 24 м и 2000 м—при пролете 30 м. Шатровая часть выполнена в наибо-
лее экономичном арочном варианте. В верхней части свода устроена све-
топрозрачная легкосбрасываемая при взрыве панель.
Несмотря на преимущества в технологичности и общей надежности,
обычные балки, рациональные при небольших пролетах, не смогли соста-
вить достойную конкуренцию пролетным строениям из ферм. Начиная с
370
Pec. 19.2. Пролетные строевая галерей:
о—с несущими хонструхцихми из ферм с паралзелыпаш поясами; б—то же, ю сварных двутавровых
балок; в—тоже, из оболочек прямоугольного сетеиия; г—toitK.wi круглой цилиндрической оболочки
1968 г., были разработаны типовые серии ЙС-01-15 и 3.016 с пролетами
18,24,30 м (рис. 19.2, а). Для открытых складов разработана типовая се-
рия М-372 с горизонтальными неотапливаемыми конвейерными галерея-
ми с пролетами 24 и 48 м. Несущими конструкциями в эгих сериях приня-
ты фермы с параллельными поясами и решетками, выполненными из пар-
ных уголков. Однако использование уголков не позволило существенно
увеличить пролеты в связи с большой высотой ферм, и к тому же они не
отличались долговечностью. Поэтому в галереях стали применять более
прогрессивные типы ферм с элементами из гнутосварных профилей. В
отдельных случаях допускается использовать в элементах ферм прокат-
ные уголки, которые для повышения коррозионной стойкости проектиру-
ет в виде крестового сечения.
371
При значительных усилиях пояса ферм выполняют из широкополоч-
ных двутавров. При вертикальном расположении стенки двутавров эле-
менты решетки выполняют из замкнутых гнутосварных профилей с бес-
фасоночными узлами (рис. 7.25, а [1]), из одиночных уголков (рис. 7.25, г
[1]), крестового сечения с узловыми фасонками. При горизонтальном
расположении стенки двутавров элементы решетки выполняют в двух
плоскостях. Решетку таких ферм проектируют с нисходящими раскоса-
ми, работающими на растяжение, и сжатыми стойками (рис. 7.6, г [1]).
Недостатком ферм с горизонтально расположенными стенками двутав-
ров является необходимость проведения дополнительных мероприятий
для защиты поясов от коррозии. Другие типы ферм проектируют с тре-
угольной решеткой.
Плоскость сопряжения фермы с опорой независимо от уклона галереи
проектируют горизонтальной (рис. 19.3). В многопролетных галереях
возникают большие продольные усилия, обусловленные технологиче-
скими нагрузками и температурными воздействиями. Для передачи про-
дольных усилий на неподвижную опору на уровне нижнего пояса фермы
предусматривают дополнительные усиливающие детали. В фермах с поя-
372
сами из уголков или тавров эти жесткие элементы, установленные вдоль
опорной панели нижнего пояса, способствуют восприятию дополнитель-
ного изгибающего момента от эксцентриситета продольных сил относи-
тельно верха неподвижной опоры.
Пространственную жесткость пролетного строения обеспечивают с
помощью горизонтальных связей по нижним и верхним поясам и жест-
ким узлом сопряжения поперечных балок со стойками ферм (рис. 19.4).
При уклонах галерей, превышающих 5°, скатные составляющие верти-
кальных нагрузок передают верхним поясам поперечных балок или пре-
дусматривают продольные тяжи, которые уменьшают пролеты балок в
плоскости покрытия и перекрытия. Усилия от тяжей передаются на верх-
ние пояса ферм с эксцентриситетом. Возникающие изгибающие моменты
воспринимают дополнительно предусмотренные детали в верхней по ук-
лону панели каждого пролетного строения.
До 80-х годов традиционными конструкциями пролетных строений
являлись фермы. Опыт эксплуатации галерей в особых условиях позво-
лил выявить основные недостатки ферм: высокий уровень концентрации
напряжений в узлах, большая высота ферм, ограничивающая возмож-
ность увеличения пролетов, недостаточная долговечность конструкций,
различный тепловой режим несущих элементов и примыкающих к фер-
мам ограждающих конструкций, приводивший к появлению дополни-
тельных напряжений при изменениях климатических температур.
Рис. 19.4. Ухты элементов покрытия
373
Рис. 19.5. Фрагмент поперечного
разреза пролетного строения с не-
сущими конструкциями из тонко-
стенных балок
Рнс. 19.6. Детали поперечного разреза про-
летного строения из прямоугольной оболоч-
ки с плоскими степовымн панелями
С целью совершенствования конструкции галерей, направленного на
снижение трудоемкости изготовления, совмещение несущей и ограждаю-
щей функций и повышение надежности, были разработаны пролетные
строения из тонкостенных балок (рис. 19.5). Высота балок равна или
меньше высоты пролетного строения галереи. Покрытия выполняют пло-
скими или в виде цилиндрического свода. Перекрытие опирается на попе-
речные балки, которые крепят к нижним поясам продольных тонкостен-
ных балок. В местах опирания балок предусматривают двусторонние
ребра жесткости, которые служат стойками опорных рам и обеспечивают
пространственную жесткость пролетного строения. В пролете балки реб-
ра жесткости приваривают к сжатому верхнему поясу.
Естественное освещение и аэрация производится через окна—иллю-
минаторы в вцде патрубков, установленных в стенке балки. Более пред-
почтительным является вариант размещения фонарей на кровле.
С целью повышения заводской готовности, индустриализации строи-
тельства и эффективной работы материала были разработаны конструк-
ции пролетных строений из оболочек прямоугольного сечения (рис.
19.6). Такие конструкции поставляют в виде плоских панелей полной за-
водской готовности с утеплителем. Панели пола и кровли устанавливают
яонерск пролетного строения, а стеновые панели—вдоль. Панели пола и
кровли имеют длину, равную ширине пролетного строения, а стеновые
панели 12 м. Панели состоят из обшивки, элементов поперечных рам и
продольных ребер жесткости, обеспечивающих устойчивость сжатых
участков. Обшивка состоит из набора чередующихся между собой гну-
374
тых С-образных профилей и плоских листов. Предельное отношение ши-
рины листа к его толщине составляет в сжатой части 120, в растяну-
той—180. Толщину листа принимают не менее 4 мм.
Поперечные рамы образованы балками покрытия, перекрытия и стой-
ками стен из двутавровых профилей. Узлы соединения балок покрытия со
стойками в опорных рамах выполняют жесткими для обеспечения гео-
метрической неизменяемости поперечного сечения пролетного строения.
Сопряжение поперечной рамы с опорой галереи производят через гори-
зонтальные плоскости.
При укрупнительнон сборке пространственных секций стыки пане-
лей обшивки выполняют односторонним сплошным швом автоматиче-
ской сваркой с полным проваром. Поперечный укрупнительный стык от-
дельных секций выполняют приваркой накладок, равнопрочных основ-
ному сечению.
Для конструкций северного исполнения необходимо максимально
уменьшить количество сварных швов, являющихся концентраторами на-
пряжений. Поэтому более предпочтительным является вариант с фланце-
вым соединением на болтах монтажных соединений стоек стеновых па-
нелей с поперечными балками кровли и пола.
Несмотря на имеющиеся достоинства цельнометаллических галерей из
панелей, продольные ребра жесткости, предназначенные для обеспечения
местной устойчивости
сжатых участков, увеличи-
вают трудоемкость работ, а
сварные швы для их креп-
ления снижают хладостой-
кость конструкций.
С целью повышения
местной устойчивости без
установки продольных ре-
бер жесткости галереи вы-
полняют в виде замкнутой
Цилиндрической оболоч-
ки. Конструктивно гале-
рея состоит из обшивки,
подкрепленной кольцевы-
ми ребрами жесткости
(рис. 19.7,19.8). Промежу-
точные ребра устанавли-
вают с внутренней сторо-
Fkc. 19.7. Конструкции яролетного строении ш круг-
лой цилиндрической оболочки:
1 — иллюминатор; 2—ограждение; 3—натрусок дефлектора
375
1-1
1
Рис. 19.8. Опорный узел пролетного строения из круглой цилиндрической оболочки
ны галереи, опорные кольца — снаружи. Стойки конвейера и настил пола
опирают на продольные балки, уложенные по поперечным балкам, кото-
рые крепят к кольцевым ребрам.
Естественное освещение производится через круглые окна, а провет-
ривание с помощью дефлекторов, установленных в верхней части обшив-
ки. Участки обшивки, ослабленные отверстиями для окон и дефлекторов,
усиливают с помощью патрубков.
В зависимости от размеров наружного диаметра галереи подразделя-
ют на габаритные и негабаритные. Габаритная оболочка имеет диаметр
не более 3250 мм и обладает максимальной заводской готовностью с пол-
ной комплектностью поставляемых секций. Негабаритные галереи с на-
ружным диаметром, превышающим 3250 мм, по условиям транспорти-
ровки нс вписываются в железнодорожный габарит и поставляются на
монтаж в виде рулонных заготовок. Сборку галереи производят методом
наворачиванйя рулонов на каркас, состоящий из перекрытия и кольцевых
ребер жесткости.
Галерея в виде замкнутой цилиндрической оболочки обладает боль- •
шой изгибной жесткостью, незначительным аэродинамическим сопро-
тивлением, присущим конструкциям, имеющим круговое очертание- и
небольшим снегонакоплением. Благодаря этим преимуществам, такие га-
лереи проектируют с большими пролетами. Для экономии стали толщину
376
обшивки принимают переменной с размещением более толстых слоев в
сжатой зоне.
Недостатком галерей с цилиндрической оболочкой является нерацио-
нальное использование внутреннего объема. Замкнутое пространство ме-
жду полом и нижней обшивкой используется неэффективно и труднодос-
тупно для осмотра. Галереи с двумя конвейерами имеют более худшие
показатели использования объема и негабаритные размеры.
С целью устранения недостатков, присущих галереям в виде цилинд-
рической оболочки, разработана оболочка с горизонтальными вставками,
позволяющими увеличить поперечный габарит при неизменной высоте
пролетного строения. Вставки имеют криволинейное очертание для по-
вышения устойчивости сжатых участков или принимаются плоскими.
Кроме рассмотренных, в отечественной и зарубежной практике име-
ется опыт проектирования и строительства галерей с различными конст-
руктивными решениями в виде
пространственных ферм, эллип-
тических труб с шарнирно-со-
единенными участками, позво-
ляющими складывать отправоч-
ные элементы при транспортиро-
вании, и другие нетрадиционные
типы галерей.
19.2. Опоры галерей
Стальные опоры, которые
поддерживают пролетные строе-
ния, подразделяют на плоские и
пространственные (рис. 19.9,
19.10, а, б, в). Плоские опоры со-
стоят из вертикальных или на-
клонных ветвей и соединитель-
ной решетки. Наибольшее рас-
пространение получили ветви из
прокатных двутавровых профи-
лей. Высоту сечения профиля
принимают не менее 500 мм, ис-
ходя из удобства опирания при-
мыкающих с двух сторон пролет-
ных строений. Для обеспечения
Рис. 19.9. Схемы плоских опор
377
свободных температурных деформаций пролетных строений гибкость
ветви должна находиться в пределах 70... 120. При меньшей гибкости по-
датливость сопряжения ветви с фундаментом обеспечивают с помощью
центрирующей планки, приваренной к опорной плите (рис. 19.11. «)• ^а"
зы опор гибких ветвей устанавливают непосредственно на фундамент с
последующей подливкой (рис. 19.11, б, в). Опоры крепят к фундаменту с
помощью анкерных болтов, расстояние между которыми вдоль галереи
принимают не более 250 мм.
Расстояние между ветвями опоры принимают равным расстоянию
между несущими конструкциями пролетных строений. При отношении
ширины опоры к ее высоте большем или равным 1/8 ветви принимают
вертикальными. При меньшем отношении для придания большей жест-
кости ветви проектируют наклонными (см. рис. 19.9).
Схема решетки зависит от принятого типа сечения элементов, соотно-
шения геометрических размеров и требований по экономному расходу
материалов (см. рис. 19.9). Расстояние между узлами элементов решетки
принимают из условия обеспечения устойчивости участка ветви. Жест-
кость распорок в горизонтальном направлении должна быть достаточной
для предотвращения крутильной формы потери устойчивости ветви.
Решетку опоры располагают в двух плоскостях, совпадающих с на-
ружными гранями, или в одной плоскости, совпадающей с осями ветвей.
378
Рис. 19.11. Базы опор
Ряс. 19.12. Узлы крепления решеток опор
Распорки должны препятствовать повороту сечения ветви при крутиль-
ной форме потери устойчивости. Для этой цели они должны иметь доста-
точную жесткость в горизонтальном направлении. В однонлоскосгней
решетке распорки крепят либо к горизонтальному ребру (рис. 19.12, а),
379
Рнс. 19.13. Опоры с ветвями из трубчатых про-
филей
либо, как и в двухплоскостной
решетке, непосредственно к
полкам двутавра ветви (рис.
19.12, б). Решетку изготовля-
ют из уголков, прокатных или
гнутых швеллеров с соедини-
тельными горизонтальными
элементами. В одноплоскост-
ной решетке наиболее эффек-
тивно применение замкнутых
гнутосварных и гнутых про-
филей.
Пространственные опоры
обеспечивают жесткость тем-
пературного блока в продоль-
ном направлении и передают
горизонтальные силы на фун-
даменты. Конструктивно про-
странственные опоры проек-
тируют в виде плоской опоры
с подкосом или связевой опо-
ры башенного типа (см. рис.
19.10). Подкос опоры ориен-
тируют с учетом работы его на
сжатие. Конструктивные ре-
шения пространственных
опор принимают аналогично
плоским опорам. Возникаю-
щие горизонтальные усилия в опорах передают на фундамент с помощью
специальных закладных деталей (см. рис. 19.11, в).
Перспективным решением плоских опор в отдельных случаях являет-
ся безрешетчатая опора с ветвями из трубчатых профилей (рис. 19.13)-
Нижние опоры ветвей для придания большей поперечной жесткости р33'
двинуты относительно продольной оси галереи. При необходимости
уменьшения расчетной длины ветви в средней части опоры устанавлива-
ютраспорку. Пролетное строение передает нагрузку на опору с помощью
траверсы коробчатого сечения, работающей на изгиб. Поэтому такие опо-
ры рекомендуется применять преимущественно для одноконвейерных
галерей или двухконвейерных галерей небольшой ширины.
380
19.3. Расчет конструкций галерей
При проектировании галерей рассчитывают конструкции пролетных
строений, опор и фундаментов. Расчет конструкций рекомендуется вы-
полнять в следующей последовательности:
• выбор расчетной схемы;
• сбор нагрузок на элементы покрытия и перекрытия;
• расчет элементов покрытия и перекрытия, подбор сечения элемен-
тов по условиям прочности, устойчивости и деформативности;
• определение нагрузок на несущие конструкции пролетных строе-
ний;
• расчет несущих конструкций пролетных строений и подбор их се-
чений по условиям прочности, устойчивости и деформативности;
• определение динамических характеристик пролетных строений и
возмущающей силы;
• проверки возможности резонансного режима колебаний конструк-
ций;
• расчет узлов и соединений пролетного строения;
• сбор нагрузок и расчет конструкций опор;
• определение нагрузок на фундаменты.
19.3.1. Нагрузки и воздействия
К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкций гале-
рей, ограждения и теплоизоляции. Длительные технологические нагруз-
ки обусловлены весом груза на ленте, промышленных проводок, конст-
рукций конвейера, сопротивлением движению ленты. К длительным
атмосферным относят вес пыли на покрытии. Кратковременные техноло-
гические нагрузки возникают от веса просыпи, людей, ремонтных мате-
риалов и инерционных сил при пуске конвейера. К кратковременным ат-
мосферным относят нагрузки от снега, ветра и температурных воздейст-
вий. К особым нагрузкам относят нагрузки от обрыва или заклинивания
ленты и в отдельных случаях вес просыпи от одного конвейера.
Нагрузки от конвейера действуют в вертикальном и продольном на-
правлениях.
Вертикальная нагрузка состоит из веса транспортируемого груза,
ленты, рядовых и центрирующих роликоопор, станины конвейера. Про-
дольная нагрузка включает скатную составляющую от веса транспорти-
руемого груза и ленты конвейера, силу сопротивления движению ленты
на роликоопорах, силу инерции от изменения скорости вращения роли-
ков при пуске. Нагрузку от конвейера принимают в зависимости от шири-
381
ны ленты, угла наклона галерей и насыпной плотности груза [20] или по
данным технологической организации.
Нагрузку от обрыва и заклинивания ленты, возникающую при ава-
рийных режимах работы конвейера, определяют в зависимости от шири-
ны ленты [20].
При проектировании галерей необходимо учитывать динамические
нагрузки, которые возникают от дисбаланса вращающихся масс роликов,
радиального биения роликов, вызывающего поперечные колебания вет-
вей ленты и транспортируемого груза, ударов по рабочим роликам круп-
ных кусков груза.
Вертикальную нагрузку, передающуюся от одной стойки конвейера,
определяют по формуле
Q. ^2qln) + 9r^ (19.1)
где 10 — шаг стоек конвейера; kd =1,15 — коэффициент динамичности;
Яд — вес транспортируемого груза, Н/м; 2^ —вес ленты, Н/м;
линейная приведенная нагрузка от веса рядовых и центрирующих
роликоопор, Н/м; линейная нагрузка от массы металлоконструкций
средней части конвейера, Н/м.
Продольную нагрузку, передающуюся от конвейера через одну опору
стойки, вычисляют по формуле
Сл=О,5(Го+гя+%/)/о, (19.2)
где t0 — (0,5^/ж +дч +qr — 0^*)©^ cosa—продольная нагрузка, обу-
словленная силами сопротивления движению ленты; q’, а" — вес вра-
щающихся частей роликоопор соответственно верхней и иижмей ветвей
ленты, со—коэффициент сопротивления движению ленты в установив-
шемся режиме, к, - 1,5 коэффициент увеличения сопротивления дви-
жению „ленты при пуске; a—угол наклона галерей; t„ = 0,lax
x(?z ~ЯГУ продольная нагрузка, обусловленная разностью сил инер-
ции вращения роликов верхней и нижней ветви; а * 5а, /д' но не более
5 м/с--ускорение ленты; ( .(, +2?1)8та-пДдо№им состав-
лающая от веса груза и ленты.
Снеговую нагрузку определяют согласно норм [41, при этом коэффи-
циент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на
РаВНЫМ °’8’ К°ТОрЫЙ уташюет неб0ЯЬ1ПУ^ шйри"
2.01.07-85 [4] и 2.09.03-85 [21]. При определении нагрузки от отложения
пыли необходимо руководствоваться заданием на проектирование, а в
382
случае отсутствия конкретных указаний для производств со средним
уровнем выделения пыли принимать равной 500 Па.
Согласно требованиям СНиП 2.09.03-85 [21] пролетные строения и
опоры галерей следует рассчитывать на перепад температур. Расчетные
значения климатических температур принимают по СНиП2.01.07-85* [4].
При определении расчетных нагрузок коэффициенты надежности по
нагрузкам принимают в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85*
[4]. Коэффициент надежности по назначению зданий принимают равным
0,95.
19.3.2. Расчет пролетных строений
Расчетную схему пролетных строений из ферм принимают как раз-
резную, свободно опертую конструкцию с шарнирным соединением эле-
ментов в узлах.
При проектировании пролетных строений с использованием ферм
рассчитывают поперечные балки покрытия и перекрытия, связевые сис-
темы по покрытию и перекрытию. Опорные рамы пролетных строений,
обеспечивающие геометрическую неизменяемость и поперечную жест-
кость, рассчитывают на восприятие ветровой нагрузки. Фермы рассчиты-
вают на узловые нагрузки. При расчете нижнего пояса фермы учитывают
продольные усилия, передающиеся от конвейера. В панели нижнего поя-
са фермы, примыкающей к неподвижной опоре, учитывают усилия, воз-
никающие от продольного ветра и температурных воздействий.
При проектировании пролетных строений с несущими конструкция-
ми из двутавровых балок необходимо руководствоваться положениями
гл. 18 СНиП 11-23-81* [3].
Учитывая незначительную величину динамических воздействий от
ленточных конвейеров, в качестве несущих конструкций пролетных
строений допускается использование балок с гибкой стенкой, изготов-
ленных из стали с пределом текучести до 430 МПа и условной гибкости
стенки 6 < X „. < 13. Предельное состояние тонкостенной балки, работаю-
щей в условиях динамических воздействий, определяют фибровой теку-
честью верхней кромки стенки в сжатой зоне. Поэтому методика расчета
балки с гибкой стенкой несколько отличается от положений §5.7 [1] и
гл.18 СНиП [3].
Несущую способность балки определяют с учетом действия продоль-
ных и поперечных горизонтальных и вертикальной нагрузок. Предельно
Допустимое напряжение сг„ в сжатом поясе определяют из условия обес-
печения устойчивости внецентренно сжатого стержня таврового сечения,
383
включающего пояс и примыкающий к нему участок стенки высотой
O,85tw^E / Ry, исхода из выражения
°ЛО (193>
где стс — напряжение в сжатом поясе балки от продольных и поперечных
нагрузок, определяемое на основе расчета горизонтальной связевой фер-
мы; фу—-коэффициент продольного изгиба стержня в направлении, па-
раллельном полке балки.
Коэффициент с определяют по формуле
с=ро/(1+О,7тх), (19.4)
где р0 = 1 при Ху < Хст и р0 - ^<fc / при Ху > Хс — значение коэффициен-
та фу при Ху =ХС.
Расчетную длину стержня принимают равной расстоянию между
смежными узлами горизонтальной решетки.
Относительный эксцентриситет вычисляют по формуле
т* = У, (1 - V с) / (КФ <= + У2), (19.5)
гдеуьУг—расстояние от нейтральной оси таврового сечения до крайних
волокон.
Коэффициент фс вычисляют по формуле
Фс =1-0,85(1+ф)/Хи. (19.6)
Коэффициент ф определяют по формуле
*=т-4тТ+“ ом
2и ) и
где
w = -^-+-fl + ^]; (19.8) 2( X* }’
и=^Г1_«£Т (1W)
k К J
m=A.+«*5(i_S«5)
Aw V J
Коэффициент вычисляют по формуле
Vo =biVe + л)/(л + у2). (19.10
384
При определении прочности балки при изгибе в плоскости стенки
проверяют выполнение условия
(М/ МиУ +\QIQU)*<\, (19.12)
где М и Q—изгибающий момент и поперечная сила в рассматриваемом
сечении, определяемые на основе статического расчета балки.
Предельное значение изгибающего момента, соответствующее закри-
тической стадии работы стенки в упругой области,
„ . 0,85Г, 0»425z. .Y, 0,425^1 1 V3 1
~+-=- 1—=— (1+Y)р—Г“Н~ттЬ О913)
К L К Л. ?-н- J 6<1+v) J
Предельное значение поперечной силы
Qu =0,9J?t/AKr +3,3(1 - т„ / Я,)₽р / (I+ ц2)], (19.14)
где тсг, ц, 3 — вычисляют по формулам, приведенным в §5.7 [1].
Общая устойчивость балки обеспечивается системой горизонтальных
связей. Площадь поперечного сечения раскоса A# должна удовлетворять
условию
Adb2d' 120, (19.15)
где Jf—момент инерции балки в своей плоскости; I—длина раскоса;
d—длина проекции раскоса на ось галереи; Ь — расстояние между ося-
ми балок.
Для обеспечения местной устойчивости стенки балку укрепляют по-
перечными ребрами жесткости по аналогии с составными балками. Попе-
речные ребра проверяют на устойчивость как сжатую условную стойку с
расчетным сечением, включающим участок стенки. При конструирова-
нии и расчете необходимо руководствоваться положениями, изложенны-
ми в пп. 5.19.5 [1] для балок с гибкой стенкой. Вместо формулы (19.13)
предельный изгибающий момент допускается определять по формуле
(5.158) [1] с введением коэффициента 0,9.
В галереях с несущими конструкциями из оболочек прямоугольного
сечения рассчитывают общую прочность пролетного строения как сжа-
то-изгибаемого элемента коробчатого сечения, нагруженного попереч-
ной и продольной нагрузками. Прочность продольных ребер и попереч-
ных рам проверяют на действие местных нагрузок. Проверяют устойчи-
вость следующих сжатых элементов: пластины всего покрыли,
подкрепленной перекрестными ребрами (рис. 19.14, а); секции ребристой
пластины между поперечными ребрами (рис. 19.14, б); продольных ребер
в сжатой зоне и стоек опорных рам; сжатого листа обшивки между про-
дольными ребрами (рис. 19.14, в); секции стенки коробчатой балки про-
Рис. 19.14. Расчетпые схемы для проверки устойчивости:
а — сжатой пластины всего покрытия; б—секции ребристой пластины; в — сжатого листа обшивки
летного строения при совместном действии неравномерного по высоте
сжатия и сдвига.
При проектировании галерей коробчатого сечения необходимо учи-
тывать, что определяющими экономичность пролетных строений и рас-
ход стали являются ограничения по местной устойчивости.
При определении геометрических характеристик расчетных попереч-
ных сечений коробчатой балки учитывают неполное включение обшивки
в работу при изгибе с помощью редукционного коэффициента <р,<1, кото-
рый численно равен отношению условно равномерно-распределенных
напряжений по всей эффективной ширине сечения к максимальным на-
пряжениям. Редукционный коэффициент зависит (рис. 19.15) от фактиче-
ских поперечных нагрузок на покрытие и условной нагрузки на перекры-
тие, равной 1,5 кПа, отношения напряжений в контурных продольных
ребрах листа обшивки к критическим напряжениям сжатия в том же лис-
те п — Gp/ i, отношения ширины листа Л] к толщине t и относительной
начальной погиби c0 = cfi/l, где с0—допустимая погибь по СНиП
3.03.01 — 87 [22]. Установлено, что относительнаяпогибь в прямоуголь-
ных оболочках находится в пределах 1... 1,5. Величину п рекомендуется
принимать для сжатой зоны не более 19. Редукционный коэффициент
принимают по приложению 4 пособия [20].
Расчетную схему продольных ребер при расчете на местную нагрузку
принимают как разрезную или неразрезную балку на упругих или жест-
386
1,0-
Рис. 19.15. График зависимости редукщюниого коэффициента от отношения напряже-
ний и относительной начальной погнбн
ких опорах в зависимости от крепления на поперечных ребрах и соотно-
шения жесткостей ребер обоих направлений. В расчетное сечение про-
дольного ребра включают примыкающий участок обшивки, ширину ко-
торой принимают с учетом редукционного коэффициента. При этом
ориентировочное значение редукционного коэффициента составляет: в
сжатой зоне <рс = 0,55...0,6, в растянутой зоне <рл = 0,85... 0,9. Прочность
продольных ребер проверяют на действие суммарных напряжений от ме-
стного изгиба и общего изгиба в составе коробчатой балки пролетного
строения.
Поперечные рамы при расчете на местную нагрузку рассматривают
как замкнутую стержневую систему', равномерно опирающуюся по всей
высоте на обшивку стен при действии вертикальной нагрузки и на покры-
тие и перекрытие при действии горизонтальной нагрузки с учетом экс-
центриситетов крепления ребра с обшивкой. Допускается рассчитывать
поперечную раму как систему отдельных шарнирно сопряженных эле-
ментов, горизонтально опирающихся на диски покрытия и перекрытия.
Сосредоточенные опорные реакции от продольных ребер можно заме-
нить распределенной нагрузкой.
387
При проверке устойчивости всего покрытия галереи и сжатых отсеков
допускается принимать идеализированную расчетную схему, в которой
толщина обшивки одинакова по всему покрытию; напряжения от изгиба
пролетного строения и местного нагружения равномерно распределены по
всей длине и ширине галереи и равны максимальным сжимающим напря-
жениям; покрытие шарнирно опирается по контуру; изгибная жесткость и
расстояние между продольными ребрами одинаковы.
Условие устойчивости пластины покрытия
аст,1^<Ъ>’
(19.16)
где Стр — действующие напряжения в ребрах покрытия; л — критиче-
ские напряжения в покрытии
2 +
Mi
(19.17)
где D=Et3 /[12(1 —v2)]—цилиндрическая жесткость обшивки;
tnd = 7(1 + *i§), 5 = ^! / (/>/); Jj — площадь поперечного сечения продоль-
ного ребра; z = Jc2y2 / (^yj; у; =EJ{ I l^b; l2=L', Jx — момент
инерции сечения продольного ребра относительно нейтральной оси реб-
ра, определяемой с учетом присоединенного участка обшивки, площадь
сечения которого вводится с редукционным коэффициентом; J2 — мо-
мент инерции сечения верхнего поперечного ребра относительно собст-
венной оси; kt (i-1 ;2) — количество продольных и поперечных промежу-
точных ребер.
Условие устойчивости отсека покрытия
(19.18)
где аСГ12 — критическое напряжение в ребристой прямоугольной пласти-
не отсека покрытия между поперечными ребрами
(19.19)
где а = l/b; I—шаг поперечных ребер.
Продольные ребра проверяют на устойчивость как внецентреняо
сжатые стержни. Гибкость продольного ребра, шарнирно опертого на по-
перечные ребра, не должна превышать предельной гибкости
X^R^EIap.
(19.20)
388
Определение напряжений <зр в продольных ребрах проводят методом
последовательных приближений. Задавшись значениями редукционных
коэффициентов в пределах отмеченных выше величин, определяют ха-
рактеристики жесткости пролетных строений и напряжений <зр. Критери-
ем сходимости результатов вычислений является совпадение значений
редукционных коэффициентов двух последовательных шагов, вычислен-
ных с точностью до 10%. К достаточной для инженерных расчетов точно-
сти приводят два-три последовательных приближения, а для предвари-
тельных расчетов на стадии компоновки пролетного строения можно ог-
раничиться одним приближением.
Устойчивость стенки коробчатой балки проверяют в крайнем, сред-
нем и одном из промежуточных отсеков на действие нормальных и каса-
тельных напряжений изгиба с учетом разбиения обшивки стенки попе-
речными и продольными ребрами. На верхнем участке стенки при соот-
ношении действующих напряжений к критическим п <2 допускается
закритическая работа обшивки.
В целях снижения влияния ослабления на устойчивость обшивки вы-
соту оконного проема принимают не более 20% высоты стенки галереи.
При этом проем стремятся расположить как можно ближе к нейтральной
оси пролетного строения. Если суммарная площадь поперечного сечения
верхних и нижних окаймляющих проем ребер компенсирует ослабление,
то при проверке устойчивости обшивки влияние ослабления можно не
учитывать.
При расчете по второй труппе предельных состояний момент инер-
ции коробчатого сечения определяют с использованием редукционных
коэффициентов. Предельные прогибы пролетного строения, балок по-
крытий и перекрытий принимают с учетом фактического пролета соглас-
но СНиП 2.01.07-87* [4]. Прогибы определяют в середине пролета с уче-
том коэффициента надежности по нагрузке, равном 1.
В галереях с несущими конструкциями из круглых цилиндрических
оболочек проверяют общую прочность пролетного строения как сжа-
то-изгибаемого элемента кольцевого поперечного сечения, местную ус-
тойчивость как замкнутой круговой цилиндрической оболочки в пролете
и на опоре, прочность промежуточных и опорных кольцевых ребер жест-
кости. Местную устойчивость оболочки проверяют в пролете в сечениях
с наибольшим изгибающим моментом п наибольшими нормальными на-
пряжениями, на опоре в сечениях с наибольшей поперечной силой и наи-
большими касательными напряжениями.
При проверке прочности пролетного строения нормальные напряже-
ния определяют с учетом несовпадения центра окружности с центром тя-
389
жести при большей толщине обшивки в сжатой зоне оболочки (рис.
19.16), а касательные напряжения без учета смещения нейтральной оси
по формулам
о = МДгсозР-уо)/ Jx+N / A <Ryyc; (19.21)
T=gySHi₽/(n/T)<^7c, (19.22)
где г — радиус серединой поверхности оболочки; у0 — расстояние от
центра тяжести поперечного сечения до центра окружности; t—толщи-
на оболочки, принимаемая в зависимости от угловой координаты Р; Мхи
Qy — изгибающий момент и поперечная сила, определяемые по разрез-
ной расчетной схеме.
Проверку местной устойчивости оболочки в пролете выполняют по
формуле
(19.23)
где а\ —наименьшее напряжение, принимаемое для растянутых участ-
ков со знаком минус; с,—расчетное напряжение в оболочке;
cf^ j — критическое напряжение, равное меньшему из значений хрЯу или
cEt/г.
Значение коэффициента у при 0 < г/ / < 300 определяют по формуле
V = 0,97 - (0,00025 + 0,95Лу / E)r /1. (19.24)
Значение коэффициента с определяют по табл. 19.1.
Таблица 19.1. Значение коэффициента с
Г r/t | 100 I 200 । 300 j 400 ~Г~600 j 800 ! 1000 J”71500 ] 2500_!
[ c f~ °’22 i °>16 i °»14 i 0.И ' °,09 j ода j 0,07 0,06 j
Рис. 19.16. Поперечное сечение цилиндри-
ческой оболочки, ослабленной проемом
Проверку местной устойчиво-
сти оболочки на опоре производят
раздельно для зоны наибольших
нормальных и касательных напря-
жений по формулам
а1^Тс<у.м; <19-25)
(19.26)
где т<гд — критические напряже-
ния, вычисляемые по формуле
= 0,78Ш(п / Z)0'25 / г, (19.27)
390
где /—расстояние между кольцевыми ребрами; к— коэффициент, зави-
сящий от радиуса и толщины оболочки (табл. 19.2).
Таблица 19.2. Значение коэффициента к
r/t 250 500 1000 1500 I
к 0,8 0,7 0,6 0,5 |
В сечениях, испытывающих совместное действие нормальных и каса-
тельных напряжений, устойчивость оболочки проверяют по формуле
п/СТсГ11+(т/тСГ11)2^1 (19.28)
В ослабленных проемами сечениях прочность проверяют по форму-
лам
а = Мху! Jx+N/A£RyTc- (19.29)
x = QySy / (2Jxf)<Rs4c. (19.30)
Прямоугольные проемы необходимо усилить продольными ребрами
площадью не менее Ар = 0,256/, где b—ширина поперечного сечения
проема. Усиливающие ребра заводят за край проема на длину, достаточ-
ную для передачи усилия N = 0,25ApR...
Расчетную схему поперечного ребра жесткости принимают в виде
кольцевой плоской рамы с затяжкой, загруженную активными силамир я
д и реактивной д0, передающейся от оболочки (рис. 19.17). Ввиду слож-
ности расчета определение усилий выполняют на компьютере. Прибли-
женный статический расчет допускается проводить по соответствующим
таблицам для расчета кольцевых рам.
Проверку прочности кольцевых ребер выполняют по формулам
G = Mxy/Jx + N/A:£RyYc; (19.31)
т / (27,2/,) < Л,уе, (19.32)
где Jx — собственный момент инерции кольцевого ребра; А — площадь
поперечного сечения кольцевого ребра с примыкающим участком обо-
лочки; у—расстояние от нейтральной оси ребра до наружной или внут-
ренней кромки ребра; —толщина стенки ребра (/=1,2).
Ширину примыкающего участка оболочки определяют по формуле
s=b+13tjE iR^, (19.33)
где b — расстояние между стенками двухстенчатого ребра, для одностен-
чатого ребра 6=0; t—толщина оболочки.
Момент считают положительным, если он увеличивает кривизну реб-
ра.
591
Рис. 19.17. Конструктивные и расчетные схемы кольцевых ребер жесткости:
о—конструктивные решения; б—расчетные схемы
Прочность сварных швов крепления ребер к оболочке проверяют со-
гласно методике расчета поясных соединений составных балок (см. пп.
5.19.6 [1]).
19.3.3. Расчет пролетных строений на динамические нагрузки
Влияние динамических нагрузок на несущую способность галереи
особенно ощутимо при режимах, близких к резонансным колебаниям.
Поэтому необходимо оценить степень приближения возмущающей час-
тоты к частоте свободных колебаний пролетного строения. При расчете
галерей ограничиваются определением первой частоты свободных коле-
баний пролетного строения по балочной схеме. Параметры динами46"
ских нагрузок вследствие разброса частот и фаз вращения, дисбаланса и
геометрических эксцентриситетов роликов являются случайными вели-
392
чинами. Поэтому определяют среднее значение частоты динамического
возмущения от конвейера по формуле
<o=2v/tZ, (19.34)
где и — скорость движения ленты; d — диаметр роликов верхней ветви.
Частота свободных колебаний пролетного строения зависит от массы
и поэтому может меняться при изменении временных нагрузок в преде-
лах некоторой области, называемой резонансной зоной. С учетом по-
грешности определения нижнюю и верхнюю границы первой резонанс-
ной зоны вычисляют по формулам
е„=о,9е11ПЬ; е1г=1,1б1ия, (19.35)
где 0imin, бы» — первая частота свободных колебаний, соответствующая
наибольшей и наименьшей массам пролетных строений. Наибольшую
массу пролетного строения определяют при сочетании нагрузок, вклю-
чающих строительные (собственный вес строительных конструкций),
длительные, технологические, атмосферные, в число которых входят
снег и пыль на покрытии, с понижающим коэффициентом 0,8. Наимень-
шую массу пролетного строения определяют при сочетании нагрузок с
коэффициентом 0,9 и не включающем атмосферные нагрузки.
При определении частот свободных колебаний принимают как пло-
скую, так и пространственную расчетные схемы. Динамический расчет
галереи, имеющей круглое поперечное сечение пролетного строения с
плоской и пространственной расчетными схемами, приводит к близким
результатам.
Частоту свободных колебаний пролетного строения при расчете по
плоской схеме определяют по формуле
0 = (я/ (19.36)
где EJ, I — жесткость при изгибе и длина пролетного строения; g—уско-
рение свободного падения; $ (z =1,2) — наибольшая и наименьшая ли-
нейные нагрузки.
Частоту свободных колебаний пролетного строения при расчете с
учетом пространственной схемы определяют по формуле
<19.37)
гдер =1 /р + 0,8(е4• е;- &—коэффициенты, равные соотноше-
нию масс и жесткостей покрытия и перекрытия, определяемые по форму-
лам
393
£,. ~mi I nr, %, =тДЬ3вг1р I (97.3ЕЛ), (19-37)
где Zj — шаг поперечных балок покрытия или перекрытия; т — линейная
масса пролетного строения в целом; mh — линейные массы и изгиб-
ные жесткости покрытия или перекрытия; b — ширина галереи; i—ин-
декс, принимаемый для покрытия равным 1, для перекрытия — 2.
Резонансный режим колебании конструкций возникает при попада-
нии среднего значения частоты возмущения в первую резонансную зону,
при которой выполняется условие
61г<ю<еи. (19.39)
Эксплуатация галерей при резонансных колебаниях не допускается.
При возникновении резонансных колебаний в период эксплуатации гале-
реи необходимо произвести отстройку от резонанса с помощью гасите-
лей или специальных конструктивных мер.
Прочность поперечных балок покрытия и перекрытия от динамиче-
ской добавки проверяют в середине пролета и на опорах при первой фор-
ме колебаний. Расчетные значения динамических изгибающих моментов
в середине пролета и динамических поперечных сил определяют по фор-
мулам
Мл =^lEJfi\kd / А2; (19.40)
& =0,031E7/ri^ / Ь3, (19.41)
где f— прогибы балок от нормативных нагрузок; г, — амплитуды дина-
мических прогибов балок.
При определении формы колебания пролетного строения и попереч-
ных балок динамический прогиб основных балок и ферм вычисляют с по-
мощью балочных функций с единичным значением в середине пролета.
Динамические прогибы поперечных балок галерей с конвейерами на пе-
рекрытии и прямоугольным поперечным сечением аппроксимируют ку-
бическими параболами с максимальными значениями при единичном
смещении опор. Амплитуды динамических прогибов балок покрытия и
перекрытия для низшей собственной формы колебаний определяют по
формуле
П/=1Д73^,/а~^Д (19.42)
где i = 1—для балок покрытия; i = 2—для балок перекрытия.
Если средняя частота возмущения не попадает в резонансную зону,
учет воздействия динамических нагрузок от конвейера на пролетное
строение производят с помощью коэффициента динамичности kd = 1,15 к
394
технологической нагрузке qq+2qi. В этом случае динамический расчет
пролетного строения не выполняют.
Расчетные значения динамических напряжений и усилий в продоль-
ных элементах ферм пролетного строения определяют умножением ста-
тических напряжений и усилий на коэффициент динамичности, который
определяют по формуле
---Г1Д-» (19.43)
«nr.O+Vi +v2) *2
где т — линейная масса пролетного строения с учетом масс всех времен-
ных нагрузок, включаемых в расчетную нагрузку на галерею; 1,1р—дли-
на пролета и расстояние между роликоопорами верхней ветви ленты;
Ра—среднеквадратическое значение распределенной по длине трассы
конвейера динамической нагрузки; у,—коэффициент иеупругого сопро-
тивления; у — коэффициент приведения нагрузок, определяемый по
табл. 19.3 в зависимости от параметра ц2, отношения расстояния между
продольной осью конвейера и ближащей основной фермой, балкой или
стенкой прямоугольной галереи-оболочки хк к ширине галереи Ь\
У2—коэффициенты, учитывающие влияние деформативности попереч-
ных балок покрытия и перекрытия на приведенную массу пролетного
строения, определяемые по табл. 19.4.
Таблица 19.3. Значение коэффициента у
4i Зажченже коэффвцвет ц/ прж xtlb, равном ,
О 0,05 0,10 | 0,15 | ОДО 0Д5 ОДО 0Д5 0,4 0.45 ОД
0 1 1 1 • 1 1 1 1 1 1 1 1 1
3 1,0 1,45 1,93 J 2,36 | 2,76 3,12 3,43 3,67 3,85 3,96 4,00
Среднеквадратичное значение распределенной по длине трассы кон-
вейера динамической нагрузки определяют по формуле
Pd ^0,0027^<о^Р, (19.44)
гдеD=+тд + 7mr)2 +4(«z +3,2w?J2/A /lr; mh m. — линейные мас-
сы ленты и транспортируемого груза; тТ—линейные массы ролико-
опор холостой и рабочей ветви ленты; lh, lr—шаг роликоопор холостой и
рабочей ветви.
Значение коэффициента иеупругого сопротивления для отапливае-
мых галерей принимают равным у?=0,025, для неотапливаемых ys=0.02.
В необходимых случаях выполняют расчет на выносливость конст-
рукций пролетных строений.
395
Таблица 19.4, Значение коэффициента у
19.3.4. Расчет опор галерей
В плоских опорах усилия возникают от ветра и нагрузок, передаю-
щихся с пролетных строений. Нагрузку от ветра определяют аналогично
сбору ветровой нагрузки на поперечную раму производственного здания.
В пространственных опорах возникают дополнительные усилия от
температурных воздействий и нагрузки от конвейеров. Значение суммар-
ной продольной нагрузки, действующей на пространственную опору, оп-
ределяют по формуле
Pp=Wp+Pk+Pn (19-45)
где Wp = 0,2 Wq — суммарная продольная ветровая нагрузка на опору;
Wq — полная поперечная ветровая нагрузка на температурный блок, при-
ходящийся на одну пространственную опору; Рк—продольная нагрузка
от конвейеров; Pt—суммарная нагрузка на опору от температурных де-
формаций пролетных строений.
Изменение температуры воздуха вызывает отклонение оси плоских
опор от вертикали. Возникающая реакция отпора зависит от нагрузки на
опору, величины отклонения, конструктивного решения узла сопряжения
опоры в фундаменте, продольной жесткости и высоты опоры. Суммар-
ную нагрузку на пространственную опору от температурных воздействий
без учета деформации самой опоры рекомендуется определять согласно
методики, изложенной в работе [23] по формуле
Pt ^EJrfu,/Hf /[(tgy, , (19.46)
где H—высота промежуточной опоры; J—момент инерции ветвей опо-
ры относительно горизонтальной оси в плоскости опоры;
V - / (EJ) — параметр нагрузки; N— значение нагрузки на опору;
и — величина перемещения оголовка опоры; п, к — количество шарнир-
но сопряженных и жестко защемленных в фундаментах опор; i,j—ин-
дексы, относящиеся соответственно к шарнирно сопряженным и жестко
защемленным в фундаментах опорам.
Величину перемещения оголовка опор рекомендуется определять по
формуле
7r=YraZ.(r-Toi (19.47)
где уи = 0.75 — коэффициент условий работы, учитывающий податли-
вость узлов сопряжения и эффект обжатия конструкций пролетных
строений; а = 1,2-10-5 град'1 — коэффициент линейной температурной
Деформации стали; L — расстояние от рассматриваемой плоской опоры
397
До пространственной; Т—расчетная температура наружного воздуха;
То— температура замыкания конструкций.
При определении значении температур следует руководствоваться
положениями норм [4].
При расчете плоской опоры проверяют общую устойчивость в целом
как составного стержня, устойчивость ветвей и производят подбор сече-
ний элементов решетки. Расчетные длины ветвей опор в продольном на-
правлении принимают равными расстоянию от низа базы до центра тяже-
сти узла сопряжения с пролетным строением, а в поперечном направле-
нии — равными расстоянию между центрами узлов крепления элементов
решетки.
Подбор сечения ветвей опор производят на две комбинации нагрузок.
В первой комбинации рассматривают максимальные усилия от всех на-
грузок с учетом момента, возникающего от разности опорных давлений
примыкающих пролетных строений. Во второй комбинации рассматри-
вают максимальный момент, возникающий при отсутствии временных
нагрузок в меньшем или равном пролете, и соответствующие ему нор-
мальные усилия.
Сечения элементов решетки подбирают как сжатых или растянутых
стержней иа усилия от ветровой нагрузки с учетом усилий, возникающих
от обжатия ветвей. Предельную гибкость элементов решетки принимают
равной 150.
В пространственных опорах устойчивость сжатых подкосов и эле-
ментов решетки проверяют с учетом усилий, возникающих от продоль-
ных нагрузок. Сечение дополнительных деталей в узлах соединения про-
летных строений с пространственной опорой подбирают на горизонталь-
ные усилия. Детали крепления базы опоры к специальным закладным
анкерам (см. рис. 19.11, в) рассчитывают на горизонтальные силы, пере-
дающиеся на фундамент.
Глава 20
ОТКРЫТЫЕ КРАНОВЫЕ ЭСТАКАДЫ
20.1. Общие сведения
Открытая крановая эстакада представляет собой инженерное соору-
жение, состоящее из колонн и горизонтального пролетного строения с ус-
тановленными на нем мостовыми кранами. Такие эстакады используют
для механизации погрузочно-разгрузочных работ на складах различных
отраслей промышленности, в том числе на складах готовой продукции
стройиндустрии, складах леса, металла, угля и других материалов и изде-
лий, хранение которых допускается на открытом воздухе. Применяют их
также в технологическом процессе при изготовлении железобетонных
конструкций на полигонах, в установках грануляции шлаков, в копровых
цехах металлургических заводов и т.д.
Функции открытых крановых эстакад может выполнять напольный
транспорт, в частности козловые краны. Применение козловых кранов
характеризуется следующими недостатками: меньшая скорость их пере-
движения, чем мостовых кранов; исключена возможность ввода железно-
дорожных путей и въезда автотранспорта на площадку поперек движения
крана, что в ряде случаев не удовлетворяет требованиям технологии.
Если технологический процесс невозможно обеспечить с помощью
козловых кранов, то предусматривают возведение открытой эстакады. В
рабочем пространстве эстакады может быть размещено оборудование
для обслуживаемых мостовыми кранами технологических процессов.
На площадку эстакады вводят транспортные коммуникации (желез-
нодорожный путь или автодорога) для подачи в зону действия кранов и
вывоза из нее перерабатываемых грузов.
Открытые крановые эстакады могут быть оборудованы мостовыми
электрическими опорными кранами общего назначения (крюковые) гру-
зоподъемностью до 50 т или специальными (магнитными, грейферными
и магнито-грейферными) грузоподъемностью до 20 т. Режим работы кра -
нов в соответствии с классификацией по Г ОСТ 25546-82*, как правило,
5К, 6К. Возможны случаи применения кранов с группой режима 8К.
Покрытие площадки эстакады выбирают с учетом технологических
требований и условий эксплуатации в соответствии со СНи112.03.13-88.
399
Вводы железнодорожных путей следует проектировать в соответст-
вии со СНиП 2.05.07-85.
Конструкции открытых крановых эстакад эксплуатируются в сущест-
венно худших условиях, чем конструкции производственных зданий, так
как они постоянно подвергаются непосредственным атмосферным воз-
действиям; крановая нагрузка для них является основной (при относи-
тельно малой массе строительных конструкций) и вследствие этого уве-
личивается эффект ее многократного повторного действия; отдельно
стоящие опоры эстакад гораздо более деформативны, чем колонны зда-
ний, развязанные конструкциями шатра, и поэтому локальная крановая
нагрузка в меньшей степени перераспределяется между соседними несу-
щими конструкциями; площадки для складирования часто перегружают-
ся, что вызывает деформации грунтов оснований, соответствующие кре-
ны фундаментов и, как следствие, изменение ширины подкранового пути
и повышенный износ конструкций.
При проектировании открытых эстакад иногда в одном или двух ша-
гах колонн требуется устройство навеса, под которым размещают кран в
периоды, когда он не работает, или технологическим заданием преду-
смотрено устройство навеса на всей площади эстакады для защиты скла-
дируемых изделий и материалов от атмосферных воздействий. В таких
случаях эстакада или ее часть превращается в крытую. Проектирование
крытых эстакад не отличается от проектирования зданий. Однако устрой-
ство крытых эстакад не достигает поставленной цели, так как при отсут-
ствии стен складируемые изделия и материалы недостаточно защищены
от воздействия косого дождя или снега. Взамен крытых эстакад рекомен-
дуется проектировать неотапливаемые здания с легкими ограждающими
конструкциями.
20.2. Конструктивные решения эстакад
Открытая крановая эстакада включает в себя следующие конструк-
тивные элементы: фундаменты; колонны, жестко соединенные с фунда-
ментами и раскрепленные в пределах температурного блока вертикаль-
ными связями; пролетные конструкции (подкрановые балки с тормозны-
ми конструкциями) с закрепленными на них крановыми путями (рельсы,
концевые упоры); эксплуатационные устройства (проходы вдоль крано-
вых путей, посадочные площадки и лестницы) (рис. 20.1).
Габаритная схема эстакады выбирается в соатветстнии с технологи-
ческим заданием и определяется: характеристиками мостового крана
(вид, группа режима работы, грузоподъемность Q и пролет Дт); номи-
400
Рис. 20.1. Конструктивная схема эстакады:
а - фасад; о — поперечный разрез: I — колонна; 2 — пролетная конструкция; 3—вергакаганая связь
между колоннами; 4 — ограждение галереи (прохода вдоль крановых путей); 5—леинида на галерею;
6—лестница на посадочную площадку; 7 —посадочная площадка; 7U1 — температурный шов:
УТР —отметка головки крановего редка
нальной высотой эстакады Н-, определяемой отметкой головки краново-
го рельса, которая отсчитывается от головки рельса, проходящего по тер-
ритории эстакады железнодорожного пути, либо от уровня планировоч-
ной отметки или конструкции пола у колонны; шагом колони В и
соответствующим ему номинальным пролетом подкрановых балок; ко-
личеством пролетов; длиной температурных блоков.
Высоту эстакады устанавливают в зависимости от ее назначения и
практически принимают от 6 до 20 м.
Пролеты {фанов следует назначать по ГОСТ 534-78* в соответствии
со следующим рядом: = 16,5; 22,5; 28,5 и 34,5 м. При этом поминаль-
ный пролет эстакады (расстояние между разбивочными осями) следует
принимать равным L = Ljr 4-1,5 м.
41Н
Оптимальным является шаг колонн 12 м. Большие шаги (18 и 24 м) на-
значают по условиям технологического процесса, например, при необхо-
димости косого ввода железнодорожного пути на площадку эстакады.
Эстакада может быть запроектирована однопролетной или многопро-
летной. В многопролетном сооружении допускается использовать не бо-
лее двух различных размеров пролетов, а номинальная высота должна
быть одинаковой.
Длина,эстакады определяется технологическим заданием. При доста-
точно большой длине сооружения надземные конструкции разделяют
температурными швами, расстояние между которыми определяются по
табл. 42 [3].
Открытые ^фановые эстакады могут быть запроектированы по двум
схемам. Первая схема традиционная и представляет собой ряды колонн,
связанные между собой подкрановыми конструкциями и вертикальными
связями, обеспечивающими жесткость в продольном направлении и вос-
принимающими силы продольного торможения кранов. В поперечном
направлении колонны свободно стоящие, жестко заделанные в фунда-
менты. По второй схеме эстакады проектируют с жесткими поперечными
ригелями—распорками, соединяющими надкрановые части противопо-
ложных рядов колонн и расположенными выше габарита мостового {фа-
на. Вторую схему применяют в тех случаях, когда требуемая жесткость
эстакады в поперечном направлении не может быть обеспечена только
отдельно стоящими колоннами:
• при проектировании новой эстакады пролетом >36 м, высотой >12
м, при шаге колонн >12 м, грузоподъемности кранов >50 т;
• при проектировании новой эстакады, если нормативная нагрузка на
ее пол превышает 200 кПа или если прогнозируются значительные нерав-
номерные поперечные крены фундаментов при других нагрузках;
при реконструкции (усилении эксплуатируемой эстакады).
Эстакады с ригелями-распорками проектируют так же, как и каркасы
производственных зданий, оборудованных мостовыми кранами. Номи-
нальный пролет эстакады в этом случае будет равным 2 м.
20.3. Конструктивные решения колонн
Колонны открытых крановых эстакад проектируют преимуществеИ’
но сборными железобетонными. Стальные колонны используют для эста-
кад под краны грузоподъемностью более 32 т, высотой более 13 М, прй
строительстве в сложных условиях, а также при соответствующем техни-
ко-экономическом обосновании.
402
Tunl
Тип 2
ТипЗ
Стальные колонны эстакад могут быть решетчатыми или сплошно-
стенчатыми. Обычно применяют решетчатые колонны, габаритные для
транспортировки с вертикальными ветвями (рис. 20.2, тип 1). Рекомен-
дуемое отношение ширины консольной колонны к ее высоте находится в
пределах 1/4... 1/5. Если высота эстакады превышает 15 м, то экономиче-
ски целесообразно обеспечивать требуемую жесткость эстакады в попе-
речном направлении за счет применения колонн с наклонными ветвями
(см. рис. 20.2): тип 2 — с вертикальной и наклонной ветвями, тип 3 — с
двумя наклонными ветвями, в том числе А-образные. На А-образные и
колонны типа 2 рекомендуется устанавливать только одну «нитку» под-
крановых балок, в связи с чем применение таких колонн ограничивается
наружными рядами эстакад. Сплошностенчатые колонны могут приме-
няться для невысоких однопролетных эстакад с кранами грузоподъем-
ностью до 10 т, при этом целесообразно использование прокатных про-
филей.
На рис. 20.3 показана конструктивная схема колонны среднего ряда
эстакады с несущими вертикальными ветвями из широкополочных дву-
тавров, раскрепленными раскосной решеткой из уголков.
В зависимости от высоты эстакады расстояние между ветвями колон-
ны (й) принимают равным 1; 1,5 или 2 м.
Высоту сечения траверсы для опирания подкрановой балки назнача-
ют равной 600—800 мм.
Если ожидаемые перемещения крановых путей вследствие неравно-
мерных деформаций основания превышают 50 мм по горизонтали ( на ка-
ждом ряду колонн) и 200 мм по вертикали, то крепление колонн к фунда-
ментам следует проектировать на удлиненных анкерных болтах с учетом
403
Рис. 20.3. Пример конструктивного решения
стальном колонны среднего рода:
1—база; 2—ветви; 3—решетка; 4—траверса
Рис. 20.4. Деталь крепления колонны к фунда-
менту, допускающего ее рихтовку:
7 — фундамент; 2—фундаментный болт; 3 — башмак
колонны; 4 — прокладка; 5 — отрезок стальной трубы;
6 —овальное отверстие
возможного подъема колонны
в процессе эксплуатации не
менее, чем на a = 200 мм и го-
ризонтального смещения в по-
перечном направлении не ме-
нее, чем на 100 мм (рис. 20.4).
Для того чтобы можно было
осуществить рихтовку под-
крановых балок в процессе
эксплуатации сооружения,
крепление пролетных конст-
рукций к колоннам произво-
дят на удлиненных болтах,
пропускаемых в овальные (в
поперечном направлении) от-
верстия.
В целях обеспечения нор-
мальной эксплуатации эстака-
ды обрез фундамента под ко-
лонны должен находиться на
300 мм выше уровня планиро-
вочной отметки или верха пола.
Для обеспечения устойчи-
вости сооружения и воспри-
ятия горизонтальных усилий в
продольном направлении в
пределах температурного бло-
ка предусматривают устрой-
ство между колоннами сталь-
ных вертикальных связей,
располагаемых:
• при длине температур-
ного блока до 84 м — одна
связь по середине его длины;
• при длине температур-
ного блока более 84 м — на
расстоянии не более 48 м от
торцов и не более 36 м между
связями по длине блока (в
осях связей).
404
Вертикальные связи проектиру-
ют, как правило, парными крестово-
го типа (рис. 20.5) и устанавливают в
двух плоскостях: при двухветвевых
колоннах — по оси ветвей; при ко-
лоннах сплошного сечения — на
расстоянии не более 100 мм отграни
сечения. Гибкость элементов связей
должна быть не более 200.
Подкрановые конструкции эста-
кады включают в себя подкрановые
балки, тормозные конструкции, вер-
тикальные вспомогательные фермы,
горизонтальные и вертикальные
связи; они аналогичны конструкци-
ям одноэтажного производственно-
Рнс. 20.5. Конструкция вертикальных
связен по колоннам
го здания (см. §2.6 [2]).
Для крановых эстакад применя-
ют как разрезные, так и неразрезные
подкрановые балки. Неразрезные балки повышают надежность эксплуа-
тации эстакады и обеспечивают снижение расхода стали на 10... 15%, но
увеличивают трудоемкость монтажа и усложняют выполнение ремонт-
ных работ по замене отдельных пролетов балки, имеющих дефекты. В
практике проектирования в большинстве случаев применяют разрезные
пролетные конструкции.
Для восприятия усилий поперечного торможения мостовых кранов, а
также ветровой нагрузки на подкрановую балку и торец крана верхний
пояс этой балки должен быть развязан горизонтальной тормозной конст-
рукцией в виде фермы (для эстакад под краны общего назначения групп
режимов работы не более 6К) или балки (в остальных случаях).
Подкрановые балки устанавливают ио осям ветвей колонны, либо со
сдвижкой к середине колонны для уменьшения горизонтального смеще-
ния в поперечном направлении от вертикальной нагрузки.
Различают четыре основных варианта конструктивных решений узла
опирания сплошностенчатых подкрановых балок на колонны.
Вариант 1 — крепление подкрановой балки к «пеньку» T. е. к корот-
кому участку шейки колонны, высота которого примерно равна высоте
подкрановых балок (рис. 20.6, 20.7). Передача поперечных тормозных
усилий на колонну производится через упоры, которые прикрепля ю < к
тормозному листу высокопрочными оолтами.
Вариант 2—крепление
подкрановой балки к колонне
среднего рада при помощи кре-
стовых подкосов из одиночного
уголка, через который на колон-
ну передаются силы поперечно-
го торможения (рис. 20.8). Под-
кос прикрепляют на высокопроч-
ных болтах либо на монтажной
сварке к специальным фасонкам,
привариваемых вверху к подкра-
новой балке, а внизу по оси тра-
версы колонны.
Вариант 3 — крепление
подкрановой балки к А-образной
колонне через сплошностснча-
406
Рис. 20.8. Крепление иодкрановой балки к
колонне среднего ряда при помощи под-
коса из одиночного уголка
Рис. 20.9. Крепление подкрановой балки
к А-образной колонне через сплошно-
стенчатук» шейку
тую шейку из Прокатного двутавра
высотой, примерно равной высоте
подкрановой балки и приваренного
к горизонтальному листу траверсы
колонны (рис. 20.9). Передача тормозных усилий на колонну произво-
дится через упоры из уголков либо из толстого листа, которые прикреп-
ляют в верхней части к стенке двутавра высокопрочными болтами.
Верхний пояс вспомогательной фермы или балки, входящей в состав
тормозных конструкций, опирают на специальный кронштейн, прикре-
пленный к колонне.
Вариант 4—крепление к колоннам сварных подкрановых балок с
развитым верхним поясом, воспринимающим тормозные усилия (рис.
20.10). Передачу тормозных усилий на колонны производят через опор-
ные вертикальные ребра (торцевые заглушки) и сварные опорные эле-
менты таврового сечения. Последние устанавливают между двумя смеж-
ными подкрановыми балками и крепят к ним и к колонне высокопрочны-
ми болтами. В отличие от вариантов 1...3 рихтовку рельса производят
совместно с подкрановыми балками за счет овальных отверстии в гори-
зонтальном листе (фланце) опорного элемента.
407
Рис. 20.10. Крепление к колонне сварной под-
крановой балки двутаврового сечения с раз-
витым верхним поясом
Нижние пояса подкрановых
балок и ферм пролетом свыше 12
м укрепляют горизонтальными
связями.
Элементы вертикальных свя-
зей между подкрановыми балка-
ми следует рассчитывать на по-
перечную крановую и ветровую
нагрузки и назначать гибкостью
не более 150.
Тип кранового рельса (КР-70,
КР-80, КР-100, КР-120 по ГОСТ
4121-76* или Р43 по ГОСТ
7173-54*, Р50 по ГОСТ 7174-75*)
назначают в соответствии с ука-
заниями стандартов или техниче-
ских условий на мостовые краны.
Крановые рельсы следует кре-
пить к подкрановой балке при-
жимными планками, а железно-
дорожные—-крюками (см. рис.
2.71 [2]). Под подошву рельсов
для кранов групп режимов рабо-
ты 7К и 8К рекомендуется под-
кладывать упругую прокладку.
Для обслуживания мостовых
кранов эстакада должна быть оснащена галереями (проходами) вдоль
крановых путей, посадочными площадками и лестницами, проектирова-
ние которых рассмотрено в гл. 8 [1 ], и должна соответствовать требовани-
ям правил Госгортехнадзора. Настил галереи и посадочной площадки мо-
ИОТДеревян"ь,м ™ ДОПУ»™» "°
няют ПЧ пп^тапЬК TOPMOtHbK КонстРУКЦИЯХ ходовые дорожки ВЫПОЛ-
балкахкгча-TKow ^ТЯЖНОИ С1йЛИ'а при сплошностенчатых тормозных
« п ™ дорожку из рифленой стали ншрИ-
20.4. Особенности расчета эстакад общего назначения
В отличие от
странственными
408
одноэтажных промышленных зданий, являющихся пр0'
системами, крановые эстакады, имеющие консольные
колонны, работают практи-
чески по плоской схеме.
Расчетную схему открытой
крановой эстакады следует
принимать в виде отдельно
стоящих продольных рядов
колонн, жестко соединен-
ных с фундаментами в уров-
не их обреза и шарнирно со-
единенных в пределах тем-
пературного блока с
Рис. 20.11. Расчетная схема эстакады при разрезных
(а) пролетных конструкциях и неразрезиых (б)
пролетными конструкциями
и вертикальными связями (рис. 20.11). Связь противостоящих рядов не-
сущих конструкций с помощью моста крана расчетом не учитывают.
Конструктивные элементы открытой крановой эстакады (подкрано-
вые балки, тормозные конструкции, колонны, связи) не отличаются от
аналогичных конструкций каркаса одноэтажного производственного зда-
ния, в связи с чем приемы их проектирования принципиально не различа-
ются. Расчет конструкций колонн подробно представлен в главе 6 [1] и
главе 2 [2]. Ниже обращено внимание лишь на отличия в расчетах, обу-
словленные особенностями эксплуатации крановых эстакад [24,25].
Конструкции открытой крановой эстакады должны быть рассчитаны
на постоянную и временные нагрузки, а также (при необходимости) на
особые воздействия. Постоянная нагрузка на несущие конструкции эста-
кады включает только их собственную массу.
К кратковременным нагрузкам относят нагрузки от мостовых кранов;
нагрузки от массы людей, деталей и ремонтных материалов на проходах
вдоль путей, нормативное значение которой принимают равным 2 кПа;
ветровую нагрузку на несущие конструкции и мостовые краны; темпера-
турные климатические воздействия (при расстоянии между шмператур-
ными швами, превышающем значения, указанные в табл. 42 [3]). Снего-
вую нагрузку в расчете открытых крановых эстакад не учитывают.
К особым нагрузкам относят сейсмические воздействия.
За одну крановую нагрузку принимают вертикальную и горизонталь-
ную (поперечную или продольную) нагрузку кранов, установленных на
эстакаде, но не более двух для крайнего и четырех для среднего ряда
опор. Эти нагрузки умножают на коэффициенты ф, принимаемые по
табл. 20.1.
499
Таблица 20.1. Коэффициенты сочетаний для мостовых кранов
Количество кранов, учитываемое расчетом Значение коэффициента у для кранов групн режима работы
2К...5К 6К...8К
1 1 1
2 0,85 0,95
• 4 0,7 0,8
Нормативное значение продольного тормозного усилия для четырех-
колесных кранов с гибким подвесом при расчете вертикальных связей ме-
жду колоннами (см. рис. 2.36 [2]) определяют по формуле
Тп = 0.1Fmax, (20.1)
гДе Рта. — максимальное давление на колесо крана.
При проектировании открытых крановых эстакад ветровую нагрузку
учитывают в двух вариантах: при неработающем (без груза и без усилий
продольного и поперечного торможения) кране, принимая ее по [4] в за-
висимости от ветрового района и высоты сооружения; при работающем
кране, принимая ветровую нагрузку по ГОСТ 1451-77 независимо от рай-
она строительства и высоты сооружения.
При неработающем кране допускается учитывать мост крана как эле-
мент, связывающий продольные ряды колонн эстакады между собой (при
учете ветровой нагрузки на торец крана). В этом случае ветровую нагруз-
ку учитывают в продольном и поперечном направлениях и передают по-
ровну на оба крановых рельса. При определении значения ветровой на-
грузки площадь крана с грузом (рис. 20.12) допускается принимать по
табл. 20.2.
Таблица 20.2. Условная наветренная площадь мостовых кранов
Грузоподъемность крана, т L Условиая площадь, при направлении действия ветра
! поперек вдоль эстакады при пролете крана, м ;
| эстакады * 16,5 21,5 28,5 j
5 ! 15 ! 29 41 56 ч
: — L и г 32 48 67
16 ! 19 1 36 49
20 J 19 ! 39 52 72 j
32 [ 23 j 45 L 61 ! 84 J
50 j 25 j 49 66 _84_ J
Ветровая нагрузка на работающий кран учитывается только в попе-
речном направлении, она передается на один (любой) крановый рельс и
может суммироваться с усилиями поперечного торможения Т. При прак-
410
тических расчетах нормативное значе-
ние нагрузки, передаваемой на рельс
одним колесом крана, можно прини-
мать:
Грузоподъем- ность крана, т 5—10 16—20 32—50
Ветровая нагрузка, кН 1 1,5 2 ।
Для эстакад, обслуживающих про-
изводства, исключающие перерывы в
работе, указанные значения нагрузок
должны быть увеличены в четыре раза.
Расчет конструкций эстакад с уче-
том действия сейсмических сил следу-
ет выполнять в соответствии с требо-
ваниями СНиП П-7-81. В связи с тем,
Рис. 20.12. К определению ветровой
нагрузки ив торец мостового крана:
1— мост крана; 2—кабина
что масса несущих конструкций и кранов относительно невелика, эстака-
ды мало чувствительны к сейсмическим воздействиям, усиление их кон-
струкций для районов с сейсмичностью 7 и 8 баллов обычно не требуется.
При учете трех и более кратковременных нагрузок коэффициенты со-
четания принимают равными*, для крановой нагрузки — 1; для второй (по
степени влияния) — 0,8; для остальных—0,6.
В соответствии с [4] значения расчетных нагрузок (усилий) должны
быть умножены на коэффициент надежности по назначению у„=0,95.
При реконструкции эстакад, обслуживающих непроизводственные
склады, допускается принимать у„ = 0,9.
Расчет прочности конструкций на усилия от воздействия оседания
основания при использовании разрезных подкрановых балок не выпол-
няют.
При использовании неразрезных пролетных конструкций их следует
рассматривать как многопролетную балку на упругооседающих опорах.
Горизонтальные отклонения колонн на уровне верхнего пояса под-
крановых балок определяют методами строительной механики на норма-
тивную нагрузку от одного крана максимальной грузоподъемности из
числа установленных в рассматриваемом пролете. Относительные откло-
нения не должны превышать значения, равного 1/4000.
20.5. Конструктивные схемы надводных крановых эстакад
Наряду с обычными эстакадами в последнее время нашлн примене-
ние надводные крановые эстакады. Эти эстакады предназначены в основ-
4И
Рис. 20.13. Принципиальная схема надводной крановой эстакады:
1—береговая опора; 2—опора у уреза воды
Гис. 20,14. Схемы надводной части крановом
эстакады консольного типа:
Gj й—решетчатое пролетное строение;«—саюш-
Я^стсмчаасе пролетное строение; г—решетчатое
!.г _\-егнсс строение с рамной отарой у урезаводш
412
ном для выгрузки мостовыми
кранами древесины, поступаю-
щей водным путем на предпри-
ятия целлюлозно-бумажной и де-
ревообрабатывающей промыш-
ленности, и ее дальнейшей
обработки.
Надводная крановая эстакада
состоит из надводной части и
примыкающей к ней береговой
части, представляющей собой
обычную открытую крановую эс-
такаду (рис. 20.13). Как правило,
надводную и береговую части эс-
такады разделяют температур’
яым швом. Надводная эстакада в
соответствии с технологическим
процессом, для которого оиа
предназначена, может не иметь
береговой части. Надводные эс-
такады проектируют КОНСОЛЬНЫ’
МИ, что позволяет исключить
опоры в русле реки. Надводная
часть состоит в этом случае из оД"
ного или двух тагов продольны*
рядов колонн и подкрановых
конструкций, имеющих надаоД-
иую консоль (рис. 20.14). Длин2
консоли в соответствии с усл°'
виями эксплуатации может быть
принята 12...30 м. Применение кон-
сольных надводных эстакад снижает
стоимость и сокращает сроки строи-
тельства, улучшает условия судо-
ходства и выгрузки древесины по
сравнению с эстакадами, имеющими
опоры в русле реки.
Надводная часть крановых эста-
кад, являющаяся самостоятельным
сооружением, отличается разнооб-
Рис. 20.15. Сплошностснчатое пролетное
строение консольно-подвесного тина
разием схем, которые по своим решениям и параметрам аналогичны мос-
товым конструкциям. Помимо консольной применяют консольно-под-
весную схему надводной части эстакад (рис. 20.15).
Конструктивные решения и особенности расчета надводных крано-
вых эстакад изложены в [5].
Глава 21
НАДШАХТНЫЕ КОПРЫ
21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
п ,иг^аДШаХТЯЬ1^ копе₽ горнотехническое сооружение над шахтным
Нйзиачаетм°^ее В С°СТаВ шахтаой п°яьемной установки. Колер пред-
ляюших imn усгаковки направляющих (копровых) шкивов, направ-
клетей a ра3гру3о4ных /фИНЬХХ для скипов и опрокидных
оуловятшя и КреПЛе™я посадочных устройств, клетей и другого обо-
подъемных кана^аХТНЫИ К°Пер воспринимает нагрузки от натяжения
на копое. В завис™ ДаМение ветра» в$с оборудования, установленного
ры называют клег °Т ТИПЯ ИСП0ЛЬЗУемьгх подъемных сосудов коп-
С1агаовымаили^-скиповыми а в зависимо-
сти от числа расположенных в стволе шахты подъемов ~ олно- двух-
или трехподъемными. По казначею™ подъемов одно , двух
эксплуатационные, а по схемеи™7 РЫ ДеПЯТ “* пР0Х0'Яческие й
ют станковые (укосные) ша* стру™£1ымособенностямвыдеяя-
CmnUV^ ( шатровЬ1е И башенные копры.
ственно на шахтахс олип*1 ШатроеыекОпРы устанавливают преимуще-
подъемах барабанные подъемные май.0ДЬвМаМИ- Используемые в *«*
в отдельных зданиях a иГк^₽v Размещают на уровне земли
для подъемных канатов Вью™ устанавлявают направляющие шкивы
вый копер (рис 21 П а Таких КопРов достигает 60 м. Станко-
и ranoZ ° " -оеи* станка, укоеняы
<*—> прямоугольная в плане решег-
Станок опирается на оамТ°*еаная непосредственно над стволом шахты,
лах высоты станка происхолиТп™7108бетонноеустьествола-8п₽еде'
ным площадкам и и^ разгоузка^6^ Подъемных сосудов к прием-
проводники, разгрузочные™ ° станКе РазмеЩаюгся направляющие
чающиеся площадки ймл»гЛ ИВЫе’ *Улаки для посадки клетей или ка-
жаряые лядыи другие ппи”11341^1 дая таРмозных канатов, противопо-
нокчерезголовкупередаетея0^0 ЛеНИЯ' В„копРах станкового типа най-
тов, т.е. станок являет астьусияийот натяжения подвесных кав3'
пРосзРанстве1шого каркаса Хп?1СУЩеЙ коасЧ>Укцией в составе
414 Пра‘ ® к°прах над вентиляционными ств°’
лами станок должен быть герметически закрыт, для чего каркас станка
обшивают листовой сталью.
Укосина - - наклонный элемент, обычно расположенный со стороны
подъемной машины, обеспечивает устойчивость копра. Фермы, на кото-
рые опираются направляющие шкивы (подшкивные фермы), фасадные
фермы, связи по фермам, конструкции площадок для оослуживания шки-
вов, головные балки станка и укосины, образуют головку копра.
Станковый копры получили наибольшее распространение, так как
они надежны в эксплуатации, а их конструкции достаточно просты в из-
готовлении и монтаже.
Шатровые копры (рис. 21.2) имеют пространственный каркас пира-
мидальной формы, внутри которого размешается станок, не участвую-
щий в работе каркаса на усилие от натяжения подвесных канатов и вы-
полняющий только технологические функция. Такая схема характерна
Для двухподъемных копров при расположении подъемных машин под уг-
415
Рис.21.2. Двухподьемный копер шатрово-
го тина
лом 180°, в которых обе укосины
жестко объединены конструкциями
головки копра в пространственную
раму и не передают на станок вер-
тикальных и горизонтальных на-
грузок от направляющих шкивов.
На шахтах с многоканатными
подъемами устанавливают преиму-
щественно башенные надшахтные
копры, а многоканатные подъем-
ные машины размещают на пере-
крытиях башенных копров.
Башенные копры со стальным
каркасом имеют в плане квадрат-
ную или прямоугольную форму и
достигают высоты 100 м и более.
Внутри башен для движения сосу-
дов размещают станок, который
своим основанием опирается на
устье ствола, а в горизонтальном направлении раскреплен к перекрытиям
копра. Сборно-монолитные железобетонные перекрытия по стальным
балкам образуют жесткие горизонтальные диски, обеспечивающие гори-
зонтальную жесткость каркаса. Каркас башенного копра состоит из ко-
лонн, связей, ригелей и балок перекрытий.
В последние годы на некоторых шахтах построены подъемные ком-
плексы, где многоканатные подъемные машины используются по схеме
одноканатного подъема, т.е. подъемная машина размещается на уровне
земли в отдельном здании, а на надшахтном копре станкового или шатро-
вого типа устанавливают направляющие шкивы для подъемных канатов.
Безбашенные подъемные комплексы экономичнее башенных, имеют
меньший расход стали и могут особенно эффективно использоваться при
реконструкции действующих одноканатных подъемных установок.
Надшахтные копры относятся ко П классу ответственности зданий и
сооружений, а коэффициент надежности по назначению для них устанав-
ливается у„= 0,95.
21.2. Нагрузки и воздействия
Постоянные нагрузки: вес несущих конструкций копра; вес ограж-
дающих конструкций; вес расстрелов и направляющих проводников.
416
Временные длительные нагрузки: собственный вес стационарного
технологического оборудования и вспомогательных устройств; рабочие
усилия в подъемных канатах; рабочие усилия (от предварительного натя-
жения) в проводниках; рабочие усилия (от предварительного натяжения) в
тормозных канатах парашютных устройств; избыточное давление и разре-
жение воздуха (компрессия и депрессия), возникающие при вентиляции
шахт; вес жидкостей и твердых тел, заполняющих оборудование и емкости
в процессе эксплуатации; вес отложений производственной пыли.
Кратковременные нагрузки: усилия в тормозных канатах парашют-
ных устройств при предохранительном торможении; нагрузки, возни-
кающие при посадке клетей на кулаки; нагрузки от подвижного подъем-
но-транспортного оборудования, используемого при эксплуатации копра
(от мостовых кранов, подъемников, лебедок и др.); вес людей, деталей и
ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования;
ветровые нагрузки; снеговые нагрузки с полным нормативным значени-
ем; усилия, возникающие вследствие разворота и опрокидывания сосу-
дов при разгрузке.
Особые нагрузки: аварийные (экстренные) нагрузки, вызванные
усилиями в подъемных канатах при резкой задержке (защемлении) под-
нимаемого сосуда в стволе шахты и при переподьеме сосуда; нагрузки,
возникающие от срабатывания парашютных устройств после обрыва ка-
ната; сейсмические воздействия; воздействия от оседания основания в
районах горных выработок.
Нормативные значения постоянных нагрузок определяют по архитек-
турно-строительным чертежам. Нормативные значения временных тех-
нологических нагрузок определяют согласно технологическим заданиям
на строительное проектирование. В заданиях должны быть указаны чис-
ленные значения нормативных нагрузок, коэффициенты надежности по
нагрузкам, приведены схемы расположения сосредоточенных и распре-
деленных эксплуатационных нагрузок с указанием габаритов оборудова-
ния, узлов его опирания и привязок к разбивочным осям и отметкам пере-
крытий или площадок. В заданиях организации, разрабатывающей про-
ект строительства, приводят схемы приложения и величины нагрузок от
проходческого оборудования, возникающих при использовании постоян-
ного копра для проходки ствола, и монтажных нагрузок.
Снеговую и ветровую нагрузки определяют согласно СНиП
2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». Нагрузки от сейсмических воздей-
ствий определяют согласно СНиП 11-7-81 «Строительство в сейсмиче-
ских районах». Воздействия от просадок основания учитывают согласно
’.из 417
СНиП 2.01.09-91 «Здания и сооружения на подрабатываемых территори-
ях и просадочных грунтах».
Масса несущих конструкции станкового копра с одной укосиной при-
ближенно может быть определена по эмпирическим формулам:
для одноподъемных копров
т=0,25^0,18^;
для двухподъемных копров
т=0^Н^8^,
где Н—высота копра; —наибольшее разрывное усилие одного из
канатов, кН; т — масса конструкций, т.
Общая масса копра распределяется между его частями в следующих
соотношениях: станок — З0...40%, головка—20...40%, укоси-
на— 25...35%. Массу вспомогательных конструкций (расстрелы, про-
водники, ляды, лестницы и пр.) можно учесть, введя в указанные форму-
лы повышающий коэффициент 1,1...1,15.
Массу несущих конструкций башенного копра приближенно можно
определить по удельному расходу стали на 1 м3 строительного объема
копра, принимая его равным: при высоте копра до 30 м — 30 кг, при вы-
соте копра от 30 до 80 м — 31...40 кг, при высоте от 81 до 110 м — 41...45
кг. Рабочие усилия в подъемном канате при одноканатном подъеме опре-
деляются из следующих выражений:
в начале подъема сосуда с грузом
S, =[<?,+ Q + р{Н + Л)](1 + а, / g)k-
в конце подъема сосуда с грузом
S. -[<?! +е + р(Я + й)](1-а2 !g)k-
в начале спуска сосуда
S2 =[(?2 +е + р(Я + Л)](1-а1 ig)l/k;
в конце спуска сосуда
S2 =[(?2 +р + р(Н + Л)](1 + а2 lg)\]к,
где и G2—полезная нагрузка соответственно поднимающегося и
спускающегося сосуда; Q— собственный вес сосуда; р — вес 1 м подъ-
емных канатов; Я— высота подъема; h—высота от приемной площадки
до оси приводного шкива; а} и а2—ускорение и замедление соответст-
венно в начале и конце подъема; g —• ускорение, свободного падения;
к—коэффициент сопротивления перемещению движущихся частей
418
подъемной установки, к— (1,06..,1,15). При расчете каркаса копра допол-
нительные усилия в канатах от ускорения, замедления и сопротивления
перемещению разрешается не учитывать.
Рабочие усилия в подъемных канатах при многоканатном подъеме
могут быть определены по формулам для одноканатного под ъема, но не-
посредственно для расчета конструкций копра используют нагрузки на
фундаменты многоканатных подъемных машин, которые в зависимости
от рабочего усилия каната и параметров машины определяют по инструк-
ции завода-изготовителя подъемной машины. Для копров одноканатных
подъемов аварийные (экстренные) нагрузки при внезапном защемлении
поднимающегося сосуда определяют как сумму разрывного усилия в
подъемном канате одного из подъемов, двойного рабочего усилия в со-
пряженном канате того же подъема, рабочих усилий в подъемных кана-
тах остальных подъемов. Разрывное усилие каната находят как частное от
деления разрывного усилия каната в целом, установленного соответст-
вующим государственным стандартом, на коэффициент надежности по
материалу, равный 0,8. Для копров многоканатных подъемов аварийные
(экстренные) нагрузки при резкой задержке (защемлении) поднимающе-
гося сосуда определяют в соответствии с инструкцией завода-изготовите-
ля подъемной машины. При отсутствии такой инструкции аварийные на-
грузки допускается определять как сумму разрывного усилия всех кана-
тов в поднимающейся ветви и 0,75 разрывного усилия всех канатов в
опускающейся ветви. Коэффициенты надежности по нагрузке для опре-
деления расчетных нагрузок принимают по СНиП 2.01.07-85 и СНиП
2.09.03-85.
Расчет конструкций копра следует выполнять с учетом наиболее не-
благоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий.
Эти сочетания устанавливают из анализа реально возможных вариантов
одновременного действия различных нагрузок и различных схем их при-
ложения, в том числе и отсутствия некоторых из нагрузок. При этом необ-
ходимо учитывать, что усилия в подъемных канатах одного подъема, от-
носящиеся к нагрузкам различной длительности, не могут действовать
одновременно, т.е. являются взаимоисключающими. Некоторые из крат-
ковременных нагрузок учитывают только при расчете элементов копра,
на которые они оказывают непосредственное воздействие и поэтому не
включают в основные сочетания одновременно с рабочими усилиями в
подъемных канатах. Этими нагрузками являются динамические нагруз-
ки, возникающие при посадке клетей на кулаки, и усилия, возникающие
при развороте и опрокидывании сосудов при разгрузке. Коэффициенты
сочетаний для расчетных значений нагрузок принимают согласно СНиП
419
2.01.07-85. В особых сочетаниях нагрузок (кроме расчета на сейсмиче-
ские воздействия) для ветровой нагрузки коэффициент сочетаний разре-
шается принимать равным 0,5. При расчете на сейсмические воздействия
коэффициенты сочетаний для расчетных нагрузок принимают согласно
СНиП 11-7-81*.
21.3. Конструирование и расчет
21.3.1. Станковые копры ,
Для проектирования копра необходимы: задание на строительное
проектирование, в котором приведены анкетные данные для расчета коп-
ра; место постановки копра; количество и род подъемов; глубина и диа-
метр ствола шахты; размеры, масса и грузоподъемность подъемных сосу-
дов; скорость движения сосудов; отметка приемной площадки; отметки,
диаметры и масса направляющих шкивов; диаметр и отметка барабана
подъемной машины, ее тип; диаметры подъемных канатов и их разрыв-
ные усилия; масса 1м канатов; максимальная компрессия или депрессия;
масса направляющих шкивов; нагрузки от тормозных канатов парашют-
ных устройств. К заданию прилагают чертежи примыкающих к копру
здании; чертежи направляющих шкивов, посадочных кулаков и другого
оборудования; чертежи устройства устья ствола, поперечный разрез
ствола с расположением подъемных сосудов.
Генеральные размеры копра, т.е. его высота (отметка оси верхнего ко-
прового шкива) и расстояние от оси ствола до оси барабана подъемной
машины, определяют по заданию на проектирование копра. Максималь-
ная длина наклонной струны каната должна быть 60...65 м. При больших
длинах проектируют поддерживающие устройства (мачты и др.)- При-
ближение подъемных канатов к конструкциям копра должно быть не ме-
нее; при вертикальном канате — 200 мм; при наклонном канате, располо-
женном под элементами конструкций, — 150 мм; при наклонном канате,
расположенном над эпементами конструкций, — 1/юо свободной длины
каната.
Размеры станка копра и его положение в плане относительно ствола
шахты определяются положением подъемных сосудов. Размеры между
осями стоек принимают кратными 100 мм. Зазоры между сосудом и вы-
ступающими гранями элементов станка должны быть при жестких про-
водниках не менее 150 мм и при канатных проводниках не менее 200 мм-
Опорная рама станка состоит из двух продольных и нескольких попе*
речных балок. Балки располагают в плоскостях стенок станка и рассчиты*
420
вают как разрезные балки на нагрузки от стоек станка. Глубина заложе-
ния рамы зависит от вида подъема.
Стойки станка проектируют из широкополочных двутавров, из пря-
моугольных труб или крестового сечения из 2-х уголков. Решетку между
стойками станка выполняют по крестовой, раскосной или полураскосной
схемам. Иногда применяют безраскосную решетку (рамного типа). Высо-
та панели решетки должна быть увязана с расстоянием между расстрела-
ми. Шаг узлов решетки принимают 3,5...3,0 м при металлических провод-
никах и 3,0...2,5 м — при деревянных.
Для ввода н вывода подъемных сосудов и крупногабаритных грузов,
опускаемых в ствол, в решетке предусматривают проемы. Стойки станка
в пределах высоты проема рассчитывают как стойки рамы с учетом изги-
ба от горизонтальных сил, воспринимаемых решеткой станка. Проем
окаймляют жесткими ригелями, установленными вместо распорок ре-
шетки, или усиленное сечение стойки продлевают на одну панель выше и
ниже проема.
Решетку станка проектируют из уголков или замкнутых гнутых про-
филей. Расстрелы назначают из двутавров для подвесных путей с шири-
ной полки, равной ширине полки расстрелов, установленных в стволе
шахты. Станок копра на уровне рабочих площадок ограждают решеткой
или сеткой высотой не менее 2,5 м. Проемы в станке на рабочих площад-
ках должны быть закрыты специальными предохранительными шахтны-
ми дверьми. Необходимость обшивки станка копра по всей высоте реша-
ется в зависимости от технологических требований. Обязательна обшив-
ка участка станка, где ведется разгрузка скипов.
Рекомендуется выбирать такое положение укосины, чтобы ее ось про-
ходила через центр верхнего копрового шкива. Расстояние от оси ствола
до нижней опоры укосины назначают таким, чтобы укосина заняла поло-
жение, при котором пучок равнодействующих сил натяжения канатов
размещался между станком и укосиной, а усилие в укосине от загружения
копра силами натяжения канатов составляло 80...90% максимальной ве-
личины равнодействующей сил натяжения канатов. Выбор положения
опоры укосины выполняют графическим построением. Высотную отмет-
ку нижней опоры укосины назначают на 0,6 м выше планировочной от-
метки земли.
Разнос стоек укосины в поперечном направлении обеспечивает боко-
вую устойчивость копра на ветровые нагрузки. Рекомендуется в верхней
части укосины принимать разнос равным расстоянию между направляю-
щими шкивами, а в нижней—равным (0,25...0,35) высоты копра. Для
уменьшения расчетной длины стоек из плоскости укосины устанавлива-
421
ют распорки, соединяющие их со станком. В плоскости укосины ее стой-
ки соединяют между собой решеткой крестовой или полураскосной схем,
либо жестко прикрепленными к стойкам распорками без раскосов (рам-
ная укосина). Обычное сечение стоек укосины — двутавровое, из прокат-
ных двутавров с параллельными гранями полок или из сварных двутав-
ров. В рамных укосинах для стоек применяют также круглые и прямо-
угольные трубы, сварные коробчатые сечения из 4 листов.
Головки копров отличаются большим разнообразием, так как их кон-
струкция зависит от расположения подъемных сосудов в стволе шахты и
способа размещения копровых шкивов (в одном уровне, в одной плоско-
сти один под другим н т.д.). Под каждый шкив устанавливают 2 подшкив-
ные фермы (балки). Расстояние между ними определяется конструкцией
опорных подшипников шкива. Подшкивные фермы опирают на головные
балки станка и укосины, через которые нагрузки передаются на укосину и
частично на фасадные фермы и стойки станка. При расчете подшкивных
ферм и балок действующие на них нагрузки от подъемных канатов увели-
чивают путем умножения на коэффициент динамичности 1,25. Положе-
ние узлов нижнего пояса подшкивных ферм определяется положением
головных балок укосины и станка. Рекомендуется опорный раскос, они
рающийся на укосину, располагать так, чтобы его ось совпадала с осью
укосины и проходила через центр шкива.
Пространственную жесткость конструкции головки копра обеспечи-
вают горизонтальные связи по нижним поясам подшкивных ферм и на-
клонные связи в плоскостях элементов решетки, установленные между
внутренними подшкивными фермами и между фасадными и наружными
подшкивными фермами. По верхним поясам подшкииных ферм уклады-
вают настил из рифленых листов, образующих пол подшкивной площад-
ки. Для создания горизонтального жесткого диска настил приваривают к
верхним поясам ферм, а в местах заводки шкивов его выполняют съем-
ным и крепят на болтах. На подшкивную площадку опирают поддержи-
вающие конструкции (каркас) монтажного устройства.
Несущие элементы конструкций надшахтных копров рассчитывают
по предельным состояниям: по несущей способности, т.е. по прочности и
устойчивости (предельное состояние первой группы) и по пригодности к
нормальной эксплуатации (предельное состояние второй группы), для че-
го проверяют горизонтальное перемещение копра от статического давле-
ния ветра в поперечном направлении, которое не должно превышать
1/500 высоты копра.
Расчет копров на нагрузки от отдельных загружений и определение-
расчетных сочетаний усилий в сечениях стержней рекомендуется выпол-
422
пять с использованием ПЭВМ. Подготовку расчетной схемы и входной
информации выполняют по правилам, установленным инструкцией по
применению программы расчета. Стальные копры рассчитывают по не-
деформированной схеме в предположении упругих деформаций стали.
Копры высотой более 30 м следует рассчитывать с учетом пульсационной
составляющей ветровой нагрузки, как единую пространственную систе-
му. Допускается при расчете пространственную систему конструкций
станкового копра разделять на плоские стержневые системы. Для расчета
копра на нагрузки, действующие в продольном направлении, т.е. по на-
правлению подъемных канатов, в расчетную схему включают ферму фа-
садной плоскости станка (стойки и решетку), фасадную ферму головки и
одну стойку укосины. Во вторую схему — две фермы, образованные кон-
струкциями поперечных стенок копра, включая головные балки, и ферму
укосины (стойки с решеткой и головную балку), соединенные на уровне
головных балок условными стержнями, обеспечивающими равенство го-
ризонтальных перемещений узлов схемы.
Стальные конструкции копра и их расчет должны удовлетворять тре-
бованиям СНиП П-23-81*.
Конструкции станковых копров по степени ответственности относят
к следующим группам:
1 группа — опорная рама станка, подшкивные фермы и балки, голов-
ные балки станка и укосины, узловые фасонки ферм, подкулачные балки,
разгрузочные кривые, отбойные балки, проводники, другие конструкции,
непосредственно воспринимающие динамические нагрузки;
2 группа — элементы укосины;
3 группа—каркас станка, подшкивные площадки, связи по под шкив-
ным фермам и площадкам;
4 группа — обшивка станка.
21.3.2. - Башенные копры
Задание на проектирование башенного копра помимо сведений о ха-
рактеристиках подъема и оборудования, перечисленных в разделе для
станковых копров, должно содержать поэтажные строительные планы и
схемы расположения оборудования; задание на устройство подкрановых
путей; схемы емкостей и плотность заполняющих их сыпучих материалов.
Стальные каркасы башенных копров имеют преимущественно кар-
касно-связевую схему (рис. 21.3). Связи размещают по наружному пери-
метру башни; они образуют вместе с колоннами прямоугольную оболоч-
ку, воспринимающую все горизонтальные нагрузки на каркас копра.
Внутренние колонны копра воспринимают только вертикальные нагруз-
423
2-2
Ряс. 21.3. Схема башенного копра
ки от перекрытий. Наружные стены выполняют из легких ограждающих
конструкций, в том числе из легких трехслойных металлических панелей.
При расчете башни копра, как сооружения, по первой группе предель-
ных состояний проверяют устойчивость против опрокидывания, а по вто-
рой труппе — осадку и крен башни, которые не должны превышать опре-
деленные пределы. Стальные конструкции башенных копров и их расчет
должны удовлетворять требованиям СНиП П-23-81 * и СНиП 2.09.03-85.
21.3.3. Вспомогательные элементы копров
Подкулачные балки, к которым крепят кулаки для посадки клетей, ус-
танавливают ниже уровня приемной площадки. Балку рассчитывают как
однопролетную на нагрузки от одной пары кулаков. Нагрузки, возникаю-
щие при посадке клетей на кулаки, учитывают только при расчете подку-
лачных балок. Для учета динамического воздействия, возникающего при
резкой посадке груженой клети на кулаки, эти нагрузки следует увеличи-
вать умножением на коэффициент динамичности, равный 5.
424
Противопожарные ляды предназначены для плотного перекрытия
ствола шахты в случае пожара в надшахтном здании. Их обычно устанав-
ливают на уровне опорной рамы станка. В лядах предусматривают выре-
зы и приспособления для пропуска канатов и направляющих проводни-
ков.
Разгрузочные кривые, при помощи которых производится выгрузка
скипов, крепят к станку у места разгрузки. В элементах станка, к которым
закреплены кривые, учитывают дополнительные нагрузки, возникающие
при опрокидывании сосуда.
Отбойные устройства. Расчет устройств, предупреждающих удар
сосуда о шкив, производят на статическую нагрузку, равную четырех-
кратному весу груженого сосуда.
Балки тормозных устройств должны быть рассчитаны на нагрузку
от усилия в канатах при аварийном торможении, принимаемую равной
четырехкратному рабочему усилию.
Обшивка копра. Для герметизации каркас станка обшивают стальны-
ми оцинкованными профилированными листами или стальными гладки-
ми листами толщиной 3...4 мм.
Монтажное устройство. На всех копрах предусматривают устрой-
ства для монтажа и демонтажа шкивов, представляющие собой две П-об-
разные рамы, соединенные связями. К ригелям рам закреплены моно-
рельсы, установленные над каждым шкивом. В сторону укосины моно-
рельсы имеют консоль длиной около 1,5 м с упором для тали.
Лестницы. Надшахтные копры для осмотра подъемного оборудова-
ния иузлов копра оборудуют лестницами. Устройство лестниц непосред-
ственно под подъемными канатами запрещается. Угол наклона маршей
лестницы должен быть не более 70 град., ширина маршей — не менее 600
мм. При устройстве маршей лестниц один над другим они должны быть
защищены сверху решетками с сеткой с размером ячеек20x20 мм.
Глава 22
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
22.1. Характерные особенности гидротехнических
конструкций
22.1.1. Номенклатура металлоконструкций в гидротехнике
Гидроузел — это сложный комплекс сооружений общего и специ-
ального назначения [27]. Соответственно гидротехнические конструкции
отличаются большим разнообразием как по виду, так и по назначению.
Их подразделяют на две группы: стационарные и подвижные.
К стационарным относят, например, несущие каркасы машинных за-
лов гидроэлектростанций и каркасы вспомогательных зданий гидроузла,
напорные трубопроводы, дюкеры и уравнительные резервуары, балки
крановых путей и такие транспортные сооружения, как мосты, эстакады,
акведуки, пешеходные мостики и т. п. Сюда же входит особый класс ста-
ционарных конструкций на континентальном шельфе, включающий обу-
стройство всего комплекса разведки, добычи и хранения полезных иско-
паемых морского дна. Стационарные конструкции отличаются от обще-
строительных конструкций лишь отдельными особенностями, поэтому
их проектируют в соответствии со строительными нормами.
В состав подвижных конструкций входят затворы водозаборных, во-
допропускных и судоходных отверстий, шлюзные ворота, судоподъем-
ники, сороудерживающие решетки, рыбоподъемники, краны. При проек-
тировании машиностроительных узлов таких конструкций должны учи-
тываться машиностроительные нормативы, которые нашли отражение в
руководящих технических документах Всероссийского треста (ОАО)
Гидромонтаж.
Отличительной особенностью гидротехнических сооружений явля-
ются разные требования по надежности к различным элементам одной
конструкции. В соответствии с этим различными будут коэффициенты
надежности по назначению уи и коэффициенты условий работы поэто-
му во всех последующих формулах расчетное сопротивление стали сле-
дует умножать на отношение ус/уи.
426
22.1.2. Нагрузки и воздействия
Для большинства гидротехнических сооружений основной нагрузкой
является гидростатическое давление, определяемое по заданному наи-
высшему подпорному уровню (НПУ) [33].
Кроме этого на конструкции в потоке действуют гидродинамические
нагрузки, которые можно представить двумя составляющими: осреднен-
ным постоянным во времени давлением типа гидростатического и пуль-
сационным давлением, возникающим из-за образования вихрей при дви-
жении жидкости.
При расчете некоторых элементов учитывают фильтрационное дав-
ление, например, в уплотнениях, в облицовках водоводов и т. п. Атмо-
сферное давление следует- иметь в виду при возникновении зон разреже-
ния в обтекающем потоке. Ветровой нагон учитывают увеличением рас-
четного напора. Воздействие волн рассчитывают по нормам [26].
Давление наносов обычно определяют в задании на проектирование. Для
расчета приводных механизмов необходимо оценивать собственную мас-
су подвижных конструкций. Следует также иметь в виду тяговые усилия
от приводов, силы трения в ходовых частях и уплотнениях при маневри-
ровании перемещаемой конструкцией.
Нагрузки и воздействия от сплошного ледяного покрова при темпера-
турном расширении, от зажорных масс льда, навала судна, от натяжения
швартовов регламентируются нормами [26].
Временную нагрузку от толпы, транспорта принимают по стандарту
предприятия ОАО Гидромонтаж и строительным нормам [4].
Влияние ветровой, снеговой и гололедной нагрузок зависит от того, в
каком состоянии находится подвижная конструкция—в рабочем, т. е. под
напором, или нерабочем. Эти нагрузки регламентируются СНиПом [4].
Температурные воздействия проявляются при значительных перепа-
дах температур в статически неопределимых элементах и могут вызвать
нарушения в работе приводных механизмов.
Большую угрозу для гидроузла представляет сейсмическая нагрузка,
воздействие которой может привести к непредсказуемым последствиям
при неправильном определении ее величины и ошибочном прогнозиро-
вании поведения водной среды, создающей дополнительное гидросейс-
мическое давление.
При выполнении монтажных работ в конструкциях возможно появле-
ние усилий, превышающих эксплуатационные. В этих случаях требуется
усиление временными, съемными элементами на период транспортиров-
ки и возведения.
427
Состав нагрузок в основных и особых сочетаниях принимают по упо-
мянутому выше стандарту.
22.1.3. Условия работы
Характеризуя условия работы гидротехнических конструкций, преж-
де всего следует обратить внимание на коррозионное поражение металла.
Процесс коррозии наиболее интенсивно протекает в местах периодиче-
ского смачивания. Скорость поражения зависит также от наличия в воде
агрессивных химических элементов, следовательно, наиболее опасна в
этом смысле морская вода.
Поскольку в практике проектирования не учитывается потеря рабоче-
го сечения из-за коррозии, особое значение приобретает защита конст-
рукций. Наиболее эффективна защита покрытиями на основе перхлорви-
ниловых, этинолевых, сополимерновинилхлоридных, масляно-битум-
ных материалов, эпоксидных и других синтетических смол. В местах
контакта подвижной конструкции со стационарными элементами соору-
жения (в подшипниках скольжения, шарнирах, уплотнениях) применяют
нержавеющую сталь.
Кроме того, для снижения потерь металла от коррозии по возможности
используют такую конструктивную форму элементов, которая имеет наи-
меньшую открытую поверхность при том же рабочем сечении. Нежела-
тельны конструкции с полостями, недоступными для очистки и окраски.
Элементы, работающие в скоростном потоке, подвергаются кавита-
ционной эррозии. Кавитация возникает уже при напорах в 10 м и связана
с возникновением в деформированном потоке локальных вакуумных
зон—пузырьков. При переходе в зону более высокого давления проис-
ходит их схлопывание с высокой скоростью. Сила микроудара в этом слу-
чае сопровождается давлением на поверхность хонетрукции более 20
МПа, что постепенно приводит к усталостному разруиюнию материала.
1Р°^Хбу°с^^^ТСЯ 14,11 НаЛНЧЙИ в Bo«e абразивных частиц,
ванием конфузорност (5S) вХ™ н*™’например’ исполь3°‘
вевстию водовода при подходе к сливному от-
версипо, созданием суперкавигйрующнх вдме дефлекто-
ров и порогов, удаляющих транзитную струю оХнс^увдии, а также
устройством. азроцнокных каналов в „оХ водХТ^
пр» №
внжной конствукнией ,?™10в,,тся яевозможвым маневрирование под-
вижной конструкцией. Изменяются физические свойстваволы пиро®-
писскнехарвктерн^някваторвд. Кр„Ме
донный лед в виде губчатой массы-»т» 1С-^н°го покрова оораху^
> !1Р» всплытии она забивает отверстия
водоприемников, нарушая нормальную эксплуатацию оборудования.
При переохлаждении водоемов и водотоков в воде появляется шуга в ви-
де взвешенных частиц льда.
Для поддержания механического оборудования гидроузла в рабочем
состоянии в зимний период используют различные антиобледенительные
установки и системы обогрева частей металлоконструкций: электромас-
лообогрев, непосредственный обогрев током, шинный или индукцион-
ный элёктрообогрев.
Принимая во внимание многообразие гидрогеологических и климати-
ческих условий работы гидротехнических конструкций, следует отме-
тить, что они плохо подчиняются принципам унификации и типизации за
исключением отдельных элементов и узлов.
22.2. Затворы гидротехнических сооружений
22.2.1. Назначение и виды гидротехнических затворов
Затворы являются частью напорного фронта гидросооружения и
предназначены для перекрытия водопропускных и судоходных отвер-
стий и регулирования расхода воды.
В зависимости от расположения отверстия относительно уровня
верхнего бьефа затворы подразделяют на поверхностные и глубинные
(рис. 22.1).
По эксплуатационному назначению затворы делят на основные, ава-
рийные, ремонтные и строительные. В зависимости от степени ответст-
венности гидросооружения отверстие оборудуют иногда несколькими за-
творами из состава перечисленных.
Ряс. 22.1. Расположение огверстнй:
о—новерхнагтное: б—глубинное
429
По направлению движения при маневрировании затворы подразделя-
ют на подъемные, опускные, поперечно-отодвижные, продольно-ото-
движпые.
Затворы обладают большим разнообразием по конструктивному при-
знаку [27,28]. Некоторые из них показаны на рис. 22.2.
Самым распространенным видом затворов является плоский затвор,
основным преимуществом которого по сравнению с другими является
простота конструкции.
Несколько реже используют сегментные затворы, поскольку их кон-
струкция сложнее и требует повышенной точности в изготовлении и мон-
таже, однако эти затворы не нуждаются в большой мощности приводного
механизма при маневрировании, как плоские. Применение других видов
затворов крайне индивидуально и зависит от гидрогеологической обста-
новки в каждом водохранилище и подпертом бьефе.
Плоские, сегментные и клапанные затворы используют как для по-
верхностных отверстии, так и для глубинных при малых и средних напо-
рах. Затворы игольчатого и конусного типов применяют для высокона-
порных глубинных отверстий при напорах свыше 50 м.
Конструкция затвора определяет способ передачи гидравлической
нагрузки от подвижной части затвора на стационарную часть сооруже-
ния. По этому признаку различают затворы, передающие нагрузку на бо-
ковые стенки отверстия или быки, например, плоские, сегментные, валь-
цовые; затворы, передающие давление на флютбег. секгопные, клапан-
ные, крышевидные; затворы, передающие нагрузку на" весь контур
отверстия — конусные, игольчатые.
Наконец, затворы можно классифицировать по материалу: деревян-
ные^железооетоннью, тканевые в виде мягких оболочек, металлические.
Металлические затворы, в основном, выполняют из стали. Однако
есть опытпримененияп алюминиевых сплавов. В этом случае улучшает-
ся коррозионная стойкость, в 2-3 раза снижается масса подвижной кон-
струкции, уменьшается требуемая мощность привода. Но, к сожалению,
алюминиевые сплавы из-за низкого модуля упругости увеличивают де-
формативность элементов под нагрузкой.
22.2.2. Эксплуатационные требования к затворам
• водонепроницаемости контактов с
с гидросооружением;
• оыстроте маневрирования;
* минимальным энергозатратам приводя-
430
Рис. 22J. Типы затворов:
а—плоский; б—сегментный;в, г, д—секторный; е — ва.1ьцовый; ж—крышевидный; а — клапан-
ный; к—плавучий (батопорт); л—циливдрический; л», я —• с поворотными фермами Пуаре, с рамами
Томаса; л—игольчатый; р—конусный
431
• удобству монтажа и ремонта.
Главнейшим требованием к аварийным затворам является постоян-
ная готовность к немедленному перекрытию отверстия.
Ремонтные затворы должны допускать возможность их перестановки
из одного отверстия в другое, что позволяет свести до минимума ком-
плект этих затворов.
Из вышеизложенного вытекает высокая степень ответственности та-
ких конструкций, что учитывается введением в расчет весьма значитель-
ного коэффициента надежности по назначению = 1,4.
22.2.3. Основные расчетные положения
Элементы затвора рассчитывают на самое невыгодное сочетание на-
грузок. В основных сочетаниях рассматривают несколько положений за-
твора: при закрытом отверстии, когда превалирует гидростатическая рас-
четная нагрузка, а остальные не оказывают существенного влияния; при
открытом отверстии в момент трогания, когда действуют кроме собст-
венного веса силы трения и усилия привода. В открытом пространстве
учитывают действие ветровой нагрузки на затвор в поднятом положении
по указаниям СНиП [4].
В промежуточном положении при частично открытом отверстии за-
твор помимо отмеченных нагрузок испытывает сильное гидродинамиче-
ское воздействие деформированного потока, сопровождаемое значитель-
ной вибрацией.
Иными словами, в основных сочетаниях учитываются все те натру3-
ки, которые возникают при нормальной эксплуатации затвора.
Нагрузки и воздействия, появляющиеся при отклонениях от нормаль-
ной эксплуатации, входят в состав особых сочетаний. К ним относят уси-
лия от заклинивания подвижной части затвора, удары льдин и плаваю-
щих тел, навал судна, монтажные и ремонтные нагрузки, сейсмическое
воздействие, напор при форсированном подпорном уровне (ФПУ), испы-
тательную нагрузку на гидравлический удар и гидродинамический резо-
нанс.
Расчетную гидростатическую нагрузку определяют по нормальному
подпорному уровню (НПУ), который соответствует наивысшему подпор-
ному уровню при нормальной эксплуатации. В расчетный подпорный
уровень включают и ветровой нагон волны.
Давление сплошного ледового поля на затвор не допускается путем
поддержания незамерзающей майны
432
Собственный вес затвора G (кН) в расчетах учитывают по опыту про-
ектирования, применяя следующую эмпирическую зависимость
G=g
100а
(22.1)
где Q — равнодействующая гидростатической нагрузки на затвор, кН;
L — ширина отверстия в свету, м; g= 9,81 — ускорение свободного паде-
ния, м/с2; а, р — коэффициенты, приведенные в табл. 22.1.
Таблица 22.1. Значения коэффициентов а, р
Тий затвора | « 0
Плоские поверхностные с колесными опорами 1 2,0 0,71
Плоские поверхностные со скользящими опорами | 2,7 0,70
; Плоские глубинные с колесными ходовыми частями ! 3,9 0,73
1 Плоские глубинные со скользящими ходовыми частями { 4,9 0,70
Сегментные с наклонными ногами ( 2,5 0,70
} Сегментные с прямыми ногами [_ _ 1,5 0,69 !
Силы трения и усилия от привода зависят от типа затвора, их расчет
показан ниже.
Ветровая расчетная нагрузка регламентируется СНиП [4].
Гидродинамическое давление на конструкцию зависит от скорости
потока, очертания открытой части отверстия и прочих факторов; оно оп-
ределяется по специальным методикам в каждом конкретном случае, где
часто прибегают к экспериментальным исследованиям на моделях. То же
относится к воздействию водной среды на конструкцию в условиях сейс-
мического удара.
Следует заметить, что методика количественной оценки гидродина-
мических нагрузок весьма неточна. В инженерной практике в расчетах
гидродинамическое воздействие на затвор упрощенно представляют гид-
ростатическим.
Таким образом, определив состав сочетаний расчетных нагрузок в
рамках 1-й группы предельных состояний, рассчитывают прочность, ус-
тойчивость, а также вибрационную прочность элементов затвора.
Расчеты выполняют, как отмечено выше, с учетом коэффициентов на-
дежности по назначению и коэффициентов условий работы, величины
которых регламентируется табл. 6 СНиП [3].
Для нормальной работы уплотнений в гидротехнических конструкци-
ях принципиальное значение имеет проверка жесткости элементов по 2-й
группе предельных состояний
//£<(//£], (22.2)
433
где/— абсолютный прогиб элемента от нормативной гидростатической
нагрузки с учетом коэффициента надежности по назначению у„; L — про-
лет элемента; [f/Z]— допустимая величина относительного прогиба
(табл. 22.2).
Таблш/а 22.2. Допустимый относительный прогиб элементов
Элемент конструкций j Допустимый относительный прогиб |
| Ригели поверхностных основных затворов } 1/600 ;
Ригели поверхностных аварийных затворов [ 1/500 j
! Ригели поверхностных ремонтных затворов | 1/400
; Ригели глубинных затворов | 1/1000 ;
• Консоли ригеля । 1/300 '
। Стрингеры и обвязки i 1/250 !
Эти жесткие требования практически исключают развитие пластиче-
ских деформаций в конструкциях затворов.
Реализация общих положений расчета в каждом конкретном случае
зависит от вида затвора по конструктивному признаку, расположения за-
твора, его назначения, режима работы — регулирующие или нерегули-
рующие — от направления движения при маневрировании и, наконец, от
типа отверстия — судоходное, водосбросное или водоприемное.
Ниже рассмотрены приемы расчета и конструирования на примере
наиболее распространенных простейших видов плоских и сегментных за-
творов.
22.3. Плоские затворы
22.3.1. Модификации плоских затворов
Плоский затвор состоит из пролетного строения, опорно-ходовых
частей, уплотняющих и подвижных устройств [29].
Пролетное строение перемещается в боковых пазах быков или устоев,
легко может переставляться из одного отверстия в другое, доступно для
ремонта.
Плоские затворы применяют как в качестве основных, так и в качест-
ве аварийных, ремонтных и строительных затворов; они могут обслужи-
вать как поверхностные, так и глубинные отверстия.
Конструктивно поверхностные затворы могут выполняться в виде
одиночных пролетных строений, секционных или одиночных с клапаном
(рис. 22.3).
434
Рис. 22.3. Вады нролетных строений плоских затворов:
а, б—одиночный; в—секционный; г —сдвоенный; Э—с клапаном
Секционные затворы позволяют снизить грузоподъемность привода,
сдвоенные и затворы с клапаном допускают перелив воды через верх и
сброс льда, а также пропуск воды из-под затвора.
Глубинные затворы обычно конструируют по типу одиночного много-
ригельного пролетного строения с расположением в отверстии либо перед
забральной стенкой, либо после нее (рис. 22.4).
По типу опорно-ходовых частей плоские затворы разделяют на сколь-
зящие на полозьях, колесные, гусеничные (рис. 22.5).
Скользящие ходовые части обладают преимуществом по сравнению с
прочими в простоте конструкции, однако они имеют повышенный коэф-
фициент трения в момент трогания с места.
Пролеты поверхностных затворов L достигают 45 м, высоты Н—
18м, площади перекрываемого отверстия до 300 м2 и более. Например, в
судоходных отверстиях вододелителя в дельте Волги применены затворы
уникальных размеров: пролет 110 м, высота 20 м при напоре4,25 м.
Максимальные параметры глубинных плоских затворов, известных в
мировой практике, достигают величин: напор 181 м (Ингурская ГЭС),
226,5 м (Седер Спрингс, США), площадь отверстия—100 м2 (Асуан,
Египет).
а} 6) а) 6) в)
а—верховое; о-—низовое а—полозья; о—колеса; в —гусеница
435
Плоские затворы, как уже было отмечено выше, получили широкое
распространение благодаря простоте конструкции и удобству их обслу-
живания и ремонта. Стоимость их изготовления на 10... 15 % ниже стои-
мости сегментных, а монтаж дешевле на 30%. Однако они требуют более
мощных приводных механизмов для преодоления собственного веса и
сил трения в ходовых частях при подъеме.
22.3.2. Компоновочная схема плоского затвора
Плоский затвор представляет собой балочную клетку, несущую водо-
удерживающую обшивку.
Балочная клетка состоит из главных балок—ригелей, перекрываю-
щих всю ширину отверстия, на которые опираются поперечные бал-
ки— диафрагмы (рис. 22.6).
Поверхностные затворы чаще всего делают двухригельными. Сами
ригели опираются на крайние диафрагмы — опорно-концевые стойки,
которые, в свою очередь, передают давление на направляющие рельсы
Рис. 22.6. Компоновочная схема двухригельного поверхностного затвора:
1 обшивка: 2—-ригель; 3 диафрагма; 4— опорно-концевая стойка; 5—направляющий рельс;
стрингер; 7 боковое уплотнение; S-—донное уплотнение
436
а) б)
Рис. 22.7. Ходовые устройства:
а—поверхностного затвора; б—то же, глубинного; 1 — полоз; 2—боковое колесо; 3—обратное ко-
лесо; 4 — боковое уплотнение
Обшивка непосредственно опирается на ригели и на вспомогатель-
ные продольные балки — стрингеры. Опорой для стрингеров служат диа-
фрагмы.
Ходовые устройства размещают в боковых пазах бычков или устоев
(рис. 22.7). Они состоят из основных опорных частей—колес или по-
лозьев — и вспомогательных устройств: боковых колес и обратных ко-
лес.
Обратные колеса предназначены для устранения свободных люфтов в
пазах. Их устанавливают с напорной стороны на амортизаторах и обеспе-
чивают плотное прижатие основных ходовых частей к направляющему
рельсу. Амортизаторы гасят вибрацию затвора в процессе движения при
пульсационной гидродинамической нагрузке.
Расположение боковых уплотнений определяет нагруженный пролет
затвора. Рабочий пролет ригелей I, (рис. 22.6) равен расстоянию между
осями рельсовых путей-—колеи затвора
1^£ + 2а>
где L —- ширина отверстия; а—расстояние от кромки паза до оси рельса,
обычно его принимают не менее 250 мм.
Высоту поверхностного затвора определяют расчетным подпорным
уровнем Н с некоторым запасом сь = 100...300 мм
для аварийных затворов 0,-500 мм.
437
Рис. 22.8. Размещение ригелей в плоском затворе:
а—в поверхностном; б—в глубинном
По высоте ригели размещают таким образом, чтобы они были равно-
нагруженными, т. е. имели одинаковое сечение в целях унификации. Для
этого их расставляют на равном расстоянии от линии действия равнодей-
ствующей Тгидростатического давления (рис. 22.8) Т = 0,5уН2, е = Н13,
где 9,81 кН/ м3—удельный вес воды. При этом желательно, чтобы
межригельное расстояние 1р было как можно больше, что увеличивает
крутильную жесткость пролетного строения. Однако для размещения
нижнего стрингера—нижнеи обвязки и донного уплотнения длина кон-
соли 1п должна быть не менее 400 мм. Верхняя консоль в то же время огра-
ничивается по длине 4<0,4Я.
Удовлетворяя этим требованиям, нетрудно получить максимально
возможное расстояние между ригелями 1р <2(е-1п).
По ;рпшс ригелей диафрагмы расставляют сшагом d = (0,75 4-1,5)1,.
Размещение стрингеров по высоте затвора зависит от глубины потру’"
жения каждого из них, т. е. с ростом давления расстояние между ними
уменьшается. При этом имеется в виду, что затраты металла на обшивку
весьма велики — около 30% от массы затвора, в то же время масса стрин-
геров, как правило, не превышает 8%. Следовательно, экономически це-
лесообразно наиболее точно рассчитывать обшивку и сообразно с этим
438
расставлять стрингеры. Поскольку толщина обшивки везде одинакова,
шаг стрингеров диктует условие прочности обшивки.
Толщину обшивки в поверхностных затворах принимают не менее 6
мм, а при ширине отверстия 10 м и более—не менее 10 мм.
Компоновка глубинного затвора при малых напорах (до 25 м) прин-
ципиально не отличается от поверхностного (рис. 22.8). Так же расстав-
ляются ригели соответственно положению равнодействующей:
Т- у{Н- $,5Нн)Н1{; е = [1+Я/(2Я-Ян)]Ня / 3 , где На— нагруженная
высота затвора'—расстояние от флютбета до верхнего уплотнения.
Однако из-за наличия забральных балок боковые колеса здесь прихо-
дится размещать на торцевых сторонах (см. рис. 22.7, б).
При средних напорах (до 50 м) из-за большого давления затворы про-
ектируют многоригельными с частым расположением ригелей, в этом
случае отпадает необходимость в стрингерах. Толщина обшивки здесь
может достигать 40 мм.
22.3.3. Расчет обшивки и расстановка стрингеров
Прочность обшивки и стрингеров рассчитывают на гидростатическое
давление при закрытом отверстии. Для восприятия ударов плавающих
тел и льда в уровне верхнего бьефа кроме верхней обвязки ставят допол-
нительный стрингер (рис. 22.9). Обшивка непосредственно опирается на
стрингеры и ригели и крепится
Как отмечено выше, расста-
новка стрингеров выполняется по
равнопрочности обшивки во всех
участках при одной и той же ее
толщине. Верхняя обвязка ста-
вится конструктивно на расстоя-
нии сь = 1204-200 мм.
Под действием гидростатиче-
ского давления обшивка испыты-
вает цилиндрический изгиб в вер-
тикальном направлении, т. е. ее
расчетную схему можно рассмат-
ривать как многопролетную бал-
ку-полоску единичной ширины
(рис. 22.16). Для упрощения рас-
чета переменную нагрузку в каж-
дом пролете с некоторым запасом
к ним на сварке.
Рис. 22.9. Размещение стрингеров
439
а) б)
Рис. 22.10. Расчетная схема обшивки:
а — действительная схема; б — идеализиро-
ванная схема
дежяости по назначению
случае записывается в виде
можно заменить на максимальную рав-
номерную q, у(Н- Л;) и считать
опирание полоски защемленным (рис.
22.10, б).
Максимальный расчетный изги-
бающий момент в обшивке возникает
на опоре Мо /12, где Ь, — раз-
мер рассматриваемого участка. Нор-
мальные напряжения изгиба равны =
Wo, где Wo = 1 • r0 16; t0 — толщина
обшивки.
Условие прочности обшивки на ме-
стный изгиб с учетом коэффициента на-
ул и коэффициента условий работы ус в общем
(22.3)
где Ry—расчетное сопротивление материала; у„ = 1,4 — коэффициент
надежности по назначению.
Из условия (22.3) можно выразить предельно допустимый пролет об-
шивки bj, см
5, <38Ого^/ (Я-АД (22.4)
Полученное выражение позволяет разместить все промежуточные
стрингеры при предварительно выбранной толщине обшивки t0 см, по
критерию ее равной прочности во всех участках.
22.3.4. Подбор сечения стрингеров
Полученная расстановка стрингеров определяет глубину их погруже-
ния и нагрузку на каждый стрингер. Ширина грузовой площади соответ-
ствует шагу стрингеров. От нее и от давления на уровне рассматриваемо-
го стрингера зависит расчетная погонная нагрузка, (см. рис. 22.10): =
« 0,5А- (Ь^ + *,).
Стрингер, опираясь на диафрагмы, представляет собой по расчетной
схеме неразрезную многопролетную балку. Общая длина стрингера рав-
на пролету ригелей. Для нижней обвязки (рис. 22. 9) q„ = p„(0,5d„ + СЛ
Ря=У(Н-сп).
Принятый принцип размещения стрингеров приводит к различной их
загруженности. В целях упрощения конструкции затвора все стрингеры
440
подбирают одинакового сечения по наиболее нагруженному. Чаще всего
используют прокатные профили в виде швеллера или двутавра. Во избе-
жание скопления влаги швеллеры устанавливают корытом вниз, а в дву-
таврах делают дренажные отверстия. Сечение стрингера подбирают из
условия прочности при изгибе.
Выбрав подходящий калибр профиля, необходимо проверить относи-
тельный прогиб в крайних пролетах
f!d< [1/250], (22.5)
f/d = ycqid4\^nEI = qid4201EI, (22.6)
где f — абсолютный прогиб стрингера; d—пролет стрингера; Е — мо-
дуль упругости; 1—момент инерции сечения.
22.3.5. Расчет и конструирование ригеля
Обычно ригель представляет собой сварную балку двутаврового се-
чения. Сквозную конструкцию применяют при пролетах более 20 м, од-
нако такие ригели весьма трудоемки в изготовлении, более уязвимы от
коррозионного поражения и требуют повышенных эксплуатационных
издержек. В глубинных отверстиях они также не находят применения.
При симметричном расположении ригелей относительно равнодейст-
вующей давления Тъ двухригельном затворе каждый из них воспринима-
ет нагрузку (рис. 22.8) q - 0,5Т.
В многоригельном затворе ригели располагают аналогично расста-
новке стрингеров, сохраняя на всех участках равнопрочность обшивки
при ее постоянной толщине.
Расчетная схема ригеля представляется статически определимой балкой
на двух опорах (см. рис. 22.6). Нагруженная длина Ln мало отличается от
пролета ригеля, поэтому без большой погрешности можно принять L^L^.
Подбор сечения ригеля производят по общим правилам расчета изги-
баемых элементов (см.п.5.3 [1]).
Если прокатный двутавр подобрать не удается, то компонуют свар-
ной. Чаще всего с напорной стороны в качестве пояса используют некото-
рый участок обшивки (рис. 22.11) по 0,15Lp с каждой стороны, но не более
естественных величин: 1„ — с нижней стороны, 0,51р в промежутке ме-
жду ригелями. Сечение стрингеров, установленных в зоне присоединен-
ной обшивки, включать в состав рабочей площади ригеля, очевидно, не
имеет смысла из-за неминуемой редукции нормальных напряжений в от-
даленных волокнах. Таким образом, сечение ригеля представляет собой
не что иное, как асимметричный двутавр.
441
Расчет такого двутавра можно вы-
полнить, опираясь на рекомендации
§5.4 [1]. При этом в опорных частях в
целях уменьшения размеров паза в быч-
ках высоту ригеля следует уменьшить
(см. рис. 22.6), приняв ее равной
)/~0,бА.
22.3.6. Устойчивость элементов ригеля
Общая устойчивость ригеля обеспе-
чивается обшивкой. Однако участок об-
шивки, включенный в состав сечения
ригеля, может потерять местную устой-
чивость от действия нормальных на-
пряжений о 0 = Л/у0 /I.
Условие устойчивости пластинки записывается в виде
(22.7)
Для пластинки, упруго защемленной по краям, критические напряже-
ния имеют величину
=5£(г/Ь/)2. (22.8)
Из последних выражении вытекает предельно допустимая ширина
обшивки по критерию устойчивости
Ь,- < 2г0у[Ё7о^. (22.9)
Устойчивость стенки ригеля рассматривается как устойчивость пря-
моугольной пластинки, ограниченной диафрагмами, безнапорным поя-
сом и обшивкой. Проверку устойчивости стенки следует производить в
соответствии с рекомендациями п.5.4.5 [4]. При этом, однако, проще ис-
пользовать следующие практические приемы:
нормальные критические напряжения можно вычислить в зависимо-
сти от вида эпюры ст по формуле
осг =5(1,5az -0,5а +1)£(т/ h„)\ (22.10)
где а — (<т — <т miB) / а ках коэффициент асимметрии эпюры
&И, -высота стенки (рис. 22.11); критические касательные напряжения,
определяемые по соотношению размеров отсека стенки dnK& и
^=(6+4,5/^^/^^ (22.11)
ГДе Ц ^гаах I ^ппг
442
22.3.7. Аэрация транзитной струи
В момент открытия отверстия вблизи порога создается вакуум (рис.
22.11) , область которого определяется углом а от границы порога до
нижней грани безнапорного пояса ригеля. При а < 30° становится прак-
тически невозможным маневрирование затвором из-за сильного подсоса.
В этом случае необходимо гашение вакуума путем подачи воздуха в под-
ригельное пространство.
С этой целью в поверхностных затворах достаточно предусмотреть
отверстия в стенке ригеля (рис. 22.12). Площадь отверстия должна со-
ставлять не менее 20% от площади отсека, т.е. Ао > 0,2dh. Этим определя-
ется радиус отверстия г > yl0,2dh/л.
Потеря части рабочего сечения компенсируется воротником вокруг
отверстия (рис. 22.12). Толщину кольца принимаютне менее 1,5/,ширину
кольца Ьк— не более 12/.
Для удобства наложения сварных швов расстояние между обшивкой
и воротником менее 250 мм не допускается. Тогда центр отверстия может
оказаться смещенным с нейтральной оси ригеля на некоторое расстояние
с. Из условия равнопрочности /0= Ih гд е 70 и —моменты инерции выре-
занной части стенки и сечения воротника соответственно, вытекает необ-
ходимая рабочая площадь последнего
bktk > г/[1 + 2е2 / (г2 + е2)] / 3. (22.12)
Если высота сечения ригеля недостаточна для размещения круглого
отверстия, то его выполняют овальным.
В приопорном отсеке переменной высоты отверстие делают мень-
ше —15% от площади отсека. Усиление воротником здесь необязатель-
но ввиду незначительной величины нормальных напряжений.
1-1
Рис. 22.12. Размещение отверстий в ригеле
443
22.3.8. Компоновка сечения диафрагм
Диафрагма представляет собой поперечную балку, опирающуюся на
ригели и предназначенную для восприятия опорных реакций стрингеров
(рис. 22.13). Таким образом, расчетную схему диафрагмы можно изобра-
зить в виде двухконсольной балки на двух опорах, нагруженной неравно-
мернораспределенной нагрузкой qd, которая определяется гидростатиче-
ским давлением р-. qd =pd, где d—ширина площади загружения — рас-
стояние между диафрагмами.
Высоту сечения диафрагмы hd принимают конструктивно равной вы-
соте ригеля за вычетом толщины обшивки и высоты стрингера hc. Тол-
щину стенки и пояса принимают равной толщине стенки ригеля I, а шири-
ну поясов — около 15А
В месте примыкания верхней консоли к ригелю предусматривают
монтажный разъем для возможности перевозки затвора к месту монтажа
частями.^ Максимальный габарит конструкции при транспортировке по
железной дороге 3,85 м. Поэтому нижнюю часть затвора иногда при-
ходится делить еще на две части при высоте отверстия более 6 м.
Опорно-концевые стоики монтажных разъемов не имеют и привари-
ваются к ригелям на месте сборки. Высота сечения стойки равна высоте
ригеля на опоре, ширина безнапорного пояса принимается не менее 300
мм для удобства крепления ходовых частей.
_ Принятое конструктивно сечение диафрагмы, как правило, обладает
оольшим запасом прочности. Однако в узле примыкания верхней консо-
ли к ригелю действуют большие изгибающий момент M = qlb / би попе-
ре шая сила Q qlb! 2, что влечет за собой необходимость проверки на
прочность монтажных сварных швов
крепления стенки диафрагмы к стенке
ригеля.
Стенкой ригеля воспринимается
почти вся поперечная сила и часть мо-
мента Id, где Iv —- момент
инерции стенки диафрагмы относи-
тельно центральной оси ее сечения,
—момент инерции всего сечения
диафрагмы.
Монтажные швы испытывают на-
пряжения: Te-Q/Af> !
где Af~ 2р&?—площадь среза дауст0'
ронних швов, /3—- момент
Рис. 22.13. Конструктивная и расчет-
ная схемы диафрагмы
сопротивления швов, lw = hw- 2t - 2-4,0 — длина швов, см, с учетом выре-
зов (рис. 22.13), р — коэффициент глубины проплавления.
Монтажная сварка обычно предполагается ручная, катет швов к в за-
творах принимают толщиной не менее 5 мм.
Условие прочности швов имеет вид
Нте+тм^ЛЛЛ- . (22.13),
22.3.9. Ферма продольных связей
Во избежание прогиба безнапорных поясов от собственного веса в их
плоскости устанавливают раскосы, которые образуют ферму жесткости
(рис. 22.14), где роль стоек выполняют пояса диафрагм. При подъеме за-
твора ферма воспринимает 40% веса затвора G и передает эту нагрузку на
опорно-концевые стойки. Кроме того, связевая ферма вместе с ригелями
и обшивкой создает пространственное ядро жесткости — центроплан,
снижающее изгибно-крутильные деформации затвора.
Расчетная погонная нагрузка, воспринимаемая фермой, равна
q' = 0,4Gyf/Lp, (22.14)
где уу= 1,1 —коэффициент надежности по нагрузке; G— вес затвора,
определяемый по эмпирической формуле (22.1).
Опорная реакция фермы Q' = fy5q'Lp = 0,2yfG вызывает наибольшее
растяжение в приопорном раскосе N —Q’ / cosqx
Обычно сечение раскосаЛ подбирают из одиночного уголка по усло-
вию прочности, но с соблюдением предельно допустимой гибкости X —
= pl/ г < [300], здесь ц = 0,9. Найденное сечение принимают одинаковым
для всех раскосов в целях унификации.
Рис. 22.14. Ферма продольных связей
445
Рис. 22.15. Скользящее опорно-ходо-
вое устройство
22.3.10. Опорно-ходовые части
Безнапорные пояса ригелей, явля-
ясь поясами связевой фермы одно-
временно, испытывают усилие
N -М'/ 1р, где M'=q'I?p /8 — изги-
бающий момент в ферме посередине
пролета. В результате в поясе нижнего
ригеля возникает дополнительное рас-
тягивающее нормальное напряжение
Следовательно, прочность безна-
порного пояса необходимо проверить
на действие суммарных нормальных
напряжений
части*нТрХьс°™а ПеРедает опоРную реакцию ригелей через ходовые
де полоза^пш^1??0] ^н1?рукцин 71111 ходовых частей—скользящий в ви-
поясу 2 оповно-кпш? 5₽пу° ПОЛОза Ь прикрепляемый к безнапорному
пластика 3 у^ет,п^№ ^ики, имеет вкладыш из древесно-слоистого
OToSZkZT Тдел^подопустмо^^л™[р>з0к^см
ют значением 300 Q/И’МинимальнУЮДлинуограничива-
22.4. Сегментные затворы
22.4.1. Модификации сегментных затворов
пр,с,,,,е —*и-
через которые передается Се™ента, опирающегося на ноги,
верхность имеет SSSSe«amapWM. Водоудерживающая по-
ного шарнира. Опопные^™,™ °чЧи,ание относительно центра опор-
бычках (рис. 22.16) РНИРЫ закрепляют на боковых стенках или
ные, сдвоенные, Т^ададо™0₽Ы ПОДразделяЮт на подъемные, олусК-
лользуют их как ^ob^Xjcth °₽Ы ПроектирУЮ7 двухригельными- Йс-
к в поверхностных, так а в глубинных отверстиях. Пре-
Рис. 22.16. Виды сегментных затворов:
а—поверхностный подъемный; б—поверхностный опускной; в—сдвоенный; г—с клапаном;
д—глубинный
имуществом сегментных затворов перед плоскими является потребность
в меньшем подъемном усилии, в большей скорости маневрирования, в
высокой надежности их работы в зимних условиях.
22.4.2. Компоновочная схема сегментного затвора
Принципиально пролетное строение сегментного затвора по компо-
новке не отличается от конструкции плоского. Однако особенность за-
ключается в том, что здесь ригели опираются не на концевые диафрагмы,
а непосредственно на ноги, соединенные с опорнымичшарнирами (рис.
22.17).
Узел примыкания ног к ригелю выполняют жестким, поэтому ригель
с ногами по статической схеме образует П-образную раму с шарнирными
опорами—главный портал (рис. 22.18, а). Ноги верхнего и нижнего пор-
талов соединяют раскосной решеткой для обеспечения устойчивости ног
в вертикальной плоскости (см. рис. 22.17).
447
Рис. 22.17. Компоновочная схема сегментного затвора:
J — ригель; 2 — стрингер; 3—нога; 4—диафрагма; 5—опорный шарнир; 6—боковое уплотнение
CV б)
Рнс. 22.18. Статические схемы главного портала:
а, — портал с прямыми ногами; б — то же. с наклонными
Портал с наклонными ногами предпочтительнее портала с прямыми
ногами, поскольку консоли ригеля снижают изгибающий момент посере-
дине ригеля, однако в этом случае опорные шарниры испытывают воз-
действие распора (рис. 22.19).
Расчетная высота портала Y определяется расположением нейтраль-
ной оси ригеля. С достаточной степенью точности можно считать, что
она расположена на расстоянии одной трети от высоты сечения ригеля h
(рис. 22.19) г=г0—0,ЗЛ. Высота сечения приблизительно составляет 1/12.
от расстояния I между узлами опирания ригеля.
448
Чаще всего ноги портала делают
наклонными, а узлы примыкания
ног к ригелю располагают не далее
с = 0,2£ от его концов, L — ширина
отверстия в свету. Выносные консо-
ли опорных шарниров стараются де-
лать как можно.меньше (а < 400 мм),
что, впрочем, зависит от сложности
устройства шарнира и его ти-
па — цилиндрический, шаровой или
конический.
Рис. 22.19. Генеральные размеры портала
Высота расположения шарниров h’ относительно расчетного гори-
зонта и выбор радиуса напорной поверхности затвора г0 в общем случае
зависит от функционального назначения отверстия в гидросооружении.
Во избежание засорения шарниров наносами и обмерзания в поверхност-
ных затворах ось вращения часто располагают выше горизонта и радиус
га выбирают довольно большим rQ= 2-^-2,5Н, Н—высота отверстия. В
других случаях г0= 1,2-Н,57У.
Расстановка ригелей в сегментных затворах принципиально не отли-
чается от таковой в плоских, т. е. здесь ригели так же располагают на рав-
ных расстояниях от равнодействующей гидростатического давления
v=/r2 + w2,
где Т = 0,5уН2 — горизонтальная составляющая; W—архимедова си-
ла — вертикальная составляющая, определяемая по площади сегмента
вытесненного объема жидкости (рис. 22.20),
#'=0,57rfl2[9+2sina • cosp-0,5(sin2a + sin2p)]; (22.15)
а = arcsin(A' / г0); Д=a + cp=arcsin[(#+//) / r0]; ф=p - a — угол смочен-
ного сектора, рад.
Положение силы JF находится из условия равновесия относительно
шарнира 0:
a ^T(2H/3 + h')/»; (22.16)
направление равнодействующей
В « arctg(ff / Т).
Равнодействующая V направлена по нормали к обшивке в центр вра-
щения.
15-93
449
Как и в плоском затворе нижнюю консоль обычно предусматривают
размером =Г,у„ >400 мм по дуге, верхнюю — не более 1Ь~
=гп\|/А < 0,4га<р, тогда межригельное расстояние получается равным
Zp<2(e-/B) - roy, \|/ = 2ф-0-у„), Уь = <р-ф-фя.
Архимедова сила Wуменьшает требуемое усилие привода при подъе-
ме затвора. Если сместить шарнир вниз так, чтобы равнодействующая
прошла выше шарнира с некоторым эксцентриситетом е, то возникаю-
щий момент Кб дополнительно снижает подъемную силу. Кроме этого,
благодаря эксцентриситету подъем затвора облегчается отрывом пролет-
ного строения от кромки ледяного покрова и донного скопления наносов
в случае их возможного появления.
22.4.3. Расчет главного портала
При выбранных генеральных параметрах портала расчетная схема
принимает вид, как показано на рис. 22.19. Нагрузка на каждый портал
определяется равнодействующей V
д -V / [2 cos(0,5\y)].
Применяя метод сил к расчету статически неопределимых систем, не*
трудно найти неизвестную реакцию распора
% =~^i« ^п»
т. е.2Г =9[(/2 -6c2)/(4A+6)+Zc0)]/2r,здесь* = отношение
погонных жесткостей ригеля и ноги. Исходя из практики проектирова*
ния, соотношение 1р / 1п можно принимать в пределах 4 ч- 8,
450
Моменты и поперечные силы в раме имеют значения:
в консольной части ригеля Мк = qc2 / 2;
в ноге Мп -rX -Rc0;
в опорной части ригеля Мо= Мк+ М„,
в середине пролета Мр = ql? /8- Af0;
максимальная поперечная сила в ригеле Q<>=R-qc,
R=qL/2.
Продольное усилие в.ригеле Np= X ; усилие в ноге Л, = Ztcos£ +
+Jfsin£, = (Rr+XcQ)J s, s—длина ноги; 4— угол наклона ноги.
22.4.4. Расчет обшивки, расстановка стрингеров
Ввиду малой кривизны обшивки предполагается, что ее работа на
местный изгиб не отличается от таковой в плоском затворе, т.е. ее рас-
четную схему можно принять спрямленной (рис. 22.10):
qt = р-1=у(Я -hf). Дальнейший расчет, а также расстановку стринге-
ров выполняют по методике, аналогичной той, которая используется
для случая плоского затвора. Расчетная схема стрингеров здесь так же
аналогична схеме в плоском затворе.
Поскольку высота сечения ригеля в сегментном затворе меньше, чем
в плоском, диафрагму принимают высотой, равной высоте ригеля. Стен-
ку диафрагмы непосредственно приваривают к обшивке, а для пропуска
неразрезных стрингеров в ней делают вырезы (рис. 22.22, о).
22.4.5. Подбор сечения ригеля
В состав сечения ригеля, как и в плоском затворе, включается участок
обшивки Ь' с каждой стороны стенки (рис. 22.11): в средней части портала
Ь’ < 0,154, гДе /0 » 0,757—расстояние между нулевыми точками в эпюре
моментов, 6'< 0,3с—в консольных частях.
Поскольку ригель в основном работает на изгиб, а осевая сила невели-
ка, то подбор сечения начинают выполнять по максимальному изгибаю-
щему моменту W<Mtaayal Ryle-
Оптимальную высоту определяют с учетом весьма значительной
асимметрии сечения ригеля в сегментных затворах а «2 3 и относитель-
но небольшой гибкости стенки X «80-г-100
Д>=5,5^. (22.17)
Для ригеля с консолями выражение минимальной высоты принимает
вид =ЯД7//]/(22Е>
Далее подбор сечения не отличается от такового в плоских затворах.
Однако проверку прочности и устойчивости элементов ригеля здесь сле-
451
дует проверять с учетом осевой силы Np. Поскольку гибкость стенки в
сегментных затворах невелика, часто бывает достаточно ограничиться
проверкой ее устойчивости по условию
hw=3,2t/£7R~ (22.18)
Устойчивость пояса обеспечена, если
(22.19)
22.4.6. Расчет ног главного портала
Кроме усилия в ногах от гидростатического давления в пик возникает
дополнительное усилие в момент трогания с места при подъеме затвора
(рис. 22.21). Величина тягового усилия Р на каждую сторону затвора опре-
деляется весом затвора G и силой трения в боковом уплотнении Киз усло-
вия равновесия SMo = 0:
^ = (Frn+0,5G!a*)/% (22.20)
где а"~0$а'.
^ажению^216\^СЧтЫВаКУГ ПО Ф°РмУДе (22.1), расстояние d —по вы-
ттынепаши™ W Тр&ва по даине бокового уплотнения распредели
^и^Ра^ом^РНов^яснмостнотпеременнойвеличиаыдавлеимХф)1
F =l2H4ZJ^<p=l,2Mi,zJйпфйр=W ,_ cos<J1js (22.21)
° о z
Рис. 22Л1. Силы, действующие на за-
твор ври подъеме
452
где ц = 0,8 — коэффициент трения
резины по стали; Ьу — ширина по-
верхности контакта в боковом уП"
лотнении; 1,2 — коэффициент,
учитывающий возможное отклони
ние сил трения от расчетного зна-
чения.
Возникающую при подьеме ре-
акцию /?0 в шарнире находят из УРаВ'
нения равновесия относительно точ-
ки A W; = 0;
=O,1G +P(r0 сова / a' -1). (22.2J
По величине этой реакции оЯ'
редедяют дополнительное усилие
сжатия в ноге верхнего портала Np с учетом угла наклона ног в плоскости
портала £ из уравнения SK=0:
Np =7?0cos(a +\|/j +v)/(sinv -cos£). (22.23)
Таким образом, полное расчетное усилие сжатия в ноге складывается
из усилия Nq от гидростатической нагрузки и дополнительного Np: N =
= Ng + Np.
Сечение ноги подбирают по условию устойчивости сжато-изогнутого
стержня в плоскости портала
<т = #/Я^феУ,/Ул. (22.24)
Принимая предварительно коэффициент продольного изгиба <ре «
» 0,6... 0,7, находят требуемую площадь сечения стержня с последующей
корректировкой. Наиболее подходящим профилем здесь является дву-
тавр, максимальную жесткость которого ориентируют в плоскости пор-
тала. Тогда для обеспечения устойчивости ног в вертикальной плоскости
их объединяют раскосной решеткой (см. рис. 22.17, 22.22). Расстояние
между узлами s0 выбирают по условию
<т = #/Л£Я/рсус/Ул, (22.25)
где с=1/0+0,7/и); m=eA/W: e^MJN.
Сначала определяют допустимую величину коэффициента продоль-
ного изгиба из неравенства (22.25) ф S Ny„ / cARyye; зная величину ф,
можно найти допустимую гибкость X, затем предельное расстояние
. Сечение элементов решетки подбирают по гибкости 1 < [200].
Обеспечив устойчивость ног, необходимо проверить их прочность
tr = 7V7 Л + / |fp</?уУс /У„.
22.4.7. Компоновка и расчет диафрагмы
Шаг диафрагм d выбирают с тем расчетом, чтобы калибр сечения
стрингеров не был слишком большим. Для обеспечения большей жестко-
сти конструкции в обязательном порядке ставят диафрагму в месте при-
мыкания ноги к ригелю (рис. 22.19,22.22), там же предусматривают за-
хватные устройства подъемного механизма. Например, в качестве захват-
ного устройства может быть использована цепь — так называемый
подвес, которую крепят в проушине на уровне нижнего ригеля. В этом
случае диафрагма кроме гидростатической нагрузки qd ~pd испытывает
давление подвеса при его натяжении силой подъема Р. Давление равно-
453
Рис. 22.22. Компоновочная и расчетная схемы диафрагмы
мерно распределено по длине диафрагмы и вычисляется по известной
формуле Эйлера
<?,=Р/г0. (22.26)
Ввиду малой кривизны сегмента расчетную схему диафрагмы пред-
ставляют в виде спрямленной двухконсольной балки, как и для случая
плоского затвора (рис. 22.22).
Сечение диафрагмы состоит из стенки, пояса с безнапорной стороны
и части обшивки. Ширину обшивки Ъо, включенной в состав сечения, бе-
рут не более 0,6 от длины верхней консоли йо<О,67л.
Высоту сечения диафрагмы и толщину стенки принимают конструк-
тивно такими же, как и у ригеля. Стенку приваривают к обшивке, а для
пропуска неразрезных стрингеров делают окна. Пояс диафрагмы часто
проектируют равным по сечению поясу ригеля.
Проверки прочности, как и в плоских затворах, требуют сварные
швы в монтажном разъеме верхней консоли (рис. 22.22). Узел испыты-
вает изгибающий момент М=0,5?^а/3+^ ) и поперечную сйЛУ
С?=/6(ОЛ?<,+^).
Швами воспринимается вся поперечная сила и часть момента Mr"
~ где Iw момент инерции стенки относительно главной оси се-
чения; Ij— момент инерции всего сечения. Касательные напряжения в
швах
xM=Mu!W,
454
где А и W— рабочая площадь и момент сопротивления монтажных швов
стенки.
Прочность обеспечена, если r<RwyKyc! уп.
22.5. Шлюзные ворота
22.5.1. Типы ворот
Шлюзные ворота, в сущности, представляют собой поверхностный
затвор судопропускного отверстия. Устанавливают ворота как в голов-
ной, так и в хвостовой частях шлюзовой камеры.
В шлюзах применяют различные типы ворот: двустворчатые, пло-
ские, плоские опускные, подъемные, сегментные, сегментные створча-
тые с вертикальной осью вращения, клапанные, плавучие и ворота с пово-
ротными рамами.
По назначению ворота подразделяют на основные, ремонтные и ава-
рийные.
Наибольшее распространение получили двустворчатые ворота с пло-
ской обшивкой [32]. Размеры перекрываемых ими отверстий достигают
по высоте более 20 м, по ширине — 30 м.
Несущий каркас створок часто применяют двух типов: ригельного и
стоечно-ригельного.
Створка ригельного типа состоит из горизонтальных ригелей, распо-
лагаемых с переменным шагом по высоте (рис. 22.23). Концы ригелей
окаймляют вертикальными элементами: в створе — створными столба-
ми, в вереях—вереяльными столбами. В промежутках ригели объединя-
ют вертикальными диафрагмами. Кроме того, для поддержания обшивки
между ригелями могут устанавливаться стрингеры. Для придания жест-
кости створки раскрепляют диагональными связями.
Вес створки воспринимается опорной пятой, от опроквдывния створ-
ка удерживается верхним шарниром — гальсбантом.
В закрытом положении ригели смежных створок образуют в плане
трехшарнирную арку с углом подъема а, где роль опорных шарниров вы-
полняют вереяльные подушки, а роль ключевого шарнира — створные
упорные подушки. Следовательно, устройство опорной пяты и гальсбан-
та должно допускать некоторое перемещение створок под гидростатиче-
ской нагрузкой с тем, чтобы последняя не передавалась на шарниры, по-
скольку шарниры предназначены только для восприятия собственного
веса створки [32].
455
2'.
2-2
Рис. 2X23. Компоновочная схема ворот ригельного тана:
I -рвд2-^“/-^рингер^-стгорный столб; 5-вереяльный столб; б-гал^'
ср пята, связи; 9 вереяльная подушка; 10—створная подули»
В отличие от ворот ригельного типа стоечно-ригельные ворота имеют
лишь одну несущую арку, составляемую верхними ригелями (рис. 22.24)-
К ригелям верхним концом крепят вертикальные стойки, которые вйизу
опирают на порог отверстия. Стойки между собой раскрепляют диафрзг'
мами, на которые могут быть установлены промежуточные стойки. В V
•кях. створках опорную пяту располагают сверху.
В основном стоечно-ригельные ворота применяют в качестве ре*
ных.
22.5.2. Расчет элементов створки ригельного типа
Методика расчета обшивки и стрингеров створки не отличается от
описанной выше для плоских затворов. Однако расчетригеля имеет здесь
некоторые особенности, поскольку ригель кр0Ме ^бающего
456
Рнс. 22.24. Компоновочная схема ворот стоечно-ригельного типа:
1 — ригель; 2—стойка; 3— диафрагма; 4—промежуточная стойка
воспринимает весьма значительную осевую силу из-за распора Н (рис
22.25}.
Для снижения момента нейтральную линию ригеля смещают в сторо
ну напорной стороны на некоторое расстояние е от линии действия осе
вой силы Ы. Из условий равновесия опорные реакции получаются равны
ми:R =0,52^, # = ^(l-tg2a)/(4tga), T=^(l + ^a)/(4^gaX A>s
- L + 2a,a = 0fi5L. Осевая сила имеет величинуN =2fsma -г//cosa
~qLp /(4sina), максимальный изгибающий момент=qLp(Lp
/8cos2 a - el sina) / 4, поперечная сила принимает максимальное значе
нис в опорных сечениях
= 4LF cosa(l + tg'a) / 4.
45’
В двустворчатых воротах угол а имеет регламентированное значение
“;2 г=°'8^ ^=о’7^е--
XyZ-fp / 2о*
Помимо гидростатической нагрузки верхние три пары ригелей рас-
считывают на сосредоточенную силу Р, приложенную к какому-либо яз
них, от навала судна. Условно принимается Р = 1000 кН.
Кроме того, на верхний ригель воздействует тяговое усилие привод-
ного механизма^ Величина усилия определяется типом приводного уст-
рой тва, угловой скоростью створки, ее массой и габаритами, а также вы-
сотой погруженного участка.
Принимая во внимание отмеченные особенности работы ригелей в
вХетга*' СЛадУеТ 0Гме1ИТЬ> что их сечение получается весьма мощным
ппелела.Гш^/оН1'671611 °бычно ио 0ПЫТУ проектирования находится в
ик-ттпяш « ширины створки. В состав сечения кроме обшив®
включают и близлежащие стрингеры.
ппЛп^0^ РИГСЛеЙ "° ВЫС0Те’ «« правило, стараются делать до
руктивно «Х РВВНОНагруженности- Нижний ригель устанавливают консс-
100.. 300 мм пт СИМ0С™ от вида Донного уплотнения на расстоян®
зоне возможной РИ ВСрХНИХ Ригепя размещают на равном шаге да
иметь различную У*31™ сУДпа- При этом небольшая часть ригелей может
Нагружеяность’ °даако высота их сечения в целях у®-
—*
менее 1100 ™ашготовлешИ1пагригелейнерекомендуетсяприиИ<1‘
янн^?"»/Z” лТ™ С™РЮ’ШаГ рштаей в IlaW“ ™ >“
горизонт верхнего и mm ^-A)=a™t.W ЯиЛ-раСТИ*
положенном выше, нагруЗКа еф°В СООТВетстаенно. На участке, р^
м нагрузка постоянна:^. =0,5уф., +Ь{)(Я-А)'
=еопх>. 4,ф„ шаг |вряяшвв
жата: при зак^Пж™^^Э“’Ма1Т0вствЧ’™ проверяют в трех во®-
В момент отхрТння
При этом JL.pL » также в период мотив.
И ветровое давление^МеЧеННЫХВЫШенагРузок принимают во вниман,{г
и ветровое давление.
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций / Под ред. В.В. Го-
рева. — М.: Высшая школа, 2000.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий / Под ред. В.В. Горе-
ва.—М.: Высшая школа, 2000.
3. СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции. — М.: ЦИТП, 1998.
4. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. —М.: ГПЦПП, 1996.
5. Металлические конструкции (Справочник проектировщика). В 3 т. /Под общ. ред.
В. В. Кузнецова (ЦНИИнроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). — М.: Изд-во
ЛСВ, 1999.
6. Металлические конструкции /Под общ. ред. Е.И. Беленя. — М.: Стройиздат, 1986.
7. Беленя Е. И. Предварительно напряженные несущие металлические конструк-
ции.— М.: Стройиздат, 1975.
8. СНиП 2.016.01.84. Бетонные и железобетонные конструкции /Госстрой
СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
9. Айовская С.Н. Новые пространственные сталежелезобетонные конструк-
ции.— Красноярск: Стройиздат (Красноярское отд.), 1992.
10. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции—-М,: Стройиздат,
1991.
И. СНиП П-25-80. Деревянные конструкции. /Госстрой СССР.—М.: Стройиздат,
1983.
12. Гринь И.М. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов.
Проектирование и расчет, -Киев-Донецк: «Вшца школа», 1979.
13. Степанов И.В. Мобильные здания и сооружения. — Мл Стройиздат. 1988.
14. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы ! Госстрой СССР, 1985.
15. Гибшман М.Е., Понов В.И. Проектирование транспортных сооружений.—М.:
Транспорт, 1988.
16. Мосты и сооружения на дорогах: В 2-х ч. 4.2 / П.М.Саламахин, О.В.Во.чя, Н.П Лу-
кин и др.; Под ред. П.М. Саламахииа.—М.: Транспорт, 1991.
17. Вантовые мосты / А.А.Петропавловский, Б.И. Крыльцов, Н.И, Богданов и др; Под
ред. АА. Петропавловского. — М.: Транспорт, 1985.
18. Бахтин С. А. Проектирование висячих и вантовых мостов. — Новосибирск, 1995.
19. Солодарь М.В., Плишкии Ю.С., Кузнецова М.В. Металлические конструкции
для строительства на Севере. Л.: Стройиздат (Ленинградское отд.), 1981.
20. Пособие по проектированию конвейерных галереи /ГПИ Ленироектстальконсг-
рукиия. -М.: Стройиздат. 1989.
21. СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных нредириятий /Госстрой
СССР,- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986:
22. СНиП 3.03.01-87. Несущие п ограждающие конструкции /Госстрой СССР. — М.:
ЦИТП Госстроя СССР, 1988..
23. Филиппов В.В., Собакин АЛ., Варламов А.В. Влияние условий эксилуатацпп на
работоспособность конструкций конвейерных г.тасрей и жестких стальных бунке-
ров. - М.: Недра, 1995.
24. Справочник проектировщика инженерных сооружений ? В.Ш. Кдалов, В.Д.
Ллыпиц, А.И. Аптекман и др.: Иод ред. Д. А. Коршунова. — Киев: Будиве.тьник, 1988.
25. Проектирование открытых крановых эстакад / ЦШШпромзданий,
ПИНСК. -- М.: Стройиздат, 1990.
26. СНиП 2.06.04.-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (вол-
новые, ледовые и о? судов). — М.: 1983.
459
27. Гидротехнические сооружения / Под род. Л.Н. Рассказова. М.: Стройиздат, 1996.
28. Полонский Г. А., Любашевский Е. С., Николаев Б. А., Фремшист А.Р. Механи-
ческое оборудование гидротехнических сооружений. - -М.: Энергоатомиздат, 1993.
29. Залькнидсои Е. И., Нефедов Е. Е., Березинский А. Р. Плоские стальные затво-
ры.— М.: Стройиздат, 1951.
30. Залькиндсон Е. И., Нефедов Е. Е. Сегментные стальные затворы. — М.: Энергия.
1958.
31. Отрешко А. И., Ивяиский А. М., Шмурнов К. В. Инженерные конструкции в гид-
ромелиоративном строительстве.—М.: Сельхозгиз, 1955.
32. Борисевич С. П. Двустворчатые ворота шлюзов. — М — Л.: Госэнергоиздат, 1961.
33. СНиП 2.06.01*86. Гидротехнические сооружения. Основные положения
проектирования.—М.: 1987.
РАЗДЕЛ IV
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
Глава 23
СОСТАВ И ОБЩИЕ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ЧЕРТЕЖЕЙ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
23.1. Общие правила оформления рабочих чертежей
Конструирование строительных металлических конструкций в соот-
ветствии с действующими нормами ([3], [4], и СНиП 3.03.01-87) ведется в
две стадии: КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции ме-
таллические деталировочные).
Проект на стадии КМ разрабатывают специализированные проект-
ные организации. На этом этале проектирования выбирают расчетную
схему сооружения, производят полный расчет и подбор сечений всех кон-
структивных элементов, выполняют общие чертежи всего сооружения
или отдельных его частей и разрабатывают основные узлы сопряжений
деталей. Кроме того, в состав проекта КМ включают техническую специ-
фикацию потребного металлопроката по элементам конструкций, профи-
лям и маркам стали.
Рабочий проект на стадии КМД разрабатывают на основании черте-
жей КМ конструкторские отделы заводов-изготовителей металлоконст-
рукций с учетом технологических возможностей завода; членения конст-
рукций на отправочные элементы из условий транспортабельности и гру-
зоподъемности монтажного оборудования монтирующей организации;
принятых способах заводских и монтажных соединений; необходимости
производства общей или контрольной сборки на заводе.
Чертежи металлических конструкций рекомендуется выполнять на
листах основных форматов по ГОСТ 2.301-68*. В случаях, когда площадь
формата А1 недостаточна для изображения отправочного элемента, до-
пускается применять дополнительные форматы—594x1051 и 594x1261
мм. Типы линий рекомендуется применять по ГОСТ 2.303-68*; шриф-
461
ты — в соответствии с ГОСТ 2.304-81 *. На чертежах необходимо пользо-
ваться перечнем допускаемых ГОСТ 2.316-68* сокращений слов. Кроме
этого используют общепринятые сокращения названий технологичесйй
операций (табл 23.1).
Таблица 23.1. Сокращения вазвяний технологических операций
।__ Полное наименование I Сокращение
; Ближняя сторона ; б. с.
1 Вальцевать_____________I вальц.
i Гнуть__________________। гн.
[ Дальняя сторона ______д. с.
Дегаль «такая»__________т
Деталь «наоборот» _ 1 и
Зенковать______________ ' зенк.
Косой рез______________i юс. рез.
Механическая обработка 1 мех.обр,
j Обратно чертежу________i обр.черг.
f Прорезь________________прор. ~~
j Равные расстояния р.р.
! Размалковать • размалк.
, Смалковать J смалк.
Полное наименование ~"[~Сокряием*_
Смотрите____________ J см. _—
Снять обушок__________рсн^обуш^--
___3 Сиять фаску ______ j j?* 1 * * *- —
Срез полки _ __________ [_дь_пол.----
, Срез уголков__________1.9МЕ-------,
| Строгать обушок • ! CTpt_°^S—!
___i Строгать 1 продол _ J JB—i
Строгать 2 продола_______
____i Строгать по веримеяру_лдь__^
Строгать 1 плоскость jClpr-.L’1-.—
____Фасонный лист (мелкий)_!
___Фрезеровать 1 торец _____i ФР- 1_1—
____________________________Фрезеровать 2 торца ________-
____________________________Фрезеровать 1 плоскость I фр- 1 ,®Ь—-
На чертежах необходимо использовать обозначения в соответствий с
табл. 23.2.
Обозначения швов сварных соединении в чертежах стадии КМ р®®'
мендуется выполнять в соответствии с СН 460-74 (разд. 5). Условии5
обозначения швов сварных соединений представлены в табл. 23-3.
Таблица 23.2. Условные обозначении яа чертежах
j Наименование | Пример усланного обозя^”!*
> Балка двутавровая •
j Швеллер____________
' Нормальные двутавры—Б
. Широкоиолочвые двутавры—Ш
: Колонные двутавры—К
j Нормальные тавры—БТ
I Широполочные тавры — ШТ
Колонные тавры—КТ
| Двутавры тонкостенные с ужтотГиаралдатаными Т ''
j полками__________ j
, Швеллеры с уклоном ввугреииих’тра'^й полок )'
; Шиелледт с параллельными гранями!
1.
140
124
140Б1
150ШЗ
I4OK2
Т15БТ1
Т2ОШТ1
T20KT5
~ IT22
[20
[20П
462
Продолжение табл. 23.2
Наименование Пример условного обозначения
Швеллеры тонкостенные с узкими параллельными полками [20Т
Сталь угловая равнобокая 1.100x8
Сталь угловая неравиобокая 1.125x100x8
Сталь квадратная □20
Сталь круглая 020
Сталь листовая или полосовая -400x30
Прокат листовой горячекатаный -8x800x6000
Трубы 0114x4
Сталь просечно-вытяжная -ПВ608
Сталь рифленая ромбическая -Риф. 800x6
Сталь рифленая чечевичная —ЧРиф. 6
Гнутый швеллер равнобокий Гн. 1180x50x3
Гнутый швеллер неравнобокий Гн. [180x80x50x3
Гнутый профиль угловой равнополочный Гн. 1.100x5
Гнутый профиль угловой неравиополочный Гн. L110x90x5
Зетовый профиль раввополочный Гн. 1.40x55x4
Зетовый профиль неравнополочный Гн. 165x45x40x4
Профиль гнутый квадратный Ги. 0140x40
Профиль гнутый прямоугольный Гн. G140x100x5 1
Профилированный лист типа И Профилированный лист типа НС Профилированный лист типа С «57-750-0,8 | НС44-1000-0.7 1 С18-1000-0,8
Отверстие овальное J
1 Отверстие овальное ахЬ J "tp i
Болт постоянный нормальвой и повышенной > ТОЧНОСТИ j Болт постоянный высокопрочный 1 . л -f. J
Линия симметрия
463
Продолжение табл, 23j
Нвимеиоваиио Пример хсловиото обоймам
Размеры повышенной точности 1900±1
Болт временный нормальной и повышенной Точности ” 1 !
Место маркировки отправочной марки
Негрунтованныс участки под соединения на высокопрочных болтах Ж .
Таблица 23.3. Обозпичения сварных шиоа иа чертежах марки КМ
Наименование
Шов сварного соединения
стыкового —сплошной:
с видимой стороны
с невидимой стороны
То же, прерывистый:
с видимой стороны
с невидимой стороны
Шов сварного соединения
углового, таврового или
внахлестку—сплошной:
с видимой стороны
I с невидимой стороны
!--------------------------
I
! Шов сварного соединения
i внахлестку контактный то-
I чечный
J _________________________
Шов сварного соединения
I электрозаклепочный внах-
t лестку (с круглым отверс-
i таем)
Изображение шва
заводского моптажнвго
11 -1-1 11111111
llrlllllllrl Hf -Н+ -н xxxxww SR? ДЛ A*'
tit in и
ГГГ 111 'll H+ - tt+ K- — ж
b uuniiim UX 111 XI К XX XX.
Размер
,no6p*at«W>J^J
п
464
Для обозначения сварных швов в чертежах КМД допускается приме-
нять условные обозначения в соответствии со стандартами предпри-
ятий-изготовителей металлических конструкций (табл. 23.4).
В соответствии с ГОСТ 2.302-68* масштабы изображений металличе-
ских конструкций должны выбираться из стандартного ряда (табл. 23.5).
Таблица 23.4. Обозначении сварных швов иа чертежах марок КМД
Тип шва Условное оба®»- чение 1
Угловой шов односторонний видимый N
односторонний невиди- мый —ь~
двусторонний 1 1
Прерывистый ШОВ угловой Ч^640(У10о| J V— L
стыковой >100/100
Стыковой без скоса кромок — с ближней стороны 4— '
с дальней стороны с двух сторон без подварки i --чЛ-- j j , J L
• с подваркой
Стыковой (
V-образной р-*
дедкой кромок
с j с зачисткой е ближней j
ГаЯ" * стороны I
1..; М
; с зачисткой с дальней стз-
i роны
, с зачисткой с двух сторон
465
Продолжение табл. 23.4
Тип шва Условное обозна- чение Эскиз
Стыковой п тав- ровый шов при V-образиом со- единении с од- посторонним скосом кромок без подварки 1 о л
с подваркой J 0
с зачисткой корня 1 7
I Стыковой с Х-образной раз- делкой кромок без зачистки'
с зачисткой с ближней стороны
с зачисткой с дальней сто- роны
с зачисткой с двух сторон
! i Стыковой и тав- ровый шов при V-образиом со- единении с од- | посторонним скосом кромок без зачистки 1
1 с зачисткой с ближней | стороны
f с зачисткой с дальней сто- роны с я
с зачисткой с двух сторон
Мйшшкшае j швы всех видов ! соединений S | стыковые 1 угловые ! \з00
Vsoo ххххххх
Примечания:!. Швы должны быть показаны на тех видах и разрезах, «а кия?
их раепоиожеипе не вызывает сомнения. 2. Сварные швы выполняются по всей длин®
прикосвовгашя соединяемых деталей, кроме особо оговоренных, случаев. 3. Все расчел®
466
швы всех типов соединений проставляются с указанием длины. 4. Под «зачисткой» пони-
мается зачистка швов механическим способом заподлицо с плоскостью основного металла.
5. Все монтажные н заводские сварные соединения, выполняемые с разделкой кромок,
должны сопровождаться сечением по шву или деталью снятия фаски.
Таблица 23.5. Рекомендуемые масштабы изображений
Масштабы уменьшения 1:2; 1:2.5; 1:4; 1:5; 1:10; 1:15; 1:20; 1:25; 1:40; 1:50; 1:75; 1:100; 1:200; 1:400; 1:500
Масштабы увеличения 2:1; 2,5:1; 4:1; 5:1; 10:1; 20:1; 40:1; 50:1
Для изображения элементов конструкций рекомендуется применять
масштабы 1:10; 1:15; 1:20; 1:25. Монтажные схемы следует выполнять в
масштабах 1:200; 1:400. Для изображения решетчатых конструкций раз-
решается применять два масштаба: меныпий(1:15; 1:20; 1:25)—для гео-
метрической схемы; больший (1:10; 1:15и 1:20)—для сечений стержней
и деталей.
Для изображения длинных сплошных элементов (колонны, балки)
разрешается применять по длине элементов произвольный масштаб при
условии соблюдения пропорциональности и соответствия при взаимо-
расположении креплений, проекций и разрезов.
Геометрические схемы и сечения решетчатых ступенчатых колонн, а
также элементы мостов выполняются в одном масштабе.
Масштабы служат средством компактного и ясного изображения эле-
ментов и ни в коем случае не являются основанием для определения раз-
меров по рабочим чертежам.
23.2. Изображение элементов конструкций
Металлические конструкции допускается изображать схематично
(см. рис. 23.9), упрощенно (рис. 23.1) или детально (см. рис. 23.15).
Для изображения элементов металлических конструкций применяют
только прямоугольные (ортогональные) проекции. Расположение проек-
ций на чертежах принимают следующим: вид сверху—выше, вид сни-
зу —ниже, виды справа и слева — соответственно справа и слева основ-
ной проекции. Названия видов, расположенных в принятом для них поло-
жении, не приводят. Элементы конструкций, как правило, изображают в
рабочем положении, т.е. соответственно положению в готовом сооруже-
нии. Исключения из этого правила составляют вертикальные элементы
большой длины (колонны, стойки), располагаемые на чертеже горизон-
тально (базой справа) при невозможности изобразить их в рабочем поло-
жении (рис. 23.1).
467
Рис. 23.1
Основной проекцией (видом) для наклонного элемента принято сч0'
тать проекцию характерной плоскости (рис. 23.2), для остальных элем®'
тов проекцию плоскости, имеющей наибольшие размеры (наиримф
длина и ширина, ширина и высота и т.п.).
Не допускается показывать на основной проекции размеры и WaS'
тер обработки (риски аа выступающих полках), не прибегая к дойолйй
тельным видам (рис. 23.3).
Все разрезы, необходимые для полного представления об эл©641'’
конструкции, следует показывать на основной проекции в яаправ308*
адоава Для вертикальных разрезов и снизу вверх—Л"'! г°^
„л_ля3 К ^ЯС 23’4 ’ ®^>'гякальные разрезы в элемента*:'мнетрУ1® ‘
СК>еК’рЗСП0Л0Женнь» на чертеже горизонтально, следует ^2’
зьтеать слева направо (рис. 23.1).
cnJSS^r показь1?зют ТОЯЬ№ те детали, которые находятся
напипаюшие яХ^^ ПЛ0СК0СТЫо- Одиако возможны отступив*’®1’ >
рушающие ясности чертежа (рис. 23.5, поз. 15).
рок. Д°ПуСКаеТСЯ ПО°аà Разрезов на 90° без дополнительных
ми
’ е ДНМЫе детали—штриховыми. Следует изобра’
Неправильно
Ряс. 233
469
Рис. 23.7
BoinOAfJilkiin т-f»
рис. 23.6
470
только те линии контура невнда-
мых деталей, которые непосред-
ственно примыкают к изобра-
жаемой (ввдимой) плоскосв1
(Дет. 12 на рис. 23.6),
В элементах, имеющих слож-
ное сечение, некоторые швы, от-
верстия, а иногда и отдельна5
Детали получаются закрытыми
В таких случаях для их пока#
выполняют условный
(рис. 23.7). Если в аленек
сложного сечения, подобие*
изображенному на рис. 21-
имеются отверстия лишь с оДи?!’
стороны, то их местояахо*Д£!!й<
нужно указать в примечании.
В местах, где неудобно
невозможно показать разР^
пользуются видом по стрс-11'-
(например, «вид А», рис- 2^’
23.3. Состав и оформление технического проекта КМ
В состав основного комплекта чертежей КМ входят: общие данные
(заглавный лист); чертежи общего вида, планов и разрезов металличе-
ских конструкций здания или сооружения; схемы расположения элемен-
тов конструкций; чертежи элементов конструкций; чертежи узлов.
Общие данные. В общих данных приводят: ссылки на принятые нор-
мы проектирования; расчетную схему конструкции с значениями дейст-
вующих нагрузок; указания о применяемых материалах для соединения
элементов; мероприятия по антикоррозионной защите и др.
Чертежи общего вида конструкций выполняют, как правило, схема-
тично (рис. 23.4). На них указывают привязку элементов конструкции к
координационным (разбивочным) осям; отметки уровня пола, головок
крановых рельсов, низа ригелей и т.д.; характерные размеры (уклоны, ра-
диусы кривизны); сведения о грузоподъемных механизмах.
Схемы расположения элементов составляют для всех групп несу-
щих и ограждающих металлических конструкций. Членение здания ши
сооружения на определенные группы конструкций условно и определяет-
ся только необходимостью четкого схематичного изображения всех эле-
ментов. На схемах элементы металлических конструкций показывают,
как правило, в виде отрезка сплошной утолщенной линии, прерывистой в
местах стыков и сопряжений с соседними элементами.
Элементы конструкций обозначают марками. Маркировку произво-
дят прописными буквами (не более двух) русского алфавита (как прави-
ло, начальными буквами названий соответствующих групп элементов:
471
Б — балки, Ф — фермы, ФП — фермы подстропильные, Р — ригели и
др.). Применение букв 3,0, Ч, схожих с цифрами, а также Ы, Щ, Ь, Ъда
обозначения элементов монтажных схем не допускается.
Каждому конструктивному элементу в группе присваивают свой яо-
мер в проекте (например, балки Б1, Б2, колонны KI, К17 и т.д).
При нумерации отправочных элементов монтажной схемы рекомен-
дуется группировать их по типу конструкций, маркируя подряд однотип-
ные элементы.
Элементы одинакового сечения обозначают одной маркой, даже при
разной длине, но при близких по величине расчетных усилиях.
Отдельно монтируемые второстепенные элементы (прогоны, связи,
балки площадок и др.) маркируют строчными буквами русского алфавита
(рис. 23.9). Если числа букв алфавита не хватает для маркировки, селрО’
должают удвоенными буквами или сочетаниями буквы и цифры*
На чертежах схем помещают «Ведомость элементов» (рис. 23.10). 3
графе «Марка» проставляют марку элемента по схеме.
472
Рис. 23.9
Ведомость элементов
Марка Сечение Опорные усилия Группа хонопр. Сталь Приме* чание а
Эскиз Поз. Состав яс кНм N, кН Q. кН
Оз
Ряс. 23.10
В графе «Эскиз» указывают расположение профилен, составляющих
сечение и необходимые размеры. Порядковый номер детали приводят в
графе «Поз.». В графе «Состав» перечисляют по позициям профили, со-
ставляющие сечение (в сокращенных обозначениях). Максимальные зна-
чения опорных усилий приводят в соответствующих графах. Группу кон-
струкции указывают для каждого элемента в соответствии со СНиП
П-23-81*.
В «Примечаниях» приводят другие необходимые данные об элементе.
Чертежи элементов конструкций. Решетчатые (сквозные) элемен-
ты на чертежах марок КМ изображают схематично, сплошностенча-
тые—детально, с необходимыми конструктивными подробностями.
На чертежах решетчатых элементов (рис. 23.11) показывают основ-
ные размеры, расчетные опорные реакции и усилия в стержнях, сечения
стержней, толщины опорных фасонок и положения укрупнительных
стыков.
На чертежах сплошностенчатых элементов (рис. 23.1) показывают
основные размеры, сечения, расположение и сечение ребер жесткости,
s.
Рис. 23.11
473
размеры расчетных сварных швов, диаметр и класс болтов и их расчет-
ный шаг.
Чертежи узлов конструкций. Обозначение узлов производят на чер-
тежах видов конструкций, схем расположения элементов в соответствии
с ГОСТ 21.101-97. На чертежах узлов (рис. 23.12) наносят привязочные
размеры, усилия, необходимые для расчета крепления элементов; толшИ"
ны фасонок.
23.4. Состав и оформление рабочего проекта КМД
Рабочий проект КМД содержит следующий объем технической доф
ментацин: заглавный лист, монтажные схемы, рабочие чертежи, Д0110®
нительные рабочие чертежи, рабочие чертежи приспособлений, сПЙ
монтажных метизов, списки отправочных марок, ведомости свар
швов.
Заглавный лист. В заглавном листе рабочего проекта приводят пол-
ное наименование и шифр объекта, наименование организации-испол»»'
теля проекта КМ, список листов технической документации.
Монтажные схемы. Монтаж отправочных элементов металлически*
K0HcWW^ производят по монтажным схемам, выпускаемым конструК"
торским отделом завода-изготовителя.
474
Конструкции промышленных зданий могут быть подразделены при-
мерно на следующие монтажные схемы:
• схема колонн, подстропильных ферм и вертикальных связей по ко-
лоннам;
* схема подкрановых балок, тормозных площадок (ферм, рельсов и
упоров);
• схема стропильных ферм, вертикальных связей, связей по нижнему
и верхнему поясам ферм;
• схема фонарей;
• схема фахверков (продольных и торцевых вместе или раздельно);
• схема рабочих площадок;
* схема лестниц, площадок и переходных мостиков.
Монтажные схемы содержат: схематическое изображение взаим-
ного расположения в пространстве всех отправочных элементов данной
группы конструкций; все размеры привязки и отметки, необходимые для
установки и выверки конструкций; укрупнительные стыки и все узлы,
выполняемые монтажной сваркой; ведомость отправочных марок; табли-
цу монтажных метизов; примечания.
Как и в чертежах КМ отправочные элементы обозначают марками.
При этом одной маркой обозначают совершенно одинаковые элементы.
Маркировку всех элементов (в том числе второстепенных и мелких) осу-
ществляют прописными буквами.
Если в монтажную схему включены элементы только одной группы
(например, только балки), то у изображений надписывают лишь число-
вую часть марки. Буквенную часть указывают в примечаниях к чертежу.
Одинаковые элементы следует маркировать в одном месте.
К маркам парных отправочных элементов (т. е. элементов, изображе-
ния которых взаимно зеркальны) добавляют обозначения «г» (так) и «н»
(наоборот), например ФЗТ, П54и.
В ведомости отправочных марок приводят все элементы, изображен-
ные на данной схеме в порядке возрастания их номеров. В нее вносят ко-
личество элементов (марок), их наименование, массу одной детали и об-
щую, номер рабочего чертежа, на котором запроектирован данный эле-
мент.
Ведомость монтажных метизов (рис. 23.13) служит для выявления
объемов, коянчестваи длины потребных монтажных болтов, гаекишайб.
В таблицу включают только постоянные метизы, работающие в болтовых
монтажных соединениях. Объем потребных монтажных метизов опреде-
ляют путем суммирования числа изделий, необходимых для тфепления
475
данной группы конструкций к ранее установленным элементам с увели-
чением количества на 10%.
В «Общих примечаниях» к монтажным схемам указывают: ссылки на
схемы расположения элементов конструкций) принятые в техническом
проекте КМ; маркировки отправочных элементов; способы монтажных
соединений; виды монтажных метизов, типы электродов и флюсов; ссып-
ки на схемы общей или контрольной сборки; требования о контроле плот-
ности или прочности сварных швов и др.
Рабочие чертежи КМД являются основным техническим докумен-
том дая изготовления имонтажа металлических конструкций. Они содер-
жат исчерпывающие данные для выполнения всех технологических опе-
раций по изготовлению отправочных элементов. Рабочий чертеж содер-
жит:
• графическое изображение отправочных элементов со всеми разме-
рами и указаниями, необходимыми для изготовления каждой детали (по*
зиции);
спецификацию деталей (сборочных марок) отдельно для каждого
отправочного элемента, изображенного на чертеже;
• таблицу потребности в отправочных марках «Требуется изгото-
• ведомость заводских сварных швов;
• общие примечания.
Изображение одного отправочного элемента, как правило, не должно
занимать более одного листа чертежа.
Симметричные элементы конструкций с сечением из прокатных про*
филеи (прогоны, балки) или сплошные листовые (балки) дайной до 6 --7 м
изображают полностью (рис. 23.14).
решегчзтые элемен™ изображаются до оси симмет-
4'5
Рис. 23.14
Гис. 23.15
47?
Решетчатые элементы конструкций сопровождают геометрической
схемой с указанием усилий в стержнях (рис. 23.16). На геометрических
схемах указывают расстояния между точками пересечения осевых линии
(линии, проходящих через центр тяжести сечений), вычисленные с точ-
ностью до 1 мм. Размерные числа ставят над линиями схемы на расстоя-
нии 1,5...2 мм без выносных и размерных линий. Иногда для нанесения
размеров пролета и нижних панелей используют выносные линии.
В элементах, имеющих ось симметрии, левую сторону схемы исполь-
зуют под геометрические размеры, а правую для постановки усилий, язя*
тых со своими знаками («+»—для растянутых и «-»—для сжатых эле-
ментов) и располагаемых под линиями схемы.
В элементах, не имеющих оси симметрии, ц ифры, обозначающие раз-
меры и усилия, располагают соответственно нал линиями схемы иля
ними.
Геометрическую схему решетчатых длинномерных конструкций в**'
черчивают полностью на всю длину с выделением сплошными основны-
ми линиями той отправочной марки, которую изображают на данном лис-
те чертежа. Остальную часть показывают тонкими пиниями с указание»*
марки и номера чертежа, на котором она изображена (рис. 23.16)-
Отправочные элементы, отличающиеся друг от друга незначигелья^'
ми конструктивными креплениями, количеством деталей, отверстий.
Б7;Б8
d/поз. 1 .550 .
д/ поз. 2 ,525 ,
' “" " " I г" ' " 4 "
2500 550 ,
----— 1 ‘ - I ч - -4 ь-
2550 ,525
——————————— —----3 г->F-
Рис. 23.17
можно совместить в одном рисунке (рис. 23.17). Из однотипных элемен-
тов, отличающихся лишь отдельными частями, полностью показывают
один из них; для остальных элементов изображают только те их части, ко-
торые отличают данный элемент от изображенного полностью.
Совмещение частично показанного элемента с изображенным полно-
стью производят при помощи флажков, которые увязывают размерами с
характерными точками элементов. Флажки в элементе, показанном пол-
ностью, должны быть направлены в сторону неизменяемой части. В эле-
менте, изображенном частично, их направляют в ту же сторону и сопро-
вождают надписью, например: «Дальнейшую разбивку влево от флажков
веста по марке Б10» (рис. 23.18).
Габаритные листовые элементы конструкций (газо- и трубопроводы)
изображают на рабочем чертеже общим видом и разверткой деталей, со-
ставляющих отправочный элемент (рис. 23.19).
Негабаритные листовые конструкции (папример, бункеры) изобража-
ют на чертежах КМД габаритными плоскостями в соответствии с разбив-
кой на отправочные марки на монтажной схеме (рис. 23.20).
Габаритные листовые пространственные конструкции (например,
элементы бункеров) изображают на чертежах общим видом и разверткой
поверхностей (рис. 23.21).
479
Рис. 23.18
Нанесение размеров на изображении элементов конструкй*1®'
Размеры на рабочих чертежах КМД по их целевому назначению делят из
следующие категории:
а) размеры (М) монтажные (геометрические), необходимые дзя
увязки положения проектируемого элемента в комплексе соору^еН^
(рис. 23.22, а, б);
ЛЯП
74
5736
Рвзвеотка поз. 4
(вальи. по R=535
Рис. 23.19
Рис. 23.20
Рис. 23.21
б) размеры (Л), необходимые конструктору для безошибочного пере-
хода от размеров монтажных к размерам для изготовления, на чертеже не
выставляются (рис. 23.22, а, б):
в) размеры (Р), необходимые для разметки и изготовления деталей
(сборочных марок) (рис. 23.22, а, б);
483
Рис. 23.22
^2 размеры (О> определяющие взаимное расположение деталей и кре-
пленки, необходимые дм сборки элементов конструкций (рис. 23.22, б);
д) тоняродьиые размеры (й), необходимые дм проверки отораия-
ых элементов в окончательном виде (рис. 23.22, в; рнс. 23.27).
',ИГУЯ ,""б1”жсш,с огаравотных элементов на рабочем чертеже,
oZ °СОбОеВНИМаНИеЛСН0Сгаамес1Упостановкиразме-
размеоы явпяшт^^^ ИМСТЬ В ВИДу’ что Монтажнь1е (геометрические)
ставляемых пач ИСХОДНЫМИ производственных. Количество про-
ZZ2T ДОЛЖН° бЬПЪ На™еньпшм, полностью отвечаю-
Повторяюшихся ИзГ°ТОВЛеНЙЯ и монтажа элементов конструкций.
МеР0В> еСЛИ ЭТО йе ВЫЗВано необходимостьюв на изо-
оражении элементов следует избегать.
1 мм Рач*/61^,0екТйРование стальных конструкций ведат с точностью до
простая-
кодмихуосановдннХ^^^^™^
Рис. 23.23
Рнс. 23.24
Дня каждого отправочного элемента должны быть даны размеры
взаимоувязки его с примыкающими элементами конструкций (рис.
23.25).
Размеры, точность соблюдения которых определяет совпадение эле-
ментов на монтаже, должны быть даны для каждого элемента и простав-
лены в прямоугольнике (рис. 23.23,23.26). Этим конструктор фиксирует
внимание на тех размерах, точное соблюдение которых наиболее важно.
В отдельных случаях в элементах, имеющих сложную геометриче-
скую схему, проставляют дополнительные размеры, необходимые только
для контроля элемента в окончательном виде (рис. 23.27).
Ряд одинаковых размеров рекомендуется показывать либо в виде про-
изведения: А х В = С, где А — число делений (шагов); В—размер деле-
ния; С — общий размер между концами указываемого отрезка; либо с ис-
пользованием сокращения «р. р.»—равные расстояния (рис. 23.2).
485
Рнс. 23.27
Фиктивная отметка
указывается конструктором
Преобладающие на чертеже расстояния от торца или кромки детали
(позиции) до первого отверстия — обрезы, диаметры отверстии, катеты
сварных швов и др. на изображении элемента не проставляют, а отмечают
в примечаниях (рис. 23.28. размер А — обрез).
Отступления от приведенных в примечаниях обрезов, диаметров, ка-
тетов указывают на изображении обычным образом.
При указании радиуса дуги окружности стрелку размерной шипя! не-
обходимо показывать только у дуги (рис. 23.29). Центр дуги, если он не
находится на пересечении осевых линий, допускается указывать точкой.
При малых радиусах размер можно проставлять с внешней стороны дуги
(рис. 23.30).
487
Рис. 2333
масштаба Т^покаадть Кр^ЖНости не может быть показан без нарушения
пок^дХ5мТэтома 5°°° необхо^<>^ь^ построение
тельно чвтным’срис. 23’1^ЧИСЛО РвенийДугидолжнобьггьобяза'
488
Длины дуг указывают на раз-
мерных линиях, проводимых в
виде концентрических окружно-
стей. При этом у каждой размер-
ной линии должен быть отмечен
радиус концентрической окруж-
ности, по которой приведены
размеры (рис. 2333).
Направление наклонных ли-
ний обозначают треугольником,
стороны которого параллельны
соответствующим линиям гео-
метрической схемы (рис. 23.34).
На катетах треугольника указы-
вают действительные длины сто-
рон. Выставленная длина гипоте-
нузы является контролирующей рИс. 2335
при построении прямого угла. В
случае косоугольного треугольника необходимо указывать дайны всех
его сторон.
В геометрических схемах элементов конструкций, а также в треуголь-
никах, указывающих уклоны, срезы углов деталей, размеры ставят непо-
средственно над линиями схемы или сторонами треугольников без вы-
носных и размерных линий (рис. 23.16, 23.34, 23.35).
Если разметочная линия находится вне контура детали, даюг допол-
нительную привязку ее к линиям, находящимся на детали, как показано
на рис. 23.36, а. В отдельных случаях производят дополнительную при-
вязку к кромке детали (рис. 23.36, б).
489
Все детали (позиции), составляющие отправочный элемент, обознз"
чают порядковыми номерами, помещенными в кружках вблизи детали.
Кружок соединяют с деталью при помощи волнистой линии (рис. 23.37)-
Одинаковые детали (позиции) на одном чертеже маркируют одним и
тем же числом, даже в том случае, если они принадлежат разным отпра'
вочным элементам. Обозначение разных деталей на одном чертеже оди*
наковыми числами не допускается.
490
Спецификация стали С245 по ГОСТ 27772-88,
кроме оговоренной
J э Марка fka Семенив Длине, ЛШ Коп. Масса, кг Спим Общ. мажа на черт. Прим»- чапая
Т Н поз. аж марки
> К1Т 1 -660x16 11950 1 - 990 990 1710
2 -210x20 11950 1 1 360 720 С285 стр. 2 пр.
•А’ V 'ВТ т ’ДГ V ж* ЧГ V •JT ЧГ ЧГ
. 15 25 . 20 75 .И 15 . 15 , 15 . 15 . 1S , 25
Я < * *86
Рас. 2338
Парные детали (то есть взаимно зеркальные) снабжают дополнитель-
но индексом «г» (так) и «и» (наоборот), например, 2 т. Ту из деталей, для
которой на чертеже указаны размеры и другие данные для обработки,
маркируют индексом «т», остальные детали этой марки обозначают соот-
ветственно «н».
Детали, имеющие одну или несколько осей симметрии, не могут быть
«такими» и «обратными».
Маркировку деталей (позиций) начинают для каждого чертежа с еди-
ницы. Нумерацию деталей рекомендуется производить в следующем по-
рядке: 1—маркируют детали, составляющие основное сечение;
2 — маркируют все остальные детали с группировкой их по профилям
проката (например, лист, уголки, двутавры и т.д.).
В фермах последовательность маркировки следующая: пояса, опор-
ные раскосы, элементы решетки, фасонки.
Спецификация деталей (рис. 2338) является неотъемлемой частью
рабочего чертежа КМД, ее составляют отдельно на каждый отправочный
элемент.
В заголовке спецификации указывают сталь, из которой выполнено
большинство позиций, составляющих марку.
В графу «А» спецификации вносят марки отправочных элементов в
порядке возрастания их номеров.
В графу «Б»—детали отправочного элемента также в порядке воз-
растания номеров.
В графах «В» и «Г» указывают соответственно сечения деталей и их
длины. Размеры указывают в окончательном (обработанном) виде. Дли-
ны гнутых деталей дают по линии центров тяжести.
491
Количество деталей, необходимых для изготовления отправочного
элемента, отдельно «таких» и «обратных» указывают в графах «Д» и «Е».
В случае отсутствия зеркальных позиций (т. е. маркировок «т» и «н») в
соответствующую графу обязательно ставят прочерк.
В графы «Ж» и «И» соответственно вносят массу одной детали (пози-
ции) и массу общего количества деталей. Массу одной детали подсчиты-
вают с точностью до ОД кг. Массу общего количества — с точностью до 1
кг. При подсчете массы фасонных листовых деталей толщиной до 12 мм
включительно учитывают размеры прямоугольного листа, из которого
выполнены указанные детали. Для деталей толщиной более 12 мм массу
подсчитывают по фактической площади. Площади отверстий во всех де-
талях, а также вырезы полок и отверстия диаметром менее 150 мм в дета-
лях из прокатных профилей при подсчете массы во внимание не принима-
ют.
В графу «К» вносят общую массу деталей отправочного элемента, по-
лученную путем суммирования общих масс каждой детали с добавлени-
ем массы наплавленного металла. Массу няплав,пенного металла прини-
мают равной 1% общей массы деталей сварного отправочного элемента.
Общую массу отправочного элемента округляют с точностью до 1 кг.
Графа «Л» содержит сведения о наименовании стали, отличающейся
от вынесенной в заголовок спецификации.
Если на одном листе чертежа изображены несколько отправочных
марок, то их общую массу приводят в графе «М».
В примечаниях (графа «Н») указывают сведения о технологических
операциях, требующих специальных припусков в размерах на обработку
(строжка, фрезеровка и т.п.).
Таблица «Требуется изготовить» (рис. 23.39) содержит марки отпра-
вочных элементов, их количество, а также массу одного элемента и всей
конструкции, изготавливаемой по данному чертежу.
Таблицу заводских сварных швов выполняют по форме, приведенной
на рис. 23.40.
В общих примечаниях указывают:
преобладающие на данном чертеже диаметры отверстий^ сечения
сварных швов и обрезов; данные, отличающиеся от указаний в общих
примечаниях, помещаются непосредственно около соответствующего
изображения;
• сведения о применяемых типах электродов, а также способах свар'
кя и контроля швов в необходимых случаях (по указаниям в чертежах
КМ);
• ссылки на чертежи типовых деталей;
492
Требуется изготовить
Таблица заводских сварных швов на 1 марку, м
• ссылки на чертежи приспособлений, применяемых на данном рабо-
чем чертеже, т.е. кондукторов и штампов;
• в листовых конструкциях—уточняющее примечание о плоскости
вальцовки;
• номера схем контрольной или общей сборок (если отпраночные
элементы, помещенные на чертеже, проходят эти виды сборки).
Глава 24
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
24.1. Общая схема технологического процесса
изготовления конструкций
Технологический процесс изготовления стальных конструкций со-
стоит в основном из следующих операции:
• подготовка металлопроката;
• изготовление деталей (сборочных марок);
• сборка и сварка конструктивных элементов (отправочных марок);
• покраска и отгрузка конструкций
Эти операции обычно производят в следующих основных цехах заво-
да металлических конструкций (ЗМК): подготовки металла, обработки
деталей, сборочно-сварочном, общей сборки, малярно-погрузочном.
В цехе подготовки осуществляют приемку, сортировку, маркировку
прибывающего на ЗМК металла, его правку. На некоторых ЗМК в этом
цехе производят очистку проката, его резку на заготовки, стыковку лис-
товой стали.
Из цеха подготовки прокат поступает в цех обработки для изготовле-
ния деталей конструкций. Обработка сборочных марок связана с резкой,
образованием отверстий, гибкой, строганием и фрезерованием.
В сборочно-сварочных цехах производят сборку конструкций из от-
дельных деталей н сварку собранных отправочных элементов. Для устра*
нения остаточных сварочных деформаций некоторые конструкции после
их сварки правят.
Крупногабаритные и сложные конструкции подвергают общей или
контрольной сборке, в процессе которых осуществляется проверка точ-
ности изготовления, подгонка кромок под монтажную сварку, сверление
монтажных отверстий.
Изготовленные конструкции поступают в маляропогрузочный ЧеХ
для их антикоррозионной защиты и отправки на монтаж.
На ЗМК все основные цехи концентрируют в единую производствен-
ную группу и размещают в одном здании, называемом главным корпу-
сом.
494
В зависимости от мощности завода применяют различные технологи-
ческие и транспортные схемы. Преобладающей является продольно-по-
перечная схема производственных потоков, при которой металлопрокат
и изготовляемые конструкции перемещают вдоль пролетов мостовыми
кранами, а между пролетами — напольными грузовыми платформами и
тележками, движущимися по рельсам от канатной тяги или от индивиду-
ального электромеханического привода.
Для обеспечения технологического процесса на ЗМК разрабатывают
чертежи КМД, схемы общих сборок, чертежи погрузки, технологические
карты, чертежи на специнструмент и приспособления.
Технологические карты разрабатывают на сборо-сварочные опера-
ции. В них указывают последовательность выполнения работ, перечень
инструмента, оборудования и приспособлений, пооперационный кон-
троль качества изготовления конструкций.
24.2. Подготовка металла
24.2.1. Правка
Поставляемый металлургическими заводами прокат часто имеет раз-
личного вида деформации, величина которых может превышать допуски,
регламентированные СНиП [4]. Кроме того, металлопрокат деформиру-
ется в процессе транспортировки. К часто встречающимся вадам дефор-
маций относят волнистость листовой стали, серповидность широкопо-
лосной и сортовой стали, смалковка или размалковка уголков.
В процессе изготовления конструкций необходима правка металла,
поскольку использование невыправленного проката приводит к ухудше-
нию качества конструкций, условий кислородной резки и т.д.
Широко применяют следующие способы правки: правку изгибом и
растяжением в холодном состоянии, правку местным нагревом. Во избе-
жание наклепа правка стали в холодном состоянии допускается для плав-
но деформированных элементов, когда начальные деформации крайних
волокон проката не превышают 1%.
При правке однократным изгибом устранение кривизны в сортовом
прокате (двутавры, швеллеры), а также серповвдности в полосовой стали
производят на горизонтальных правильно-гибочных прессах (рис. 24.1).
При правке многократным изгибом прокат пропускают между двумя
рядами валков. Верхние валки создают давление на элемент, нижние вал-
ки— приводные, они перемещают прокат между рядами валков (рис.
24.2). В процессе правки прокат подвергается многократному знакопере-
менному упругопластическому изгибу, вследствие чего начальные на-
495
Рнс. 24.1. Схема правки профильной стали
на горизонтальном правильно-гибочном
прессе:
I — выправляемая балка; 2—кулачок; 3—штурвал;
4—опоры пресса
пряжения снимаются и элемент
выправляется. Многократным
изгибом выправляют листовую
сталь на листоправильных валь-
цах и угловую сталь на углопра-
вильных вальцах.
Листоправильные машины
позволяют обрабатывать листы
толщиной до 40 мм и шириной
3200 мм.
На листоправильных вальцах
можно также устранять серпо-
Рис. 24.2. Схема правки листовой стали на
вальцах:
I — листовая сталь; 2—направляющие валки; 3,
4—верхние и нижние валки
Рис. 24.3. Правка серповидности балок мест-
ным нагревом:
о—нагрев треугольниками; б—нагрев сочетанием
полое и треугольников;/— стрелка серповидности
видность полосовой стали, укла-
дывая на вогнутую зону сталь-
ные прокладки толщиной 2-4
мм.
На углоправильных машинах
устраняют одновременно кри-
визну в двух плоскостях, а также
смалковку и размалковку угол-
ков. Возможна обработка угол-
ков с калибром до 200x30 мм.
Для правки труб прямоуголь-
ного сечения, профилей для пере-
плетов и витражей служат пра-
вильно-растяжные машины [5].
Сущность правки местным
нагревом заключается в том, что
при нагреве выпуклой стороны
проката до температуры, превы-
шающей 600°С, реактивные на-
пряжения неиагретой зоны вызы-
вают осадку (укорочение) вало-
кон нагретой зоны, вследствие
чего их длина становится меньше
первоначальной и элемент вы-
'евом пламенем газовых горелок уча-
весьма трудоемка и ее отимей?^ ИЛ“ Полос &ис- 24‘3> Такая пРа81Й
т°лько при недостаточной мощности
отсутствии.
правляется. Правку производят нагрс
стков проката в виде треугольников
весьма трудоемка и ее применяют
правильного оборудования или при его
496
При правке проката из термоупрочнеиных сталей во избежание разу-
прочнения температура нагрева не должна превышать температуру высо-
кого отпуска (~700°С).
24.2.2. Очистка и консервация
Для удаления прокатной окалины, продуктов коррозии и загрязнений
с поверхности стали на ЗМК наибольшее распространение получила ме-
ханическая очистка путем обработки сухим абразивом (дробеструйная,
дробеметная, металлическим песком) или механизированным инстру-
ментом (проволочными щетками, шлифовальными машинками).
При дробеструйной или дробеметной обработке на очищаемую по-
верхность листовой стали направляется поток дроби размером 0,3... 1 мм,
изготовленной из чугуна или стали. Для очистки сортового проката ис-
пользуют чугунный или стальной лесок размером 0,3...2 мм. При соуда-
рении дроби или песка с поверхностью окалина и ржавчина отделяются,
поверхность становится шероховатой, что обеспечивает хорошую адге-
зию лакокрасочных материалов.
На рис. 24.4 показана установка для дробеметной очистки листового
проката. Такие установки применяют как самостоятельно, так и в составе
Ряс. 24.4. Дробеметная установка для очистки листовой стали:
i — подающий рольганги; 2 — вытяжная вентиляционная труба; 3,4—рагходнмв бункера; 5—дрсбе-
метная камера; б — труба подачи дроби; ~—обрабатываемый листовой прокат; <?—приемные рольган-
ги; 9 --дрибеместме аппараты
497
поточных линий, осуществляющих очистку и защиту поверхности прока-
та от коррозии. Изделия могут достигать размеров до 12000x2500x500
мм,
В целях защиты от коррозии очищенного проката на период изготов-
ления из него конструкций производят грунтование проката быстросох-
нущими, не препятствующими сварке, грунтовками (например, ВЛ-023).
24.3. Изготовление деталей стальных конструкций
Процесс изготовления сборочных марок состоит из операций размет-
ки или наметки (с изготовлением шаблонов), резки (механической или
термической), правки вырезанных деталей, образования отверстий (свер-
лением или продавливанием), строгания или фрезерования, гибки. Тру-
доемкость обработки деталей составляет около 25% общей трудоемкости
изготовления конструкций.
24.3.1. Механическая резка
Резку стали механическим способом производят на ножницах, прес-
сах, пилах. Резка на ножницах основана на скалывании металла, вызывае-
мого давлением ножей.
Для резки листовой стали с размерами до 32x3200 мм наибольшее
распространение получили гильотинные ножницы (рис. 24.5). В
пресс-ножницах угол створа ножей <р = 0.
Резку уголков выполняют на
универсальных сортовых ножницах,
комбинированных пресс-ножницах
и специальных уголковых ножни-
цах [5].
Механическая резка на ножни-
цах характеризуется рядом недос-
татков: малой точностью деталей,
низким качеством кромок реза,
значительным объемом ручного
труда.
Резка проката на фрезерно-от-
резных станках (пилах) с зубчаты-
ми дисками менее производитель-
на, но обеспечивает большую чис-
тоту резки. Более производительны
абразивно-отрезные станки [5].
Рис. 24.5. Схема резки иа гильотинных
ножницах;
/,.?—верхний и нижний ножи; 2 — разрезаемый
лист; -/--прижим
4«8
24.3.2. Термическая резка
К термической относят кислородную и газоэлектрическую резку.
Кислородная резка позволяет осуществлять рез любого очертания в
стали практически любой толщины. Процесс резки поддается моханичя-
ции; оборудование можно использовать также и для обработки кромок
под сварку и для правки местным нагревом. Кислородной резкой обраба-
тывают около 50% всей листовой стали.
Кислородная резка основана на способности стали сгорать в струе
чистого кислорода при температуре ниже температуры плавления. В ка-
честве горючих газов при резке используют ацетилен или его заменители:
природный газ, пропан-бутан. В монтажных условиях применяют керо-
син. На ЗМК либо имеются стационарные кислородные и ацетиленовые
станции, либо кислород и ацетилен поставляют в стальных баллонах объ-
емом 40 л.
Различают ручную и машинную резку. Для ручной резки применяют
специальные резаки. Машинную кислородную резку выполняют пере-
носными (при полуавтоматической резке) и стационарными (при автома-
тической резке) аппаратами.
Переносные машины (рис. 24.6) представляют собой самоходные те-
лежки с 1—2 резаками, передвигающиеся по листу по направляющим
рельсам. Ими можно вести прямолинейную и криволинейную резку.
Для фасонной резки труб имеются специальные машины («Пайком»,
УФТМ-2М).
Стационарные машины разли-
чают по технологическому назна-
чению: для прямолинейной рас-
кройной резки: «Черномор»,
«Днепр» и др., для фигурной точ-
ной резки: «Одесса», «Юг» и др.,
Для фигурной вырезки малогаба-
ритных деталей: АСП1-70 (рис.
24.7) и др.
Основным критерием качества
кислородной резки является отсут-
ствие трещин на кромках разрезае-
мых деталей. Трещин можно избе-
жать, обеспечив соответствующий
режим охлаждения после резки.
Благоприятный режим охлажде-
490
ния определяется по угле-
родному эквиваленту (Сэ),
рассчитываемого по фор-
муле (2.3) [1]. При
Сэ < 0,6% резку выполняют
в любых условиях без тех-
нологических ограниче-
ний. При 0,6% Сэ < 0,8%
резку без подогрева можно
производить лишь при тем-
пературе окружающего
воздуха не ниже +15’0.
При Сэ > 0,8 % резку до-
пускается осуществлять
только после нагрева зоны
резки до температуры
120°С.
При резке термически
упрочненных сталей на
кромках возникают участки
Рнс. 24.7. Машина АСШ-70 для кислородной резки:
1— колонна; 2—шарнирная рама; 3 — копир; 4—резаки;
5—разрезаемый лист; 6—стол
со структурами отпуска, имеющие пониженную прочность, что особо
опасно для деталей, кромки которых не подлежат сварке и при эксплуата-
дни конструкций испытывают растягивающие напряжения. В этом случае
требуется удаление зон термического влияния путем строгания кромок.
Газоэлектрической резкой обрабатывают легированные стали, алю-
миниевые сплавы и другие металлы, у которых температура плавления
ниже температуры воспламенения. Различают плазменно-дуговую, воз-
душно-дуговую и другие виды резки.
Для плазменно-дуговой резки в качестве плазмообразующих газов
используют аргон, азот, их смеси с водородом, углекислый таз, а также
кислород, его смесь с азотом. При использовании сжатого воздуха про-
цесс называют воздушно-плазменной резкой. Промышленность выпуска-
ет резаки для ручной резки, машины и аппараты для автоматической и по-
луавтоматической плазменно-дуговой резки.
Термическим способом можно резать листы толщиной до 300 мм.
24.3.3. Образование отверстий
В процессе изготовления конструкций в их деталях и узлах часто тре-
оуется получать отверстия под болты или заклепки.
500
Рис. 24.8. Схема образования отвер-
стий на дыропробивном прессе:
1 — тайка для крепления пуансона; 2—пуан-
сон; 3 — конус; 4 — обрабатываемый прокат;
5 — плоскость скалывания; б—матрица;
7—подушка; 8—накерненное углубление в
прокате
5
Рис. 24.9. Общин вид вертикально-свер-
лильного станка:
1—фундаментная плита; 2 — стол; 3— саерло;
4—шпиндель; 5 — шпиндельная головка;
6—электродвигатель; 7—подвижной кронштейн;
8—штурвал; 9—станина; 70— рукоятка
Основными способами образования отверстий являются продавлива-
ние и сверление. Выбор способа получения отверстий зависит от требуе-
мого качества и точности изготовления, толщины и вида стали, размеров
и массы деталей, наличия оборудования.
Продавливание отверстий осуществляют на дыропробивных прессах
с помощью пуансонов (штемпелей) и матриц (рис. 24.8).
Продавливание отверстий допускается дая малоуглеродистой стали
толщиной до 25 мм, низколегированной стали—до 20 мм, высокопроч-
ной стали (Rv > 40 кН/см2)—до 10 мм. Д иаметр отверстий должен быть
больше толщины детали не менее, чем на 2 мм. Продавленные отверстия
имеют конусность и заусенцы, а также наклеп в зоне, прилегающей к от-
верстию. Поэтому в деталях, предназначенных д ля клепаных конструк-
ций, работающих на динамическую нагрузку, а также при повышенных
требованиях к точности расположения отверстий, их получают путем
сверления. Сверлением также образуют отверстия под высокопрочные
болты, в полках швеллеров и балок.
Для сверления применяют вертикально-сверлильные (рис. 24.9) и ра-
диально-сверлильные станки, установленные стационарно или на пере-
501
катных тележках (порталах). На радиально-сверлильных станках могут
быть получены отверстия диаметром до 75 мм.
24.3.4. Строгание и фрезерование
Механическая обработка, включающая строгание и фрезерование,
обеспечивает требуемую поверхность кромок, более точные размеры де-
талей, подготовку скоса кромок (фасок) под сварку, удаление зон наклепа
после резки на ножницах и зон термического влияния после кислородной
резки. Допускается строгание и фрезерование кромок для удаления сер-
повидности полосовой стали, если полосу нельзя выправить на листопра-
вильной машине, правильно-гибочном прессе или местным нагревом.
Условия для обязательной механической обработки кромок деталей при-
ведены в табл. 24.1.
Таблица 24.1. Механическая обработка кромок деталей
Способ выре- зания детали Тип тля, ее толщина Тип летала коис- труктжаяые условия работа Условия работа ковструкцао
Ручная ки- слородная Низколегированные (Я, £60 кН/см2) и термически улучшен- ные любой толщины Детали, не подлежа- щие сварке Любые
Механическая (на ножницах) Низколегированные (Ry £60 кН/см2) лю- бой толщины Детали, работающие на растяжение Любые
Углеродистые тол- щиной более 10 мм То же То же
Любые Расчетные детали, воспринимающие ди- намические нагрузки Работающие при температуре ни- же минус 40°С
Низколегированные (с Ry £60 кН/см2) Фасонки ферм Любые
Машинная ки- слородная и плазменно-ду- говая Любые Расчетные детали, воспринимающие ди- намические или виб- рационные нагрузки Работающие при температуре ни- же 40°С
Для строгания продольных кромок листовой стали, а также для раз-
делки кромок иод сварку служат кромкострогальные станки. На продоль-
но-строгальных станках можно строгать кромки и поверхности деталей.
Раоочим инструментом при строгании является резец (рис. 24.10)-
В кромкострогальном станке резцу сообщается прямолинейно-воз-
вратное движение, а в продольно-строгальном станке такое движение со-
502
общается детали, закрепленной на
столе, и операция строгания осуще-
ствляется только при одном (рабо-
чем) движении стола (рис. 24.11).
При строгании кромок листов их
собирают в пакеты толщиной до 50
мм при длине строгания до 14000мм.
Рабочим инструментом при фре-
зеровании является фреза. Вращаю-
щейся фрезе придаются прямоли-
нейные движения вдоль обрабаты-
ваемой поверхности для снятия
стружки. Чистота и точность фрезе-
Рис. 24.10. Схема строгания:
а—на кромкострогальном станке; б—на про-
дольно-строгальном станке; 1 — резец; 2—обра-
батываемая деталь
рования как и при строгании, но производительность выше. В связи с
этим строгание все больше заменяют фрезерованием.
На ЗМК фрезерование деталей и торцов элементов стальных конст-
рукций производят на торцефрезерных станках, рабочим инструментом
которых являются сборные торцевые фрезы с 8—12 резцами (рис. 24.12).
Фрезерование необходимо- в следующих случаях:
• в узлах стропильных ферм (контактные поверхности торцов флан-
цев в опорных узлах, торцы поясов ферм в примыкании к фланцам, торцы
стержней решетки ферм в бесфасоночных примыканиях к поясам);
Рис. 24.11. Общий вид иродольно-сгрогяльного станка:
1 — стярмыз; 2—двигающийся стол; 3,10—суппорты для обработки кромок листа; 4 перемещаю**
щаяся траверса; 5, 9—суппорты с резцами; б, S—вертикальные стойки; t поперечина
'503
п
I
Рис. 24.15. Схема изготовления гнутых
швеллеров на листогибочном прессе:
1—пуансон; 2—матрица; 3 — обрабатываемый
лист; 1..JV— последовательность операций гибки
24.4. Сборка и сварка
стальных конструкций
24.4.1. Общая характеристика
процесса сборки
Процесс последовательного
соединения и скрепления сбороч-
ных деталей между собой электро-
прихватками для образования от-
правочного элемента называют
сборкой. В технологическом про-
цессе изготовления сварных кон-
струкции сборка является одной из
наиболее трудоемких и ответст-
венных операций, так как при
сборке фиксируется форма и габа-
ритные размеры конструктивных элементов. Удельный вес трудоем-
кости сборки составляет около 30% общей трудоемкости изготовления
конструкции.
В зависимости от формы и размеров элемента на ЗМК применяют
следующие способы сборки конструкций под сварку: по предвари-
тельной разметке; по шаблонам-копирам; в кондукторах; на поточных
линиях.
Сборка по разметке заключается в том, что положение каждой детали
определяется рисками, нанесенными на смежных деталях по чертежным
размерам.
Сборка по шаблонам-копирам отличается тем, что первоначально из-
готовляют шаблон, имеющий форму конструкции (копир). Сборочные
марки совмещают с шаблоном и скрепляют между собой прихватками.
Сборка в кондукторе—наиболее производительный метод, позво-
ляющий получать высокое качество сборки. Кондуктор представляет СО"
бой стационарное устройство, обеспечивающее взаимное расположение
деталей в соответствии с чертежом. Сборочные марки в кондукторе удер*
живаются упорами и прижимами.
Размеры зазоров и допускаемые отклонения при сборке должны соот-
ветствовать величинам, указанным в соответствующих ГОСТах на швы
сварных соединений.
Электроприхватки размещают в местах будущего расположения
сварных швов и при последующей сварки они перекрываются ими.
506
Рнс. 24.16. Сборка сварных двутавров по разметке:
а'— сборка при горизонтальном положении стенки; б—сборка при вертикальном положении стенки; о,
г — стягивание листов сечения скобой; д — стягивание листов сечения хомутом; 1 — выводная планки;
2 — наклонная плавка; 3 — временные упоры; 4—полки стержня; 5 — стенка двутавра; б — балки сбо-
рочного стеллажа; 7, 9—сборочная скоба; 8—сборочный клин; 10— сборочный хомут
24.4.2. Сборка сварных
двутавров
Сборку стержней дву-
таврового сечения произ-
водят по разметке, на сбо-
рочных установках и на
поточных линиях.
По разметке собирают
сварные двутавры при из-
готовлении небольшого
числа одинаковых элемен-
тов (рис. 24.16).
Широко применяют
сборку сварных двутавров
на установке с передвиж-
ным портачом (рис. 24.17).
Сборку начинают с уклад-
Рис. 24.17. Сборочная установка е передни»-.-^!’:
порталом:
I—рама; 2.4 —продольные балки; 3—
ты; 5—стойка-фиксатор; 6t 7—передвижные Злевмжке»
ские прижимы; 8, 9—неподвижные тшевматичггия гггнлд-
мы; 10—портал
ки листов стенки и полок. Портал устанавливают в начале собираемой
балки, включают вертикальные и горизонтальные прижимы, после чего
производят прихватку в местах сжатия прижимами. Затем перемещают
портал на конец балки и повторяют операции поджатия деталей и их при-
хватки. Сборку продолжают, последовательно перемещая портал через
500 мм. После сборки двутавр снимают с установки краном и переканто-
вывают на 180 град, для сварки поясных швов.
24.4.3. Сборка ступенчатых колонн
Решетчатые колонны с отделенными плитами (для безвыверочного
монтажа) собирают следующим образом. Вначале раздельно собирают и
сваривают стержни нижней и верхней частей. После этого собирают ко-
лонны в кондукторе. Стержни подают на сборку с фрезерованными торца-
ми (опорные плиты со строганой поверхностью отправляют на монтаж от-
дельными отправочными марками). В кондукторе (рис. 24.18) колонны со-
бирают в следующей последовательности: одну из ветвей краном
Рис. 24.18. Кондуктор для сборки колонн:
J -«невмодилиндри; 2-захваты; Г-стелмжи; 4, 5-^мвыв упоры; б-неподвижные yW*
7—направляющие пола; 8-вднтотой прижим; 9-диафриш холодны
508
укладывают на стеллажи, прижимают к базовой плите и боковым упорам, к
ветви по разметке прихватывают диафрагмы. Устанавливают вторую ветвь
и прижимают пневмоприжимами к диафрагмам и базовой плите. Элемен-
ты решетки, траверсы башмака, уступа устанавливают по разметке.
24.4.4. Сборка плоских решетчатых конструкций
Индивидуальные конструкции (фермы, плоскости башен) собирают
по разметке на сборочных плитах.
Сборку партии однотипных конструкций из спаренных уголков про-
изводят по копиру или в кондукторах, при этом наиболее рациональна
сборка по копиру.
Кондукторы применяют при серийном производстве однотипных
конструкций, при изготовлении нетиповых элементов с повышенной точ-
ностью, решетчатых конструкций из труб, тавров и других профилей, ко-
гда нельзя применять способ сборки по копиру.
Для сборки по копиру конструкций из спаренных уголков первона-
чально на сборочной плите или стеллажах осуществляют сборку копира,
представляющего собой незаконченный отправочный элемент фермы, у
которого пояса и стержни решетки собраны лишь из одиночных уголков
полками вниз («полуплоскость» фермы) (рис. 24.19, а).
Рис. 24.19. Сборка фермы ио копиру:
4—копир; б—сборка первой цполутиоскостио фермы по копиру; в собранная гарвая ополуплпа-
кость» после кантовки; г—собранная полная ферма; I — концевая фасонка; <s верхний псяс; 3 уз-
ловая фасонка; 4—стойка; S—центр узла; <5—раскос; 7—*.<сухары>; б——стыковая накладка, £—ось;
10—нижний пояс; Л—фланец опорного ума; 12—концевой шаблон
509
Сборку конструкций по копиру начинают с раскладки фасонок и про-
кладок на одноименные деталщкопира. Затем на них накладывают пол-
кой вверх уголки поясов, раскосов и стоек. Детали скрепляют электро-
прихватками. Собранную «полуплоскость» снимают с копира, перекан-
товывают на 180 град, и укладывают на свободные стеллажи, где
устанавливают и прихватывают уголки второй «полуплоскости» фермы
(рис. 24.19 б, в, г).
С конструктивными схемами кондукторов для сборки решетчатых
конструкций вы можете ознакомиться в [6, 7, 8].
24.4.5. Общие требования к процессу сварки
Сварка конструкций является одной из трудоемких операций, удель-
ный вес которой достигает 30% от общей трудоемкости изготовления.
Способ сварки зависит от конструктивной формы, толщины свари-
ваемых деталей, расположения, протяженности и сечения швов. Ручную
сварку на ЗМК применяют главным образом при сборке для прихватки
деталей. Автоматическую сварку под слоем флюса целесообразно произ-
водить при длине шва не менее 1,5 м. Полуавтоматическую сварку в сре-
де углекислого газа применяют для сварки прерывистых коротких швов и
швов, не доступных для сварки автоматом. Для сварки деталей толщиной
свыше 45 мм назначают электрошлаковую сварку, позволяющую свари-
вать в один слой без обработки кромок деталей. На отдельных заводах
применяют контактную точечную и стыковую сварку.
Свариваемые конструкции следует устанавливать в положение, обес-
печивающее безопасные условия работ и получение шва высокого каче-
ства.
Перед наложением шва с другой стороны при двусторонней сварке с
полным проваром корень шва очищают от шлака и наплывов пневмати-
ческими зубилами, шлифовальными машинками.
Выполнение каждого валика многослойных швов допускается после
очистки предыдущего валика от шлака и брызг металла.
24.4.6. Оборудование для сварки конструкций
Сварочное оборудование по своему назначению делят на два вида-оС'
новное, с помощью которого осуществляют собственно сварку; вспомо-
гательное, предназначенное для установки и перемещения свариваемых
конструкций, сварочных автоматов, полуавтоматов в процессе свар^1
(манипуляторы, вращатели, кантователи, тележки, площадки, столы я
Т.П.).
510
Рис. 24.20. Сварочный трактор ТС-17М:
1 — механизм подачи проволоки; 2—бункер дая
флюса; 5—пульт управления; 4—кассета для
электродной проволоки; 5—электродвигатель;
6—механизм передвижения
Рис. 24.21. Сварочный полуавтомат А537
для сварки в углекислом газе сплошной
проволокой:
/ — горелка; 2 — механизм подачи проволоки:
3 — баллон с газом; 4—источник
Рис. 24.22. Сварка поясных швов балок в
«лодочку»:
/“-козелок; 3—свариваемая бачка; 3-
Для изготовления стальных кон-
струкций используют основное сва-
рочное оборудование универсально-
го типа, серийно выпускаемое про-
мышленностью: однодуговые и
двухдуговые сварочные головки и
тракторы для автоматической свар-
ки под флюсом (рис. 24.20); унифи-
цированные полуавтоматы для свар-
ки под флюсом и в углекислом газе
(рис. 24.21); универсальные автома-
ты рельсового типа для электрошла-
ковой сварки.
Сварочные головки с помощью самоходных тележек перемещаются
по направляющим (рейке, консоли, рельсу), расположенным над свари-
ваемыми конструкциями. В отличие от сварочных головок тракторы пе-
ремещаются непосредственно по конструкции и благодаря этому они ма-
невреннее головок.
Вспомогательное оборудование для сварки металлоконструкщ1й разно-
образное, оно зависит отконструктивной формы свариваемых элементов.
При сварке стержней двутаврового сечения «в лодочку» достигается
полный провар без обработки кромок стенки толщиной до 16 мм. Про-
стейшим приспособлением для установки балок при сварке «в лодочку»
являются козелки (рис.24.22). Для у становки конструкций в такое поло-
511
Рис. 24.23. Рамный цепной кантователь для сварки балок:
7—рама; 2—амортизационные ролики; 3—стойки; 4—грузовая цель; 5—консоли; 6—гру*»ме
блоки; 7—опорные ролики; П—площадка дм сварщика
жение и их кантовки без использования мостовых кранов применяют кан-
тователи (рис. 24.23).
24.4.7. Изготовление рулонных заготовок для листовых конструкций
Негабаритные листовые цилиндрические конструкции (вертикаль-
ные резервуары, газгольдеры и др.) изготовляют, как правило, методо*
рулонирования полотнища, собранного и сваренного на двухъяруснс
стане со сворачивающим устройством. На рис. 24.24 показан стан, на кс
тором собирают и сваривают корпусы резервуаров объемом до 5000 м3.
Ширина полотнища не превышает 12 м, толщина стенок не более 14 мм.
На первом ярусе выполняют сборку и автоматическую сварку листов
с одной стороны, затем собранную и сваренную часть полотнища пере-
кантовывают через барабан на второй ярус, где сваривают швы с другой
стороны. На контрольной площадке проверяют качество сварки и произ-
водят огрунтовку, после чего полотнище наматывают на шахтную лест-
ницу резервуара или на инвентарные кольцевые каркасы.
Для изготовления рулонных заготовок резервуаров и газгольдеров
объемом 30000 м3 имеются более мощные установки, позволяющие руло-
нировать сталь толщиной более 14 шт и шириной до 18 м (рис. 24.25).
24.4.8. Мероприятия по снижению остаточных сварочных деформаций
Возникающая в процессе сварки продольная и поперечная усадка
швов, неравномерно распределенная по сечениям свариваемых деталей,
приводит к появлению остаточных деформаций в сварных конструкциях
в виде их укорочения, серповидности, грибовидности полок и др.
512
Рас. 24.24. Изготовление негабаритных резервуаров рулонвровааиеи:
°—стенд; б—схема выполнения работ; 7—монорельс; 2— холостой барабан; 3—сварочные ажто-
мэты; 4, 8—-плаяшайбы; 3—свернутый рулон; 6—эстакада; 7—шахтах лестница резервуара;
9—лист (заготовка); 10—зяяпропиь
Ш IV
5 6
7 6
$7
U
10
IX
VIII VII
~50000
24.25. Схема двухъярусного стенда для изготовления рулонных заготовок:
рабочие участки стенда; 1—станина; 2—якн-лияоуквдчяк, 3,4,
5 “ верхняя поперечная тележка; 6—сварочные автоматы. °® уст-
ети«це; 9— каиговочный барабан; 10— приямок дяя котпроля качеств ,
ройсгво
(*)
б)
в)
2 *
|Н11И>ЯШН^НЖ1Н^Нн1
Ч j : :'
'2Й 4 п
—Н-------Ф-----L
Рис. 24.16. Технологические мероприятия,
3
направленные на снижение сварочных/к-
формяцнб:
сваримЛавровых сечениях; б - порядок наложен»
ми’пм^* °®Ра™ос1Упенчатий способ «марки длинных швов; цифр
“и показана последовательность сварки
б)
а)
& гЬ
Рнс. 24.27. Схема правки грпбоввдности колок в сварных балках:
а—грибовидность полок; б — схема правки; 1—рольганг. 2 — балка; 3 — валки станка; 4 ~ «даяоГ
К основным технологическим мероприятиям по снижению свар0*1
вых деформаций, проводимых в процессе сварки, относятся способ ура®'
довешенных деформаций (рис. 24.26, а), первоочередная сварка n<We4‘
ных швов (рис. 24.26, б), обратноступенчатый порядок наложения Ш®оВ
(рис. 24.26, е).
При обратноступенчатом методе сварки остаточные деформации ее*
значительны, так как усадка коротких швов меньше, чем длинных. Поэ1°и
му длинные швы разбивают на участки длиной 200—250 мм (при ручй°к
сварке) и 1500 2000мм (при автоматической), которые заваривают в и®
правлении от края элемента к его середине (рис. 24.26, н)-
Полностью ликвидировать сварочные деформации невозможна
этому после сварки конструкций деформации сверхдопустимых в сйн _
[3] значений устраняют холодной или горячей правкой, а также фрезеР°
ванием.
Устранение грибовидности полок подкрановых балок произвол111^
на станке (рис. 24.27).
514
24.5. Отделочные операции для стальных конструкций
24.5.1. Образование монтажных отверстий
На ЗМК монтажные отверстия сверлят (или рассверливают продав*
ленные отверстия) но кондукторам. Эта операция обязательна в процессе
общей сборки для конструкций, монтируемых на заклепках, болтах повы-
шенной точности, на высокопрочных болтах. Кроме того, монтажные от-
верстия сверлят в деталях (фланцах, узловых фасонках) отправочных эле-
ментов башен, мачт, опор BJL
Кондуктор (рис. 24.28) состоит из металлической плиты 1 с запрессо-
ванными в нее втулками 2, являющимися направляющими для сверл 3.
При установке кондуктора на отправочный элемент нанесенные на кром-
ках кондуктора риски 4 совмещают с соответствующими рисками на кон-
струкции.
Рнс, 24.28. Накладной кондуктор для сверления монтажных отверстии:
1—стальной лист; 2—втулки; 3—сверло; 4—риска
Взаимное расположение отверстий, просверленных по кондукторам,
проверяют при контрольной сборке первой и каждой десятой единицы
однотипной конструкции с помощью калибра. При этом калибр, диаметр
которого на 1 мм меньше номинального диаметра отверстий, должен
пройти не менее чем в 85% отверстий. В противном случае производят
повторную контрольную сборку из других отправочных элементов дан-
ной конструкции- При неудовлетворительном результате кондукторы за-
меняют (ремонтируют), а все конструкции подвергают оощеи соорке для
исправления дефектных деталей.
24.5.2. Общая и контрольная сборка конструкций
Общую сборку конструкций производят на ЗМК для обеспечения
проектных размеров и подгонки отправочных элементов друг к другу,
подготовки кромок под монтажную сварку и рассверливания монтажных
отверстии.
515
Рве. 24.29. Фиксаторы из уголков для отправоч-
ных элементов, проходящих общую сборку иа
ЗМК
Перечень и последователь-
ность общих сборок конструк-
ций дополнительно определя-
ют по согласованию с ЭМК
монтажные организации.
В соответствии со СНиП
[4] общей сборке подверга-
ются:
• конструкции производ-
ственных зданий —- колонии
общей массой более 20 т, под-
крановые балки пролетом
более 18 м, фермы пролетом
более 36 м, башни (плоскостя-
ми), негабаритные бункера,
фермы и опоры транспортер-
ных галерей;
• конструкции доменных
печей и газоочистки;
• конструкции мокрых
газгольдеров;
♦ конструкции решетча-
тых мачт и башен индивид?
альното изготовления.
В монтажных узлах поел*
меров, зазоров в стыках взапми проверки геометрических раз-
крепляют с помощью Фиксят™™ ^СПОЛОЖение отправочных марок за-
ред разбивкой отправочные * 1осле сборки конструкций ле-
зультат фиксируют в ИСттп_демеН1Ы индивидуально маркируют, а р>
в™ееиспримср “Гмао6" °бЩе# Сб°РКЙ' 1
КОВ, а также схема их установи ' 24-30 показаны фиксаторы из угол-
Цованных обечаек негабаоити полистовой сборке я? свая>'
нуара. ого иертикального цилиндрического резер'
Контрольную сборку 0
ления отдельных отправочных *ВЛяют ДЛя пР°ВеРКи точности изготеэ-
способлений. Для однотипных ементов» точности кондукторов п пр1!’
трольных сборках не производят ^аИмозаМенЯемых элементов при ксн'
фиксаторы. Контрольные 0бпя.тПО’^ОЙО*адь^Работинеустанавш1вакь
количества изготовляемых Иазначают в объеме 5...15% обшеп?
516 додх однотипных элементов.
24.5.3. Антикоррозионная защита конструкций
Виды материалов для антикоррозионной защиты металлических кон-
струкций, подготовка их поверхностей перед нанесением защитных по-
крытий изложены в §1.5 [2].
Несмотря на то, что защита лакокрасочными материалами требует
наибольших затрат из-за частого восстановления покрытий, ее применя-
ют наиболее широко, вследствие низких первоначальных затрат.
При подготовке поверхности не подлежат грунтовке соприкасающие-
ся поверхности монтажных соединений на заклепках и высокопрочных
болтах, а также бетонируемые части конструкций, которые вместо грун-
товки покрывают цементным молоком.
Лакокрасочные материалы наносят пневматическим или безвоздуш-
ным распылением, струйным обливом, окунанием, кистью. Выбор мето-
да нанесения лакокрасочного покрытия зависит от типа производства
(единичное, серийное, массовое) и его возможностей, габаритов и формы
окрашиваемых конструкций, свойств лакокрасочных материалов и тре-
бований к покрытию.
При пневматическом распылении краскораспылителями лакокрасоч-
ный материал с температурой 18...23°С и сжатым воздухом превращается
в тонкую дисперсную массу, которая наносится на поверхность. Методом
пневматического распыления грунтуют около 70% конструкций. Этот
метод производителен, применим для окраски поверхностей различной
конфигурации при высоком качестве нанесенного покрытия. К его недос-
таткам относятся значительные потери на туманообразование, необходи-
мость очистки и вентиляции воздуха.
От этих недостатков свободно безвоздушное распыление, сущность
которого заключается в том, что краска, находящаяся в гидросистеме ус-
тановки под давлением 0,8... 1,2 кН/см2, при выходе из сопла краскорас-
пылителя превращается в туманообразное состояние.
На многих ЗМК имеется установка для бескамерной окраски конст-
рукций (рис. 24.31), позволяющая наносить антикоррозийную защиту на
конструкции с габаритами 13,8x3,6x3,3 м. Основное достоинство уста-
новки —наличие местного отсоса вместо вентиляции всей площадки ок-
рашиваемой поверхности. По мере окрашивания с помощью установок
безвоздушного распыления тележка с местным отсосом, расположенная
над стеллажной решеткой, подается в зону окраски и перемещается вме-
сте с маляром. Такую установку используют как самостоятельно, так и в
составе поточных линий, имеющихся на отдельных ЗМК.
517
К вентилятору К вентилятору
ООО
//Ж
103&
8
9
1 ™ 24Л1‘ Устми,вка *» ««камерной окраски:
/—тетежка с местным отсосу 2_ к «4>а«жи.
зе^и, 6—^Ф«лмр;7~!юздуходувн^_ 4---решен® 5~*>-
гадрозтора; М—венпяятонныеяяо^мФорсунки выхода; 9— стойки; й7-южух
' свс^ВДД^*°*0*'* —всасывающая щель местного с1-
На все изготовленные отлпанпыи^»
которую после окраски botoohobiZt мНаИОС1ГГ “W"?’
фиксирующей, Индивидуальной Опшп МарКИровка бьпъ обшея.
каза, номер чертежа ВКЯЮчасГ
Фиксирующая марюфХ указьХХ« еМелтов на моетажнои схеме
ния отправочного элемента п г^ & МесТ? и оРиен’гаРовкУ положе-
наносят только на элементы ИндивидУальнУю маркируя?
изводе гвом подгоночных работ ДШИе°бЩУЮ Заводе^то сбор«УсВР0'
24Л Транспортирование стооитепи^
строительных конструкций
Доставку металлоконструкпий «о
мости от конкретных условий ocvh сгр0ИтельнУ*> площадку в завией-
бильным, ВОДНЫМ И В03Д*Птьпяа?ЧеСгаЛЯЮТ ЖСЛе2ноД°роЖНЬ1М, автом°'
518 ВДами транспорта. Возможно использо-
вание нескольких транспортных средств, но каждая перегрузка («пере-
валка») конструкции, например, с железнодорожной платформы на
автомобиль приводит к существенному удорожанию строительства. Та-
ким образом, выбор схемы транспортирования существенно влияет на
стоимость конструкции.
Сразу отметим, что водный и воздушный виды транспорта применя-
ют для перевозки строительных конструкций крайне редко и в случае
специального обоснования. Как правило, это относится к негабаритным и
специальным конструкциям. Наибольшее распространение получила пе-
ревозка строительных конструкций по железным и автомобильным доро-
гам.
В связи с хорошо развитой общей сетью железных дорог, связываю-
щей заводы-изготовители и заказчиков между собой, железнодорожные
перевозки по сравнению с другими видами транспортирования наиболее
экономичны, особенно на значительные расстояния. На территории Рос-
сийской Федерации большинство грузов перевозят на 4-осных железно-
дорожных платформах грузоподъемностью 62 и 63 т или в полувагонах
грузоподъемностью 63 т. Кроме того, используют полувагоны грузо-
подъемностью 93...94 и 125 т (6- и 8-осные).
Отправляемые по железной дороге строительные конструкции в соот-
ветствии с ГОСТ 9238-83 «Габариты приближения строений и подвижно-
го состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм (для линий со скоростью
движения поездов не более 160 км/ч)» в зависимости от их ширины и вы-
соты подразделяют на габаритные и негабаритные. Габаритной является
конструкция, контур поперечного сече-
ния которой после погрузки на подвиж-
ной состав (с учетом упаковки и креп-
ления) вписывается в габарит погрузки
(рис.24.32) при условии, что подвиж-
ной состав находится на прямом гори-
зонтальном участке пути и продольные
оси состава и пути находятся в одной
вертикальной плоскости.
Для перевозки грузов, имеющих
высоту более, чем габарит погрузки, ис-
пользуют вместо обычных платформ
специальные железнодорожные транс-
портеры грузоподъемностью до 400 т с
пониженной высотой уровня погрузки
перевозимых конструкций.
1240
620626
1625 I 1625
3260
3250 г
УГР
*
1300 \ 1300
Рис. 24Л2. Габарит погрузки
519
Перевозка негабаритных грузов должна быть согласована с Мини-
стерством путей сообщения, причем за нее взимается дополнительная оп-
лата от 50 до 300 % основного тарифа. Соблюдение габарита погрузки на
выходе из маляропогрузочного цеха ЗМК проверяют габаритными воро-
тами, сооружаемыми над железнодорожным путем и повторяющими
очертание габарита погрузки.
Груз следует размещать так, чтобы колесные пары или тележки ваго-
нов были загружены равномерно. Допускается смещение общего центра
тяжести грузов вдоль транспортного средства не более чем на 1/8 дайны
базы, а в поперечном направлении — не более 100 мм.
Пространство между очертанием негабаритности и габаритом при-
ближения строений предназначено для обеспечения свободного переме-
щения подвижного состава и груза во время движения при нормальных
допусках и износах подвижного состава и пути.
В зависимости от конструктивных особенностей транспортного сред-
ства максимальная длина конструкций может быть 13774... 14200 мм (при
погрузке на железнодорожную платформу) и 13500, 15700 и 20000 мм i
(при погрузке в полувагон грузоподъемностью 63,93, 125 т, соответст- i
венно). *
Длинномерные конструкции перевозят на платформах с прикрытия-
ми или на сцепах (рис. 24.33). При этом, если груз опирается на две плат-
формы, то его закрепляют на специальных устройствах—турникетах,
один из которых Обеспечивает возможность только поворота, а вто-
рой возможность поворота и некоторого продольного перемещения ,
груза. Устройство турникетов требует дополнительных затрат, поэтов
Чль^^.Пи^^3^./^°ИЗВОДЯТ с 1Ч,НМЙ1ени©м платформ прикрытия при
влигтгнггпий « Г^>^3ана одн^платФ°РмУ. При этом максимальная длина
трукции максимальная масса в зависимости от тиля рессорного
платформы должны соответствовать данным, приведен-
ЛУЧ^еГ° испольа<>вания грузоподъемности
стааце1гесообРазно загружатьинлаяформыприкрытия-
Лппмях йпы t' ° Меж^ Концами грузов, закрепленных на смежных плат-
формах или сцепах, должно бытьнеменее 270 мм. Если груз закреплен «а
ЭТ° расСТОЯНЙе со ст°Р°ны «поры, да^юкХейпрО'
ж^гоадой 1^*вея™«<*ДО490 мм, приналичиипроме-
жуточнои платформы прибытия—до 710 мм (см рис. 24.33, «)•
вагояот фшошевие массы погружевиых к>яагоний к гоузоподая®0'
-S в- дая «фоивмшв ОТ-**
мненияемкос«» я опор ВЛ -меетропсредаот—»•! ’
лонн-Мб Ф«»4>ю«-о,7; подкрановых вгаж-Ш м’
520
L ^13774 (14200)
Fee. 24.53. Схемы иогрузки конструкции пи платформы:
из одну платформу; й -« па ецси тяагформ е ышряиием груза па одау платформу; в—па сцеп платформ о опиранием конструкции на две платформы;
/ -платформа; П'-чруз; З---неподвижный турникет; -/-'-подвижный турникет; 5— платформа прикрытия \
*
Таблица 24.2. Максимальная длина железнодорожного груза
Тип рессорного подвешивания (тележка) Максимальная длина груза, м, при массе груза, равной т
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Комбинированное (МТ-50) 27,0 24,1 22,0 20,3 10,0 17,9 17,5 16,5 16,0 143
С клиновыми амортизаторами (ЦНИИ-ХЗ) 30,0 27,0 24,0 22,5 21,0 20,0 19,0 18,5 18,0 143
При движении платформы или сцепа платформ по криволинейному
участку пути происходит смещение продольной оси груза относительно
оси железнодорожного пути. При этом по концам груза происходит сме-
щение наружу кривой, а в середине — во внутрь. Для определения воз-
можности беспрепятственного перемещения подвижного состава на кри-
вых участках пути вводится понятие расчетной негабаритности. Расчет-
ную негабаритность проверяют на кривой условного радиуса R = 350 м
для длинномерных конструкции, погруженных на одну платформу, при
отношении их длины к базе платформы (расстояние между вертикальны-
ми осями шкворней тележек) более 1,41 и для погруженных на сцепы
платформ или на транспортеры с базой (расстояние между осями турни-
кетных опор) 17 м и более.
Груз считается условно габаритным, если он размещается на сцепе с
опиранием на одну или на две платформы, при условии, что длина его не
превышает значений, приведенных в табл. 24.3
Таблица 24.3. Предельная длина грузов, погруженных на сцеп, при которых не
требуется проверка расчетной негабаритности
Подвижной состав База нагона или сцепа платформ, м Предельная общая длина грузя, м
Четырехосная платформа длиной 13,4 м 9,72 182 ;
То же, длиной 12,974 м 9,294 17,9
Сцеп из двух четырехосных. платформ с рамой длиной 13,4 м 14,62 25,48
То же, с рамой длиной 12.974 м 14,194 24
Транспортер - —______ Не более 16,5 Не более длины транспортера^
Конструкции, погруженные на подвижной состав, должны быть за-
теплены от продольного и поперечного смещения и от опрокидывания.
Для этого необходимо учесть силы, действующие как на отдельную кон-
струкцию, так и на весь груз в целом. Наибольшее значение имеют инер-
ционные силы—продольная, поперечная и вертикальная, а также силы
трения (продольная и поперечная) и ветровая нагрузка. На заводах мет3®'
522
локонструкций выполняются расчеты крепления и чертежи соответст-
вующего оборудования и приспособлений в соответствии с [9].
Плоскостные конструкции, например фермы, устанавливают на плат-
форме или в полувагоне вертикально и сплачивают в один пакет. Для этого
применяют специальные пакетирующие элементы (например, уголок с
болтами и гайками для объединения торцевых фасонок верхних Поясов),
костыли, клинья и др. (для закрепления нижних поясов). Конструкции в ви-
де балок, колонн и других стержневых элементов, располагаемых в не-
сколько ярусов по высоте, увязывают по ярусам в пакеты хомутами из про-
волоки 06 мм в 2 нити. Обычно для пакетирования достаточно 3 хомутов.
Для закрепления отдельных пакетов и груза в целом от смещения в
продольном и поперечном направлениях используют растяжки, которые
как и хомуты выполняют из проволоки 06 мм, но количество нитей опре-
деляют расчетом. Крепление растяжек осуществляют за обвязочные ко-
сынки или скобы подвижного состава. Обратите внимание, что повтор-
ное использование проволоки для обвязки не допускается.
На пол, а также между пакетами необходимо укладывать деревян-
ные бруски (подкладки и прокладки) с поперечным сечением
60x120... 120x160 мм (техническими условиями предусмотрена толщина
не менее 25 мм). Бруски размещают строго один под другим в местах пе-
редачи нагрузки на оси тележек подвижного состава. Трещины в под-
кладках и прокладках ие допускаются.
Интенсивное строительство автомобильных дорог привело к росту
объемов перевозок металлоконструкций автотранспортом, который
практически незаменим при перевозке конструкций с заводов-изготови-
телей, находящихся вблизи района строительства, и для подачи конструк-
ций со складов и площадок укрупнительной сборки в монтажную зону.
Наиболее рациональны автомобильные перевозки на расстояние до 200
км, но возможно транспортирование и на большие расстояния.
Для перевозки строительных конструкций автомобильным транспор-
том используют грузовые автомобили общего назначения, автомобили по-
вышенной проходимости и седельные тягачи различной мощности. Для
расширения номенклатуры перевозимых грузов автомобили могут быть
оборудованы прицепами, полуприцепами или платформами. На рис. 24.34
представлены автомобильные средства перевозки металлоконструкций.
Предельный габарит нормального подвижного состава равен 2,5 м по
ширине и 3,8 м по высоте (от покрытия проезжей части). Масса перевози-
мых конструкций определяется грузоподъемностью транспортного сред-
ства и характеристиками трассы следования. Бели габариты превышают
предельные значения, а также в случае, когда конструкция выступает за
заднюю точку габарита транспортного средства более чем на 2 м, необхо-
523
3
Рис. 2434. Автомобильные средства перевозки стальных конструкций:
а—грузовая автомашина двухосная; б — то же, трехосная; в — автомобильный тягач двухосный; г—то же, трехосный; д — автомобильный четырехосный
аэродромный тягач; е — автомобильный прицеп-роспуск; ж — автомобильный прицеп общего назначения; и — полуприцеп общего назначения; к — при-
цеп-тяжеловоз; л— полуприцеп-тяжеловоз; м — платформа-тяжеловоз
димо согласование с ГИБДД, Управлением дорог администрации облас-
ти и соответствующими службами высоковольтных сетей, линий связи,
освещения и других встречающихся по трассе воздушных и подземных
коммуникаций.
24.7. Общие сведения о механизации и автоматизации
изготовления конструкций. Основы поточного производства
Совершенствование технологического процесса изготовления метал-
локонструкций в большой степени зависит от повышения степени меха-
низации основного, вспомогательного и транспортного оборудования. На
современных заводах металлоконструкций основное оборудование отли-
чается высокой производительностью. В то же время при выполнении
вспомогательных и транспортных операций, составляющих значитель-
ную долю в структуре рабочего времени, преобладает ручной труд.
Для повышения производительности труда станки на основных тех-
нологических операциях оборудуют подающими и отводящими рольган-
гами, специальными роликовыми столами, упорами, тележками, сбрасы-
вателями, кантователями, шлепперами и другими механизированными
приспособлениями и оснасткой. Создаются и внедряются переналажи-
ваемые технические средства.
Широкое применение получила система универсально-сборных при-
способлений, когда из набора стандартных деталей и узлов компонуются
разнообразные приспособления. Важно, чтобы эти приспособления мог-
ли использоваться повторно. Разрабатывается переналаживаемая оснаст-
ка с индивидуальным механизированным приводом (пневматическим
или гидравлическим). Наибольший эффект такие приспособления и осна-
стка находят при сборке и сварке конструкций.
При разработке средств механизации производства важно учитывать
не только оригинальность решения, но и объем затрат времени, труда и
средств на их внедрение. Часто оказывается, что в реальных условиях про-
изводства повышение уровня механизации оказывается экономически не-
выгодным. Так, например, станки с числовым программным управлением
(ЧПУ) на ЗМК в отличие от машиностроительных заводов не нашли широ-
кого применения из-за мелкосерийного или индивцауального производст-
ва, разнообразия и большого количества профилей металлопроката и ма-
рок стали, большого числа операций при изготовлении сборочной марки.
Транспортные операции, как правило, механизированы и выполняют-
ся кранами, рольгангами, электрифицированными тележками. Вместе с
тем многократное, в том числе повторяющееся, перемещение деталей от
одного станка к другому, простои {фанов из-за отсутствия или задержки
деталей, материалов, инструментов и т.д. приводят к потерям рабочего
525
времени, которые составляют на операциях обработки 20...30%, на сбор- ’
ке—15...20%, на сварке — 1О...15%.
Одним из эффективных способов снижения трудоемкости изготовле-
ния и повышения производительности труда является перевод производ-
ства на поточные линии.
Поточная линия — это комплекс основного, вспомогательного и
подъемно-транспортного оборудования, машин и механизмов, состоя-
щий как минимум из двух единиц основного оборудования, выполняю-
щих различные операции. При этом последовательность расположения
оборудования или рабочих мест соответствует последовательности вы-
полнения операций.
В зависимости от степени непосредственного участия рабочего в вы-
полнении основных и вспомогательных операциях различают механизи-
рованные и автоматизированные поточные линии.
Организация поточных линий, особенно на действующих предпри-
ятиях, требует дополнительных капиталовложении, но экономический
эффект от их внедрения при соответствующих объемах производства по-
зволяет уже за 1—2,5 года окупить все затраты. Съем готовой продукции с
1 м2 производственной площади увеличивается в 1,5...2 раза, производи-
тельность труда рабочих повышается в 2...3 раза, а себестоимость про-
дукции снижается на 25-30%.
Особенно эффективно применение поточных линий в цехах обработ-
ки и в цехе маляропогрузки на заводах большой мощности. Внедрение
поточных линии в сборочно-сварочных цехах эффективно на узкоспециа-
лизированных заводах по выпуску, например, конструкций из труб, ба-
лочных сварных конструкций из листового проката, решетчатых конст-
рукции, листовых вальцованных конструкций.
На рис. 2435 в качестве примера приведена схема механизированной
поточной линии сборки и сварки ферм из гпуго-сиарпых профилей типа
«Молодечно». Линия работает следующим образом. На участке сборки
подъемный стол загружают раскосами 1, затем стол опускают и раскоси
ложатся в специальные гнезда тележки 2. Тележка передвигается по рель*
сам 4 к накопителю поясов 3, который перемещает пояса на тележку
впритык к раскосам. После этого сборочная тележка перемещается на
участок сварки, где собранная ферма кантуется в вертикальное положе-
ние, после чего осуществляется ее сварка. Затем ферма, навешенная на
крюки подвесного конвейера 5, перемещается на участок контроля каче-
ства сварных швов. На участке окончательной отделки ферма кантуется
на стеллаж, где производится окончательный осмотр соединений, выло®*
няются отделочные операции. Готовая ферма мостовым краном транс-
портируется на склад.
Сведения о других поточных линиях вы можете получить в [7,8].
526
Рис. 24.35. Поточная лилия сборки и сварки ферм и» ГСП тала «Молодечно»:
Л-раскосы; 2 «- сборочная тележка; J—пояса; 4—рел1совый путь; 5—подвесной конвейер
24.8. Оценка технологичности строительных стальных
конструкций
Технологичными считают конструкции, которые характеризуются
наименьшими затратами материала, времени и труда при их проектиро-
вании, изготовлении (включая транспортировку), монтаже и эксплуата-
ции. В связи с этим при разработке конструкции необходимо стремиться
к реализации следующих условий:
• обеспечение наименьшей стоимости и массы конструкции за счет
применения экономичных марок сталей, эффективных профилей, рацио-
нального раскроя заготовок;
• достижение наибольшей скорости и наименьшей трудоемкости
при изготовлении и монтаже конструкций (в том числе путем переноса
трудоемких операций сборки и сварки с монтажной площадки в условия
завода-изготовителя);
• соблюдение рационального членения конструкций на отправочные
марки, наиболее полное использование грузоподъемности транспортных
средств;
• обеспечение надежной эксплуатации конструкций при минималь-
ных трудовых и денежных затратах.
Часто факторы, определяющие технологичность конструкции, вступают
в противоречие друг с другом. Так, решетчатая конструкция (ферма) облада-
ет меньшей массой по сравнению со сплошностенчатой (балка), но трудоем-
кость ее изготовления значительно выше из-за большого количества основ-
ных и вспомогательных элементов. Сварные соединения элементов в опоре
ВЛ электропередачи можно заменить болтовыми, что позволит перевозить
конструкции в вагонах с полной загрузкой и снизить стоимость транспорти-
рования, но увеличатся трудозатраты при сборке опоры на строительной
площадке, что приведет к возростанию стоимости монтажа Механизация
процесса изготовления конструкций существенно снижает трудозатраты на
ЗМК, но требует значительных капиталовложений.
Отработка качественной стороны технологичности проектных реше-
ний должна сочетаться с определением количественных показателей тех-
нологичности конструкции. К таким показателям относят:
• трудоемкость изготовления и монтажа (суммарны^ затраты труда
на технологические переделы при изготовлении и монтаже);
сметную стоимость конструкций (стоимость «в деле») и ДР-
Полученные основные показатели технологичности конструкции
сравнивают с оазовыми показателями, характеризующими работу пере-
довых заводов и монтажных организаций (см. гл. 25).
528
Глава 25
ЭКОНОМИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
25.1.Общие сведения об экономике применения
металлических конструкций в строительстве
В строительном процессе участвуют проектные организации, заво-
ды металлических конструкций, транспортные и монтажные организа-
ции. Все участники строительства являются самостоятельными субъек-
тами, функционирующими в соответствии с экономическими законами
предприятия. Здесь рассматриваются только их затраты (издержки) в
виде овеществленного и живого труда, вкладываемые в строящийся
объект.
Затраты в денежном выражении на возведение объекта из металла на-
ходятся в следующем соотношении, %:
проектирование . ..............2—3
сталь и другие материалы..........40—50
изготовление. ....................20—25
транспортирование.......... . . . . 5—7
монтаж............................15—25
Итого.............................100
Затраты основных материалов металла зависят от вида и размеров
конструкций, нагрузок на них, расчетных сопротивлений стали, форм се-
чений профилей и др. Приразработке проекта стадии КМ составляют тех-
ническую спецификацию на сталь с указанием затрат металла по профи-
лям и смету на возведение объекта с указанием массы и стоимости конст-
рукций «в деле».
Заводы металлических конструкций, располагая производственными
мощностями, материальными ресурсами, квалифицированными работ-
никами, изготовляют конструкции. Чертежи КМД разрабатывает конст-
рукторское бюро завода. Сталь и другие материалы, электрическую и те-
пловую энергию покупают по мере их расходования. Ниже приведены за-
траты в % к стоимости всех затрат или в физическом измерении,
являющиеся средними по отраслям металлосгроительства.
На 1 т изготовления конструкций требуются следующие затраты ма-
териалов:
529
сталь, кг........................... 1027—4059
углекислота, м3.....................2,9—11
сварочная проволока, кг.............8,17—13,1
нропан-бутан, м3....................0,42—9,3
электроды, кг.......................0,86—3,76
кислород, м3........................0,4—17,4
флюс, кг............................0,70—6,20
электроэнергия, кВт.................103—1Т1
краска, кг..........................2,10—11,6
Стоимость материалов входит в заводскую стоимость конструкций.
К овеществленному труду относятся не только материалы, но и про-
изводственные мощности, включая станки, агрегаты, транспортные и пе-
редаточные системы, здания и сооружения, без которых невозможен про-
изводственный процесс. Стоимость этих мощностей учитывается в стои-
мости конструкций через амортизационные отчисления.
При.изготовлении конструкций затрачивается и живой труд рабочих,
инженерно-технических работников, служащих завода. Затраты труда
называют трудоемкостью, которую учитывают в 2-х формах как норма-
тивную и фактическую.
В зависимости от характера решаемых задач нормативную трудоем-
кость определяют на основе следующих нормативов и методик:
• элементные нормы завода;
• отраслевые ЕНиР на изготовление стальных конструкций;
• отраслевые укрупненные нормы времени (УНВ) на изготовление
стальных конструкций;
• нормативы затрат труда на изготовление металлических конструк-
ций, охватывающие всю номенклатуру конструкций: ВСН 393-78, ВСН
400-79, ВСН 401-79, ВСН 402-79, ВСН 418-81, ВСН 419-81;
• методики определения трудоемкости при оценке вариантов конст-
рукций, опубликованные в экономической литературе.
В большинстве указанных нормативов норма времени для выполне-
ния производственной операции на 1 т дана в зависимости от массы дета-
ли или конструкции. Трудоемкость изготовления конструкции как сумму
трудоемкостей операций вычисляют формулам:
Ти = тБ+Г; (25-1)
Га=Лащ<Ч (25.2)
где т — масса конструкции, т; Б и Г— параметры линейной зависимо-
сти трудоемкости от массы; и в — параметры степенной зависимости-
530
Расхождение результатов вычисления трудоемкости по обеим формулам
не более 2%.
Средние затраты труда по основным производственным операциям
изготовления конструкций имеют соотношение, %:
изготовление деталей.................30
сборка...............................18
сварка ............................. 41
окраска и отгрузка...................11
Заработную плату основных рабочих вычисляют умножением трудо-
емкости на тариф оплаты труда. Заработную плату рабочих, занятых на
обслуживании рабочих мест и вспомогательном производстве, а также
работников, занятых в управлении, и служащих завода включают в на-
кладные расходы завода.
Для определения себестоимости изготовляемой конструкции на заво-
де составляют калькуляцию. На основе данных для заводов с единичным
и мелкосерийным производством статьи затрат в стоимостном выраже-
нии находятся в следующем соотношении, %*,
основные материалы................................................74,7
покупные изделия..............................................0,2
основная заработная плата производственных рабочих............4,8
цеховые расходы...............................................4,6
содержание оборудования....................................... 8,5
общезаводские расходы....................................... 3,6
топливо, энергия..............................................0,4
отчисления на социальное страхование . .......................04
потери от брака...............................................0,1
прочие производственные расходы...............................0,6
внепроизводственные расходы ..................................1,7
Итого..................................................... 100
Готовые конструкции заводы отправляют в адрес монтажной органи-
зации — заказчику.
Стоимость конструкции, доставленной на склад монтажной организа-
ции, выражается формулой
С„ =СХЯ +Гиа„(1 + клр)+Сэ +CtF +Пр +С„, (25.3)
где Снп, С3, Сер, Ст — соответственно стоимости металла, энергии, вне-
производственных расходов, транспортирования, руб.: Ти—трудоем-
кость изготовления, чел.-ч; а„—тариф среднего разряда, руб/ч;
кнр—коэффициент, учитывающий накладные расходы завода, связан-
531
ные с длительностью цикла изготовления конструкции; Пр — прибыль
завода.
Монтаж конструкций осуществляют специализированные монтаж-
ные организации, которые имеют производственные мощности и ресур-
сы, включая монтажные машины, оснастку, мастерские, здания, органи-
зационную структуру управления, квалифицированных работников.
Монтажная организация оплачивает доставленные с завода конструк-
ции. Кроме того, она приобретает вспомогательные материалы в следую-
щих объемах из расчета на 100 т монтируемых конструкций:
лесоматериалы, М3............... , . 0,35
пропан-бутан, м3.....................100
кислород, м3....................... 250
Электроды, кг........................400
канаты стальные, кг..................50
канаты пеньковые, кг.................12
краска, кг...........................6,5
провод установочный, м...............5
Трудоемкость монтажа по видам работ находится в следующем соот-
ношении, %:
складирование, подача в зону монтажа, укрупнение...............10
обслуживание кранов и других монтажных средств................15
установка в проектное положение..................................60
сварочные работы.................................................12
прочие работы...................................................3
Итого...........................................................100
Нормативную трудоемкость монтажа определяют по ЕНиРаМ на
строительные стальные конструкции или ЕРЕРам, а для технико-эконо-
мических расчетов по справочникам и приближенным фор?:- лам, имею-
щимся в литературе. Нормы на монтаж разработаны так, что основным
измерителем является масса конструкции. Как и при изготовлении, трУ'
доемкость является функцией массы конструкции, параметры функции
зависят от типа конструкции.
Для определения трудоемкости монтажа при выполнении техни-
ко-экономических расчетов можно использовать любую из формул»
Тм=тС + Д; (25.4)
Г,=Л.ИМ, (25.5)
532
где т — масса монтажного элемента, т; С иД— параметры линейной за-
висимости трудоемкости монтажа от массы; Ам nd— параметры степен-
ной зависимости для конкретного типа конструкции.
Заработную плату рабочих-монтажников определяют умножением
трудоемкости на тариф среднего разряда монтажных работ.
Стоимость эксплуатации машин на монтаже, отнесенная к одной ма-
шиносмене, складывается из стоимости ее доставки на объект, монтажа и
демонтажа, амортизационных отчислений, стоимости текущих и капи-
тальных ремонтов, а также заработной платы машинистов и стоимости
энергии. Нормативы стоимости машиносмен Смс указаны в ЕРЕР на
стальные конструкции.
Прямые затраты на монтаже конструкции без стоимости конструк-
ций, доставленных с завода, выражается формулой:
(25.6)
где Qvam — стоимость вспомогательных материалов на монтаже, руб;
Сз ч—заработная плата монтажников, руб; Смс—стоимость эксплуата-
ции монтажных машин, руб.
Затраты, выражаемые формулой (25.6), находятся в соответствии, %:
вспомогательные материалы............. 18—40
заработная плата монтажников............21—38
эксплуатация монтажных машин. . .......30—50
Сметная стоимость конструкции (стоимость «в деле») выражается
формулой
С^=(Ся+См)клмКпя! (25.7)
где Си, См—стоимости, соответственно вычисляемые по формулам
(25.3) и (25.6); кпм — коэффициент, учитывающий накладные расходы
монтажной организации, включающие расходы по организации и управ-
лению, разработке проекта производства работ, затраты но обеспечению
жизнедеятельности людей и пр.; —коэффициент, учитывающий
сметную прибыль.
Монтажные организации, как и заводы металлических конструкций,
уменьшая свои затраты, увеличивают свои прибыли по сравнению с пла-
нируемыми или договорными.
В настоящее время нормативы (10,11} являются базовыми. Для обос-
нования договорных цен в строительстве цены 1984 г. увеличивают ум-
ножением на коэффициенты, формирующиеся в рыночных отношениях.
533
25.2. Технико-экономические основы вариантного проек-
тирования металлических конструкций
На стадии разработки проекта КМ необходимо выбирать технически
рациональный и экономически эффективный вариант конструкции. На
данный момент существует несколько методик технико-экономической
оценки вариантов конструкций. Здесь изложим одну из них, наиболее
разработанную для практического применения, охватывающую основ-
ную номенклатуру конструкций, в том числе и при применении стали по-
вышенной и высокой прочности. Технико-экономическая оценка вариан-
тов конструкций производится по 4-м критериям затрат: металла, труда
при изготовлении, труда при монтаже и приведенных затрат для конст-
рукции «в деле», т.е. законченной строительством и сданной в эксплуата-
цию.
По этой методике варианты оценивают по критериям как в размер-
ных, так и в безразмерных величинах. При размерных величинах затраты
металла учитывают в тоннах, затраты труда — в человеко-часах, приве-
денные затраты — в рублях. В безразмерных величинах все перечислен-
ные критерии выражены отношением их размерных значений к размер-
ным значениям базового варианта.
25.2.1. Критерии затрат в размерных величинах
Масса конструкции (затраты металла). На стадии разработки вари-
антов проекта КМ теоретическую массу элементов конструкций можно
определять приближенно по формулам (25.8), (25.9), (25.10) или обыч-
ным методом подбора сечений.
при растяжении
(25.8)
при сжатии
т6 =~Lr, (25.9)
фЯг
при изгибе
(25.10)
рЛу
где N, М— осевая сила и изгибающий момент; р—ядровое расстояние;
L — длина элемента; у—плотность металла.
534
Фактическая масса элементов будет равна
m = (25.11)
где \|/ — строительный коэффициент массы.
Трудоемкости. При вариантном проектировании целесообразны
только приближенные методы оценки затрат труда. Трудоемкость изго-
товления конструкций определяют по степенной зависимости трудоем-
кости от массы этих конструкций по формуле
Ти=Аит^\ (25.12)
Аналогично находят трудоемкость монтажа:
(25.13)
где m — масса конструкции, т; Аи, b — параметры зависимости трудоем-
кости изготовления; Ам, d—то же, трудоемкости монтажа.
Все указанные параметры приведены в табл. 25.1. Они получены ста-
тистической обработкой данных по трудоемкости заводов металлических
конструкций и монтажных организации.
Таблица 25.1. Параметры для определения затрат труда при нзготовлеияии и
монтаже конструкций
1 Изготовление | Монтаж ~1
! Конструкции ! - ! "J-------------------~1------! Г~— ~Т—-------------------
____________________'__А. _ £ b__!_И ; У (, А” з d j_* : * j
; Фермы ______________________________________________________________________[ 23,0 0,41_0,340 ! 0,35 .j 21,5 0,68 j 0,669 j 0,13 1
| Колонны сквозные ; 30,4 [Q.25 I 0,337 { 0,36 j 13,3 ? 0,36 [0,558 j 0,17 /
; Колонны сплошные , 19.5 j 0,10 0,318 s 0,37 [ 10,6 [! 0,36 j 0,558 j 0,17 !
Балки сварные ’ I'M i 0Д9 ; 0,315 Го38 ; 11,4 | 0,29 j 0,541 j 0,20 j
j клепаные 22,9 T j J 0,28 ' 11,4 J 1,000 0 '
! Резервуары и газ-'] 25,7 0^1 0,345 7 0,34 s 79,4 j 0.41 ; 0,555 [ 041 1
j гольдеры___________’ ____•; ....j______,,J_____j____: __________;___ \ ;
[Кожухи домен f 25,7 1 0,21 s 0,500 ' 0,22 j 42,2 T 0 0,685 g 0.12
f Кожухи воздухона- 1 25,7 [ 0,21 ’ 0,316 [ 0,37 | 42,2~|~ 0 j 0,607 _ 0,16 i
; гревателей _ „ . j _________!_______j ___„1__________j___________;
' Бац»*и ♦ ~ _j 11J j 0,29 } 0,265 j 0,43 j 689 ^0,53 ' 0.960 : 0,01 \
[ Мачты * _ ’ 11.7 i 0,29 j 0,274 [ 0,42 S 1941 [ 0,64 ? 0,960 [ 0,01 J
j Мосты сквозные * j 10,5 . 0,17 ; 0,371 ; 0,32 » 203 ? 0.38 [ 1,000 ? 0 j
| Мосты сплошные * > 22,9 : 0,14 0,439 0,26 } 203 v 0,38 > 1,000 j 0 ;
*Дяя монтажа принимается масса всего сооружения. Во всех других случаях
учитывается масса отправочного элемента.
535
Определяя по формулам величину Ти и Т„ вариантов и сравнивая их,
выбирают экономичный вариант по затратам труда.
Если разделить трудоемкости Ги и Тм на массу т, то получим удель-
ные трудоемкости в чел.-ч на 1 т конструкций:
(25.14)
(25.15)
Здесь необходимо отметить, что удельные трудоемкости не могут
быть критериями оценки вариантов.
Критерии затрат труда должны отражать И изменение трудоемкости
при применении сталей повышенной и высокой прочности.
Трудозатраты изменяются из-за 3-х факторов:
• пониженных скоростей технологических операции при обработке
более прочного материала (коэффициент kJ;
• изменения объемов работы в одной тонне (коэффициент K2)i
• изменения конструктивной формы (коэффициент к3).
Указанные коэффициенты выражены формулами:
при изготовлении
K^(Ry7,/Ryy-, (25.16)
к2=(т/т„')ь; (25.17)
при монтаже
Ki44RyJRyy; (25.18)
к}м=(т/т„У, (25.19)
где т„, т — масса соответственно предлагаемого и базового вариантов;
b, d,q,v — параметры, приведенные в табл. 25.1; Ry — расчетные со-
противления сталей, кН/см2.
Что касается коэффициентов трудоемкости, учитывающих измене-
ние конструктивной формы, к3 и к^, то они исследованы для ферм при за-
мене уголков на круглые трубы и они равны 0,85.
Используя указанные выше коэффициенты, запишем формулы трудо-
затрат для конструкций из высокопрочных сталей:
при изготовлении
/ т=Т^уп / Ryy (тп ] к3, (25-20)
при монтаже
= Тм^2зк3ит„ !т—Тм (Ryii /Яу)’(«„ / (25-21)
536
Сравнение позволяет выбрать экономичный вариант по трудозатра-
там и с учетом прочности стали.
Приведенные затраты. Приведенные затраты учитывают стоимость
конструкции «в деле» и дополнительные инвестиции (капитальные вло-
жения) на осуществление варианта конструкции. В этом критерии отра-
жены все затраты, выраженные в стоимостной форме.
Структура стоимости металлической конструкции «в деле» рассмот-
рена в §25.-1, освещающем общие вопросы экономики. Она сложна из-за
большого числа учитываемых затрат. Для вариантного проектирования
без ущерба достоверности на основе нормативных документов, указан-
ных выше, формула стоимости конструкции «в деле» может быть приня-
та выражением:
сха =<?[(««„ + Чаи7Д5+12.05К +с„ +Л,а„3,52]к„_к_, (25.22)
где tm tM—удельные трудоемкости изготовления и монтажа, определяе-
мые соответственно по формулам (25.14) и (25.15); аи1 ам—тарифы
средних разрядов работы при изготовлении и монтаже; ст — стоимость
транспортирования одной тонны конструкций до монтажной площадки;
с„ п—стоимость набора проката для одной тонны конструкций; кт к„м,
k„v—коэффициенты, учитывающие соответственно прибыль завода
металлоконструкций, накладные расходы и прибыль монтажной орга-
низации.
При увеличении прочности стали стоимость набора проката возраста-
ет по сравнению с набором из базовой стали (Ry = 21 кН/см2).
Это учитывается коэффициентом
z=£Rz+x, (25.23)
где Ry—расчетное сопротивление стали, кН/см2; £ = 0,0337,
X = 0,2773 — параметры.
Если для осуществления вариантов требуется изменить технологию
производства проката, а в строительстве—технологию изготовления и
монтажа конструкций, то следует учитывать дополнительные инвести-
ции, которые должны окупаться. В этом случае для каждого варианта вы-
числяют приведенные затраты по формуле
Я=ЕДКИ + А'₽) + Скд, (25.24)
где Е„ — нормативный коэффициент эффективности; Ки—инвестиции в
металлургию, которые можно принять равными для каждой тонны конст-
рукции 2,5 от цены набора проката (с,. и); Ке—то же, в строительную ба-
537
зу, которые принимают из расчета иа каждую тонну смонтированных
конструкций.
Формулы (25.11), (25.12), (25.13), (25.24) выражают суть критериев
затрат металла, труда при изготовлении, труда при монтаже и приведен-
ных затрат. Все они являются размерными величинами. Сравнением ва-
риантов по указанным критериям выбирают из них наиболее экономич-
ный для дальнейшей проработки проекта стадии КМ.
25.2.2. Критерии затрат труда в безразмерных величинах
Критерий затрат металла может быть в виде коэффициента
а = / /и, (25.25)
где т„ — масса конструкций предлагаемого варианта, т; т — масса кон-
струкций из базовой стали, т.
Формулы критериев затрат труда в безразмерных величинах получе-
ны на основе (25.14), (25.15), (25.20), (25.21) и если для этого принять от-
ношения ка = Тт / Ти для изготовления, км = Тм„ / Тм—для монтажа, то
будем иметь:
для изготовления
ки = к,к2к3а =хта к3; (25.26)
для монтажа
к* (25.27)
где х — относительное расчетное сопротивление, равное R I Ry. Осталь-
ные буквенные обозначения были пояснены выше.
Критерий приведенных затрат выражается отношением приведенных
затрат предлагаемого варианта к приведенным затратам базового вариан-
та из малоуглеродистой стали. Используя математическую теорию подо-
бия, получим критериальное уравнение в виде суммы из шести слагаемых
к=П„1 П =S,a +S2ax+S5KB + S4/Q + Sskm + Se, (25.28)
где я —критерий приведенных затрат в безразмерной величине; П„,
П—приведенные затраты в размерном виде соответственно предлагае-
мого и базового вариантов, руб.; S, - частные относительные затри*
базового варианта, средние значения которых приведены в табл. 25.2.
0 - коэффициент затру,™ вагонов; а, тс., к. _ критерии, определяемые
по формулам (25.25), (25.26) и (25.27).
538
Таблица 25.2. Относительные частные затраты для конструкций из стали cRy—21
кН/см*
Конструкции f St & & й ! ss £
Фермы ' 0,1733 0,3628 0,1946 0,0468 0,1533 0,0691
Колонны | 0,1708 0,3575 0,2065 0,0461 0,1511 0,0681
Балки j 0,1816 0,3802 0,1882 0,0490 0,1285 0,0724
Резервуары и газгольдеры 0,1588 0,3324 0,1920 0,0428 0,2107 0,0633
Кожухи домен и воздухонагре- вателей | 0,1588 F 0,3324 0,1920 0,0428 0,2107 0,0633
Башни 1 0,1329 0,2781 0,1836 0,0358 0,3167 0,0529
Мачты 0,1267 0,2631 0,1745 0,0287 0,3645 0,0425
Мосты - . - _ ... ! 0,1523 -Л. 0,2412 0,1990 0,0311 0,3305 0,0459
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций I Под ред. В.В.
Горева.—М.: «Высшая школа», 2000.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий/ Под ред. В.В.
Горева. — М.: «Высшая школа», 2000.
3. СНиП П-23-81 * Стальные конструкции. Нормы проектирования. — М.:
Стройиздат, 1998.
4. СНиП Ш-18-75. Металлические конструкции. Правила производства и приемки
работ.—М.: Стройиздат, 1976.
5. Альбом оборудования для заготовительных работ в производстве сварных
конструкций. — М.: «Высшая школа», 1977.
6. Изготовление стальных конструкции: Справочник монтажника / Под ред В.М.
Краснова.—М.: Стройиздат, 1978.
7. Воронов ЕЛ., Колесниченко Л.Ф. Оборудование заводов металлических
конструкций. — М.: Машиностроение, 1981.
8. Пешковскнн О-И. Технология изготовления металлических конструкций.—• М.:
Стройиздат, 1990.
9. Технические условия погрузки и крепления грузов. — М.: Транспорт, 1969.
10. Прейскурант As 01-22. Оптовые цены на строительные стальные конструкции. М.:
Прейскурантиздат, 1981.
1L СНиП IV-5-82. Сборник единых районных расценок на строительные конструкции
и работы. Сб. 9. Металлические конструкции.—М.: Стройиздат, 1984.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ..........................................................
РАЗДЕЛ I. ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ........................................
Глава 1. Особенности проектирования...................................
1.1. Общие сведения...............................................
1.2. Особенности листовых конструкций.............................
1.3. Основные сведения из теории оболочек......................•
Глава2. Резервуары....................................................
2.1. Общие сведения, классификация, назначение резервуаров........
2.2. Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления......
2.2.1. Основаниян днища резервуаров..........................•
2.2.2. Стенки резервуаров.......................................
2.2.3. Общие положения расчета элементов вертикальных
цилиндрических резервуаров.....................'................
2.2.4. Расчет стенки резервуаров на прочность...................
2.2.5. Расчетстенкирезервуаранаустойчивосгь................. • •
2.2.6. Расчет сопряжения стенки с днищем........................
2.2.7. Крыши резервуаров........................................
2.3. Вертикальные цилиндрические резервуары цовышенногодавления . .
2.4. Каплевидные резервуары......................................
2.5. Горизонтальные цилиндрические резервуары.................
2.6. Сферические резервуары.......................................
Глава 3. Газгольдеры............................................. •
3.1. Назначение и классификация газгольдеров..................
3.2. Газгольдеры переменного объема...............................
3.2.1. Мокрые газгольдеры.......................................
3.2.2. Сухие газгольдеры.....................................•
3.3. Газгольдеры постоянного объема............................•
3.3.1. Вертикальные цилиндрические газгольдеры..................
3.3.2. Горизонтальные цилиндрические газгольдеры............
3.3.3. Сферические газгольдеры....................................
Глава 4. Бункеры н силосы........................................... •
4.1. Общие сведения.............................................. •
4.2. Бункеры с плоскими стенками................................ •
4.2.1. Конструктивные особенности.......
4.2.2. Основные положения расчета.............................- •
4.3. Гибкие бункеры..............................
4.3.1. Конструктивные особенности..........’ ’
4.3.2. Основные положения расчета................................
4.4. Силосы................................. ’ ....... -
Глава 5. Трубопроводы........................... ’ ' ‘ ‘ . . .
5.1.0бщиесвсденияиклассцфикациятрубопроводов
5.2. Нагрузки и воздействия па трубопроводы..................... •
5.3. КонС1руированисирасчегпадземныхтрубопроводов . . . • •
5.3.1. Конструированиетрубопроводов ... . . •
5.3.2. Основы расчета....................' ' ’ ' ‘ ‘ .
5.4. Конструирование ирасчетподземныхтрубопроводов
5.4.1. Конструирование трубопроводов . . •
5.4.2. Основырасчетаподземныхтрубопроводов...............’ - • •
Литература...................... . ...
РАЗДЕЛ И. ВЫСОТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ . ................................... . .
Главаб.Особеиностивысотных сооружений ............................. . .
бЛ.Общаяхаракгеристика . . . . ........................ . .
6.2. Нагрузки и воздействия . ... ..............................
6.2.1. Собственный вес конструкций............................-
6.2.2. Ветровая нагрузка .................................. ' . -
3
5
5
5
6
6
14
14
15
17
19
22
22
24
26
29
36
39
40
45
48
48
49
49
53
57
57
60
61
62
62
63
63
64
67
67
69
70
72
72
73
75
75
80
82
82
82
85
86
86
86
86
86
87
6.2.3. Снеговые и пылевые нагрузки.........................
6.2.4. Гололедные нагрузки............................. . .
6.3. Конструкции башенного типа..............................
6,3.1. Конструктивные схемы башен.................. . . .
6.3.2. Конструктивное оформление башен.....................
6.3.3. Расчет башенных конструкций..................... . .
6.4. Мачты..........................................
6.4.1. Конструктнвныерешения....................... . . .
6.4.2. Расчет мачт.........................................
6.5. Особенности расчета комбинированных систем..............
Глава 7. Антенны.................................................
7.1. Общая характеристика...........................
7.2. Проволочные антенны и их опоры..........................
7.3. Радиорелейныелинии......................................
7.4. Телевизионные опоры..................
7.5. Антенны космической связи и радиотелескопы..............
Глава 8. Промышленные трубы .................................
8.1. Общая характеристика....................................
8.2. Вытяжные башни..........................................
8.2.1. Технические решения.................................
8.2.2. Конструктивные решения..................... . . . .
8.2.3. Расчет конструкций..................................
83. Дымовые трубы............................................
8.3.1. Конструктивные особенности .........................
8.3.2. Основырасчета.......................................
Глава 9. Стальные опоры высоковольтных линий электропередачи ....
9.1. Общие сведения о высоковольтных линиях..................
9.1.1. Проводаигрозозащитные тросы.........................
9.1.2. Изоляторы н линейная арматура . .................-
9.2. Классификация и характеристика стальных опор .......
9.3. Конструированиеирасчет................................*
9.3.1. Расположение проводов и тросов на опорах............
9.3.2. Конструирование опор................................
9.3.3. Особенности расчета.............................. . .
9.4. Тенденции развития конструкций опор.....................
Глава 10. Вышки......................................... . . . .
10.1. Общая характеристика...................................
102. Осветительные вышки....................................
10.3. Буровые вышки ........ ..........
10.4. Вышки для прыжков в воду...............................
10.5. Другие виды вышек................................
Глава 11. Водонапорные башни ....................................
Глава 12. Морские стационарные платформы..............
12.1. НазначениеитипыМСП.ихклассификация.....................
12.2. Жесткие свайные МСП....................................
123. Проектирование МСП................................
12.4. Внешние нагрузки.......................................
123. Материалы....................................... •
12.6. Конструирование МСП......................
Глава 13. Градирни...............................................
$S
. So
•
$S
. 1O*>
• 10s
• 10s
110
Ils
• 11$
• 11$
- 2?
• 31
• m
138
• 12*
. 13s
• 13s
• КЗ
• 15S
• 15$
• }S$
• «2
• 16б
• 156
•
• 17(1
• 1?2
• Р*?
• Z*
. 17s
• iso
• 94
• 199
. 19s
• 19&
- 2Г«б
•
215
225
22б
13.2. Конструкции башенных градирен................... . ,
13.3. Особыетребования к материалам для градирен............
13.4. Антикоррозионнаязаодпастальныхконструкцийградарни . . .
13.5. Расчет конструкций башенных традарен............ . .
Гиава14.Лыжныетрамплины................................... . .
14.1. Виды,профидииназначениеразмеровтрамплинов ......
14.2. Компоновочныеиконструктивныерешениятрамплинов . . . .
Литература........................................................
23ft
. 23S
. 235
. 239
- 241
245
- 24g
. 251
2<i
263
541
540
рачдпп ТТТ ДРУГИЕ ВИДЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И СООРУЖЕНИИ...........................................................
Глава 15. Предварительно напряженные металлические конструкции.........
15.1. Приемы предварительного напряжения. .........................
15,7, Стержни, ттрепварительно сжатые затяжками, работающие на растяжение .
15.3. Балкиибапочныесистемы........................................
15.3.1. Балки,предварительно напряженнысспомошьюзатяжек.........
15.4. Фермы, предварительно напряженные затяжками..........• -
15.4.1. Конструктивные решения ферм. ...........................
15.4.2. Расчетферм,предваригельнонапряженныхзатяжками...........
15.43. Примеры Применения предварительно напряженных ферм ....
15 5 Прг двярктепьно напряженные конструкпяи прочих видов..........
Глава 16. Комбинированные и трансформируемые конструкции..............
16.1. Объединенные конструкции..............................
16.2. Смешанные конструкции .......................................
16.2.1. Плоскостные смешанные конструкции.......................
16.2.2. Пространственные смешанные конструкции..................
163. Трансформируемые конструкции..................................
Глава 17. Особенности проектирования большепролетных конструкций.......
17.1. Общие положедия..............................................
17.2. Балочные конструкции больших пролетов........................
173. Рамные большепролетные конструкции............................
17.4. Большепролетные арочные системы..............................
17.5. Особенности компоновки конструктивных схем каркасов
большепролетных зданий............................................
Глава 18. Пешеходные мосты.............................................
18.1. Общие сведения о пешеходных мостах...........................
18.2. Конструкциясовреиенныхпешеходныхмостов.......................
18.2.1. Балочные пролетные строения.............................
1822. Рамные, арочные, висячиеивантовыесистемы..................
183. Особенности проектирования пешеходныхмостов..................
18.3.1. Общие сведения о проектировании пролетных строений......
18.3.2. Проектирование балочных цельнометаллических
пролетных строений..............................................
18.3.3.Основырасчетасталежелезобеггонныхпролетных строений ....
18.3.4.Динамическийрасчетпешеходныхмостов......................
Глава 19. Конвейерныегалсрен.................................. . . .
19.1. Компоновканконструктивныерешсниягалерей ........ -
19.1.1. Конструктивные решения галерей............... ...
19.1.2. Пролетныестроения......................................
19.2. Опоры галерей.................................................
19.3. Расчет конструкций галерей....................................
193.1. Нагрузки и воздействия..........
19.3.2. Расчет пролетных строений..............................
193.3. Расчетпролетныхстроенийнадинамическиенагрузки . . . . •
19.3.4. Расчет опор галерей............... ....................
Глава 20. Открытые «фановые эстакады....................
20.1. Общие сведения.......................... ‘
20.2. Конструктивные решения эстакад
20.3. Конструктивные решения колонн
20.4. Особенности расчета эстакад общего назначения . . . ’ . . . . •
20.5. Конструктивные схемы надводных кран' . . .
Глава21.Надшахтныекопры.......................................... . . .
21.1. Общиесведенияиклассификацня . ’ ......................... .
21.2. Нагрузкиивоздействня................
21.3. Конструированием расчет. . . . .......................... .
21.3.1. Станковыекопры...........* ......................... .
21.3.2. Башенные копры ..................................... .
21.3.3. вспомогательные элементы копров..................... .
265
265
265
272
276
276
285
285
289
292
294
295
295
303
304
308
313
321
321
324
327
332
333
336
336
340
340
349
355
355
359
362
363
368
368
370
370
377
381
381
383
392
397
399
399
400
402
408
4П
414
414
416
420
420
423
424
542
Глава 22. Гидротехнические конструкции..................................
22.1. Характерные особенности гидротехнических конструкций..........
22.1.1. Номенклатура металлоконструкций в гидротехнике...........
22.1.2. Нагрузки и воздействия . ................................
22.1.3. Условия работы...........................................
22.2. Затворы гидротехнических сооружений..........................
22.2.1. Назначение н виды гидротехнических затворов..............
22.2.2. Эксплуатационные требования к затворам...................
22.2.3. Основные расчетные положения.............................
22.3. Плоские затворы..............................................
22.3.1. Модификации плоских затворов.............................
22.3.2. Компоновочная схема плоского затвора.....................
22.3.3. Расчет обшивки и расстановка стрингеров..................
22.3.4. Подбор сечения стрингеров................................
22.3.5. Расчет и конструирование ригеля..........................
22.3.6. Устойчивость элементов ригеля............................
22.3.7. Аэрация транзитной струи.................................
22.3.8. Компоновка сечения диафрагм........................
22.3.9. Ферма продольных связей..................................
22.3.10. Опорно-ходовые части....................................
22.4. Сегментные затворы...........................................
22.4.1. Модификации сегментных затворов..........................
22.4.2. Компоновочная схема сегментного затвора..................
22.4.3. Расчет главного портала..................................
22.4.4. Расчет обшивки, расстановка стрингеров...................
22.4.5. Подбор сеченияригеля.....................................
22.4.6. Расчет ног главного портала..............................
22.4.7. Компоновка и расчет диафрагмы............................
22.5. Шлюзные ворота...............................................
22.5.1. Типыворот................................................
22.5.2. Расчет элементе» створки ригельного типа.................
Литература..............................................................
426
426
426
427
428
429
429
430
432
434
434
436
439
440
441
442
443
444
445
446
446
446
447
450
451
451
452
453
455
455
456
459
461
461
461
467
471
474
494
494
495
495
497
498
498
499
500
502
504
506
506
507
508
509
510
510
512
РАЗДЕЛ IV. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ...............................................
Глава 23. Состав и общие правила оформления чертежей металлических конструкций
23.1. Общие правил а оформления рабочих чертежей....................
23.2. Изображение элементов конструкций.............................
23.3. Состав и оформление технического проекта КМ...................
23.4. Состав и оформление рабочего проектаКМД . . .................
Глава 24. Технология изготовления металлических конструкций . . . . . . .
24.1. Общая схема технологического процесса изготовления конструкций. . .
24.2. Подготовка металла............................................
24.2.1. Правка................................................ •
24.2.2. Очистка н консервация............................... - •
24.3. Изготовлеинедеталей стальных конструкций......................
24.3.1. Механическая резка................................... . .
24.3.2. Термическая резка.........................................
24.3.3. Образование отверстий.........................- - -
24.3.4. Строгание и фрезерование .................................
24.3.5. Гибка. ....... ~.................................. • •
24.4. Сборка и сварка стальных конструкций..........................
24.4.1. Общая характеристика
процесса сборки.......................-...........................
24.4.2. Сборка сварных двутавров..................................
24.4.3. Сборка ступенчатых колонн. . . . _•.......................
24.4.4. Сборка плоских решетчатых конструкций ....................
24.4.5. Общие требования к процессу сварки........................
24.4.6. Оборудование доя сварки конструкций............._ - - •
24.4.7. Изготовление рулонных заготовок доя листовых конструкции .
543
24.4.8 . Мероприятия по снижению остаточных сварочных деформаций. . .
24.5. Отделочные операции дня стальных конструкций..................
24.5.1. Образование монтажных отверстий..........................
24.5.2. Общая и контрольная сборка конструкций...................
24.5.3. Антикоррозионная защита конструкций......................
24.6. Транспортирование строительных конструкций....................
24.7. Общие сведения о механизации и автоматизации изготовления
конструкций. Основы поточного производства..........................
24.8. Оценка технологичности строительных стальных конструкций . . . .
Глава 25. Экономика металлических конструкций...........................
25.1. Общие сведения об экономике применения металлических
конструкций а строительстве.........................................
25.2. Технико-экономические основы вариантного проектирования
металлических конструкций. ............................. ... .
25.2.1. Критериизатратвразмерныхвеличмнах .......................
25.2.2. Критериизатраттрудавбезразмерныхвеличинах................
Литература................................................... ... .
512
515
515
515
517
518
525
528
529
529
534
534
538
539
Учебное издание
Аржаков Валерий Григорьевич, Бабкин Владимир Ильич, Горев Владимир
Васильевич, Епджиевский Лев Васильевич, Зверев Виталий Валентинович,
Казарновский Вадим Соломонович, Крылов Иосиф Иосифович, Кузнецов
Александр Федорович, Мипогов Евгений Александрович, Ольхов Яков Иванович,
Панин Анатолий Васильевич, Путилин Виталий Михайлович, Пуковскин Аркадий
Борисович, Ренин Александр Иванович, Сабуров Валерий Федорович, Сигаев Иван
Петрович, Сидоров Игорь Владимирович, Собакин Александр Александрович,
Филиппов Василий Васильевич, Щеглов Александр Степанович,
Якпмец Олег Петрович
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Т.З. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И СООРУЖЕНИЯ
Редактор Т.Ф. Мельникова. Художник В.Ю. Соколова.
Художественный редактор Ю.Э. Иванова. Технический редактор Л.А. Овчинникова.
Корректор Г.П. Петрова. Компьютерная верстка В.И. Щербак
Лицеииж ЦД Jfe06236 <к 09.11.01.
Ии. JfeClP-168. Сдаю * набор и подписало печать 04Л2Л2.
Формат 60x88 *<к. Кум. тамги. Ецнппурв «Таймс». Печать офсетам. Объем 33,32 уел. пвч. л„
3332 уел. жр.-огг., 34,33 ут.-иад. л. Тираж 6000 эй. Заказ № 93.
ФГУП «Издательство «Вмешав школа»,
127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14.
Тели (095)200-04-56
E-mail; infofiiv-shkola.ru http://www.v-shkala.ru
Отдел продаж: (095) 200-07-69, 200-59-39, факс: (095) 200-03-01.
E-mail: sales@v-shkola.ru
Отдел «Книга-почтоЙ»; (095) 200-33-36.
E-maii: bookpost@v-shkola.ru
Набрано г-, персональных компьютерах издательства.
Оп:г’нтаио а ОАО «Оригинал», 101990, Москва, Цету, Хохловский пер.,