МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
И СООРУЖЕНИЯ
Под редакцией
заслуженного деятеля науки
Российской Федерации, члена-корреспондента
РААСН, доктора технических наук,
профессора В.В.Горева
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности
«Промьпштенное и гражданское строительство»
ш
Москва
«Высшая школа» 1999

УДК7624.014
ББК 38.54
М 54
Аржаков ВТ., Бабкин В.И.9 Горев В.В., Енджиевскнй Л.В.,
Зверев В.В., Казарновский B.C., Крылов И.И.9 Кузнецов А.Ф.,
Митюгов Е.А., Ольков ЯМ., Панин А.В., Путшшн В.М.,
Пужовский А.Б., Репин А.И., Сабуров В.Ф., Сигаев ИЛ»,
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. РАДСН, д-р техн. наук, проф. А. М. Болдырев); д-р техн. наук, проф.
Г. И. Белый (Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет)
Металлические конструкции. В 3 т. Т.З. Специальные
М54 конструкции и сооружения: Учеб. для строит, вузов; Под ред.
В. В. Горева. —М.: Высш. шк., 1999. —544 с: ил.
ISBN 5-06-003698-7 (т. 3)
В учебнике изложены вопросы конструирования и расчета специальных
конструкции и сооружений. Представлены листовые конструкции (резервуары,
газгольдеры, бункеры, трубопроводы); высотные сооружения (антенные устройства, опоры
высоковольтных линии электропередачи, промышленные трубы, водонапорные
башни, вышки, градирни, морские стационарные платформы, лыжные трамплины,
надшахтные копры); другие виды конструкций и сооружений (комбинированные и
трансформируемые конструкции, пешеходные мосты, конвейерные галереи,
крановые эстакады, гидротехнические конструкции). Рассмотрены дополнительные
сведения 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 7624.014
ББК 38.54
ISBN 5-06-003698-7 (т.З)
ISBN 5-06-003444-5 ©Издательство«Высшаяшкола», 1999

ПРЕДИСЛОВИЕ
Третий том курса металлических конструкций «Специальные
конструкции и сооружения» является продолжением первых двух томов:
«Элементы стальных конструкций» и «Конструкции зданий», однако для
читателя, знакомого с общими расчетными положениями и основами
проектирования металлических конструкций, это не является помехой для
усвоения материала. Ссылки на текст, рисунки и таблицы первых двух
томов лишь дополняют и уточняют отдельные положения, которые
можно найти в справочной литературе. Это относится также к основным
буквенным обозначениям 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
каждой главы, нумерация литературных источников — общая по разделам.
В первом разделе представлены листовые конструкции. Наиболее
подробно рассмотрены вертикальные цилиндрические резервуары с
особенностями конструктивного оформления и расчетов стенки, днища,
понтона, крыши. Рассмотрены также горизонтальные цилиндрические,
каплевидные и сферические резервуары. В числе газгольдеров
переменного объема представлены мокрые и сухие газгольдеры. Затронуты
вопросы проектирования цилиндрических и сферических газгольдеров
постоянного 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
конструктивные 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.),
водонапорные башни, морские стационарные платформы на
континентальном шельфе, башенные градирни, лыжные трамплины.
3

В третьем разделе рассмотрены специальные конструкции
(комбинированные, трансформируемые, предварительно напряженные,
большепролетные) и сооружения различного назначения, не вошедшие в первые
два раздела: пешеходные мосты, конвейерные галереи, открытые
крановые эстакады, надшахтные копры и гидротехнические сооружения
(затворы, ворота шлюзов).
В четвертом разделе представлены вопросы, без решения которых
нельзя грамотно оформить проект стальных конструкций с учетом
требований их заводского изготовления и технико-экономического
обоснования. Здесь рассмотрены правила оформления проектов КМ и КМД,
технология заводского изготовления металлических конструкций и основы
экономики.
Раздел 1, кроме гл. 2, написан акад. РИА, д-ром техн. наук, проф. А.Б.
Пуховским; гл. 2 — канд. техн. наук, доц. А.В. Паниным; 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 —
канд. техн. наук," проф. И.И. Крыловым; гл. 15, 17 — чл.-корр. РААСН,
д-ром техн. наук, проф. ЯМ. Ольковым; гл. 16 — чл.-корр. РААСН, д-ром
техн. наук, проф Л.В. Енджиевским; гл. 18 — канд. техн. наук, доц. B.C.
Казарновским; гл. 19 — чл.-корр. РАН, д-ром техн. наук, проф. В.В.
Филипповым, канд. техн. наук, проф. В.Г. Аржаковым и канд. техн.наук,
доц. А.А. Собакиным; гл. 20 — канд. техн. наук, доц. В.М. Путилиным;
гл. 21 —по материалам инж. Л.Л. Лебединского (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.
Путилиным и 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. A.M. Болдыреву и сотрудникам кафедры
металлических конструкций и сварки в строительстве ВГАСА, д-ру техн. наук,
проф. Г.И. Белому, принявшим участие в рецензировании книги,
Якутскому государственному университету за помощь при ее издании.
Авторы будут благодарны также читателям, которые сочтут возможным
высказать свои замечания и пожелания по содержанию учебника.

РАЗДЕЛ I
ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Глава 1
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Общие сведения
Листовыми конструкциями называют пространственные
конструкции, несущей основой которых являются плоские или изогнутые
металлические листы, образующие оболочки различной формы. Листовые
конструкции имеют обширные области применения. Классификация
листовых конструкций может быть представлена в следующем виде.
Резервуары, предназначенные для хранения нефтепродуктов, масел,
воды, сжиженных газов, кислот, спиртов и других жидкостей.
Газгольдеры, предназначенные для хранения смешивания и
выравнивания состава газов, для регулирования их расхода и давления. Их
включают в газовую сеть между источником получения газа и его
потребителями в качестве аккумуляторов, выравнивающих производство и
потребление газа.
Бункера и силосы, предназначенные для хранения и перегрузки
сыпучих материалов: руды, угля, кокса, флюсов, цемента, песка, гравия,
щебня и др. Группы бункеров обычно объединяют в бункерные
эстакады. Силосы отличаются от бункеров сравнительно большим отношением
высоты к размерам в плане.
Трубопроводы большого диаметра (D>0,5m), используемые для
транспортирования нефтепродуктов, газа, воды, размельченных или
разжиженных твердых веществ.
Специальные листовые конструкции — сооружения
металлургической, химической, нефтяной и других отраслей промышленности:
кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей; сосуды
химической и нефтезаводской аппаратуры, защитные оболочки АЭС и т.п.
По характеру работы листовые конструкции разделяют на: наливные
и работающие под внутренним давлением или вакуумом; находящиеся
под действием высокой, нормальной и низкой температуры; работающие
5

на статическую, знакопеременную и ударную нагрузки; работающие в
условиях нейтральных или агрессивных сред.
1-2- Особенности листовых конструкций
Листовые конструкции представляют собой пространственные
конструкции в виде оболочек, обычно совмещающих несущие и
ограждающие функции.
Для листовых конструкций характерно двухосное напряженное
состояние, а в местах сопряжений различных оболочек или на участках
защемлений оболочек у колец жесткости, крыш и днищ возникают местные
напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков
(краев). Такое напряженное состояние называют краевым эффектом.
Причина возникновения местных напряжений краевого эффекта заключается в
том, что под действием расчетных нагрузок общие точки сопряженных
между собой разных оболочек перемещаются одинаково, хотя каждая из
них под действием этих нагрузок стремится к разным перемещениям,
соответствующим их геометрическим и статическим параметрам.
Основной особенностью листовых конструкций является
необходимость обеспечить не только прочные, но и плотные (герметичные)
сопряжения листов. При этом протяженность сварных соединений
существенно больше, чем в других типах сварных конструкций. Так, например, в
сварных листовых конструкциях малой и средней толщины на 1 т стали
приходится 30—50 м сварных швов против 15—25 м в обычных
строительных металлических конструкциях. Для уменьшения протяженности
монтажных соединений целесообразно применение рулонной стали.
При изготовлении листовых конструкций необходимы операции, не
встречающиеся при изготовлении обычных металлических конструкций:
фасонный раскрой листового проката; вальцовка цилиндрических,
конических оболочек и колец; вальцовка и штамповка оболочек двоякой
кривизны; отбортовка и строжка кромок выпуклых днищ и другие операции.
Листовые конструкции работают, как правило, в более тяжелых по
сравнению с другими типами металлических конструкций условиях: они
почти постоянно испытывают значительные напряжения, близкие к
расчетным сопротивлениям сварных швов; в зонах сопряжения элементов
листовых конструкций возникают значительные местные напряжения,
обусловленные наличием краевого эффекта, температурными
воздействиями, а также большим числом сварных швов. При этом листовые
конструкции под действием высоких основных и местных напряжений, а также
6

под действием низких и высоких температур должны оставаться
прочными и непроницаемыми.
Сварные соединения листовых конструкций выполняют встык,
внахлестку и впритык (в тавр). Наиболее рациональным типом расчетного
сварного соединения листов является шов встык, выполненный
автоматом, полуавтоматом или вручную. Соединения листов из алюминиевых
сплавов выполняют с помощью аргонодуговой сварки вольфрамовым
электродом или электродуговой сварки алюминиевым (плавящимся)
электродом. Соединения встык обусловливают наименьший расход
наплавленного металла и высокую надежность соединения. Соединения
встык с накладками применяют значительно реже из-за необходимости
увеличения протяженности сварных швов и концентрации напряжений в
зоне шва, что опасно вследствие возможности возникновения и развития
трещин.
Соединения внахлестку могут быть рекомендованы в условиях
упрощения производства работ при наличии небольших усилий, в этом случае
не требуется тщательная подгонка соединяемых элементов.
Для наиболее напряженных и ответственных швов, чаще всего в
стыковых соединениях, следует применять повышенные способы контроля
качества швов: просвечивание рентгеновскими лучами или
гамма-лучами радиоактивных изотопов, магнитографический, ультразвуковой и
другие современные способы контроля.
Автоматическую и полуавтоматическую дуговую сварку, а также
электрошлаковую сварку используют при изготовлении и сборке
негабаритных листовых конструкций гораздо шире, чем в других типах
металлических конструкций.
Для листовых конструкций целесообразно использовать листы
толщиной до 4 мм из рулонной холоднокатаной стали, а при толщине от 4 до
10 мм — из рулонной горячекатаной стали. Для большинства листовых
конструкций следует применять марки стали в соответствии с
указаниями норм, при этом рекомендуемые марки стали должны удовлетворять
дополнительным требованиям по ударной вязкости.
Такие сооружения, как магистральные трубопроводы, резервуары
специального назначения, кожухи доменных печей, воздухонагревателей
и т.п., проектируют по специальным руководствам.
В резервуарах для хранения кислот и других агрессивных жидкостей
целесообразно применение алюминия, алюминиевых сплавов или
биметаллов — стальных листов, плакированных со стороны агрессивной
среды нержавеющей сталью или никелем.
7

В целях защиты от коррозии наружную поверхность резервуаров или
газгольдеров покрывают лакокрасочной пленкой. Нижнюю поверхность
плоских днищ вертикальных цилиндрических резервуаров и
газгольдеров предохраняют от коррозии специальным изоляционным слоем,
который устраивают на песчаном основании под ними.
Внутреннюю поверхность листовых конструкций защищают от
коррозии только при наличии хранимых жидкостей и продуктов,
агрессивных по отношению к стали. Например, внутреннюю поверхность
корпусов резервуаров для хранения сернистой нефти защищают от коррозии
перхлорвиниловым покрытием.
Специфику работы и особенности эксплуатации сооружений,
выполненных из листовых конструкций, учитывают дополнительными
коэффициентами условий работы (например, для вертикального
цилиндрического резервуара при избыточном давлении меньше 0,7 МПа принимают
Ус= 0,8).
1.3. Основные положения расчета
Большинство листовых конструкций являются тонкостенными
(реже — толстостенными) оболочками вращения. Оболочкой называют
тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми
(толщина оболочки) мало по сравнению с другими ее размерами.
Поверхность, делящую толщину оболочки пополам, называют срединной
поверхностью. Геометрия оболочек определяется формой срединной
поверхности.
Поверхности оболочек имеют одну или две (для сферических
оболочек) оси симметрии и два радиуса кривизны, перпендикулярные
срединной поверхности: R} — меридиональный радиус, образующий кривую
вращения; R2 — кольцевой радиус вращения с началом на оси симметрии
(рис.1, а). Величины, обратные радиусам
1 1
/С } -~ ■ И АС о — ———
называют кривизнами оболочки. На срединной поверхности оболочки
всегда можно найти две взаимно перпендикулярные линии, кривизны
которых обладают свойствами экстремальности: одна из них максимальная,
а другая — минимальная. Кривизны, обладающие свойствами
экстремальности, называют главными кривизнами. Произведение двух главных
кривизн в точках срединной поверхности r=^klk2 называют гауссовой
кривизной, которая и характеризует геометрию поверхности оболочки.
8

Различают оболочки: положительной гауссовой кривизны
(сферические и эллиптические); нулевой гауссовой кривизны (цилиндрические и
конические); отрицательной гауссовой кривизны (гиперболические);
смешанной кривизны, т.е. оболочки, состоящие из участков с различной
гауссовой кривизной (торообразные).
Под действием внешней нагрузки в толстостенной оболочке
(//i?>l/20) возникают внутренние усилия моментного напряженного
состояния (см. рис. 8.46, б [2]). При малой толщине оболочки (1/20 >
>tlR > 1 /500... 1 /1000) усилия, показанные на схеме б тонкими стрелками,
имеют очень малую величину, поэтому ими пренебрегают и учитывают
лишь усилия безмоментного напряженного состояния (схема а) при
условии, что тонкостенная оболочка имеет плавно изменяющуюся
непрерывную поверхность, а нагрузка приложена плавно и непрерывно. При
этом края оболочки должны иметь возможность свободно
перемещаться в направлении нормали к поверхности; силы, приложенные к краям
оболочки, должны лежать в плоскости, касательной к ее срединной
поверхности.
Применительно к листовым конструкциям большинство оболочек
являются тонкостенными и их расчет может быть выполнен по уравнению
Лапласа (8.87[2]). Однако в местах резкого изменения параметров
оболочки следует учитывать моментное напряженное состояние, добавляя к
усилиям безмоментного состояния усилия краевого эффекта.
Для вывода уравнения Лапласа рассмотрим оболочку, образованную вращением
вокруг оси Z линии, описываемой уравнением R\=Ri(Z) (рис. 1.1, а). В силу осевой симметрии,
на бесконечно малый элемент dS\ dSi, выделенный двумя меридиональными и двумя
горизонтальными (радиальными) плоскостями (рис. 1.1, б), будут действовать только
продольные усилия N\ и N2. На рис. 1.1,6 показана составляющая поверхностной нагрузки Р вдоль
нормали п к срединной поверхности рассматриваемого элемента dS\ dS2.
Для определения равновесного состояния этого элемента спроектируем все силы,
действующие на него, на направление нормали п:
PdS.dS, - NsdS2 ^ - (N, + ^dS{)dS2 ^ - N2dSt x
x^_(yV2+^y5l^0, (1.1)
2 l 2 dS2 ! 2
где dq> = dS] IR{, da = dS2 / R2.
Усилия N] и /V2 являются равнодействующими нормальных напряжений, приложенных
к сторонам элемента dS\ dS2:
, ,2 (1.2)
N, = ondS,t.

Рис. 1Л. К расчету оболочек вращения:
а — общий вид оболочки вращения; б — равновесное состояние элемента оболочки (к выводу
' уравнения равновесия Лапласа)
Подставляя (1.2) в (1.1) и произведя упрощения, получим искомое уравнение Лапласа
а,/Л, + о2/Л2 =/>/*. (1.3)
В этом уравнении два неизвестных параметра — напряжения G] и а2, поэтому
необходимо иметь второе дополнительное уравнение равновесия, для получения которого сделаем
горизонтальный разрез оболочки плоскостью, перпендикулярной оси симметрии (Z), и
рассмотрим равновесное состояние отсеченной части оболочки (рис. 1.1,а). Спроектируем все
силы, приложенные к отсеченной части оболочки, на ось симметрии Z:
Pnr? sin2 ф - Nt2nr2 sin2 ф = 0,
откуда N{ = PR2/2, или
(1.4)
(1.5)
Подставляя (1.5) в (1.3), получим уравнение
(1.6)
С помощью формул (1.3, 1.5 и 1.6) определяют напряжения в любой
зоне оболочки вдали от участков закрепления, а также сопряжений с
другими конструктивными элементами и мест резкого изменения
геометрической формы оболочки. В частном случае для цилиндрической
оболочки 7?j=oo; R2= гъ поэтому
cx=Pr2!2t; o2=Pr2/t. (1.7)
Для сферической оболочки кольцевой и меридиональный радиусы
кривизны равны Л,= R2= r, поэтому напряженное состояние в каждой
точке поверхности определяют по формуле
а1 = о2 = а = Рг/2г. (1.8)
Для конических оболочек R{ = со, R2 = гъ тогда меридиональные и
кольцевые напряжения определяются по формулам:
10

(2tcosa); a2 = Pr(?cosa), (1.9)
где a — угол между образующей конуса и его осью.
В общем случае листовые конструкции рассчитывают на прочность,
устойчивость и выносливость. В местах резкого изменения
геометрической формы или толщины стенки оболочек, а также изменения нагрузки
должны быть учтены местные напряжения (краевой эффект).
Расчет на прочность листовых конструкций в виде оболочек
вращения, находящихся в безмоментном напряженном состоянии, выполняют
по формуле
^-а2а2+а*+3т* < Ryye, (1.10)
где аь а2 — нормальные напряжения по двум взаимно
перпендикулярным направлениям;^ — касательные напряжения. Формула (1.10)
предусматривает выполнение дополнительных ограничений ax<:Ryjc и ах<
y
Расчет на устойчивость несущих элементов листовых конструкций
выполняют с учетом особенностей их конструктивных форм, а также
нагрузок и воздействий.
Для конструкций в виде цилиндрических оболочек вращения,
равномерно сжатых в направлении вдоль образующих силой N> искривление
оболочки при потери устойчивости стенки происходит преимущественно
в меридиональном направлении, при этом проверку устойчивости
выполняют по формуле
где a{=Nr2/2t — расчетное меридиональное напряжение в стенке
оболочки; сгсг1 — критическое напряжение, равное меньшему из значений
cEt
Значение коэффициента \|/ при 0<г2 / t<35§ следует определять по
формуле
у - 0,97 - (0,00025 + 0,95 RyIE)r2lt. (1.12)
Значение коэффициента с принимают по данным табл. 1.1 в
зависимости от отношения r2l t.
Таблица 1.1. Коэффициенты с
rift
с
100
0,22
200
0,18
300
0,16
400
0,14
600
0,11
800
0,09
1000
0,08
1500
0,07
2500
0,06
11

Расчет на устойчивость цилиндрических оболочек вращения при
действии внешнего или внутреннего равномерного давления Р в
направлении нормали к поверхности стенки следует выполнять по формуле
°2<стсг2ус5 (1.13)
где <т2 = Г2^ — расчетное кольцевое напряжение в стенке оболочки;
Gcr2 — критическое кольцевое напряжение, определяемое по формулам:
при 0,5 <1/г2< 10
асг2^55Е(г2/ф/г2)У2; (1.14)
при 1/г2> 20
ocr2=0ME(t/r2)\ (1.15)
где / — длина цилиндрической оболочки. При 10 < I /г2< 20 напряжение
<зсг2 следует определять по линейной интерполяции значений,
вычисленных по формулам (1.14) и (1.15).
Если на цилиндрическую оболочку вращения одновременно
действуют сжимающие нагрузки N и равномерное боковое давление Р, то расчет
на ее устойчивость выполняют по формуле
& \ I ® crl +(72 ^ ® сг2 — Ус' (1.16)
Аналогично рассчитывают сферические и конические оболочки.
Формулы для определения критических напряжений приведены в нормах
проектирования [3].
В местах оболочек, где свободные деформации стенок затруднены,
проявляется краевой эффект, характеризуемый наличием местных
напряжений. Возникающие при этом изгибающие моменты Мк
распространяются по некоторой части длины оболочки и имеют волнообразный резко
затухающий характер. Так, в
цилиндрических оболочках
изгибающий момент первой
волны достигает нулевого
значения на расстоянии я5м / 4 от
краевой линии (рис. 1.2).
Параметр SM можно определить по
формуле
S» =0,78^. (1.17)
Изгибающий момент в
месте сопряжения цилиндрической
оболочки (например, корпуса
12
Рис. 1.2. Явление краевого эффекта:
/ — кольцевое ребро

резервуара) с плоским днищем можно определить по приближенной
формуле
MK=aPr2t, (1.18)
где а = 0,3 — при жестком защемлении и а = 0,1 — при упругом
сопряжении цилиндрической оболочки с днищем; Р — внутреннее давление в
месте сопряжения цилиндрической оболочки с днищем.
Дополнительные местные изгибные напряжения в стенке
цилиндрической оболочки в зоне действия краевого эффекта определяют по
формуле
t2<Ryyci (1.19)
где ус =1,2.
В нормах проектирования [3] нет прямых указаний о необходимости
обязательной проверки листовых конструкций на напряжения,
возникающие в зоне краевого эффекта. Однако в ответственных случаях их все же
необходимо учитывать и оценивать. Влияние краевого эффекта на
напряженное состояние стенок оболочек можно ослабить, выполняя
определенные конструктивные мероприятия: осуществлять более плавный
переход от одной конструктивной формы оболочки к другой; устраивать
плавные скосы кромок листов при необходимости изменения их
толщины; применять стали с гарантией загиба в холодном состоянии;
использовать для производства сварочных работ электроды улучшенного качества
и др.

Глава 2
РЕЗЕРВУАРЫ
2.1. Общие сведения, классификация,
назначение резервуаров
Резервуарами называют сосуды, предназначенные для приема,
хранения, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов,
сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, технического спирта и других
жидкостей.
В зависимости от положения в пространстве и геометрической
формы резервуары делят на вертикальные цилиндрические, горизонтальные
цилиндрические, сферические, каплевидные, торовые, траншейные.
По расположению относительно планировочного уровня
строительной площадки различают надземные (на опорах), наземные,
полузаглубленные и подземные резервуары.
Тип резервуаров выбирают в зависимости от свойств хранимой
жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района
строительства.
Наибольшее удельное значение в числе хранимых жидкостей имеют
нефть и продукты ее переработки. Во время их хранения происходит
испарение и потеря наиболее летучих, самых ценных компонентов. Кроме
прямых убытков это явление оказывает вредное воздействие на
окружающую среду. Потери нефтепродуктов происходят главным образом
вследствие больших и малых «дыханий» резервуаров.
Малые дыхания возникают вследствие колебаний температуры
нефтепродуктов и газовой смеси над их поверхностью (в газовой
«подушке»), а также колебаний атмосферного давления. Когда давление в
газовой подушке становится ниже атмосферного, в резервуаре образуется
вакуум, что может привести к потере устойчивости корпуса. Для избежания
этого предусматривают дыхательный клапан, через который
атмосферный воздух попадает в резервуар. При повышении температуры
увеличивается внутреннее давление и вместе с ним — опасность разрушения
резервуара. Для защиты резервуара от разрыва предусматривают
предохранительный 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
дыханий составляют в среднем 0,5-1 % хранимого нефтепродукта.
Большие дыхания происходят при опорожнении и наполнении
резервуара. При опорожнении в резервуар засасывается атмосферный
воздух, при наполнении воздух вместе с парами продукта выбрасывается в
атмосферу. В среднем потери при заполнении резервуара бензином
составляют 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
(перевалочные или распределительные) и колеблется в пределах от 12 до 96
циклов в год.
Потери нефтепродуктов можно существенно снизить или даже
совсем ликвидировать, увеличив расчетное избыточное давление в
резервуаре или ликвидировав газовую «подушку», отделив воздушное
пространство от жидкости путем устройства плавающей крыши или понтона.
Для хранения сырой нефти с низким потенциалом бензина, отбензи-
ненной нефти, керосина, дизельного топлива, мазута и темных
нефтепродуктов применяют резервуары, рассчитанные на давление в газовом
пространстве до 2 кПа. Для хранения бензина и сырой нефти с высоким
потенциалом бензина применяют резервуары повышенного давления — до
70 кПа, или резервуары с плавающими крышами (понтонами).
Для хранения больших объемов сжиженных газов применяют
горизонтальные 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 толщиной 4—6 мм, и стенки в виде ряда поясов, толщина которых
увеличивается пропорционально росту давления жидкости по мере
приближения к днищу. Тип крыши зависит как от вместимости резервуара,
так и от величины внутреннего давления под крышей. На практике
наиболее часто применяют конические, сферические и плавающие крыши.
Реже используют висячие (шатровые), складчатые крыши.
15

+24,160
Верхнее положение понтона
Крыша
Рис, 2.L Фасад и разрез резервуара вместимостью 5000 м3
Вместимость вертикальных цилиндрических резервуаров колеблется
от 100 до 120000 м3 и увеличивается по мере разработки
противопожарных мероприятий.
При определении оптимальных размеров резервуаров (высоты и дна-
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
■(2.1)
где Н—высота резервуара; yg — удельный вес хранимой жидкости,
Rw — расчетное сопротивление сварного шва; ус ~ 0,8 — коэффициент
условий работы, jjj — коэффициент надежности по нагрузке от
гидростатического давления жидкости; А — сумма приведенных толщин
крыши и днища, зависящих от объема резервуара (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Приведенные толщины для резервуаров
У, м5
А, см
2000
0,9
4000
1,2
8000
1,4
12000
1,6
16000
1,7
20000
1,8
16

Более совершенным решением при оптимизации параметров
резервуаров является решение на основе приведенных затрат по изготовлению
и монтажу конструкций резервуаров. При оптимизации параметров
резервуаров по приведенным затратам высота резервуара несколько
снижается, а диаметр увеличивается по сравнению с оптимизацией по расходу
металла.
При назначении высоты стенки и диаметра резервуара учитывают
условие кратности высоты резервуара ширине листов, а длины
окружности — длине листов [5]. Наиболее часто в резервуарах применяют листы
размерами 1500 х 6000; 1800 х 8000; 2000 х 8000 мм, следовательно,
высоту резервуаров следует принимать кратной 1490,1790 или 1990 мм в
зависимости от принятого типоразмера листов, а длину
окружности — кратной соответственно 5990 или 7990 мм (с учетом строжки
листов). Разрешается принимать длину окружности, кратной половине
длины листов.
Высота резервуаров, изготовляемых способом рулонирования,
обычно не превышает 9 м при V< 1500 м3, 12 м при V< 5000 м3 и 18 м при
больших объемах.
2.2.1.Основания и днища резервуаров
Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на
достаточно простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого
на них давления. Обычно вначале удаляют растительный слой, засыпают
площадку насыпным грунтом и уплотняют его катками. Поверх
насыпного грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнивают ее,
организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего
удаления подтоварной воды и отстоя. Уклон выполняют равным 1:50 для
резервуаров вместимостью 10—20 тыс.м3,1:75 — 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
резервуара и песчаной подушкой располагают гидроизоляционный
(гидрофобный) слой толщиной около 100 мм. Обычно это смесь песка с жидким
битумом, мазутом или нефтью.
Для резервуаров вместимостью 10000 м3 и более по периметру
основания устраивают железобетонное кольцо.
На скальных грунтах устройство оснований иногда сводится к
выравниванию площадки и подсыпки песчаной подушки.
Вокруг резервуара предусматривается устройство ограждений в виде
грунтовых валов, железобетонных или металлических стенок. Их назна-
17

чение — удержать хранимый продукт при вытекании из резервуара в
аварийных случаях.
Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от
давления 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
возможности создания уклона), каждое из которых обычно не превышает 12 м по
ширине.
Полотна сваривают из листов размерами 1500 х 6000 мм или 2000 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
автоматической 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
А—5 мм — по всем кромкам, при условии подгибки листов в местах
тройной нахлестки.
На монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна
днища накатывают на подготовленное основание, освобождают от
закрепления и разворачивают в проектное положение. Полотна днища соединяют
внахлест, минимальная величина нахлеста — 30 мм.
Крайние листы (окрайки), составляющие периферийную часть
днища, начиная с резервуаров объемом 2000 м3, делают на 2 - 3 мм толще
листов средней части днища, что связано с восприятием окрайками
значительных краевых усилий. Расстояние от края днища (окраек) до стыков с
более тонкими листами центральной части полотен должно быть не
менее 1000 мм. В резервуарах вместимостью более 5000 м3 окрайки делают
значительной толщины, более 10—12 мм (примерно 0,35 -г- 0,5/J, что не
позволяет равномерно сворачивать полотнища в рулон. Поэтому толстые

Окрайки t
рядовые
Стенка
резервуара
Днище
5x1500x6000
Монтажный стык
полотен днища
7-7
Окрайки t-10
сегментные
Рис. 2.2. Днища резервуаров вместимостью 5000 м3 (слева) к 10000 м3 (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
собой внахлестку односторонними швами.
2.2.2. Стенки резервуаров
Цилиндрические стенки резервуаров состоят из ряда поясов высотой,
равной применяемой ширине листов (1500,1800 или 2000 мм). В
резервуарах 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 м3 толщина листов
для нижних поясов постепенно увеличивается, что отражает увеличение
воспринимаемых нагрузок от столба жидкости. В этом случае все
соединения листов выполняют встык.
19

Стенки резервуаров, как правило, изготовляют на
специализированных заводах и поставляют в виде полотнищ, свернутых в габаритный
рулон, 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
поставляют в виде нескольких рулонов, масса которых определяется
грузоподъемностью 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
припуском 140 мм для образования монтажных стыков. Монтажные швы стенки
варят встык электродами типа Э50А с контролем проникающими
излучениями по всей длине.
В резервуарах значительных объемов расчетная толщина нижних
поясов стенки в случае применения малоуглеродистых сталей
оказывается столь велика, что исключает применение рулонирования полотнищ. В
этом случае оказывается целесообразным использование в нижних
поясах стенок высокопрочной стали (полотна стенок, свернутые в рулон,
разворачиваются 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
техническим пределом, нижние пояса стенок можно усилить бандажами, сделать
1
g
Кг
1
1
кг
h
5990x7 = 41930
т т
2990
44920
1-1
2-2
8
, 6
, 7
, в
.
, б
, 7
8
10
13
Рис. 23. Полотнище стенки резервуара вместимостью 10000 м3
20

двухслойную стенку или создать предварительное напряжение обратного
знака путем обмотки стенки высокопрочной проволокой [6].
Бандажи изготовляют из отдельных свальцованных листов,
сваренных 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
подкладках. Наружная оболочка приподнята над уровнем днища на высоту 100
мм. Зазор между оболочками порядка 50 мм заполняют бетоном,
передающим напряжение от внутренней стенки к наружной.
Резервуары вместимостью 10000—20000 м3 рулонной сборки
показали себя в эксплуатации вполне надежными. В резервуарах вместимостью
50000 м3 и более наблюдается угловатость монтажного стыка,
сопровождающаяся пластической деформацией металла и опасностью развития
малоцикловой усталости. По этой причине, а также в случае отсутствия
надлежащего оборудования, сложностях транспортировки или при
наличии других веских причин стенки резервуаров монтируют методом
полистовой сборки. Стенку резервуара изготовляют и монтируют из
свальцованных листов одинаковой длины с разделанными на заводе кромками.
Разделка V-образная, Х~образная и К-образная, в зависимости от
положения шва в пространстве и его толщины (рис. 2.4). При монтаже
замыкающий лист каждого пояса обрезают по месту. Расстояние между
вертикальными стыками стенки и стыками окраек днища должно быть не
менее 200 мм. Сварные швы стенки плотнопрочные с полным проваром по
толщине свариваемого металла с применением повышенных способов
контроля качества швов.
1-1
2-2
_
il
115
1
7992x23- 183816
6954
3996
190770
3 -3
Рис. 2.4. Развертка стенки полистовой сборки резервуара вместимостью 50000 м3
21

2.2.3.Общие положения расчета элементов вертикальных
цилиндрических резервуаров
Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров
рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со
строительными нормами и правилами [3], [4], с учетом дополнительных
требований 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
конструкций. Ко 2-й группе отнесены стенки и окрайки днищ резервуаров
вместимостью менее 10 тыс. м3, покрытия, опорные кольца покрытия и
кольца жесткости, центральные части днищ, понтона и плавающие крыши
резервуаров всех вместимостей.
Дополнительно также принимают коэффициенты условий работы ус
рдвными: 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
распорной конструкции при расчете по безмоментной теории— 0,9.
Коэффициенты 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
цилиндрических резервуаров при расчете на устойчивость — 0,5 (при этом
ветровую нагрузку условно принимают равномерно распределенной по
окружности); от снеговой нагрузки на сферические крыши
резервуаров — 0,7.
Названные нормы не распространяются на проектирование
резервуаров: для нефтепродуктов с упругостью паров выше 93,6 кПа при
температуре +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, и только в
зонах краевого эффекта (в частности, в месте сопряжения стенок с
днищем) имеет место моментное напряженное состояние.
При воздействии внутреннего равномерного давления/? в
тонкостенной оболочке возникают меридиональные и кольцевые напряжения СТ| и
а2, связанные между собой соотношением (1.3).
22

Основной нагрузкой для
стенки вертикального
цилиндрического резервуара является
внутреннее давление/? как сумма
гидростатического давления
жидкости и давления паровоздушной
смеси (рис. 2.5).
На расстоянии х от днища
расчетное давление равно
рх = У/ (я "~X) ' У fj + РоУ fpt (2.2)
Рис. 2.5. Гидростатическое давление
жидкости и избыточное давление паровоздушной
смеси
где у/ — удельный вес хранимой
жидкости; h — расстояние до
расчетного уровня жидкости (обычно предполагается, что резервуар
наполнен жидкостью до верха стенки и h=H); р0 — нормативное значение
избыточного давления в паровоздушной среде.
Кольцевое растягивающее напряжение на уровне х
(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
выше уровня днища (вследствие разгружающего влияния моментного
напряженного состояния)
(24)
где ус = 0,7.
Вместе с тем прочность оболочки вращения, находящейся в безмо-
ментном напряженном состоянии, определяется одновременным
воздействием нормальных напряжений по двум взаимно перпендикулярным
направлениям. Поэтому после уточнения толщины пояса по сортаменту
следует вычислить фактические значения о{ и а2 и выполнить проверку
по формуле (1.10).
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 Pg, собственного веса вышележащей части стенки GW9
снега ps, вакуума р„ ветровой нагрузки, создающей отсос на крыше pw) и
равномерного давления нормального к боковой поверхности,
создающего сжимающие усилия в кольцевом направлении (вакуум pv, ветровая
нагрузка на боковую поверхность корпуса резервуара pY.j).
Суммарное продольное сжимающее напряжение в стенке равно:
(2.5)
wmin
У a -U; Л =^оУ/^> У/, =М-1,6; л = АУА, УЛ. =1А
где 50 — нормативное значение веса снегового покрова; ц —
коэффициент перехода к снеговой нагрузке на покрытие; wQ — нормативное
значение ветрового давления; к — коэффициент, учитывающий изменение
ветрового давления по высоте; с — аэродинамический коэффициент;
twmin — толщина самого нижнего из наиболее тонких листов стенки; ф =
=0,9 — коэффициент сочетания нагрузок.
Суммарное кольцевое сжимающее напряжение
ст 2 = {р„, + ру )\|/г / twm, (2.6)
где pwf—условный вакуум, которым заменяют ветровое давление на
стенку резервуара, pw/ = 0,5wokc, twm — среднее значение толщины
стенки; t^ =s Zr/ / п; п — число поясов стенки.
Ветровое давление на стенку изнутри пустого резервуара с
плавающей крышей осесимметрично, как и ветровое воздействие, создающее
отсос на крыше.
Условие устойчивости цилиндрических оболочек вращения,
равномерно сжатых параллельно образующим, определяют по формуле (1.11),
при этом критическое напряжение с учетом данных табл. 1.1 находят по
формуле
a -ca— P7)
Г
Если условие устойчивости не выполняется, следует увеличить
толщину стенки. Постановка продольных ребер увеличивает критическое
24

Рис. 2.6. Схема работы кольца жесткости стенки резервуара
напряжение асг, но зачастую это оказывается экономически
нецелесообразно.
Устойчивость стенки резервуара при действии равномерного
внешнего давления нормального к боковой поверхности проверяют по
формуле (1.13) с учетом зависимостей (1.14; 1.15)
Если условие устойчивости не выполняется, стенку укрепляют
кольцевым ребром жесткости, располагая его на расстоянии s > 0,5г от днища
резервуара. Повторный расчет выполняют, подставляя в формулу (1.14)
значения s и / — s вместо / (рис.2.6).
Если условие устойчивости не будет выполняться после постановки
одного кольца жесткости, ставят второе кольцо жесткости или
увеличивают толщину верхних поясов.
Кольцо жесткости устраивают из неравнобокого уголка,
приваренного к стенке большим пером, или из швеллера, либо составного сечения.
Чтобы кольцо жесткости выполняло свою функцию, его условная
гибкость должна быть
х=х.
<Ry/E<6,5.
(2.8)
Кроме того, кольцевое ребро само должно быть проверено на
устойчивость в своей плоскости как сжатый стержень при расчетной длине
lef= 1,8/- на воздействие силы Nk (рис.2.6)
(2-9)
25

Стенку резервуара, подверженную одновременному действию
нагрузок, вызывающих осевое и поперечное сжатие, проверяют на
устойчивость по формуле (1.16).
2.2.6. Расчет сопряжения стенки с днищем
В зоне сопряжения стенки с днищем вертикального цилиндрического
резервуара за счет стесненности радиальных перемещений стенки
возникает изгибающий момент 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 Хх и Х2 из решения канонических
уравнений
(2.10)
Все перемещения состоят из двух слагаемых, выражающих соответственно
перемещение стенки и днища; 8,, = 5П„ + 6П/; 5l2 = 8J2w + 8!2/ и т.д., при этом принимается, что
днище на растяжение абсолютно жесткое и не деформируется в горизонтальной плоскости, т.е.
^i2/ = ^2i/ = ^22/ = А2р/ = 0. При таких условиях система уравнения (2.10) принимает вид
V
= 0
Все перемещения, входящие в канонические уравнения, получают из решения
дифференциального уравнения оси изогнутой балки на упругом основании
dx*
г2 '
Px
'-A- (2-12)
Обозначив коэффициент постели
„ Et К л 4
стенки К = -у и — = 4т , уравнение
(2.12) представляют в виде:
dx4
(2.13)
~Pf
где т - \\— коэффициент деформа-
I4D
ции стенки; D =
-2
цилиндри2
ческая жесткость стенки; v — коэффици-
Рис. 2.7. Сопряжение стенки резервуара с ент Пуассона, Е — модуль упругости
днищем
26

Общее решение однородного уравнения (уравнения 2.13 без правой части) имеет вид
у0 = —е~тх[Х2 cosmx- mXl (cosmx- sinmx)]. (2.14)
к
Дифференцируя это уравнение, находим выражение для ф0
Фо = —- = ^~TOr[-Ar2(cosmx+ sinmx)4- 2mXl cosmx]. (2.15)
Принимая х = 0, Xi = 0 и Х^ - 1, из уравнения (2.14) получают
2т 2т 1
у0 = onw = — = j-= —-2—. 2.16)
Аналогично, при х = О, Х\ = 1, Х2 - 0 из уравнения (2.15) находят
Фо=«>,»=-^ (2-17>
и из любого из них
2т2 1
(2.18)
12 2I k 2m2D
Из решения частного неоднородного уравнения определяют перемещения точек
стенки резервуара от гидростатического давления
Принимая х — 0, получаем выражение для перемещения стенки
(2.19)
(2-20)
Значения единичных перемещений днища находят, используя теорию изгиба
полубесконечной балки на упругом основании, находящейся под действием сосредоточенного
момента, приложенного на расстоянии с от левого конца балки, вертикальной силы, включая
собственный вес покрытия и корпуса Гь также действующего на расстоянии с от левого
конца балки, и гидростатического давления жидкости на уровне днищар/, начало эпюры
которой отстоит от левого конца балки на расстоянии с{х-с)\ ~
2m)Df
Здесь для сокращения записи использованы обозначения:
9 "mc ^ "ж sin тс\
(2.22)
(2-23)
27

где по аналогии со стенкой
(2.25)
- 120-А ("6)
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; tf— 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 резервуаров
большой вместимости).
После вычисления перемещений и решения системы канонических уравнений (2.11)
определяют неизвестные Х} = -Мх иХ2~ -<2ь Изгибающий момент в кольцевом
направлении М2 = vA/p кольцевое усилие Т2 = Т20 + Т2Ь где
(2-27)
— кольцевое усилие моментиого напряженного состояния; Т2\ ~ рг — кольцевое усилие
безмоментного состояния.
Длина полуволны затухания краевого эффекта Sm = OJS^frt^.
В пределах этого расстояния кольцевые усилия за счет стесненности кольцевых
деформаций меньше, чем на вышележащих участках стенки.
Изгибающий момент в днище
"/«^О+Ф^-т^О-гЭ^-^ф.Ь^С,- (2-28)
7 2 4т 2т
Проверка напряжений с учетом краевого эффекта. Как видно на
рис. 2.8, в общем случае условие прочности при действии
меридиональных напряжений в стенке
lw ^yA (2.29)
Знак перед Тх зависит от рассматриваемого расчетного случая:
минус — при сочетании нагрузок: собственный вес кровли и стенки,
снеговая нагрузка, вакуум; плюс — при сочетании нагрузок: собственный вес
кровли и стенки, избыточное давление, ветровой отсос.
Кольцевые напряжения в стенке
!LSll ,2.зо)
±±±±
V. А, ,1 1,1,
Условие прочности а2и, <ус/?н .
Изгибное напряжение в днище
28

Mf 6M,
= -=г = -^г- С2-31)
W
ft
4 7
Условие прочности
Проверку прочности
углового шва,
прикрепляющего стенку к днищу,
производят на одновременное
воздействие поперечной силы
и момента.
Меридиональное усилие ввиду малости
не учитывают. Величину
катета шва предварительно
задают в пределах 0,3 t».
Прочность проверяют по
металлу шва и по границе
сплавления. Представляя
момент Мх как
произведение силы на плечо (рис.2.9)
и распределяя поперечную
силу на два шва, получаем
условие прочности по металлу шва
Рис 2.8. Напряженное состояние стенки в зоне
краевого эффекта
Рис. 2. 9. Расчетная схема сварного шва,
соединяющего стенку с днищем
(2.32)
и аналогично по границе сплавления.
При пустом резервуаре возможен отрыв корпуса резервуара от
основания под действием внутреннего избыточного давления и ветрового
воздействия. Для предупреждения отрыва по периметру резервуара
предусматривают постановку анкерных устройств.
2.2.7. Крыши резервуаров
Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления
вместимостью до 5000 м3 в большинстве случаев имеют коническую щитовую
кровлю, значительно реже, при малой снеговой нагрузке находит
применение висячая, шатровая кровля. В резервуарах большего объема
основным типом является сферическая кровля.
29

Максимальная вместимость
резервуаров со стационарной крышей
согласно СНиП 2.11.03-93 не должна
превышать: при хранении
легковоспламеняющихся жидкостей (например,
бензина) 20000 м3, а при хранении
горючих жидкостей (например, мазута)
50000 ы\
Резервуары большей вместимости
делают с плавающей крышей, или со
стационарной крышей и понтоном.
Щитовую коническую кровлю
применяют 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).
Рис. 2.10. Схема щитовой крыши:
/ — щиты; 2 — центральное кольцо;
3 — стенка резервуара
190X56X5,5
124(30) 16,5 (В; 10)
Рис. 2.11. Щит покрытия резервуара вместимостью 5000 м3
30

При расчете стационарных крыш резервуаров низкого давления
учитывают две комбинации нагрузок:
1) расчетные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: вес
конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум
Л=^+У(Л+А>» С2-33)
2) расчетные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх:
внутреннее избыточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос (вес
теплоизоляции и снеговая нагрузка не учитываются),
Pi={Po+PjV-Pg- (2.34)
При расчете конической кровли несущие радиальные балки двух
диаметрально 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
опорами (поперечными ребрами щитов). Принимая толщину настила 2,5 мм и
относительный прогиб/// = 1/150,
можно приближенно определить
расстояние между поперечными ребрами из
выражения:
15
"tin
где nQ =/,// — заданное отношение
пролета настила к его предельному
прогибу; qn — нормативная нагрузка на
настил;
Е
'TV'
Сферические кровли оказываются
экономически оправданы для
резервуаров вместимостью более 5000 м3. Это
могут быть ребристые,
ребристо-кольцевые или сетчатые купола. В типовых
проектах резервуаров в основном
применяют ребристо-кольцевые купола,
состоящие из системы радиальных ре-
Рис. 2.12. Расчетная схема
ской кровли
(N)
кониче-
31

Сечение
(все размеры по оси двутавров)
План (развертка)
У400 in (ec& размеры по осям радиальных элементов)
"~~^ J400
Ось радиального элемента покрытия
Рис. 2ЛЗ. Геометрическая схема ребристо-кольцевого покрытия:
- 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
ребристо-кольцевого покрытия резервуара вместимостью 50000 м3 для
хранения нефти и нефтепродуктов. Конструкция покрытия состоит из
центрального кольца, верхнего купола, имеющего 28 стропил,
промежуточного кольца, нижнего купола, включающего опорное кольцо и имеющего
56 стропил. Для удобства монтажа ребристо-кольцевое покрытие решено
в виде сборных щитов, по длинным сторонам которых расположены
двутавры, являющиеся элементами стропил. Двутавры гнут по радиусу
сферы, равному 2—3 радиусам стенки резервуара. Поперечные ребра щитов
изготовляют из равнополочных уголков 90 х 8, прикрепляемых к
продольному ребру посредством фасонок, обеспечивающих необходимую
жесткость узлов. Стальная обшивка из листов шириной 1500 мм,
толщиной 4 мм приварена по всей длине к продольным и поперечным ребрам.
Опорное кольцо ребристо-кольцевого покрытия имеет вид
коробчатой балки, промежуточное кольцо покрытия выполнено в виде сварного
тавра, центральное кольцо имеет расчетное сечение в виде сварного
двутавра.
32

Наиболее простой приближенный способ расчета сферического
ребристо-кольцевого покрытия состоит в том, что сферическое покрытие
расчленяют на отдельные плоские арки, включающие диаметрально
противоположные щиты покрытия. В местах соединения щитов и
расположения 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
продольной силы Nh возникают изгибающие моменты, аналогичные
опорным 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
швеллера. При укрупнении в секторные блоки щиты между собой соединяют
внахлестку, а просветы между ними заполняют листовыми вставками.
Д> б)
со
s
j
15
5960
5990
J
00
s
CM
It
Рве. 2.14. Покрытие из унифицированных элементов резервуаров вместимостью
10000 м3 и 50000 м3:
а — унифицированный щит покрытия; б — схема покрытия резервуара К=!0000 м\ в — схема
укрупненного секторного щита покрытия резервуара V-10000 м3; г — то же, К=50000 м3
2-447
33

Приближенно сетчатые купола рассчитывают по безмоментной
теории как сплошную осесимметричную оболочку (см. п.6.4.3 [2]).
Плавающие крыши рационально применять при хранении легкоис-
паряющихся жидкостей (сырой нефти, бензина) в резервуарах,
располагаемых 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
части из плоских стальных листов. Понтонное кольцо проектируют двух
типов: 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
концентрические стенки, пространство между ними разделено на отсеки
радиальными гнутыми стенками.
Между стенкой резервуара и наружной стенкой пойтонного 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
полотнищ, изготовляемых методом рулонирования. Концентрически и ради-
Рис. 2.15. Резервуар вместимостью 5000 м3 со стационарной крышей н понтоном:
а — вертикальный разрез; б — план понтона; / — стенка; 2 — понтонное кольцо; 3 — радиальные
гнутые перегородки; 4 — опорные стойки; 5 — мембрана понтона; 6 — направляющие понтона; 7 —
патрубок 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,
расположенные в один ряд по окружности, а центральная часть понтона
опирается на стойки, расположенные по концентрическим окружностям, число
которых зависит от объема резервуара. Чтобы предотвратить поворот
понтона при его подъеме и опускании под 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
герметически коробов, образующих замкнутое кольцо, обеспечивающее его
плавучесть. Центральная часть плавающей крыши представляет собой
тонкую стальную мембрану, приваренную к внутреннему контуру
коробов. В зависимости от объема резервуара мембрана состоит из двух,
четырех, шести или большего числа полотнищ заводского изготовления,
сваренных между собой внахлест. Для обеспечения стока дождевой
воды мембране придается уклон к ее центру. Удаление воды с крыши
производят через гибкий шланг или шарнирную трубу, прикрепленную к
центру мембраны снизу и снабженную поворотными шарнирами.
Резервуары с плавающей крышей имеют люки, лазы, предохранительные и
вакуумные клапаны, размещенные на крыше. Для обслуживания
резервуара предусматривают внутреннюю катучую лестницу, нижний конец
+19.200
чИГ \+17,9Q0
\ Верхнее кольцо
жесткости (ходовая
площадка)
1 \1 1
Плавающая крыша
в верхнем положении
Плавающая крыша в
нижнем положении
Направляющая
труба
Рис. 2.16. Резервуар вместимостью 10 000 м3 с плавающей крышей
35

которой перемещается по специальной опорной балке (ферме),
закрепленной 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
верхнего пояса устанавливают кольцо жесткости, которое одновременно
является 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
каждом отдельном элементе кольца обычно располагают три ребра, одно
или два из которых выполняют в виде решетчатых ферм или рамы с
замкнутым 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
плавающей кровли ее укрепляют радиальными ребрами жесткости из гнутых
листов и пригружают коробами с песком. В резервуарах больших
объемов пригруз мембраны осуществляют по всей ее площади. С той же
целью 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
процессе эксплуатации. Резервуары повышенного давления наиболее
экономичны при длительном хранении нефтепродуктов (оборачиваемость не более
10—12 раз в год).
Наиболее распространенным видом резервуаров повышенного
давления являются резервуары со сфероцилиндрической кровлей. Радиус
кривизны сферической части кровли равен диаметру цилиндрической стенки
резервуара. Радиус кривизны торовой вставки принимают равным 0,1 ра-
36

диуса сферы (рис.2.17). Лепестки сферической части кровли и торовой
вставки вальцуют только в меридиональном направлении. Таким
образом, нижняя кромка крыши в плане образует многоугольник, и
сопряжение со стенкой осуществляется через верхнее кольцо жесткости.
Чтобы предотвратить подъем резервуара от избыточного давления,
которое стремится придать днищу сферическую форму, резервуары
оборудуют грунтовыми противовесами в виде анкеров с железобетонной
плитой внизу. Болты через специальные столики прикрепляют к стенке
резервуаров, а другим концом заделывают в железобетонные плиты,
размещаемые в траншее по периметру резервуара. Плиты засыпают
грунтом, который вместе с плитами противодействует подъему стенки.
Усилие в анкерных болтах можно определить из неравенства
pQnr2<G + nNa9 (2.36)
откуда усилие в одном болте
N
(2.37)
где р0 — избыточное давление, G — вес кровли, стенки и части днища
шириной 1 м, п — число анкеров.
Рис. 2.17. Вертикальный цилиндрический резервуар со сфероцилиндрической
кровлей:
а — общий вид; б — опирание кровли на стенку; в — анкерное устройство; / — эпюра кольцевых
усилий; 2 — эпюра моментов; 3 — эпюра меридиональных усилий
37

Рис. 2.18. Изотермический резервуар вместимо-
В зависимости от
значения Na определяют
сечение болта и величину зтри-
грузки (железобетонной
плиты и грунтовой
засыпки).
Конструкция и расчет
основных несущих
элементов в цилиндрическом
резервуаре повышенного
давления— стенки,
сопряжения стенки с днищем,
сферической части крыши-
стью 20000 м3 для хранения жидкого аммиака: не отличается ОТ приведен-
7 — кольцо жесткости; 2 — анкеры; 3 — железобетонная пли- ных ранее. Исключение СО-
та (ростверк) свайного основания
ставляет торовая часть
кровли. От внутреннего
избыточного давления
торовая часть в меридиональном направлении растягивается, а в кольцевом
сжимается, вследствие чего при критических нагрузках возникает
опасность потери устойчивости.
К резервуарам повышенного давления относят также изотермические
резервуары (рис. 2.18) для хранения сжиженных газов при постоянной
отрицательной температуре. Как правило, это двухслойные конструкции с
зазорами, которые заполняют теплоизоляцией (плита из стекловаты,
перлит). Размеры зазоров зависят от величины отрицательной температуры.
Крыша внутреннего резервуара торосферическая, наружного —
сферическая. Стенку резервуара укрепляют кольцевыми ребрами жесткости.
Изотермические резервуары опирают на искусственное основание,
например свайное с железобетонным ростверком, необходимым для
предотвращения промерзания грунта. Если температура хранения не ниже
-65°С, то в резервуарах применяют строительные стали, при более
низких температурах используют стали специальных марок (никельсодержа-
щие, нержавеющие), алюминиевые сплавы.
Расчет несущих конструкций изотермических резервуаров
выполняют 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
кривизны с таким расчетом, чтобы меридиональные и кольцевые усилия по
всей поверхности от гидростатического нагружения и избыточного
давления были равны между собой:
N{=N2 = const, (2,38)
т.е. в основу расчета каплевидного резервуара положено условие равно-
прочности оболочки.
Основная расчетная нагрузка, действующая на оболочку,
Р = Т/(А + Л (239)
где h — высота расчетного столба жидкости; h = р01 у,; у — расстояние
по вертикали от вершины до рассматриваемой точки оболочки (рис.2.19).
При соблюдении условия (2.38) уравнение Лапласа (1.3) приобретает
вид
N
N'
(2.40)
Характер распределения усилий от избыточного давления и от
гидростатического давления жидкости приведены на рис. 2.20.
Различают каплевидные резервуары с опорным кольцом и с
экваториальными опорами (рис. 2.21). В резервуарах с опорным кольцом
возникают зоны значительной
концентрации
напряжений, осложняющие
работу оболочки. В
резервуарах с
экваториальными опорами величины
усилий изменяются
мягче, как следствие эти
резервуары работают
более четко и оказываются
более ЭКОНОМИЧНЫ. РиС* 2Л9* Расчетная сх€ма каплевидной оболочки
39

а)
Рис. 2.20. Эпюры меридиональных Nt и кольцевых N2 усилий в каплевидной оболочке
резервуара:
а — с опорным кольцом от избыточного давления; б — то же, от гидростатической нагрузки; в — с
экваториальной опорой от избыточного давления; г — то же, от гидростатической нагрузки
2.5. Горизонтальные
цилиндрические резервуары
Горизонтальные
цилиндрические резервуары предназначены
для надземного, подземного или
полуподземного хранения
нефтепродуктов, сжиженных газов и других
жидкостей под повышенным
давлением.
Нефтепродукты хранят под
избыточным давлением до 0,07 МПа,
сжиженные газы под давлением до
1,8 МПа. В таких резервуарах
возможен вакуум до 0,1 МПа.
Горизонтальные
цилиндрические резервуары, как правило,
габаритные, т.е. их диаметр ограничен
железнодорожным габаритом и
Рис. 2.21. Каплевидный резервуар вме-
стимостью 2000 м :
опорным кольцом; б —с экваториальной обыЧНО НаХОДИТСЯ В Пределах ОТ 1,4
опор°й 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
изготовляют на заводах с использованием кондукторов и
манипуляторов — вращателей, перевозят в готовом виде и легко устанавливают в
проектное положение.
Корпус горизонтального резервуара состоит из нескольких листовых
обечаек, свальцованных на цилиндрических валках из одного или
нескольких 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
усиливают опорными и промежуточными кольцами жесткости из уголков,
приваренных 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
диаметра резервуара делают плоскими, коническими, цилиндрическими,
сферическими и эллипсоидальными. Плоские днища применяют в
резервуарах объемом до 100 м3 и небольшим избыточным давлением (до 40
кПа), конические днища применяют при избыточном давлении до 50 кПа5
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
седловидной 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
распределенной по длине оболочки интенсивностью q (кН/м). В этом случае
опорный момент равен пролетному
Ма =Ме -М-0,02145К2 *—■ (2.41)
41

/
f
N i
■ и Г
II
1
II
II
и i
ftl
II i
II ;
H i
1/
It ;
H
II i
H ;
II :
If
II
ll i
2
: II Г
II
II ;*
H / r^
L
и ■
(I :
II i
II :
II :
II
1! i
\
\\
; i
1
it
J
f— 3
1-1
3-3
1)
Рис. 2.22. Горизонтальный цилиндрический резервуар:
а — общий вид и разрезы; 5 — типы днищ; /> — плоское; ^ — коническое; 3) — цилиндрическое;
4) — сферическое; 5) — эллипсовидное; / — кольцо жесткости; 2 — опорная диафрагма; 3 — стоечная
опора
Наивыгоднейший диаметр резервуара зависит от давления:
при р0 < 0,07 МПа Dopt - 0,8 VF;
при А) > 0,07 МПа Dopl =0,6Vf. (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
весом, воздействием ветра, обледенением и др. При этом только
напряжения 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 о2 имеет максимальное значение в нижней
части корпуса
£±l£r. (2.43)
Меридиональное напряжение суммируется
1 I L'
где а\ — напряжение от избыточного и гидростатического давления на
днище, а а 2' — напряжение от изгиба резервуара под действием
поперечных нагрузок
-г. (2.44)
It
Знак приближенного равенства вызван тем, что равнодействующая
гидростатического давления приложена со смещением относительно про-
дольной оси резервуара. При критерии — > 10 резервуары на изгиб рас-
г
считывают как балку кольцевого сечения, а при критерии — < 10 — как
цилиндрическую оболочку.
Напряжения от изгиба резервуара, как балки кольцевого сечения,
равны
G Л(1г
g.U A8 '. (2-45)
W Kr2tw
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
наличие 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
определяется прочностью продольных сварных швов, условие прочности
стенки имеет вид
43

Кроме того, так как для стенки резервуара характерно плоское
напряженное состояние, должно выполняться условие (1.10).
При pQ > 70 кПа несущую способность резервуаров этого типа
определяют по специальным условиям (ГОСТ 14249-80).
Расчет стенки резервуара на устойчивость. Условие устойчивости
стенки резервуара определяется общим выражением (1.16), в котором
<j\ — меридиональное напряжение от вакуума и от изгиба корпуса
пустого резервуара; <т2 — кольцевое напряжение от вакуума в отсутствие
гидростатического давления.
Если условие устойчивости не выполняется, следует уменьшить
расстояние между кольцевыми ребрами жесткости.
Днища горизонтальных цилиндрических резервуаров
рассчитывают на прочность и устойчивость в зависимости от их типов. Прочность
сопряжения днища с цилиндрической оболочкой проверяют с учетом
изгибающего момента, возникающего вследствие внецентренного
приложения усилия от днища.
Опорные кольца жесткости и диафрагмы. Опорную диафрагму
резервуара принимают в виде кольца жесткости, подкрепленного
треугольной или иного вида диафрагмой. Наибольшие усилия MknNkB
элементах опорной диафрагмы возникают при полном заполнении
резервуара 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
жидкости воспринимает оболочка, а сварной
шов передает на кольцо сдвигающие
усилия от гидростатического давления
и веса резервуара. Сварной шов
рассчитывают на срез по сумме сдвигающих
усилий. Характер эпюр Мк и Nk в
опорном кольце представлен на рис. 2.23.
Следует отметить, что треугольные
диафрагмы необходимы для
резервуаров объемом 50 м3 и более. В
резервуарах объемом менее 50 м3 достаточно
укрепить кольцо одним горизонтальным
стержнем.
44
мк
Рис. 2.23. Эпюры Мк и Nk в кольце

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
производствах. В отечественной практике получили распространение
сферические резервуары вместимостью 600 и 2000 м3 (рис. 2.24).
Лепестки для сферических резервуаров изготовляют горячей
штамповкой или холодной вальцовкой. При холодной вальцовке плоской,
вырезанной 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
наиболее распространенными являются параллельно-меридиональный и
меридионально-экваториальный раскрой (рис. 2.25, б и в). Размеры
лепестков выбирают так, чтобы их можно было перевозить от завода по
железной 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
отдельными лепестками, укрупненными блоками и полушариями в
зависимости от принятой технологии монтажа и числа лепестков.
Сферические резервуары опирают на кольцевую опору или на
систему стоек, что предпочтительнее, так как дает большую свободу
температурным деформациям. Число стоек должно быть кратно числу лепестков
в экваториальном сечении. Стойки приваривают к оболочке и соединяют
между собой связями, обеспечивающими их пространственную
жесткость.
Расчет сферической оболочки на прочность и устойчивость.
Расчет оболочки резервуара на прочность производят на действие
избыточного давления р0 и гидростатического давления жидкости у,. Значениями
ветровой и снеговой нагрузок, а также нагрузкой от собственного веса
пренебрегают ввиду их незначительного влияния на напряженное
состояние оболочки.
Усилия в оболочке при воздействии избыточного расчетного
давления определяют по формуле
2 '
(2.46)
При расчете оболочки на гидростатическую нагрузку давление
жидкости на уровне, соответствующем углу <р (рис.2.26), определяют из
выражения:
p = yIr(l-co$q>). (2.47)
Меридиональное и кольцевое усилия в оболочке выше уровня опор
будут равны:
_г у7г2Г, 2cos2
1--
1 + coscpj
(2.48)
46

. (2.49)
Усилия в оболочке ниже уровня опор
г2
.У/г
1-cos ф
6
-cos<p
(2.50)
I. (2.51)
В частных случаях будем иметь: у
верхнего пояса (ф = 0) N] = N2 = 0; у эква-
тооа Гш =
ТОра ^ф
2- v
Рис*
/: ' * /" ' " лий в сферической оболочке
нижнего пояса (ф = 180°) Nl =y7r2 = //2.
Усилия в сферической оболочке от воздействия вакуума
Расчет корпуса сферического резервуара осуществляют в
соответствии с указаниями ГОСТ 14245-80.

Глава 3
ГАЗГОЛЬДЕРЫ
3.1. Назначение и классификация газгольдеров
Газгольдеры предназначены для хранения, смешения и
регулирования расхода и давления газов, они служат аккумуляторами,
выравнивающими 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
химической и нефтяной промышленности, в городском хозяйстве.
По своим технологическим особенностям и требованиям газгольдеры
разделяют на два типа: переменного объема (постоянного давления) и
постоянного объема (переменного давления). Газгольдеры переменного
объема предназначены для эксплуатации при низком избыточном
давлении (не выше 0,005 МПа), а газгольдеры постоянного объема — для
хранения газа при более высоком избыточном давлении (нередко более 0,4
МПа).
Газгольдеры постоянного объема имеют цилиндрическую или
сферическую геометрическую форму.
Цилиндрические газгольдеры могут быть как вертикальными, так и
горизонтальными и иметь различную форму днищ: сферическую,
эллиптическую и торовую. Объемы их колеблются от 100 до 200 м3 при
внутреннем 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 м3. Они
более экономичны по массе, расход металла на их изготовление на 40%
меньше, чем на цилиндрические.
В газгольдерах переменного объема постоянное по значению
внутреннее давление сохраняется в результате опускания или подъема
верхней части газгольдера. По конструкции газгольдеры переменного объема
разделяют на мокрые и сухие. В мокрых газгольдерах нижняя часть
заполнена водой, которая образует водяной затвор, обеспечивающий
герметичность газового пространства. В сухих газгольдерах вода
отсутствует. 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
газов, не вызывающих интенсивной коррозии стали. Они имеют объем
100—10 000 м^ и состоят из следующих основных частей (рис.3.1):
резервуара с водой 4, промежуточных кольцевых звеньев (телескопов) 2, 3,
колокола 7, внешних направляющих 5 и внутренних направляющих б. В
конструкциях газгольдеров небольшого объема телескоп может
отсутствовать. Через дно резервуара под колокол подводят трубопроводы 13 для
подачи и расходования газа.
Принимают следующие марки стали: для корпуса (оболочки)
резервуара и подвижных звеньев газгольдера при расчетной температуре ниже
Q
A
/?
)
\
/
s
/
\
/
ч
\
/// /
I
8 7
6
ft
A
i
i
>
/2 7/ /tf
Рис. З.1. Схема мокрого газгольдера с вертикальными направляющими:
а — подвижные звенья опущены; б — подвижные звенья подняты давлением газа; / — колокол;
2 — 1-й телескоп; 3 — 2-й телескоп; 4 — резервуар; 5 — внешние направляющие; б — внутренние
направляющие; 7 — верхний ролик колокола; 8,9 — верхние ролики телескопов; 10 — нижний ролик
колокола; 11,12 — нижние ролики телескопов; 13 — газоввод; 14 — колпак над газовводом с перепускной
трубой; 15 — верхние бетонные грузы; 16 — нижние чугунные грузы
49

-30° — сталь С255, при температуре выше -30° — сталь С245, при этом
необходимы дополнительные гарантии по химическому составу; для
прочих расчетных элементов — сталь С235 с дополнительными гарантиями
загиба в холодном состоянии.
Непроницаемость соединения отдельных движущихся частей
мокрого газгольдера обеспечивается гидравлическими затворами,
представляющими собой два кольцевых желоба, входящих один в другой.
При наполнении порожнего газгольдера газом колокол газгольдера
поднимается из своего нижнего положения, зачерпывает воду из
резервуара 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
газгольдера иногда может быть выполнен не стальным, а железобетонным.
Если во внутреннем объеме газгольдера требуется сохранить
сверхнизкое 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,
нижние — по внутренним стойкам каркаса, приваренным к оболочке
нижерасположенного 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
колокола) приблизительно равна среднему диаметру. Для газгольдеров малых
объемов оптимальная высота немного больше диаметра, для
газгольдеров крупных объемов — несколько меньше.
К недостаткам мокрых газгольдеров относятся существенные
колебания давления газа, а также трудность их обслуживания при
отрицательной 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
возможное 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-
50

шее возможное давление газа за вычетом веса крыши при отсутствии
снеговой нагрузки. Стрелу подъема сферического купола крыши газгольдера
назначают равной 1/15 диаметра цилиндрической части колокола.
Обвязочное кольцо крыши проверяют на устойчивость под действием
максимального давления газа на крышу.
При основных сочетаниях нагрузок (с одной и несколькими
кратковременными нагрузками, при соответствующих коэффициентах
сочетаний) учитывают: вес конструкций; давление газа и (или) воды; снег,
распределенный по всей поверхности крыши или на половине ее
поверхности; 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
направляющих ус = 0,9; для сжатых основных элементов крыши колокола
(стропила, пояса жесткости и др.) ус = 0,9; для прочих элементов ус = 1.
При расчете на прочность с учетом сейсмических сил (особое
сочетание нагрузок) принимают специальный коэффициент условий работы
у, =1,4.
Максимальное давление газа под колоколом Ртах возникает при его
наивысшем положении, его принимают с учетом собственного веса
подвижных звеньев газгольдера, уровня воды в затворах, пригрузки, а также
с учетом плотности воздуха и хранимого газа по формуле
max
4
яБ7
(ЗЛ)
где D — диаметр колокола в однозвеньевом газгольдере; Q — общий вес
колокола, телескопа, пригрузки, оборудования на подвижных звеньях,
роликов, направляющих воды в затворах; Ql — вес погружаемых в воду
частей колокола и телескопа; р5, pw, pg — плотность соответственно
стали, воды и газа.
Стенки резервуара, телескопов и колокола (крыши) выполняют, как
правило, из рулонированных заготовок. Толщину стенки резервуара
определяют по формуле
^=(P>>+^^)^/^yc, (3-2)
а толщину стенок телескопов и колокола — по формуле
K,=Pi/priRyyc. (3.3)
5!

Так как давление газа под колоколом Р мало, то расчетная толщина
стенки колокола получается незначительной и ее назначают
конструктивно 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
связей (решеткой), образующими купольную систему. Наиболее часто
применяют «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
мембраной без включения в работу стропильных конструкций. Поэтому
толщину стенки крыши определяют как для сферической оболочки по формуле
K^PMyjprc/2Ryyc, (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
системы, как пространственный сквозной призматический стержень,
загруженный сосредоточенными силами от давления наружных роликов,
передающих ветровую нагрузку, которая воспринимается телескопами и
колоколом, а также одностороннюю снеговую нагрузку на крышу колокола.
Раскладывая эти сосредоточенные силы по плоским фермам,
составляющим грани призм, и рассматривая их как консольные системы,
определяют осевые усилия во всех элементах. Наибольшие усилия возникают
в тех элементах граней, которые оказываются параллельными
направлению ветра. Кроме продольных усилий наружные направляющие могут
испытывать местный изгиб от сосредоточенного давления роликов, что
также нужно учитывать в расчете.
Горизонтальные кольца, кроме осевого растягивающего усилия,
должны быть проверены на изгиб в вертикальной плоскости от
собственного веса и вертикальной нагрузки (в пределах до 2 кН/м2).
Пригрузку составляют, как правило, бетонные плиты, которые
располагают на крыше колокола по ее наружному краю на специальной
кольцевой площадке, и чугунные элементы (грузы), которые размещают на
нижнем кольце жесткости у гидрозатвора на специальном уширении. Вес
пригрузки определяют по упрощенной формуле Q*ep -PnD2 /4.
52

Рис. 3.2. Схема винтового мокрого газгольдера:
а — общий вид; б — винтовая направляющая и ролики
Одной из
разновидностей газгольдеров
переменного объема
является геликоидальный
винтовой мокрый
газгольдер (рис.3.2). На
наружных сторонах
телескопов и колокола такого
газгольдера размещены
под углом 45°
спиралеобразные направляющие,
образующие в
пространстве отрезок винтовой
линии, а на захватывающих чашах и на круговом обводе бассейна
установлены роликовые кронштейны, которые равномерно распределены по
периметру. Направляющие вышерасположенного звена скользят между
роликами нижнего звена, в результате чего звено перемещается в
вертикальном направлении и закручивается. Движение колокола и каждой
телескопической секции направляется одним ярусом двухребордных
роликов, которые жестко соединены попарно в подшипниках, укрепленных
болтами на верхних кольцах каждой секции телескопа и на верхнем
кольце резервуара. Усилия от ветра уравновешиваются роликами,
расположенными под углом 45° к оболочке (в вертикальных плоскостях) и
передающими вертикальные усилия с плечом, равным диаметру газгольдера.
Жесткость винтовых газгольдеров обеспечивается суммарной
жесткостью резервуара и телескопических звеньев. Направляющие ролики
действуют совместно и практически не могут потерять взаимной
регулировки после окончания их монтажа.
Винтовые газгольдеры более выгодны по расходу стали, чем
газгольдеры с вертикальными направляющими, так как в них исключены
внешние направляющие со связями и уменьшена масса площадок и 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
высокую концентрацию (до 99,9% и выше) и не допускают увлажнения
(этилен, 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

Рис. 3.3. Схема сухого газгольдера объемом
100 000 м3:
/ — площадка фонаря; 2 — шайба в верхнем положении;
3 — шайба в нижнем положении; 4 — обшивка; 5 — цепная
лестница; 6 — подъемная клеть; 7—наружный подъемник;
8 — подвод газа
лочки (обшивки) 4,
сваренной с плоским днищем,
покоящимся на песчаной
подушке основания, и со
сферической крышей,
выполненной из листов
толщиной 3-4 мм, которые крепят к
каркасу в виде радиально
расположенных гнутых
швеллеров. Внутри
цилиндрического корпуса
перемещается специальная
конструкция в виде поршня
(шайбы) 3, плотно прилегающего
к внутренней поверхности
корпуса. Шайба имеет
несущий каркас и наружную
обшивку из листовой стали.
Несущий каркас образуется
пространственной
конструкцией, состоящей из
радиально расположенных стальных
балок шги ферм,
снабженных на концах роликами,
которые скользят по стенкам
корпуса газгольдера. По
очертанию поршень бывает
плоским или пологим
сферическим.
Наиболее сложной и ответственной конструкцией сухого газгольдера
является затвор, перекрывающий зазор между шайбой и корпусом.
Существуют затворы с консистентной и жидкой смазкой. Последние (рис. 3.4)
получили наибольшее распространение в отечественной практике. С
помощью рычага / с грузами 2 прижимное эластичное кольцо 3 с фартуком
4,5 удерживает газгольдерное масло 6 внутри затвора. Часть масла
просачивается через неплотности затвора и стекает по стенкам вниз, попадая в
кольцевой желоб на днище газгольдера. После очистки масло по
наружному трубопроводу подается наверх, откуда через отверстия в стенке
корпуса газгольдера стекает по внутренней поверхности стенки в затвор.
54

Поршневые газгольдеры
могут достигать весьма
больших размеров. Самый крупный
в мире сухой газгольдер
объемом 600 тыс. м3 (Германия)
имеет высоту 150 м.
В последнее время
разработаны конструкции сухих
газгольдеров, имеющих гибкую
связь шайбы с корпусом,
осуществляемую с помощью
эластичной оболочки из
специальной газонепроницаемой ткани
(рис. 3.5). Гибкая секция
(мембрана) из ткани прикреплена
как к резервуару, так и к
подвижной шайбе. При подъеме
шайбы оболочка мембраны
распрямляется, создавая
емкость для хранения газа, при
опускании гибкая оболочка
укладывается в зазор между
стенкой корпуса и защитной
стенкой шайбы.
Шайба при своем
движении должна сохранять
горизонтальное положение, для
чего предусмотрено
выравнивающее устройство (рис. 3.6),
напоминающее
приспособление для черчения из роликов и
ниток, с помощью которого
рейсшина перемещается
параллельно самой себе.
Стенки корпуса и днища
сухих газгольдеров
изготовляют в нашей стране из
рулонных заготовок. Стенка корпуса
снабжена (усилена) каркасом
из вертикальных стоек, заде-
Рис. 3.4.Поперечный разрез затвора сухого
газгольдера с жидкостным уплотнением
Рис. 3.5. Сухой газгольдер с гибкой секцией:
/ — выравнивающие ролики; 2 — трос выравнивающих
роликов; 3 — защитная стенка шайбы; 4 — каркас
шайбы; 5 — гибкая секция из прорезиненной ткани; б —
нижний листовой настил
55

Рис. 3.6. Выравнивающая система шайбы:
а — принципиальная схема выравнивающего
устройства; 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 —
козырек узла закрепления каната; 9 — сжимы для канатов
данных в фундамент, и
горизонтальных колец из прокатных
профилей. В настоящее время
все соединения элементов
сухих газгольдеров выполняют
сварными.
Сравнение удельного
расхода стали для газгольдеров
одного и того же объема
(например, 10 тыс. м3) показывает, что
в газгольдере с гибкой секцией
расход стали (28,8 т)
значительно меньше, чем в газгольдерах
поршневого типа (31,4 т), т.е. на
8,5%. Кроме того, в последних
оказалось более сложной
система уплотняющего затвора с
жидкостным уплотнителем.
Основным расчетным
элементом сухого газгольдера
является стенка корпуса, которую
рассчитывают на избыточное
внутреннее давление.
Расчетная толщина стенки
оказывается незначительной, поэтому
обычно принимается
конструктивно равной 5 мм. Так как
конструкция корпуса является
тонкостенной цилиндрической
оболочкой, то его проверяют
также на устойчивость при
отсутствии газа и наличии
вакуума. В этом случае от веса
корпуса и крыши с оборудованием,
веса снега на крыше, а также от
полезной нагрузки в корпусе
возникают продольные
меридиональные напряжения,
которые не должны превышать
критических 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
добычи. 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
станциях, где его используют для покрытия суточного и недельного
расходов, а также для обеспечения равномерного давления в газопроводах.
Наиболее рациональным типом газгольдеров в условиях поступления
газа под высоким давлением в значительных количествах и при
большом суточном обороте являются газгольдеры постоянного объема, не
имеющие подвижных частей.
Газгольдерная станция газопровода природного газа имеет общую
рабочую емкость до 500 тыс. м3 и требует большого числа газгольдеров.
Размещение газгольдеров на станции производится в соответствии с
требованиями противопожарных норм, касающихся разрывов между
отдельными газгольдерами, а также продиктовано удобством их
эксплуатации. Газгольдеры объединяют в секции: габаритные — по 10—20 шт.,
негабаритные— 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 )D, разрыв между секциями -(1/2)1, где D —
диаметр газгольдера, а I — общая длина секции.
По сравнению с газгольдерами низкого давления они требуют
меньшего расхода стали на 1 м3 свободного газа, более компактны, не
нуждаются 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
цилиндрические, горизонтальные цилиндрические и сферические.
3.3.1. Вертикальные цилиндрические газгольдеры
Вертикальные цилиндрические газгольдеры (ВЦГ) состоят из
цилиндрического корпуса, днища и крыши, которые чаще всего выполняют в
57

виде полусфер, хотя возможны и другие конструктивные формы,
например эллиптическая. Объем таких газгольдеров, например
эллиптического, колеблется от 50 до 300 м3, что позволяет делать их в основном
габаритными для перевозки от завода — изготовителя до строительной
площадки. 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
давлении газа более 0,7 МПа — однослойные габаритные газгольдеры.
Оборудование газгольдера постоянного объема состоит из
предохранительных клапанов, лаза для осмотра, штуцера для подключения
газгольдера в сеть, вентиля для спуска воды (от гидравлического испытания
или конденсата), патрубка дяя 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
газгольдеров большей высоты — шахтной или винтовой.
Основными недостатками ВЦГ являются их значительная высота,
затрудняющая эксплуатацию, и относительно малый объем, приводящий к
увеличению на станции числа газгольдеров, коммуникаций и
оборудования. Однако в тех случаях, когда речь идет об аппаратах высокого
давления, с этими недостатками приходится мириться.
Основной нагрузкой, определяющей толщину стенки
цилиндрического корпуса ВЦГ, является внутреннее давление газа. Кроме того,
необходимо учитывать собственный вес конструкций, давление воды (при
гидравлических испытаниях), сосредоточенные силы при монтаже и
другие нагрузки. Толщина стенки корпуса обычно изменяется от 8 до 36 мм,
однако стенки могут быть и большей толщины, причем все листы
однослойной цилиндрической оболочки сваривают встык, что вызывает
значительные 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 зон. Сначала создают
центральную обечайку (основу) из обычной или коррозионно-стойкой
стали либо из цветного металла. С помощью специальных навивных
машин на эту основу навивают рулонную сталь с предварительным
натяжением. Трубы отдельных обечаек обрабатывают механическим способом,
после чего осуществляется наплавка кромок. Сварку кольцевых швов
58

производят на стендах электрошлаковой сварки. Многослойные
обечайки в отличие от однослойных не требуют многократного нагрева,
уникальных термических печей и оборудования для ковки, штамповки,
калибровки и нормализации и могут быть изготовлены при практически
неограниченных габаритах и толщинах стенки. В настоящее время
изготовление многослойных обечаек полностью механизировано и
автоматизировано. Область рационального применения таких
газгольдеров — крупногабаритные сосуды высокого давления с внутренним
диаметром цилиндрического корпуса до 3 м, толщиной стенки до 400 мм и
массой до 500 т.
К многослойным сосудам давления относятся также сооружения,
создаваемые спирально рулонным способом. На центральную трубу
наматывают с предварительным натяжением или с предварительным
нагревом стальную полосу по спирали без зазора между витками. Каждый
последующий слой навивают в направлении, обратном предыдущему.
Связь слоев между собой получается фрикционной.
Спирально-рулонные многослойные корпуса обладают
существенным преимуществом по сравнению с рулонными, так как в них
отсутствуют массивные кольцевые швы, сварка которых является исключительно
трудоемкой операцией и требует специального сварочного
оборудования. Кроме того, сварные швы являются зоной повышенных напряжений.
Спирально-рулонные крупногабаритные сосуды могут 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
стальную проволоку с предварительным натяжением. Витки проволоки
располагают вплотную друг к Другу. Число слоев обмотки определяется
расчетом и может достигать нескольких десятков. Навивка проволоки
осуществляется на стационарном заводском оборудовании, если наружный диаметр
корпуса сосуда давления не превышает 3,5 м, либо специальными
намоточными машинами на месте монтажа, если его диаметр больше 3,5 м.
Возможны два вида намотки проволоки — кольцевая и спиральная.
Предварительное напряжение позволяет создать оболочку, равнопрочную в осевом
(меридиональном) и кольцевом направлениях. Область рационального
применения таких газгольдеров — крупногабаритные и
сверхкрупногабаритные сосуды с внутренним давлением до 40 МПа и выше.
Расчет вертикальных цилиндрических газгольдеров и сосудов
давления на прочность аналогичен расчету резервуаров.
59

3.3.2. Горизонтальные цилиндрические газгольдеры
Горизонтальные цилиндрические газгольдеры (ГЦГ) по своей
конструктивной форме аналогичны горизонтальным цилиндрическим
резервуарам (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
очертания путем горячей штамповки листов на специальных прессах. По
положению в пространстве ГЦГ в большинстве являются надземными
сооружениями (рис.3.7) и реже — подземными. Надземные газгольдеры, как
правило, имеют две опоры. В цилиндрической оболочке корпуса над
опорами устраивают кольца (диафрагмы) жесткости. В основном ГЦГ —
габаритные сооружения, их целиком изготовляют на заводе.
Расчетные толщины стенок цилиндрического корпуса и сферических
днищ определяют по формулам :
для цилиндрического корпуса
tw=jr(/pD/2Ryyc; (3.5)
для сферических днищ
/м =ir{JpD/4Ryyc, (3.6)
где ус = О,б — коэффициент условий работы ГЦГ.
Кольца жесткости в корпусе в местах опирания газгольдера
выполняют из составного или прокатного тавра, приваренного к стенке корпуса.
4
Рис. 3.7. Горизонтальный газго.н.лер постоянного объема
60

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 = (G127ir)sin ф, (3.7)
где Fo = Gllnr — максимальное значение сдвигающего усилия в месте
сопряжения кольца жесткости со стенкой; G — общий вес газгольдера с
оборудованием и водой; ф — угловая координата.
При 0 < ф < п/ 2 продольную силу N определяют по формуле
(3 8)
1 )
4 4 2 )
Кольца жесткости проверяют на совместное действие момента (см.
эпюру моментов на рис. 3.7) и продольной силы. В условную площадь
поперечного сечения кольца жесткости включают часть стенки корпуса (на
рис. 3.7 — разрез 2-2). В газгольдерах с небольшим значением
внутреннего избыточного давления кольцо жесткости выполняют из уголка,
согнутого на перо и усиленного дополнительными стержнями (по типу
опорных колец СГЦР).
3.3.3. Сферические газгольдеры
Сферические газгольдеры (СГ) являются наиболее рациональным
типом по расходу стали для газгольдеров постоянного объема. Однако
относительно 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
железнодорожные габариты и поэтому не могут полностью изготовляться на заводе с
доставкой в готовом виде на строительную площадку.
Диаметр корпусов СГ обычно принимают равным 10...12м. Их
опирают на стойки, число которых принимают кратным четырем (4; 8; 12
стоек). Обычно стойки сферических газгольдеров устанавливают таким
образом, 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
изготовления. Они прижимаются друг к другу внутренним давлением газа в
процессе эксплуатации газгольдера. Многослойные сферические
газгольдеры можно применять при давлении газа до 2,4 МПа.
Конструктивное оформление и методика расчета сферических
газгольдеров такие же, как для сферических резервуаров для хранения
сжиженных газов (см.п.2.2.6).
61

Глава 4
БУНКЕРЫ И СИЛОСЫ
4.1. Общие сведения
Бункерами и силосами называют емкости, предназначенные для
хранений и перегрузки сыпучих материалов (рис. 4.1). Силосы, как правило,
бывают круглыми в плане. Бункеры отличаются большим разнообразием
конструктивных решений. Их подразделяют на
пирамидально-призматические, лотково-призматические, гибкие (параболические), гибкие с
жесткими разгрузочными воронками и конусно-цилиндрические.
Бункеры могут находиться как внутри здания, так и на открытом
воздухе. Загружают бункеры механическим или пневматическим способом
через отверстия в верхнем перекрытии. Разгрузка производится под
действием массы сыпучего материала при открывании выпускных
отверстий. Для улучшения условий разгрузки бункеры и силосы
заканчиваются снизу суживающейся частью, называемой воронкой. Наименьший
угол наклона стенки воронки к горизонту на 5—Ш° превышает угол
естественного откоса сыпучего материала.
В зависимости от вида
разгрузочного устройства и
механических характеристик сыпучего
материала выпускные отверстия
бункеров и силосов могут иметь
круглую, квадратную,
прямоугольную или вытянутую
щелевую форму в плане. Размер
выпускного отверстия
«г
щ
Ч
к
/
щ
а
/
\1
а0 = к (Ь + 80) tg(p,
(4.1)
Рис. 4А. Емкости для сыпучих материалов:
/ — стенка; 2 — воронка; 3 — выпускное отверстие
62
где а0 — сторона квадрата или
диаметр D выпускного отверстия,
мм; h=2,4—2,6 — опытный
коэффициент; Ь — максимальный
размер кусков сыпучего материала,
мм; ф — угол естественного
откоса сыпучего материала, град.

Размеры выпускных отверстий а0 изменяются от 300 (для сухого
песка) до 1500 мм (для крупной руды, скрапа, угля-плитняка).
В бункерах, предназначенных для хранения твердых кусковых
материалов, внутреннюю поверхность наклонных стенок футеруют, чтобы
предохранить стенки от истирания и образования вмятан 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
силосов изготовляют из углеродистой стали, а гибких бункеров — из
низколегированной. Конструкции бункеров и силосов выполняют сварными
с соединением элементов встык. Соединения внахлестку допускают
только как монтажные. В некоторых случаях монтажные соединения
делают 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
пирамидально-призматические и лотково-призматические. Они состоят из
верхней призматической части и нижней части (воронки), имеющей форму
усеченной пирамиды или лотка большой протяженности.
Вертикальные стенки образуются, как правило, бункерными
несущими 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
сооружения в продольном направлении бункерной эстакады обеспечивается
продольными связями.
Лотково-призматический бункер представляет собой большой
протяженности лоток призматической формы, имеющий в днище ряд
отверстий, предназначенных для выпуска сыпучей массы (рис. 4.3). Боковые
стенки бункеров могут быть вертикальными или наклонными; течки
могут иметь форму суживающихся книзу воронок.
Бункеры этого типа так же, как и пирамидально-призматические,
относятся к числу жестких, сохраняющих постоянную форму в процессе за-
гружения и разгрузки. Это позволяет выполнять их несимметричными с
63

"
2Т
12
д)
Рис, 4.2. Пирамидально-призматический бункер:
а — общий вид; б — стык ребер жесткости воронки; в — конструкция выпускного отверстия; г.д —
варианты сопряжения воронок с бункерными балками; / — бункерная балка; 2 — воронка; 3 — ребра
жесткости воронки; 4 — ребра жесткости бункерной балки
Рис» 4.3. Лотково-призматический бункер
произвольным расположением выпускных отверстий. Поперечная
жесткость бункера, показанного на рис. 4.3, обеспечивается специальными
седловидными рамами 1 с распорками 2, расположенными между
воронками.
4.2.2. Основные положения расчета
Бункеры с плоскими стенками рассчитывают на воздействие
следующих нагрузок: от веса конструкций (1-1,2 кН/м ), снеговой и ветровой еа-
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: от веса конструкций у^= 1,05; от давления сыпучего материала
Уу= 1,3; от ветра уу= 1,2. Коэффициент условий работы ус для обшивки и
бункерных балок принимают равным 0}8, для остальных
конструкций — ус = 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
M = Mb -4y/PJ2N I K3(N + Ne\ (4.2)
где Mb — изгибающий момент для простой балки в середине пролета;
7V7 — продольное растягивающее (цепное) усилие в обшивке,
определяемое по формуле
(/-v2)24
/ — расстояние между ребрами жесткости; Ne -n2Et3 /12(1- v2)/2.
Вертикальное qn и горизонтальное рп нормативные давления
сыпучего материала в бункерах определяют по формулам:
Ч»=РУ> Р»=кРУ> (4-4)
где р — удельный вес сыпучего материала; к = tg2 (45° - ср/2) —
отношение горизонтального давления к вертикальному; ср — угол естественного
откоса сыпучего материала;^ — расстояние от верха сыпучего материала
до рассматриваемого сечения.
При расчете стенок воронки по формулам (4.3), (4.4) вместо рп
подставляют значения нормативного давления сыпучего материала,
направленного перпендикулярно наклонной поверхности воронки,
/V =^(cos2cc + A sin a), (4.5)
где qn принимают по формуле (4.4).
Прочность обшивки проверяют по формуле
a = Nlt± Mmax /W=N/t ±6Mmax it2 < Ryyc, (4.6)
3-447 65

где W^/6 — момент сопротивления полосок в обшивке шириной 1 см;
Ус = 0,8.
Для участков в верхней части бункера необходимо учитывать
напряжения в обшивке, развивающиеся от усилия Nby,
o = N/t + Nby/ г ±6Mmax 112 < Ryyc, (4.7)
где Nby = N2p Vy[2(ay -f by )\ ay, by — размеры в плане бункерной воронки
на уровне у, м;
Гу = (hy/3)[ayby + (ay + ао)фу + bo) + aobo] + hxab\
hb a, b —высота и размеры в плане призматической части бункера;
hy — высота воронки с материалом.
Максимальные значения прогиба пластинки определяют по формуле
/ = , 4Рп' <[/] = — /- (4.8)
n3{N + Ne) Ui 50
Горизонтальные ребра жесткости пирамидальной части бункера
выполняют из уголков, приваренных пером к обшивке с наружной стороны.
Полка уголка может располагаться горизонтально (рис.4.2, б), что
позволяет объединить смежные уголки в жесткую рамку, однако часто
располагают 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
o = N/Ap+M/WpuRyyc, "(4.9)
где Af = 9/,/J,2/8;?/,=y/peill(A/+Af+I)/2sina;^ = 9/,6y/2; yc=l; Ару
Wp —соответственно площадь и момент сопротивления ребра с приле-
гающей к нему частью обшивки шириной, равной l,3t^JE / Ry.
Прогиб проверяют по формуле прогиба балки с защемленными
концами
/st.
384 EJr 250
Бункерные балки рассчитывают как однопролетные шарнирно
опертые на действие вертикальной и горизонтальной нагрузок от конструк-
66

а)
Я,
яшмшшш
ЯРЩУЗЬ
/Ч
г)
V \
1
н
Рис. 4А Расчетная схема бункерной балки:
а — действующие нагрузки; б — 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
нагрузки 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 Н будут равны: Н^рк^б; H-fg ctg a ~-phx /3 -ра h2 /2sin а .
Силы N характеризуют действие балок смежных граней, загруженных
нагрузками Н.
4.3. Гибкие бункеры
4.3.1. Конструктивные особенности
Гибкий или висячий бункер представляет собой открытую
(незамкнутую) цилиндрическую оболочку нулевой гауссовой кривизны,
подвешенную к двум продольным несущим балкам, опирающимся на колонны
(рис. 4.5). По торцам бункеров устраивают жесткие вертикальные
стенки-диафрагмы. Благодаря отсутствию ребер жесткости и работе стенок в
основном на растяжение гибкие бункеры являются наиболее
экономичными по расходу стали сооружениями для хранения сыпучих материалов.
67

Ith
i
ill
I
4
2
-p
ч"
5
^
1} j ( I \ \ \ П>| l yi
III «i
i <J 11
hi-
^i 7
/
J
N
1-1
V
' 11
\
\
b/2
JU-L
./
b/2
Рис. 4.5. Гибкий (параболический) бункер:
/ — оболочка; 2 — продольная балка; 3 — поперечная балка-распорка; 4 — торцевая стенка; 5 — тяжи;
6 — течки; 7 — колонна
Для определения формы гибкого бункера используют следующие
зависимости (см. рис. 4.5):
y = 2f[3(x/b)2-2(x/b)3l (4.10)
y~4f{xlb)\ (4.11)
Площадь поперечного сечения бункера и его объем определяют по
формулам:
A = (5/S)Jb; К = (5/8Х/ЪД (4.12)
где L — длина бункера (см. рис. 4.5).
Пролет гибкого бункера Ъ определяют из выражения
(4.13)
где Rs, Rf — соответственно расчетные сопротивления стали оболочки и
футеровки, кН/см2; tf—толщина листов футеровки, см; р — удельный
вес сыпучего материала, кН/см3; h — высота бункера, см.
Оптимальное соотношение пролета бункера к высоте оболбчки 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
При 6/f = 1,4 получаем F = (yfp b2IA) [1 + (3/2) (А/?)], а минимальное
расчетное цепное усилие в нижней точке днища
FQ = F/D, (4.15)
где D= 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
/-/ по формуле
/,_, =F, /(Ryyc), (4.16)
где Fi =F - 4(F -F0)(S IL), кН/см; yc=l; S — расстояние от точки
подвеса гибкого бункера до рассматриваемого сечения /-/, м;
(1 + 4yjf I Ъ) — длина криволинейного контура оболочки
,J2-L+.b
бункера, м (при b/f- 1,4 1= 1,86).
Минимальную толщину стенки висячей оболочки бункера t
принимают 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 балки
оказывается тонкой, поэтому на опоре ее проверяют на срез и
устойчивость от действия только касательных напряжений
\™^-' is<^ (417)
где хсг — 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
работу на изгиб составного сечения, состоящего из ребра и примыкающей к
нему стенки шириной, равной l,3tJE I Ry.
4.4. Сняоеы
Современные силосы используют для хранения как
продовольственных 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 сшюсов (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
алюминиевых сплавов с толщиной листов 1,5-5 мм. Листы соединяют между
собой на сварке, болтах, дюбелях
или с помощью фланцев. В
зависимости от способов монтажа си-
лосов вертикальные швы между
листами располагают вразбежку
или по одной линии. При
сооружении силосов из сборных
плоских элементов возможны
квадратная, прямоугольная или
полигональная в плане формы
каждого силоса.
Для наиболее
распространенных в плане круглых (рис. 4.6)
металлических силосов возможны
следующие способы их
возведения:
• сборка корпуса из гладких,
волнистых или горизонтальных
заготовок;
в сборка корпуса из тонколи-
Рнс. 4.6. Круглый силос: г
- „ _ стовых мембранных панелей,
а — общий вид; б, в — узлы сопряжения воронки и г
цилиндрической части 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
нагрузкам, действующим на вертикальные стенки, относятся:
горизонтальное давление сыпучих материалов и дополнительное — от
температурных воздействий; ветровое воздействие на корпус незаполненного
силоса; 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,
предназначенными для транспортирования различных газов, жидкостей, пылевидных и
разжиженных масс. Протяженные трубопроводы большого диаметра
называют магистральными трубопроводами (СМТ). Область их
применения велика: магистральные газопроводы; нефтепроводы; углепроводы;
напорные трубопроводы гидравлических электростанций и
циркуляционные трубопроводы ТЭС и АЭС; заводские газопроводы и воздуховоды
металлургических заводов, нефтехимических заводов; подводные
трубопроводы (дюкеры). Они являются исключительно металлоемкими и
дорогостоящими сооружениями.
По месту укладки и типу опирания трубопроводы могут быть
надземными, лежащими на отдельных опорах; подземными, уложенными в
грунт (в траншеях, канавах, насыпях и штольнях) или на опоры в
тоннелях; 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<D< 1000 мм; 3 класс — 300<£><500 мм; 4
класс — £><300 мм.
В зависимости от внутреннего давления трубопроводы делят на
напорные 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
специализированных заводах. Операции изготовления состоят из правки листов,
обрезки и подготовки кромок листов, вальцовки или свивки (при
спиральных швах) труб, автоматической сварки продольного
(меридионального) стыка, гидравлического растяжения труб (для выравнивания
дефектов формы кольцевого сечения), очистки и защиты наружной
поверхности труб от коррозии.
Трубопроводы изготовляют из следующих сталей (по ГОСТ 27772
-88):
72

• трубопроводы, работающие при температурах от -40° С до +350° С
и внутреннем давлении до 2,5 МПа, при отсутствии коррозионной
среды— С245н-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
расхода стали в трубопроводах являются: увеличение диаметра труб и
повышение давления; применение сталей повышенной и высокой прочности;
уточнение нагрузок, условий работы трубопроводов и
совершенствование методики их расчета; уменьшение числа стыков и компенсаторов;
увеличение пролетов надземных трубопроводов; применение
самокомпенсирующихся надземных трубопроводов с использованием
предварительного напряжения; применение переходов трубопроводов через
естественные препятствия (реки, водоемы, дороги) в виде самонесущих
арочных 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,
качеством 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
большого 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
специальных сборочно-центровочных устройств, позволяющих осуществлять
строительство магистральных трубопроводов поточным методом
непрерывного наращивания труб в «нитку».
5.2. Нагрузки и воздействия на трубопроводы
К основным нагрузкам (рис. 5.1) относят: внутреннее давление
жидкости с учетом гидравлического удара или давление газа; продольные
силы, вызываемые внутренним давлением жидкости или газа при измене-
73

Рис. 5.1. Поперечные нагрузки, действующие на надземный трубопровод, лежащий на
отдельных опорах:
а — собственный вес; б — вес пыли; в — давление конденсата; г — давление жидкости при частичном
заполнении трубопровода; д — равномерное внутреннее давление газа; е — вакуум; ж — ветровая
нагрузка; з — нагрузка от обледенения
нии диаметра трубопровода и на его поворотах, а также силы,
действующие 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;
воздействия, 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
регулирующих 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,
возникающие при гидравлическом испытании трубопровода.
74

К особым нагрузкам и воздействиям относят сейсмические
воздействия, давление воды при катастрофических паводках, сильные осадки
грунта, оползни и т.п.
5,3. Конструирование м расчет надземных трубопроводов
5-3.1. Конструирование трубопроводов
Надземные трубопроводы имеют две разновидности расчетных схем:
разрезную и неразрезную. Разрезная схема состоит из отдельных
участков, связанных между собой компенсаторами.
Участки могут быть прямолинейными (протяженными)
криволинейными или ступенчатыми. Криволинейные участки имеют отводы,
развилки 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
должен оставаться постоянным.
Анкерные опоры устанавливают в местах изменения направления оси
трубопровода (оси трассы), а также на прямолинейных участках,
превышающих предельную длину участка трубопровода между
компенсаторами, на котором трубопровод имеет продольную подвижность. Длина
этого участка зависит от температурного перепада, от площади поперечного
Рис. 5.2. Схема напорного трубопровода гидроэлектрической станшш:
/ — анкерные опоры; 2 — промежуточные опоры
75

1275-
1275
Рис. 53, Катковая опора трубопровода
сечения трубы, от
величины продольных сил,
давления жидкости (или газа)
при изменении диаметра
трубопровода, а также от
давления на торец
компенсатора и трения в
сальниковом компенсаторе при
изменении температуры.
Промежуточные опоры
надземного трубопровода
должны обеспечивать
возможность его осевого
(продольного) 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
диаметра трубопровода. При диаметрах до 0,5 м наиболее выгодным
оказываются седловидные опоры, при диаметре 0,6—1,2 м — скользящие. При
диаметрах свыше 1,2 м — катковые и качающиеся опоры. Трубопроводы
76
Рис. 5.4. Трубопровод на качающихся опорах

Рис. 5.5. Подвесная опора трубопровода
Рис. 5.7. Седловая опора
трубопровода
Рис. 5.6. Скользящая опора трубопровода:
/ — опора; 2 — сварные швы; 5 — бетонная подушка
опирают на промежуточные опоры при
помощи жесткого кольца, приваренного к корпусу
трубы. Не допускается расположение опор
трубопровода под сварными стыками труб.
Сварной 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
воздействиях) угловой подвижности трубопровода
при его деформациях. Подвижность в
компенсаторе обеспечивается за счет перемещений
гибких из своей плоскости кольцевых полос (рис.5.8) или путем
деформаций набивки сальника (рис. 5.9).
Все стыковые сварные швы при диаметрах труб более 1000 мм
должны быть V-образными или Х-образными. При осуществлении V-образ-
ных швов необходима подварка корня с обратной стороны.
Конструкция соединений должна обеспечивать наименьшие
гидравлические 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
обеспечивают постановкой ребер жесткости, размещаемых снаружи по отношению к
трубе, а не увеличением толщины стенки трубы, принятой по условиям
77

а)
ш
Монтажный шов
Рис. 5.8. Схемы гибких компенсаторов заводских
газопроводов диаметром 0,6-3 м:
а — П-образный компенсатор; б — линзовый компенсатор
$70
$60
обеспечения ее прочности.
При этом с целью
уменьшения отрицательного влияния
краевого эффекта наружные
кольца жесткости
располагают от кольцевых швов на
расстоянии £ > 0,6vrr.
Для снижения величины
остаточных сварочных
напряжений и упрощения
сварки продольных швов
трубопровода стыки колец
жесткости смещают по отношению
к продольным швам, причем
стыки колец жесткости сва-
Ю*Ю6
Рис. 5.9. Компенсатор сальникового типа трубопровода гидроэлектростанции:
а — вид сбоку; б — разрез по /-/; в — разрез по 2-2; I ■— резиновый шнур; 2 — пеньковая оплетка
78

J
61
4
\
\
-3
Рис. 5.10. Конструктивные узлы трубопровода большого диаметра:
а — примыкание кольца жесткости к оболочке; б — расположение люка или лаза в углу листа; в —
размещение люка (лаза) внутри контура листа; /, 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,
участок 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
жесткости. 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
сечения (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
стенкой, оказываются предпочтительнее других типов колец, так как при
одинаковой с ними жесткости они требуют меньшего расхода стали.
Габаритные трубы (диаметром до 3,25 м включительно) изготовляют
на заводах звеньями длиной до 18 м. При больших диаметрах
трубопроводов свальцованные листы доставляют на строительную площадку
россыпью (в пакетах) и сваривают на месте.
79

Рис. 5.11. Типы колец жесткости трубопровода большого диаметра
Для возможности монтажа, ремонта и наблюдения за техническим
состоянием 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
трубопровода устраивают лазы (см. рис. 5.10).
5.3.2, Основы расчета
Надземные трубопроводы, располагаемые на отдельных опорах,
рассчитывают как балку кольцевого сечения с учетом граничных условий на
опорных контурах трубопровода. Стенки трубопроводов рассчитывают
на прочность и устойчивость. Толщину стенки трубы определяют из
условия обеспечения прочности продольных стыковых швов и от
совместного действия продольных и кольцевых напряжений — по формулам
(2.43) —(2.46).
Опорные кольца надземных трубопроводов рассчитывают на
сдвигающие (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
кольцо, разрезанное в своем верхнем сечении. В этом случае имеются два
лишних неизвестных ( момент Хх и продольная сила Х2)9 действующих в
верхнем поперечном сечении кольца.
Возникающий при определенных эксплуатационных условиях
вакуум в трубопроводе может вызвать потерю устойчивости его стенки.
Критическое внешнее давление при потере устойчивости бесконечно
длинной трубы определяют по формуле
(п2 -
Р =■
Ъгъ
(5.1)
80

где п — целое положительное число, соответствующее наименьшему
значению Pcr; EJ— жесткость на изгиб участка стенки трубы шириной
(6).
При действии на трубопровод (без колец жесткости) нагрузок,
вызывающих не только сжатие, но и изгиб стенок, также может произойти
потеря устойчивости стенки трубы. Значение изгибающего момента в
критическом состоянии трубы под действием на нее радиальной нагрузки
определяют по формуле:
PrW 1
Мсг- — - , (5.2)
2 \~Р!РСГ
где Р — расчетное давление; Рсг — критическое давление; W—
наибольшее радиальное перемещение стенки трубы.
При установке колец жесткости величину критического давления для
трубы можно определять по формуле М. Леви:
где J — момент инерции кольца жесткости с учетом участка трубы,
работающего совместно с кольцом на длине а + 1,56-Jrt; a — длина касания по
образующей элемента жесткости с трубой; / — расстояние между
соседними 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 вид
Р^РсггУ*, (5-4)
где Pv — нагрузка от вакуума; Pcrv — критическое давление от вакуума;
ус= 0,65 — коэффициент условий работы надземного трубопровода при
расчете на устойчивость.
Критическое напряжение сжатой зоны трубы надземных
трубопроводов большого диаметра может быть определено по формуле
асг=0,25-. (5.5)
г
Если расчетное продольное сжимающее напряжение в стенке
надземного трубопровода превышает значение, равное 0,65асгз то устойчивость
сжатой зоны трубы рациональнее обеспечить не утолщением стенки
трубы, а постановкой продольного ребра жесткости, приваренного вдоль
верхней образующей трубы в середине пролета и вдоль нижней образую-
81

щей трубы у опор ( в случае, если принята неразрезная расчетная схема
трубопровода).
5А 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
давление в трубе; осевые силы, вызываемые поперечной деформацией
трубы; усилия, появляющиеся в местах поворота трубопровода, переломов
профиля трассы и изменения диаметра трубы; давление жидкости,
заполняющей трубу (рис. 5.1, г); давление и упругий отпор засыпки,
окружающей трубу; температурные воздействия.
Расчетная схема подземного трубопровода должна отражать
взаимодействие конструкции с окружающим ее грунтом, который является не
только нагрузкой, но также и упругой средой, в которой протекают
деформации трубопровода, что существенно снижает изгибающие
моменты и повышает несущую способность конструкции трубопровода.
Схему прокладки подземных трубопроводов обычно принимают
такой же, как и надземных трубопроводов с компенсационными участками.
5.4.2. Основы расчета подземных трубопроводов
Подземные трубопроводы, лежащие на сплошном основании и
засыпанные землей, различают по расчетным схемам в зависимости от
наличия 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
ширины.
В обоих случаях производят расчет на поперечные нагрузки и
воздействия.
При одновременном действии на подземную трубу наружных
нагрузок и внутреннего давления (рис. 5.12) круглое поперечное сечение трубы
может принять эллиптическую форму. Уравнение упругой линии
поперечного сечения трубы в этом случае может быть задано в следующем
виде:
82

24EJ
(5.6)
где ge и 9 обозначены на рис. 5.12,
Изгибающий момент в
произвольном сечении стенки трубы
можно определить по формуле
8
(5.7)
поэтому радиальное перемещение
трубы от равномерной нагрузки
будет равно
(5.8)
3EJ
Рис. 5.12. Расчетная схема гибкой трубы
при одновременном действии наружной
нагрузки и внутреннего давления
В деформированной трубе (рис.
5.12) внутреннее равномерное давление Ро вызывает в поперечном
сечении трубы изгибающий момент
М, =-Ponvo, (5.9)
где Ро — нормальная сила от внутреннего давления; vv0 — радиальное
перемещение 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
ЪЕЗ
(5.10)
откуда
где
М = к{М0,
3EJ
Влияние отпора грунта для подземного трубопровода возрастает с
повышением плотности грунта и с увеличением отношения - 1 Влияние
засыпки как среды, окружающей подземный трубопровод, может быть
учтено коэффициентом к2
83

—, (5.11)
E\J)
где к — коэффициент сопротивления (отпора) грунта, кН/см3; X —
коэффициент, зависящий от формы эпюры (эллипс, парабола и др.) и
направления отпора грунта (горизонтальное, радиальное, тангенциальное).
Значения коэффициента 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
отпора грунта формула для определения изгибающих моментов принимает
следующий вид
М2=кхк2М0. (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 Г2° в нем возникает
осевое растягивающее усилие N?, равномерно распределенное по площади
поперечного сечения трубы:
N° = 2nrtwEa (if —12), (5.13)
где а ~ 0,000012 — коэффициент линейного расширения стали.
Неравномерное нагревание вызывает появление изгибающих
моментов в продольных сечениях трубопровода
где J = nr*tw—момент инерции кольцевого сечения трубы; t® и
г£ — температура соответственно на внутренней и наружной
поверхностях стенки трубы.
В результате напряженное состояние стенки подземного
трубопровода определяется по формулам:
а,=^; (5.15)
84

т=-, (5.17)
К
где Т— сдвигающее усилие, отнесенное к единице длины оболочки
(трубы).
Для безнапорных трубопроводов и трубопроводов низкого давления
усилия N2 невелики и наибольшие кольцевые напряжения а2 являются
изгибающими, а продольные напряжения о{ — осевыми.
В напорных трубопроводах усилия N2 значительны, что может
привести к неблагоприятному их сочетанию с усилиями Nt и выззать хрупкое
состояние материала.
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы стальных конструкций./ В.В.
Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В. Горева. — М.: Высшая школа, 1997.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий./ В.В. Горев, Б.Ю.
Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В. Горева. — М: Высшая школа, 1999.
3. СНиП П-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. — М.: Стройиз-
дат, 1991.
4. СНиП 2.01.07-85. Нормы проектирования.Нагрузки и воздействия. — М.: Стройиз-
дат, 1985.
5. Поповский Б.В., Дикун В.Н. Изготовление и монтаж крупногабаритных листовых
конструкций. — М.: Стройиздат, 1983.
6. Беленя Е.И., Астряб СМ., Рамазанов Э.Б. Предварительно напряженные
металлические листовые конструкции. — М.: Стройиздат, 1979.
7. Веревкин С. И. Газгольдеры. — М.: Стройиздат, 1966.
8. Лессиг Е. Н., Лилеев А. Ф., Соколов А. Г. Листовые металлические
конструкции.— М: Стройиздат, 1970.
9. Клейн Т.К. Расчет труб, уложенных в земле. — М.: 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
превышает их размеры в плане. Это большой класс сооружений разнообразных
по назначению и конструктивной форме. По характеру статической
работы они могут быть разделены на башни, работающие как консоли,
заделанные в основании, и на мачты, представляющие собой ствол,
поддерживаемый оттяжками и работающий как балка на упругих опорах.
Высотные сооружения могут быть отдельно стоящими (телевизионные опоры,
буровые вышки, водонапорные башни и др.) или входить в систему
совместно работающих опор, связанных между собой канатами,
проводами, пролетными строениями (опоры воздушных линий электропередачи,
опоры проволочных антенн, опоры канатных дорог и т.п.). По
конструктивному решению высотные сооружения могут быть решетчатыми и
сплошными. Решетчатые (сквозные) сооружения выполняют из
профилей 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
6.2.1. Собственный вес конструкций
Собственный вес конструкций определяют по данным аналогичных проектов. Для
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 определе-
86

ния среднего веса 1 nor. м конструкции g, то его значение на высоте Я, (при общей высоте
сооружения Я) нетрудно определить по формулам:
для башен
3(1 -Я,/ Я)2];
(6.1)
для мачт
- ЗЯ,1Н\ (6,2)
В некоторых источниках приводят более точные данные, например номограммы для
определения веса конструкций вытяжной башни в зависимости от ветрового района,
высоты и диаметра газоотводящего ствола [5].
6.2.2. Ветровая нагрузка
Направление ветра по отношению к сооружению в плане
может меняться произвольно, поэтому вначале решим вопрос, какое
направление ветра будет наиболее опасным. Рассмотрим
четырехгранную башню. При направлении ветра на грань (рис. 6.1) в
работе 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
одновременно принадлежат двум смежным граням. Следовательно,
опасным направлением ветра для поясов является направление на
диагональ, а для решетки — на грань.
Для удобства выполнения расчетов сооружение разбивают на
несколько участков (для башен обычно 7... 15, в зависимости от
высоты, для мачт — по числу ярусов оттяжек), принимая в пределах каждого участка
нагрузку постоянной интенсивности, а геометрические размеры одинаковыми. Величину
нагрузки определяют в соответствии с требованиями норм проектирования [4]. Высотные
сооружения рассчитывают с учетом динамической составляющей ветровой нагрузки, которая
зависит от периода собственных колебаний.
Определение периода собственных колебаний. Частоты и соответствующие им
формы колебаний определяют по правилам строительной механики.
Приближенно период собственных колебаний башни по основному тону (по первой
форме) вы можете определить по формуле
Рис. 6.1.
Распределение ветровой
нагрузки
(6.3)
— ординаты упругой линии консольного стержня от действия единичной поперечной
силы, приложенной на свободном конце.
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
коэффициенты динамической связи являются нелинейными функциями перемещений узлов.
Подобный расчет чрезвычайно сложен, поэтому удобнее пользоваться приближенным
методом приведения массы, заключающимся в замене системы с распределенными массами
системой с одной сосредоточенной массой при одной степени свободы. Несмотря на 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
определяют по формулам:
где М — приведенная к верхней опоре масса ствола; К — приведенная к верхней опоре
жесткость (восстанавливающая сила); т — линейная масса ствола; / — высота мачты;
v,- — жесткость j-ой опоры (оттяжечного узла); xif xr — расстояния до г-ой 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: U = 50,4 м, /2 = 54,0; длина
консоли /3 = 16,2 м. Жесткости опор: v\— 475,8 и vi = 222,7 кН/м.
Приведенная к верхней опоре мачты масса (на отметке 104,4 м) Л/=25,45103х
х120,62/(3 104,42) = 11,32-103 кг, а приведенная восстанавливающая сила АГ=475,8х
х50,42/104,42 + 222,7 = 333,6 кН/м. Период колебаний Т = 6,28^11,32-103/333,6-103 =
=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 10... 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
высоте сооружения имеет максимальное значение. Для некоторых элементов высокого
сооружения (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
вычислять относительно точки схода поясов, исключая тем самым из уравнений равновесия
усилия в поясах (рис.6.2, я, б). Для учета зонального действия ветра эпюру ветровой
нагрузки выше сечения, в котором находится расчетный элемент, представляют в виде двух
участков (зон). На одном из участков эпюра сохраняет свое максимальное значение, на другом
может быть принята уменьшенной (рис. 6.2 г, д\ при этом следует рассматривать обе
возможные схемы спада ветровой нагрузки. Уровень раздела эпюры на зоны определяется
положением точки схода поясов.
Уменьшенное значение ветровой нагрузки можно определить с помощью графика
(рис. 6.2, ж) по формуле
б, = Хб. (6-6)
где Q — расчетная ветровая нагрузка; % — коэффициент спада ветровой нагрузки; z —
плечо 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-
i
88
ют при размерах площадки более 15 м2. Если площадки частично защищены от прямого воз-

в)
г)
е)
/
\
ж)
z,u
40
30
20
10
О
а, б
0.3 0,4 0,5 0,6 х
Рис. 6.2. Зональное действие ветра:
расчетные схемы для определения усилий в раскосах и распорках; в — схема максимальной
ветровой нагрузки; г, ду — схемы спада ветровой нагрузки для башен; е — то же, для мачт; ж — график
для определения спада ветровой нагрузки
действия ветра оборудованием, то следует учитывать снеговую нагрузку независимо от
размеров площадки, принимая во внимание скопление снега вокруг оборудования.
Нормативную снеговую нагрузку на 1 м2 площади площадки определяют как и для
зданий по формуле 2.19 [2]. При этом коэффициент (перехода от веса снегового покрова земли
к снеговой нагрузке на площадку при отсутствии специальных технических условий вы
можете определять, условно заменяя габаритные размеры технологического оборудования
эквивалентным диаметром Д принимая: при 1,5<£><5 м ц=1,6; при 5<Z><10 м ц=2; при
1CKIK15 м ц=2,5. 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 зону скопления снега
определяют для каждого из них.
Нагрузку от пылевых отложений учитывают, если не предусмотрены специальные
мероприятия 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/Ддя
гололедной нагрузки принимают равным 1,3, за исключением случаев, оговоренных в
специальных нормативных документах.
89

Давление ветра на покрытые гололедом поверхности принимают равным 25%
нормативного значения. Температуру воздуха при гололеде независимо от высоты сооружения
принимают в горных районах с отметкой более 2000 м — минус 15°С, 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-,
четырех- и многогранные; по конфигурации — без переломов граней по
высоте и с переломами граней; по схеме решетки — с треугольной,
ромбической, крестовой и другими решетками.
Наибольшее распространение получили четырехгранные башни.
Трехгранные башни менее металлоемки, не требуют устройства
диафрагм для обеспечения неизменяемости контура, менее чувствительны к
осадкам фундаментов, имеют меньшее число сборочных элементов, но,
вместе с тем, им присущи существенные недостатки. Расположение
граней в плане под углом 60° не позволяет
применять для поясов обычные уголки и крестовые
сечения из них, усложняются узлы
сопряжения элементов. При взгляде на такую башню
сбоку параллельно одной из граней она
кажется асимметричной, а вблизи — «падающей»,
что делает ее непривлекательной с
эстетической точки зрения.
Многогранные башни также уступают
четырехгранным по конструктивным и
технологическим показателям. По расходу стали они
могут оказаться более экономичными лишь
при большой высоте. Их применяют
исключительно редко, главным образом в уникальных
конструкциях, исходя из архитектурных
соображений.
Основные конструктивные элементы че-
Рис. 6.3. Конструктивные ТЫрехгранной башни с ромбической решеткой
элементы башни: , Л .
показаны на рис. 6.3. Аналогичную конструк-
/ — пояса; 2 — раскосы; 3 —
дополнительная распорка; 4-рас- ВДЮ имеют отдельные грани трех- и много-
порки; 5 —связи; б —шпренгель граННЫХ башен.
90

а)
Рис. 6.4. Силуэты башен
Неизменяемость контура
поперечного сечения башен
обеспечивают с помощью диафрагм,
которые размещают по высоте
башни на расстояниях, в 1,5...2,5
раза превышающих ширину
грани башни. Диафрагмы
одновременно используют для
устройства обслуживающих площадок.
Для подъема на площадки
предусматривают лестницу или лифт.
В трехгранных башнях
диафрагмы предусматривают только для
устройства площадок, поскольку
контур таких башен неизменяем.
Конфигурация (енлуэт)
башни. Основные типы
силуэтов башни показаны на рис. 6.4.
Призматические башни (рис. 6.4, а) применяют при небольшой
высоте, например, в осветительных вышках и при больших нормальных силах
(водонапорные башни). В этих условиях несоответствие между
очертанием башни и эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки не
существенно сказывается на повышении металлоемкости конструкций, а
изготовление и монтаж призматических башен значительно проще других
типов, особенно при габаритных размерах, допускающих перевозку
укрупненных отправочных марок.
Пирамидальные башни (рис. 6.4, б) частично сохраняют
технологические преимущества призматических и имеют более удачные показатели
по распределению усилий, однако малая повторяемость элементов
приводит к большому количеству типоразмеров элементов.
Башни с переломами граней по высоте (рис. 6.4, в, г) состоят из
призматической и пирамидальных частей. С помощью переломов граней
можно обеспечить хорошее соответствие между конфигурацией башни и
эпюрой изгибающих моментов от ветровой нагрузки, а также повысить
архитектурную выразительность сооружения. Вместе с тем узлы
сопряжения поясов в местах их перелома сложны по конструкции и трудоемки
в изготовлении. Обычно предусматривают 1-2 перелома. В
телевизионных башнях изменение, сечения по высоте достигают не только за счет
переломов поясов, но и путем использования двух призматических частей
91

Рис. 6.5. Каркасы монументов:
а — «Родина-Мать» (Киев); б — «Покорителям
Космоса» (Москва)
разных размеров. Размеры
поперечного сечения верхней
призматической части назначают из
условий удобства размещения
антенн.
Конфигурация башни,
служащей каркасом монументального
сооружения, определяется
архитектурно-художественной
формой монумента (рис.6.5).
Схемы решеток.
Соединительная решетка обеспечивает
совместную работу поясов,
воспринимая сдвиг от поперечной
силы. В этом состоит ее основная
роль и этим, главным образом,
определяется ее напряженное
состояние. Но, кроме того, при
обжатии ветвей продольной силой
уменьшаются длины панелей, что
сопровождается поворотом
раскосов с раздвижкой поясов. Поскольку распорки препятствуют такой
раздвижке, возникают дополнительные напряжения, которые иногда
называют вторичными (см. рис. 6.29 [1]). Величина этих напряжений зависит
от схемы соединительной решетки. При рассмотрении вторичных
напряжений мы будем полагать, что элементы решетки соединены с
неразрезными ветвями с помощью примыкающих шарниров.
Простая треугольная решетка (рис.6.6, а) работает только на
поперечную силу. При обжатии поясов, они могут свободно раздвигаться,
поэтому дополнительные напряжения не возникают. При установке
распорок (рис.6.6, б), последние, сдерживая раздвижку ветвей, приводят к их
изгибу. Аналогичное явление будет наблюдаться при ромбической
решетке (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
наиболее сильно, но изгиб ветвей не возникает, дополнительные напряжения
разгружают пояса, сжимают раскосы и растягивают распорки. При кре-
стоворомбическойрешетке (так мы условимся называть схему е на рис.
6.6) также будут разгружаться пояса, растягиваться распорки и
сжиматься раскосы, но появится изгиб поясов, правда, весьма малый, так как раз-
92

а)
б)
Рис. 6.6. Схемы решеток:
а — 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.
Незначительный изгиб ветвей и распорок будет наблюдаться при полураскосной
решетке (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
растяжения распорок — при крестовой схеме. При этом некоторой разгрузкой
поясов и растяжением распорок можно пренебречь. Рассматривая
вторичные напряжения, обратите внимание, что они могут возникать только
от продольной силы, а при ромбической и крестоворомбической
решетках — от продольной силы и изгибающего момента. Влияние решетки с
точки зрения вторичных напряжений можно представить в виде
фиктивных стержней (см. ниже), которые для схем решеток, чувствительных
только к продольной силе, располагают в центрах граней, а для схем,
чувствительных также к моменту, совмещают с осями ветвей (рис. 6.6, ж).
Перейдем к общей характеристике различных схем решеток,
принимая во внимание отмеченные выше обстоятельства.
Треугольная решетка наиболее проста в конструктивном отношении
и не чувствительна к обжатию ветвей. Ее основной недостаток —
большая свободная длина пояса в пределах панели — становится решающим
при значительных размерах башни в плане. Треугольная с распорками
решетка 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
применения треугольных и треугольных с распорками схем решеток — башни
небольшой высоты, например, осветительные вышки, антенные части
телевизионных опор и т.п. Малые габариты поперечного сечения позволяют
93

формировать отправочные марки в виде пространственных секций
полной заводской готовности. Применение треугольной решетки в башнях
большой высоты может быть оправдано в условиях повышенной
агрессивности среды, когда с целью сокращения количества узлов
увеличивают свободную длину поясов, используя трубы большого диаметра.
Полураскосная решетка по количеству элементов, их расчетным
длинам 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
исключением дополнительных усилий от обжатия поясов, которые будут
отличаться не только в количественном, но и в качественном
отношениях. Так, в распорках полураскоской решетки, кроме растяжения, будут
возникать напряжения от изгиба. Здесь не может быть эффективно
использовано предварительное напряжение раскосов. Отсутствие
каких-либо существенных преимуществ полураскосной решетки по
сравнению с крестоворомбической объясняет более широкое применение
последней.
Крестовая решетка по сравнению с треугольной с распорками имеет в
два раза больше раскосов, но в отличие от последней позволяет
учитывать 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
противоположном — другие. Это позволяет проектировать раскосы из гибких
элементов. 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
проектировании крестовой решетки необходимо учитывать дополнительные
напряжения от обжатия поясов.
Ромбическая решетка является геометрически изменяемой, что
требует установки дополнительных распорок 3 (см. рис. 6.3). Можно
ограничиться установкой распорки в верхнем ромбе, но обычно дополнительно
устанавливают распорку также в первом снизу ромбе решетки. В
последнем случае не забудьте учесть дополнительные напряжения от обжатия,
которые возникнут на участке между распоркой и фундаментом.
Помните также об изгибе ветвей от продольного обжатия в тех панелях башни,
где отсутствуют распорки. Ромбическая схема решетки получила
наибольшее распространение в вытяжных башнях.
94

71\
б)
/i
\
A
/
\
/
\
h
V
/
\
/
\
7"
/4
К
Y
Рис. 6.7. Схемы диафрагм
Крестоворомбической решет- а)
ке присущи как преимущества,
так и недостатки крестовой и
ромбической схем. Хотя недостатки
здесь проявляются в большей
совокупности, такая решетка
являлась основным типом в
телевизионных башнях прошлых лет.
Учитывая указанные выше особенности работы различных схем
решеток, 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
диафрагмы 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
технологического оборудования. В таких случаях диафрагмы проектируют по типу
балочных клеток, не забывая о наличии осевых усилий и необходимости
обеспечения жесткости в вертикальной плоскости. При небольших
размерах сечения башни на данной отметке предусматривают сплошной настил
с отверстиями для пропуска технологических коммуникаций, лифта или
лестниц с ограждением, либо выносят площадки с настилом за пределы
башни. При больших габаритных размерах поперечных сечений настил
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
удачные решения, получившие наибольшее распространение при
проектировании башенных конструкций.
95

Тшшы сечений элементов башни. Ветровая нагрузка оказывает
преобладающее, а в ряде случаев решающее влияние на работу высотных
сооружений, 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
составляющих этой нагрузки. Так, в телевизионных опорах на башне
установлены небольшие антенны метрового или дециметрового диапазонов, на
которые передается ничтожная часть суммарной ветровой нагрузки, а
собственный вес их пренебрежимо мал по сравнению с конструкциями
башни. Понятно, что в таком случае элементы башни должны иметь
хорошие аэродинамические свойства, так как именно они будут определять
общие технико-экономические показатели конструкции. Опыт
проектирования таких башен высотой 200 м показал, что использование
трубчатых профилей позволяет в два и более раза снизить металлоемкость
конструкций. В вытяжных башнях, как правило, основная доля ветровой
нагрузки возникает от давления ветра на газоотводящий ствол, но и в этом
случае при проектировании элементов башни из трубчатых профилей
удается снизить металлоемкость на 15...20%. При проектировании
водонапорных 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 сечений элементов башни
являются круглые профили из труб, наряду с которыми применяют также
крестовые или коробчатые профили (рис. 6.8, а, б).
Трубчатые элементы выполняют из
стандартных бесшовных,
электросварных или вальцованных (при диаметрах
более 600 мм ) труб. Наряду с высокими
аэродинамическими показателями,
трубы обладают равноустойчивостью и
хорошо работают в агрессивных средах.
Элементы коробчатого сечения
выполняют из прокатных уголков или
гнутых профилей. По аэродинамическим
характеристикам, коррозионной
стойкости и некоторым другим показателям
они существенно уступают элементам
трубчатого профиля, но имеют
меньшую стоимость. Кроме того, имеющие
б)
L
г
Рис. 6.8.
Типы сечений
башни
элементов
96

место в гнутых профилях структурные изменения стали в месте гиба
отрицательно сказываются на работе конструкций, находящихся в
условиях знакопеременных и динамических воздействий. Несколько
сдерживает 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
толщиной исходного для его изготовления листа.
Элементы крестового сечения выполняют из прокатных уголков или
из трех сваренных листов. Они также хуже трубчатых сечений по
аэродинамическим показателям, имеют пониженную стойкость
антикоррозионного 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
прокатных уголков, переходя на сварные листы лишь в тех случаях, когда
прокатные уголки не могут обеспечить необходимую площадь
поперечного сечения.
Сечения элементов диафрагм принимают в зависимости от
характера и условий работы элемента. Сжатые и раскрепляющие элементы
диафрагм 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 диафрагм),
возникает необходимость в использовании прокатных, а иногда и сварных
двутавров.
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
только на сварке. Соединения трубчатых элементов одинакового диаметра
производят сваркой встык на остающемся подкладном кольце или с
помощью парных кольцевых накладок (см. рис.7.27 [1]). 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, б). Коническую вставку
применяют при соединении труб большого диаметра (800... 1400 мм).
4-447 97

i ;
:| :
4
4
:\ :
:l :
:S :
i i
i
1
ir
к-
3 1
,—1-
Fmc. 6.9. Соединения элементов из труб:
а — встык через коническую вставку; б — через врезной сварной крест; г — то же, с уголковыми
накладками
Монтажные соединения могут быть фланцевыми, сварными на
остающихся подкладных кольцах по типу заводских стыков или встык
через врезной крест, с помощью уголковых накладок на высокопрочных
болтах (рис. 6.9, в). Фланцевое соединение (рис. 6.10) можно считать
достаточно надежным в сопряжении труб диаметром до 400 мм и при
растягивающих усилиях, не превышающих 2 МН. Разность диаметров труб,
соединяемых на фланцах, не должна превышать 50 мм.
Заводские и монтажные стыки поясов крестового сечения из
прокатных уголков осуществляют на сварке или высокопрочных болтах с
помощью уголковых или листовых накладок. Аналогично выполняют
монтажные стыки элементов крестового сечения. Заводские стыки элементов
крестового сечения осуществляют сваркой встык.
Узлы сопряжения поясов € решеткой. При строительстве башен,
особенно телевизионных, нашли широкое применение узловые
сопряжения фланцевого типа на болтах. На рис. 6.10 показан узел типовой
телевизионной башни для верхней ее части, где раскосы выполнены из круглой
стали. Концевые фасонки 2 распорок 3 при монтаже конструкций
соединяют между собой на болтах планками / и зажимают между фланцами.
98

Psc, 6.10. Фланцевое соединение
Раскосы б из круглой
стали поступают с завода с
приваренными по концам
фасонками 5, к которым в
свою очередь приварены
парные проушины 4,
образуя «вилку» с
отверстиями для крепления к
фасонке. Фланцевые
сопряжения нижних секций
отличаются лишь
конструкцией примыкания
трубчатого раскоса, с
которой вы можете
ознакомиться по рис. 6.11, б.
Если размер грани
призматической башни
или ее верхней части
укладывается в габариты
железнодорожного
транспорта, то возможна
поставка отправочных
марок в виде плоских ферм.
В этом случае элементы
решетки, расположенные
в других плоскостях,
крепят при монтаже на
болтах, как показано на рис.
6 Л1, а. В башнях с
ромбической и треугольной
схемами решеток узлы примыкания раскосов к поясам можно осуществить с
помощью специальных «лап», которые при небольших диаметрах
раскосов (до 250 мм) и небольших усилиях в них (до 200 кН) можно
приваривать непосредственно к торцевой заглушке с внутренним ребром, а в
других случаях заводить в прорезь раскоса, как показано на рис. 6.11, б. По
торцам фасонок приваривают кольцевые ребра, раскрепляющие пояс от
потери местной устойчивости и воспринимающие усилия от
изгибающего момента в месте расположения продольного шва приварки фасонки к
поясу башни, который возникает за счет эксцентриситета между швом и
осью узла.
99
Рис.6.11. Узлы сопряжения решетки с поясами

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
бетоном.
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
сечение 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
сопряжений (рис. 6.10) трубы приваривают на заводе под некоторым утлом к
фланцам. При решении узла излома поясов посредством врезного креста
его делают с соответствующими перегибами оси в двух плоскостях и
развивают 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
башен с ромбической решеткой вы можете использовать решение,
показанное на рис. 6.12, если уверены, что не произойдет расслоение металла
прокладки под действием
растягивающих сил. Кроме того, нужно
обратить внимание на
качественное наложение двустороннего
заводского шва в сечении 2-2.
Узлы перелома поясов
крестового сечения выполняют на
крестовых фасонках с перегибом оси в
двух плоскостях по типу врезного
креста.
Узлы пересечения элементов
решетки отличаются
многообразием конструктивных решений,
поскольку в них могут сходиться
раскосы, распорки, элементы
диафрагм и площадок. При этом рас-
Рис. 6.12. Узел перелома пояса из труб порка М0Жет быть прервана в узле
100
2-2

или выполнена по неразрезной схеме с
примыкающими элементами раскосов
и диафрагм. Последнее решение по
типу рис. 6.13 получило наибольшее
распространение. Вертикальная фасонка
при небольших усилиях в раскосах
может быть не прорезной, и
следовательно заводской стык труб распорки
может отсутствовать.
Опорные узлы башен. Через
опорный узел на фундамент
передаются нормальная и поперечная силы. В
зависимости от направления ветра
нормальная сила может быть сжимающей
или растягивающей. Сжимающая сила
передается через опорную плиту,
растягивающая — через анкерные болты.
Для передачи поперечной силы
предусматривают упоры, которые обычно
устанавливают в плоскостях двух
смежных граней с внешних сторон
башни. Эти упоры выполняют из
заделанных в
фундамент швеллеров,
соединяемых при
монтаже с опорной
плитой с помощью
пластин.
При малых
усилиях в опорном узле
(до 1000 кН)
опорная плита может
быть установлена
горизонтально с
непосредственным
креплением к ней
анкерных болтов
(рис. 6.14, а). При
больших усилиях
требуется устройст-
Рис. 6.13. Узлы пересечений
элементов решетки
Рис. 6.14. Опорные узлы башен
101

Рис. 6.15, Опорный узел башни с восьмью анкерными болтами
во анкерных столиков и более четкая передача усилий, что можно
обеспечить при установке опорной плиты перпендикулярно оси пояса башни, а
анкерных болтов — параллельно ей (рис.6.14, б). Желательно
предусмотреть четыре анкерных болта, принимая их по табл. 6.11 [1]. Если при этом
диаметр болтов превысит 90 мм, то следует перейти на 8 болтов,
прикрепив 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
участки, 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 высоте 200 м — 8... 12 и при
высоте 400 м — 10...16. Последовательно рассчитывают все участки, начиная
с верхнего. Расчетные значения изгибающих моментов и поперечных сил
находят по соответствующим эпюрам на уровне низа участка.
Продольные силы уточняют на основе подбора сечений вышерасположенных
участков, добавляя каждый раз приближенное значение веса
рассчитываемого участка. При этом для определения усилий в поясах принимают
направление 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
комбинации нагрузок без гололеда рассматривают ветровую нагрузку
максимальной интенсивности, а при учете гололеда давление ветра принимают
равным 25% от нормативного значения. Если принятые в результате расчета
площади сечения элементов отличаются от изначально заданных при
сохранении 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 их5
начиная от сбора нагрузок.
Определение усилий в элементах башни. В сечениях башни действуют нормальные
усилия, изгибающие моменты и поперечные силы. Каждый из этих силовых факторов
приводит к появлению в элементах башни усилий, которые являются преобладающими, но не
единственными. Кроме них возникают усилия от местных нагрузок на площадках и
вторичные усилия от обжатия ветвей (см. п.6.6.2 [1]).
При компоновочных расчетах и когда нет уверенности, что габаритные размеры
элементов совпадут с изначально заданными (и следовательно, потребуется дальнейший
перерасчет), можно воспользоваться формулами без учета дополнительных и вторичных
усилий, 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:
XT A/f
(6.7)
(6.8)
где М, Лг, Q — изгибающий момент, нормальная и поперечная силы; h — размер грани
башни в плане; а — 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
выключены из работы или в пределах панели имеется лишь один раскос (например при
треугольной решетке), то усилия следует увеличить в два раза.
Усилие в распорке ромбической решетки от ветровой нагрузки в пределах панели g'6y-
дет равно
Sh=±Q'/47 (6.9)
в местах переломов поясов оно составит
(6.10)
Усилия в элементах решетки от местных нагрузок на площадках зависят от
компоновочных схем этих площадок. Их нетрудно определить в каждом конкретном случае.
Дополнительные усилия от обжатия ветвей зависят от схемы решетки башни (см. п.
6.3.1). Весьма громоздкие формулы для определения этих усилий можно найти в
специальной литературе. Удобно использовать инженерную методику определения дополнительных
усилий от обжатия ветвей, заменяя раскосы фиктивными стержнями (см. рис. 6.5, ж) и
рассчитывая полученное сечение по общим правилам с последующим возвратом от фиктивных
103

стержней к раскосам*. При расчете башен с крестовой и крестоворомбической решетками
вы можете воспользоваться формулой (6.58 [1]), понимая под А\ площадь поперечного
сечения одной ветви.
Усилия в элементах решетки с учетом спада ветровой нагрузки при зональном
действии ветра удобно находить по методу сечений (см. рис. 6.2). Из опыта проектирования
башенных 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
нижней части решетки от полной ветровой нагрузки не превышают 100 кН, расчет по схеме
зонального 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
формулами, аналогичными (6.7), (6.8):
n гм
Sp = ± ; (6.7а)
л cosy nrcosy
S. »±——, (6.8а)
л sin a
где л — количество граней; г — радиус описанной окружности. Остальные обозначения
прежние.
Проверка несущей способности элементов башни. Элементы
поясов и решетки рассчитывают как самостоятельные стержни, при этом
незначительный изгиб от местного давления ветра на элемент не учитывают
и рассматривают эти элементы как центрально сжатые (см. п. 6.3.3 [1]).
Предельные гибкости Х^ элементов башни следует ограничить значениями:
для поясов Хцт < 80
для раскосов и распорок крестового сечения Xtim < 120
то же, трубчатого сечения (для предотвращения
автоколебаний в ветровом потоке) Хцт < 80
для элементов шпренгелей и внутренних связей Х//я?<150
Площадки рассчитывают по общим правилам проектирования
балочных 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
решетки, поддерживающих площадки, по стрелке прогиба.
Горев В. В. Определение дополнительных усилий от обжатия ветвей в элементах
продольно-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
нагрузки, действующей на грань. Предельно допустимое перемещение для
башен высотой Н обычно принимают равным Я/100, если в проектном
задании или технических условиях не оговорено иное значение.
Перемещение можно определить по формуле Мора и оценить деформативность
башни по условию
уЙ± (6.11)
ЕА{ 100
Прогиб распорки, работающей на изгиб, определяют по
деформированной схеме с учетом действия нормальных сил и ограничивают его
величиной //400:
Ml11 (10EJ-N12) < //400, (6.12)
где М— максимальный изгибающий момент от нормативной нагрузки;
N— нормативная нормальная сила; EJ— жесткость распорки; / —
пролет.
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
технологическое оборудование (резервуар, антенну и пр.) или сам
выполнять 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
оттяжками (рис.6.16, а), что позволяет разместить ее на стесненном
участке. Для повышения жесткости ствола и вибростойкости оттяжек их
подкрепляют специальными реями, уменьшающими провисание оттяжек.
Традиционные радио- и телевизионные мачты (рис.6.16, б) обычно
устанавливают за городской чертой.
Стволы решетчатых мачт проектируют трехгранными, реже
четырехгранными. Их выполняют из отдельных секций, увязывая размеры с
105

а) г
Рме. 6.16. Мачты с реями ш без них
удобством размещения на платформах
в пределах железнодорожных
габаритов. Разработаны типовые проекты
радиомачт, конструктивные формы
которых вы можете взять за основу при
проектировании мачт иного назначения.
Инвентарные мачты с размером
базы (стороны) 2200 мм предназначены
для высот 150...400 м (рис.6.17). Пояса
и распорки таких мачт выполнены из
труб, раскосы крестовой решетки — из
круглой стали без предварительного
напряжения. В лацменных секциях, к
которым крепят оттяжки,
предусмотрены детали Б ддя их крепления. Если
планируется монтаж мачты ползучим
краном, то предусматривают опорные
столики А для перестановок крана.
Рис. 6Л7. Секция и узлы инвентарной мачты
106

Узел А
Разе. 6.18, Секции мачты с уменьшенной базой
Рнс. 6.19. Секцин мачты с малой базой
Высоты 100...250 м можно успешно перекрывать мачтами с
уменьшенной базой 1350 мм (рис. 6.18). При такой базе выгоднее принимать
треугольную решетку из труб.
Пояса и решетка мачт при их высоте 50... 150 м могут быть выполнены
из квадратной или круглой стали (рис. 6.19). Отдельную лестницу в таких
мачтах не делают, используя для этой цели дополненную ступенями
решетку одной из граней.
107

Опирание ствола на фундамент может быть шарнирным или жестким.
Радиомачты, выполняющие функцию излучателя радиоволн, часто
опирают 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
соответствующих 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
выполняют цельносварными. Отдельные секции длиной примерно 6 м с
элементами площадок, лестниц и пр. (рис. 6.21) изготовляют на заводе,
транспортируют на место монтажа в готовом виде и сваривают в рабочем
положении путем наложения горизонтального кольцевого шва каждый раз
после подъема очередной секции ствола мачты. Можно выполнять
соединения секций между собой на высокопрочных болтах.
Так же как и в решетчатых мачтах, к сплошному стволу прикрепляют
необходимые монтажные приспособления — столики для установки
крана и устройства для фиксации положения отдельных секций, необходи-
Рис. 6.20, Опнрання ствола мачты на фундамент:
а — шарнирное через опорный изолятор; б — жесткое; / — опорная секция; 2 — балансир; 3 —
опорный изолятор; 4 — съемные консоли; 5 — стяжные болты; 6 — домкраты; 7—шпальная клетка;
8 — упорные планки; 9 — фундаментная плита
108

2-2
Рис. 6.21. Фрагмент ствола однотрубной мачты
мые для сварки конструкций, а также для закрепления монтажных
оттяжек.
Внутренние площадки обеспечивают поперечную жесткость
цилиндрического ствола, поэтому их желательно совмещать с местами
прикрепления 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
обеспечения местной устойчивости тонкой оболочки ствола в процессе
эксплуатации.
В местах образования отверстий для пропуска оборудования или
лазов для людей необходимо проводить усиление с тем, чтобы площадь
сечения и жесткость ствола в целом, а также местная жесткость ствола у
вырезов сохранялись одинаковыми с замкнутой оболочкой. Для этой цели в
зонах выреза устанавливают манжеты и патрубки, имеющие очертания
отверстия. Суммарная площадь сечения элементов усиления 2 должна
быть не менее площади сечения вырезов 1 (см. сеч. /-/ рис. 6.21).
Отверстия должны иметь овальную форму для уменьшения концентрации
напряжений у выреза.
Конструктивное оформле- aj > б)
ние узла опирания ствола на ' м "
фундамент при шарнирном
сопряжении показано на рис.
6.22, а. Если узел выполнен в
виде листового шарнира (рис.
6.22, б), то он способен
воспринимать нормальные силы, при- рис. 6.22. Узлы опирания цилиндрического
ЛОЖеННЫе С Некоторым ЭКСЦеН- ствола 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
стержень на нелинейно-упругих опорах, роль которых выполняют оттяжки. В
качестве неизвестных можно принять надопорные моменты Л/,
перемещения узлов у и опорные реакции Н (рис.6.23). Перемещения узлов у и
опорные реакции Я, характеризующие жесткости опор, зависят также от
силовых и геометрических параметров оттяжек, поэтому расчет
приходится выполнять Несколько раз, последовательно уточняя жесткостные
характеристики опор. Весьма громоздкие вычисления затрудняют
ручной счет и делают привлекательным обращение к программам
машинного расчета, например к программам SUD, МАВР-3 и др.
Статический расчет мачты
При статическом расчете мачты для определения неизвестных используют три группы
уравнений, которые можно записать для каждого яруса оттяжек. Это уравнения
неразрывности упругой линии, уравнения равновесия и уравнения общности деформаций узлов
крепления 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
деформации стержня при изгибе.
Напоминание. Углы поворота стержня длиной / с шарнирно закрепленными концами
на опорах А и 2?, загруженного сжимающей силой N, а также сосредоточенным моментом М,
приложенным на опоре А, или равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q
можно определить соответственно по формулам:
b 6EJ
где
tgu
3(tgu-u) I [W
(6.13)
Вернемся к построению уравнений для определения неизвестных.
ПО
э MI ( у {
' а 3£/¥(W)'
1 1 \
sin 2м 2и)
6 24£/
3(1 1
2и ( 2и tg2i
/ ГТГ

Рис. 6.23. К расчету
W
о
У
Рис. 6.24. Схема оттяжек
Из условия равенства углов поворота смежных по отношению к г'-ой опоре участков
ствола (рис. 6.23) будем иметь:
I
1 1
I.
1
2>EJ.
(6.14)
6EJU
где т{ и m/+j — добавочные моменты от усилий в оттяжках (разность моментов от усилий в
наветренной и заветренной оттяжках).
Условие равновесия i-ro узла имеет вид:
(6.15)
,4i , чЬ Я*
/,, 2
4cosa
где qv, nv, /z{- — нагрузка на оттяжки, количество оттяжек данного яруса в плане, высота
расположения оттяжечного узла.
Для записи уравнений общности деформаций узлов крепления оттяжек данного яруса
рассмотрим оттяжечный 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 а0. После
перемещения узла напряжения в оттяжках будут равны oh где / — номер оттяжки.
Составив для каждой оттяжки уравнение состояний (8.19 [2]), дополнив эти уравнения
условием совместности перемещений всех оттяжек в узле и выполнив преобразования,
можно записать следующие зависимости (для четырех оттяжек в плане, при направлении
ветра вдоль оттяжки №3) [6]:
Ух ="
Elga

где h — расстояние по вертикали от обреза фундамента до оттяжечного узла; а — угол
наклона оттяжки к вертикали; у — плотность материала оттяжки; к — отношение
приведенной ветровой нагрузки на оттяжку к приведенному весу нити (с учетом веса изоляторов).
И, наконец, еще одно уравнение — условие равновесия оттяжечного узла
Я. = (а3 -<?,),<• sin а;. (6.19)
Обратите внимание, что кроме основных неизвестных Mhyt, Hh подлежащих
определению при решении системы уравнений (6.14), (6.15), эти уравнения не могут быть
составлены, так как содержат продольные силы Nh и моменты т^ которые также не известны. Вот
почему вначале нужно выполнить предварительный грубый расчет и лишь затем
приступить к составлению и решению уравнений. При грубом расчете допускается расчленять
мачту на ствол и оттяжки, рассматривая систему однопролетных балок, шарнирно
опирающихся на жесткие оттяжечные узлы. Загрузив ствол расчетной ветровой нагрузкой, можно
найти усилие в наветренной оттяжке, расположенной под углом а к вертикали, по формуле
Мь = kQ{ I sin a,, (6.20)
где Qi — сумма реакций балок в /-ом узле; к — коэффициент, учитывающий
предварительное напряжение оттяжек, принимаемый при трех или четырех оттяжках в узле равным 1,2.
При назначении диаметра каната можно полагать, что усилие тяжения не превышает
половины величины разрывного усилия. Размеры сечения ствола можно назначить по
приближенным значениям момента М и продольной силы /V:
M = Q,\ql2; (6.21)
Аг = 0,5£^ft.cosa,. + Nt + Nct (6.22)
где q — усредненное значение равномерно распределенного давления ветра на
конструкцию и оборудование рассматриваемого пролета; 5JVft cos a, — сумма проекций усилий всех
вышерасположенных оттяжек на вертикаль; Ns, No — усилия от собственного веса ствола и
оборудования.
Систему уравнений, построенных с использованием зависимостей (6.14), (6.15) и
записанных последовательно для всех узлов мачты, нельзя рассматривать без учета
соотношений (6.16)... (6.18), поскольку число неизвестных в этой системе превышает число
уравнений. Это обстоятельство существенно усложняет процесс вычислений. Вначале нужно
задаться предварительным напряжением оттяжек сто и их сечениями/*, после чего, выполнив
все необходимые вычисления, а также решив систему уравнений, определить изгибающие
моменты. Распределение моментов, скорее всего, окажется неудачным, поэтому все
операции нужно выполнять несколько раз, добиваясь оптимизации. Этого можно избежать,
пользуясь методом заданных эпюр и выполняя расчет в следующей последовательности.
в Задайтесь удачным распределением моментов, исходя из равенства опорных и
пролетных моментов для каждого пролета. Грубо это можно сделать из условия
112

М = (Яft / 8) / 2 с осреднением моментов для соседних пролетов, более точно — с
использованием рекомендаций [6].
• Подставьте моменты А/, в систему уравнений (6.14), решите ее и определите
перемещения всех оттяжечных узлов у,.
• Подставьте М{ и у{ в систему уравнений (6.15), найдите реакции оттяжек на ствол
мачты Я,.
» Назначьте напряжение оз в наветренной оттяжке равным расчетному
сопротивлению каната (см. формулу 8.2 [ 1 ]) и подставьте это значение в (6.17), принимая перемещение
оттяжечного узла уъ данного яруса равным уг (определенном при решении системы (6.26).
Найдите значение параметра В.
• По формуле (6.16) вычислите напряжение в 1-й (заветренной) оттяжке.
в По формуле (6.19) назначьте сечения затяжек.
• Решив кубическое уравнение (6.18), определите начальное напряжение оттяжек а0.
Не обольщайтесь надеждой, что решение закончено. Оно только начинается, т.к. зы
проверили лишь одну комбинацию нагрузок (ветер максимальной интенсивности) при
направлении ветра на 3-ю оттяжку. Необходимо проверить расчетом другие комбинации:
гололедной при отсутствии ветра и при его наличии с интенсивностью 25% от нормативного;
монтажного натяжения оттяжек при отсутствии ветра, причем, рассматривая ветровую
нагрузку, нужно учитывать возможный спад ветрового давления. Выполняя эти расчеты, вы
уже не можете пользоваться методом заданной эпюры моментов, поскольку величина
предварительного натяжения в оттяжках с0 всякий раз должна оставаться одинаковой. Поэтому
решение нужно выполнять в обратном порядке, приняв за основу а0, а это связано с
необходимостью 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
основе решения системы нелинейных уравнений при направлении ветра максимальной
интенсивности на 3-ю оттяжку.
Все сказанное относится к расчету мачт с тремя оттяжками в плане. Естественно,
уравнения (6.16...6.19) при этом будут иметь другой вид, приведенный в [6].
Расчет мачты на устойчивость.. Мачта должна быть проверена на устойчивость из
плоскости действия моментов и в монтажном состоянии. Наиболее просто эта задача
решается 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 керазрезной ствол, подкрепленный
оттяжками. Из условия равновесия оттяжечного узла нетрудно получить исходное
уравнение, которое, естественно, будет совпадать с (6.15) без свободных членов и моментов, при
И, = у,У1:
+v.ibi = i, (6.23)
Последовательно записывая это уравнение для всех узлов, получим систему
однородных 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 поступим
иначе. Будем понимать под Nt фактически действующие на систему силы (расчетные
усилия) и поставим задачу о разыскании такого числа г}, при умножении на которое всех сил Nt
система потеряет устойчивость. Поставив таким образом задачу разыскания коэффициента
113

запаса на устойчивость, заменим все входящие в (6.23) значения /У через r\N. Приравняв
нулю определитель, получим алгебраическое уравнение степени (п - 1) относительно ц
JxC- •'-
(6.24)
Каждый из коэффициентов Q равен сумме субдетерминантов порядка {п - к), которые
получаются из исходного определителя вычеркиванием столбцов и строк, пересекающихся на
главной диагонали.
Для определения коэффициента запаса можно поступить иначе: задаваясь рядом
значений rj и вычисляя Д постройте график и найдите значение ц, при котором D ~ 0.
Приближенное значение коэффициента запаса можно определить, принимая средние
значения v, /У, / по формуле
где р — коэффициент, зависящий от количества ярусов, определяемый по табл. 6.1.
Наименьшее значение rj = 1,3.
Конструктивный расчет мачты. Ствол реолетчатой мачты
рассчитывают по общим правилам проектирования сквозных стержней,
составленных из трех или четырех ветвей (см. п. 6.6.3 [1]). При определении
приведенной гибкости ствола А,ву расчетную длину определяют,
руководствуясь следующими положениями.
Если значение 9 = 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 оттяжечными узлами. В противном случае
следует определить коэффициент приведения длины к расчетной,
пользуясь рекомендациями, например, изложенными в [6].
Таблица 6J. Коэффициенты
Определяемые
величины
Р = Ncr / v/
е = v/ / ej
i
i
9,87
р и е
Значений
2
0,382
25,85
3
0,308
32,05
при числе пролетов
4
0,283
34,86
5
0,27!
36,34
6
0,265
37,22
>7
0,25
39,48
При конструировании узла крепления оттяжки к стволу (рис.6.25)
надо стремиться к минимальному расстоянию между линией действия
усилия /V и центром тяжести площади сечения сварных швов, крепящих фа-
сонку 3 и горизонтальные ребра 2 к стволу /. Причем оттяжку следует
центрировать в точку пересечения осей пояса и распорки.
114

' ( По развертке
\ Центр тяжести
сечений сварных
швов
Рис. 6.25. Крепление оттяжки к стволу:
а — конструкция узла; б — очертание сварных швов крепления фасонки к трубе
Проверку прочности сварного соединения по металлу шва
производят с учетом момента от внецентренного приложения силы по
отношению к центру тяжести площади сварных швов M = 7Vesina:
sina / А, + МУтзх I Jff + (TVcosa / Aff <
(6.26)
Аналогичную проверку производят по металлу границы сплавления.
Для увеличения площади смятия к фасонке с двух сторон
приваривают кольцевые накладки 4, суммарную толщину которых определяют
условием 2tA >{NI Rpybd) -12. Расчет швов крепления каждой накладки к
фасонке 3 производят на усилие N4 =M4/(2/4+f2).
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
подкосами (см. рис. 7.15, д). При расчете таких систем необходимо учитывать
совместную работу двух различных конструкций, используя условия
совместности деформаций.
115

Рассмотрим работу сооружения,
показанного на рис. 6.26, при действии сил NOi
Qo, MQ, приложенных в месте
присоединения подкосов к основному стволу. От
обжатия системы силой JV0 в подкосах возникнут
усилия XNj равные
N , (6.27)
«cosa +•
ЕА
EdAd cos a
где п — количество подкосов; ЕА —
жесткость ствола; EdAd — жесткость каждого из
подкосов; a — угол наклона подкоса к
вертикали.
При одновременном действии всех
компонентов сил и произвольном
направлении плоскости действия сил 7V0, <2о> Mo,
Рис 6.26. Расчетная схема башни характеризуемого углами ср;, значения уси-
с подкосами лий в подкосах Хх, Х2, Хъ при их
симметричном расположении определим, используя
следующие уравнения [9]:
2> (6.28)
(6.29)
(6.30)
(631)
(6.32)
Qx = -sina ]TZ, cos cp, «0;
Qy =Q0 -
MOy =
Перемещения точки прикрепления подкосов к стволу равны:
А. =■
3EJ 2EJ
«0;
А, =;
ЪЫ 8EJ
. Nh
2EJ
(6.33)
(6.34)
(6.35)
А .=■
2EJ 6EJ EJ '
(6.36)
116

Ж + ^«0. (6.37)
Уо> 2EJ EJ
Вместе с тем имеем следующие зависимости:
Дг, 23 = bz + щ^ cos ф, „; (6.38)
X I
Aysinot sin ф, 23 cosa = bbL. (6.39)
Приведенные формулы позволяют составить и решшъ систему
уравнений с определением неизвестных усилий в подкосах.

Глава 7
АНТЕННЫ
7.1. Общая характеристика
Электромагнитные колебания высокой частоты свободно
распространяются 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
вырезаны 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, я),
представляющий собой разрезанный на две части металлический
стержень /, в разрыв которого включаются провода 2 от генератора
(приемника) 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
обтекаться по всей длине полем высокой частоты с одинаковой амплитудой и
фазой. Наибольшее распространение получили четвертьволновые
вибраторы. Интенсивность излучения зависит от пространственного
положения вибратора: она максимальна в направлении, перпендикулярном
плоскости расположения вибратора. Графически это изображают диаграммой
направленности. Эффективность антенны в направлении наибольшего
излучения характеризуют ее коэффициентом усиления.
ш

б)
/// /у/ /у
УУУ УУУ УУУ УУУ УУУ УУУ УУУ УУ/УУ,
е)
ж)
д)
15
12
Рис. 7о!» Типы аитеян:
о — вибратор Герца; б — несимметричный вибратор; в — диполь Надененко; г — Т-образная; д —
синфазная; е — турникетная; ж — бегущей волны; и — волновой канал; к — рупорная; л — линзовая;
м — параболическая; н — то же, с выносным облучателем; п — рупорно-параболическая; р — двухзер-
кальная; с — волноводная щелевая
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
изолированной от земли антенны-башни или антенны-мачты широко применяют
для передачи длинных и средних волн. При этом оттяжки мачты
разделяют изоляторами на отдельные короткие секции с целью уменьшения
токов, наводимых в них электромагнитным полем вибратора. Для
повышения эффективности антенн увеличивают их высоту (до 300 м и более),
выравнивают 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
вибратор) непосредственно питается от передатчика, а второй (рефлектор)
возбуждается вследствие электромагнитной связи с первым. При
надлежащей настройке пассивного рефлектора в результате интерференции волн,
излучаемых активным вибратором и пассивным рефлектором,
существенно увеличивается излучение со стороны рефлектора и ослабляется со
стороны вибратора.
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
протяженности (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
симметричных вибраторов (рис.7.1, а), обеспечивающих максимальное
излучение под некоторым углом к горизонту. Состояние ионосферы зависит от
времени суток, года, солнечной активности и других факторов, что
требует частой подстройки длин волн принимаемого диапазона. Поэтому
используют диапазонные антенны с малым волновым сопротивлением, не
требующие перестройки. Примером такой антенны является диполь На-
дененко (рис.7.1, в).
На дальних коротковолновых линиях часто применяют синфазные
антенны (рис.7Л, <)), представляющие собой группы симметричных
вибраторов /, 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
ослабляются в других направлениях. Этот эффект усиливают путем
размещения с противоположной стороны вибраторов рефлектора из сети
горизонтальных проводов 4, На приемных коротковолновых радиоцентрах
часто применяют антенны бегущей волны (рис.7.1, ж). Разновидностью
такой антенны, применяемой для метрового и дециметрового
диапазонов, является антенна типа «волновой канал», состоящая из активного
вибратора 1, рефлектора 2 и системы директоров 5, увеличивающих
направленность и коэффициент усиления антенны. Подобные антенны
широко используют для приема телевизионных передач, для метеорной
радиосвязи, основанной на отражении радиоволн от ионизированных
следов метеорных частиц и др.
На сверхвысоких частотах, охватывающих дециметровые,
сантиметровые и миллиметровые волны, применяют синфазные поверхностные
антенны. По принципу действия такие антенны подобны синфазной
многовибраторной 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
поверхность, проходящая через его кромки, получается синфазно
возбужденной. Рупорная антенна может быть использована как самостоятельное
излучающее устройство, так и в качестве облучателя зеркальных и
линзовых антенн.
Линзовая антенна (рис.7.1, л) по принципу действия аналогична
оптической линзе и состоит из собственно линзы 8 и облучателя 7,
установленного в его фокусе. Линза трансформирует фронт волны 6 из
сферического в плоский. Наибольшее распространение в области сверхвысоких
частот получили зеркальные антенны (рис.7.1, м,«), состоящие из
металлического зеркала в форме параболоида 9 и облучателя 7, установленного
в его фокусе. В качестве облучателя применяют рупоры, вибраторы,
спирали и др. В обычной параболической антенне (рис.7.1, м) облучатель
находится 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,
волноводом 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
антенны с вынесенным облучателем, в этой антенне облучатель 10, рупор
121

12 и параболическое зеркало II составляют единое целое, что
практически устраняет утечку энергии за края зеркала. Кроме металлических
зеркал в форме параболоида применяют плоские зеркала, с профилем
параболического цилиндра, сферы и др.
Двухзеркальные антенны (рис.7.1,/?) состоят из основного
параболического зеркала 9, вспомогательного эллиптического зеркала 13 ш
вспомогательного гиперболического зеркала 14. Электромагнитная энергия
подводится к облучателю 10, установленному в вершине параболоида, и
излучается на малое зеркало, после отражения от которого направляется
на основное зеркало. Малое вспомогательное зеркало 14 служит для
оптимального распределения электромагнитного поля в раскрызе
основного зеркала.
Характерной для сверхвысокочастотного диапазона является
щелевая антенна {рис.7.1, с) в виде замкнутого полого металлического короба
Юс прорезанными в нем щелями 15. Внутрь короба вводится
электромагнитная энергия, которая излучается через щели (щелевые вибраторы) во
внешнее пространство. Размеры и расположение щелей подбирают так,
чтобы они возбуждались сикфазно. В диапазоне сверхвысоких частот
применяют также антенны, состоящие из системы излучателей,
возбужденных по закону бегущей волны (с прогрессивно нарастающим от
элемента к элементу запаздыванием по фазе), К ним относятся спиральная,
волновой канал, диэлектрическая, импедансная и другие типы антенн.
7.2. Проволочные антенны и их ©поры
Излучателем проволочных антенн служат провода, образующие
вибратор (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)
пролетом около двух километров. Иногда проволочные антенны имеют
сложную конфигурацию, занимают километровые пространства и
устанавливаются на опорах высотой до 350 м (рис. 73).
Опорами проволочных антенн могут служить башни (рис. 7.1, г, д)
или мачты (рис. 7.1, в). Технические решения и конструктивное
оформление башенных типов опор соответствует описаниям, приведенным в §6.3,
а мачтовых — в §6А.
Прикрепление проволочной сети к опорам может быть
непосредственным или с помощью контргрузов. В первом случае на опоры переда-
122

Рис. 7.2. Крепление к основанию большой Т-образной антенны
Рнс. 7.3. Схема антенны длинноволнового диапазона
ются переменные силы от тяжения 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
деформации антенного полотна. Антенны с контргрузами могут быть двух
типов: первый — обычный, при котором контргруз все время висит на
канате, создавая постоянное тяжение, позволяя антенне менять свою длину
при внешних воздействиях; второй — когда контргрузы покоятся на
упорах 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

ны лишь в периоды ремонтов) или с
помощью специальных устройств,
позволяющих перемещать антенну в
процессе эксплуатации.
Неподвижное прикрепление
антенного полотна характерно для
синфазных горизонтальных антенн (см. рис.
7.1, д). Полотна антенной решетки и
рефлектора прикрепляют к башне с
помощью рей (рис. 7.4). Реи, в свою
очередь, прикрепляют к поясам башни
непосредственно с помощью хомутов, а
концы рей дополнительно крепят с
помощью гибких элементов. В
современных антеннах с большими пролетами
узлы прикрепления антенны к опоре, а
опоры к фундаментам могут иметь
сложное конструктивное оформление
(см. рис. 7.2).
Подвижное прикрепление
антенных полотен к опорам наиболее
распространено в антеннах, имеющих в плане
форму правильного многоугольника.
Лучи таких антенн начинаются в
центре 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
независимые 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
помощью каната прикрепляют к опоре с помощью вертикального ролика и
каната, 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
124
Рнс. 7.4. Схема крепления к башне
антенн:
/ — рея; 2 — узел крепления реи к поясам;
3— гибкие элементы; 4— узел крепления
антенны к рее

Рис. 7.5. Антенна в форме правильного многоугольника:
1 — ролики; 2 — лебедки; 3 — контргрузы
при движении обледенелого
каната перед роликами
устанавливают специальные
ножи, разрушающие лед.
Снижение антенны
прикрепляют к фундаментам с
помощью контргрузов.
Для электрической
изоляции антенных полотен,
вибраторов, оттяжек
устанавливают изоляторы, типы
и количество которых
определяют на основе
радиотехнических расчетов.
Наиболее употребительны ореш-
ковые изоляторы типов ИТ
(рис. 7.7, а) и ИТО (рис. 7.7,
б). Изоляторы ИТ-1, ИТ-2,
ИТ-3 используют для тросов
Рис. 7.6. Крепление сектора антенны к мачте
125

а)
штжтшшш
Рис. 7.S. Узел соединения элементов антенны
Рис. 7Л. Изоляторы
диаметром соответственно 8; 9,5
и 12,5 мм при допускаемых
усилиях 9; 14 и 22,5 кН, изоляторы
ИТО4...ИТО-5 — для тросов
диаметром 7,7...26,5 мм при
усилиях 7,5...85 кН. Палочные
изоляторы (рис. 7.7, в, г) рассчитаны
на усилия 7,5; 15; 25 и 45 кН,
поэтому в тех случаях, когда
усилия велики, устанавливают два
или три изолятора параллельно.
При пересечении вертикальных
и горизонтальных частей антенн устанавливают крестообразные
палочные армированные изоляторы. Не изолированные части антенн
соединяют 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
крепления 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
проводов, так же как и вибрация, возбуждается ветром, но отличается от
вибрации большой амплитудой и большой длиной волны.
Для уменьшения амплитуды колебаний и связанных с ними явлений
применяют виброгасители различных типов. Наибольшее
распространение получили виброгасители из двух грузов (рис. 7.9).
126

Гасители вибраций устанавливав г_г^г^_^ Провод
ют на обоих концах проводов и
канатов при пролетах 300 м и более
независимо от величины натяжения. При
пролетах менее 120 м их устанавли- ?ис- 7»9. Виброгасмтель
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
борьбы с таким явлением удаляют лед путем электропрогрева, если это
технически возможно. Других эффективных способов борьбы с «пляской»
проводов нет.
7.7. Радиорелейные линии
Для передачи телефонных, телеграфных и телевизионных сигналов
на большие расстояния используют дециметровые и сантиметровые
волны, поскольку в этих диапазонах возможна одновременная работа
большого числа радиопередатчиков с шириной спектра сигналов до
нескольких 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
устройств, 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 на станциях устанавливают несколько комплектов прием-
но-передающей аппаратуры, размещаемых в общем техническом здании,
с созданием отдельных стволов связи. В одном стволе может быть
размещено 2700 и более телефонных каналов.
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.
127

а)
Fssc. 7.10, Опоры радиорелейных линий
Рис. 7.1 h Радиорелейные антенны
128
Для борьбы с потерями энергии
в волноводных трактах излучающие
устройства стремятся максимально
приблизить к антеннам. Это можно
осуществить на уровне земли с
помощью отражающих поверхностей
(рис. 7.10, а), используя
радиорелейную антенну типа Р-60 (рис. 7.11, а)
или путем установки технического
здания в верхней части опоры
(рис.7.10, б) в непосредственной
близости к рупорно-параболиче-
ским антеннам (рис.7 Л1, б). Для
обслуживания радиотехнической
аппаратуры предусматривают как
лестницы-стремянки, так и лифт
грузоподъемностью 0,5 т,
устанавливаемые внутри ствола мачты.
При использовании волноводов
их размещают в закрытой шахте,
применяя трубчатую мачту
(рис.7.10, б), или используют
открытое расположение волноводов
на решетчатой опоре. В последнем
случае приходится делать
специальные площадки для крепления
волоноводов, поскольку по
радиотехническим условиям не
допускается их изгиб.
При расположении здания на
опоре нагрузки на ближайшие к
зданию оттяжки увеличиваются и в
некоторых случаях приходится
устанавливать сдвоенные оттяжки в
одном луче. Такие оттяжки следует
делать независимыми и не
присоединять их к стволу и фундаментам с
помощью коромысла, что дает шанс
избежать полного обрушения
мачты при обрыве одной из оттяжек.

В конструктивном отношении опоры
радиорелейных линий связи не имеют
особенностей по сравнению с башнями и мачтами
общего назначения, их проектирование
можно выполнять в соответствии с
рекомендациями гл. 6.
Для магистральных радиорелейных
линий разработаны типовые решения
однотрубных и решетчатых мачт, а также решетчатых
башен разных типоразмеров в зависимости от
высоты и ветрового района. На рис. 7.12 в
порядке примера показана типовая решетчатая
башня высотой 100 м для магистральной
радиорелейной линии. На верхней части ствола
башни / установлена антенная этажерка 2 и
техническое здание 5, для сообщения с
которым предусмотрена шахта 4 с лифтом и
лестницами. Опора оборудована тремя большими
б и тремя малыми 6а рупоропараболическими
антеннами; блоками антенн УКВ ЧМ
вещания 7, 7а; четырьмя параболическими
зеркалами 5; телевизионными трансляционными
антеннами 9. Предусмотрен
эксплуатационный кран 3 грузоподъемностью 2,5 т при
вылете стрелы 6,5 м.
Пояса башни выполнены из труб
диаметром 426 мм с толщиной стенки до 30 мм,
распорки — из труб диаметром 351 мм, а
раскосы— из стальных оцинкованных канатов
диаметром 55 и 63 мм. Раскосы
предварительно напряжены без использования стяжных
муфт. С этой целью концы канатов заделаны
во втулки с фланцами, которым
соответствуют 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
5-447
\100м
mm
I '■■■-j|
Р
рис.
7.12. Типовая опора
ретранслятора
129

а — общий вид; б -
Рис. 7.13. Антеена тропосферной связи:
- узел крепления шитов зеркала; в — крепление щктов к каркасу аьггекны
увеличить, используя тропосферную радиосвязь. Такая связь основана на
эффекте переизлучения электромагнитной энергии в электрически
неоднородной тропосфере. Из-за малой интенсивности тропосферных неод-
нородностей приходится использовать передатчики большой мощности,
высокочувствительные приемники и специальные антенны больших
размеров (рис. 7.13), достигающие иногда 40x40 м2. Энергетические
параметры оборудования позволяют создавать до 120...240 телефонных
каналов 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),
отражающихся от ионизированных слоев атмосферы, имеет большую
дальность яри малой скорости передачи сообщений. Ионосферную
радиосвязь используют в качестве малоканальной связи на большие
расстояния, например для передачи сообщений дальним подвижным объектам о
стихийных бедствиях.
130

192,5
160,5
II 2.5
ТА Телевизионные ©поры
Для передачи телевизионных
программ используют метровый и
дециметровый диапазоны, поэтому сами
антенны имеют небольшие размеры, но
устанавливать их приходится на
большой высоте с целью охвата
значительных территорий. В антенне обычно
используют группы симметричных
вибраторов, объединенных в турникетные
антенны (см. рис. 7.1, е). В начальный
период развития телевидения в нашей
стране для установки телевизионных
антенн использовали башни, ранее
построенные для других целей, или
возводились новые по проектам,
разработанным для коротковолновых
синфазных антенн.
Начиная с 1950 г. на
телевизионных опорах, кроме турникетных
антенн высотой 12 м, стали
устанавливать антенны УКВ ЧМ вещания,
располагаемые на призматической
этажерке квадратной формы в плане
высотой 25 м при ширине базы 1,75 м.
Для этой цели были разработаны
специальные типовые проекты (рис. 7Л 4),
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 и решетка в
нижних секциях выполнялись из труб,
раскосы верхних секций — из круглой стали с предварительным
напряжением, которое создавалось при помощи муфт 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
которых размещались фидерные линии, лифт и лестница-стремянка.
131
Рис.
7.14. Типовые телевизионные
башни

По мере развития телевидения, увеличения числа каналов
телепередач 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
площадки и закрытые помещения для технического обслуживания, экскурсий и
т.п. Телевизионные опоры часто являются украшением города, поэтому
к ним предъявляют высокие архитектурно-художественные
требования. Такие сооружения были построены в Москве, Санкт-Петербурге 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.
Телевизионная башня высотой 275 м в Тбилиси построена в 1975 г.
Цельносварной 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
а)
Рис. 7.15. Телевизионные опоры:
а — в Киеве; б — в Тбилиси; в — в Ереване; г — в Алма-Ате; д -
- в Ташкенте
132

трехгранной решетчатой пирамиды; средней в форме шестигранного
цилиндра и верхнего цилиндра переменного сечения. Внутри башни по всей
ее высоте расположен цилиндрический ствол диаметром 4 м. Расход
стали — 1705 т. Ствол телебашни высотой 360 м в Алма-Ате (1982 г.)
состоит из участков цилиндрической формы диаметрами от 18,5 до 9 м.
Конструкция ствола решена в виде решетчатых призм, выполненных из
сварных 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
центральный 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
телецентра 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
авторами проекта стоимость 0,8 млн. руб. была увеличена сначала до 10 млн. руб., а
окончательно составила около 30 млн. руб. [9]. Заметим для сравнения, что фактическая стоимость
стальной телевизионной мачты высотой 350 м с круто поставленными оттяжками,
построенной в 1960 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
трансляции телевизионных программ и другой информации через спутники, а
также для исследования солнечной системы и Вселейной. В зависимости
от назначения конструктивные схемы таких антенн можно объединить в
три класса: полноповоротные; вращающиеся по углу места;
стационарные. 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
поверхностями. 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
направлении используют вращение земли относительно собственной оси.
Стационарно установленные на земле антенны в каждый момент
времени направлены в одну зону небосвода, которая с течением времени
перемещается вследствие вращения земли вокруг солнца и собственной оси.
Такие антенны не пригодны для сопровождения движущихся объектов,
их используют только для исследований Вселенной.
Полноноворотные параболические амтеемы. Этот тип антенн (см.
рис. 7.1, м, н) получил наибольшее распрос!ранение как в отечественной,
так и в зарубежной практике. Источник (приемник) излучения 10
устанавливают в фокусе параболического рефлектора 12. Иногда в фокусе
устанавливают дополнительное зеркало, а приемное устройство
располагают вне его.
Параболическое зеркало
(рефлектор) антенны представляет со-
бой сложную конструкцию, к
которой предъявляют очень жесткие
требования по ограничению
деформаций, возникающих при
поворотах рефлектора вследствие
перераспределения сил от собственного
веса конструкций, а также от
ветровой нагрузки. Диаметр
рефлектора может составлять десятки
метров, а в некоторых
радиотелескопах 100 м и более, поэтому эти
силы могут достигать весьма
больших значений. Заметим, что масса
рефлектора диаметром 100 м
составляет около 500 т,
В зависимости от способа
вращения зеркала радиотелескопы
делят на башенные и катковые (рис.
7.16).
Башенный радиотелескоп (рис.
7.17) состоит из зеркальной
системы, опорно-поворотного
устройства (башни) с опорной плитой и ме-
хаНЙЗМов вращения. Зеркальная
134
Рис. 7.16. Схемы полноповоротных
антенн:
а — башенная; б — катковая
7.17. Башенный радиотелескоп

2-2
Рис. 7.18. Схема несущих конструкций
система включает: облучатель,
поддерживаемый пространственной
рамой 1; зеркало 2Э состоящее из
несущих и отражающих конструкций;
опорные части горизонтальной (уг-
ломестной) оси 3; контргрузы 4,
поддерживаемые специальными
консолями; вилкообразную
конструкцию, служащую для закрепления
угломестной оси и механизмов к
азимутальной (вертикальной) оси.
Несущие конструкции
рефлектора состоят из радиально
расположенных плоских ферм (рис. 7.18),
объединенных между собой в
верхней части пространственными
кольцевыми фермами треугольной
формы, которые соединены между
собой решеткой, располагаемой по
верхней поверхности несущих
конструкций. 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
балок коробчатого сечения. В узлах опирания установлены специальные
устройства с пружинами и стяжными винтами, позволяющие
регулировать 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
относительно угломестной оси осуществляют с помощью чугунных
противовесов, располагаемых в плоскостях ведомых венцов на
специальных рамах, прикрепленных к балочному ростверку. Момент от
контргрузов должен несколько превышать момент от веса рефлектора с тем,
чтобы в случае вынужденного выхода механизма из работы чаша
поворачивалась в зенит.
135

Рис. 7.19. Ростверк для закрепления зеркала
Механизмы вращения рефлектора по углу места закреплены на
вилкообразной опоре вертикальной оси, представляющей собой сварную
коробчатую конструкцию. Сама ось имеет трубчатое сечение диаметром
6000 мм с толщиной стенки 70 мм. Внутри оси расположены лифт,
лестницы и площадки.
Щиты отражающей
поверхности выполняют из алюминиевого
сплава. Они имеют
трапецеидальную форму и состоят из листов и
ребер. Каждый щит 1 опирают на
радиальные фермы 3 в четырех точках
и крепят к ним с помощью
регулировочных винтов 2 (рис. 7.20).
Предварительно устанавливают и
тщательно выверяют с помощью
точных геодезических
инструментов реперные устройства 4, на
которые накладывают
пространственные шаблоны, и по ним
ориентируются при регулировке установоч-
Рис. 7.20. Узел опирайся щитов
отражающей поверхности
136
ных винтов.

Рис. 7.21. Катковым радиотелескоп
Рис. 7.22. Крестообразная антенна
В катковом радиотелескопе (рис. 7.16, б) вращение по углу места
осуществляют 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,
располагаемых 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
направлении С-Ю, подвижная представляет собой сетчатый параболоид,
вращающийся по оси 3-В. Параболическая поверхность зеркала образована
из 430 параллельных проволок, натянутых между 37 фермами из
тонкостенных 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
направления в заданную точку небосвода по азимуту используется
суточное вращение земли вокруг собственной оси.
137

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
нужный режим горения, что позволяло ограничиваться трубами малой
высоты. Позднее возникла необходимость в отборе тепла для использования
его б других целях и защите окружающей среды от выноса в атмосферу
вредных промышленных отходов. Для охраны природы стали
использовать вынос предварительно очищенных газов из производственной зоны
на большую высоту с тем, чтобы рассеять их на значительную площадь я
тем самым снизить концентрацию до безопасного уровня.
Предварительная очистка газов, как правило, связана с их
увлажнением, 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
конструкций 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,
поддерживающей 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 1ОО...5ОО°С.
По конструктивному решению промышленные трубы делят на
свободно стоящие трубы, подкрепленные трубы и вытяжные башни.
138

Свободно стоящие трубы представляют собой башню в виде
стальной футерованной изнутри цилиндрической оболочки, сочетающей в
себе несущие (инженерные) и ограждающие (технологические) функции.
Иногда свободно стоящие трубы проектируют из верхней
цилиндрической части и нижней — конической. Ствол подкрепленных труб
раскрепляют оттяжками или жесткими подкосами. В вытяжных башнях четко
разделены инженерные и технологические функции между несущей
башней и газоотводящим стволом.
8.2, Вытяжные бвшнт
8.2.1. Технические решения
Вытяжная башня состоит из несущей
обычно решетчатой конструкции и одного
или нескольких газоотводящих стволов.
Понятно, что вытяжная башня может быть
использована в качестве дымовой трубы, что
становится эффективным при высоте более
120...15G м.
Проектированием вытяжных башен
занимаются различные проектные
организации, но ведущая роль всегда принадлежала
Ленинградскому отделению института
ЦНИИПроектстальконструкция, где
выполнено более 200 проектов вытяжных башен
различного назначения высотой от 40 до 280
м с газоотводящими стволами диаметром от
0,6 до 10 м. Опыт работы по
проектированию этих сооружений обобщен в
монографии [5].
Наибольшее распространение получили
башни с одним газоотводящим стволом
(рис. 8.1). Когда технология производства
требует параллельного отвода газов из
нескольких агрегатов, в одной башне может
быть размещено несколько газоотводящих
стволов.
На рис. 8.2, а приведена вытяжная
башня ТЭЦ С Четырьмя ГаЗООТВОДЯЩИМИ СТВОЛа- РйС* 8Х вытяжная башня С ОД-
а г- ^ г- иим газоотводящим стволом
ми диаметром 4 и 5 м. Особенностью компо-
139

<*)
7Q0070QQ
■¥150,000
'1
1-1
HI
новочной схемы
является использование
каркаса шахты лифта,
расположенного в центре
башни, в качестве
промежуточной опоры для
элементов диафрагм.
Это позволило
упростить конструкции
диафрагм, обслуживающих
и переходных
площадок. Для удобства
обслуживания, ремонта и
замены газоотводящих
стволов их иногда
размещают не внутри
башни, а выносят на
консоли, расположенные по
одной из граней (рис.
8.2, б), которую в этом
случае делают
вертикальной.
Интенсификация
промышленного
производства связана с
увеличением объемов и
степени концентрации
вредных выбросов.
Несмотря на постоянное
совершенствование очистных
сооружений пока еще не удается добиться их вполне эффективной
работы, поэтому иногда требуется обеспечить выброс в атмосферу больших
объемов прошедших очистку газов на высоте 250...500 м и более.
Увеличение количества газоотводящих стволов и их высоты может привести к
экономической целесообразности увеличения количества граней
несущей башни, что позволит более удобно разместить газоотводящие стволы
и уменьшить расчетные длины элементов башни. Примером такого
сооружения 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 участ-
140
Рис. 3.2. Вытяжные башни с тремя газоотводящими
стволами

а)
22\
^+320,000
'±
«НИ
■■я
ке башни выполнены
выносными, в виде
кольцевых площадок,
расположенных с
внешней стороны башни.
Для более полной
характеристики
сооружения можно отметить,
что диаметр труб
поясов превышает 1 м, при
расчетных усилиях 30
МН. Общий расход
стали на сооружение
составляет 3400 т.
Для вытяжных
башен больших высот
может оказаться
целесообразным
подкрепление несущей башни
подкосами. Примером
такого решения
является вытяжная башня
высотой 320 м с двумя га-
зоотводящими
стволами диаметром 8,4 м
(рис.8.3, б). Несущая
башня представляет
собой решетчатый
многогранник
призматической формы,
подпертый на отметке 108 м
тремя подкосами, расположенными в плане под углом 120°.
Многогранник интересен тем, что он представляет собой систему плоских
решетчатых панелей размером 18x3,2 м, устанавливаемых поярусно в шахматном
порядке с образованием чередующихся безраскосных участков граней.
Подкосы башни имеют трубчатое сечение диаметром 3,2 м, что
допускает 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. 83. Многогранные башни

Рис. 8.4. Размещение газоотводя-
вдиж стволов в поясах несущей
башни
При больших высотах вытяжных
башен становится рациональным
размещение газоотводящих стволов в поясах
несущей башни. На рис. 8.4 приведена схема
вытяжной башни ГРЭС высотой 320 м с
двумя газоотводящими стволами
диаметром 8,4 м. Башня представляет собой
пространственную многоярусную раму,
защемленную в основании. Сквозные
стойки рамы сечением 10x10 м размещены в
плане по вершинам равностороннего
треугольника со стороной 40 м. Две из них
имеют квадратную форму в плане,
одна — треугольную. В стойках квадратной
формы размещены газоотводящие стволы,
в стойках треугольной формы — шахта
лифта. Кроме основных ригелей каждая
стойка имеет консольные наружные
диафрагмы.
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
газоотводящими стволами диаметром 8 м. Башня
состоит из трех поясов, выполненных в виде
цилиндрических оболочек диаметром 13
м, расположенных в плане по углам
равностороннего треугольника со стороной 80
м. Пояса соединены между собой
распорками через 86 м и крестовыми предвари-
!Г тельно напряженными связями. Внутри
двух поясов размещены газоотводящие
стволы с системой лестниц и
обслуживающих 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 газоотводящрши
стволами.
Проблема строительства сверхвысоких башен возникла сравнительно
недавно, поэтому рассмотренное здесь техническое решение башни вы-
142

-чооомоо
Шахта
лифта
Газоотводя-
щие стволы
Рис, 8.S. Размещение газоотво-
стволов в трубчатых
поясах башни
Рис, 8.6, Размещение газоотводящих стволов в тру-
бе-оболочке
сотой 600 м пока еще не доведено до стадии внедрения, Другим
примером 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,
расположенными 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
которых один или несколько газоотводящих стволов расположены внут-
143

Рис. 8.7. Схемы ©пирання газоотводящего ствола
ри несущей башни (см. рис. 8.1). На основании накопленного опыта
проектирования таких сооружений можно рекомендовать для вытяжных
башен с одним газоотводящим стволом четырехгранную башню, а для
сооружений с несколькими стволами: четырехгранную — при двух
газоотводящих стволах; трехгранную — при трех.
Газоотводящий ствол передает на несущую башню вертикальные н
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
сейсмических явлениях. На несущую башню эти силы передаются в местах
расположения диафрагм.
Вертикальные силы возникают от веса ствола, теплоизоляции,
коррозионной 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
нулевой отметки. В противном случае способ опирания зависит от уровня
расположения газоходов. При сравнительно небольших отметках
газоходов газоотводящий ствол опирают на отдельный фундамент
непосредственно (рис. 8.7, а) или через решетчатую опору (рис. 8.7, 6). Если ввод
газохода расположен сравнительно высоко, то газоотводящий ствол
опирают на одну из нижних диафрагм башни (рис. 8.7, в).
На период монтажа и ремонтов газоотводящих стволов
предусматривают 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
высотой 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
площадок и лестниц для обслуживания конструкций. Размеры башни в
основании зависят от ее высоты. Унифицированные габаритные схемы
конструкций вытяжных башен приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Рекомендуемые отношений диаметра к высоте трубы
Форма трубы
Цилиндрическая
Тшп трубы
нефутерованная
без гасителей
колебаний
1/15
с гасителями
колебаний
1/30
футерованная
1/25
8.2,2- Конструктивные решения
Конструктивное оформление несущей башни соответствует общим
рекомендациям §63, 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
конструкции узлов. В этих случаях вы можете выполнить узлы на парных
фасовках (рис. 8.8), превратив трубчатые элементы решетки в районе узла в
Рис. 8,8. Узел башни при больших усилиях в элементах
145

Рис, 8о9. Консольная площадка для размещения газоотводящнх стволов
замкнутое коробчатое сечение, которое при помощи накладок соединено
с узловыми фасонками.
Некоторые особенности конструктивного оформления присущи
также вытяжным сооружениям, газоотводящие стволы в которых вынесены
за пределы несущей башни, например по типу решсшя, показанного на
рис. 8,2, б. В этом случае на вертикальной грани башни предусмотрите
консольные площадки (рис. 8.9), в уровне которых газоотводящие
стволы, опертые внизу на самостоятельные фундаменты, имеют скользящие
опоры, не препятствующие вертикальным перемещениям ствола, но
передающим на несущую башню ветровую нагрузку.
Общие принципы проектирования решетчатых башенных
конструкций остаются без изменений, поэтому ниже будут рассмотрены только
конструкции газоотводяшего ствола. При конструктивном оформлении
несущей башни вы можете следовать рекомендациям §63.
Материалы. Газоотводящий ствол выполняют из металла (стали,
алюминия и его сплавов, титана), конструкционных пластмасс
(стеклопластика, 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
температурой ниже 100°С и отсутствием конденсата (относительная влажность
ниже 50...60%);
9 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;
в переменный режим с периодически переменной температурой в
интервале ЗО...ЗОО°С и влажностью, меняющейся в широком диапазоне.
В отводимых газах чаще всего присутствуют следующие химические
компоненты: сернистый газ, серный ангидрид; оксиды азота; хлор,
хлористый водород; фтор, фтористый водород; фосфорный ангидрид;
сероводород, сероуглерод.
При наличии таких компонентов и низкотемпературном сухом
режиме 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
условии защиты внутренней поверхности ствола гуммированием, а при
наличии в составе газов сероводорода либо сероуглерода — с защитой
металлизацией алюминием или цинком.
Гуммирование практикуют при температуре отводимых газов не
выше 60°С и при образовании в стволе кислот (кроме азотной). Его
выполняют путем обкладки внутренней поверхности ствола листами сырой
резины с последующей вулканизацией в специальных камерах.
Наиболее часто применяют трехслойную обкладку, состоящую из мягкой
резины № 1976 толщиной ! ,5 мм, гибкого эбонита № 2169 толщиной 3 мм и
резины № 1476 толщиной 1?5 мм. При гуммировании внутренней
поверхности газоотводящего ствола обычно одновременно гуммируют
наружную часть ствола, находящуюся в зоне окутывания, а также все
фланцы и болты.
Если в перечисленных выше компонентах газовой смеси отсутствуют
фтор, фтористый водород, сероводород, сероуглерод, то
малоуглеродистую сталь можно также использовать для высокотемпературного сухого
режима. При отсутствии в составе отводимых газов
фтористо-водородной кислоты можно рекомендовать для защиты стали от коррозии
трехслойные лакокрасочные покрытия на основе кремнийорганических
материалов 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
(особенно в зоне окутывания) увеличивают на 2,..4 мм по сравнению с
необходимой по условиям прочности и устойчивости.
Перспективным направлением защиты от коррозии газоотводящего
ствола являются неорганические футеровочные материалы типа
пеностекла, которые одновременно являются теплоизоляторами,
предотвращающими образование конденсата. Их можно использовать при
отсутствии в составе отводимых газов фтористоводородной и кремнефтористо-
водородной кислот, а также концентрированного щелочного конденсата.
Защиту от коррозии наружной поверхности газоотводящего ствола и
несущих конструкций башни производят в соответствии с
рекомендациями §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
малоуглеродистой стали.
Хромистая сталь марки ОХ 13 может быть использована в средах,
содержащих сероводород и оксиды азота. Хромоникелевые стали
ОХ21Н5Т, Х18Н9Т, Х18Н10Т целесообразно использовать при
низкотемпературном влажном режиме для работы в средах, содержащих
оксиды азота и фосфора. Последние две марки сталей вы можете
применить также при высокотемпературном и переменном режимах в средах,
содержащих оксиды серы, сероводород и хлор. В средах, содержащих
сероводород, оксиды серы, азота и фосфора, можно использовать сталь с
добавкой молибдена Х17Н13М2Т. 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
также в атмосфере сероводорода и сухих оксвдов азота. При температуре
выше 100°С ухудшаются прочностные характеристики сплавов. В
конструкциях 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
влажном хлоре и азотной кислоте, несколько хуже сопротивляется серной,
соляной 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
представлены, главным образом, фаолитом, который получают из фенол-
формальдегидной смолы и наполнителя. Он обладает высокой
химической стойкостью, достаточной прочностью, допускает все виды
механической 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
кислоте. Неустойчив к действию оксидов азота и азотной кислоты, к
соединениям 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
растворов серной, соляной, плавиковой, фосфорной, сероводородной
кислот. Доски, из которых изготовляют газоотводящий ствол, должны быть
пропитаны антипиренами и окрашены с двух сторон огнестойкой
краской ПХВО. Для защиты от конденсата их покрывают химически стойким
лаком ХСЛ. Доски соединяют гвоздями из нержавеющей стали.
Опирание газоотводящего ствола на несущую башню. При
проектировании вытяжных башен прежде всего нужно решить вопросы
передачи на несущую башню вертикальных и горизонтальных воздействий
газоотводящего ствола с сохранением свободы его вертикальных
перемещений. 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.
Температурные перемещения погашаются компенсаторами вблизи узла опира-
ния на башню ствола (рис. 8.10).
• Газоотводящий ствол целиком опирается на отдельный фундамент
(см. рис. 8.7, а, 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
ствола (рис. 8.11).
в Газоотводящий ствол опирается на башню с помощью тяжей:
наклонных в нижней части, передающих на башню вертикальные силы;
горизонтальных в уровнях основных узлов примыкания решетки к поясам,
передающих на башню горизонтальные воздействия (рис. 8.12).
149

устык
<
<
м
fit ,
*
\
>
Монтажный
Рис. 8.10. Опирание газоотводящего ствола на диафрагмы
9 Газоотводящий ствол целиком опирается на диафрагму в нижней
части башни 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
опирают посредством опорного кольца, образованного двумя
горизонтальными ребрами жесткости (рис. 8.14, а). Такое решение используют при
трубах диаметром 8...4 м. В
газоотводящих стволах
больших диаметров часть
стенки в зоне
расположения опорного кольца может
быть усилена (рис.8.14, б).
При малых диаметрах
ствола опорное кольцо можно
заменить отдельными
«лапами» (рис. 8.14, в).
Опирание газоотводя-
щего ствола на несущую
Рис. 8.11. Передача горизонтальной нагрузки при башню С совмещенной пе-
помощи катков редачей вертикальных и го-
150

Рнс. 8Л2, Опирание газоотводящего ствола ка тяжах
ризонтальных сил на
каждую диафрагму примени- н
ют сравнительно редко.
Такое решение не
получило широкого
распространения из-за высокой
трудоемкости изготовления
конструкций, а также
сложности устройства
антикоррозионного
покрытия в местах
компенсаторов.
Вследствие этого
конструкция ствола без
компенсаторов с раздельной
передачей вертикальных и
горизонтальных нагрузок
более предпочтительна.
Однако использование
катков для
горизонтального опирания ствола на не-
сущую башню нельзя при- рис gM умы о|шрания газоотводящего ствола с
знать удачным, ПОСКОЛЬКУ совмещенной передачей вертикальных и горизон-
температурные перемеще- тальиых сил
151
а)
Рис. 8.13» Скользящие опоры
6)
=
U
Синими
ri

ния газоотводящего ствола, связанные с колебаниями температуры
наружного воздуха, незначительны по величине и скорости изменения, а
существенные перемещения возникают лишь в редкие моменты пуска и
остановки технологического процесса. С другой стороны, изготовление и
установка катков на монтаже требуют повышенной точности, иначе
возможен 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
небольшой разнице между температурами наружного воздуха и отходящих
газов (порядка 50°С).
Наиболее перспективным решением является конструкция со
скользящей опорой. При температурньхх перемещениях ствола относительно
башни до 400 мм можно использовать конструктивное решение,
показанное на (рис. 8.13). Если же перемещения превышают эту величину,
то целесообразно увеличивать высоту опорного кольца и размер
скользящей опоры в вертикальном направлении (рис. 8.15). Высоту упоров в
этом случае можно назначать конструктивно. Преимущество такого
решения заключается в более четкой передаче горизонтальной силы на
диафрагму несущей башни, при которой исключена возможность
возникновения 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
рекомендована к примене-
/„/ нию при небольшой
разнице между размерами
башни в плане и
газоотводящего ствола в зоне
крепления тяжей. Кроме того,
необходимо иметь в виду,
что подвеска ствола на
тяжах достаточно трудоемка
в исполнении и поэтому
может быть оправдана
лишь при условии ограни-
152
Рис. 8.15. Узел скользящей опоры

чения диаметра тяжей размерами 36...42 мм и угла наклона тяжей к
горизонту в пределах 50...70°. Эти предельные размеры позволяют
осуществлять подвеску ствола общей массой примерно до 60 т. Существенным
недостатком такого способа опирания ствола является то, что его опорное
кольцо и узел крепления тяжей к башне должны воспринимать
значительные 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
промежуточное стальное кольцо, что связано с относительно низким
расчетным сопротивлением материала ствола. Участок газоотводящего ствола в
месте опорного кольца всегда делают утолщенным по сравнению со всей
оболочкой ствола, а кольца раскрепляют большим количеством
вертикальных ребер. Для предотвращения гальванической коррозии во всех
местах соприкосновения сплава алюминия со сталью необходимо
предусматривать 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
гальванической коррозии. В качестве изоляции применяют прокладки из тефлона
или полиизобутилена. Используемые в настоящее время для
газоотводящих 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
типовых царг высотой до 3 м и опирание их на диафрагмы несущей башни
осуществляют через вспомогательный поддерживающий каркас из
стального проката. Горизонтальные воздействия со ствола на башню
передаются тяжами; свобода вертикальных температурных перемещений
обеспечивается 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
нижнюю диафрагму башни возникает опасность его заклинивания в процессе
температурных перемещений, что делает порой целесообразным
опирание ствола не на одну, а на 2...3 диафрагмы с устройством необходимых в
этом случае компенсаторов. Компенсаторы создают лучшие условия для
153

Рис, 8.16. Компенсаторы газоотводящего ствола
работы оболочки ствола,
упрощают его монтаж и
ремонт, который можно
осуществлять в этом
случае посекционно.
Практически же вопрос о
целесообразности устройства
компенсаторов того или
иного типа и их количестве
решается в каждом
конкретном случае отдельно в
зависимости от принятой схемы и температурных условий эксплуатации
сооружения.
Существует достаточно много типов компенсаторов, некоторые их
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) делают с
выпуском внутрь ствола, а оболочку ствола над компенсатором — с
выпуском в зону компенсатора. Нижняя стенка компенсатора должна
иметь такой уклон, чтобы происходил сток конденсата. Сальниковый
компенсатор (рис. 8.16, б) находит широкое применение, но при
небольших диаметрах газоотводящего ствола. Хорошими эксплуатационными
качествами обладают компенсаторы, выполненные из эластичного
материала, стойкого к химической агрессии и повышенной температуре.
На рис. 8.6, в показан один из таких компенсаторов.
Стыки газоотводящего ствола. Наибольшее распространение
подучили три типа монтажных соединений газоотводящего ствола: сварка
встык (рис. 8.17, а); соединение кольцевой накладкой (рис. 8Л7, б3 в);
соединение на болтах кольцевых ребер (рис. 8.17, г). Кольцевые накладки в
виде полубандажей (рис.8.17, в), используемые дал стволов небольшого
диаметра,
существенно уменьшают
количество монтажной
сварки. Монтажный стык
фланцевого типа
делают в тех случаях, когда
секции в целях
антикоррозионной защиты
предварительно
гуммируют.
154
8.17. Стыки газоотводящего ствола

8.2.3. Расчет конструкций
Особенности расчета несущей башен. Расчет конструкций несущей
башни не имеет принципиальных отличий от рассмотренных выше
общих положений расчета пространственных высотных сооружений. При
отклонении осей поясов от вертикали в пределах до 20°, что
соответствует реальным очертаниям поясов вытяжных башен, нагрузку можно
раскладывать по граням и рассматривать их как плоские системы. Усилия в
раскосах и распорках определяют расчетом плоских ферм, усилия в
поясах — алгебраическим суммированием соответствующих усилий в
смежных гранях. При этом для расчета решетки принимают направление ветра
на грань, при расчете поясов — по диагонали.
Вертикальные нагрузки от газоотводящего ствола передают на
несущую башню или отдельный фундамент в зависимости от выбранной
схемы опирания ствола. Горизонтальные нагрузки прикладывают в виде
сосредоточенных 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
нагрузки на газоотводящий ствол и элементы башни с заветренной стороны.
Основные положения расчета газоотводящего ствола.
Газоотводящий ствол представляет собой тонкую цилиндрическую оболочку,
точный расчет которой является достаточно сложной задачей. Для
практических расчетов можно воспользоваться приближенными методами,
построенными 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
методов показала приемлемость приближенного
подхода с достаточной для практических
целей точностью.
На прямоугольный элемент, вырезанный
из стенки трубы, действуют внутренние
усилия, показанные на рис. 8.18.
Меридиональное усилие Тх можно
определить как для сжато-изогнутого стержня
кольцевого сечения, подверженного действию
продольной силы Ми изгибающего момента М:
T=Nt/A±Mt/W9
(8Л)
Рис. 8.18. Напряженное
состояние оболочки
газоотводящего ствола
155

где A, W—площадь и момент сопротивления сечения газоотводящего
ствола; t — толщина стенки ствола. Осевое усилие возникает от
собственного веса ствола, теплоизоляции, гололеда, отложений и т.д.,
изгибающий момент — от ветровой нагрузки. Обычно ствол считают по
разрезной схеме с шарнирным опиранием на диафрагмы. Ветровую нагрузку
определяют по нормам проектирования [4]. Касательное напряжение хи
вычисляют, используя формулу Журавского хи = QS/JL 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
газоотводящего ствола (H/D) необходимо принимать во внимание моменты и
поперечные силы, возникающие от прогиба несущей башни, определяя их из
условия совместной работы башни и газоотводящего ствола.
Для определения кольцевых усилий удобно воспользоваться разложением
аэродинамического коэффициента (рис. 8.19) в ряд
с(а) -ZQ + ZX cosct + Z2 cos2a + Z3 cos3a + Z4 cos4a,
(8.2)
где Zo = --0,958; Zx = 0,327; Z2 = 1,322; Z3 = 0,559; Z4 = -0,208.
Нагрузка, связанная со вторым членом Zjcosa разложения (8.2), вызывает изгиб
газоотводящего ствола по балочной схеме, который был учтен выше другим способом. Нагрузка,
а)
1
Направление
ветра
Направ
ление
ветра
Рис. 8.19. К расчету газоотводящего ствола
156

связанная с остальными членами разложения (8.2), вызывает в оболочке газоотводящего
ствола кольцевые усилия:
Ту = -qrZ0; (8.3)
гп - -qr* 2^ 2 " CQSnal (8.4)
я=2 П -1
где q — расчетное давление ветра на единицу площади без учета аэродинамического
коэффициента; г— радиус срединной поверхности оболочки; а — угловая координата,
отсчитываемая от оси направления ветрового потока (см. рис. 8.19).
Прочность газоотводящего ствола определяют по приведенным
напряжениям
V*x+<*'-**<*,+3т^ < Ryyc, (8.6)
где
°x=Tx/t;oy=Ty/t±6m/t2; т^^+т*; т, = (3 / 2) / (Q11). (8.7)
В местах размещения кольцевых ребер жесткости возникают
дополнительные напряжения краевого эффекта. Эти напряжения можно
определить и учесть их влияние по правилам, изложенным в § 1.3. Обычно при
проектировании газоотводящих стволов такой расчет не производят, а
для исключения чрезмерных перенапряжений толщину стенки ствола в
местах установки опорных колец конструктивно увеличивают на 2...4 мм.
Это одновременно позволяет компенсировать влияние температурных
деформаций от изменения температурного режима на напряженное
состояние оболочки в зоне краевого эффекта.
Проверка местной устойчивости. Местную устойчивость стенки
газоотводящего ствола не подкрепленного промежуточными кольцами
жесткости проверяют по формуле
(т/тО1)2+ст/<тО1<1, (8,8)
где т, а — касательные и нормальные напряжения, действующие в
сечении ствола; т01, а01 — критические касательные и нормальные
напряжения.
Проверку устойчивости стенки газоотводящего ствола по формуле
(8.8) следует производить трижды, определяя напряжения: на
нейтральной оси сечения (при а =п 12); в наиболее удаленной от нейтральной оси
точке (при а = 0); в точке с координатой а = агссо5[(я£М / Q)(x \л 12а 01 )\
Нормальные и касательные напряжения определяют по формулам
157

а = М cos a / (nr2t) + N / (2тггО; x^Qsina I (nrt), (8.9)
где М, Q9 N—соответственно изгибающий момент, поперечная сила,
сжимающая сила, действующие в поперечном сечении ствола.
Критическое нормальное напряжение а01 равно меньшему из
значений фЛу или cEt/r, где ф =0,97-(0,00025+0,95Л^/£)(г//); с —по
табл. 1.1.
Критическое касательное напряжение т01 определяют по формулам:
для длинных оболочек при (L/r)2 (t/r) > 77
т0| =№67E/(l-ix2)V4](t/rf2; (8.10)
для средних и коротких оболочек при (L/r)2 (t/r) < 11
х01 =[0,1*Е I (l~\x2f%]{t ilrf\ri Lf\ (8.11)
где ц — коэффициент Пуассона; L — длина оболочки (расстояние между
опорными кольцами газоотводящего ствола).
В тех случаях, когда оболочка газоотводящего ствола на участках
между диафрагмами несущей башни подкреплена системой
промежуточных кольцевых ребер жесткости, а длина полуволны, изогнутой в
результате потери местной устойчивости поверхности,
не превышает расстояния между ребрами жесткости, последние не
оказывают подкрепляющего влияния на оболочку. В противном случае
нормальное критическое напряжение ст01 в условии устойчивости (8.8)
следует определять по формуле
yL2), (8.13)
где A, =l-f (l~ii2)Ardt; Лг — площадь промежуточного ребра; d — шаг
ребер; с — коэффициент, принимаемый по табл. 1.1.
3.3. 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 рекомевдуется
проектировать на оттяжках. Диаметр трубы и ее высоту определяют
теплотехническим расчетом с учетом экологических требований.
158

Рме. 8.20. Типы дымовых труп
Расчаленные трубы (трубы на оттяжках) а) { б)
делают цилиндрическими (рис. 8.2G, а); их
диаметр изменяется от 30 до 70 см, толщина
стенок — от 4 до 3 мм.
Свободностоящие трубы обычно имеют
переменное сечение: нижнюю часть их
выполняют конической, верхнюю —
цилиндрической (рис,8.20, 6). Высоту конической
части принимают не менее 1/4 высоты
трубы, диаметр нижнего основания
конуса — около двух диаметров цилиндрической
части, при этом его отношение к высоте
трубы не должно превышать 1/10 для нефутеро-
ванных труб и 1/15 — для футерованных.
Рекомендуемые 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
кольцо 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
нежелательны вследствие колебаний трубы от действия ветровой нагрузки,
поэтому для высоких труб (Н > 70 м) более надежным является
соединение секций встык с односторонней разделкой нижних кромок каждой
секции (рис, 8.21, б).
Для защиты внутренней стороны оболочки (кожуха) трубы от
коррозии под действием дымовых газов и теплоизоляции газов от наружного
воздуха устраивают футеровку из огнеупорного кирпича (шамота).
Толщина футеровки зависит от температуры дымовых газов. Между
футеровкой и оболочкой трубы оставляется зазор 2...3 см, который заполняют
котельным шлаком или инфузорной землей. Для 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
опирания футеровки на кольца необходимо перекрывать мостики передачи те-
159

Асбестовая
мелочь с глиной
\Колъцо
жесткости
Кожух
Кольцо
жесткости
¥шс, 8.21. Узлы дымовых труб
хша9 предусматривая напуск футеровки и заделку зазоров асбестовой
мелочью с глиной (рис.8.21, а, в).
Цилиндрические секхщя трубы обычно габаритны, их изготовляют на
заводе стальных конструкций. Коническая часть высокой трубы
негабаритна, ее сваривают на месте установки из заранее свальцованных
листов. Для усиления верхнего конца трубы и защиты футеровки от
атмосферных осадков устраивают верхнее окаймляющее кольцо (рис. 8.22, а).
Кроме того, вблизи верха трубы устраивают круговую площадку для
тележки маляра и обслуживания светового ограждения; вдоль трубы
предусматривают 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 им и приваривают к ней (рис. 8.22? б). Плиту прикрепляют к
фундаменту анкерными болтами диаметром 24..AS мы. Анкерные столики
могут быть расположены симметрично относительно стенки трубы, если
среда не является агрессивной и в нижней части трубы организован вход
а)
L65*65*6
г 180*16
[L
б)
Футеровка из
тошнотного
кирпича на
огнеупорном растворе
Футеровка из х
красного кирпича"
Песок
'Кожух
£. 8.22. Конструктивное оформление дымовых труб
160

а)
б)
Рис. 8.23. Несимметричная опорная плита
внутрь для периодического осмотра анкерных болтов. В противном
случае анкерные болты располагают только снаружи (рис. 8.23) по схеме а с
кольцом жесткости или без него, либо по схеме 5, если требуется
применять высокие анкерные болты.
Узел соединения цилиндрической и конической частей трубы
работает в сложном напряженном состоянии. Предпочтительной является
сварка встык (рис. 8.24,
а). Усложнение это- ^*—-^ТГ / § -~тг в)
го узла путем
введения колец и ребер
(рис.8.24, б, в) не
оправдало себя.
При диаметре
газохода, не
превышающем половину
диаметра трубы,
допускается
непосредственная врезка его
в трубу с усилением
г- , Рис. 8.24. Типы соединений цилиндрической и конической
стенки трубы фар- часгей ^^
у UM. Щ1Я »рс JKH Q — сварКа встык; б — сварка через фланец; в — сварка встык с усилени-
КруПНЫХ ГаЗОХОДОВ ем места перелома ребрами
6-447 161

целесообразно вблизи трубы переходить с цилиндрической на
прямоугольную форму газохода с тем, чтобы сократить размер ввода по
ширине. 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
серы и других вредных примесей, способствующих образованию
конденсата, содержащего кислоты, на наружной поверхности трубы устраивают
теплоизоляцию. Ее обычно выполняют из минераловатных плит,
закрепляемых 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
устойчивость, выносливость при резонансных колебаниях. Кроме того,
проверяют устойчивость на опрокидывание трубы совместно с
фундаментом с коэффициентом запаса 1,3 (при ветре максимальной
интенсивности 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.
Нагрузками на трубу являются собственный вес кожуха, футеровки и
горизонтальные 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
нагрузки моменту от линейно возрастающей нагрузки, определенной с
учетом возрастания скоростного напора по высоте. При вычислении периода
собственных колебаний, необходимого ддя определения пульсационной
составляющей ветровой нагрузки, можно воспользоваться
рекомендациями п.6.2.2.
Прочность для каждого участка (на уровне его нижнего сечения)
проверяют по формуле
N/A + M/WuRyye9 (8.14)
где А?—продольное расчетное усилие от вертикальных нагрузок;
М—расчетный изгибающий момент от горизонтальных нагрузок; А =
= 2nrt — площадь поперечного сечения оболочки трубы; W= nr*t — мо-
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-
диаиальным, 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
эффекта, которые можно определить согласно указаниям и формулам §6.3.
Проверку местной устойчивости оболочки можно выполнять в
соответствии с рекомендациями п. 8.2.3.
Расчет на ветровой резонанс. При обтекании цилиндрической
трубы плоскопараллельным ветровым потоком в области, находящейся
позади трубы, образуются вихри, причем они возникают не по оси трубы, а
справа и слева от нее. Вихри периодически отрываются от трубы то с
одной, то с другой стороны и создают периодическую пульсацию трубы,
вызывающую ее колебания в направлении,
перпендикулярном ветровому потоку. Эту
пульсацию нельзя рассматривать как
внешнюю заданную силу, так как колебания труб
сами влияют на отрыв вихрей
(автоколебания), на их частоту и интенсивность, что
является 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
возникают значительные динамические напряжения,
которые могут явиться причиной разрушения
сварных швов или основного металла в
околошовной зоне.
Для устранения резонанса применяют
гасители колебаний. В последние время
наибольшее распространение получили гасители
колебаний (интерцептеры), 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- Рис, 8.25. Фрагмент трубы с
мых между собой. Шаг каждой спирали равен интерцептером
163
1-1
(повернуто)

3...5 диаметрам трубы. Ширина полосы 1/8... 1/12 верхнего диаметра
трубы, толщина 2...3 мм.
При отсутствии виброгасителей выполняют поверочный расчет на
резонанс в следующей последовательности.
• Определяют критическую скорость ветра, вызывающую
резонансные колебания:
,, (8.15)
где Ts — s-й период свободных колебаний трубы, с; d — диаметр
цилиндрической трубы (для труб малой коничности d — диаметр верхнего
сечения трубы).
Проверку на резонанс не производят, если критическая скорость
ветра менее 2<Jq и более 25 м/с (д — нормативный скоростной напор для
высоты над поверхностью земли 10 м).
• Определяют интенсивность аэродинамической силы Fs(x,t\
действующей на трубу при ее колебаниях по s-ой форме:
Fs(x,t) = FOsas(x)sina>st9 (8.16)
где FOs =(vcrfj)2^/64 — амплитуда аэродинамической силы,
соответствующая наибольшей относительной ординате s-ой формы колебаний (для
консольного стержня значение FOs соответствует свободному концу, для
двухопорного — середине пролета); а^*) — относительная ордината
j-ой формы свободных колебаний; <os= 2n/Ts — s-я круговая частота.
• Загружая трубу силами Fs(x,t% строят эпюру изгибающих моментов
Ms, рассматривая действие этих сил как статическое, и находят резананс-
ные динамические изгибающие моменты по формуле
Л/,,=0,8лЛ/,/б, (8.17)
где 0,8 — коэффициент, учитывающий малую вероятность
возникновения плоскопараллельного потока по всей высоте трубы; 5 —
логарифмический декремент колебаний, принимаемый для стальных дымовых труб
и мачт равным 8 = 0,8.
• Определяют расчетные динамические изгибающие моменты как
геометрические суммы резонансных моментов Msd и моментов М„ от
критической ветровой нагрузки, действующей в направлении ветрового
потока при скорости ветра, соответствующей срыву вихрей vcr/.
M = ^JM*d+Ml (8.18)
При определении моментов М„ учитывают среднюю и пульсацион-
ную составляющие ветровой нагрузки, т.е. повторяют все процедуры вы-
164

числений при сборе
ветровой нагрузки, но
выполняют их для
скорости ветра,
соответствующей срыву
вихрей. Если эта скорость
не превышает 10 м/с,
момент в направлении
ветрового потока Mw
можно не учитывать.
* Расчетные
сечения трубы проверяют
на выносливость при
совместном действии
нормальных усилий и
динамических
изгибающих моментов
\62,506
500
2,800-
У,200м
Ф77777*
Р>
f
0,89
0.81
0,74
7У77777/
Рис. 8.26. К расчету дымовых труб
N1
(8.19)
где i?v, a, yv — соответственно расчетное сопротивление усталости и
коэффициенты, учитывающие количество циклов и вид напряженного
состояния, определяемые согласно рекомендациям СНиП [3].
При компоновочных расчетах вы можете учитывать только
колебания трубы по основному тону и принять в качестве исходной кривой
параболу, которая является эпюрой загружения трубы силами инерции:
p = P<o2y/g. (8.20)
Ординаты эпюры для середин участков разбиения трубы (рис.8.26) не
трудно вычислить, исходя из наибольшей амплитуды колебаний
верхушки трубы, которую можете принять равной 1/200 высоты трубы.
Динамический изгибающий момент в произвольном сечении трубы
будет равен
(8.21)
где (о = 2п/Т—круговая частота колебаний; Т—период колебаний;
g — ускорение свободного падения; Р„ — собственный вес участка
трубы; hn — расстояние от центра участка до верха конической части трубы;
уп — горизонтальное смещение центра участка.
165

Глава 9
СТАЛЬНЫЕ ОПОРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
9.1 „ Общие сведения о высоковольтных линиях
Воздушные линии электропередачи предназначены для
транспортировки 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,
расположенными над проводами. Воздушные линии напряжением более 1000 В (1кВ)
принято называть высоковольтными. Они могут быть переменного тока
(как правило, трехфазного) или постоянного. Высоковольтные линии
напряжением 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
переменного 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
дальнейшем ВЛ) применяют, как правило, неизолированные многопроволочные
сталеалюминиевые провода, имеющие сердцевину из стального
высокопрочного 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
увеличением в проводах соотношения А:С уменьшается их прочность, снижа-
166

ется приведенный модуль
упругости, повышается деформа-
тивность. Поэтому при
больших механических
нагрузках на провода или на
особо ответственных и больших
Рне, 9.1. Примеры сечений сталеалюминиевых
переходах применяют провода прттш (темная часгь сечеййЯ _ стальной та.
С меньшим соотношением Нат, светлая — алюминиевые проволоки)
алюмшия и стали.
Кроме этого, сортаментом предусматриваются специальные
усиленные провода, такие как АС 70/72 и АС 95/141, которые применяют в
качестве грозозащитных тросов в линиях СВН, где они параллельно
выполняют функции проводной высокочастотной связи.
В высоковольтных линиях электропередачи происходят потери
электроэнергия за счет ионизация воздуха около проводов (потери на
корону), которые уменьшаются с увеличением площади поверхности
проводов. Эти потери становятся ощутимыми в линиях напряжением 110 кВ и
выше. Поэтому, чтобы снизить их? стремятся применять провода
большего 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
восемь-двенадцать проводов.
В качестве грозозащитных тросов применяют стальные канаты
точечного касания (ТК) по ГОСТ 3062-80, 3063-805 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
генеральных геометрических параметров. Расстояние между точками подвеса
провода (/) называют пролетом провода; расстояние от уровня
поверхности земли до низшей точки провода {hx) — габаритом высоковольтной
линии. Размер/называют стрелой провеса провода. Буквой h будем
обозначать высоту от уровня поверхности земли до точки крепления провода
к изолятору или гирлянде изоляторов.
Согласно ПУЭ провода и грозозащитные тросы рассчитывают на
нормативные нагрузки и воздействия по методике допускаемых напряжений,
уровень которых устанавливается ПУЭ.
Нагрузки и воздействия на провода и тросы. Максимальные
нормативные значения ветрового давления и толщину гололедных отложе-
167

"Точки подвеса пртода
Рис. 9.2. Схема провода ВЛ
ний на провода и тросы определяют, исходя из повторяемости их 1 раз в
15летдляВЛ500кВ, 1 разв 10 лет для ВЛ 6...330кВи 1 раз в 5 лет для В Л
3 кВ и ниже. Ветровое давление на провода и тросы В Л определяют по
высоте расположения их приведенного центра тяжести:
h =h --/, (9.1)
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:
где а — коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового
давления по пролету ВЛ; Кх — коэффициент, учитывающий влияние длины
пролета на ветровую нагрузку; Сх — коэффициент лобового
сопротивления 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, м2
(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,
исходя из цилиндрической формы гололедных отложений (рис. 9.3), Н/м:
/ = nbk\xi (d -ь bk\xi )pglO~
(9-3)
168

Гололед
с. 9.3. Поперечное сечение про-
вода' п<"фьггого гололедом
где b — толщина стенки гололеда, мм;
к — коэффициент, учитывающий
изменение толщины стенки гололеда по высоте;
d — диаметр провода (троса), мм;
ц. — коэффициент, учитывающий
изменение толщины стенки гололеда в
зависимости от диаметра провода или троса;
/7=0,9 — плотность льда, г/см3; g —
ускорение свободного падения, м/с2.
Результирующие линейные нагрузки,
получаемые путем геометрического
сложения 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
климатических условий:
в высшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
9 низшая температура, ветер и гололед отсутствуют;
• среднегодовая температура /э, ветер и гололед отсутствуют;
• провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С,
ветер отсутствует;
• максимальное нормативное ветровое давление wn maxi температура
минус 5°С, гололед отсутствует;
• провода и тросы покрыты гололедом, температура минус 5°С,
ветровое давление 0,25 wnmax (скорость ветра 0,5 vmax).
Напряжение в проводе (тросе) при изменяющихся атмосферных
условиях определяют из уравнения состояния провода (см. п. 8.1.5 [2]):
(9.4)
где а, у, t — соответственно напряжение, удельная нагрузка, температура
в конечном (искомом состоянии); а0, у0, t0 — напряжение, удельная
нагрузка, температура в начальном состоянии; Е — модуль упругости
провода (троса); а — коэффициент линейного расширения.
Следует заметить, что в расчетах проводов и тросов обычно
пользуются не единичными, а удельными (приведенными) нагрузками,
полученными 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
(9.5)
8а5 8а 384а3'
где I — пролет провода (троса), м; у — удельная нагрузка в
рассматриваемом сочетании, даН/(м*мм2); а — напряжение в рассматриваемом
сочетании, даН/мм2.
При этом длину провода (троса) определяют по формуле:
24с'
(9.6)
9.1.2. Изоляторы т линейная
Изоляторы (стеклянные или фарфоровые), применяемые для
высоковольтных линий (рис. 9.4), подразделяют на две группы:
s штыревые, закрепляемые на опорах при помощи штырей
(применяют на линиях напряжением до 35 кВ включительно);
в подвесные, закрепляемые на опорах при помощи линейной
арматуры; их соединяют в гирлявды путем сцепления друг с другом (применяют
на линиях напряжением 35 кВ и выше).
В последние годы нашли применение полимерные изоляторы,
основным преимуществом которых является очень малый вес, что имеет
важное значение в условиях монтажа.
d
Замок. _
Шапка
а)
Изолирующий
элемент
Стержень
¥шс. 9.4. Высоковольтные изоляторы:
а — штыревой; б — подвесной
170

1-1
повернуто
Рнс» 9.5. Зажимы:
а — глухой поддерживающий; б — болтовой натяжной
Линейную арматуру применяют для закрепления проводов в
гирляндах подвесных изоляторов, крепления изоляторов к опорам,
закрепления 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:
9 зажимы, предназначенные для закрепления проводов и тросов;
в 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
опорам производят при помощи поддерживающих или натяжных зажимов
(рис. 9.5). Натяжные зажимы применяют в тех случаях, если на опору
необходимо передать тяжение проводов и тросов, поддерживающие —
если на опору хотят передать преимущественно вертикальные нагрузки.
171

Рис. 9.6. Примеры использования
сцепной арматуры:
К сцепной арматуре относят
различные скобы, серьги, промежуточные
звенья и т.п. Эскизы некоторых элементов
сцепной арматуры приведены на рис. 9.6.
9.2. Классификация и
характеристика стальных, опор
Опоры линий электропередачи
предназначены для поддержания
токонесущих проводов. На рис. 9.7 приведен
фрагмент схемы высоковольтной линии.
Расстояние между смежными опорами
a — узел крепления подвесного изолятора;
б — узел крепления натяжного изолятора
определяется пролетом провода. Любая
высоковольтная линия содержит в своем
составе довольно большое число
разнообразных типов опор, которые можно
классифицировать по следующим признакам: по количеству цепей на
опоре; по назначению; по конструктивной схеме; по форме и типу
сечения стволов опор.
Рассмотрим более подробно приведенные группы классификации.
По количеству цепей линии могут быть одноцепными, двухцепными
и многоцепными. В состав одной цепи входит три провода (фазы)
переменного трехфазного тока. В нашей стране наиболее распространены
одно- и двухцепные линии, причем цепи в двухцепных линиях могут быть
как одного, так и разных классов напряжений. Обычно одна двухцепная
линия дешевле, чем две параллельные одноцепные линии.
Натяжная гирлянда
Поддерживающая гирлянда
. Промежуточная
опора
Пролет
Анкероеанный участок
Пролет
Рис. 9.7. Схема фрагмента высоковольтной линии
172

Рис. 9.8. Промежуточная двухцепная
угловая опора
Рис. 9.9. Анкерная двухцепная опора
По назначению опоры делят на несколько типов. Промежуточные
прямые опоры, поддерживающие провода, закрепленные в вертикально
расположенных гирляндах изоляторов, устанавливают на
прямолинейных участках ВЛ. Обычно доля этих опор составляет около 90% общего
числа опор высоковольтной линии. Промежуточные опоры
воспринимают 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
возможном обрыве их в одном из смежных пролетов. Промежуточные угловые
опоры (рис. 9.8) устанавливают в углах поворота ВЛ. Они также
поддерживают провода, закрепленные в вертикально расположенных гирляндах
изоляторов. Эти опоры дополнительно воспринимают нагрузки от
поперечных составляющих тяжения проводов и тросов. Анкерные опоры (рис.
9.9), кроме всего прочего, воспринимают тяжение проводов, что достига-
173

ется путем закрепления их в зажимах
натяжных гирлянд изоляторов. По длине трассы ВЛ
анкерные опоры устанавливают через
определенные расстояния, которые называют анкеро-
ванными участками ВЛ (см. рис. 9.7), длины
которых назначают при разбивке трассы
воздушной линии. Если анкерные опоры
устанавливают в точках поворота высоковольтной
линии, то их называют анкерно-углоеыми. Такие
опоры дополнительно воспринимают нагрузки
от поперечных составляющих тяжения
проводов и тросов. На концах воздушных линий
перед подстанцией устанавливают концевые
опоры, обычно воспринимающие полное
одностороннее тяжение проводов и тросов.
Переходные опоры (рис. 9.10) устанавливают
на переходах через большие водные преграды
(озера, реки), ущелья, овраги и т.д.
По конструюгнвной схеме стальные
опоры ВЛ можно разделить на две группы: опоры
без оттяжек и опоры с оттяжками из
стальных высокопрочных канатов. Опоры без
оттяжек— это свободностоящие одноствольные
опоры башенного типа и
многоствольные— 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
гирлянд изоляторов подвешивают к траверсам
консольного типа, в многоствольных — к
траверсам балочного типа. Многоствольные
опоры могут быть портальными (рис. 9.12) и V-об-
разными (рис. 9ЛЗ). Причем в V-образных
опорах может использоваться различная конструкция траверс —
балочного типа и висячая (рис. 9.14). Использование в опорах распорных
висячих траверс ведет к возникновению дополнительньос усилий в оттяжках и
стойках от вертикальных нагрузок на провода.
Рис. 9.10. Двухиешзая
переходная промежуточная
опора ВЛ ИО кВ
174

Рис. 9.11. Промежуточная одноцепная одноствольная опора с оттяжками ВЛ НО кВ
^777/
8J
Рис. 9Л2. Промежуточная портальная опора с оттяжками ВЛ 500 кВ
175

14,5
14,5
*)
Рис. 9.13. Промежуточная V-образная опора с оттяжками ВЛ 750 кВ
Опоры башенного типа имеют ряд
преимуществ, связанных, в основном, с
их малой опорной базой. Это
относительно небольшая занимаемая площадь
и возможная простота установки на
косогорах. Вместе с тем наличие малой
базы ведет к большим нагрузкам на
фундаменты и основание.
Опоры на оттяжках — это
плоскостные конструкции с применением
жестких решетчатых брусьев и
пространственной ориентацией оттяжек. К
достоинствам такой конструктивной
формы можно отнести простоту укруп-
нительной сборки на монтаже ввиду
плоскостного строения опоры, что
немаловажно в полевых условиях.
Применение в качестве оттяжек стальных
высокопрочных канатов ведет к
снижению металлоемкости конструкций
опор. Среди многоствольных опор на
оттяжках предпочтительнее,
по-видимому, конструкции опор с V-образной
Рйс. 9.14. Промежуточная У-образ-
ная опора на оттяжках с висячими
траверсами:
а — с цепной траверсой из полимерных
изоляторов; б, в — с вантовыми траверсами из
стальных высокопрочных канатов
176

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
выделить два наиболее существенных. Первый заключается в
нерациональной «двухплечевой» схеме работы опоры на ветровую нагрузку, которую
воспринимает только одно плечо, состоящее из опорной стойки и
оттяжки: при смене направления ветра на противоположное в работу
включается другое плечо. Второй недостаток связан с неудобством и7
следовательно, высокой трудоемкостью раскатки проводов средней фазы под
опорами 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
одноствольных опорах башенного типа, кроме этого, замкнутое гнутосварное
многогранного профиля, в том числе переменного сечения. Формы сквозных
сечений стволов — прямоугольная (квадратная) и треугольная.
Аналогичные формы сечений применяют в траверсах многоствольных опор.
9.3. Конструирование ш расчет
Как уже отмечалось, назначение опор — поддерживать провода
высоковольтной линии электропередачи. Поэтому конструктивная форма
опор во многом определяется параметрами, связанными с проводами и
грозозащитными тросами, — количеством цепей и схемой
расположения 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 т тросов на опорах
Двух- и многоцепные линии, как правило, дешевле, чем две или
несколько параллельных одноцепных. В таких линиях меньше расход
материалов на опоры и фундаменты, более существенна экономия на
земляных работах и монтаже опор и, как следствие, — сокращение сроков
возведения линий. Поэтому в отечественной и зарубежной практике
широкое распространение получили двухцепные линии, в особенности
для классов напряжений 35...330 кВ. На рис. 9.15 показаны различные
схемы расположения проводов на опорах для одноцепных (а, б, в, Э, ё) и
177

Рис, 9.15. Схемы расположения проводов £sa опорах
двухцепных (г, ж, з, щ к, л, м) линий 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
горизонтали называют вертикальным (рис. 9.15, д, и) и, наконец, если провода
ярусов расположены со смещением по горизонтали, то такое расположение
называют смешанным (рис. 9.15, е, ж, зэ к, л,м). Горизонтальные
расстояния Д вертикальные В и горизонтальные смещения А регламентированы
ХТУЭ. При возведении линий в районах с частой пляской проводов (см. п.
7.2) и большой толщиной стенки гололеда рекомендуется применять
горизонтальное расположение проводов. Такое же расположение проводов
рекомендуется на яияиях напряжением 500 кВ и выше при любых
условиях. Недостатками горизонтального расположения проводов являются
необходимость 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
проводов, получившие названия прямая и обратная
«елка» (рис. 9.15, к,л) и «бочка» (рис. 9 Л 5,м).
На поперечные горизонтальные размеры
опор существенное влияние оказывают так
называемые межфазные расстояния D (см. рис.
9Л 5), определяемые, главным образом, из
условий недопущения схлестывания проводов в
пролете. Эти расстояния, зависящие от
напряжения линии и стрел провеса проводов,
определяются ПУЭ. Кроме этого, указанные размеры
опор зависят и от наименьших расстояний от
проводов до элементов опор, определяемых при условии отклонения
поддерживающих гирлянд изоляторов от действия ветра на провода (размер
С на рис. 9.16). Тангенс угла отклонения поддерживающей гирлянды от
вертикали в этом случае будет составлять:
kW
СЖ? /2
Рис. 9.16. Отклонение
поддерживающей гирлянды
изоляторов от вертикали
где W—ветровая нагрузка на провод в рассматриваемом режиме;
G — вес провода (с гололедом или без гололеда); Gg — вес гирлянды
изоляторов; к — коэффициент, зависящий от ветрового давления:
м2
w0, даН/м2
к
40
1,0
45
0,95
55
0,9
65
0,85
80 и более
0,8
При многоярусном расположении проводов высота опор помимо
габарита линии зависит от вертикальных расстояний между ярусами
(размер В на рис. 9.15) и превышения грозозащитного троса над проводами
верхнего яруса (размер h на рис. 9.17). Линии с горизонтальным
расположением проводов защищают, как правило, двумя грозозащитными
тросами, а остальные — одним (см. рис. 9.17). При двух грозозащитных
тросах защитный угол а должен быть не более 20°, а при одном
тросе — не более 30°.
9.3,2. Конструирование опор
Двадцатый век является веком становления и бурного развития
энергетики. Вместе с ней развивались и совершенствовались высоковольтные
179

а)
б)
if
Рис. 9.17. Расположение тросов на опорах:
а — линия со смешанным расположением проводов; б — линия с горизонтальным расположением
проводов
линии электропередачи, создавались объединенные энергосистемы,
наращивались передаваемые мощности и, как следствие,
совершенствовались и разрабатывались новые схемы и конструкции стальных опор.
Многолетний опыт конструирования и исследования действительной работы
опор В Л позволил отобрать для массового применения наиболее простые
и вместе с тем технологичные конструктивные формы. Эти опоры
получили название унифицированных и возведение высоковольтных линий
электропередачи в нашей стране основывается на применении именно
таких опор. Опоры унифицированы для линий различных классов
напряжений. Унификация таких конструкций как опоры ВЛ имеет ряд
положительных качеств. Она позволяет эффективно налаживать массовое
производство опор, механизировать и даже автоматизировать этот процесс.
Разрушившиеся или поврежденные в результате аварий
унифицированные 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
унифицированных опор, составляющих основной парк опор высоковольтных линий.
Соединения. Стальные унифицированные опоры ВЛ — это
пространственные решетчатые конструкции, изготовляемые из прокатных
элементов. Соединения элементов могут быть как сварными, так и
болтовыми. Преимущественное применение того или иного вида соединения в
опоре связано с несколькими факторами.
180

Использование болтовых соединений позволяет членить
конструкцию на отдельные элементы, давая тем самым возможность перевозить
их в пакетах, что улучшает транспортабельность опоры, повышает
эффективность использования транспортных средств. Особенно выгодна
поэлементная транспортировка опор в труднодоступные и горные
районы. Иногда из-за негабаритности опоры по условиям перевозки
железнодорожным транспортом ее также приходится изготавливать
поэлементно с последующей сборкой на монтаже. Необходимость
поэлементного изготовления опоры и применения при этом болтовых соединений
возникает также и при использовании горячего цинкования в качестве
антикоррозионного покрытия, так как по экономическим и
технологическим соображениям цинковать целесообразно отдельные стержни,
предварительно 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
надежности работы конструкции.
Применение преимущественно сварных соединений элементов опор
в заводских условиях позволяет изготовлять их укрупненными
отправочными марками, что существенно снижает трудоемкость сборки опор на
трассе, повышает их качество, надежность эксплуатации. Однако опоры,
изготовленные сварными на заводе, менее приспособлены для
транспортировки, так как не обеспечивают достаточной загрузки транспортных
средств.
Типы сечений стержней. Стержни практически всех типов
решетчатых опор, за исключением переходных, выполняют из прокатного
углового профиля. Опоры больших переходов, имеющие значительные
усилия в стержнях, зачастую изготовляют из горячекатаных труб, как,
впрочем, и некоторые сильно нагруженные анкерные опоры. Уголковые
сечения весьма удобны в конструктивном отношении, позволяя
осуществлять простые и технологичные узловые сопряжения элементов опор.
Однако они уступают замкнутым трубчатым сечениям в стойкости
против механических повреждений (погибей, вмятин) и коррозии.
Типы соединительных решеток стволов. В стальных решетчатых
опорах применяют разнообразные схемы соединительных решеток.
Применительно к решеткам опор ВЛ остаются справедливыми положения,
отмеченные в п.6.3.1, поэтому ниже рассмотрены лишь некоторые
дополнения к этим положениям. Треугольную решетку с несовмещенными
узлами в смежных гранях, называемую «в елку» (рис. 9.18, а), применяют в
181

Fiic. 9.18. Схемы соединительных решеток:
а — треугольная с несовмещенными узлами («в елку»); б — ромбическая с совмещенными узлами;
в — ромбическая с несовмещенными узлами; г — полураскосная; д — крестовая; е — щпренгельная
стволах опор башенного типа при сравнительно небольших нагрузках, а
также в стволах опор с оттяжками. Применение ромбической решетки с
совмещенными (рис. 9.18, б) и несовмещенными (рис. 9.18, в) узлами в
смежных гранях становится экономически выгодным при широких
стволах опор башенного типа и значительных нагрузках. При этом схема с
несовмещенными узлами позволяет снизить гибкость поясов и упростить
сопряжение стержней, сходящихся в узлах поясов. Уменьшить расчетные
длины поясов и раскосов можно путем применения полураскосной
решетки (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
раскосов, нисходящих к направлению ветра. Восходящие раскосы работают на
растяжение и обеспечивают восприятие ветровой нагрузки
соответствующего направления. При необходимости уменьшения расчетных длин
поясов широкоствольных переходных и анкерных опор башенного типа
дополнительно могут быть установлены шпренгели (рис. 9.18, е).
Траверсы (консоли) опор башенного типа и одноствольных опор с
оттяжками могут быть сплошными и сквозными (решетчатыми). Причем
сплошные траверсы (как правило, из прокатных швеллеров) характерны
для опор ВЛ более низких классов напряжений (1 ...35 кВ), в том числе со
штыревыми изоляторами. В сквозных траверсах применяют те же типы
сечений стержней, что и в стволах, объединяя пояса, в основном,
треугольной или раскосной решетками. Аналогично проектируют сквозные
балочные траверсы многоствольных опор, применяя, кроме
перечисленных, 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
существенно меньший вес, менее трудоемки в монтаже из-за малого веса, их
применение позволяет снизить высоту опор. Помимо этого «жесткое»,
неподвижное, крепление проводов к «цегхньш» траверсам в отличие от
креплений к подвесным изоляторам позволяет несколько уменьшить
межфазные расстояния и изоляционные расстояния от проводов до
элементов опор.
Для обеспечения пространственной жесткости стволов опор
устраивают 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
силы или осуществляются переломы граней.
На линиях напряжением 35 кВ и выше для крепления к опорам
грозозащитных (молниезащитных) тросов служат тросостопки. В опорах
башенного типа ими являются верхние окончания стволов в виде
решетчатых усеченных пирамид (см. рис. 9.8), в многоствольных опорах — это
наклонно расположенные решетчатые консоли, являющиеся
продолжениями 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 В Л и по экономическим соображениям.
Условия прохождения трассы включают в себя климатические,
географические, геологические, местные и другие факторы. К местным факторам
относится: наличие водных и других преград; пересечений с
автомобильными и железными дорогами; интенсивность землепользования и т. п.
Например, в населенных пунктах и в районах интенсивного
землепользования с целью минимизации отчуждаемых под высоковольтную линию
земель стремятся применять узкобазные опоры башенного типа. И
наоборот, в слабозаселенньгх 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
сохранностью из-за подверженности их коррозии в околопочвенной зоне.
Наиболее значимым размером любой опоры является ее высота.
Высоту опоры определяют путем технико-экономической оценки участка
183

линии (обычно длиной 1 км) с
опорами различной высоты.
Чем ниже опора, тем меньше
масса ее и фундамента.
Однако при этом увеличивается
число опор, фундаментов,
изоляторов и т. д., растут
затраты на
строительно-монтажные работы. Поэтому
оптимальным с экономической
точки зрения будет пролет,
при котором затраты на
строительство 1 км линии
будут минимальными. Такой
пролет называют
экономическим. В унифицированных од-
ноцепных и двухцепных
опорах различного назначения
для разных классов
напряжений установлены высоты,
близкие к оптимальным.
Пример унифицированной
промежуточной двухцепной опоры
линии 220 кВ приведен на
рис. 9.19, а примеры анкер-
но-угловых опор — двухцепной и одноцепной — приведены на рис. 9.20.
Полная высота опоры //определится, исходя из суммы вертикальных
размеров (рис. 9.21):
H^Hj+lB+B^, (9.8)
где Hef -Г+f— высота подвески провода нижнего яруса к изолятору,
определяемая суммой размеров габарита линии Г и максимальной стрелы
провеса провода/при выбранном пролете; В и В^ — соответственно
вертикальные расстояния на опоре между смежными ярусами проводов и
между проводом верхнего яруса и грозозащитным тросом, минимальные
значения которых устанавливаются ПУЭ.
Вылет консолей (траверс) /^ (см. рис. 9.21) определяют, исходя из
величин горизонтальных смещений проводов смежных ярусов А и
допустимого расстояния от провода до элементов опоры С (см. рис. 9.16).
Расстояния А и С также регламентируются ПУЭ.
1Я4
Рис. 9.19. Промежуточная двухцепная опора
ЕЛ 220 кВ

Рис. 9.20. Анкерно-угловые опоры:
а — двухцегшая ВЛ И 0 кВ; б — одноцепная ВЛ 220 кВ
Высота сечения у основания hopt (см. рис.
9.21) в унифицированных опорах имеет
фиксированное значение и колеблется для
разных классов напряжений и типов опор в
довольно широких пределах. Например, у
промежуточных опор она изменяется от Н17 до
НI 10 (большие значения характерны для
двухцепных опор, меньшие — для одноцеп-
ных), у анкерных — от Я/3 до HIS.
В унифицированных опорах применяют
типовые узлы сопряжения элементов.
Рассмотрим основные узлы опор,
которые можно разделить по степени значимости
и ответственности на несколько групп:
конструкции опорных узлов стволов и
крепления оттяжек к анкерным фундаментам; узлы
крепления элементов соединительной
решетки 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
размеры двухцепной опоры
башенного типа
185

Ось симметрии
2-2
Ось симметрии опорьц
' я1
Рис. 9.22. Конструкции опорных частей башенных ©пор:
а — промежуточной опоры; б — анкерной опоры
Конструкции опорных узлов стволов опор башенного типа
приведены на рис. 9.22. При этом конструкция опорной части опоры устроена
таким 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
фундаментам, располагаются в отверстиях плит между ребрами жесткости.
Промежуточные 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
оттяжках 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).
Конструкция одного из таких креплений приведена на рис. 9.23, 6.
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
точности, реже применяют сдвигоустойчивые соединения на
высокопрочных 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
раскосах и размеры полок поясных уголков, стремятся применять бесфасо-
ночные решения (см. рис. 9.24, я...г), так как фасонки увеличивают массу
186

б)
Рис. 9.23. Узлы сопряжения опор на оттяжках с фундаментами:
а — опорный узел ствола; б — крепление оттяжки к анкерному фундаменту
Рис. 9.24. Узлы крепления элементов соединительной решетки к поясам стволов и
диафрагм
187

опоры и трудоемкость изготовления. Для болтовых опор при
относительно небольших усилиях в раскосах характерно их крепление к поясам
одним болтом (см. рис. 9.24, в, г, д). 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
крепить их одним болтом, производят крепление двумя болтами с
использованием 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
дополнительных 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
стыковых соединений поясов из уголков могут быть телескопическими, т.е.
выполняться «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.
Достоинством такого стыка является малое количество болтов и отсутствие
дополнительных 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-
'L
гг
lit
и
и
ft
Стьшовая
накладка
Рис. 9.25. Стыки поясов ствола опоры
Стыковая
наклаОка
188

Рис. 9.26. Узел фланцевого соедине-
ния трубчатых поясов ствола опоры
. 9.27. Узел подвески гирлянды изоляторов
к траверсе анкерной угловой опоры
рых пояса выполняют из труб, применяют фланцевые соединения с
высокопрочными предварительно натянутыми болтами (рис. 9.26). Усилие
натяжения болтов выбирают таким, чтобы не допустить в процессе
эксплуатации раскрытия фланцевого соединения от действия растягивающих
усилий.
Узлы траверс и крепления к ним гирлянд изоляторов. Чаще всего в
опорах башенного типа применяют решетчатые траверсы (консоли),
которые, как правило, легче сплошных. Для крепления гирлянд подвесных
изоляторов при помощи скоб в траверсах промежуточных опор
предусматривают специальные отверстия. Узел подвески сдвоенных натяжных
гирлянд к траверсе анкерно-угловой опоры показан на рис. 9.27.
Конструктивное 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

Рис. 9Л8. Узлы пересечения элементов перекрестных решеток
с прокладками (рис. 9.28, а, б), а в некоторых случаях, при относительно
высокой гибкости раскосов — без прокладок (рис. 9.28, в, г). В случае
пересечения в узле трех стержней (двух раскосов и распорки) роль
прокладки между раскосами выполняет соединительная фасонка (рис. 9.28, д).
9.3.3. Особенности расчета
Стальные опоры высоковольтных линий электропередачи
рассчитывают по методике предельных состояний на расчетные нагрузки, которые
действуют как на подвешенные к опоре провода и тросы, так и
непосредственно на опору. Это вертикальные и горизонтальные нагрузки, причем
горизонтальные нагрузки могут быть направлены перпендикулярно
линии и вдоль линии.
Вертикальные нагрузки:
• вес проводов, тросов, изоляторов и арматуры, собственный вес
опоры;
• вес гололеда на проводах и тросах.
Горизонтальные нагрузки:
в ветровая нагрузка на провода и тросы;
• ветровая нагрузка на конструкцию опоры (статическая и
динамическая составляющие);
• тяжение проводов и тросов.
190

Кроме этого, в период монтажа линии могут действовать монтажные
нагрузки.
Опоры рассчитывают на сочетания нагрузок, соответствующие
режимам работы ВЛ—нормальным и аварийным.
I. Нормальные режимы:
* провода и тросы не оборваны и свободны от гололеда при
максимальном ветровом давлении на провода и температуре окружающего
воздуха 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
пролетов. 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
проводов на опоре), тросы не оборваны;
9 оборван один трос, провода не оборваны.
При этом нагрузки от проводов и тросов принимают в режиме без
гололеда и ветра.
2. Анкерные опоры рассчитывают на следующие условия в
зависимости от сечения подвешиваемых на них проводов:
* оборваны провода одной или двух фаз (при любом числе фаз на
опоре), тросы не оборваны;
9 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 шш в режиме низшей температуры,
если в этом случае тяжение 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
сейсмических воздействиях — к особым сочетаниям. При расчете опор на
прочность и устойчивость в аварийных режимах и при сейсмических
воздействиях расчетные нагрузки от веса гололеда, ветровые нагрузки на опо-
191

ры, провода и тросы и от тяжения проводов и тросов умножают на
коэффициенты сочетаний:
е в режимах обрыва проводов и тросов при расчете промежуточных
опор — 0,8, при расчете анкерных опор — 0,9;
в при воздействии сейсмических нагрузок — 0,8.
Рассмотрим принципы определения нагрузок на опоры.
Предварительно введем определение габаритного и весового пролетов.
Габаритным пролетом lh называют пролет, при котором вертикальный габарит от
провода, имеющего максимальную стрелу провеса, до ровной
поверхности земли равен нормированному значению.
Весовым пролетом lg называют длину участка ВЛ, вес проводов или
тросов которого воспринимается опорой. При установке опор с
одинаковой высотой точек подвеса проводов на ровной поверхности lg = lh. При
проектировании типовых опор обычно принимают !g=l25 lh.
Расчетные нагрузки от веса проводов и тросов определяют по
формуле:
(9.9)
где уу— коэффициент надежности по нагрузке; g — линейный вес
провода или троса.
Расчетные нагрузки от веса гололеда на проводах и тросах о преде-
ляют по формуле
GT =y,ilg9 (9.10)
где уу= 2,0 (для гололедной нагрузки); / — вес гололеда на 1 м провода
или троса (определяется по формуле 9.3).
Расчетные ветровые нагрузки на провода и тросы вычисляют по
формуле
(9.11)
где jj=1,2 (провода и тросы свободны от гололеда), yf = 1,4 (провода и
тросы покрыты гололедом); Wn — нормативная ветровая нагрузка на
провода 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
путем умножения статической составляющей на фиксированное значение
коэффициента динамичности, зависящее от типа опоры.
Расчетные нагрузки от тяжения проводов и тросов можно
определить по формуле:
Т = у,сА9 (9.12)
192

;: Поддерживаю-
:: щая гирлянда
Оборванный
провод
Рис. 9.29. Изменение стрелы провеса необорванного
провода при обрыве провода в смежном пролете
где yf = 1,3 —
коэффициент надежности по
нагрузке для
горизонтальной нагрузки от
тяжения проводов и
тросов, свободных от
гололеда или покрытых
гололедом; а —
напряжение в проводе или
тросе в
рассматриваемом режиме,
определенное из формулы (9.4);
А — площадь сечения
провода или троса.
Нагрузка на промежуточную опору с подвесными изоляторами и не-
расщепленными фазами от тяжения при обрыве провода в смежном
пролете зависит от типа зажима, применяемого на линии, и площади сечения
проводов. Например, если на линии применяют глухие зажимы, а
площадь сечения проводов не превышает 185 мм2, эту нагрузку прршимают
равной 0,5Гтах; если площадь сечения проводов 205 мм2 и
более — 0,4Гтах. Правилами устройства электроустановок
регламентируется 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
вертикали и увеличения вследствие этого стрелы провеса необорванного
провода (рис. 9.29).
Расчетные схемы и основные предпосылки расчета опор должны
отражать действительную работу конструкций. Расчет опор башенного
типа выполняют, как правило, по недеформированной схеме (без учета
изменений геометрии конструкции под действием нагрузок). Опоры на
оттяжках 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
устойчивости поясов в сквозных стволах опор на оттяжках продольную
силу в них определяют с учетом дополнительной силы от изгибающего
момента. Значение этого момента Мв середине шарнирно-опертого ствола
определяют по формуле:
м~м + — (/ + /л, (у. 13)
7-447
193

где Mq — балочный изгибающий момент в середине ствола от
поперечной нагрузки; {3 — коэффициент, равный 1,2 при болтовых соединениях
и 1,0 — при сварных соединениях; N—продольная сила в стволе; 8 =
=1 - 0,17V/2 / (£7), здесь: J— момент инерции сечения ствола
относительно оси, перпендикулярной плоскости действия поперечной нагрузки,
/ — длина ствола;^ — прогиб в середине ствола от поперечной нагрузки;
fo = l/ 750 — стрелка начального искривления ствола.
Относительные отклонения опор от вертикали вдоль линии при
действии нормативных нагрузок ограничивают только для анкерных и
переходных 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 развитая конструкций опор
Дальнейшее развитие конструктивных форм опор, по-видимому,
будет определяться факторами, диктуемыми логикой развития общества и
экономики страны, которые можно сформулировать следующим
образом. Во-первых, это дальнейшее развитие Единой энергетической
системы России, связанное со строительством сверхдальних магистральных
линий электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН) и,
следовательно, с созданием новых конструкций опор, обеспечивающих
повышенную надежность и экономичность ВЛ. Во-вторых, это возрастающие
требования общества к любым промышленным установкам, в том числе к
воздушным линиям, в области экологической безопасности, в
эстетическом воздействии на человека.
Создание объединенных энергосистем в нашей стране, а также
необходимость передачи электроэнергии за рубеж приводят к необходимости
создания воздушных линий электропередачи большой протяженности и
пропускной способности, т.е. линий напряжением более 1000 кВ. Такие
линии иногда для удобства называют линиями ультравысокого
напряжения (УВН). Характерными особенностями линий УВН являются:
• большие пролеты (400...500 м и более) по сравнению с опорами
линий более низких классов напряжений;
9 существенно большие межфазные расстояния, а также расстояния
от токонесущих проводов до поверхности земли (габарит линии) и
заземленных элементов опор;
в значительно большая длина гирлянд изоляторов (10 м и более);
194

• применение расщепленных фаз с большим числом проводов
(например, фаза ВЛ-1150 кВ состоит из 8... 12 сталеалюминиевых проводов с
круговым расположением — диаметр окружности при этом составляет
1,0...1,2 м);
• повышенные 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
размеры (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
проводов расщепленных фаз и т. д. Исходя из приведенных особенностей и
условий возведения ВЛ УВН, можно сформулировать некоторый набор
основных требований к конструкциям опор.
• Конструкции опор должны быть многоствольными,
обеспечивающими подвеску одной цепи с горизонтальным расположением проводов.
По возможности опоры должны быть без оттяжек, в которых в то же
время сохранялись бы отдельные достоинства портальных и V-образных
опор с оттяжками. В этом случае утяжеление конструкций за счет
отсутствия оттяжек должно компенсироваться приобретением ими некоторых
дополнительных достоинств.
в Опоры, являющиеся высотными сооружениями, должны обладать
улучшенными аэродинамическими качествами за счет применения
рациональных 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
фундаментов; б) повышать технологичность монтажа как самих опор, так и фаз с
грозозащитными тросами.
В качестве примера конструкции опоры, отвечающей этим
требованиям, можно привести проектную разработку стальной промежуточной
опоры ВЛ-1150 кВ, получившей название «Пирамида» (рис. 9.30).
Особенностями этой опоры являются:
195

,47,SC0
Рис. 9.30. Промежуточная опора ВЛ-Н50 кВ типа «Пирамида»
• возможность свободной раскладки (раскатки) проводов всех фаз
под опорами, что является одним из факторов снижения трудоемкости их
монтажа;
• возможность крепления гирлянд изоляторов к траверсе, а также
проводов фаз и грозозащитных тросов непосредственно у земли, что
также является одним из факторов снижения трудоемкости монтажа линии;
• реализация оригинального способа монтажа фаз и грозозащитных
тросов, заключающегося в возможности их одновременного вывода в
проектное положение совместно с траверсой, что также ведет к
снижению трудоемкости монтажа линии;
• снижение объемов земляных работ под фундаменты из-за более
рациональной передачи усилий на основание — в «одноплечевой» схеме
работы (база «плеча» равна базе опоры), что позволяет значительно
уменьшить усилия на фундаменты, в особенности выдергивающие; это в
некоторых случаях дает возможность перейти на малозаглубленные или
даже поверхностные фундаменты;
• надежность и простота эксплуатации опор вследствие отсутствия
оттяжек.
Высоковольтные линии электропередачи, в особенности СВН и УВН,
оказывают разнообразное воздействие на окружающую среду. Воздейст-
196

вия, касающиеся непосредственно опор, связаны, в первую очередь, с
изъятием участков земли под опоры из землепользования и с
эстетическим воздействием на человека.
При прочих равных условиях наименьшую площадь основания
имеют опоры без оттяжек, в особенности опоры башенного типа. Поэтому с
точки зрения экономии отчуждаемой земли они наиболее
предпочтительны. Наихудшие показатели по этому параметру имеют многоствольные
опоры на оттяжках. Одноствольные на оттяжках и многоствольные
опоры без оттяжек занимают промежуточное положение.
В районах с высокой плотностью населения наряду с
экономическими и техническими требованиями к воздушным линиям все серьезнее
предъявляются требования, связанные с эстетическим воздействием
линий на человека, или, иначе говоря, эстетическим восприятием ВЛ
людьми. Это воздействие связано, в основном, с размерами (в особенности
высотой) опор, частотой их расстановки, архитектурными формами,
характером и цветом окраски. Наиболее сильное влияние на конструктивную
форму оказывает удовлетворение требований архитектурной
выразительности. Конструктивная схема опоры должна соответствовать
современным представлениям промышленной эстетики, отличаться
правильными архитектурными формами, ажурностью. Для иллюстрации на рис.
9.31 приведена проектная разработка промежуточной опоры ВЛ-1150 кВ
46.000
Л, 500
0.000
Рис. 9.31. Промежуточная опора ВЛ-1150 кВ типа «Пустая рюмка»
197

с названием «Пустая рюмка», конструктивная схема которой
соответствует требованиям промышленной эстетики. Считается, что линии, на
которых будут применены опоры, отвечающие эстетическим требованиям,
окажутся не на много дороже обычных.
Особо следует выделить линии, расположенные внутри крупных
населенных пунктов. Это преимущественно линии напряжением 35..Л10
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
видимости, 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
проводов на V-образных подвесных или натяжных гирляндах полимерных
изоляторов. Гирлянды из полимерных изоляторов отличаются
сравнительно малыми поперечными размерами, что снижает визуальное
воздействие изоляторов.

Глава 10
ВЫШКИ
10.1. Общая характеристика
Развитие энергетики, связи, промышленности и других отраслей
способствует возведению вышек различного назначения, для которых
характерна индивидуальность конструктивных решений. Многообразие
конструктивных 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
типа, связанные с их функциональным назначением. Наряду с
доминирующим 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,
промышленного, транспортного и другого назначения, а также для
архитектурного и иллюминационного освещения.
Прожекторное освещение применяют для освещения (аэродромов,
перронов, карьеров, стадионов, строительных площадок, причалов и др.),
сигнализации и военной техники. По функциональному назначению
различают прожекторы дальнего действия, заливающего света и
сигнальные.
Прожекторы дальнего действия, получившие распространение в
военном деле, дают круглоконические световые пучки, формируемые
стеклянными параболоидными отражателями диаметром до 3 м. При помощи
прожекторов заливающего света освещают открытые территории. В
таких прожекторах используют как стеклянные, так и металлические круг-
лосимметричные отражатели диаметром 0,25...0,6 м, а также параболоци-
линдрические отражатели, дающие веерообразный пучок света.
Сигнальные прожекторы применяют для передачи информации световыми
проблесками или для обозначения места расположения прожектора (мая-
199

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
системах маяков применяют не только зеркальные отражатели, но также
кольцевые (дисковые) и поясные (цилиндрические) линзы Френеля.
По способу эксплуатации вышки делят на стационарно
устанавливаемые и передвижные. Стационарно устанавливаемые вышки используют
для освещения территорий фабрик, заводов, объектов железнодорожного
и водного транспорта, спортивных сооружений; передвижные — для
освещения территорий стройплощадок и различных карьеров.
При осуществлении временного освещения рационально
использовать сборно-разборные прожекторные вышки многократного
применения. Составные части, ца. которые разбирают вышки по своим габаритам,
должны быть транспортабельными.
Для обеспечения надлежащих условий эксплуатации осветительной
установки на каждой вышке, внутри или вне ствола предусматривают
лестницу. 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
установки 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
одинаковых 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
которой крепят нижний конец лестницы, располагаемый внутри ствола.
Вышку высотой 35м собирают 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 3,0
м); П-2(3,0 х 2,0 м) — для установки светильников с ксеноновыми
лампами 10 кВт и более в сочетании с прожекторами; П-3 (1,4 х 16 м) — для
установки прожекторов в количестве 28 шт. в один ряд (на мачтах высотой
200

Рис.10.1. Прожекторные вышки высотой 45м:
а — с площадкой типа П-4; б — с удлиненной 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
соединением элементов на сварке. В настиле площадок, выполненном из
рифленой стали толщиной 4 мм, предусмотрен люк размером 70 х 70 см,
который закрывается крышкой.
Ограждения площадок из круглой стали диаметром 20 мм
используют одновременно и для размещения осветительных приборов.
Прожекторная вышка высотой 48 м также состоит из нескольких
секций. Габариты нижней секции 4 х 4 м, фундамента — 6 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
мощными ксеноновыми лампами.
Вышка высотой 20 м с двумя площадками на высоте 15 и 20 м
предусмотрена для установки на верхней площадке 16 прожекторов типа
201

ПЗС-45 и на нижней — 8
прожекторов типа
ПЗС-35 (рис. 10.2).
Металлоконструкции
вышки состоят из трех
решетчатых секций из
угловой стали.
Вышки высотой 28 и
21м (рис. 10.3) собирают
из секций длиной 6,8 м.
Секции представляют
собой решетчатые
пространственные фермы,
квадратные в плане.
Секции соединяют
между собой наружными
накладками из уголков на
сварке. В конце каждой
секции имеются
площадки, на которые
опираются лестницы.
Верхняя площадка,
предназначенная 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 вышек при их монтаже.
При необходимости создания на освещаемой территории больших ос-
вещенностей (100 лк и более), например на спортивных стадионах,
приходится на каждой из прожекторных мачт устанавливать большое
количество 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
стали 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
этажерка для установки прожекторов предусмотрена в 4-х вариантах — для
54,56,60 и 62 прожекторов. Мачта высотой 20м выполнена аналогично.
Весьма разнообразны по конструкции вышки для освещения
стадионов. Наибольшее распространение получили конструкции, аналогичные
202
Рис. 10.2. Прожектора i вышка высотой 20 м с двумя
ил 'щадками

39,0
Рис. 10.4. Прожекторная
вышка высотой 33 м для
установки большого ко-
Рис. 10.3. Прожекторные вышки высотой 21 и 28 м лнчества прожекторов
показанной на рис. 10.5. Для придания прожекторной вышке
архитектурной выразительности ее часто делают наклонной трехгранного сечения.
Представляют интерес конструкции вышек с портальным
основанием (рис. 10.6, а) и вышек, совмещающих функции освещения и опоры
гибких поперечин контактной сети железных дорог (рис. 10.6, б).
Достоинство мачты с портальным основанием состоит в том, что для своей
установки она не требует уширенного междупутья и может быть
установлена в двух смежных междупутьях шириной по 5,3 м. Необходимость
использования таких вышек возможна на существующих
железнодорожных станциях, где нет уширенных междупутий.
Применение мачт, совмещенных с опорами гибких поперечин контактной сети,
всегда целесообразно в целях экономии металла, если для подвески
контактной сети используют гибкие поперечины, а для освещения путевого
развития станции — прожекторные вышки высотой 28 м.
203

58.200
1
44.800
8200
45402335
1.000
Z
1
.320(7
Рис. 10.5. Прожекторная вышка для ста- Рис. 10.6. Вышки с портальным основа-
днона: нием и совмещенные с опорами кон*
1 — ствол; 2 — осветительная кассета 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
№
nn
i
2
3
4
5
6
Высота,
м
21
28
35
35
45
45
Фундамент
масса
металла,
кг
800
920
1200
1430
1510
2000
объем
бетона,
м3
6,4
7,2
7,9
8,6
8,6
11,6
Ствол
масса
металла,
кг
1920
2650
2600
4060
5630
6620
Площадка с
лестницей
тип
П-2
П-2
П-1
П-3
П-1
П-4
масса
металла,
кг
740
820
1220
2410
1660
2170
Общий расход
материалов
масса
металла,
кг
3460
4390
5020
7900
8800
10790
объем
бетона,
м3
6,4
7,2
7,9
8,6
8,6
11,6
Кроме вышеприведенных типов осветительных вышек иногда
применяют специальные конструкции вышек, некоторые из которых показаны
на рис. 10.7...10.9.
Складная решетчатая вышка (рис 10.7), предназначенная для
установки на ней осветительной аппаратуры, представляет собой ствол,
состоящий из шарнирно соединенных между собой секций многогранного
204

Рис. 10.7. Складная решетчатая вышка:
/ — опорная плита; 2 — противовес; 3 — ствол; 4 —
промежуточные площадки
Рис. 10.8. Вышка для
архитектурно-декоративного
освещения
сечения, и опорную плиту с откидными аутригерами. Шарниры
расположены на одной из боковых граней секции и в каждой последующей по
высоте опоры секции на смежной с предыдущей боковой грани со
смещением этих шарниров вокруг продольной оси опоры в одном направлении.
Вышка для архитектурно-декоративного освещения (рис. 10.8)
предназначена для освещения архитектурных комплексов направленными
источниками света. Она включает в себя телескопическую опору,
выдвижные секции которой взаимодействуют с тяговым тросом канатно-поли-
спастного механизма и траверсу с осветительными приборами,
смонтированную на верхней секции. Каждая секция снабжена
подпружиненным контактным роликом, опертым на тяговый трос, обхватывающий
соответствующую секцию, а каждая нижележащая по отношению к ней
секция снабжена упорными поворотными эксцентриками, связанными
посредством рычагов с электродвигателями, сблокированными с
контактным роликом.
205

1-1
'///////7///////
Рис. 10.9. Трансформаторная вышка
Трансформируемая
вышка (рис, 10.9)
предназначена как осветительная для
использования в основном
при строительстве в
труднодоступных и удаленных
районах. Вышка,
включающая в себя
телескопический ствол с
обслуживающей площадкой на верхней
секции, снабжена
поддоном в виде прикрепленного
к нижней секции ствола
шарнирно-стержневого
каркаса, на котором закреплен
эластичный материал.
Внутренний объем поддона
заполнен местным
материалом (грунтом, щебнем и
т.п.), что обеспечивает
устойчивость 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
уточнить их после предварительного проектирования. Полезную нагрузку от
прожекторов или другого оборудования следует принимать в
соответствии с техническим заданием или по справочным данным. Так, масса
прожектора типа ПЗС составляет 10 кг, ПЗС-45 — 21 кг, прожектора для
неоновых ламп — 370 кг.
10.3. Буровые вышки
Этот тип сооружений предназначен для бурения и эксплуатации
геологоразведочных скважин нефтегазовой отрасли. Буровую вышку
устанавливают над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента,
забойных двигателей, обсадных труб. Ее оснащают полиспастом,
средствами механизации спуско-подъемных операций и кассетой для
размещения бурильных труб. Высоту буровой вышки принимают в зависимости
от проектной глубины скважины. Применяют буровые вышки высотой от
9 до 58 м. Их изготовляют из труб или сортового проката в виде трех-, че-
206

ю
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; 6 — долото; 7 — ротор; 8 — буровые
лебедки; 9 — вертлюг; 10 — талевая система
тырехгранной или усеченной пирамиды (рис. 10.10, а), а также
А-образной 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,
силовой привод и другое оборудование (рис. 10.10 в).
Необходимость перемещения буровых вышек с одного места на
другое привела к разработке технических решений складывающихся и
телескопических конструкций.
На рис. 10.11 показана буровая вышка, у которой секции ствола
выполнены в виде призматических ферм, нижняя из них имеет открытую
переднюю 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

А
V
А
ж
Рис. 10.11.
Складывающаяся буровая вышка:
/ — нижняя секция; 2 —
верхняя секция; 3 — гидроцилиндр
Телескопическая буровая вышка (рис. 10.12
а), в состав которой входят две ноги
прямоугольного сечения с открытыми внутренними гранями,
выполнена в виде внутренней подвижной и
наружной 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
положении.
Буровая телескопическая вышка (рис. 10.12,
б) содержит подвижную внутреннюю и
неподвижную наружную секцию с открытыми
передними гранями, балкон верхового рабочего и
подсвечники. Для упрощения монтажа-демонтажа и
перевозки вышки балкон размещен в нижней
части подвижной секции, а подсвечники жестко
связаны с неподвижной секцией, причем размещены
они в пределах габаритов внутреннего
пространства вышки.
10.4. Вышки для прыжков в воду
В конструктивном отношении вышки представляют собой
вертикально 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... ЮЛ 5). Размеры платформ на высоте 5,0 и 7,5 м
принимают 6,0 х 2,0 м, а платформы на высоте 10 м — 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, а должна быть
отнесена в сторону (рис. 10,14).
На платформах рекомендуется делать настил из реек твердых пород
древесины по лагам независимо от обязательного синтетического
покрытия. Все платформы должны быть ограждены перилами. Вход на
платформу (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
трапов — 600... 1000 мм. Возможно также устройство лифта на одного чело-
208

a)
Ш
\/
\
Is
/K
7\
/\
7\
/\
/\
Рис. 10.12. Телескопические буровые вышки:
а — портальная; б — башенная; / — подвижная секция; 2 — неподвижная секция; 3 — кронблочная
рама; 4 — поперечные связи; 5 — шарнирные опоры
I0JO0 Вид Л
Вид А
Рис. 10.14. Вышка для прыжкоз в воду в виде
рамно-подкосной системы:
Рис. 10.13. Вышка для прыжков в воду
в виде консольной пространственной '-несущая рама; 2-лестница (подкос рамы);
. 3 ~ подкосы консольных площадок; 4 — консольные
фермы
площадки; 5 — перила ограждения
209

Вид А
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
бассейнах. Рекомендуемая привязка положения платформ к краю бассейна
приведена на рис. 10.13.
Вышки выполняют в виде консольной пространственной фермы (рис.
10.13), в виде рамно-подкосной системы (рис. 10.14) и в виде консоль-
но-рамной системы (рис. 10.15).
Высоту сечения консольной пространственной фермы в месте
крепления к фундаментам принимают в пределах (1/4... 1/6) от длины фермы.
Решетку проектируют треугольной или раскосной, увязывая ее с
отметками 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
лестничного марша. Угол наклона подкоса составляет 45°...60°. Платформы
крепят к раме на выносных консолях, подкрепленных своими подкосами.
Вариантом конструктивного решения вышки может быть консоль-
но-рамная система, состоящая из двух плоских консольных ферм,
объединенных в поперечном направлении связями-ригелями в уровне плат-

форм, образующих жесткую раму (рис. 10.15). Платформы крепят на
выносных консолях.
Узлы крепления ветвей жестких вышек к фундаментам аналогичны
узлам, показанным в гл. 9. Конструктивное решение промежуточных
узловых соединений элементов аналогично узлам, приведенным в [1,2] для
ферм, рам и балочных клеток.
Конструкции вышек, расположенных в закрытых помещениях,
рассчитывают на воздействие постоянных нагрузок от массы конструкций,
на воздействие ремонтных нагрузок и на полезную нагрузку от толпы
людей по указаниям. Для вышек, расположенных у открытых бассейнов,
дополнительно учитывают воздействия кратковременных атмосферных
нагрузок по указаниям [4].
Расчет конструкций не представляет затруднений, его можно
выполнять в соответствии с рекомендациями гл. 6.
10.5. Другие виды вышек
Геодезические вышки являются геодезическими сигналами,
сооружаемыми на пунктах триангуляции и иногда на пунктах полигонометрии.
Они предназначены для установки геодезических инструментов
(теодолитов) 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
простые пирамиды (рис. 10.16, а)
высотой от 6 до 15 м. В этом случае
геодезический инструмент устанавливают
под пирамидой на обычном штативе.
Сложные геодезические сигналы
(рис. 10.16, б) имеют высоту от 16 до
55 м, их используются для
обозначения более важных геодезических
точек при точных съемках на больших
площадях.
Вышки ветровых двигателей
предназначены для преобразования
энергии ветра в электроэнергию. Они
входят в состав ветросиловых
электростанций в основном мощностью
а)
Рис. 10.16. Геодезические вышки
211

Рис. 10.17. Опора ветросиловой станции:
а — с вертикальной трансмиссией; б — с расположением узлов в головке; / — ветроколесо; 2 —
верхний редуктор; 3 — хвостовое оперение; 4 — вертикальный вал; 5 — нижний редуктор; б — рабочая
машина
от 5 до 100 кВт. Применяют различные схемы ветровых двигателей
(карусельные, роторные, барабанные) в зависимости от типа рабочего органа и
положения его оси относительно потока воздуха. На вышках
устанавливают крыльчатые ветродвигатели.
Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых
ветродвигателей: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным
механизмом (рис. 10.17, а), или с расположением всех узлов в головке
ветродвигателя (рис. 10.17, б). Головку монтируют на поворотной опоре
башни, и при изменении направления ветра она поворачивается
относительно вертикальной оси. Высота вышки определяется диаметром ветро-
колеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению
воздушного потока.
Ориентация ветроколеса по направлению ветра осуществляется
автоматически хвостовым оперением или другими способами, например
212

вспомогательным поворотным
ветроколесом (виндрозой),
установленным в плоскости,
перпендикулярной плоскости вращения
основного колеса.
Одной из разновидностей
вышек является конструкция
ветросиловой установки,
представляющая собой ствол с подкосом,
который опирается на кольцевой
фундамент и снабжен
щитом-флюгером для возможности
передвижения по кольцевому замкнутому
пути при изменении направления
ветра (рис. 10.18).
Аэродромные вышки
используют в качестве опорных
конструкций 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
исследования пространственной структуры воздушных потоков. Они обычно
включают в себя опору и элементы для установки метеоприборов (рис. 10.20).
Рис. 10.18. Ветродвигатель с подкосом
Рис. 10.19. Многосекционные аэродромные вышки:
а — вышка огней подхода; б — вышка антенны глиссадного радиомаяка; е — вышка для освещения
перрона или мест стоянки; / — опорный фундамент; 2 — ствол; 3 — горизонтальные связи
213

Рис. 10.20» Аэрометрическая вышка:
1 — пространственная система; 2 — высотная опора; 3 —
площадки обслуживания метеоприборов
Рис. 10.21. Вышка лесника:
/ — ствол; 2 — смотровая кабина
Вышка лесника служит для наблюдения за лесными массивами и
обнаружения 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
служат для хранения запаса и регулирования подачи воды от насосных
станций П-го подъема к потребителю, обеспечивая требуемое давление в сети
в часы максимального водоразбора и во время остановки насосов.
Водонапорная башня, как правило, состоит из двух основных элементов:
резервуара (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
совмещенным ступенчатым или интегральным графикам подачи и
потребления воды [18].
Объем воды бака водонапорной башни находят по формуле
Vb « Vr + К„, (11.1)
где Vr — регулирующий объем; Vp — противопожарный запас воды,
принимаемый достаточным для 10-минутного тушения пожара при
одновременном наибольшем расходе воды на другие нужды.
При расчете и проектировании хозяйственно-питьевого водопровода
на предприятии или городского водопровода составляют общий график
водопотребления с учетом неравномерности расходования воды в
соответствии с требованиями СНиП.
Высоту водонапорной башни определяют, исходя из условия, чтобы
при питании из башни был обеспечен требуемый свободный напор в
наиболее удаленной (диктующей) точке при низком уровне воды в баке
Яг = Hd + Hh-{Hb-Ha\ (11.2)
где //, — высота водонапорной башни от поверхности земли до днища
бака, м; Hd — наименьший допускаемый свободный напор над
поверхностью земли в диктующей точке; Нь и На — геодезические отметки
поверхности земли соответственно в критической точке «а» и в месте
расположения башни «b»; I/z — сумма потерь напора в участках сети от
водонапорной башни до точки «д» в период наибольшего расчетного
водопотреб л ения.
215

а)
\
1
г
Рис. 21.1. Конструктивные схемы водонапорных башен:
а, б — со сплошным стволом; в — со сквозным стволом
Оборудование башен состоит из напорно-разводящего трубопровода,
переливной и спускной труб. От насосной станция по трубопроводу вода
поступает в нижнюю часть башни. Этот же трубопровод служит для
отвода воды из башни потребителям. Переливная труба заканчивается на
наивысшем уровне воды в баке. Для полного опорожнения бака
предусматривают спускную грязевую трубу.
Тип резервуара зависит от вместимости; высоты башни, заданной
разности верхнего и нижнего уровней воды в баке, производственных
возможностей 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,
расположенных по периметру бака.
Корпус бака представляет собой вертикальную цилиндрическую
оболочку с плоским или пространственным днищем. Опирание бака с
пространственным днищем на колонны осуществляют через опорное кольцо,
с плоским днищем — на балочную клетку. Пространственное днище
экономичнее плоского и обеспечивает возможность доступа для осмотра,
ремонта, 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,
сферическим или эллипсоидальным.
Эллипсоидальное днище (рис.11.2, а) не вызывает сжимающих
усилий в опорном кольце, но имеет большую трудоемкость изготовления.
Изготовление сферического днища (рис.11.2, б) проще, чем
эллипсоидального, но оно вызывает сжимающие усилия в опорном кольце.
Глубину сферического днища принимают обычно равной 1/6 диаметра бака.
Коническое днище (рисЛ 1.2, в) изготовляется значительно проще
сферического, так как не требует горячей обработки листов, однако
весовые показатели резервуаров с коническим днищем хуже, чем баков 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
периметру 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
горизонтальная составляющая усилий, в этом случае необходимо увеличивать
толщину как стенки, так и днища и применять горизонтальную
кольцевую площадку (опорное кольцо).
Одним из важнейших критериев эффективности является минимум
поверхности бака, что соответствует минимуму его стоимости и
наименьшим расходам по защите резервуара от коррозии.
Покрытие бака выполняют аналогично соответствующим элементам
вертикального резервуара для нефтепродуктов (кровля обычно пологая
коническая или сферическая со стрелкой подъема, равной 1/15 диаметра
корпуса).
217

Особенности расчета пространственного днища. В
эллипсоидальном днище (рис. 11.2, а) меридиональные и кольцевые напряжения в
нижнем элементе дна резервуара будут равны
<*,=*2=*р (11-3)
а в точках сопряжения днища с корпусом
^ (11.4)
;
2%rt
Л (11.5)
В сферическом днище (рис. 11.2, б) максимальные напряжения будут
действовать в нижней точке днища, где высота столба воды наибольшая,
поэтому
JHRO
It
(11.6)
В коническом днище (рис. 11.2, в) напряжения в сечении днища на
расстоянии «у» от низа будут равны:
l} (IL7)
(11.8)
В формулах (11.3... 11.8): at — напряжения в меридиональном
направлении; а2 — напряжения в кольцевом направлении; у — плотность
воды; Н= hx + h2 — высота бака, включающая высоту корпуса (hi) и
высоту днища (А2); V— объем бака; Ro — радиус кривизны пространствен-
- т. ctga
ного днища; г — радиус цилиндрической части бака; К0 = — пара-
sin a
метр конуса днища; t — толщина стенки.
Толщину стенки определяют по максимальному напряжению,
полученному по формулам (11.3... 11.5), исходя из условия прочности a < Ryyc
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 = К] \[V\ H =K2 VF), используя параметры Кх и К2, приведенные
в табл. 11.1. При отклонении диаметра бака от его оптимального размера
218

до 15% масса бака увеличивается незначительно. Радиус сферического
днища RQ обычно назначают равным 5/3г, глубину днища равной 1/3г.
Окончательные размеры бака уточняют в соответствии с длиной и
шириной листов, выпускаемых на заводах. Все соединения следует
проектировать стыковыми.
Таблица ILL Параметры оптимальных размеров бака
Тип резервуара
Бак с коническим днищем, h2 = г
Бак со сферическим днищем, h2 = 0,5г
Бак со сферическим днищем, И2 - 0,3 Зг
Кх
1,134
1,142
1,13
0,805
0,788
0,9
Корпус бака (цилиндрическую
оболочку) рассчитывают как вертикальный
цилиндрический резервуар на
гидростатическое давление воды (см. гл. 2).
Опорное кольцо. Поперечные се- q\
чения опорных колец показаны на рис. Рис. п.3,Красчету опорногокольца
11.4. В состав рабочего сечения кольца
включают примыкающие участки
стенки и ребер (выделенные на рисунке), размеры которых определяют из
условия местной устойчивости 0,65^£ / Ry.
При опирании кольца на ствол башни по всему периметру в нем
возникают только осевые сжимающие напряжения от горизонтальных
составляющих опорных реакций в месте соединения днища с корпусом.
Усилие в опорном кольце (рис. 11.3) равно
2я
ctga,
(11.9)
где у/— коэффициент надежности по нагрузке; G — вес воды и резервуара.
Рис. 11.4. Конструкции опорных колец, со сферическим (а) и с коническим {6}
днищами
219

Кольцо проверяют на устойчивость по формуле М. Леви:
3£7V N
N~=—r'> c^^-f-uRy^ (11.10)
где Ncr и acr — наименьшее значения критической силы и
соответствующее критическое напряжение; гк — радиус кольца; Ак — площадь
сечения кольца; 1у — момент инерции кольца относительно вертикальной
оси, проходящей через центр тяжести.
При опирании резервуара на колонны сквозного ствола в опорном
кольце (рис. 11.4) в общем случае возникают напряжения сжатия, изгиба и
стесненного кручения [19], определяемые по формуле:
А К К
я i2
где N—расчетное усилие в кольце (11.9); М2 =—^ расчетный
изгибающий момент в кольце, как в неразрезной балке; / = пролет меж-
п
ду соседними опорами ствола башни; п — количество опор;
yrG
# = — вертикальная распределенная нагрузка (см. рис. 11.3);
2пг
у — расстояние от нейтральной оси до рассматриваемого элемента
поверхности кольца; 5Ш — расчетный бимомент; /ш — секториальный
момент инерции сечения кольца; со — главная секториальная координата
точки, в которой определяют напряжение.
Для избежания кручения опорного кольца его проектируют так,
чтобы равнодействующая нагрузок qx и qy (11.3) проходила через центр
тяжести сечения опорного кольца.
Ствол башни. Размеры ствола башни в плане определяются
размерами опорной части бака. Сплошной ствол рассчитывают аналогично
вертикальным цилиндрическим резервуарам. Сквозной ствол состоит из
отдельных стоек (колонн), расположенных по периметру опорного кольца и
соединенных вертикальными и горизонтальными связями. Сечение стоек
принимают обычно из сварного двутавра. В высоких башнях стойки
рациональнее выполнять из труб со связями из круглой стали.
Ствол рассчитывают на действие ветровой нагрузки и нагрузки от
массы резервуара с водой. Максимальное усилие в колонне ствола
возникает при направлении ветра параллельно наибольшей диагонали
многоугольного сечения ствола. Величину скоростного напора ветра с учетом
220

динамического коэффициента принимают в соответствии с
требованиями СНиП [4]. Расчет ствола аналогичен расчету башен, рассмотренных в
гл. 6.
Анкерные болты ствола башни рассчитывают при незаполненном
резервуаре (весом GQ ) и максимальном моменте М от горизонтальных
нагрузок на растягивающее усилие
(11.12)
Для возможности осмотра бака снаружи башни и внутри бака
устраивают лестницы, на уровне опорного кольца предусматривают галерею
шириной 0,5...0,6 м, в покрытии резервуара делают смотровой люк. В
зависимости 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
водонапорные башни заводского изготовления (системы Рожновского) объемом 15,
25, 50 м3, высотой 12,15, 18 м (рис. 11.1, а). Они разработаны для
применения в системах сельскохозяйственного водоснабжения, а также в
водопроводах малых предприятий. В этих башнях бак не имеет днища,
переходя своей конической частью в цилиндрическую опору, заполненную
водой. Основные узлы водонапорных башен системы Рожновского
приведены на рис. 11.5, 11.6.
f
1
ГТ П П П
П П П П7
—^—I
Г
|U Uli U
.}
Рис. 11.5. Узлы башни конструкции Рожновского
221

Рис. 11.6. Опорный узел башни
При применении таких башен следует учитывать, что в зимний
период резервный запас воды может уменьшиться на величину объема
образовавшегося льда в неутепленной башне, поэтому в некоторых случаях
следует применять утепление всей башни или местный обогрев ее опоры.
Если башню проектируют бесшатровой, неотапливаемой, то на внутренних
поверхностях стенок бака и опоры образуется естественная ледяная
теплоизоляция толщиной до 240...300 мм. Замерзающая вода выделяет
скрытую теплоту льдообразования, замедляющую темп нарастания ледяной
корки. С конца января темп нарастания толщины льда еще более
уменьшается от влияния солнечной радиации.
В типовых водонапорных башнях баки различной вместимости
имеют унифицированный диаметр 3020 мм, диаметр водозаполненной
опоры— 1220 мм.
При проектировании башен-колонн вместимостью 160 м3 и общей
высотой 25 м условно считают, что 50 м3 составляет полезный запас воды
выше уровня 18 м от земли и 110 м3 составляет резервный запас в нижней
части ствола. Для климатических зон с расчетной температурой воздуха в
наиболее холодную пятидневку ~20°С,...-40°С с режимом работы башни
в два водообмена в сутки используют теплоизоляцию. Стенки башни
утепляют на монтаже минераловатными мягкими плитами, с защитой
оцинкованными листами.
Стальную крышу приваривают на заводе к цилиндрической стенке.
На внутренних стенках бака приваривают скобы-льдодержатели (рис.
11.5) и лестницу (или скобы) для обслуживающего персонала. На высоте
3...4 м в стволе башни предусматривают герметичный смотровой люк.
222

Днище башни крепят на сварке к шести
закладным пластинам, закрепленным 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
(рис. 11.7), гиперболический ствол которой
выполнен из перекрещивающихся
прямолинейных швеллеров. Решетчатые конструкции
такого типа в прежние годы использовались в
качестве башен для радиостанций, маяков и
других высотных сооружений.
Вам, конечно, знакома знаменитая
телебашня на Шаболовке в Москве. Водонапорная
башня, снимок которой приведен на рис. 11.7,
«доживает свой век» в с. Полибино Липецкой
области — ржавая и беспризорная. По
утверждению местных жителей это та самая башня,
которая демонстрировалась на Всероссийской
выставке в Нижнем Новгороде и была
перевезена графом Нечаевым-Мальцевым в свое
имение.
Рис. 11.7. Водонапорная
башня конструкции Шухова

Глава 12
МОРСКИЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ПЛАТФОРМЫ
Освоение нефтяных и газовых месторождений континентального
шельфа Мирового океана обусловило развитие сравнительно новой
области инженерного искусства, связанной с конструированием и расчетом
морских платформ различного назначения. Почти все морские
месторождения, эксплуатируемые в настоящее время, разрабатывают со
стационарных платформ. Однако эти сооружения используются не только в
указанной отрасли промышленности, применяются они также для военных и
навигационных целей.
Особенностью современных конструкций морских стационарных
платформ (МСП) является применение массивных блоков (модулей)
заводского изготовления: опорной части, массивного моноблока и
съемного многопалубного верхнего строения, укомплектованных
определенным технологическим оборудованием (рис. 12.1, а). В настоящее время
ведутся исследования и разработка проектов упругих (с натяжными опо-
а)
Рис. 12.1. Типы МСП
224

£* 12.2. МСИ для работы в ледовых условиях
рами) конструкций платформ
(рис. 12.1, б) на большие
глубины (до 1000 м). В проектах
используется эффект
взаимной компенсации волновых
нагрузок при резонансных
частотах. Существуют
проекты гравитационных
платформ, где в качестве
основания использованы
железобетонные резервуары для
временного хранения
добытой нефти (рис. 12.1, в).
Разработан ряд конструкций платформ для работы в ледовых условиях (рис.
12.2).
12.1. Назначение и типы МСП3 их классификация
Морская стационарная платформа — уникальное (часто им
присваивают собственные имена) гидротехническое сооружение,
предназначенное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и
вспомогательного 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
конкретном районе акватории моря.
В последние годы в связи с широким развитием работ по освоению
морских нефтяных месторождений в различных районах Мирового
океана 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
жесткие (гравитационные, гравитационно-свайные, свайные) и упругие
(башни с оттяжками, плавучие башни, гибкие башни), что отражает
конструктивные особенности платформы и ее податливость, характеризуемую
периодом собственных колебаний. У жестких платформ он составляет 4...6
с, а у упругих — 20... 100 с.
Жесткие конструкции классифицированы по способу обеспечения
их устойчивости под воздействием внешних нагрузок на
гравитационные, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае сооружение не
сдвигается относительно морского дна благодаря собственной массе, во
втором не смещается из-за крепления его сваями. Гравитационно-свай-
g-447 225

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
сохраняют свою устойчивость системой оттяжек, понтонов плавучести и
противовесов. Плавучие башни подобны качающемуся маятнику, они
возвращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плаву-чести,
расположенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются
от вертикали под действием волк, но при этом они, подобно сжатой
пружине, стремятся возвратиться в состояние равновесия.
12,2. Жесткие свайные МСП
Сооружения этого типа (рис. 12.1, а) состоят из собранного на
береговой строительной базе металлического опорного основания, имеющего
вид пространственной фермы пирамидальной формы, простирающейся
от морского дна до некоторой отметки над водной поверхностью, и
металлического, заранее изготовленного верхнего строения (платформы).
Платформа опирается на трубчатые сваи, забитые в грунтовое основание
через колонны опорного основания, или через направляющие
кондукторы, расположенные на колоннах. Эти сваи не только поддерживают
платформу, но и фиксируют сооружение в целом от сдвигающих нагрузок,
вызванных ветром, волной и течением.
Чтобы представить масштабы сооружения, приведем основные
размеры 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
опорного основания около 1800 т. Диаметр несущих колонн около 1600 мм с
толщиной стенки до 60 мм. Диаметр свай 1220 мм с толщиной стенки
около 25 мм. Все сваи забиты в грунт на глубину от 60 до 90 м. С дальнейшим
ростом глубин диаметры и толщины стенок элементов конструкции
увеличиваются (диаметр до 2500 мм при толщине стенки до 90 мм). Хотя с
увеличением глубин моря основные положения проектирования
платформ сохраняются, однако условия глубоких вод усложняют решение
задач 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 мест}' установки. Там
опорное основание сдвигают с баржи, и с помощью плавучего крана (рис.
123, а) или путем балластировки водой отдельных отсеков (рис. 12.3, б)
устанавливают в вертикальное положение на морском дне. Затем с помо-
226

а)
/\
/\
/\
—
Рис. 12.3. Способы установки платформы на место эксплуатации
щью копра, находящегося на судне, погружают сваи. По достижении
проектной глубины забивки свай верхние их части, выступающие над
опорным основанием, срезают и устанавливают верхнее строение, которое
приваривают к головам свай.
12.3. Проектирование ШСП
Индивидуальность конструкций МСП требует особого подхода к их
проектированию. В частности, вопросы расчетов прочности и
устойчивости МСП тесно переплетаются с вопросами исследовательских работ,
необходимостью сочетания при проектировании расчетных методов с
экспериментальной проверкой на моделях и в натурных условиях. При
проектировании обязательно предусматривают установку
контрольно-измерительной аппаратуры для выполнения режимных и контрольных
наблюдений и исследований при эксплуатации МСП.
Назначение МСП обычно определяет минимальные значения
площади и веса платформы, которая должна быть установлена в определенном
месте. На стадии предварительного проектирования некоторые варианты
227

конструктивных решений могут быть отвергнуты, как экономически
невыгодные или неприемлемые с точки зрения технологии изготовления
или способа постановки сооружения на морское дно. Воздействие
окружающей 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
характеристика грунтового основания, причем последнее особенно важно для
расчета фундамента сооружения.
Эксплуатационные нагрузки рассчитывают прямым методом, а
воздействия окружающей среды путем последовательных приближений.
Это объясняется тем, что изменение размеров элементов конструкции
приводит к изменению нагрузок на эти элементы и на сооружение в
целом. Кроме того, запроектированное сооружение должно быть проверено
на способность выдерживать нагрузки, возникающие в процессе
транспортировки и постановки на дно. Эти нагрузки могут оказаться весьма
значительными, и пренебрежение ими может привести к серьезным
повреждениям сооружения еще до начала его эксплуатации. И наконец,
следует отдавать предпочтение конструкции, допускающей ее демонтаж при
завершении эксплуатации промысла и его ликвидации.
12А 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
добавляется давление льда.
Штормовой ветер играет существенную роль в расчете МСП,
поскольку он оказывает значительное силовое воздействие на надводную
часть сооружения. Скорость ветра при урагане может, например,
достигать 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 нагрузок
на его подводную часть от сопровождающего волнение движения масс
воды. Высота волны (разница между максимальным и минимальным
уровнями воды в любой момент времени) порой достигает в период
шторма 25 м, а вызванное ими движение воды оказывает на сооружение
228

горизонтальную нагрузку, в
несколько раз
превышающую ветровую. Наконец, в
некоторых районах моря
существенную добавку к
нагрузке на подводную часть
сооружения могут оказать
течения. Под течением
понимают общее движение
масс воды, причины
которого иные, чем те, которые
вызывают поверхностные
волны. Это, например,
приливные течения, вызванные
силами притяжения Луны и
Солнца, ветровые или
дрейфовые течения, связанные с
трением воздушных потоков
о поверхность воды,
течения, связанные с речными
стоками, и, наконец,
океанические течения,
обусловленные широкомасштабными
ветровыми системами над
океаном. В штормовых
условиях поверхностные течения
со скоростью 0,6 м/с и более
не являются чем-то
необычным: связанная с ними
горизонтальная нагрузка на
сооружение на 10% или более
увеличивает нагрузку,
вызванную волнами.
В качестве
дополнительных и особых нагрузок
можно отметить ледовые нагрузки и нагрузки от наносов (рис. 12.5),
технологические нагрузки (навал судов, воздействие буровых механизмов и т.д.),
сейсмические нагрузки.
Согласно СНиП [20] воздействие внешних нагрузок, определяемое по
средним многолетним значениям, рассматривают при расчете на основ-
229
Рис 12.4. Основные нагрузки на платформу:
/ — ветровок 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
платформу:
а — ледовая нагрузка; б — нагрузка от наносов: 1 — мягкие
отложения; 2 — уплотненные отложения

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
обеспечивает возможность эксплуатации сооружения (статистическая
повторяемость наибольших нагрузок 1 раз в месяц); экстремальное, при котором
эксплуатация сооружения должна быть прекращена (повторяемость
нагрузок один раз в 50 или 100 лет).
Нагрузки и воздействия необходимо принимать в наиболее
неблагоприятных, но реальных для рассматриваемого расчетного случая
сочетаниях отдельно для периода монтажа и эксплуатационного периода.
12.5. Материалы
Конструкции МСП можно отнести к 1 группе конструкций СНиП [3],
для которых следует применять стали классов С255, С285, С345...С440 по
ГОСТ 27772-88 с дополнительными требованиями по коррозионной
стойкости (с медью). Применение в конструкциях МСП толстолистового
проката (толщина стенки труб несущих стволов опор может достигать 90
мм) вызывает дополнительные требования по сплошности и к
характеристикам стали поперек проката. Нормативные документы рекомендуют
следующие марки стали для применения в несущих элементах 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 1 м/с) или сильноагрессивной (при скорости более 1
м/с) среде. В соответствии с этим не допускается применение в
конструкциях МСП сталей марок 09Г2, 14Г2 и 18Г2АФпс.
12.6. Конструирование ШЯСП
МСП свайного типа обычно состоят из трех основных частей:
верхнего строения, опорного блока и свай. Размеры в плане и количество палуб
верхнего строения определяют, исходя из предусматриваемого
количества скважин и соответственно требуемой площади для размещения
технологических и жилых модулей. При этом площадь палуб стремятся
устанавливать минимально допустимых размеров с целью обеспечения
оптимальных общих размеров сооружения и его технико-экономических
показателей. Увеличение размера палубы приводит к значительному ее
230

Рис. 12.6. Схема платформы на 24 скважины:
/ — опорное основание; 2, 3 — модули подвышенного основания и вышки; 4 — модуль буровых
насосов и циркуляционной системы; 5 — модуль бункеров; 6 — модуль емкостей воды и топлива; 7 —
модуль вспомогательного оборудования; 8 — модуль энергетического оборудования; 9 — модуль жилых
помещений; 10 — вертолетная площадка
утяжелению, поэтому в целях уменьшения площади верхней части
платформы 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 с таким
расчетом, чтобы между гребнем расчетной волны, определяемым с
учетом 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, чем расчетная волна). Не допускается размещение элементов
связей (распорок, раскосов, сварных швов) на высоту приливно-отлив-
кых зон.
Возвышение низа палубной части платформы над расчетным
уровнем на замерзающих морях должно быть не менее восьми расчетных
толщин льда.
Жилой блок располагают со стороны господствующих ветров, а
вышку 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
сооружения 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 З'стройств на высоту, обеспечивающую беспрепятственное
прохождение льда (не менее 1 м). В конструкции МСП предусматривают
настилы, люки, переходы, лестницы, перила и специальные смотровые
приспособления, 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
конструируют из одного или нескольких блоков. Количество блоков, основные
размеры конструкции, ее сборочных и транспортируемых узлов
определяют, исходя из конкретных условий места установки МСП в море, с
таким расчетом, чтобы обеспечить возможность их погрузки на площадке
изготовления и транспортировки к месту установки в море имеющимися
погрузочно-разгрузочными и транспортными средствами. При этом
учитывают максимальную унификацию и модульность узлов МСП,
Примерно до глубин моря 30 м используют сооружения из двух платформ (рис.
12. 7). Первая платформа на 12— 15 скважин является буровой, а
эксплуатационное оборудование размещают на второй платформе.
До глубин вод порядка 150 м в основном принимают одноблочную
конструкцию (рис. 12.8, б). В целях экономии металла, материальных и
трудовых затрат платформу в зависимости от проектной глубины
скважин и запасов месторождения проектируют на 15 — 60 скважин.
232

ЕтЯ
N12
ь
ч
/
/
ч
А
\
А
к
[/,
/
\
\
V.
Рис.
12.7. Многоблочная
платформа
Рис. 12.8. Одноблочная платформа:
а — двухсекционная; б — односекционная
При дальнейшем увеличении глубин опорную часть платформы
изготовляют из двух секций (рис. 12.8, а). Это обусловливается
возможностями технологического оснащения заводов и наличием транспортных
средств необходимой грузоподъемности.
Металлоконструкция опоры обычно представляет собой
пирамидальную пространственную ферму (или прямоугольный параллелепипед). На
поясах фермы предусматривают направляющие для пропуска свай. Сваи
обычно конструируют трубчатыми. Конструкцию и количество свай
определяют, исходя из обеспечения требуемой расчетом устойчивости
платформы. Конструктивные решения сварных узлов из трубчатых
элементов выполняют в соответствии с требованиями ВСН [21] 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
длину элементов ферм верхнего строения, решетки опорных блоков и
гибкости элементов опорных блоков и ферм верхнего строения принимают не
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 или с
защитой от обледенения и смерзания опор с ледяным полем.
233

Расчетную схему МСП принимают в виде пространственной
конструкции с учетом совместной работы опорной части с верхним строением
и свайного фундамента (рис. 12.4).
При сложных конструкциях МСП (многоблочная в сложных
геологических условиях) допускается принимать расчетную схему в виде
отдельных пространственных опорных блоков или плоских конструкций, шар-
нирно связанных между собой жестким верхним строением.
Усилия в элементах конструкции опорных блоков (блока)
определяют из условия защемления их на уровне центра опорных узлов.
Полученные при этом реакции опор являются внешними для расчета свай. Усилия
в элементах конструкций МСП (изгибающие моменты, продольные и
поперечные силы) определяют по упругой стадии работы сооружения. При
вычислении усилий в элементах решетки опорного блока волновую
нагрузку принимают в виде сосредоточенных сил в узлах конструкции. Для
элементов, воспринимающих непосредственно волновые нагрузки,
находят дополнительно изгибающий момент от распределенной нагрузки с
учетом требований СНиП [3]. При наличии эксцентриситетов в узлах
элементов решеток опорного блока усилия определяют с учетом
соответствующих изгибающих моментов.
Расчет конструкций МСП ведут по двум группам предельных
состояний. По первой группе предельных состояний проводят расчеты: общей
прочности и устойчивости системы; прочности отдельных элементов,
разрушение которых приводит к невозможности эксплуатации
сооружения; расчеты перемещений конструкций, от которых зависит прочность
или устойчивость сооружения в целом и т.д. По второй группе
выполняют расчеты по ограничению перемещений и деформаций, прочности
отдельных элементов сооружения, не рассматриваемых по предельным
состояниям первой группы.
Расчет на прочность сварных бесфасоночных узлов конструкций из
труб выполняют в соответствии с требованиями ВСН 5L4 — 85.
Так как МСП можно отнести к башенным сооружениям,
подверженных циклическим динамическим нагрузкам, их конструкции необходимо
проверять расчетом на выносливость.
С увеличением высоты собственная частота колебаний сооружения
может оказаться близкой по значению к частотам внешних нагрузок, что
приведет к значительным перемещениям. Горизонтальное перемещение
на уровне верхнего строения платформы не должно превышать 1/200 /г,
где h — высота от уровня верхнего строения платформы до центра
опорных узлов, м. При этом расчетные волновые нагрузки учитывают
коэффициентом 0,25 при глубинах моря до 40 м и коэффициентом 0,4 при
глубинах моря более 40 м без учета коэффициента динамичности.
234

Глава 13
ГРАДИРНИ
13.1- Классификация градирен
Градирни представляют собой сооружения для охлаждения воды
атмосферным 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
(радиаторными).
Z-Z
Рис. 13.1. Схема открытой капельной градирни:
/ — несущий каркас; 2 — оросительное устройство; 3 — воздухонаправляющие жалюзи; 4 —
водосборный бассейн, 5 — водораспределительная система; б — отводящий водовод
235

В испарительных градирнях передача теплоты от воды воздуху
происходит за счет испарения, что обеспечивает более глубокое
снижение температуры. Поэтому испарительные градирни более эффективны,
чем радиаторные, в которых передача теплоты от воды к воздуху
осуществляется через стенку радиатора за счет теплопроводности материала
радиаторов и конвекции.
8 свою очередь испарительные градирни подразделяют на 3
основных типа:
• открытые или атмосферные градирни (рис. 13.1), в которых для
протока воздуха через ороситель используется ветер и отчасти
естественная конвекция воздуха;
9 вентиляторные градирни (рис. 13.2) с механической тягой воздуха;
Рис. 13.2. Схема вентиляторной противоточной градирни:
1 — вентилятор; 2 — несущий каркас; 3 — водоуловитель; 4 — водораспределительная система;
5 — оросительное устройство; б — воздуходувные окна; 7 —• водосборный бассейн; 8 — ветровая
перегородка; 9 — отводящий водовод
236

Рис. 13.3. Башенная противоточная градирня:
/ — каркас вытяжной башни; 2 — водоуловителъ; 3 — водораспределительная система; 4 —
оросительное устройство; 5 — воздухорегулирующее устройство; б — воздуходувные окна; 7 — водосборный
бассейн; 8 — каркас оросителя; 9 —подводящий водовод; 10—светоограждение
• башенные градирни (рис. 13.3) с естественной тягой воздуха.
Открытые градирни предназначены для систем с небольшим
расходом оборотной воды от 10 до 500 м3/ч. Для них характерен высокий
охладительный эффект, простота строительных конструкций и условий
эксплуатации. Однако применение таких градирен ограничено
возможностью размещения на незастроенных площадках, сильно продуваемых
ветром, а также допустимостью кратковременного повышения
температуры охлаждаемой воды в период штиля.
Вентиляторные градирни рекомендуется применять в системах
оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого
охлаждения воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.
Башенные градирни являются с технологической точки зрения
наиболее рациональным типом охладителей большой производительности от
237

Рис. 13 А Башенная градирня Я= 151 м с
обшивкой из алюминиевых волнистых
листов
10 000 до 100 000 м3/ч. В них
удается достичь почти равномерного
распределения воздуха по площади
оросителя, что ведет к быстрому и
глубокому охлаждению воды.
Современные башенные
градирни достигают огромных
размеров, их высота превышает 100 м.
Проектируются градирни высотой
136 и 160 м (рис. 13.4).
Перечисленные типы
испарительных градирен разделяются
также по признаку создания
поверхностей охлаждения: а) путем
разбрызгивания воды соплами (брызгаль-
ные градирни); б) с оросительными
устройствами, которые могут быть
капельного типа (теплоотдача в
основном происходит с поверхности
капель воды); пленочного типа
(теплоотдача с поверхности водяной пленки, образующейся на щитах
оросителя); смешанного капельно-пленочного типа.
По признаку направления движения воздуха в оросителе по
отношению к движению воды градирни могут быть с противоточным движением
воздуха (вода сверху вниз, а воздух — снизу вверх); с поперечным
движением воздуха (вода сверху вниз, а воздух в горизонтальном
направлении); 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
стенкам 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 башню, а охлажденная вода стекает в водосборный
бассейн, глубина которого достигает 2 м. Из водосборного бассейна
охлажденная вода поступает в системы водоснабжения для охлаждения
технологического оборудования. Системы водоснабжения с башенными
градирнями используют преимущественно на ТЭЦ и металлургических
заводах, а также на конденсационных электростанциях (КЭС) и АЭС .
238

Наряду с производительностью основной показатель градирни —
площадь оросительного устройства в горизонтальном сечении. В крупных
современных градирнях она составляет 4000...6400 м2. Разработан проект
сверхмощной градирни площадью орошения 9400 м2. Высота вытяжной
башни таких градирен составляет соответственно 90, 110 и 150 м при
выходных диаметрах 43, 55 и 73 м.
13.2. Конструкции башенных градирен
Основными элементами конструкции башенных градирен являются:
• вытяжные башни, создающие циркуляцию воздуха, а также
отводящие насыщенные пары на достаточную высоту для их рассеивания в
атмосфере;
в оросительные устройства, обеспечивающие создание необходимой
поверхности охлаждения;
• водосборные бассейны, служащие для сброса охлажденной воды и
создания необходимого запаса воды в циркуляционной системе.
Вытяжные башем в зависимости от производительности градирни
имеют различные конструктивные формы, их выполняют из дерева,
железобетона или стали.
Башни со стальными каркасами обычно имеют пирамидальную
форму 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
укрупненными панелями.
В последнее время стали применять преднапряженные оболочки
градирен 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
соответствии с установленными правилами. Для подвески люлек при ремонтных
работах, а также для доступа к светоограждению в верхней части башен
устраивают круговую площадку с лестницей.
Фундаменты под каркас башни — столбчатые из монолитного или
сборного железобетона. Размеры фундаментов каркасно-обшивных
башен градирен должны не допускать их отрыва от грунта при действии
горизонтальных нагрузок.
239

Рнс. 13.5. Схема вахтовых оболочек башенных градирен с одним пилоном:
а — с растянутыми элементами крепления верхнего кольца жесткости х пилону; б — то же, со сжатыми
элементами; е — то же, с комбинированным креплением; / — пилон; 2 — сетчатая оболочка; 3 —
оголовок пилона; 4 — тяги подвески; .5 — подкосы; 6 — верхнее кольцо жесткости; 7 — промежуточное
кольцо жесткости; 8 — нижнее кольцо жесткости; 9 — дополнителыше стойки верхней зоны башни;
10—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
технико-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.
Расположение стоек каркаса оросителя осуществляют по радиальной или
прямоугольной сетке. Радиальная сетка отвечает лучшим технологическим
показателям 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
высоте в один или несколько ярусов при горизонтальной, ступенчатой или
наклонной компоновкам.
Водосборные бассейны располагают под оросителем. Они имеют
глубину 2,0 м при превышении бортов над уровнем воды 0,3 м. Бассейн и
другие подземные конструкции башенных градирен выполняют из моно-
240

литного железобетона, однако допускается фундаменты башни и стенку
водосборного бассейна выполнять из сборного железобетона. В
зависимости от режима работы градирни и ее размеров в плане бассейн может
быть разделен перегородками на секции. Стенки и днище покрывают
гидроизоляцией из холодной асфальтовой мастики, наносимой
механизированным способом. Поверх слоя гидроизоляции на днище укладывают
защитный слой бетона с уклоном для стока воды в приямки
канализационных 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
условиями работы конструкций. Рассмотрим эти условия более подробно.
Условия работы конструкций. Температура поступающей на
градирню воды летом доходит до -ь45°€5 зимой — до +25°С, а температура
охлажденной воды — летом до +35°С, зимой — до +20°С. Входящий з
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 %.
8 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
переменными параметрами. Кроме того, на внутренних поверхностях этих
конструкций образуется конденсат, стекающий с них в виде пленки.
По своему составу охлажденная в градирнях тепловых
электростанций вода в большинстве случаев является нейтральной или
слабощелочной (рН = 6...10), однако, для предотвращения обрастания оросителей
водорослями циркуляционную воду хлорируют.
Таким образом, при проектировании строительных конструкций
градирен необходимо учитывать специфические условия их работы,
которые заключаются в следующем:
* влажность воздуха внутри градирни достигает 100%;
* орошение конструкций оборотной водой с температурой от 10 до
60°С;
9 возникновение значительных внутренних напряжений в зимнее
время при замораживании в водонасыщенном состоянии пористых
строительных материалов;
241

• попеременное увлажнение и высушивание строительных
конструкций в летнее время;
• агрессивность к материалам строительных конструкций оборотной
воды и воздуха, проходящих через градирню, которая усугубляется
циклическим характером воздействий, зависящим от климатических
факторов и от технологических условий работы градирни.
Материалы для градирен. Сталь для каркасов башен. В
соответствии с рекомендациями [27] сталь для несущих конструкций градирен
следует 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;
в к группе 2 — конструкции балок покрытий и перекрытий в
вентиляторных градирнях и элементы несущего каркаса башенных градирен;
• к группе 3 — стойки и колонны вентиляторных и открытых
градирен, опорные плиты колонн, а также конструкции, поддерживающие
ороситель и водораспределительную систему, конструкции водосборного
бассейна;
• к группе 4 — конструкции фахверка, связей, ограждений,
площадок и лестниц обслуживания.
В соответствии с рекомендациями [27] предпочтительными для
применения 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 пев) 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
применять стали марок 10Г2С1Д, 15ХСНД, 10ХСНД. При
технико-экономическом обосновании для таких конструкций возможно также
использование нержавеющей стали типа XI3 для обеспечения их долговечности не
ниже долговечности конструкций технологического оборудования.
Дерево при строительстве градирен применяют для изготовления
щитов обшивки башен, оросительных и водораспределительных устройств.
242

Для деревянных конструкций градирен необходимо применять
древесину хвойных пород (сосну или лиственницу) не ниже II сорта по ГОСТ
2695-82*. Деревянные щиты в водонасыщенном состоянии имеют
плотность около 800 кг/м3.
Разрушение дерева в условиях градирен происходит по причинам
химического и биологического характера. Из химических элементов,
содержащихся 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, Асбестоцемеитные листы применяют для обшивки
вытяжных башен, ветровых перегородок, щитов оросительного
устройства и водоуловителей. Наружная обшивка башен находится в наиболее
неблагоприятных условиях эксплуатации. Ее выполняют из волнистых
асбоцементных листов усиленного профиля (листы ВУ) по ГОСТ
16233 — 87. Насыщаясь изнутри водою, асбестоцементные листы
обшивки под влиянием размораживания расслаиваются, Дяя защиты листов
обшивки от насыщения водой их подвергают пропитке стойкими
водозащитными составами. Лучшим пропиточным материалом является
каменноугольный пек и петролатум, обеспечивающие наиболее высокую
стойкость асбестоцементных листов против воздействия мороза и
агрессивных вод и повышающие его прочность. Плотность волнистых
асбестоцементных листов составляет 200 кт/м3 при прочности на
растяжение 15 МПа.
Крепление асбестоцементных волнистых листов обшивки к
несущему стальному каркасу и между собой производят стальными
оцинкованными 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
болтами, а с каркасом — болтами и кляммерами по типу асбестоцементных
листов (рис. 13.6). Для предотвращения коррозии в местах
соприкосновения алюминия со сталью каркаса нужно устанавливать изолирующие
прокладки из паронита (ГОСТ 481-80), устраняющие возможность их не-
243

500
Кляммер
ЯГ<я/&7 гнутая
оцинкованная
-40*40*3
Лист
Болт гнутый
010; 1=180
Ригель
битумной
мастике
' А \ Болт М&60
Шайба
из асбесто-
картона
Шайба гнутая,
оцитобанная-404013
Холодная
битумная
мастика
Рис. 13.6. Крепление обшивки из асбестоцементкыя листов к каркасу башенной
градирни
посредственного контакта и образования гальванической пары. Кроме
того, алюминиевые листы в местах их соприкосновения с элементами
стального каркаса следует покрывать защитной краской,
предохраняющей от коррозии.
Пластмассовые материалы применяют для обшивки вытяжных
башен, щитов оросительных устройств, водоуловителей, ветровых
перегородок, трубопроводов систем водораспределения и разбрызгивающих
устройств. К полимерным материалам, используемым для обшивки
вытяжных башен градирен, предъявляются следующие требования:
в достаточная прочность для восприятия ветровых нагрузок и
долговечность;
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
повышения огнестойкости ограждающих конструкций градирен
рекомендуется использовать стеклопластик самозатухающего типа. Листы
полиэфирного стеклопластика для выполнения обшивки башенных градирен
рекомендуется 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);
имеют достаточно низкую поверхностную плотность (14 кг/м2)5 водопогло-
щение листов из стеклопластика равно 0э7 г/дм2.
Для герметичности обшивок из стеклопластика горизонтальные и
вертикальные швы следует промазывать перед их креплением
специальным 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
крепежных деталей.
Крепежные металлические детали — болты, кляммерыэ гвозди,
применяемые при сооружении градирен, должны быть защищены от
коррозии. Обычно их оцинковывают гальваническим способом. Толщина слоя
гальванического покрытия должна быть не менее 10 мкм.
13.4. Антикоррозионная защита стальных конструкций
градирни
В связи с тем что металлические конструкции градирен
эксплуатируются 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
непосредственного увлажнения (где это возможно) и иметь доступ для осмотров и
повторного нанесения антикоррозионных покрытий без демонтажа
оборудования;
245

* все элементы каркаса, как правило, следует проектировать из
прокатных или гнутых профилей сплошного сечения. Запрещается
применять составные элементы таврового сечения из двух уголков,
двутаврового — из двух швеллеров, крестовых — из четырех уголков;
е с целью предотвращения щелевой коррозии применение
односторонних и прерывистых швов не допускается;
в внутренняя поверхность элементов из труб или гнутосварных
профилей должна быть герметизирована;
* при конструировании узлов сопряжения элементов следует
избегать образования закрытых полостей и щ^лен;
s 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
следует выполнять с учетом рекомендаций п.1.5.3[2]. При этом последний
покрывной слой следует наносить на моьггажной площадке. Поверхности
стальных конструкций перед нанесением защитных покрытий
необходимо очищать от загрязнения, окалины и ржавчины пескоструйным или
дробеструйным методами на заводе — изготовителе. Поверхности
алюминиевых листов должны быть покрыты анодной пленкой и
дополнительно лакокрасочными материалами со стороны контакта с водой [2].
Качество поверхности алюминиевых конструкций перед
электрохимическим анодированием должно соответствовать требованиям. ГОСТ
3002-70.
13,5, Расчет конструкций башенных градирен
Расчет строительных конструкций вытяжных башен градирен
выполняют 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
нагрузок от обшивки башни определяют по лжным о весе готовых
элементов 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 конструкций
башни зависит от мощности градирни и составляет 0,25...0,60 (меньшее
значение 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 /м2.
Снеговую нагрузку и нагрузку от наледи прикладывают на основные
ригели башни, высоту сечения которых принимают равной 1/8... 1/10
ширины 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
коэффициентом Р, определяя расчетное значение ветровой нагрузки на
вертикальную поверхность башни градирни по формуле:
где wQ — нормативное ветровое давление на высоте 10 м от поверхности
земли, кН/м2; kz — коэффициент, учитывающий изменение ветрового
давления по высоте; с — аэродинамический коэффициент; 7/=1,4 —
коэффициент 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
башен высотой 90... 150 м.
Величину аэродинамических коэффициентов с по периметру каркас-
но-обшивных башен желательно определять по данным специальных
лабораторных аэродинамических исследований. Для башенных градирен,
имеющих 12 граней и более, допускается принимать аэродинамические
коэффициенты по рекомендациям [29] как для шероховатых оболочек
(рис. 13.7).
Эксплуатация башенных градирен показала, что при наклонном к
горизонту направлении ветра верхняя часть внутренней поверхности баш-
247

10 20
Ветер
- о
180
50 60 70 €0 5Ю 100 110120130140150160170 130 <£,
с
1,0
0,3
0,6
0,4
0,2
О
-0,2
-0,4
-0,6
-о,з
-1,0
-1,2
-is
Рис. 13.7. Эпюры распределения аэродинамического коэффициента с по
полупериметру башни:
/ — для каркасно-обшивной пирамидальной восьмигранной формы; 2 — то же, для двенадцатигранной;
3 — то же, для гладкой цилиндрической, конической и гиперболической форм
нн испытывает дополнительную нагрузку. Для учета этого явления
рекомендуется в верхней части башни дополнительно учитывать
распределенное 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,
соответственно, эпюры скоростного напора на величину, равную D/10 , где D —
диаметр вписанной окружности верхней части башни.
При расчете башни градирни на ветровую нагрузку необходимо
рассматривать 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
градирни.
Статический расчет градирни на действие ветровой нагрузки
необходимо выполнять с учетом пространственной работы каркаса вытяжной
248

0.4
\52
0,52
Рис. 13.8, Эпюры аэродинамических коэффициентов для 12-гранной башни:
а — при лобовом направлении ветра; б — при угловом направлении ветра
15000
15000
Рис. 13.9. Башня градирни площадью орошения 1600 м2
башни. Для этого можно использовать, например, прикладные
программы «ЛИРА», «МИРАЖ» и др.
На рис. 13.9. показана конструктивная, а на рис.13.10 — расчетная
схемы каркаса башенной градирни с площадью орошения 1600 м2. Кар-
249

кас башни представляет собой
пространственную решетчатую систему,
состоящую из 12-ти граней,
объединенных по высоте пятью
горизонтальными решетчатыми кольцами
жесткости. Кольца жесткости способствуют
более равномерному распределению
ветровой нагрузки, действующей на
отдельные грани и, таким образом,
обеспечивают эффект
пространственной работы.
Высоту ферм горизонтальных
колец жесткости принимают равной
1/8... 1/10 ширины грани на
соответствующей высоте башни. В расчетной
схеме учитываются только растянутые
раскосы.
Стойки башенной градирни рассчитывают как центрально-сжатые
элементы, а ригели — как внецентренно сжатые. Изгиб ригелей
происходит 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
рассчитывают по двухпролетной неразрезной схеме.
Днище бассейна рассчитывают как плиту на упругом основании на
нагрузки от собственного веса, давления воды, собственного веса
оросителя, водораспределителя и водоуловителя, передаваемые колоннами
каркаса оросителя.
При проектировании градирен необходимо учитывать коэффициент
надежности ул, зависящий от класса ответственности сооружения, в
комплекс которого входит градирня.
Рис. 13.10. Расчетная схема башни
градирни

Глава 14
ЛЫЖНЫЕ ТРАМПЛИНЫ
14.1. Виды? профили ш нажачемте размеров трамплинов
Трамплины для прыжков на лыжах можно устраивать на
естественном склоне горы со средним утлом наклона 20°...40° или возводить го
железобетона, металла, дерева. Чаще трамплины выполняют по смешанной
схеме, когда часть трамплина проходит по естественному грунту, а
другая 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
Олимпийских прыжков (L < 90 м) и
трамплины для лыжных
прыжков с длиной «полета» до 120 м.
Трамплины для прыжков на
лыжах состоят из следующих
составных частей (рис. 14.2);
в стартовой площадки 1
длиной 4...6 м;
* разгонной зоны 2,
состоящей из участка Ех (с углом
наклона а = 20°...40° и радиусом R\
=70...90 м), на котором идет
набор скорости лыжником; участка
Е2 с длиной, равной 0,15...0,2v м
(у — скорость движения
лыжника в конце участка Ех), и уступа 3
с длиной ~0,2v м для отрыва от
лыжной дорожки и дальнейшего
полета;
• горы приземления на
участке от уступа до критической
точки Р (с утлом наклона каса-
251
W fit 7/7
Рис. 14.1. Виды лыжных трамплинов:
/ — естественный грунт; 2 — насыпной грунт;
3 — искусственное сооружение; 4 — вспомогательное
сооружение

Рис. 14.2» Профиль лыжного трамплина:
J — стартовая площадка; 2 — участок разгона; 3 — уступ трамплина; 4 — участок прыжка (полета);
5 — кривая торможения
тельной в критической точке у = 35°...42° и радиусом R2 =100...200 м) ,
предназначенной для полета над ней и дальнейшего приземления;
* площадки торможения, выполняемой по вогнутой кривой с
радиусом R3 =90...110 м, предназначенной для торможения и остановки.
Остальные обозначения на рис. 14.2 следующие: Е} — верхняя часть
длины разгонного участка по развертке, на которой увеличивается
скорость; 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
проекция разгонного участка; hp — высота разгонного участка; hy — высота
уступа; H~(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;
у — угол наклона кривой приземления в критической точке Р\ Rb R2,
R3 — соответственно радиусы кривых разгонного участка, участка
прыжка и участка торможения.
Рекомендуемое отношение проекций длины прыжка /А на
вертикальную и горизонтальную плоскости Hf/Nh - 0,5...0,58.
Ширину лыжной дорожки в зоне разгона принимают в пределах
2,5..Л м, а в зоне горы приземления увеличивают до (/Л/7+4) м.
Выбор генеральных размеров трамплина производят по указаниям
норм Международной лыжной федерации (ФИС) [17]. Необходимые
данные 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
разгона v,
м/с
20
21
22
23
24
25
26
27
29
30
Угол наклона участка разгона а, град
20
Ег
104
118
136
159
200
-
-
-
-
-
27
31
35
39
44
-
-
-
-
-
25
Ех
71
80
91
104
120
139
160
195
-
-
и
30
33
37
42
46
52
57
-
-
30
Ег
55
62
71
80
89
99
111
124
150
163
Ар
26
29
33
37
41
45
50
55
67
74
35
Ех
45
52
58
65
72
80
90
100
120
130
К
26
29
32
36
40
44
49
54
65
71
40
Ег
39
44
40
54
60
67
74
81
95
103
hp
26
29
32
36
40
44
48
53
64
70
Таблица 14.2. Нормы ФИС для определения длины прыжков
Угол в
критической точке Л град
35-36
37-38
39-40
41-42
Длина прыжков, м, ори Hk/Nf» равном
0,58
61
(48)
87
(74)
113
(100)
127
(ИЗ)
0,56
59
(47)
84
(72)
109
(97)
122
(109)
0,54
57
(45)
81
(69)
105
(93)
118
(105)
0,52
55
(44)
78
(67)
101
(90)
114
(101)
0,50
53
(42)
75
(64)
97
(86)
ПО
(97)
v, м/с
20-22
23-25
26-28
29-30
10
16
19
24
Примечание: В скобках приведены данные для тренировочных трамплинов.
Пример назначения размеров трамплина. На основании продольного профиля
будущего трамплина для квалификационных прыжков назначьте: отношение Я/, / Nh (например
Hh /Nh = 0, 56); угол наклона в критической точке Р (у = 38°); угол наклона участка разгона
(а = 30°). Далее по табл. 14.2 определите длину прыжка 4=84 м и скорость разгона
v = 23-25 м/с, которую можно достичь при благоприятных условиях. По табл. 14.1 найдите
по известной скорости разгона v = 23...25 м/с (vcp~ 24 м/с) и углу наклона а = 30° длину
разгонного участка Е\ = 89 м и высоту этого участка hp = 41 м. По табл. 14.2 одновременно
найдите длину участка Ег = 16 м. Тогда общая длина зоны разгона составит Е~Е\ + Ei~
= 84+16=100 м. Ширину лыжной дорожки А* в зоне разгона примите равной К = 4 м, а в зоне
прыжка К= (84/7 + 4) = 16 м.
Покрытием лыжной дорожки трамплина, чаще всего, служит
искусственный материал игелит, позволяющий осуществлять прыжки в разное
время года. Искусственное покрытие укладывают по деревянному
настилу разгонной зоны трамплина. Лыжную дорожку разгонной зоны по
ширине ограничивают направляющими (бордюром) из деревянных брусьев.
253

По обеим сторонам либо с одной стороны лыжной дорожки устраивают
лестницы шириной 0,9.. Л ,2 м3 которые с внешней стороны ограждают
перилами высотой 0,9 м. Лестницы устраивают на консольной части
прогонов либо в пределах ширины пролетного строения.
У большинства современных трамплинов для горы приземления и
иногда для площадки торможения используют естественный грунт,
корректируемый для получения нужного профиля насыпными грунтами, а
для стартовой площадки и зоны разгона — искусственные сооружения.
14.2. Компоновочные и конструктивные решения
трамплинов
Для пролетных строений трамплинов можно применять следующие
статические схемы:
• балочную (безраспорную) схему при длине зоны разгона до 70... 80
м (рис. 14.3, 14.8);
• рамнуюсхемупридлинезоныразгона60...120м(рис. 14.4);
• консольную схему при длине зоны разгона до 30...40 м (рис. 14.5);
• комбинированную схему (обычно гибкая арка с балкой жесткости)
при длине разгонной зоны свыше 120 м (рис. 14.6);
• комбинированную висячую схему при длине разгонной зоны
свыше 150 м (рис. 14.7).
Рекомендуемые области применения различных статических схем
определяют из условий снижения металлоемкости, удобства монтажа и
архитектурных соображений.
Балочные схемы пролетных строений. Балочные пролетные
строения (рис, 14.3) выполняют, как правило, двух- и трехпролетными с
консольным участком для стартовой площадки и с пролетами /,. до 40 м с тем,
чтобы избежать применения ферм тяжелого типа.
В констрз^ктивком отношении балочное пролетное строение
представляет собой жесткий пространственный блок обычно из двух
неразрезных ферм легкого типа, объединенных системой горизонтальных
связей по верхним, нижним поясам ферм и вертикальными связями. При
длине разгонной зоны до 50 м возможно применение однопролетной
схемы с консольной частью нижнего участка фермы, уменьшающей
пролетный момент и позволяющей при этом применить фермы легкого типа.
Очертание верхних поясов ферм повторяет профиль разгонной зоны
трамплина, очертание нижних поясов принимают по прямой линии либо
для пояса принимают криволинейное очертание, исходя из
архитектурных соображений и руководствуясь требованием снижения расхода ста-
254

2-2
*»L—^
-ч
^^0"\\\\ wvjj
N
Рис. 143. Балочный двухпролетный трамплин:
I — двухпролетные фермы легкого типа; 2 — концевая опора; 3 — связи пролетного строения; 4 —
прогоны; 5 — перила ограждения; 6 — лифтовая шахта; 7 — деревянный настил по прогонам
ли. Решетку ферм чаще всего принимают треугольной с
дополнительными стойками и шпренгельными элементами к верхним поясам ферм для
уменьшения шага прогонов, однако возможно применение и других
типов 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..Л/8) пролета фермы.
Элементы ферм пролетного строения чаще всего выполняют
таврового сечения из прокатных тавров или из двух спаренных уголков. Можно
применять двутавровые сечения из двух швеллеров, прокатных
двутавров, а также замкнутые сечения из труб. Элементы решетки обычно
имеют крестовое сечения из двух уголков. Предпочтительно все же
применять замкнутые сечения, обладающие более высокими
эксплуатационными качествами. Соединения элементов ферм принимают, как правило,
сварные. Конструкции узлов ферм пролетного сечения решаются
аналогично узлам сварных легких ферм [1].
Горизонтальные связи по верхним поясам ферм выполняют
одновременно 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
проектируют 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..Л5 м.
Прогоны обычно проектируют двутаврового сечения. Статическая
схема прогонов, как указано выше, определяется расположением
лестниц.
Фермы пролетного строения опираются в нижней части разгонной
зоны непосредственно на бетонные фундаменты, являющимися анкерными
неподвижными опорами ферм и воспринимающими скатную
составляющую нагрузки от пролетного строения. Прочими опорами ферм являются
либо плоские («качающиеся») стойки, что является статически
подвижной опорой, либо пространственные (жесткие) опоры и тогда опорные
узлы ферм конструируют подвижными. Компенсация температурных
деформаций ферм пролетных строений производится за счет установки
«качающихся» опор либо защемленных в фундаментах опор с достаточно
большой гибкостью (рис. 14.3).
Подвижные «качающиеся опоры » пролетных строений можно
выполнять в виде плоских двухветвевых опор в том случае, если
предусмотрена отдельно стоящая лифтовая шахта (рис. 14.3), либо в виде
пространственной 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; для.
ветвей используют прокатные или сварные двутавры; элементы решетки
выполняют из прокатных уголков или замкнутого сечения; узловые
соединения — сварные.
Пространственные опоры проектируют обычно сквозными. Они
состоят из двух пространственных стоек, соединенных по высоте
горизонтальными пространственными ригелями. Стойки пространственной
опоры выполняют сквозными четырехветвевыми или трехветвевыми с
соответствующим количеством плоскостей связевой решетки. Стойки опоры
по высоте раскрепляют распорками (диафрагмами).
Конструкций пролетного строения и прогоны рассчитывают: на
постоянные нагрузки от искусственного покрытия (g = 80...100 Н/м2,
7^= 1,2); деревянного настила (g=300...400 Н/м2, jf- 1,2); на временные
256

Рис. 14.4. Консольно-рамный трамплин:
/ — двухпролетные сквозные рамы с консольным участком ригеля; 2 — сквозная пространственная
рамная опора, совмещенная с лифтовой шахтой; 3 — промежуточная пространственная опора; 4 —
прогоны; 5 — перила ограждения; 6 — деревянный настил по прогонам
(ремонтные) нагрузки (р = 2 кН/м2, yf = 1,2); на полезные нагрузки от
толпы людей на лестницы и стартовую площадку, а также на
кратковременные снеговые и ветровые нагрузки. При расчете трамплина обязательна
проверка на опрокидывание от действия ветра.
Статический расчет конструкций балочного пролетного строения и
опор производят по указаниям [3] и рекомендациям [1].
Рамные, рамно-консольные и консольные системы. Рамные
системы целесообразно применять при длине разгонного участка Ех более
60,..70 м. Для уменьшения пролетных моментов можно, например,
концевой участок пролетного строения на участке £2 выполнять консольным
(рис. 14.4). При большой высоте трамплина Н > 30...40 м желательно
пролетное строение на участке Ех выполнять двухпролетным с шарнирным
опиранием концевого пролета со стороны стартовой площадки на
крайнюю опору, чтобы не передавать дополнительный изгибающий момент
на эту опору.
При небольшой длине разгонного участка £, < 30...40 м пролетное
строение можно выполнять консольным (рис. 14.5).
Независимо от принятой схемы трамплина в конструктивном
отношении пролетное строение представляет собой жесткий блок из двух
ригелей (как правило, ферм легкого типа), объединенных системой гори-
9-447 257

N
Рис. 14.5. Консольный трамплин:
/ — консольные фермы; 2 — связи пролетного строения; 3 — прогоны; 4 — деревянный настал по
прогонам; 5 — перила ограждения
зонтальных и вертикальных связей, аналогично конструктивным
решениям для балочных схем. Высоту сквозных ригелей в пролете для рамной
системы принимают в пределах (1 /15..Л / 20) 1Ь где 1{ — 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
применения 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
виду, что на фундаменты опор с жестким сопряжением с ригелем
передается распор и, следовательно, это обстоятельство должно учитываться при
конструировании опорных узлов. Поперечный размер опор Ъ
определяется шириной пролетных строений и требованиями устойчивости
сооружения на опрокидывание.
Типы сечений элементов ригелей и связей, узловые сопряжения
элементов принципиально не отличаются от принимаемых для балочных
систем и могут выполняться по рекомендациям [1].
Расчет конструкций производят на нагрузки и воздействия,
описанные выше для балочных систем. Особенностью расчета рамных
трамплинов является необходимость учитывать усилия от температурных воздей-
258

ствий 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 ш висячие системы. В тех случаях, когда общая
длина разгонной зоны трамплина Е более 100... 120 м, целесообразно
использовать комбинированную систему, состоящую, например, из балки
жесткости, установленной по верху гибкой арки (рис. 14.6).
Достоинством такой системы является, в частности, меньший расход стали по
сравнению с балочными и рамными системами, а также архитектурная
выразительность конструкции. Недостатком системы является значительный
распор, который необходимо воспринять фундаментами, ее
чувствительность к температурным воздействиям и сложность изготовления и
монтажа конструкций.
Балку жесткости располагают чаще сверху гибкой арки (возможно
также решение с расположением балки жесткости в пределах высоты
арки). Ее обычно выполняют сшюшностенчатой двутаврового сечения,
реже в виде фермы легкого типа. Высоту сечения балки жесткости
принимают в пределах (1/40... 1/60) lf (/,- — пролет арки) из условия обеспечения
требуемого прогиба/ Относительный прогиб балки жесткости можно
определить по формуле:
/// = [5(гя+Л)/|3]/[б150£7] = [///1,
гДе (gn+Pn) — нормативные значения постоянной и временной нагрузок;
EI—жесткость балки; [f/f]—допускаемый прогиб по [4].
По балкам жесткости укладывают прогоны, деревянный настил
лыжной дорожки, в пределах высоты сечения балки жесткости располагают
ветровую ферму.
Гибкую арку проектируют параболического, реже кругового
очертания сплошностенчатого сечения высотой (1/100... 1/120) /,.
Надарочные стойки к балке жесткости работают на центральное
сжатие. Шаг стоек по длине арки определяют из технико-экономических
соображений и принимают в пределах 6...9 м. Высоту сечения стоек
назначают в пределах (1/15..Л/20) /с, где 1С — длина стойки.
Особенностью статического расчета комбинированной системы
является необходимость учета геометрической нелинейности
деформирования системы. Особенностью расчета балок жесткости является
необходимость учитывать в них дополнительные усилия от ветровой нагрузки,
259

1-1
Вариант I
\
1-1
Вариант 2
yf=T^
2-2
Вариант 1
2-2
Вариант 2
1Ы
1—i
11
Я
Рис. 14.6. Трамплин с комбинированной системой лролетного строения:
/ — балка жесткости; 2 — гибкая арка пролетного строения разгонной зоны; 3 — гибкая полуарка
участка прыжка; 4 — надарочные стойки; 5 — оттяжка (ванты); б — ветровые связи пролетного строения;
7— прогоны; 8 — пилон ( рамная плоская опора); 9 — лифтовая шахта; 10 — пилон (рамная
пространственная опора, совмещенная с лифтовой шахтой); // — деревянный настил лыжной дорожки
260

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
рекомендациям [1] на нагрузки, описанные выше в разделе балочных систем.
Конструктивным альтернативным решением при длине разгонной
зоны Е более 100 м является комбинированная система с использованием
растянутых «нитей» и балок жесткости (рис. 14.7), которую для
краткости будем называть далее висячей системой. Достоинством такой
системы является возможность использования для основных несущих
конструкций растянутых элементов (тросов, канатов), удобство
транспортировки и монтажа этих элементов, низкая металлоемкость конструкций и
архитектурная выразительность системы. Недостатком висячей системы
являются наличие большой выдергивающей силы, что требует
устройства мощных фундаментов, повышенная деформативность при подвижных
нагрузках.
Висячая система состоит из двух опор (опоры — пилона в начале
разгона и анкерной опоры в плоскости уступа), несущих тросов,
стабилизирующего троса, балки жесткости и стоек к балке жесткости. Для
обеспечения требуемой жесткости такой системы несущие и стабилизирующий
тросы предварительно напрягают. Эти тросы со стороны высокой опоры
закрепляют в отдельном фундаменте. С противоположной стороны
стабилизирующий трос крепят ко второму фундаменту в месте
расположения уступа трамплина, а несущие тросы крепят к балкам жесткости горы
приземления.
Балки жесткости, как правило, выполняют по неразрезной
многопролетной схеме, сплошностенчатыми двутаврового сечения с высотой
сечения 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
горизонтальные связи — ветровые фермы с крестовой решеткой.
Особенностью статического расчета висячей системы является
необходимость учета геометрической нелинейности работы от действия
подвижной нагрузки. Статический расчет пролетного строения висячей
комбинированной 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.
Конструктивный расчет балки жесткости производят по указаниям норм [3] и
рекомендациям [1]. Особенностью расчета балок жесткости является необхо-
261

и
4-4
■fib
\
\
7\/
Ф1
\
Рис. 14.7. Трамплин с висячей системой пролетного строения:
I — 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 стойки; 8 — пространственная опора, совмещенная с лифтовой шахтой;
9 — опора в конце разгонной зоны; 10 — ветровые связи пролетного строения; // — прогоны
димость учитывать в них дополнительные усилия от ветровой нагрузки,
как в поясах ветровой фермы.
Неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения
балок жесткости в комбинированных висячих системах делают последние
весьма чувствительными к действию ветра и в связи с этим важной
задачей является обеспечение аэродинамической устойчивости. Даже при
равномерном обтекании потоком воздуха пролетного строения могут
возникнуть вынужденные колебания. Проверку аэродинамической
устойчивости пролетного строения проводят путем проверки условия
vcr > v , где vcr — скорость ветра, при которой в данном пролетном
строении возникают аэроупругие явления (см. гл. 6), v — расчетная скорость
262

ветра (максимально возможная в
данном районе строительства),
принимаемая по указаниям норм
[4]. Минимальное превышение
скоростей принимается vcr I v =
=1,5. Более подробно проверка
аэродинамической
устойчивости изложена в гл. 18,
Усилия предварительного
напряжения несущих и
стабилизирующего тросов назначаются
по рекомендациям §8.5 [2].
Особенностью расчета
пилона является необходимость
учета дополнительного усилия от
предварительного напряжения
ТрОСОВ И Проверка УСТОЙЧИВОСТИ Рис 14 g Лыжный двухПролетный балочный
ЭТОЙ ОПОры на ОПроКИДЫВание В трамплин для 70-метровых прыжков в г.
результате действия ветровой Томске
нагрузки на пилон и пролетное
строение.
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы стальных конструкций/ В.В.
Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. — М.: «Высшая школа»,
1997.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий/ В.В. Горев, Б.Ю.
Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. — М.: «Высшая школа», 1999.
3. СНиП П-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. — М.: Стройиз-
дат, 1991.
4. СНмО 2.01.07-85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия. — М.: Стройиз-
дат, 1985.
5. Солодарь М. Б., Кузнецова М. В., Плншкнн Ю. С. Металлические конструкции
вытяжных башен. — Л.: Стройиздат (Ленинградское отд.), 1975.
6. Справочник проектировщика. Металлические конструкции промышленных
зданий и сооружений/ Под ред. Н. П. Мельникова. — М.: Стройиздат, 1962.
7. Справочник проектировщика. Металлические конструкции/ Под ред. Н. П. Мель-
никова. — М.: Стройиздат, 1980.
8. Справочная 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.:
Стройиздат, 1971.
263

10. Зеличенко А.С., Смирнов Б.И. Проектирование механической части воздушных
линий сверхвысокого напряжения.—М: Энергоиздат, 198L
И. Кесельман Л.М. Основы механики воздушных линий электропередачи. — М.:
Энергоатомиздат, 1992.
12. Крюков КМ., Курносое А.И., Новгородцев Б.П. Конструкции и расчет
металлических и железобетонных опор линий электропередачи.—Л.: Энергия, 1981.
13. Правила устройства электроустановок. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
14. Дадиомов М.С. Прожекторное освещение. — М: Энергия, 1978.
15. Сысоев К.А. Основы геодезии. — М: Колос, 1965.
16. Буровые сооружения и подъемно-транспортное оборудование. Каталог. — М.:
ЦИНТИхимнефтемаш, 1978.
17. Спортивные сооружения. Проектирование и строительство/ Под ред. Р. Виршил-
ло. — Варшава: Изд-во «Аркады», 1968.
18. Гидравлика, водоснабжение и канализация:/ И.В. Прозоров, Г.И. Николадзе,
А.В. Минаев и др. — М.: «Высшая школа», 1990.
19. Листовые металлические конструкции. / Е.Н. Лессиг, А.Ф. Лилеев , А.Г.
Соколов.— М: Стройиздат, 1970.
20. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения
проектирования/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.:
Судостроение, 1986.
24. Симаков Г.В., Шхкнек К.Н., Смелое В.А. Морские гидротехнические
сооружения континентального шельфа.—Л.: Судостроение, 1989.
25. Скрьшник С.Г. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин на море. — М.:
Недра, 1989.
26. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции / Под ред. В.Я.Гиршфельда. — М.:
Энергоатомиздат, 1987.
27. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02.-84 «Водоснабжение.
Наружные 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.:
Стройиздат, 1978.
30. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. Т 1 /Под ред. А.А. Уман-
ского, — М.: Стройиздат, 1972.

РАЗДЕЛ ill
ДРУГИЕ ВИДЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Глава 15
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
15.1. Приемы предварительного напряжения
Металлические предварительно напряженные конструкции — это
такие конструкции, в которых искусственным путем в период изготовления
или монтажа создаются начальные напряжения или усилия, обычно
обратного знака по отношению к усилиям от внешней нагрузки.
Предварительное напряжение применяют для снижения расхода
металла и стоимости конструкции. За счет предварительного напряжения
может быть достигнуто повышение устойчивости конструкции или ее
элементов, либо жесткость системы. Предварительное напряжение
применяют 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 изгибающих моментов в
неразрезных конструкциях (балках, фермах).
Наиболее просто это можно продемонстрировать на примере двух-
пролетной неразрезной балки, нагруженной равномерно
распределенной нагрузкой. Поставим задачу: выровнять опорный и пролетные
изгибающие моменты в балке, не допуская развития пластических
деформаций, 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
собственного веса, либо некоторой начальной нагрузки, либо после подтяж-
265

м,
■м.
Рис. 15.1. Регулирование расчетной
эпюры изгибающих моментов
уровня опор
ки, например болтами к средней
опоре, расположенной ниже
крайних опор на величину расчетного
зазора, в итоге будет иметь на
опоре уменьшенный изгибающий
момент. Закрытие зазора на средней
опоре равносильно воздействию
начальной сосредоточенной силы,
вызывающей равную зазору
деформацию балки. Таким образом,
выравнивание опорного и
пролетных моментов достигается без
выхода в упругопластическую
стадию, т.е. без опасности лавинного нарастания деформаций при
образовании шарниров пластичности.
Иногда требуется перераспределить изгибающие моменты в
многопролетной балке. Так, в мостах высоту балки на опоре желательно делать
больше, чем в пролете, что позволит понизить верхнюю отметку
проезжей части моста и сократить затраты на устройство подъездов при
одновременном увеличении подмостового габарита для обеспечения
судоходного пространства во время паводка. В таких балках переменного
сечения (с криволинейным очертанием) опорные моменты должны быть
больше пролетных, что достигается путем регулирования уровня опор.
Для усиления положительного эффекта в мостах часто одновременно
используют другие приемы предварительного напряжения, например
затяжками 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
конструкциях был предложен В.М. Вахуркиным и назван автором системой
«балка — тяж». Балку на двух опорах подтягивают в середине пролета с
помощью гибкого тяжа к тяжелому фундаменту или любому иному анкерую-
щему устройству с получением начального изгиба в том же направлении,
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
систему с таким расчетом, чтобы тяж оставался растянутым и в условиях
эксплуатации. Тогда тяж будет работать аналогично дополнительной
упругой стойке от временной нагрузки, создаст неразрезность системы. При
266

а)
б)
\
м
м
Рис. 15.2. Схемы «балка — тяж»
подвижной полезной нагрузке появляется возможность существенно
улучшить диапазон изменения напряжений в балке и тем самым
повысить 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
моментов от поперечной внешней нагрузки (рис. 15.2, б). Тяжи и в этом
случае следует натянуть с таким расчетом, чтобы они оставались
растянутыми после приложения поперечной нагрузки. Тогда они выполнят роль
дополнительных 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
проектах реконструкции при соответствующем расчетном обосновании.
Изменение внутренней эпюры напряжений. Большое внимание
привлекали, особенно в начале 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
изгибу от проектной внешней нагрузки, и только после этого сваривают
между собой (рис. 15.3, а). После того как обе части балки освободятся от
предварительного выгиба, будучи уже объединенными в единый
стержень, в сечении появятся нормальные напряжения, вызванные силами
упругого сопротивления (рис. 15.3, б). Вместе с напряжениями от
начального выгиба они дают результат по напряжениям , показанный на эпюре
3. Затем балку нагружают поперечной нагрузкой и в ее сечении
(например, наиболее нагруженном) развиваются нормальные напряжения,
изображенные на эпюре 4. Складываясь с напряжениями предыдущих
стадий, эти напряжения приводят к образованию результирующей эпюры
напряжений 5. Можно так подобрать параметры балки и уровень
начальных напряжений в ее составных частях, что конечная эпюра напряжений
будет близка к прямоугольной, т. е. результат по степени использования
267

Рис. 15.3. Изменение элюры нормальных напряжений предварительным изгибом двух
ее половин до соединения сваркой:
а — предварт'ельный выгиб; 6 — нагружение балки полезной нагрузкой; 1...5 — эпюры напряжений
материала в сечении балки будет практически тот же, что и при
использовании 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,
пешеходных мостов и т.п.
Предварительное напряжение стальных гибких стержней.
Крестовую 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
воздействиям будут сопротивляться все элементы, поэтому деформативность
системы уменьшится.
Регулирование усилий в процессе сборки сооружения путем
изменения расчетной схемы. Главная особенность такого регулирования
состоит в использовании различных типов соединений (введение шарнира
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
промышленного цеха. В процессе проектирования была допущена ошибка и
оказалось, что крайние панели нижнего пояса ригелей не отвечают требо-
268

элементы,
устанавливаемые после
приложения всей
постоянной нагрузки
Рис. 15.4. Двужпролетная рама с изменяющейся расчетной схемой
ванию устойчивости при полной нагрузке на покрытии. Тогда было
принято решение устанавливать стержни этих панелей пояса лишь после
монтажа 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,
примыкающими к средней стойке рамы, а на снеговую нагрузку, которая в данном
случае бьша 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
деформирования балок за счет укладки пригруза на консоли, установки
дополнительных элементов, соединяющих концы консолей с основанием устоев
моста 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
упругих свойств конструкции для создания взаимного предварительного
напряжения частей и, как правило, без применения специальных
механизмов, домкратов и т.п.
Создание предварительного напряжения затяжками из
высокопрочных материалов. Одним из наиболее перспективных способов
предварительного напряжения металлических конструкций следует
признать напряжение с помощью высокопрочных затяжек, вант
(напрягающих элементов). Принципиальные черты этого способа удобно рассмот-
269

а)
г)
Рис. 15.5. Схема предварительно напряженного моста рамно- балочной системы:
а...в — стадии возведения моста с установкой пригруза (6) и подкосов (в); г — предварительно
напряженная рама моста в эксплуатации
а
Р Г
1
/i
I
2
1 *
A,
•A
Рис. 15.6. Работа предварительно сжатого стержня на растяжение:
а — стержень; б — диаграмма напряжений; в — диаграмма деформаций; / — жесткая часть стержня
(обойма); 2 — напрягающий элемент
реть на прямом стержне постоянного сечения, работающем на осевое
растяжение (рис. 15.6). Жесткую часть (обойму) стержня выполняют из
трубы, двух швеллеров, двух (четырех) уголков и т.п. и подвергают
предварительному сжатию натянутой на нее высокопрочной затяжкой
(арматурой), расположенной по центру тяжести сечения (рис. 15.6, а). Затяжку
выполняют из стального каната, пучка высокопрочной проволоки или
арматурного стержня. Система однажды статически неопределима.
Начальное сжимающее напряжение а01 в жесткой части уравновешивается
растягивающим напряжением а02 в затяжке.
При приложении внешней нагрузки 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
сечения обоймы и затяжки и величину начальной силы натяжения
выбирают так, чтобы полностью использовать возможности материалов по
несущей способности. В предварительно сжатом стержне удлинение от
нагрузки не зависит от расчетного сопротивления затяжки и не может быть
больше, чем удвоенное удлинение стержня из обычной
малоуглеродистой стали, так как о01 не может быть большеi?j. Материал затяжки
именно поэтому используется эффективно. Это относится к любым
конструкциям, напрягаемым с помощью высокопрочных затяжек (балки, фермы,
арки, рамы, структурные плиты, блоки и т.п.). Кроме того, введение в
работу затяжек изменяет расчетную схему конструюдии, повышая степень
ее статической неопределимости, что при обоснованном назначении
размеров сечений элементов, как правило, повышает эффективность
конструкции не только по материалоемкости, но и по надежности.
Многоступенчатое предварительное напряжение. В
рассмотренном выше примере предварительно сжатого стержня обсуждается
однократное натяжение затяжки. Если внешнюю нагрузку прикладывать
частями и чередовать ее со ступенчатым натяжением затяжки, то можно
повысить эффект от предварительного напряжения (рис. 15.7). После
начального предварительного
натяжения а01 , близкого по а)
величине к расчетному
сопротивлению материала,
прикладывают нагрузку,
Р[у погашающую
предварительное напряжение. После
дополнительного
предварительного напряжения а02
вновь прикладывают часть
нагрузки Р2п. Циклы смены
нагрузки и
предварительного напряжения могут быть
повторены несколько раз, за
счет чего грузоподъемность
конструкции повышается в
несколько раз. _ ,__ ПЛ
г Рис. 15.7. Многоступенчатое предварительное на-
Однако следует ПОМ- пряжение конструкций:
НИТЬ, ЧТО ЧаСТЯМИ МОЖНО а — схема фермы; б — диаграмма изменения напряжений по
ПрИКЛаДЫВаТЬ ЛИШЬ ПОСТО- стадиям работы
271
б)
■V
р 1
1
^ 1 ?
* I

янную нагрузку. Временной может быть лишь нагрузка последнего
цикла. Нельзя забывать, что снятие нескольких циклов нагрузки может
привести к перегрузке конструкции от воздействия суммарного усилия
предварительного напряжения, не имеющего компенсации от снятой части
нагрузки. Таким образом, только в конструкциях со значительной
постоянной 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
применять 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
жесткой части (обоймы) применяют трубы, составные сечения из 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).
а)
б)
щ
"л
г)
И
||
ш
Т1
||[Лучше
Г
т
—
L
т
—
м)
Рис. 15.8. Типы сечений предварительно сжатых стержней с затяжками:
1 — круг устойчивоста; 2 — эксцентриситет; 3 — затяжка с направляющей шайбой; а—р — типы сечений
272

Затяжку чаще всего проектируют на всю длину стержня. Для
обеспечения жесткости стержня на продольный изгиб применяют
направляющие шайбы, муфты или диафрагмы, создающие поперечную связь между
обоймой и затяжкой, но не препятствующие продольным перемещениям
затяжки. Расстояние между ними приблизительно равно свободной
длине стержня при расчете на продольный изгиб и из экономических
соображений выбирается таким, чтобы гибкость стержня не превышала 40...50.
В стержнях с трубчатой обоймой удобнее использовать направляющие
шайбы, заклиненные ка 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
невитых стальных канатов заводского изготовления (см.п.8.1.3 [2]).
Механические характеристики материалов для затяжек приведены в
приложении 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
менее 30 мин, либо на специальных стендах, либо на самой конструкции,
если это обосновано расчетом. Эту операцию, как правило, выполняют в
готовых 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
располагают прямолинейно с плотным заполнением круглого сечения или по
периметру окружности с образованием трубчатого сечения. При
трубчатом сечении число проволок в пучке обычно кратно шести (12, 18, 24, 36
шт.) в зависимости от расчетного усилия в затяжке и конструкции
тянущего 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 [2]), как
правило, с нарезкой на наружной поверхности для навинчивания
захватных приспособлений тянущего домкрата. Концевые крепления затяжек
из пучков с числом проволок не более 36 и диаметром проволок 4...8 мм
оформляют в виде анкера типа «колодка с пробкой» (см. рис. 8.13, б [2]).
Применяют также и другие анкеры: гильзоклиновые, гильзостержневые,
стаканные с забивкой клиньев и др. (см. п. 8.1.3 [2]).
Мощные затяжки значительной длины выполнимы в виде
бесконечной петли. Петлю удобно закрепить на специальных упорах, один из ко-
273

Рис. 15.9. Петлевидная затяжка с
подвижным упором:
торьгх подвижен (рис. 15.9).
Подвижный упор перемещают с
помощью толкающего домкрата,
натягивая затяжку до заданной
величины усилия, после чего
упор закрепляют на конструкции
с помощью сварки, болтов или
заклепок.
Работа и расчет
предварительно сжатых стержней,
работающих на растяжение.
Рассмотрим комбинированный
стержень, состоящий из жесткой
части и затяжки, расчетная схема
а — общий вид; б — схема натяжения затяжки;
1 — неподвижный упор; 2 — затяжка; 3 — упор для КОТОРОГО Приведена На рИС. 15.6.
домкрата; -/ — домкрат; 5 —подвижный упор ПреДПОЛОЖИМ, ЧТО Наиболее ВЫ-
годное распределение материала
достигается при полном использовании несущей способности обеих
частей стержня в состоянии наибольшего напряжения каждой из них и при
условии полного использования прочности материала обеих частей в
стадии эксплуатации.
Введем следующие обозначения:
N, NQ — усилия в стержне от внешней нагрузки (растяжение) и усилие
предварительного сжатия; ДАТ— приращение усилия в арматуре (от
действия усилия N); урс — коэффициент условий работы жесткой части при
предварительном сжатии натяжением затяжки в упор на торец стержня;
£/ — коэффициент потерь в затяжке (обычно компенсируется
повышением усилия натяжения затяжки); ф — коэффициент продольного изгиба
обоймы (зависит от расстановки диафрагм, направляющих втулок и др.
связей); АЬА2, Еь Еъ RUR2 — соответственно площади сечения, модули
упругости и расчетные сопротивления обоймы 1 и арматуры 2; р = Ех I Е2>
> 1; ка = R2 IR\ >l — безразмерные соотношения модулей упругости и
расчетных сопротивлений материалов; у1 > 1, у2 < 1 — коэффициенты
надежности контроля величины усилия предварительного сжатия.
Запишем условие устойчивости обоймы при предварительном
напряжении:
или
274
(15.1)
b где ур =

Условия прочности обоймы и арматуры в конечной стадии:
<R2A2.
Условие совместности деформаций при воздействии силы //на
комбинированный стержень (закон Гука): k(ANl/ (Е2А2) = (N -k{AN)l/ (Е]А]),
или, с учетом значения Р, kfAN = NA2 / фА] +Л2).
Вставляя далее значения jV0 из (15.1) и к{АМв неравенства (15.2),
после их совместного решения получим:
где Ао можно рассматривать как потребную приведенную площадь
комбинированного стержня с учетом различной продольной жесткости
материала обоймы и затяжки.
Учитывая обозначение ка, после простых подстановок имеем:
(15.4)
где Цо — оптимальный процент армирования стержня, имеющего
приведенную площадь поперечного сечения Ао и расчетные характеристики
свойств материала, принятые выше (см. обозначения).
Площадь поперечного сечения обоймы равна:
Рассмотрим несколько подробнее, какие значения могут принимать в
реальных расчетах коэффициенты урс, fcz, ср , у} , у2, Р ,ка . Это не только
позволит оценить эффективность предварительного напряжения
стержней, но будет полезно и для практического использования в расчете таких
стержней.
Коэффициент урс учитывает особенности работы жесткой части
стержня во время натяжения затяжки (главным образом, наличие люфтов
в местах контакта соединительных элементов обоймы с затяжкой,
увеличивающих реальную расчетную длину стержня по сравнению с
предполагаемой и равной расстоянию между связями). Этот коэффициент может
быть принят равным урс = 0,9.
Коэффициент ф может быть задан самим конструктором, который
определяется расстоянием между диафрагмами, направляющими кольцами
или трубками. Обычно это расстояние выбирают с таким расчетом, чтобы
гибкость стержня была равна 40...50, что дает значения коэффициента ф =
-0,9 ...0,85.

Коэффициенты надежности контроля усилия предварительного
сжатия принимают равными единице при прямом контроле величины усилия
по манометру гидравлической установки (домкрата). При косвенном
контроле усилия (по удлинениям элементов, колебаниям затяжки и т.п.)
вводят коэффициенты уt, равный 1,1 и у2, равный 0,9, в зависимости от того,
какой эффект оказывает усилие предварительного сжатия (увеличивает
или уменьшает величршу расчетного усилия в элементе).
Коэффициент к} отражает потери предварительного натяжения в
затяжке и связанное с этим снижение разгружающего эффекта для
расчетного усилия в обойме. Обычно эти потери стараются компенсировать
соответствующим повышением усилия натяжения, что должно быть
отражено в расчете. Потери натяжения объясняются деформациями анкерных
устройств и релаксацией напряжений в затяжке. Контролируемое усилие
рекомендуется задавать по формуле:
Хсоп=Х/0,95 + АаЛ2Е2/12, (15.6)
где Хсоп — усилие, контролируемое в процессе натяжения затяжки;
X—расчетная величина усилия начального натяжения; 0,95 —
коэффициент релаксации (только для канатов и пучков высокопрочной
проволоки); А2 , Е2 , h — площадь сечения, модуль упругости и длина затяжки;
Аа — податливость анкеров; при закреплении анкеров гайками или
клиновидными пробками Аа = 0,1 см; при использовании анкеров с
прокладками Аа = 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 ш балочные системы
15.3.1. Балки, предварительно напряженные с помощью затяжек
Предварительное напряжение балок с помощью высокопрочных
затяжек применяется наиболее часто, поскольку технология их изготовления
и методы контроля натяжения достаточно отработаны.
Конструктивные решения. Основная рщея создания
предварительного напряжения в балках с затяжками заключается в том, что создаются
дополнительные линии передачи усилий растяжения в зоне,
расположенной около растянутого пояса. Они играют роль дополнительных поясов
(прямолинейных, ломаных или криволинейных). Более просты в изготов-
276

а) б)
I
затяжка' .
в) г)
Рис. 15.10. Схемы размещения затяжек в однопролетаых балках
лении прямолинейные затяжки (рис. 15.10, а), устанавливаемые на
небольшом 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
креплений затяжки в пролете нежелательно, так как появляющиеся в зоне
анкерных устройств концентраторы напряжений понижают выносливость
балок. Наиболее близкое к эпюре изгибающих моментов повышение
несущей способности сечения при равномерной нагрузке на балку
достигается устройством криволинейных затяжек (рис. 15.10, в), но это требует
устройства направляющих на стенке балки. Возможно и применение
шпренгельных предварительно напряженных балок (рис. 15.10, г, ё),
однако во избежание потери устойчивости предварительно сжатого
нижнего пояса в этом случае требуются более развитые связи, объединение
балок попарно в блоки и т.п.
Сечения балок могут быть одностенчатыми (рис. 15.11, а~в), либо
двустенчатыми (рис. 15.11, г, д). Более выгодны сечения
несимметричные с меньшей площадью растянутого пояса, разгружаемого затяжкой. В
таких сечениях можно добиться наиболее полного использования
несущей способности материала из условия равенства краевых напряжений
поясов расчетному сопротивлению материала при действующей
расчетной нагрузке. Напряжение в затяжке при этом 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-
277

б)
г)
труба
Рис. 15.1L Сечения предварительно напряженных балок с затяжками
но располагают внутри сечения, а в одностенчатых балках с трубчатым
нижним поясом — внутри нижнего пояса.
Затяжки балок выполняют из канатов, пучков высокопрочной
проволоки, либо из стержневой арматуры. Предварительное напряжение
канатных и пучковых затяжек осуществляют чаще всего тянущими
домкратами, а стержневые затяжки удобно напрягать электротермическим
способом, 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
анкерных 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
концентрации усилий в зоне анкера.
Устойчивость нижнего пояса при предварительном напряжении
обеспечивается 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:
а — на опоре балки; б — в пролете
278

а)
б) 1-1
\НУ2
е)
V
Рис. 15.13. Схемы к расчету балки с затяжкой по нижнему поясу:
а — размещение затяжки; б — поперечное сечение балки; в — эпюра напряжений в сечении балки в
стадии эксплуатации
тельно пояса в продольном направлении, но препятствующих
выпучиванию пояса из плоскости балки. Расстояние между точками соединения
пояса с затяжкой можно задать согласно приближенной оценке
устойчивости пояса:
xR, (15.7)
где ф — коэффициент продольного изгиба пояса (как отдельного
стержня) 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; Wn A — момент
сопротивления и площадь сечения жесткой части балки.
Из формулы (15.7) легко найти максимально возможное усилие
начального натяжения затяжки, при котором устойчивость пояса
обеспечена,
N0=RyAW/(W + cA)yv (15.8)
Расчет балок. Положим для определенности, что затяжка балки
расположена в одном уровне с нижним поясом. Это упрощение можно
считать справедливым и для балок с затяжками, раположенными
непосредственно 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
нижний пояс балки
A-(y2N,+X,)h2 I W2 ~
(15.9)
(15.10)
279

нижний пояс балки в стадии предварительного напряжения
o^^y^JA+y^^/W^R; (15.11)
напряжение в затяжке при нагружении балки
o^iy^+X^/A^R.. (15.12)
Введем понятие «коэффициент напряжения» Р
Р = (У2#о+*|)/*о (15.13)
и перепишем равенства (1.9) — (1.11) в виде:
M/W + $No/A-$Noh2/Wl =R; (15.14)
МI W2 +РЛ^О / А -РЛУ^ / W2 = R; (15.15)
A+y.N^IW^R. (15.16)
При совместном решении уравнений (15.14) — (15.15) можно
получить формулы для подбора геометрических характеристик оптимального
сечения балки при заданных значениях расчетного изгибающего момента
и физических характеристик материалов Л, £ и Ra9 Ea,
ATk, (15.17)
и, соответственно, площадь сечения балки составит
А^ЩМ/RC)2 /к, (15.18)
где к принимает значения 80...120; С—коэффициент, зависящий от
асимметрии сечения балки Ао и параметра ц,
tx = (REa)/(ReE). (15.19)
Значения СиА0 принимают по табл. 15.1 в зависимости от значений
коэффициента ц, 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 ju 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 m-Aw/A =
= 0,55. Высоту стенки, примерно равную высоте балки, определяют по
формуле
h.~h = A .1tyv^i^Ak. (15.20)

Таблица 15.1. Оптимальные значения параметров Ао , С и длина затяжки для трех
случаев нагруження балки
Схема загружения балки
t ; f
ЦШ1ШШШ1 ШШИШШШШШШШ
f ' f
* U2
Ш
и
0,1
0,2
0,3
0,4
0,1
0,2
0,3
0,4
Y2 - 1
Ай
1,87
2,11
2,56
3,60
1,83
1,98
2,16
2,36
1,82
1.94
2,06
2,19
Yi - 1
С
0,348
0,369
0,399
0,446
0,344
0,357
0,371
0,384
0,342
0,353
0,363
0,373
Yi = 0,9
A*
1,58
1,75
1,99
2,40
1,69
1,80
1,95
2,12
1,72
1,88
2,07
2,27
Yi - 1,1
С
0,347
0,359
0,381
0,415
0,329
0,341
0,354
0,367
0,323
0,328
0,332
0,336
Длина
затяжки
/3 = /
Остальные геометрические параметры поперечного сечения балки (в
том числе и площадь полок Af-A- Aw) находят по формулам (1.21) с
использованием полученных ранее значений площади сечения балки А,
коэффициента асимметрии Ао , а также заданных значений коэффициентов
т и к
Ax =4
6(ЛО+i) ' * 6(^+1)
Площадь затяжки определяется условием
(15.21)
/Л. (15.22)
Решение уравнения (1.15) относительно $N0 дает формулу
^N0 = A(M-RW2)/(W2+Ahi). (15.23)
Из формулы (15.16) находят усилие предварительного напряжения
N0 = ARW2l{y,W2+y,Ah,). (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
статического расчета балки с одной лишней связью при использовании интеграла
Мора:
5, 3 EJ
X. =_JL = ±i* . (15.25)
«и Г М\ + /3 + /э
Значения интегралов могут быть найдены известным методом
«перемножения эпюр».
Несущую способность подобранного таким образом сечения
проверяют по формулам (15.9) — (15.12) с подстановкой истинного
расстояния от затяжки до центра тяжести сечения балки вместо h2.
Корректировка невязок ведется с помощью коэффициентов тик. Оптимальную длину
затяжки находят по формулам табл. 15.1 в зависимости от коэффициента
:"m(^°t1)2- (15-26)
с бло(Л+1)
В месте теоретического обрыва затяжки сечение проверяют по
формуле Ма I W2 < R, где Ма — момент в месте теоретического обрыва
затяжки.
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
последующей корректировкой. Это очень важно в данном, относительно
непростом, случае расчета предварительно напряженной статически
неопределимой системы. Даже при одной затяжке фактически здесь
неизвестных два, так как для полного определения сечения необходимо найти еще
и оптимальную силу предварительного натяжения затяжки.
В балках с анкерным закреплением затяжек в опорных узлах
требуется проверка прочности и местной устойчивости нижнего пояса и стенки у
опор при действии максимальной поперечной нагрузки, когда имеют
место максимальное сжимающее усилие затяжки и наибольшая опорная
реакция, а разгружающие напряжения от момента обратного знака в этой
зоне практически отсутствуют. Существенна для предварительно
напряженных 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
потребовать большего числа ребер, так как сжатой является и зона стенки около
анкеров.
Подбор сечений балок с затяжкой, расположенной ниже уровня
нижнего пояса, имеет свои особенности. При выборе параметров сечения
возможно использование метода последовательных приближений, однако
такой расчет может оказаться слишком трудоемким из-за сложности
удачного выбора начального сочетания параметров и, как следствие,
значительного числа повторных расчетов. Методика подбора сечения,
основанная на законах подобия, позволяет ускорить отыскание
рационального сечения предварительно напряженной балки с затяжкой,
расположенной на заданном расстоянии от верхнего пояса th > 1 [6].
Расчет по второй группе предельных состояний. В обычных
конструкциях при проверке жесткости за расчетный можно принимать прогиб
в середине балки от горизонтальной оси, проходящей через опоры.
Предварительный выгиб балки от начального натяжения затяжки становится
при этом дополнительным резервом жесткости.
Если балка при предварительном напряжении и под поперечной
нагрузкой работает в упругой стадии, то ее прогиб и выгиб определяют
обычными способами строительной механики. Так для балок с
прямолинейной затяжкой, расположенной на части длины пролета, выгиб от
предварительного натяжения затяжки может быть найден по формуле
22 (15.27)
где \-а/1 — отношение расстояния от опоры до упора затяжки к длине
пролета.
Точно так же определяют выгиб от усилия самонапряжения ХХп и от
суммарного усилия в затяжке No + XXn. Прогиб от нормативной нагрузки
/i (Pn + gn) находят как для обычной балки, а затем выполняют проверку
расчетного прогиба по формуле (рис. 15.14)
f = f^Pn+gn)-h{NQ+XJ<V}- (15-28)
Индекс п здесь и на рис. 15.14 обозначает нормативное значение
нагрузки.
Рекомендуется также проверять и обратный выгиб балки от усилия
предварительного натяжения затяжки NQ , ограничивая его величиной
предельного прогиба, установленного нормами для данного класса
конструкций.
283

N°
тк
'<Г
Рис. 15Л4. К определению расчетного
прогиба бал км
Примеры применения балок с
затяжками. Первые примеры
применения стальных балок,
предварительно напряженных затяжками,
относятся к концу 50-х годов текущего
столетия, когда было построено несколько
однопролетных автодорожных
мостов в ФРГ. Затяжка располагалась по
оси нижнего пояса по всей его длине.
Позднее обратили внимание на возможность получения большей
эффективности 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
затяжками (рис. 15.15). Положение затяжек увязано с эпюрой изгибающих
моментов: в пролете они расположены около нижнего пояса, а над опорами
поднимаются к верхнему поясу. Затяжки размещались в открытых
направляющих желобах с внутренней стороны балок и закреплялись на
торцах 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
криволинейными затяжками:
а — поперечное сечение; б — общий вид; в — размещение затяжки по высоте сечения
284

1-1
255 255
2-2 3-3
255255 170170
1&130Щ1В
130 130
Рис. 15.16. Подкрановая балка под два крана грузоподъемностью 50/10
Эффективно применение предварительного напряжения и в
подкрановых конструкциях. В нашей стране разработаны разрезные
подкрановые балки с затяжками пролетом 12 и 18 м для кранов среднего режима
работы грузоподъемностью 50/10 и 30/5 т (рис. 15.16). Сечение балок
принято в виде несимметричного составного сварного двутавра.
Затяжки — 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.
15А Фермы, предварительно напряженные затяжками
15.4.1. Конструктивные решения ферм
Наиболее разработаны предварительно напряженные фермы
покрытий зданий. Предварительное напряжение с помощью высокопрочных
затяжек из канатов и пучков проволоки применяют в них чаще, чем другие
приемы. Эффект предварительного напряжения зависит от того,
насколько рационально выбрана конструктивная схема фермы и затяжек, а также
от последовательности предварительного напряжения и загружения
поперечной нагрузкой.
285

а)
25=
е)
к
к
Рис. 15.17. Предварительно напряженные фермы покрытий с затяжками в пределах
их габаритов
По характеру размещения затяжек и их влиянию на работу фермы
можно выделить три типа ферм: фермы, у которых прямолинейные
затяжки размещаются в пределах наиболее нагруженных стержней (рис.
15.17, а — е); фермы, затяжки которых располагаются в пределах ее
габаритов и вызывают предварительное напряжение в большом числе
стержней фермы (рис. 15.17, е, ж); фермы с затяжками, вынесенными за их
габариты (рис. 15.18, 15.19).
Сечения отдельных предварительно сжатых стержней и варианты
размещения затяжек (арматуры) приведены на рис. 15.8 с
соответствующими комментариями в тексте. Использование предварительного сжатия
в отдельных растянутых стержнях возможно и целесообразно, хотя
наряду с достоинствами (например, возможность создания предварительного
напряжения на заводе) имеет и свои недостатки, в частности,
необходимость устройства большого числа анкеров.
Наиболее просто решаются технологические вопросы в фермах с
затяжками вдоль нижнего (растянутого) пояса (рис. 15.17, б—д). Одной
затяжкой создается предварительное напряжение во всех панелях пояса,
вдоль которых она проходит, но на другие стержни фермы затяжка
теоретически не оказывает воздействия, если иметь в виду идеально
шарнирное сопряжение в узлах. В фермах больших пролетов при значительной
разнице усилий в панелях нижнего пояса целесообразно ставить две
затяжки в нахлестку (рис. 15.17, #), чтобы в панелях с наибольшими усилия-
286

Рис. 15Л8. Фермы с затяжками, вынесенным» за пределы их габарита:
а—г — очертания затяжек; д—е — объединение ферм в пространственные блоки; 1 — ферма; 2 —
затяжка; 3 — связи пространственного блока
-S
Рис. 15.19. Фермы типа арки с затяжкой:
а—г — схемы ферм; е — поперечные сечения ферм типа арка с затяжкой; д — графики работы стержней
фермы; / — при предварительном напряжении до загружения; 2 — то же, после частичного нагружения
287

ми получить соответственно и больший разгружающий эффект от
предварительного напряжения. Чтобы обеспечить устойчивость нижнего
пояса в процессе натяжения затяжки (и далее, вплоть до нагруженкя
поперечной нагрузкой), затяжки по их длине соединяют с поясом
диафрагмами и другими соединительными элементами так же, как и
отдельные 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
напряжения, включив в сферу воздействия затяжки большее число
стержней. В местах перегиба затяжек устраивают специальные скругленные
упоры для обеспечения свободы и плавности смещений затяжки
относительно упора, а также для предохранения затяжки от повреждения.
Наибольший экономический эффект удается получить в фермах с
затяжками, вынесенными за пределы их габарита (рис. 15.18). В таких
фермах не только нижний, но и верхний пояс подвержен влиянию
предварительного напряжения. Применение подобных конструкций особенно
целесообразно, когда это не связано с 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
укрепляет его от потери устойчивости, поэтому необходимо предусмотреть
соответствующие меры по обеспечению устойчивости конструкции в
целом и ее предварительно сжатого пояса. Это достигается объединением
ферм в блоки (рис.!5.18, д) или выбором пространственно жесткого,
например трехпоясного сечения фермы (рис. 15Л 8, в).
Наиболее изучены и нашли достаточно широкое применение фермы
типа «арка с затяжкой» (рис. 15.19). Применением вспарушенного
нижнего пояса можно добиться того, что ферма размещается в габарите
обычных ферм. Рациональность фермы зависит от того, насколько удачно
выбраны ее очертание, уклон поясов, схема решетки и т.п. Оптимальная
высота 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
последовательности натяжения и оптимальном усилии в затяжке можно получить
экономию стали 25...30%. В легких предварительно напряженных
фермах (пролетом 24...36 м) выгодно применение гнутых профилей
открытого или замкнутого профиля, а также труб. Это объясняется тем, что
большинство стержней сжаты в той или иной стадии работы фермы. Повы-
288

Рис. 15.20. Узлы крепления затяжек предварительно напряженных ферм:
/ — анкерное крепление затяжки; 2 — ребра жесткости; 3 — фасонки; 4 — затяжка; 5 — опорный фла-
шенная устойчивость стержней указанных типов позволяет повысить
силу предварительного натяжения затяжки, В тяжелых фермах
применяют стержни двухстенчатые (рис. 15,8, в, е9 жу л, н) или из труб, В фермах
рассматриваемого типа усилие в затяжке достигает значительных
величин, что создает необходимость восприятия в узле закрепления большой
сосредоточенной силы. Примеры р&твния. анкерного узла даны на рис.
15.20, где показаны ребра жесткости, поставленные по расчету на полное
усилие в затяжке.
15.4.2. Расчет фер?$, предварительно напряженных затяжками
Фермы, напрягаемые с помощью затяжек, являются статически
неопределимыми системами, для которых нельзя разделить два основных
этапа расчета — статический расчет и подбор сечений. Усилия в системе
зависят от соотношения жесткостей элементов, а значит и от соотношения
площадей сечений (продольная жесткость стержня есть произведение
площади сечения на модуль упругости материала стержня АЕ ). Расчет
можно выполнить итерационным путем, чередуя статический расчет с
подбором сечений.
Особенность предварительно напряженных ферм состоит в том, что
для их расчета необходимо определить еще одно дополнительное
неизвестное — усилие начального натяжения затяжки. Вместе с тем это же
является и дополнительной возможностью регулирования усилий и
деформаций в системе.
Рассмотрим относительно простой путь построения расчета для
однажды статически неопределимых ферм (или ферм с одиночной затяжкой).
Еще в конце XIX века М. Леви была доказана теорема о рациональном
распределении площадей сечений в статически неопределимых фермах,
10-447 289

подверженных однократному статическому нагружению, суть которой
кратко можно записать как «... рациональное распределение площадей
сечений в ферме таково, что после приложения нагрузки в п стержнях (по
числу лишних связей) усилия должны обратиться в нуль». В ферме с
одной 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 Np , от монтажной нагрузки NM , приложенной к
ферме до натяжения затяжки, и от единичного усилия в затяжке N{ .
Стержень, 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 Асг находится по предельной
гибкости X = 120 при заданной форме поперечного сечения. По площади
критического стержня в нем находят предельное усилие растяжения
Ncr =RAcr. (15.29)
Расчетное усилие в любом стержне фермы определяется формулой
N^N^-NvN,, (15.30)
где Npi — усилие в z-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
RAcr=Npcr-NlcrN,, (15.31)
получаем усилие в затяжке
N,=(Npcr-RAcr)/N]cr (15.32)
и площадь сечения затяжки
A,=N,/R,9 (15.33)
где Npcr — усилие от расчетной нагрузки в критическом стержне из
расчета основной системы; R и R3 — расчетные сопротивления соответственно
материала стержня и затяжки.
Приняв за первое приближение, полученное по формуле (15.32)
значение усилия в затяжке N3, можем найти усилия по (15.30) и площади
сечения стержней также в первом приближении. Усилие самонапряжения
затяжки Хх находят по известной формуле Мора для шарнирно-стержне-
вых систем
290

Хх =(ШиМр^ /EAJ/VNfo/EA,-!, IE,A,\ (15.34)
где /3, Е3 — длина и модуль упругости затяжки.
Полное усилие в затяжке N3 в конечной стадии работы фермы
складывается из усилия предварительного натяжения No и усилия
самонапряжения Хх .Таким образом, усилие предварительного натяжения
затяжки равно
ЛГ0 = N,-X{. (15.35)
Окончательная проверка несущей способности стержней фермы
должна быть выполнена с учетом работы их на всех стадиях
предварительного напряжения и нагружения. Так, на расчетные
эксплуатационные нагрузки проверка ведется по формулам:
для стержней, усилия которых в основной системе имеют разные
знаки при расчете на расчетную нагрузку и от натяжения затяжки:
а) сжатые стержни при расчете на эксплуатационные нагрузки
при Npi>NuNQ
Npl-(y2N0^Xl)Nu<ifRAi; (15.36)
при Npi<NuNQ
^ "(Yi^o +*i)#i< * ФМ,,; (^5.37)
б) растянутые стержни при расчете на эксплуатационные нагрузки
при Npi>NuN0
NJri-(y2N0^Xl)Nu^RAiai (15.38)
при Npi<NuN0
^-(у,л^+*,)#,, <ч>/м,; ( 15.39)
для стержней, усилия которых в основной системе от расчетной
нагрузки имеют одинаковые знаки с усилиями от натяжения затяжки:
а) сжатые стержни
#„■-(Y,#о+*,)#„ Sq»/^,.; (15.40)
б) растянутые стержни
^.-(y.^+I,)^^,,. (15.41)
Прочность затяжки проверяют по формуле
#,=у1ЛГ0+*,£Л,4„ (15.42)
где Nu — усилие в стержне / от единичного усилия в затяжке; At и
Ani — площадь сечения стержня / (брутто и нетто); ф — коэффициент
продольного изгиба, принимаемый по наибольшей гибкости стержня.
291

Свободную длину стержня определяют по общим правилам
проектирования ферм. При определении свободной длины стержней из
плоскости фермы учитывают характер раскрепления связями.
15.4.3. Примеры применения предварительно напряженных ферм
Одним из первых примеров применения крупных предварительно
напряженных 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.
Предварительное напряжение главной фермы осуществлено четырьмя
наклонными затяжками, соединяющими узлы в пролетах фермы со средней
опорой. Затяжки выполнены в виде парных пучков высокопрочной
проволоки 6407 мм и размещены в пределах габаритов фермы с перепуском, так
что над средней опорой расположено 4 пучка. Экономия металла
составила 12% и стоимости — 6%.
Двухпролетный ангар в Алма-Ате перекрыт полигональными
фермами 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
высоко 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,
пространственные 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 «сандвич».
2кабеля64 07мм
AB
Рис Л 5.21. Фермы покрытия ангара в Мельсброке (Бельгия)
292

2-2 -380x10 3-3
Проволочный
пучок 2405
Рис. 15.22. Ферма покрытия ангара в Алма-Ате
3.86x5=19,3 , 3,80x11 =41,8
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
Чикагского аэропорта размерами в плане 127,7x60,3 м с предварительно
напряженными фермами, имеющими консольный вылет на 42 м (рис. 15.23).
Шаг ферм 12 м. Каждая ферма напряжена шестью затяжками,
установленными над опорным узлом консоли вдоль верхнего пояса. Затяжки
выполнены 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 рамныж конструкциях можно применять предварительное
напряжение натяжением затяжек, смещением опор, либо одновременно обоими
способами. Наиболее эффективно предварительное напряжение
большепролетных рам, несущих значительную нагрузку. В таких рамах можно разгрузить
большепролетный ригель и существенно снизить общий расход металла на
конструкцию. Некоторые примеры применения предварительного
напряжения в болшепролетных рамах приведены ниже (см. главу 17). Может
оказаться эффективным использование консольно-рамных систем с
предварительным напряжением вертикальными или наклонными тяжами.
В арках усилие распора создает разгружающий момент. Распор
воспринимается опорами или затяжкой. Применение в качестве затяжек
высокопрочных гибких элементов создает предпосылки для эффективного
предварительного напряжения арочных систем. Предварительное
напряжение увеличивает распор и позволяет полноценно включить гибкие
высокопрочные затяжки с относительно малой продольной жесткостью в
работу системы. Имеются интересные предложения с перекрестными,
веерными и другими системами гибких затяжек, подкрепляющих арки с
большой стрелкой подъема, развивающие и дополняющие идеи В.Г.
Шухова, впервые предложившего системы перекрестных гибких затяжек для
подъемистых арок перекрытия ГУМа в Москве [6].
Предварительное напряжение пространственных конструкций
типа 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 шпренгельными
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
решение 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
сплошными элементами (арки, рамы) рассчитывают аналогично балкам с
вынесенными за габариты конструкции затяжками.
Пространственно-стержневые 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
материалов, например, сталь и железобетон; металл и дерево; металл,
дерево и элементы из других материалов.
Целесообразность использования таких конструкций обусловлена
прежде всего не одинаковой способностью разных материалов
сопротивляться деформациям растяжения и сжатия. В конструкциях с четко
выраженными зонами сжатия и растяжения существенный экономический
эффект 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
железными 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:
в обьединенные, у которых части поперечных сечений элементов из
разных материалов связаны между собой континуально или большим
количеством дискретных связей;
9 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
одновременно функции несъемной опалубки (рис. 16.1);
• железобетонные балочные, плитные и оболочечные конструкции,
объединенные со стальными балками (рис. 16.2).
295

Рис 16.1. Железобетонные балка (а) н плита (б) с внешним армированием:
/ — бетон; 2 — профилированный стальной лист
'/////s//
2
^3
«;
ВВП
^3
.2
У
/
виня
ваше
Рис. 16.2. Железобетонные балка (я), плита (5), оболочка (#), объединенные со стальной
прокатной балкой двутаврового сечения:
1 — бетон; 2 — стальная балка; 3 — упоры
Рис. 16.3. Конструкции упоров:
/ — лист; 2 — уголок; 3 — швеллер; 4 — гнугик; 5 — пружина; 6 — стержень
Основная проблема конструктивного решения объединенных
конструкций— обеспечение совместной работы плиты и балки. Это может
быть достигнуто использованием специальных упоров, способных
препятствовать 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-
моноличивают в теле бетона плиты. При сборной железобетонной плите
296

! I
1-1
TJtL
J
Рис. 16.4. Объединение сборных железобетонных плит с металлическими балками:
/ — 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
верхней арматуры плит и приварки закладных деталей к поясу балки, пазы и
окна замоноличивают бетоном.
Расчет объединенной плитно~балочной системы. Для
иллюстрации методики рассмотрим простейший случай. Свободно опертая по
двум сторонам железобетонная плита, объединенная с регулярной
системой стальных балок одного направления (рис. 16.5). Статический расчет
такой конструкции может быть сведен к расчету одной балки с
присоединенным к ней участком железобетонной плиты (рис. 16.6). При этом
общую ширину верхней полки следует принять по рекомендации [8]
b}=\2hp}+bf. (16.1)
Расчетное значение b*f можно принимать по аналогии с
железобетонными ребристыми плитами при условии, что ширина свеса полки в каж-
297

Рис. 16.5. Фрагмент объединенной комбинированной конструкции:
/ — стальные балки; 2 — железобетонная плита
та,
Рис. 16.6. Сечение условной балки и эпюры напряжений в стадии монтажа (а,-,0 и
стадии эксплуатации
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
более шага продольных балок или при hpI > ОДА*— 0,5 расстояния между
вертикальными гранями верхних полок;
б) при расстояниях между поперечными балками, больших шага
продольных балок и hpl >ОДА* -6hpl. Здесь й*—полная высота условного,
приведенного к бетону, объединенного сечения
(16.2)
/ ° — момент инерции сечения металлической балки относительно оси
0—0, проходящей через центр тяжести сечения балки; т -Est/Eb —
отношение 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 бетона
Еь, МПа
т -Est /Еь
В15
2,3 104
9,13
В20
2,7-104
7,78
В25
3,0104
7,00
взо
3,26-10*
6,44
В35
3,45-104
6,09
В40
3,6-104
5,83
В45
3,75-104
5,60
Определение геометрических характеристик объединенного ее-
чения. Приведенная к металлу площадь сечения для рассматриваемого
расчетного участка равна
т
где Аъ — площадь сечения металлической балки; Ар1 — площадь сечения
присоединенного участка плиты.
Положение центра тяжести сечения
y^SJA^ (16.4)
где So = (Aplypl)l m — статический момент участка плиты относительно
нейтральной оси сечения стальной балки; ур{ — расстояние между
центрами тяжести плиты и балки.
Момент инерции приведенного к металлу сечения относительно
нейтральной оси (х—х) этого сечения
Кы = Л' +Аьу1+Гр1/т + Ар1 (ур1 - у)21 т, (16.5)
где 1°р1 — момент инерции сечения плиты относительно собственной
центральной оси.
Моменты сопротивления для характерных точек объединенного
сечения следует вычислять по формулам:
для верхних и нижних волокон стальной балки
W —
— red
— red -
У1
(16.6)
при подкреплении плиты балкой симметричного сечения
У\ =Л 12-у, y2=hb I2 +у;
для верхней грани бетона плиты
~* ml.
(16.7)
где уз — расстояние от точки 3 (рис. 16.6) до нейтральной оси
объединенного сечения.
Напряженно-деформированное состояние элементов
объединенного 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
плиту. Естественно, на этой стадии нагрузку от собственного веса как
металлической балки, так и железобетонной плиты воспринимают только
балки. В последующем при наборе монолитным бетоном или швами (при
сборном варианте) достаточной прочности на действие других
постоянных и временных нагрузок будут работать все элементы расчетного
сечения совместно.
При этом напряжения в расчетных точках балки и плиты (рис. 16.6)
следует определять по формулам:
на стадии изготовления конструкции
М М
°и=7^' °v=-Zr> ^,,=0, 06.8)
где Wlb, Wlb — моменты сопротивлений в металлической балке
соответственно для точек 1 и 2; М, — расчетный момент в балке от собственного
веса балки и плиты; ам, о2>ъ а3д — напряжения соответственно в т. 1,2,3
от Мх\
на стадии эксплуатации от какой либо другой постоянной или
временной нагрузки с расчетным моментом М2
су 12 =—2., а22=—*-, а32=^. (16.9)
По сравнению с конструкциями из мономатериала рассматриваемые
конструкции, особенно если они эксплуатируются в открытых для
атмосферных воздействий пространствах, более чувствительны к
температурным воздействиям. В их элементах могут возникать существенные по
величинам и неравномерности распределения по высоте сечения
напряжения. Объясняется это тем, что металлическая балка, ввиду большей
теплопроводности, быстрее, чем железобетонная плита, реагирует на
резкие 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
напряжения (рис. 16.7):
300

(16.11)
В формулах (16.10), (16.11):
N=$(EJb+EbIpl)A;
1
y2+(EJb+EbIp
EstAs
EbApi
A- at — температурная деформация в бетонной плите; а —
коэффициент температурного расширения бетона; t-^-t^ — перепад температур
между балкой и плитой.
Учет усадки железобетона. При необходимости учета усадки
железобетона плиты, напряжения от усадки в элементах объединенного
сечения вычисляют по формулам (16.10)...(16.11) с заменой А на ^
(коэффициент относительной усадки железобетона). Такие расчеты
рекомендуется производить для мостовых и других большепролетных конструкций.
Учет ползучести бетона. Влияние ползучести на изменение
напряженного состояния комбинированной системы приближенно можно
учесть заменой начального модуля упругости бетона на эффективный
Eef=kEb, (16.12)
где к~Еь /(1+Ар/Eb); Api — пластическая деформация (ползучесть) бетона
к рассматриваемому моменту времени от действия единичного
напряжения.
Сопряжение плиты с балкой. Для обеспечения совместной работы
балки с плитой к верхней полке балки с помощью сварки присоединяют
Рис 16.7. Усилия и напряжения в элементах объединенного сечения от температурных
воздействий А/>0
301

упоры (рис. 16.3 и рис. 16.8). Их функция — препятствовать сдвигу. Они
должны воспринимать сдвигающую силу Г, равную сумме касательных
напряжений по плоскости контакта верхнего пояса балки с плитой на
участке а между двумя соседними упорами,
Т = Щ^а, (16.13)
где Spij — статический момент плиты относительно нейтральной оси
объединенного сечения.
На усилие Г 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
-£-*Л*л«' (16.14)
chy
где с и hy — размеры вертикальной полки упора; Rbjoc — расчетное
сопротивление бетона на местное смятие, которое можно приближенно
принимать RbJoc = (1,5 + l,6)Rb ; Rb — расчетное сопротивление бетона
осевому сжатию;
б) сечение бетона по периметру (сечение 1—1) упорного уголка на
скалывание
<R
bt>
(16.15)
где Sx — статический момент относительно нейтральной оси
объединенного сечения той части сечения плиты, которая стремится срезаться по
сечению 1—/.
• с ь Вид Л
х—
<>
f-r
_А
i
Рис. 16.8. Расчетная схема сопряжения плиты с металлической балкой
302

Сам упор следует проверить на прочность по приведенному
напряжению
л/а2+3т2 <Дуус. (16.16)
Mv ЪЩ т Т
Здесь а=—- = —X; х= — = —
Wy t)c Ay cty
y
16.2. Смешанные конструкции
Наличие в структуре конструкций элементов с резко выраженными
отличительными особенностями по физико-механическим свойствам,
способности воспринимать сжимающие и растягивающие усилия,
коррозионной стойкости, огнестойкости, технологии изготовления и другим
факторам накладывают особые требования к конструкторским
решениям. 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
растягивающих усилий с малых сечений элементов из высокопрочных
материалов (сталь, синтетические волокна) на слабо сопротивляющиеся
растяжению 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
мономатериалов узлы, как правило, принимают либо шарнирными, либо
жесткими. В смешанных конструкциях, ввиду того, что сопрягаемые в
узле элементы имеют не сопоставимые (сильно отличающиеся по
величинам) погонные жесткости EIt /lh отдельные узлы следует рассматривать
как комбинированные (рис. 16.9).
При проектировании смешанной конструкции из сборных элементов
могут возникать трудности совмещения допусков на изготовление. Это
объясняется тем, что нормали на конструкции железобетонные,
деревянные и металлические в принципе различны.
В статически неопределимых смешанных 1 2 1 2
конструкциях эффективность достигается не |^
только за счет формального разделения функ- I о * * ч
ций по материалам, но и в не меньшей степени ,, Л .„ „
Рис. 16.9. Комбинирован-
за счет подбора рационального соотношения ный у^ соединения эле-
этих материалов. В противном случае, напри- ментов
303

мер, в сталежелезобетонных конструкциях при избыточных сечениях же-
лезобетонных элементов конструкция может быть «задавлена»
собственным весом этих элементов, При этом доля собственного веса
конструкции в результирующей расчетной нагрузке порой превышает полезную
нагрузку, для восприятия которой создавалась конструкция. Именно
такие негативные результаты достигаются при создании
сталежелезобетонных пространственных конструкций перекрытий из типовых
железобетонных ребристых Ш1Р1Т, объединенных в еддную систему и
подкрепленных металлическим шпренгелем. Более эффективные конструкции были
получены в [9] при замене типовых плит облегченными ребристыми
плитами, специально спроектированными под конкретный тип смешанной
конструкции.
По характеру работы смешанные конструкции можно разделить на
плоскостные и пространственные.
Плоскостные смешанные конструкции
К таким конструкциям
можно отнести металлодере-
вянные и сталежелезобетон-
ные шпренгельные балки
(рис. 16.10, 16.11), фермы
(рис. 16.12, 16.13), из клееной
древесины трехшарнирную
арку с металлической
затяжкой (рис. 16.14).
В конструкциях,
представленных на рис.16.10...16.13,
верхние пояса выполнены
либо из дерева (бревен; бруса;
составного сечения из двух
или трех брусьев,
объединенных друг с другом
пластинчатыми нагелями; составного
клеенного из досок сечения),
либо из железобетона. В пре-
_ф L ±- делах отправочных элемен-
Рис. 16.10. Шпренгельная деревянная балка: Т0В> КаК правило, верхний ПО-
в —общий вид и детали умов; б —расчетная схема (АГв- яс ПрОСКТИруЮТ неразреЗНЫМ
Nre coscc) (см. расчетные схемы). Всяед-
304

a) t
ч
Б
/Г
/
-5:
г
б)
Рис. 16.11. Шпренгельная железобетонная балка:
с — общий вид и узлы; б — расчетная схема; / —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
промежуточных узлах неразрезного пояса) расчетных моментов или для их
уменьшения в расчетных сечениях эффективно использовать
эксцентричное узловое соединение (рис. 16.10) в сочетании с предварительным
напряжением растянутых элементов нижнего пояса или решетки.
Нижний пояс и растянутые элементы решетки проектируют
стальными из уголковых профилей, а малозагруженные элементы решетки — из
круглой стали. При необходимости создания предварительного
натяжения эти элементы объединяют между собой с использованием натяжных
муфт.
305

"I 5"
Рис. 16.12. Метал л одеревя иная ферма с верхним клееным поясом:
1 — верхний пояс из клееной древесины; 2 — стальной нижний пояс и раскосы; 3,4 — раскосы и 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
К. =^-; (16.17)
для сжатых
(16.18)
Проектирование узлов. Особое внимание следует обращать на
конструктивные детали, через которые передаются усилия на сжатые
элементы.
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

Рис. 16.13. Сталежелезобетонная ферма:
/ — верхний железобетонный пояс; 2, 3, 4 — стальные нижний пояс, стойки, раскосы; 5 — стальной
башмак
Рис. 16.14. Металлодеревянная трехшарнирная арка:
] — верхний деревянный пояс; 2 — стальная затяжка; 3 — подвеска; 4 — деревянные накладки;
5 — стальной башмак; 6 — шьеллер-упор
полосовой хомут (узел А, рис. 16.11) или стальной башмак (узлы А, В,
рис. 16.13).
В приведенных конструктивных решениях швеллеры-упоры,
листовые упоры работают на изгиб. Их сечения подбирают по требуемому
моменту сопротивления
307

Расчетные моменты для швеллеров определяют по балочной
расчетной схеме, а для листа (рис.16.12) по табл.6.9 [1], что соответствует
расчетной схеме плиты с шарнирным опиранием по трем сторонам.
Полосовой хомут (рис. 16.11) работает на растяжение:
^,c, (16.20)
где Nr — усилия в двухветвевом раскосе (АЕ).
Кроме названных расчетов в узловых соединениях требуется
проверить торцы сжатых элементов по условиям смятия, а при передаче
нагрузки под углом по условиям скалывания, а также проверить все
сварные 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
является то, что в растянутых зонах использованы стержневые элементы из
стали, а в сжатых оболочечные или пластинчатые элементы из
железобетона или дерева в различных конструктивных комбинациях.
Рис. 16Л5. Сталежелезобетонная панель-оболочка
308

х-
X-
-А
• •«.,
-К
>-*
-И
**-
-34
X
^<
V
-У
-X
24000
Рис. 16.16. Ребристая железобетонная плита,
подкрепленная по продольным сторонам
облегченными металлическими фермами
Pggc, 16.17. Сборная
железобетонная плита, подкрепленная
юроехрашгтве&шой ширеигель-
пш системой
Первый тип конструкций получен путем замены контурных
железобетонных ребер, находящихся в основном в растянутой зоне, на более
эффективные 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
существенно уменьшить расход бетона.
Второй тип комбинированных конструкций создан путем
приспособления типовых плит к работе в принципиально других условиях
напряженно-деформированного состояния. И поэтому, естественно,
эффективность 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
местах шпренгельньгх подкреплений могут возникать растягивающие
напряжения 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,
элементы которых функционально ориентированы на конкретный тип
комбинированных конструкций.
Такой подход в соче- ™™^\ ^—^ 18<юо*збюо
тании с синтезом лучших
образцов современных
пространственных
конструкций ИЗ МОНОМатериа- рИс. 16.18. Сталежелезобетонияя панель покрытия
309

Рис. 16.19. Металлодеревянные пространственные блок-фермы
лов — металлических структур (см. гл. 7 [2]) и железобетонных плит «на
пролет» реализован в [9] при разработке сталежелезобетонных панелей
покрытий Зх( 18^36) м. В этих панелях покрытия нижний пояс и решетка
могут быть выполнены из электросварных прямошовных труб, С-образ-
ных холодногнутых профилей или горячекатаных уголков; элементы
верхнего пояса — из специально спроектированных облегченных
ребристых 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 конструкций
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
трудности возникают при выборе конструкции узловых соединений, которые
обусловлены рядом факторов:
заводской технологией раздельного изготовления железобетонных и
металлических элементов конструкции и стендовой их сборкой на
строительной 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
металлических элементов, что требует либо включения в систему
дополнительных устройств, выбирающих свободные зазоры после сборки, либо в
учете на стадии проектирования узловой податливости.
Принципиальная схема узлового соединения (рис. 16.20) может быть
. представлена тремя конструктивными элементами: концевые детали
металлических стержней, закладные детали-упоры железобетонной плиты
и промежуточное звено. Промежуточное звено, объединенное с
указанными деталями высокопрочными болтами или сваркой, предназначено
для передачи растягивающих или сжимающих усилий от концевых
деталей раскосов соответственно на верхние или нижние детали-упоры.
Конструктивно промежуточное звено может быть выполнено из круглой
арматурной стали, высокопрочного болта или шпильки (рис. 16.21, а, б)
листового или фасонного проката (рис. 16.21, в, г); детали-упоры выпол-
2
Рис. 16.20. Принципиальная схема конструкции узлового соединения:
а — передача усилий от растянутого раскоса; б — то же, от сжатого раскоса; / — концевая деталь;
2 — детали-упоры; 3 — промежуточное звено
311

1-1
2-2
3-3
Рис. 16.21. Узловые соединения железобетонной плиты с металлической решеткой
няют из шайб, уголков, швеллеров, листового проката; конструкции
концевых деталей зависят от формы поперечного сечения металлических
раскосов (труба, уголок, С-образный профиль и др.).
Функции концевых деталей состоят в центрированной передаче
усилий от раскоса на промежуточное звено и равномерном распределении
напряжений по поперечному сечению основного стержня. Это
достигается определенным расположением концевых деталей по отношению к оси
стержня, использованием заглушки поперечного сечения стержня и
другими 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

ны удовлетворять условиям прочности N I Ап< Яуус, а при сжатых
раскосах дополнительно еще и условиям устойчивости N / (<рЛ) < Ryyc.
Если в качестве промежуточного звена используется болт или шпилька
(рис. 16.21, а, б), то их параметры следует выбирать из условия
растяжения. В других конструктивных решениях (рис. 16.21, в, г) болтовые
соединения следует рассчитывать на срез и смятие.
Детали-упоры работают на изгиб в соответствии со схемой связей
(точки или линии, по которым соединяется промежуточное звено с
деталью-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
конструктивные системы, которые обладают способностью при полном или
частичном вьпспючении 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
бытовой зонтик. Принцип «зонтика» реализован в конструктивной схеме
складывающейся стропильной фермы (рис. 16.22). Здесь за счет
конструктивных 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
отличительной особенностью проектирования рассматриваемой фермы от
традиционной (не складывающейся) является конструктивная
проработка узла, включая болтовое соединение фасонок со стойкой. Болтовое
соединение следует рассчитывать на вертикальную составляющую от
усилий в раскосах.
На рис. 16.23, а представлен замкнутый осесимметричный каркас
многогранной конфигурации в форме усеченной пирамиды, в гранях
которой расположены шар-
нирно сопряженные
стержни. По концам
стержни попарно через
узловой элемент
объединены цилиндрическими
шарнирами с осями,
перпендикулярными плоско- Рис- 16-22- Складывающаяся ферма
313

Рис. 16.23. Каркас усеченной пирамиды:
а — проектная форма; б — пакетная форма
стям граней пирамиды. Узловые элементы выполнены из пластинки в
форме двугранного утла, 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
пакетную форму (рис. 16.23, б). Трансформация же системы в форме
пирамиды может осуществляться либо при преодолении сопротивляемости
стержней скручиванию, либо допуская поворот стержней в направлениях
скручивания. Последнее может быть обеспечено конструктивно —
увеличением зазоров в отверстиях шарнирных соединений стержней с
узловыми элементами.
Складывающиеся пространственные блоки (СПБ). В дополнение
к традиционным достоинствам пространственной конструкции, за счет
возможности складывания в компактный пакет, в СПБ отметим:
существенное упрощение их транспортировки от завода изготовителя к
строительной площадке с более полным использованием возможностей
транспортных средств по грузоподъемности; возможности переноса
дополнительной части сборочных монтажных операций в заводские условия;
ускоренный способ возведения здания путем трансформации
конструкции.
В качестве примера СПБ рассмотрим блок покрытия на пролет 12 м
(рис. 16.24). Конструктивно он состоит из панели, выполняющей
функции верхнего пояса, двух наклонных ферм с решеткой и нижними
поясами из одиночных уголков. В состав панели входят профилированные лис-
314

Рис. 16.24. Конструктивное решение блока покрытая на продет 12 м в собранном ®ше
ш транспортном положении:
/ — профилированный настил; 2 — поперечный элемент; 3 — раскос L 125x7; 4 — стойка L 125x7;
5 — нижний пояс L 45x4; б — обрамляющий элемент |_ 45x4; 7 — поворотные накладки; 8 — болты для
поворота наклонных ферм
ты, прикрепляемые к поперечным элементам, расположенным с шагом
3 м5и обрамляющие элементы из |_45х4. Крепление профилированных
листов Н79-860-1 к поперечным элементам, расположенным по краям
плит, осуществляют на болтах М10. Крайние гофры соединяют с
продольными обрамляющими элементами самонарезающими винтами.
Верхние концы раскосов наклонных ферм примыкают к поперечным
элементам через поворотные накладки с фасонками. Поворотные
накладки на каждом поперечном элементе имеют различное расположение
болтов, относительно которых осуществляется поворот. Это позволяет
путем поворота наююнных ферм трасформировать пространственную
конструкцию в плоский пакет высотой 350 мм. Болты, относительно которых
осуществляется поворот, после затяжки на монтажной площадке стано-
315

вятся рабочими. Нижние пояса наклонных ферм объединяют при помощи
гнутых накладок и болтов.
Мобильные сборно-разборные здания из складывающихся в
пакет секций. Наибольший эффект от трансформации достигается при
использовании укрупненных складывающихся секций зданий (ССЗ)
полной заводской готовности. На основе ССЗ, Оргэнергстроем,
Красноярским ПромстройНИИпроектом и другими организациями была
разработана целая серия сборно-разборных зданий. Среди них
наибольшее распространение получили быстровозводимые здания системы БКЗ,
унифицированные сборно-разборные здания из складывающихся секций
(УСРЗ-12) и полусекций (УСРЗ-18), складывающиеся комплектные
здания системы СКЗ [13]. Основные проектные показатели этих зданий
приведены в табл. 16.2.
Таблица 16.2. Характеристики зданий
Наименование показатели
Пролет, м
Количество пролетов, шт.
Высота до низа несущих
конструкций, м
Ширина секций, м
Грузоподъемность
кранов:
подвесного, кН
мостового, кН
Расход стали, кг/м2
Трудоемкость:
изготовления, чел.-ч/м2
монтажа, чел.-ч/м2
Конструкция
Б&3-18
18,0
1
6,0; 7,2
3,0
2x32; 50
92
6,8
0,34
БКЗ-24
24,0
1
6,0; 7,2
3,0
2x32; 50
89
6,4
0,28
УСРЗ-12
12,8
1-3
6,0
3,0
32
87
9,1
0,16
УСРЗ-18
18,0
1-2
8,4
3,0
-2x50
93
11,6 0,16
-
скз-м
12,0
1-2
5,8
3,0
32; 50
96
7,0
0,16
Базовая конструкция мобильных зданий системы БКЗ (рис.
16.25) — металлическая складывающаяся секция, состоящая из двух
полусекций, 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 равнополочного швеллера. В верхней части
колонн для установки и фиксации опорной части ригеля предусмотрены
пазы дяя специальных пальцев. Элементы ограждения изготовлены в виде
трехслойных металлических панелей с теплоизоляцией. Конструкция па-
316

4 А
Рис. 16.25. Многоцелевые быстровозводимые сборно-разборные здания
конструктивной системы БКЗ:
/ — ригель; 2 — колонна; 3 — цилиндрические пальцы; 4 — кровельная панель; 5 — стеновая панель
нели 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 и в коньковом узле.
В ряде типовых проектов унифицированных сборно-разборных
зданий ССЗ конструктивно решены по схеме, изображенной на рис. 16.26.
Принципиальной особенностью этой схемы является наличие затяжек
и подкосов, соединяющих ригель с колонной. Как и в конструктивной
схеме БКЗ, каждая секция состоит из двух полусекций и представляет собой
фрагмент здания полной заводской готовности, включающей две стеновые
и две кровельные панели, шарнирно или жестко (рис. 16.26, узлы А и Б)
соединенные в узлах и подкрепленные подкосами и затяжками.
Каждая панель имеет два продольных ребра, соединенных между
собой 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
панелях и все поперечные ребра в стеновых панелях запроектированы из
гнутого швеллера 100x50x2. Промежуточные поперечные ребра в
кровельных панелях — из гнутых швеллеров 100x50x2—100x50x4.
К поперечным ребрам при помощи самонарезающих винтов крепят
наружную и внутреннюю обшивки из профилированных стальных
листов с трапециевидной формой гофра, между которыми укладывают
утеплитель из минераловатных плит. Стыки между секциями перекрывают
металлическими нащельниками. Крепление нащельников — на
защелках, 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. Складывающая секция:
1 — колонна; 2 — ригель; 3 — подкосы; 4 — затяжка; 5 — цилиндрические пальцы или болты,
выполняющие функции цилиндрических шарниров
Полусекции раскладывают у места монтажа и освобождают от
транспортных связей. Затем их соединяют шарнирно двумя болтами в
коньковых узлах; после чего кровельные панели поднимают краном,
устанавливают затяжки и остальные болты в коньковых узлах, обеспечивая их
защемление. Далее поднимают секцию; стеновые панели, шарнирно
соединенные с кровельными панелями, под действием собственного веса
занимают вертикальное положение. Секцию устанавливают на анкеры
318

^
7^
фундамента, после чего
подкосы крепят к стойкам, образуя
жесткий диск в карнизных
узлах. Смежные секции
соединяют между собой в коньковом
узле, а затем в остальных узлах.
Монтаж подкрановых балок
ведут параллельно с монтажом
секции при помощи лебедок.
После установки секции
монтируют торцевые панели и
устанавливают ворота, а затем
стыки перекрывают нащельниками
стеновых панелей.
Специфика проектирования
складывающихся
пространственных блоков и секций в
основном обусловлена
конструктивными особенностями узлов,
обеспечивающих
трансформацию отправочных элементов.
Такие узловые соединения
обладают повышенной
подвижностью, что в свою очередь
отражается на работе подкосов,
затяжек и примыкающих к этим
узлам основных несущих
элементов (колонн и ригелей). Пока не будут выбраны зазоры в узловых
соединениях, элементы, сопрягаемые в рассматриваемом узле, в работу
будут включаться не одинаково и не одновременно. Результирующие
деформации 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 или цилиндрических
пальцев, можно учесть, заменив реальный модуль упругости
приведенным в элементах, примыкающих к податливым узлам,
Е
Рис. 16.27. Последовательность монтажа
полусекций
+ EAllidek-dtk)l{Nll,)
(16.21)
319

где Е — реальный модуль
упругости; Ап
/,—соответственно площадь
сечения и длина z'-го элемента;
Ni — усилие в z-ом
элементе при расчете
системы без учета
податливости узлов; do — диаметр
отверстия и db — диаметр
болта; к — число (1 или 2)
податливых узлов, к
которым примыкает /-ый
элемент.
Система Пантадо-
ум. Такая
конструктивная система включает в
себя «кинематический
механизм» для
рационального сооружения
купольных конструкций.
Купол проектируется как
складывающаяся
система, состоящая из трех
дисковых механизмов
(рис. 16.28). Диски
объединяют в нижнем
положении. Собранная
система пантадоум может
перемещаться только в
одном вертикальном
направлении.
Подъем системы осуществляют гидравлическими домкратами или с
помощью надувных конструкций. Поднятый в проектное положение
кинематический механизм путем наложения недостающих связей
превращается в геометрически неизменяемую конструкцию. К основному
достоинству этой системы следует отнести возможность выполнения
большей части монтажных операций на малой высоте.
Рис. 16.28. Схема и этапы возведения купола
системе

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
является повышенное влияние собственной массы конструкций на размеры
несущих элементов. Нелинейная зависимость усилий (например,
изгибающих моментов в балочной конструкции) от величины пролета обще-
13,840
1100
Рис. 17.1. Балочная конструкция покрытия большепролетного здания
+15,000
Рис. 17.2. Арочное покрытие дворца спорта в Лужниках:
— несущая арка; 2 — затяжка; 3 — неподвижная опора; 4 — то же, подвижная; 5 — аэрационный
фонарь
11-447
321

66м
Рис. 173. 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
несущих конструкций можно добиться применением высокопрочных
сталей или легких сплавов. Несмотря на сравнительно высокую стоимость
алюминиевых сплавов, иногда применение их в несущих конструкциях
большепролетных сооружений может оказаться целесообразным,
благодаря малой плотности и относительно высокой прочности
конструктивных сплавов. Характерным примером большепролетной рамной
конструкции, выполненной из сплава «авиаль», является ангар в Хатфилде
(Великобритания) 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
выполнены на заклепках, монтажные соединения — на стальных оцинкованных
болтах. Стремление снизить собственную массу несущих конструкций
естественно приводит часто к использованию предварительного
напряжения, регулированию усилий и деформаций сооружения в процессе
изготовления 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
уменьшения расхода материалов всех нижележащих конструкций. Поэтому
особенно эффективно применение в большепролетных покрытиях
облегченных кровельных конструкций и материалов. В качестве несущего настила
кровли следует применять стальной профилированный настил с легкими
эффективными утеплителями или готовые облегченные панели с
несущими и ограждающими элементами из легких алюминиевых сплавов (см.
том 2, гл. 10).
В зданиях больших пролетов по технологическим соображениям
часто требуется верхнее освещение. Одним из удобных конструктивных
решений в этом случае является поперечное расположение фонарей, при
322

б)
IS... 24 м
Рис. 17.4. Покрытия с трехгранными балочными фермами:
а — поперечный разрез; б — г — варианты продольных разрезов; / -
велъные плиты; 4 — остекление
- ферма; 2 — затяжка; 3 — кро-
котором как пролетные несущие конструкции, так и фонарные,
объединяют в единую несущую систему (рис. 17.4 ). Однако частое
расположение поперечных фонарей нецелесообразно для зданий, строящихся в
районах с большой снеговой нагрузкой, поскольку может вызвать появление
«снеговых мешков», резко увеличивающих нагрузку на покрытия, и
неэффективность работы фонарей как источников естественного света.
Использование же разреженного шага основных несущих конструкций
покрытия (18 м, 24 м) обычно снимает эту проблему.
Все более широкое применение в строительстве приобретают
различные пластмассы. Для неотапливаемых большепролетных зданий могут
найти применение легкие ограждения из лексана и других эффективных
материалов, позволяющих устройство светопрозрачных полос,
специальных зенитных фонарей и т.п.
Большие пролеты несущих конструкций неминуемо связаны с
появлением значительных абсолютных величин прогибов несущих
конструкций, 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
надежное опирание конструкций стенового фахверка на жесткий диск
покрытия в горизонтальном направлении и независимость деформаций
покрытия и стены в вертикальной плоскости. Кроме того, здесь же должна
быть обеспечена и неразрывность ограждения, что иногда требует
нетривиальных решений узлов с устройством в узлах сопряжения ограждений
специальных компенсаторов, фартуков и т.п.
Для ангаров характерной особенностью является наличие
протяженных, почти на всю длину фасадной стены (или на половину ее при двух-
пролетном решении) ворот для пропуска самолетов. Это требует
специальных устройств для крепления ворот, их открывания и закрытия.
Приходится предусматривать довольно мощные надворотные
пространственные фермы, способные воспринимать значительные горизонтальные
усилия, передаваемые верхней кромкой ворот при воздействии ветровой
нагрузки. Для упаковки секционных передвижных ворот
предусматривают специальные «карманы», куда отдельные секции полотна ворот
собираются при открывании проема.
17.2. Балочные конструкции больших пролетов
Понятие балочные конструкции охватывает как балки, так и фермы,
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
металлоемкости. При пролетах 60 м и более в качестве несущих безраспорных
конструкций, как правило, применяют фермы, так как балки сплошного
сечения заметно уступают фермам и по металлоемкости, и по нагрузке от
собственной массы.
Существенной особенностью большепролетных балочных несущих
конструкций является наличие значительных общих продольных
деформаций поясов, могущих вызвать появление больших горизонтальных
перемещений на опорах, что накладывает отпечаток на выбор
конструктивных решений. Иногда одну из опор балочной конструкции устраивают
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
друг друга (фермы типа «рыбка» и подобные им конструкции, см. рис.
17.1 ).
324

Фермы больших пролетов (более 45 м) при высоте, близкой к
оптимальной по расходу металла, оказываются негабаритными по условиям
перевозки (h > 3,85 м), в то время как конструкция кровли и наличие
подвесного потолка обычно требуют достаточно частого расположения
прогонов и, как следствие, небольших панелей решетки, чтобы исключить
неузловую передачу нагрузки. Это приводит к необходимости
использования сложных шпренгельных решеток с учащенным расположением
узлов не только по верхнему, но и по нижнему поясу. Негабаритные фермы
приходится расчленять на отправочные марки как по длине пролета, так и
по высоте.
Предварительно напряженные фермы полигонального очертания
пролетом 84 м с ромбической решеткой применены в конструкции
покрытия ЛЭРМ аэропортов в гг. Алма-Ата и Фрунзе (см. рис. 15.22).
Близкое к параболе очертание верхнего пояса при наличии прямолинейного
нижнего пояса определило целесообразность предварительного
напряжения 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
напряжение 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
положения 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
только благодаря невысокой снеговой нагрузке в заданном районе
строительства, но и за счет применения очень легких алюминиевых панелей (с
массой не более 11 кг/м2), легчайшей ромбической решетки и
предварительного напряжения нижнего пояса.
Интересное решение покрытия позволяют создать несущие
конструкции в виде предварительно напряженных трехгранных ферм из
трубчатых профилей (см. рис. 17.4). Использование рациональных трубчатых
профилей, железобетонной плиты в совместной работе с верхними
поясами фермы и предварительное напряжение нижнего пояса (либо фермы в
целом) обеспечивают высокую экономичность решения по затрате
металла. 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,
закрепленная в узле нижнего пояса, располагается ниже опор, что вместе с
системой предварительного напряжения и разгружающим эффектом затяжек
обеспечивает ферме малые горизонтальные перемещения опорных узлов.
Достаточно эффективным является также предварительное
напряжение несущей конструкции фермы типа «рыбка», натяжением на ее пояса
тонкой растянутой обшивки, которая впоследствии под поперечной
нагрузкой включается в работу всей системы на изгиб (рис. 17.5 ). За счет
совмещения функций несущей и ограждающей конструкции удается
существенно облегчить сечения стержней жесткой части объемного блока.
Конструкция состоит из объемных блоков, включающих две
вертикальные фермы, расставленные на расстоянии 3...4 м и соединенные по
верхним 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
растягивающее напряжение, несколько большее по величине сжимающего
напряжения от поперечной нагрузки. Метод создания предварительного
напряжения исключительно прост: предварительно изготовляют щит
покрытия, 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 щргг 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 виде
пространственных блоков с напряженной 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
чувствительны к неравным осадкам опор и температурным воздействиям.
Применение их целесообразно на хороших основаниях, что не потребует
устройства слишком тяжелых и громоздких фундаментов. Повышенная
жесткость 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
снижения площади стенового ограждения, строительного объема здания и
эксплуатационных расходов, в частности, расходов на отопление.
Соотношения размеров объема, отвечающие функциональному
назначению большепролетных зданий, чрезвычайно разнообразны.
Поэтому рамы могут быть приземистыми, с относительно малой высотой
(например, в гаражах, стоянках строительных машин, ангарах и ЛЭРМ) или
вспарушенными ( в некоторых выставочных павильонах, эллингах,
теннисных кортах и т.п.). Рамы больших пролетов чаще проектируют
сквозными. Рамы с элементами сплошного сечения применяют обычно при
относительно небольших пролетах (до 60 м).
Ригели и стойки сплошностенчатых рам проектируют обычно
сварными составными двутаврового сечения. В двухшарнирных рамах
целесообразно применять стойки переменного по высоте сечения. Это
облегчает конструкцию и улучшает
ее внешний вид, увеличивает
полезную площадь
помещения, хотя трудоемкость
изготовления конструкции
несколько увеличивается. Для
повышения надежности
работы узлов сопряжения стыки
стойки и ригеля рамы, как
правило, смещают от угла рамы в
пролет, где изгибающие
моменты уже значительно
меньше, чем в углу. Угловой
элемент изготовляют на заводе
Как единое целое И ВЫПОЛНЯЮТ рЙС. п.6. Схемы решетчатых рам больших про-
обычно скругленным по внут- летов
327
60... 120м
ZJ\
60... 120м
120... 150м

Рис. 17.7. Конструкция узла сплошной большепролетной рамы н схемы к расчету
напряженного состояния в элементах узла:
а — конструкция узла; б — напряженное состояние в стенке; в — изгиб полки двутавра
ренней кромке для снижения концентрации напряжений (рис. 17.7);
пояса обычно обрезают «на ус» и сваривают стыковыми швами с усилением
гнутыми стыковыми накладками. Листовую вставку в узлах укрепляют
ребрами жесткости, расположенными по направлению сжимающих
усилий.
Использование предварительного напряжения, регулирования
усилий и деформаций расширяет диапазон возможного применения сплош-
ностенчатых сечений в большепролетных рамах и на пролеты свыше 60
м. На рис. 17.8 приведена схема конструктивного решения
предварительно напряженной рамы, использованной в качестве каркаса спортивного
сооружения (каток Берне в Женеве, 1960 г.). Двухпролетный неразрезной
ригель переменного по длине сечения /, свободно опертый в первой
стадии монтажа на колонны 2 и 5, образует затем с помощью напрягающей
оттяжки 4 и стойки 2 раму, в которой один край ригеля защемлен, а
другой оперт на качающуюся стойку 3, стоящую на трибунах.
Предварительный изгиб ригеля дает возможность существенно снизить высоту его
сечения в пролете и тем самым уменьшить строительную высоту здания. В
покрытии здания применены исключительно легкие алюминиевые
панели с массой не более 11 кг/м2. Предварительное напряжение ригеля
осуществлено 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 ригеля
наиболее важно. Ширину стоек сквозной рамы принимают равной длине
панели ригеля (часто 6 м). Это обеспечивает высокую погонную
жесткость стоек и увеличивает разгружающее влияние опорных моментов в
328

71м
Рис. 17.8. Схема каркаса крытого катка Верне в Женеве:
1 — неразрезнзл балка; 2 — жестко опертая 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
оказывается негабаритным по условиям перевозки и его приходится
перевозить россыпью, либо расчленяя не только по длине, но и по высоте. Для
разгрузки большепролетного ригеля двухшарнирнои рамы применяют
различные приемы: установку затяжки в уровне опорных шарниров,
смещение оси опорных шарниров для создания опорного момента,
пропорционального вертикальному давлению на шарнир, подвеску стен с
эксцентриситетом к осям стоек (рис. 17.9 ). Указанные приемы могут быть
скомбинированы в одном и том же сооружении, а эффект их усилен
применением предварительного напряжения. Характерным примером
является каркас выставочного
павильона в Сокольниках а\
(рис. 17.10), где
одновременно использованы три
приема из названных
(затяжка, предварительное
напряжение подтяжкой
консолей ригеля к
фундаментам с помощью
стальных полос, подвеска стен
на стальные полосы).
Затяжку, расположенную в
полу павильона,
защищают ОТ блуждающих ТОКОВ Рис. 17.9. Конструктивные приемы снижения пролет-
размещением ее в канале, ных моментов в ригелях большепролетных рам:
ЗаПОЛНеННОМ битумом). а — подвеска стены; б — эксцентриситет в опорном шарнире
329

12,2 м
Рис. 17.10. Схема каркаса выставочного зала в Сокольниках (Москва);
ригель; 2 — наклонные трубчатые стойки; 3 — тяги; 4 — затяжка в канале, заполненном битумом
Главная ферма из сомава Л16-Т
Стмьнзз стойка
фахверка \
" 2»
Рис. 17.11. Комбинированная предварительно напряженная рама авиасборочного цеха
Наиболее эффективна разгрузка ригеля при использовании
высокопрочных напрягающих элементов из канатов, которым целесообразно
придать рациональное очертание, соответствующее эпюре изгибающих
моментов в раме. Предварительное напряжение использовано в проекте
сборочного цеха пролетом 60 м, ригели несущих рам которого
выполнены из алюминиевого сплава Д16-Т с предварительным напряжением
высокопрочными стальными элементами (рис. 17.11 ). Здание оборудовано
многоопорными верхнеподвесными кранами грузоподъемностью 15 т.
Балочная клетка покрытия образуется тремя типами ферм: главными
фермами-ригелями, продольными пятипролетными неразрезными
фермами 5x24 м и поперечными, также неразрезными пятипролетными
фермами 5x12 м. Предварительному напряжению подвергаются поперечные
рамы и продольные фермы. Предварительное напряжение поперечных
330

рам осуществляется домкратами в удобном положении (с земли). Усилия
в нижнем поясе ригеля снижаются в 2...4 раза, в верхнем поясе — в
среднем на 27%.
Конструирование сквозных рам при больших пролетах и нагрузках с
усилиями в стержнях 2000 кН и более ведется так же, как и
конструирование тяжелых ферм. При пролетах 40...50 м сечения сквозных рам могут
быть ближе к сечениям легких ферм, что позволяет и узлы этих рам
принимать 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
меньших значениях опорной реакции они могут быть плиточными.
Особенности расчета болыненролетныж рам. Для упрощения
статического расчета легкие сквозные рамы приводят, как правило, к
эквивалентным 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
стержневые системы с учетом всех компонентов напряженного состояния.
Наличие мощных универсальных программных комплексов, таких как
ЛИРА-Windows, СПРИНТ, Аврора, STAAD-III и другие, практически
снимает проблемы статического расчета, поскольку даже полное
представление расчетной схемы каркаса здания, как пространственной
системы, вполне поддается расчету за приемлемое время.
Учитывая особую важность внутреннего утла рамного узла сопряжения ригеля со
стойкой (см. рис. 17.7), приведем основные положения его расчета. Нормальные напряжения,
развивающиеся в сечениях, перпендикулярных кривой:
закругления
а, = N / А + М / Ar+ (M / Z)yr/ (г+ у); (17.1)
нормальные радиальные напряжения
G=j!?±du, (17.2)
Г ГУ2
где г — радиус закругления; Z = J —-—dA — функция, заменяющая момент инерции в
криволинейном брусе; у — расстояние от нейтральной оси до рассматриваемой точки; и —
расстояние до рассматриваемой фибры от внутренней кромки узла.
Наибольший изгибающий момент (на 1 см) в поясном листе от радиальных
напряжений, распределенных по ширине листа (в месте прикрепления поясного листа к стенке),
находят по формуле
331

и, соответственно, напряжения:
нормальные
касательные
(17.3)
т = 1,5ст,—. (17.4)
Таким образом, наибольшие приведенные напряжения, возникающие в месте
сопряжения пояса со стенкой, могут быть определены по формуле:
а^ = 7а? + аг2-а,аг + 3т < 1,15Л,уг. (17.5)
Чтобы предотвратить потерю устойчивости стенки, в сжатой внутренней зоне ставят
дополнительные короткие ребра жесткости (см. рис. 17.7, а).
17А Большепролетные арочные озсте&яы
Общие положении. Конструктивные особенности
большепролетных арок. Арка представляет собой распорную систему и требует
устройств, способных воспринять распорные усилия. Чтобы облегчить
опорные 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,
размещаемые по оси опорных шарниров, однако в большепролетных
зданиях с приподнятыми опорами арок может оказаться целесообразным
повышенное расположение затяжки, чтобы увеличить полезную высоту
здания, 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
очертание (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
высоте арки иногда устраивают переломы в верхнем поясе. Высоту
сплошного 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
большей, чем в балках или рамах, с учетом необходимости восприятия
сечениями арок значительных продольных усилий. Сквозные арки
проектируют 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
гибкости из уголков или легких швеллеров. Чаще всего используют
треугольную решетку, иногда с дополнительными стойками.
Для большепролетных арочных систем может быть эффективно
применено предварительное напряжение. Проще всего оно осуществляется
натяжением затяжек с упором в концы арки. Однако используют и другие
приемы, например, принудительное смещение опорных узлов после
установки арки на опоры.
Большепролетные арочные покрытия характерны тем, что
развиваются 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
большепролетных 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
другой— с ее опорой (фундаментом или нижележащей конструкцией).
17.5. Особенности компоновки конструктивных схвт
каркасов большепролетных зданий
Каркасы большепролетных зданий с несущими конструкциями
балочного 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
большепролетных покрытий конструктивных элементов двух направлений
(аналогично балочной клетке) шаг основных несущих конструкций (пролет
продольных элементов) целесообразно принимать большим, чем это
принято в зданиях средних пролетов, а именно: 12,18, а иногда 24 м.
Большие пролеты и большая высота конструктивных элементов
требуют по условиям монтажа применения пространственно жестких и
устойчивых блочных конструкций. Пространственно жесткие блоки могут
333

быть созданы объединением спаренных плоских ферм, рам или арок,
либо применением трехгранных сечений (см. рис. 17.4).
В арочных системах при значительных пролетах шаг арок принимают
также 12 м и более, что приводит к необходимости использования
пространственно жестких главных прогонов, тем более что они,
располагаясь в наклонных плоскостях, работают на косой изгиб. Здесь также
находят применение трехгранные пространственные или четырехгранные (из
спаренных плоских ферм) главные прогоны. Использование плоских
прогонов 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 собою многошарнирные арки с шарнирами на
прогонах. Считается, что ребра передают на главные прогоны только
вертикальную 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,
например, способом надвижки с торца здания. В этом случае может
оказаться целесообразным объединение спаренных плоских арок в блоки,
собираемые 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, ще шаг больше, применение их может быть оправдано
(см. рис. 5.10 [2]). Арки соединяют в ключе (иногда и около опор)
продольными связями с целью повысить общую жесткость здания, что
особенно важно для подъемистых арочных покрытий. Поперечные связи
крайнего блока (или связи крайней пары арок) несут функцию ветровой
конструкции, воспринимающей давление от торцевой стены здания.
Расчет связевой системы на усилия от ветра лучше вести как
пространственной конструкции. При использовании современных компьютеров и
программ задача эта не является сложной. Для упрощенной оценки усилий в
элементах связей пологих арочных систем их иногда рассматривают
условно как плоские фермы (в некоторый запас для связевой решетки).
Компоновки конструктивной схемы каркаса ангаров (ЛЭРМ)
отличаются размещением основных несущих элементов в направлении
большего размера в плане здания. Это объясняется необходимостью устройства
сплошного проема для ворот по фасаду здания. При пролетах 84, 96 м
рациональный 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
непосредственно на ригели. Последнее решение проще с точки зрения
технологии монтажа и выгодно снижением числа элементов связей по верхним
поясам ригелей.
При очень больших проемах ворот (более 100 м) может быть более
рациональной иная компоновка каркаса ангара, в которой над воротами
устанавливают основную несущую большепролетную конструкцию (раму),
и уже на нее опирают стропильные фермы, расположенные в продольном
направлении. Другим своим концом фермы как обычно опираются на
колонны.
Достаточно распространена также консольная компоновка каркаса
ангаров, имеющая некоторые технологические преимущества и
обеспечивающая 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
торцовых каркасов большепролетных зданий. Если в относительно невысоких
зданиях вполне приемлемы обычные компоновки фахверков со стойками
и ригелями, то в зданиях с подъемистыми арочными системами
возникают проблемы. В средней части торца высота здания достигает иногда
нескольких десятков метров, и тогда ни обычная схема со стойками
фахверка, ни схема с использованием горизонтальных ветровых ферм, пролет
которых составил бы 70... 100 м, оказываются нерациональными.
В этом случае вы поступили бы разумно, запроектировав
комбинированную систему с неразрезными ветровыми фермами, опертыми на
главные (более мощные) стойки фахверка, установленные примерно в третях
пролета, и второстепенными стойками фахверка, опирающимися на
ветровые фермы.

Глава 18
ПЕШЕХОДНЫЕ МОСТЫ
Мосты, в том числе пешеходные, образуют особый класс
сооружений, на которые не распространяются требования норм проектирования
стальных конструкций [3]. Для проектирования мостов исторически
сложилась своя форма записи некоторых расчетных положений, своя
система нормативных коэффициентов, имеются особенности конструктивного
оформления деталей и узлов. Понятно, что общая методология
проектирования 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
руководствоваться СНиП 2.05.03-84* [14].
18.1- Общие сведения © пешеходных гостах
Область применения и элементы еешеходныж мостов.
Пешеходные мосты являются частью транспортных сооружений городов и
населенных пунктов и предназначены для обеспечения движения через
естественные и искусственные препятствия. В общем случае к транспортным
сооружениям относят мосты, виадуки, путепроводы и эстакады.
Собственно мостом называют сооружение для обеспечения
движения транспорта и пешеходов через водные препятствия, виадуком —
через глубокие лога, овраги и ущелья; путепроводом называют мостовое
сооружение через автомобильную или железную дороги, улицу. Под
эстакадой понимается мостовое сооружение для пропуска транспорта над
поверхностью земли, пространство под ними может быть использовано
для различных целей. Отдельную группу сооружений составляют
декоративные пешеходные мосты в парках, на территориях выставок и т.п.
Все перечисленные сооружения, предназначенные для пропуска
пешеходов, будем далее называть пешеходными мостами.
Пешеходные мосты состоят из пролетных строений и опор. Крайние
опоры — устои осуществляют сопряжение моста с подходами.
Генеральными размерами моста являются: длина моста (L) — расстояние по оси
между задними гранями крайних опор; ширина моста (В) — расстояние
между перилами в свету; строительная высота пролетного строения
336

{ti) — расстояние от пешеходного полотна до самых нижних частей яро-
летного строения. Используют также понятия расчетной (/) и полной (IJ)
величины пролета. Для мостов через водные преграды существенное
значение имеют уровень межених вод (УМВ), расчетный судоходный
горизонт (РСГ) и расчетный уровень высоких вод (РУВВ) (рис. 18.1).
В пролетных строениях выделяют следующие составные части:
пешеходную часть, основную несущую конструкцию, систему связей и
опорные части.
Пешеходная часть состоит из мостового полотна и несущих
элементов. Мостовое плотно предназначено для обеспечения безопасного
движения пешеходов и отвода воды. Несущие элементы пешеходной части в
общем случае состоят из балочной клетки и плоской или ребристой
плиты. 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
системы, перекрывающие пролеты между опорами и поддерживающие все
остальные элементы. Главные несущие конструкции соединяют между
собой системой связей, обеспечивающих пространственную
неизменяемость и жесткость пролетного строения. Система связей состоит из
горизонтальных (верхних и нижних) продольных ферм и вертикальных
(опорных 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
прогибе от действия временной нагрузки, а также продольные и поперечные
смещения, возникающие в результате температурных деформаций
пролетного строения.
Опоры мостов воспринимают нагрузки от пролетных строений и
передают их на грунт через фундаменты. Промежуточные опоры пешеход-
L
Рис. 18.1. Схема моста через судоходную реку
337

ных мостов, сооруженных через реки, могут испытывать воздействия
льда и навала судов. Устои моста, кроме того, могут работать как
подпорные стенки, воспринимая давление от насыпи подходов в случае их
устройства в одном уровне с пешеходной частью. Опоры пешеходных
мостов 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
выполнены полностью или главным образом из металла. Опоры моста или
некоторые части металлических пролетных строений могут быть
железобетонными, 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
сходы 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
очертания, разветвляющимися. Минимальную площадь занимают
спиральные пандусы (рис. 18.2). Для предотвращения образования гололеда в
них предусматривают устройство отопительной системы.
Широкое применение в настоящее время получили закрытые
пешеходные мосты, которые могут быть оборудованы эскалаторами,
обеспечивающими подъем и спуск с моста. Закрывают мосты прозрачным
материалом, как правило, органическим стеклом.
Архитектурные и градостроительные асеекты строительства
пешеходных мостов. Пешеходные мосты наряду с другими
транспортными сооружениями решают важные градостроительные задачи и являются
неотъемлемой частью
архитектурного облика городов и
поселков. Обеспечивая
рациональное движение потока
пешеходов, обслуживая
основную массу городского
населения, пешеходные мосты,
вследствие разнообразия и
открытого расположения своих
конструкций, оказывают
значительное эстетическое
воздействие. Поэтому художест-
Рнс. 18.2. Спиральный пандус (Германия) венная выразительность пе-
338

шеходных мостов, наряду с задачами чисто утилитарного характера,
является неотъемлемым элементом процесса проектирования.
Неповторимый художественный образ создается ритмической
организацией конструктивных форм, чередованием элементов и интервалов
между ними. Пешеходные мосты достаточно часто сооружают весьма
подъемистыми, с лестничными ступенями и это придает им
своеобразную прелесть, законченность, яркую выразительность. Единство
композиции, ясность архитектоники сооружения достигаются наличием
некоторой 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,
художественного литья перильные ограждения, осветительные колонны и фонари.
Отличительным 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
архитектурно-планировочное решение, увязка с архитектурным ансамблем
окружающей городской застройки или ландшафтом, которые влияют на
общую композицию моста, его схему и конструкцию.
Таким образом, используя пропорции, ритм, масштаб, фактуру, цвет,
приемы нюанса и контраста и другие средства
архитектурно-художественной выразительности, возможно создать сооружение, в котором
функциональная и техническая целесообразность сочетаются с
художественной 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.
Кроме того, металлические мосты могут быть комбинированной системы,
образованные путем сочетания простых или добавлением к простым
системам дополнительных элементов.
Балочные мосты являются внешне безраспорными, остальные могут
быть как распорными, так и безраспорными. В зависимости от
статической схемы балочные мосты выполняют разрезными, неразрезными и
консольными. Главные балки проектируют сплошностенчатыми и
сквозными.
Металлические арочные мосты, являясь распорной системой,
требуют меньших затрат металла, но для восприятия распора опоры моста при-
339

ходится выполнять более мощными. По своей конструкции арочные
мосты 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
натяжения передается на грунт или устои, в этом случае система является
распорной, при креплении оттяжек к концам балки жесткости система
становится внешне безраспорной. Разновидностью безраспорных конструкций
являются вантовые системы, образованные балкой жесткости и гибкими
растянутыми прямолинейными вантами.
В пешеходных мостах наибольшее распространение получили
балочные системы, достаточно широко применяются также традиционные
арочные системы. Висячие мосты конца XIX — начала XX века
украшают города по сей день. В последние 20...30 лет наибольшее
распространение получили вантово-балочные мосты, которые за рубежом не без
основания 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
нижележащих конструкций. Одежда пешеходного полотна по железобетонной
плите состоит из выравнивающего слоя (-10 см), гидроизоляции, защитного
слоя и асфальтобетонного или цементобетонного покрытия. При
деревянном многослойном настиле пешеходным полотном является
продольный защитный верхний слой.
18.2. Конструкция современных пешеходных мостов
18.2.1. балочные пролетные строения
Пролетные строения со сплошными главными балками имеют
наиболее широкое применение благодаря ряду достоинств: простоте
конструкции; 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

.11
ТТ~ГТТТТТТТ1Г1О1[131ХЗ>
! i
Рис. 18.3. Системы балочных пролетных 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 / > 80 м) высоты.
Увеличение высоты опорных сечений диктуется распределением
изгибающих моментов по пролету. Очертание нижнего пояса может быть
ломаным или криволинейным. Балки с криволинейным очертанием
нижнего пояса более сложны в изготовлении, но отличаются хорошими
архитектурными качествами.
Неразрезные балочные пролетные строения чаще всего проектируют
трехпролетными. Применение неразрезных систем с большим числом
пролетов сдерживается усложнением конструкции температурных
деформационных швов. Кроме того, трехпролетные балки
предпочтительнее по архитектурным соображениям. Соотношение средних и крайних
пролетов неразрезных балок /2 / /j 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.
широко применялись балочно-консольные системы. Современные
фундаменты позволяют существенно снизить осадки опор, в связи с чем
неразрезные системы нашли применение при любых грунтовых условиях.
341

5SSSS35E
цет
до3...4м
до5...6м
Рас. 18.4. Поперечные сеченая балочных мостов
В главных балках пешеходных мостов используют двутавровое или
коробчатое поперечное сечение. При малых пролетах (/ < 8... 10 м)
применяют прокатные широкополочные двутавры. В остальных
случаях — сварные тонкостенные двутавры и коробчатые сечения с
вертикальными или наклонными стенками (рис. 18.4), которые компонуют из
листовой стали.
Высота главных балок в пролете (h) и над опорами (Н) зависит от
многих факторов. В случае применения сварных составных сечений
необходимо учитывать значения hopt и кЫп, вычисляемые по формулам,
приведенным 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... 1/30 /. Высота неразрезных и консольных балок с постоянной
высотой сечения обычно составляет 1/20... 1/30 /. Неразрезные балки
переменной высоты с коробчатым сечением могут иметь очень небольшую
высоту в середине пролета (до 1/60 /), высота сечения балки над опорами Н
обычно в 1,3... 1,8 раза и более превышает высоту в пролете h (рис. 18.3).
Современные пешеходные металлические мосты проектируют, в
основном, с железобетонной или стальной ортотропной (цельнометалличе-
342

ской) плитой проезжей части. Применяют также деревянное полотно в
виде 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
клетки (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
в виде сварного пакета. Толщину стенки назначают не менее 10 мм.
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
того плита совмещает функции верхних продольных связей,
воспринимающих горизонтальную нагрузку. Пролетные строения со стальным
настилом изготовляют из отдельных модульных элементов, свариваемых в
заводских условиях или на монтаже в коробчатые балки, объединенные
ортотропными плитами и поперечными связями. Поперечные связи
монтажных блоков выполняют сварными, болтовыми или болтосварными.
)&>5°™
.firm
Рис. 18.5. Конструкция сварных сплошностенчатых балок:
а — поперечное сечение; б, в — составные полки; г — ребра жесткости; д — изменение сечения полки
343

Стенки и нижнюю плиту коробчатых балок часто укрепляют с
внутренней стороны системой продольных и поперечных ребер.
В пешеходных мостах применяют, в основном, одноконтурные
коробчатые сечения (рис. 18.4, б, е), недеформируемость контура
обеспечивают устройством поперечных решетчатых связей в пролете и сплошно-
стенчатых диафрагм — в опорных сечениях.
Ортотропная плита состоит из горизонтального листа настила
толщиной 12... 16 мм, подкрепленного продольными ребрами и поперечными
ребрами (балками). Продольные ребра в большинстве случаев
выполняют из листового проката, иногда применяют швеллеры, тавры, уголки,
сварные конструкции замкнутого профиля, что позволяет увеличить
расстояние между продольными ребрами (рис. 18.6). При небольшой
ширине габарита применяют опирание ортотропной плиты непосредственно
на главные балки. В этом случае настил подкрепляют только
поперечными ребрами.
При традиционной конструкции ортотропной плиты поперечные
ребра имеют перевернутое тавровое сварное сечение из листового проката
толщиной 10...20 мм. Расстояние между поперечными ребрами
принимают в широких пределах — от 1,5 до 5...6 м. Продольные ребра жесткости
проходят непрерывно по всей длине, для чего в поперечных балках
предусматриваются вырезы (рис. 18.6, д).
Для пешеходных мостов, в связи с небольшими габаритами,
целесообразно применение коробчатых блоков полной заводской готовности.
а)
т
б)
в) *
XJ
г) *
а
а
1" т
Рис. 18.6. Виды ортотропиого настила и крепление продольных ребер к пооеречным
балкам:
а...г — конструкции продольных ребер; д — узлы пересечения ребер
344

а)
б) 4
Я А XX
' 7 ]
5
1
Рис. 18Л, Сварной монтажный стык главных балок:
а — фрагменты стыкуемых элементов; б — конструкция стыка; 1...7 — последовательность наложения
сварных швов
Монтажные стыки главных балок осуществляют с применением сварки
или комбинированными — болтосварными. Цельносварные стыки
устраивают с применением вставок в стенке и верхнем поясе (рис. 18.7).
Ширина 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
образования стыка по концам стенок стыкуемых блоков предусматривают
овальные технологические вырезы и роспуски поясных швов длиной не
менее 300 мм. При оформлении стыка вначале устанавливают
вертикальные -накладки и затягивают высокопрочные болты. Затем осуществляют
заварку стыковых швов поясов. Для удобства монтажа целесообразно
первым выполнить стык верхнего пояса с применением
компенсирующей вставки, а потом стык нижнего пояса. Далее устанавливают
прокладки в технологические вырезы и накладки на них с высокопрочными
болтами. 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
строениях совместная работа обеспечивается или на части длины в зоне
положительных изгибающих моментов, или на всей длине созданием
предварительного натяжения в зоне отрицательных моментов для восприятия
бетоном растягивающих напряжений.
Включение железобетонной плиты в совместную работу со
стальными балками снижает расход металла на пролетное строение, увеличивает
345

а)
•
ixxt '^tti
44
44
^4
44
4-4-
$-4
4-4-
444 Г -\ 444
•♦•■»■» \ J 4-4-4-
Г <
б)
|д д Д/^^д д л
>
А А «Л А
Д Д
А А
Л А
Л Д
Л Д
Л А
дд
л д
S
A A £J/.&yji А А]
А А А Ч?&#''Д А А|
3
Рис. 18.8. Болтосварной монтажный стык:
а — фрагменты стыкуемых элементов; б — конструкция стыка
жесткость конструкции и позволяет соответственно уменьшить
строительную высоту. Совместная работа железобетонной плиты и стальной
части балки обеспечивается установкой жестких упоров, гибких
арматурных 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
местные напряжения в бетоне. Гибкие арматурные связи (рис. 18.9, б, в)
устраивают из наклонных арматурных стержней с отгибами на концах или в
виде петель. Желательно располагать их по направлению главных
растягивающих напряжений в бетоне плиты. Гибкие арматурные связи обычно
объединяют в группы и приваривают к металлическим листам, которые
во время монтажа крепят к стальным балкам высокопрочными болтами
или сваркой. В качестве гибких связей достаточно часто используют
короткие вертикальные стержни с головкой, которые закрепляют
контактной сваркой (рис. 18.9, г).
Железобетонную плиту устраивают монолитной или из сборных
блоков. Последние значительно ускоряют строительство, особенно в зимних
условиях, но при этом усложняется конструкция упоров. Сборные
железобетонные 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
пространственным каркасом или спиральными обоймами вокруг отверстий
(рис. 18.9, д). Шов между железобетоном и сталью омоноличивают инъе-
346

б)
д)
Рис. 13.9. Конструкции анкерных креплений железобетонной шшты со стальной
балкой
цированием цементно-песчаным (полимер-цементным) или клеепесча-
ным раствором.
Существуют оригинальные отечественные конструкции соединений
железобетонной плиты со сталью. Одно из них — это объединение на
высокопрочных болтах (рис. 18.10, а) или сварке (рис. 18.10, б) посредством
закладных деталей, состоящих из гибкого горизонтального листа с
отверстиями для болтов, боковых листов, охватывающих нижнюю часть
железобетонного 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
пешеходных мостах для перекрытия пролетов от 30...40 м и более. Наиболее
распространены пролетные строения с решетчатыми фермами при
движении 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

Fhc. 18.10. Конструкция объединения стальной балки с железобетонной плитой
49 м
Рис. 18.11. Торгово-пешеходньш мост через р. Москву
строительную высоту. Компонуются они, как правило, из двух главных
ферм, балочной клетки и системы связей. Высота ферм диктуется
необходимостью обеспечения габарита пешеходной части 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
легким фермам (см. §7.6 [1]), а при больших — тяжелым фермам [6]. Высоту
разрезных ферм (h) с движением поверху и понизу назначают в пределах
1/6...1/10 /, а неразрезных ферм — 1/10..,1/15 /. Оптимальная длина
панели (d) ферм с дополнительными стойками равна 1,0... 1,2 высоты фермы,
при отсутствии стоек — 0,6...0,8 высоты.
На рис. 18.11 представлена схема торгово-пешеходного моста
«Багратион» через Москву-реку, сданного в эксплуатацию в 1998 году. Это пер-
348

вый крупный пешеходный мост в России, возрождающий традиции
средневековых городов, когда мосты были воротами города и жизненным
пространством 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,
верхней— 11. Нижний пешеходный уровень представляет собой полностью
застекленную крытую галерею. Второй уровень частично застеклен,
средняя часть открыта и представляет собой смотровую площадку.
18.2.2. Рамные, арочные, висячие и вантовые системы
Рамная система находит применение в пешеходных эстакадах и
путепроводах благодаря более рациональному, по сравнению с балочными
системами, распределению усилий и возможности получения
конструкций с малой строительной высотой при достаточно высокой
вертикальной жесткости. Легкие стальные опоры рамных систем позволяют
добиться благоприятного внешнего вида сооружения и одновременно
улучшить условия эксплуатации транспортных магистралей, пересекаемых
мостом.
В рамных системах небольших пролетов применяют вертикальные
стойки с шарнирным опиранием на фундаменты, что снижает
чувствительность системы к изменениям температуры и неравномерным осадкам
опор (рис. 18.12, а).
Достаточно широкое распространение получили металлические
рамные мосты с наклонными стойками. Конструкции по схемам,
представленным на рис. 18.12, в, г, явились дальнейшим развитием системы
«бегущая 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
пролетов /j и /2 в многопролетных рамах принимают примерно 3:1.
Значительный распор, передаваемый наклонными стойками на
фундаменты, 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

е)
г)
Рис. 18.12. Схемы рамных пролетных строений
напряженное состояние стенки требует особого внимания к обеспечению
ее устойчивости.
Арочные металлические пролетные строения пешеходных мостов
обладают большим разнообразием конструктивных решений. Основное
достоинство арочных систем — художественная выразительность.
Пешеходные арочные мосты применимы практически при любых пролетах,
легко вписываются в городскую застройку. Арочными были первые
пешеходные мосты Санкт-Петербурга. Конструкция арок состояла из
чугунных 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
пешеходных мостах применяют, в основном, двухшарнирные арки (рис. 18.13,
а), которые мало чувствительны к изменениям температуры и осадкам
опор. При этом двухшарнирные арки обладают достаточной жесткостью.
350

г)
переменное
t_
i
Рис, 18.13. Основные системы арочных мостов
Величина стрелы подъема/в большой степени влияет на работу арок
и опор. Увеличение ее снижает усилия в арках и облегчает конструкцию
опор, но при этом возрастает строительная высота. В существующих
мостах отношение/// колеблется в широких пределах (1/2...1/18). Чаще
всего применяют арки с пологостью 1/7..Л/8.
При наличии слабых грунтов арочные пролетные строения
проектируют с гибкой затяжкой (рис. 18.13, б), воспринимающей распор.
Для повышения эффективности арочных мостов стремятся
использовать 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
системы. На рис. 18.13, г показана схема безраспорного пролетного строения,
скомпонованного двумя наклонными арками и балкой жесткости, в
уровне которой устроена пешеходная часть.
В пешеходных мостах малых и средних пролетов арки применяют, в
основном, сплошностенчатого двутаврового сечения. При больших
пролетах сечения конструируют замкнутого коробчатого или круглого
(трубчатого) профиля. Высоту сечения сплошноетенчатых 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 (серповвдные 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 продольных и поперечных
связей.
Основа несущих конструкций висячих и вантовых пешеходных
мостов — система растянутых элементов из высокопрочных стальных
канатов или вант, к которым подвешивают балки жесткости с пешеходной
частью. В практике строительства висячих и вантовых мостов применяют
одно-, двух- и трехпролетные системы. Наряду с классической схемой
висячего моста (рис. 18.14, а), применяют системы повышенной жесткости,
352

Рис. 18.15. Схемы вантовых мостов
вертикальные прогибы которых в сравнении с системой «нить-балка»
меньше на 30...50%. Жесткость висячих мостов повышают за счет
постановки дополнительных нисходящих вант, использования треугольных и
наклонных подвесок (рис. 18.14, б, в, г). Распор может быть передан на
балку (рис. 18.14, д).
В пешеходных мостах находят применение висячие системы,
отличающиеся отсутствием балки жесткости и представляющие собой
геометрически изменяемые конструкции. Временная вертикальная нагрузка
уравновешивается в результате искажения геометрической схемы.
Пешеходная часть может быть уложена непосредственно на кабели (ленточная
конструкция) или подвешена к ним. В последнем случае кабели могут
выполнять 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, а),
когда все ванты сходятся на вершине пилона, ярусно-параллель-
ные — «арфа» (рис. 18.15, б) и веерные или ярусно-расходящиеся (рис.
18.15, в). По конструктивным и архитектурным соображениям в ванто-
вых мостах нередко применяют однопилонные 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 / в висячих системах и
1/50... 1/120 / 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
жесткости работает не только на изгиб, но и на продольную силу, что не-
12-447 353

Рис. 18.16. Вид пилонов в поперечном сечении моста
сколько увеличивает
расход 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
подвески висячего моста
поддерживают балку
жесткости 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
соображениям 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
жесткость пролетного строения. Расположение их в одной плоскости
создает благоприятный внешний вид моста, но ухудшает условия работы
балки 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..Л/12 пролета.
Канаты висячих мостов, как и гибкие ванты, изготовляют из
спиральных, 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-образных пилонов наиболее характерно расположение
стоек с двух сторон балки жесткости. В этом случае балка жесткости и
стойки пилонов опирают на подферменную площадку опоры. Для
А-образных 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
может опираться на балку жесткости в надопорном сечении.
В большинстве случаев стойки пилонов жестко защемляют в
конструкции опоры или балки жесткости. Шарнирное опирание стоек
используют при монтаже с последующим закрытием шарниров.
18,3. Особенности превалирования пешеходных мостов
18.3.1. Общие сведения о проектировании пролетных строений
Пролетные строения пешеходных мостов проектируют в
соответствии с требованиями норм [14]. Ширину пешеходных мостов
устанавливают в зависимости от расчетной перспективной интенсивности движения
пешеходов в час пик и принимают не менее 2,25 м. Ширину мостов,
сооружаемых вне населенных пунктов, допускается принимать равной 1,5
м. При этом средняя расчетная пропускная способность 1 м ширины
пешеходного моста составляет 2000 чел/ч, а лестниц—1500 чел/ч.
Габариты приближения конструкций под пешеходными
путепроводами, расположенными на улицах и дорогах населенных пунктов,
назначают в соответствии с требованиями норм (рис. 18.17). При этом высоту
габарита h (расстояние от поверхности проезда до верхней линии
очертания габарита) назначают не менее 5 м. Размер Ьх определяется
конструкцией 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.
0,5
()
.,0
4,0
Опоры пешеходных
мостов, пересекающих
городские скоростные
магистрали и улицы, следует
располагать на расстоянии
не менее 1 м от ограждения
проезжей части улиц (бор- Q5 / Т [|~Л / Г SX\Sb
дюра), и не менее 1,5 м от 4--£j*--5,C \j I h>5,Q | Q
кромки проезжей части,
если ограждение
отсутствует. Ширина
разделительной полосы с должна быть
не менее 2 М ПЛЮС Ширина Рис. 18.17. Схемы габаритов приближения конст-
О1раждения.
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
несудоходных пролетах судоходных рек возвышение низа пролетных
строений над расчетным уровнем высоких вод назначают в соответствии с п.
1.23 норм проектирования [14].
Конструкции пешеходных мостов рассчитывают на действие
постоянных нагрузок, временных от пешеходов и прочих временных —
ветровой, температурной, сейсмической и др. При расчете на одновременное
воздействие нескольких временных нагрузок вводят коэффициенты
сочетаний, учитывающие пониженную вероятность одновременного
появления максимальных значений рассматриваемых нагрузок. Вертикальную
нормативную равномерно распределенную нагрузку от пешеходов
принимают равной 3,92 кН/м2, коэффициент надежности по нагрузке yf=1,18.
В связи с эксплуатацией мостов на открытом воздухе к применяемым
сталям предъявляют повышенные требования хладостойкости,
коррозионной стойкости и т.п. Выбор марки стали определяется условиями
эксплуатации. В зависимости от расчетной отрицательной температуры
различают три типа исполнения конструкций мостов: обычное — при
расчетной минимальной температуре 6min>-40°C; северное «А» — при
-40°С > 6^ > -50°С и северное «Б» — при 0min < -50°С. За 9min
принимают среднюю температуру наружного воздуха наиболее холодной
пятидневки 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
внедряется листовой прокат из сталей 15ХСНДА и 10ХСНДА по ТУ-1-5120-92.
Кроме перечисленных сталей, применяемых в виде проката, для
изготовления опорных частей и шарниров используют литую сталь марок 20Л,
ЗОЛ и 35Л по ГОСТ 977-88. В висячих и вантовых мостах применяют
канаты и ванты из высокопрочной проволоки и тросов заводского
изготовления.
Статический расчет главных несущих элементов следует проводить
по расчетной схеме, наиболее полно отражающей конструктивные осо-
356

бенности пролетного строения. В большинстве случаев усилия,
напряжения и перемещения вычисляют в предположении упругой и линейной
работы пролетного строения. Геометрическая нелинейность серьезно
сказывается на работе висячих, вантовых и относительно гибких
комбинированных пролетных строений. Физическая нелинейность,
связанная с развитием пластических деформаций, учитывается в расчетах
элементов на прочность и устойчивость.
При определении усилий от постоянной нагрузки необходимо
учитывать способ монтажа пролетного строения, что особенно важно при
строительстве мостов через водные преграды или глубокие ущелья.
Пролетные строения пешеходных мостов представляют собой
пространственные 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
элементов 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
возможностью наиболее просто учитывать различные краевые условия,
особенности 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
определяется через его узловые перемещения и реактивные усилия
взаимодействия 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
трехмерная. Стержневые элементы моделируют работу балочных и ферменных
стержней, двухмерные — плитных и оболочечных конструкций с
различными силовыми и деформационными параметрами. Трехмерные
конечные элементы аппроксимируют массивные части конструкции.
В практике проектирования применяют вычислительные комплексы
Лира, COSMOS/M, NASTRAN, PACK, комплекс МИИТа (ТУПС) и дру-
357

гие. Вычислительные комплексы позволяют определять усилия,
напряжения и перемещения в предположении линейно-упругой и н- линейной
стадиях работы металлического пролетного строения. Нелинейные
расчеты позволяют учесть упругопластическую стадию работы материала
(физическая нелинейность) и геометрическую нелинейность
сооружения. Учет геометрической нелинейности особенно важен для пролетных
строений комбинированных систем, вантовых и висячих мостов.
В инженерной практике, наряду с пространственными расчетами,
часто пользуются упрощенными приближенными методами определения
усилий, при которых конструкция разделяется на плоские системы, а
взаимодействие и особенности работы отдельных частей конструкции учитывают
простейшими методами (введением коэффициентов и т.п.), которые
определены в большинстве случаев по опыту проектирования и
исследовательскими работами. Расчетные усилия в плоских конструктивных
системах — главных балках (фермах, арках), продольных горизонтальных и
поперечных фермах — вычисляют в зависимости от вертикальной и
горизонтальной нагрузок.
Особенностью статического расчета висячих систем является
необходимость учета их геометрической нелинейности. Необходимость такого
расчета определяется кинематической подвижностью гибкой висячей
нити. При этом необходимо иметь в виду, что наиболее невыгодное загру-
жение висячих пролетов — загружение временной нагрузкой
полупролета. Последнее вызывает S-образный изгиб балки жесткости.
Статический расчет вантовых мостов допускается выполнять без
учета геометрической нелинейности, но при этом необходимо следить за
тем, чтобы в гибких вантах ее появлялись сжимающие усилия, которые
выключают их из работы. Иначе требуется корректировка конструкции.
Важной проблемой проектирования висячих и вантовых мостов
является обеспечение их аэродинамической устойчивости, т, е. способности
противостоять воздействиям ветра. Необходимость проведения
аэродинамических расчетов связана с повышенной деформативностью висячих
и вантовых мостов, их относительно малым собственным весом,
неблагоприятными динамическими свойствами (низкие частоты и малые
значения логарифмических декрементов колебаний).
Металлические пролетные строения» их элементы и соединения
следует проверить на прочность, устойчивость и жесткость, т. е. по двум
группам предельных состояний. Расчет прочности элементов
изгибаемых в одной из главных плоскостей, элементов изгибаемых в двух
главных плоскостях, а также стержней, подверженных действию осевой силы
с изгибом, выполняется по критерию предельных относительных
пластических 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
сопротивления поправочных коэффициентов %
18.3.2. Проектирование балочных цельнометаллических пролетных
строений
Цельнометаллические пролетные строения, состоящие из сплошных
или сквозных главных балок, ортотропной плиты проезжей части и
системы связей, представляют собой пространственную конструкцию,
напряженно-деформированное состояние которой может быть оценено с
помощью указанных выше программных комплексов методом конечных
элементов. В случае выполнения упрощенных расчетов, что находит
применение в инженерной практике и неизбежно при курсовом и
дипломном проектировании, пролетное строение расчленяют на отдельные
плоскостные элементы.
Расчет главных балок со сплошной стенкой должен осуществляться с
учетом совместной работы балки с ортотропной плитой. При
определении геометрических характеристик двутавровых или коробчатых балок в
расчетное сечение вводят ширину ортотропной плиты Ь^ с учетом
неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине поясов
балок (рис. 18.18).
Достаточную точность дает методика, изложенная в [16]. Расчетная
ширина разрезного пролетного строения (bej) может быть определена с
помощью табл. 18.1. В зависимости от отношения ширины
рассматриваемой пластины к пролету Ъ /I и положения рассматриваемого сечения в
пролете xt /1 по таблице определяют коэффициент if, который
характеризует неравномерность распределения нормальных напряжений по
ширине пластины при упругой работе стали. Переход к упругопластической
стадии работы, с ограниченными пластическими деформациями,
учитывают коэффициентом а, равным отношению минимальных нормальных
напряжений в рассматриваемой части ортотропной плиты к
максимальным a=amin / amax=1,5АЧ),5.
Таблица 18.1. Значение коэффициента К
Xi/l
0
0,25
0,5
Значение коэффициента К при 6/7, равном
0
1
1
I
0,04
0,91
0,98
0,99
0,10
0,80
0,97
0,98
0,20
0,65
0,90
0,92
0,40
0,45
0,70
0,74
0,80
0,27
0,39
0,42
359

Рис. 18.18. Схема определения расчетной ширины ортотрооной плиты
Окончательное значение эффективной ширины пояса, включенного в
расчетное сечение, будет равно: bef = 1уД.. Редукционный коэффициент
v получают в зависимости от значения а:
а
V
1,0...0,7
1,0
0,5
0,85
0,38
0,72
0,25
0,65
0,20
0,60
0,10
0,52
0,00
0,43
Элементы ортотропного настила работают как верхний пояс главных
балок и как плита пешеходной части. В первом случае напряжения в
листе настила и продольных ребрах (ахс) получают по общим усилиям {М) в
главных балках. Напряженное состояние ортотропной плиты на местный
изгиб определяют расчетом по упрощенным моделям методами
строительной механики. Это, прежде всего, методы, основанные на замене
ортотропной 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)
рассматривают как систему балок на упругих или жестких опорах. Так,
например, стальной лист можно представить неразрезной балкой, опорами
которой являются продольные ребра. Если настил расположен между попе-
360

а)
и
Вид А
' 1
1
777- 7
il
\
I
777
i
777
#?
1
H
777- "7/
1
=3
1 I I I Г
4
1-1
0,21
3-3
-77У
777
777
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
упругих опорах (рис. 18.19, б, в, г).
Определение усилий в неразрезных балках на упругих опорах
выполняют с помощью линий влияния опорных реакций Rh опорных Мо и
пролетных М05 изгибающих моментов (рис. 18.20). Загружение участков
линий влияния осуществляют равномерно распределенной пешеходной
нагрузкой. Ординаты линий влияния определяются по таблицам 11.1 и 11.2
[15] и другой справочной литературы в зависимости от характеристики
жесткости а, равной а =53 / (6£7Д), где S — шаг расположения упругопо-
датливых опор,
/—момент инерции
поперечного сечения
соответствующей неразрезной балки,
А — прогиб упругой
опоры при воздействии на
нее груза Р=1. Величина
а колеблется в пределах
от 0,001 (весьма гибкие
опоры) до 20 и более
(мало Проседающие ОПОры). Рис. 18.20. Линии влияния опорных реакций и изги-
Mq
Mqs
& i+j
>i+2
ЛВМ0
Выражения, необходи-
бадощих 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
Лист настила
Продольное ребро
S
а
1
I балки
12
/.
/ опоры
/,
h
А
(1-х)2*1
3EIJ
d-yfy
3EI2L
Примечание:/|,/2- моменты инерции поперечных сечений продольного и поперечного ребер; х -
расстояние от поперечного ребра до оси рассчитываемой балки (настила); HI м- ширина балки
(настила); у - расстояние от стенки главной балки до рассчитываемой продольной балки.
Проверку прочности элементов ортотропной плиты необходимо
проводить с учетом напряженного состояния от работы настила и
продольного ребра в составе главных балок (стхс, а
ус,
и местного изгиба плиты
(охр, оур,
,) [14]. В СНиПе [14, прил.18] выделены для проверки
прочности наиболее опасные места, в которых происходит векторное сложение
напряжений от обоих воздействий. Это условие прочности имеет вид:
rx<Rym, (18.1)
где т, тх —коэффициенты условий работы, /И|=1/£ (^ — коэффициент,
учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций в
сечении); Xi — коэффициент влияния остаточных сварочных напряжений;
\|/ — коэффициент, зависящий от 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 сталежелезобетонной балки комплектуется из
стальной части и совместно с ней работающей железобетонной плиты.
Составляющие сечение материалы имеют различные механические
характеристики и в зависимости от действующих в них напряжений могут
работать в упругой, упругопластической и пластической стадиях.
Точный учет всех особенностей работы сечения достаточно сложен, поэтому
при расчете по прочности считают, что стальная часть балки работает
упруго, а в бетоне и арматуре плиты напряжения могут не достигать
расчетных сопротивлений (упругая работа) или быть им равными (пластическая
362

Рмс. 18.21. Схема для определения расчетной ширины
сталежелезобетонной плиты
стадия). Независимо от
стадии работы расчеты
выполняют, исходя из
гипотезы плоских
сечений, без учета
податливости швов
объединения стальной и
железобетонной частей.
Рекомендации по расчету
сталежелезобетонных конструкций изложены в §16.1. Здесь будут
рассмотрены лишь особенности определения расчетной, ширины
сталежелезобетонной 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
стальной конструкции с учетом размеров вута (рис. 18.21). Ширину участка
плиты между балками (Ь) принимают равной 6=/п / 2. Если пролет балки
меньше четырехкратного пролета плиты (/п), то 6=а+6/5/. Расчетная
ширина консольной части плиты (Ьс) зависит от отношения вылета консоли (/J
к пролету балки. Если пролет балки превышает двенадцатикратный
вылет консоли, то 6С"/К, в противном случае bc=a+6tsiiC9 но не более вылета
консоли и не менее 1/12 пролета балки.
18.3.4. Динамический расчет пешеходных гостов
Движение по мосту группы людей, в случае возникновения у
пролетного 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
равномерного поступательного движения, совершает периодические колебания в
вертикальной и горизонтальной поперечных плоскостях, а кроме того, то
«забегает» вперед, то «отстает» от равномерно движущихся текущих
координат. При этом колебания центра тяжести в направлении движения и в
вертикальной плоскостях совершаются с периодом, равным
продолжительности одного шага, а в поперечном горизонтальном
направлении — с периодом, равным продолжительности двух шагов.
Естественно, что периодические колебания массы тела движущегося
человека приводят к возникновению соответствующих периодических
363

а)
Рис. 18.22. Динамические расчетные схемы
инерционных сил и,
следовательно, идущий
человек оказывает не
только статическое
воздействие, но и динамическое.
Во избежание явления
резонанса нормы [14]
требуют, чтобы в
пролетных строениях
пешеходных мостов
расчетные периоды
собственных колебаний в
незагруженном
состоянии по 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
периоды колебаний соответствуют частотам 2,22 ... 1,67 Гц в вертикальном
направлении и 1,11 ... 0,83 Гц — в горизонтальном. Нормы требуют
также учитывать возможность загружения моста толпой, создающей
нагрузку 0,49 кН/м2.
Из динамики сооружений известно, что собственные
колебания — это частный случай свободных колебаний, когда последние
совершаются по типу стоячей волны с определенной частотой и формой.
Вызванные некоторыми начальными возбуждениями, любые свободные
колебания сооружения состоят из суммы частных собственных колебаний,
то есть имеет место спектр собственных колебаний, отражающий
фундаментальные свойства той или иной системы.
Частоты собственных колебаний в вертикальной или горизонтальной
плоскостях разрезных пролетных строений, представляющих собой
системы с бесконечным числом степеней свободы (рис. 18.22, а),
определяются выражением:
(k=l,2,3
(18.2)
где о\ — круговая частота (за 2тг секунд); т — равномерно
распределенная 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
собственных колебаний заменяются условной сплошной балкой с
эквивалентной жесткостью.
364

Сложные конструктивные схемы пешеходных мостов рассматривают
как дискретные динамические расчетные схемы в виде системы
невесомых стержней с точечными сосредоточенными массами. Последние
собираются с примыкающих участков стержня. Линейным перемещениям
отвечает обычное понятие массы, а угловым — момент инерции массы
относительно осей вращения. Таким образом, реальное сооружение с
распределенными массами моделируется системой с «-степенями свободы.
Характеристики собственных колебаний в вертикальном и
горизонтальном (поперечном) направлениях вычисляют раздельно.
Уравнения свободных колебаний системы с л-степенями свободы в
матричной форме имеют вид:
(A-XiE)Y! = 0, (18.3)
где У. — вектор-столбец перемещений по ьй форме собственных
колебаний; ^{=1/со;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.:
A=DM; D =
8,„
щ
0
0
0
0
... 0
... 0
... т.
(18.4)
Условие нетривиальности решения однородного уравнения (18.3)
имеет вид:
Det(A-XtE)=0. (18.5)
Это уравнение называется характеристическим. Раскрывая его,
получим уравнение л-й степени относительно Xh решение которого дает п
положительных корней, соответствующих частотам свободных колебаний
СО;, С02, ...С0п.
Формы собственных колебаний (Yk{) с точностью до постоянного
множителя определяются из решения уравнения (18.3) после
подстановки найденных значений частот. Числа А,, и векторы Yki — это собственные
числа и собственные векторы матрицы А, они могут быть найдены по
специальным стандартным программам на ПЭВМ.
Частоты собственных колебаний в горизонтальной плоскости,
перпендикулярной оси пешеходных мостов с разрезными балочными
пролетными строениями и высокими опорами стоечного типа, должны быть
проанализированы по дискретной расчетной схеме, приведенной на рис. 18.22, б.
При этом следует учесть фактическое положение опорных частей.
365

л
/V
V
t, с
Особенности динамических
свойств висячих и вантовых мостов
(низкие частоты, малые значения
коэффициентов затухания),
неблагоприятные аэродинамические
формы поперечного сечения балок
жесткости делают их весьма
чувствительными к действию ветра. В
связи с этим для указанных систем
весьма важной проблемой является
обеспечение аэродинамической
устойчивости, т. е. способности
противостоять воздействиям ветра.
Даже при равномерном обтекании
пролетного строения потоком
воздуха могут возникнуть
вынужденные колебания. Основная причина
этого явления заключается в
образовании 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
5, направленная перпендикулярно движению потока воздуха (рис.
18.23, 6, в).
Частота срыва вихрей Кармана и собственно периодичность силы S
зависит от многих факторов: скорости потока ¥и его плотности р,
размера сооружения Д формы конструкции.
Безразмерный параметр, учитывающий форму при обтекании
жидкостью или газом, известный под названием «число Струхаля» —
Sh = 9D / V. В общем виде возмущающее воздействие равно
S=/(p,Sft)sin9-/, (18.6)
где 9 — круговая частота образования вихрей Кармана.
В случае совпадения частоты 0 действия силы S с собственными
частотами соВ5 сог, сок пролетного строения мост начнет испытывать
колебания либо в вертикальной, либо в горизонтальной плоскостях. Могут воз-
366
Рис. 13.23. Образование к срывы вихрей:
а, б — возникновение дорожки Кармана; в —
график силы 5 от вихрей Кармана

никнуть и крутильные колебания за счет несимметричного приложения
возмущающих сил S{ , S2. 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
отдельными порывами. Вследствие этого причинами аэроупругих
колебаний 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 изгибно-крутильные
быстро нарастающие во времени самовозбуждающиеся колебания, причина которых в
несовпадении точки приложения аэродинамических сил с центром изгиба поперечного
сечения балки жесткости моста.
Еафтинг — наблюдается у элементов конструкции, находящихся в турбулентном
потоке 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
частот СО/.
Галопирование (раскачивание), которому подвержены плохо обтекаемые гибкие
элементы с аэродинамически неустойчивыми поперечными сечениями (квадратными,
прямоугольными). Подобные явления чаще всего возникают у канатов в случае их покрытия
льдом.
Параметрический резонанс — заключается в «перекачке энергии» вертикальных
колебаний в горизонтальные, и наоборот. Наблюдается при кратности частот сов и сог.
Дивергенция — потеря устойчивости от крутильных колебаний.
Проверка аэродинамической устойчивости мостов заключается в
определении критической скорости ветра для конкретного пролетного
строения Vcr»V, где Vcr — скорость ветра, при которой на данном
пролетном строений 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>l95V.
Определение критической скорости для висячих или вантовых
мостов — весьма сложная задача, так как Vcr 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
путем 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
распространение получили конвейерные галереи, которые являются основой
внедрения современных автоматизированных технологических
процессов. Конвейерные галереи (в дальнейшем галереи) предназначены для
размещения технических коммуникаций и конвейеров, с помощью
которых производится перемещение сыпучих материалов. Галереи
представляют собой горизонтальные или наклонные сооружения с продольным
углом наклона, не превышающим 24°. В зависимости от условий
эксплуатации и требуемого температурного режима галереи проектируют
отапливаемыми и неотапливаемыми. Последние могут быть открытыми,
частично или полностью закрытыми.
Сравнительно небольшой 70-летний опыт эксплуатации галерей
свидетельствует, что они относятся к наиболее повреждаемому классу
сооружений. Повышенная повреждаемость галерей обусловлена
совместным 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
температурные 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
температурном блоке предусматривают неподвижную (анкерную, жесткую,
пространственную) опору. Остальные металлические опоры выполняют в
виде плоских конструкций, обладающих незначительной жесткостью в
направлении продольной оси галереи.
Возможны три схемы продольной компоновки галерей. По схеме i
(рис. 19.1, а) неподвижные опоры размещают в нижней части
температурного блока. По схеме 2 неподвижные опоры располагают в средней части
368

а)
блока (рис. 19.1, б).
Схему 3 (рис. 19.1, в)
применяют, когда невозможно
установить вблизи
здания промежуточную
опору и обеспечить
консольное примыкание галереи.
Температурный шов в
этом случае выполняют,
используя спаренные
промежуточные опоры.
Конвейеры
располагают как по низу
несущих конструкций
пролетных строений, так и
по верху. В первом
случае при использовании в
качестве несущих
конструкций пролетных
строений стальных ферм
предусматривают сжатый
опорный раскос, во
втором— растянутый.
Наибольшее применение в
галереях получили
конвейеры, опирающиеся на
пол. Однако для удобства
уборки просыпей применяют подвесные конвейеры с креплением к
поперечным балкам покрытия.
При компоновке поперечного сечения галереи необходимо
предусматривать проходы с двух сторон конвейеров для обслуживания,
монтажа 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 пролетных
строений ферм возможны два варианта расположения ограждающих
конструкций. В первом варианте фермы находятся снаружи галерей, во
втором — внутри отапливаемого пространства. Недостатком первого
варианта является возможность непосредственного контакта с наружным
воздухом элементов фермы, что приводит к снижению эксплуатационной
369
Рис. 19.1. Схемы комхюно&ки галерей:
а — схема 1; б — схема 2; в — схема 3; / — неподвижное
закрепление; 2 — плоская (качающаяся) опора; 3 — пространственная
(неподвижная) опора; т.б. — температурный блок

надежности в условиях низких температур. Во втором варианте
конструкции 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
выборе 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
составные и тонкостенные балки, фермы с параллельными поясами,
прямоугольные и круглые цилиндрические оболочки, а также другие виды
конструкций (рис. 19.2). Балки экономически оправданы при небольших
пролетах (до 30 м), фермы — 24 ... 42 м, оболочки — свыше 30 м.
Максимальная экономия материала достигается при определенном
соотношении 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 и при высоте опор более 20 м оптимальными
считаются пролеты свыше 30 м.
19.1.2. Пролетные строения
Первоначально в галереях применялись несущие конструкции из
прокатных и сварных двутавровых балок с размещением конвейеров и
элементов перекрытия на уровне верхних поясов. Несмотря на большой
расход стали, балки менее трудоемки в изготовлении по сравнению с
фермами, и, как показывает опыт эксплуатации, такие галереи обладают
большей надежностью в условиях низких температур. По мере
накопления опыта строительства и эксплуатации галерей конструктивные
решения все более усовершенствовались, и в 70-х годах для энергетического
строительства началась разработка серий УМК — унифицированных
металлических 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
наиболее 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
составить достойную конкуренцию пролетным строениям из ферм. Начиная с
370

*)
1-1
Рис. 19.2. Пролетные строения галерей:
а — с несущими конструкциями из ферм с параллельными поясами; б — то же, из сварных двутавровых
балок; в — то же, из оболочек прямоугольного сечения; г — то же, из круглой цилиндрической оболочки
1968 г., были разработаны типовые серии ИС-01-15 и 3,016 с пролетами
18, 24, 30 м (рис. 19.2, а). Для открытых складов разработана типовая
серия М-372 с горизонтальными неотапливаемыми конвейерными
галереями с пролетами 24 и 48 м. Несущими конструкциями в этих сериях
приняты фермы с параллельными поясами и решетками, выполненными из
парных 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
прокатные уголки, которые для повышения коррозионной стойкости
проектируют в виде крестового сечения.
371

При значительных усилиях пояса ферм выполняют из
широкополочных двутавров. При вертикальном расположении стенки двутавров
элементы 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
раскосами, работающими на растяжение, и сжатыми стойками (рис. 7.6, г [1]).
Недостатком ферм с горизонтально расположенными стенками
двутавров является необходимость проведения дополнительных мероприятий
для защиты поясов от коррозии. Другие типы ферм проектируют с
треугольной решеткой.
Плоскость сопряжения фермы с опорой независимо от уклона галереи
проектируют горизонтальной (рис, 19.3). В многопролетных галереях
возникают большие продольные усилия, обусловленные
технологическими нагрузками и температурными воздействиями. Для передачи
продольных усилий на неподвижную опору на уровне нижнего пояса фермы
предусматривают дополнительные усиливающие детали. В фермах с поя-
2-2
Рис. 19.3. Узел сопряжения фермы с опорой
372

сами из уголков или тавров эти жесткие элементы, установленные вдоль
опорной панели нижнего пояса, способствуют восприятию
дополнительного изгибающего момента от эксцентриситета продольных сил
относительно верха неподвижной опоры.
Пространственную жесткость пролетного строения обеспечивают с
помощью горизонтальных связей по нижним и верхним поясам и
жестким узлом сопряжения поперечных балок со стойками ферм (рис. 19.4).
При уклонах галерей, превышающих 5С\ скатные составляющие
вертикальных нагрузок передают верхним поясам поперечных балок или
предусматривают продольные тяжи, которые уменьшают пролеты балок в
плоскости покрытия и перекрытия. Усилия от тяжей передаются на
верхние пояса ферм с эксцентриситетом. Возникающие изгибающие моменты
воспринимают дополнительно предусмотренные детали в верхней по
уклону панели каждого пролетного строения.
До 80-х годов традиционными конструкциями пролетных строений
являлись фермы. Опыт эксплуатации галерей в особых условиях
позволил выявить основные недостатки ферм: высокий уровень концентрации
напряжений в узлах, большая высота ферм, ограничивающая
возможность увеличения пролетов, недостаточная долговечность конструкций,
различный тепловой режим несущих элементов и примыкающих к
фермам ограждающих конструкций, приводивший к появлению
дополнительных напряжений при изменениях климатических температур.
Рис. 19.4. Узлы элементов покрытия
373

Рис. 19,5. Фрагмент поперечного
разреза пролетного строения с не-
СуЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ 153 ТОНКО-
стеиных балок
Рис. 19.6. Детали поперечного разреза
пролетного строения кз прямоугольной
оболочки с плоскими стеновыми панелями
С целью совершенствования конструкций галерей, направленного на
снижение трудоемкости изготовления, совмещение несущей и
ограждающей 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
плоскими или в виде цилиндрического свода. Перекрытие опирается на
поперечные балки, которые крепят к нижним поясам продольных
тонкостенных балок. В местах опирания балок предусматривают двусторонние
ребра жесткости, которые служат стойками опорных рам и обеспечивают
пространственную жесткость пролетного строения. В пролете балки
ребра жесткости приваривают к сжатому верхнему поясу.
Естественное освещение и аэрация производится через окна —
иллюминаторы в виде патрубков, установленных в стенке балки. Более
предпочтительным является вариант размещения фонарей на кровле.
С целью повышения заводской готовности, индустриализации
строительства и эффективной работы материала были разработаны
конструкции пролетных строений из оболочек прямоугольного сечения (рис.
19.6). Такие конструкции поставляют в виде плоских панелей полной
заводской готовности с утеплителем. Панели пола и кровли устанавливают
поперек 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
ширины листа к его толщине составляет в сжатой части 120, в
растянутой— 180. Толщину листа принимают не менее 4 мм.
Поперечные рамы образованы балками покрытия, перекрытия и
стойками стен из двутавровых профилей. Узлы соединения балок покрытия со
стойками в опорных рамах выполняют жесткими для обеспечения
геометрической неизменяемости поперечного сечения пролетного строения.
Сопряжение поперечной рамы с опорой галереи производят через
горизонтальные плоскости.
При укрупнительной сборке пространственных секций стыки
панелей обшивки выполняют односторонним сплошным швом
автоматической сваркой с полным проваром. Поперечный укрупнительный стык
отдельных секций выполняют приваркой накладок, равнопрочных
основному сечению.
Для конструкций северного исполнения необходимо максимально
уменьшить количество сварных швов, являющихся концентраторами
напряжений. Поэтому более предпочтительным является вариант с
фланцевым соединением на болтах монтажных соединений стоек стеновых
панелей с поперечными балками кровли и пола.
Несмотря на имеющиеся достоинства цельнометаллических галерей из
панелей, продольные ребра жесткости, предназначенные для обеспечения
местной устойчивости
сжатых участков,
увеличивают трудоемкость работ, а
сварные швы для их
крепления снижают хладостой-
кость конструкций.
С целью повышения
местной устойчивости без
установки продольных
ребер жесткости галереи
выполняют в виде замкнутой
цилиндрической
оболочки. Конструктивно
галерея состоит из обшивки,
подкрепленной
кольцевыми ребрами жесткости
(рис. 19.7, 19.8).
Промежуточные ребра
устанавливают с внутренней сторо-
Осъ
транспортера
Ось
галереи
Рис. 19.7. Конструкции пролетного строения из
круглой цилиндрической оболочки:
/ — иллюминатор; 2 — ограждение; 3 — патрубок дефлектора
375

1
300 min
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,
которые крепят к кольцевым ребрам.
Естественное освещение производится через круглые окна, а
проветривание с помощью дефлекторов, установленных в верхней части
обшивки. Участки обшивки, ослабленные отверстиями для окон и дефлекторов,
усиливают с помощью патрубков.
В зависимости от размеров наружного диаметра галереи
подразделяют на габаритные и негабаритные. Габаритная оболочка имеет диаметр
не более 3250 мм и обладает максимальной заводской готовностью с
полной комплектностью поставляемых секций. Негабаритные галереи с
наружным диаметром, превышающим 3250 мм, по условиям
транспортировки не вписываются в железнодорожный габарит и поставляются на
монтаж в виде рулонных заготовок. Сборку галереи производят методом
наворачивания рулонов на каркас, состоящий из перекрытия и кольцевых
ребер жесткости.
Галерея в виде замкнутой цилиндрической оболочки обладает
большой изгибной жесткостью, незначительным аэродинамическим
сопротивлением, присущим конструкциям, имеющим круговое очертание, и
небольшим снегонакоплением. Благодаря этим преимуществам, такие
галереи 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
нерациональное использование внутреннего объема. Замкнутое пространство
между полом и нижней обшивкой используется неэффективно и
труднодоступно для осмотра. Галереи с двумя конвейерами имеют более худшие
показатели использования объема и негабаритные размеры.
С целью устранения недостатков, присущих галереям в виде
цилиндрической оболочки, разработана оболочка с горизонтальными вставками,
позволяющими увеличить поперечный габарит при неизменной высоте
пролетного строения. Вставки имеют криволинейное очертание для
повышения устойчивости сжатых участков или принимаются плоскими.
Кроме рассмотренных, в отечественной и зарубежной практике
имеется опыт проектирования и строительства галерей с различными
конструктивными решениями в виде 1
пространственных ферм,
эллиптических труб с шарнирно-со-
единенными участками,
позволяющими складывать
отправочные элементы при
транспортировании, и другие нетрадиционные
типы галерей.
19.2. Опоры галерей
Стальные опоры, которые
поддерживают пролетные
строения, подразделяют на плоские и
пространственные (рис. 19.9,
19.10, а, б, в). Плоские опоры
состоят из вертикальных или
наклонных ветвей и
соединительной решетки. Наибольшее
распространение получили ветви из
прокатных двутавровых
профилей. Высоту сечения профиля
принимают не менее 500 мм,
исходя из удобства опирания
примыкающих с двух сторон
пролетных строений. Для обеспечения
377
Рис. 19.9. Схемы плоских опор

1-1
: U^ :
\
/
\
2-2
/
\
/
U
5i
Г V5
5-5 6-6
/\
sv
Рис. 19.10. Схемы пространственных опор
свободных температурных деформаций пролетных строений гибкость
ветви должна находиться в пределах 70... 120. При меньшей гибкости
податливость сопряжения ветви с фундаментом обеспечивают с помощью
центрирующей планки, приваренной к опорной плите (рис. 19.11, а).
Базы 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
жесткости ветви проектируют наклонными (см. рис. 19.9).
Схема решетки зависит от принятого типа сечения элементов,
соотношения геометрических размеров и требований по экономному расходу
материалов (см. рис. 19.9). Расстояние между узлами элементов решетки
принимают из условия обеспечения устойчивости участка ветви.
Жесткость распорок в горизонтальном направлении должна быть достаточной
для предотвращения крутильной формы потери устойчивости ветви.
Решетку опоры располагают в двух плоскостях, совпадающих с
наружными гранями, или в одной плоскости, совпадающей с осями ветвей.
378

Рис. 19.12. Узлы крепления решеток опор
Распорки должны препятствовать повороту сечения ветви при
крутильной форме потери устойчивости. Для этой цели они должны иметь
достаточную жесткость в горизонтальном направлении. В одноплоскостной
решетке распорки крепят либо к горизонтальному ребру (рис. 19.12, а),
379

либо, как и в двухплоскостной
решетке, непосредственно к
полкам двутавра ветви (рис.
19.12, б). Решетку
изготовляют из уголков, прокатных или
гнутых швеллеров с
соединительными горизонтальными
элементами. В одноплоскост-
ной решетке наиболее
эффективно применение замкнутых
гнутосварных и гнутых
профилей.
Пространственные опоры
обеспечивают жесткость
температурного блока в
продольном направлении и передают
горизонтальные силы на
фундаменты. Конструктивно
пространственные опоры
проектируют в виде плоской опоры
с подкосом или связевой
опоры башенного типа (см. рис.
19.10). Подкос опоры
ориентируют с учетом работы его на
сжатие. Конструктивные
решения пространственных
опор принимают аналогично
плоским опорам.
Возникающие горизонтальные усилия в опорах передают на фундамент с помощью
специальных закладных деталей (см. рис. 19.11, в).
Перспективным решением плоских опор в отдельных случаях
является безрешетчатая опора с ветвями из трубчатых профилей (рис. 19.13).
Нижние опоры ветвей для придания большей поперечной жесткости
раздвинуты относительно продольной оси галереи. При необходимости
уменьшения расчетной длины ветви в средней части опоры
устанавливают распорку. Пролетное строение передает нагрузку на опору с помощью
траверсы коробчатого сечения, работающей на изгиб. Поэтому такие
опоры рекомендуется применять преимущественно для одноконвейерных
галерей или двухконвейерных галерей небольшой ширины.
Рис. 19.13. Опоры с ветвями из трубчатых
профилей
380

19.3, Расчет конструкций галерей
При проектировании галерей рассчитывают конструкции пролетных
строений, опор и фундаментов. Расчет конструкций рекомендуется
выполнять в следующей последовательности:
9 выбор расчетной схемы;
в сбор нагрузок на элементы покрытия и перекрытия;
е расчет элементов покрытия и перекрытия, подбор сечения
элементов по условиям прочности, устойчивости и деформативности;
• определение нагрузок на несущие конструкции пролетных
строений;
• расчет несущих конструкций пролетных строений и подбор их
сечений по условиям прочности, устойчивости и деформатквности;
° определение динамических характеристик пролетных строений и
возмущающей силы;
в проверки возможности резонансного режима колебаний
конструкций;
• расчет узлов и соединений пролетного строения;
• сбор нагрузок и расчет конструкций опор;
в определение нагрузок на фундаменты.
19.3.1. Нагрузки м воздействия
К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкций
галерей, ограждения и теплоизоляции. Длительные технологические
нагрузки обусловлены весом груза на ленте, промышленных проводок,
конструкций конвейера, сопротивлением движению ленты. К длительным
атмосферным относят вес пыли на покрытии. Кратковременные
технологические нагрузки возникают от веса просыпи, людей,
ремонтных материалов и инерционных сил при пуске конвейера. К
кратковременным атмосферным относят нагрузки от снега, ветра и температурных
воздействий. 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
направлениях.
Вертикальная нагрузка состоит из веса транспортируемого груза,
ленты, рядовых и центрирующих роликоопор, станины конвейера.
Продольная нагрузка включает скатную составляющую от веса
транспортируемого груза и ленты конвейера, силу сопротивления движению ленты
на роликоопорах, силу инерции от изменения скорости вращения
роликов при пуске. Нагрузку от конвейера принимают в зависимости от шири-
381

кы ленты, угла наклона галерей и насыпной плотности груза [20] или по
данным технологической организации.
Нагрузку от обрыва и заклинивания ленты, возникающую при
аварийных режимах работы конвейера, определяют в зависимости от
ширины ленты [20].
При проектировании галерей необходимо учитывать динамические
нагрузки, которые возникают от дисбаланса вращающихся масс роликов,
радиального биения роликов, вызывающего поперечные колебания
ветвей ленты и транспортируемого груза, ударов по рабочим роликам
крупных кусков груза.
Вертикальную нагрузку, передающуюся от одной стойки конвейера,
определяют по формуле
G. =0де,(*, + 2*,J + 9r^ +*,], (19.1)
где /0 — шаг стоек конвейера; kd =1,15 — коэффициент динамичности;
qa— вес транспортируемого груза, Н/м; 2qlm— вес ленты, Н/м;
qrred — линейная приведенная нагрузка от веса рядовых и центрирующих
роликоопор, Н/м; qk — линейная нагрузка от массы металлоконструкций
средней части конвейера, Н/м.
Продольную нагрузку, передающуюся от конвейера через одну опору
стойки, вычисляют по формуле
0„=О,5(го+гл+^о, (19.2)
где t0 ~(0,5qlm + qq +qfr -0,5q")(oks cos a — продольная нагрузка,
обусловленная силами сопротивления движению ленты; q'r, q"r — вес
вращающихся частей роликоопор соответственно верхней и нижней ветвей
ленты; со — коэффициент сопротивления движению ленты в
установившемся режиме; ks~ 1,5 — коэффициент увеличения сопротивления
движению ленты при пуске; а — угол наклона галерей; tn = 0,1 ах
x(qrr -q"r) — продольная нагрузка, обусловленная разностью сил
инерции вращения роликов верхней и нижней ветви; а - 5qlm I q'r, но не более
5 м/с2 — ускорение ленты; tnql =(qq +2ql)sina— продольная
составляющая от веса груза и ленты.
Снеговую нагрузку определяют согласно норм [4], при этом
коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на
покрытие принимают равным 0,8, который учитывает небольшую
ширину галерей.
Ветровую нагрузку определяют в соответствии с положениями СНиП
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 СНиП 2.01.07-85* [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
разрезную, свободно опертую конструкцию с шарнирным соединением
элементов в узлах.
При проектировании пролетных строений с использованием ферм
рассчитывают поперечные балки покрытия и перекрытия, связевые
системы по покрытию и перекрытию. Опорные рамы пролетных строений,
обеспечивающие геометрическую неизменяемость и поперечную
жесткость, рассчитывают на восприятие ветровой нагрузки. Фермы
рассчитывают на узловые нагрузки. При расчете нижнего пояса фермы учитывают
продольные усилия, передающиеся от конвейера. В панели нижнего
пояса фермы, примыкающей к неподвижной опоре, учитывают усилия,
возникающие от продольного ветра и температурных воздействий.
При проектировании пролетных строений с несущими
конструкциями из двутавровых балок необходимо руководствоваться положениями
гл. 18 СНиП П-23-81* [3].
Учитывая незначительную величину динамических воздействий от
ленточных конвейеров, в качестве несущих конструкций пролетных
строений допускается использование балок с гибкой стенкой,
изготовленных из стали с пределом текучести до 430 МПа и условной гибкости
стенки 6 < Xw < 13. Предельное состояние тонкостенной балки,
работающей в условиях динамических воздействий, определяют фибровой
текучестью 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
продольных и поперечных горизонтальных и вертикальной нагрузок. Предельно
допустимое напряжение аи в сжатом поясе определяют из условия
обеспечения устойчивости внецентренно сжатого стержня таврового сечения,
383

включающего пояс и примыкающий к нему участок стенки высотой
0,85* Jis/i?v, исходя из выражения
оиЧ10<сч>уЯуус-ос7 (19.3)
где <ус — напряжение в сжатом поясе балки от продольных и поперечных
нагрузок, определяемое на основе расчета горизонтальной связевой
фермы; ц>у — коэффициент продольного изгиба стержня в направлении,
параллельном полке балки.
Коэффициент с определяют по формуле
с = ро/(1+О,7/ях), (19.4)
где р0 = 1 при Ху < Хс, и |30 = ^/<pc / cpv при Ху > Хс — значение
коэффициента <ру при Ху = Хс.
Расчетную длину стержня принимают равной расстоянию между
смежными узлами горизонтальной решетки.
Относительный эксцентриситет вычисляют по формуле
*пх=УЛ1-Ус)'Шс+Уг1 О9-5)
ГЛеУьУ2 — расстояние от нейтральной оси таврового сечения до крайних
волокон.
Коэффициент \|/с вычисляют по формуле
ус=1-0,85(1+ \|/)/A,w. (19.6)
Коэффициент \|/ определяют по формуле
где
КК К { к
Коэффициент \|/0 вычисляют по формуле
(19.10)
384

При определении прочности балки при изгибе в плоскости стенки
проверяют выполнение условия
(M/MU)A+(Q/Quy<l (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,
\кК х„{ К I К ) 6(i+V)2J
Предельное значение поперечной силы
Qu =WRsKh[TcrIRs +3,3(1-тсг /Д,)рй/(1 + ц2)], (19.14)
где тсг, ц, р — вычисляют по формулам, приведенным в §5.7 [1].
Общая устойчивость балки обеспечивается системой горизонтальных
связей. Площадь поперечного сечения раскоса Ad должна удовлетворять
условию
Adb2d2 / (Jr//3)>1205 (19.15)
где Jj-—момент инерции балки в своей плоскости; / — длина раскоса;
d — длина проекции раскоса на ось галереи; Ъ — расстояние между
осями балок.
Для обеспечения местной устойчивости стенки балку укрепляют
поперечными ребрами жесткости по аналогии с составными балками.
Поперечные ребра проверяют на устойчивость как сжатую условную стойку с
расчетным сечением, включающим участок стенки. При
конструировании и расчете необходимо руководствоваться положениями,
изложенными 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
сжато-изгибаемого элемента коробчатого сечения, нагруженного
поперечной и продольной нагрузками. Прочность продольных ребер и
поперечных рам проверяют на действие местных нагрузок. Проверяют
устойчивость следующих сжатых элементов: пластины всего покрытия,
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
продольными ребрами (рис. 19.14, в); секции стенки коробчатой балки про-
13-447 385

i
• / ■
1 I i X A
L
I
Рис. 19.14. Расчетные 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
учитывать, что определяющими экономичность пролетных строений и
расход стали являются ограничения по местной устойчивости.
При определении геометрических характеристик расчетных
поперечных сечений коробчатой балки учитывают неполное включение обшивки
в работу при изгибе с помощью редукционного коэффициента ф;<1,
который численно равен отношению условно равномерно-распределенных
напряжений по всей эффективной ширине сечения к максимальным
напряжениям. Редукционный коэффициент зависит (рис. 19.15) от
фактических поперечных нагрузок на покрытие и условной нагрузки на
перекрытие, равной 1,5 кПа, отношения напряжений в контурных продольных
ребрах листа обшивки к критическим напряжениям сжатия в том же
листе п = ар/ ocri, отношения ширины листа hx к толщине t и относительной
начальной погиби с0 = с011, где с0 — допустимая погибь по СНиП
3.03.01 — 87 [22]. Установлено, что относительная погибь в
прямоугольных 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

-7 -б -5 -4 -J -2 -Z О 1 2 3 4 5 6 7
Рис. 19.15. График зависимости редукционного коэффициента от отношения
напряжений н относительной начальной погибн
ких опорах в зависимости от крепления на поперечных ребрах и
соотношения жесткостей ребер обоих направлений. В расчетное сечение
продольного ребра включают примыкающий участок обшивки, ширину
которой принимают с учетом редукционного коэффициента. При этом
ориентировочное значение редукционного коэффициента составляет: в
сжатой зоне фс = 0,55...0,6, в растянутой зоне ц>р = 0,85... 0,9. Прочность
продольных ребер проверяют на действие суммарных напряжений от
местного 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
покрытие и перекрытие при действии горизонтальной нагрузки с учетом
эксцентриситетов крепления ребра с обшивкой. Допускается рассчитывать
поперечную раму как систему отдельных шарнирно сопряженных
элементов, горизонтально опирающихся на диски покрытия и перекрытия.
Сосредоточенные опорные реакции от продольных ребер можно
заменить 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
напряжениям; покрытие шарнирно опирается по контуру; изгибная жесткость и
расстояние между продольными ребрами одинаковы.
Условие устойчивости пластины покрытия
асг>1>ая, (19.16)
где ар — действующие напряжения в ребрах покрытия; асгХ —
критические напряжения в покрытии
2 + J-1 + 4.
(19.17)
где D = Et* I [12(1 - v2)] — цилиндрическая жесткость обшивки;
Ked - * О + *|5), 5 - А] I (bt);Ai — площадь поперечного сечения
продольного ребра; г = кгу21{кхуу)\ y.=EJt I {ltD)\ l^b; 12-L; Jx — момент
инерции сечения продольного ребра относительно нейтральной оси
ребра, определяемой с учетом присоединенного участка обшивки, площадь
сечения которого вводится с редукционным коэффициентом; J2 —
момент инерции сечения верхнего поперечного ребра относительно
собственной оси; kt (/=1;2) — количество продольных и поперечных
промежуточных ребер.
Условие устойчивости отсека покрытия
<усгЛ>ор, (19.18)
где асг2 — критическое напряжение в ребристой прямоугольной
пластине отсека покрытия между поперечными ребрами
* ч * йл lx ' (19 19)
и lred KK
где а = l/b; I — шаг поперечных ребер.
Продольные ребра проверяют на устойчивость как внецентренно
сжатые стержни. Гибкость продольного ребра, шарнирно опертого на
поперечные ребра, не должна перевышать предельной гибкости
кы =R^EIop. (19.20)
388

Определение напряжений ар в продольных ребрах проводят методом
последовательных приближений. Задавшись значениями редукционных
коэффициентов в пределах отмеченных выше величин, определяют
характеристики жесткости пролетных строений и напряжений аг
Критерием сходимости результатов вычислений является совпадение значений
редукционных коэффициентов двух последовательных шагов,
вычисленных с точностью до 10%. К достаточной для инженерных расчетов
точности приводят два-три последовательных приближения, а для
предварительных расчетов на стадии компоновки пролетного строения можно
ограничиться одним приближением.
Устойчивость стенки коробчатой балки проверяют в крайнем,
среднем и одном из промежуточных отсеков на действие нормальных и
касательных напряжений изгиба с учетом разбиения обшивки стенки
поперечными и продольными ребрами. На верхнем участке стенки при
соотношении действующих напряжений к критическим п < 2 допускается
закритическая работа обшивки.
В целях снижения влияния ослабления на устойчивость обшивки
высоту 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 группе предельных состояний момент
инерции коробчатого сечения определяют с использованием редукционных
коэффициентов. Предельные прогибы пролетного строения, балок
покрытий и перекрытий принимают с учетом фактического пролета
согласно СНиП 2,01.07-87* [4]. Прогибы определяют в середине пролета с
учетом коэффициента надежности по нагрузке, равном 1.
В галереях с несущими конструкциями из круглых цилиндрических
оболочек проверяют общую прочность пролетного строения как
сжато-изгибаемого элемента кольцевого поперечного сечения, местную
устойчивость как замкнутой круговой цилиндрической оболочки в пролете
и на опоре, прочность промежуточных и опорных кольцевых ребер
жесткости. Местную устойчивость оболочки проверяют в пролете в сечениях
с наибольшим изгибающим моментом и наибольшими нормальными
напряжениями, на опоре в сечениях с наибольшей поперечной силой и
наибольшими касательными напряжениями.
При проверке прочности пролетного строения нормальные
напряжения 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
а - Mx(rcosp - yo)/Jx+N/A< Ryyc; (19.21)
T=G,sinp/Oirf)£J?,Y,, (19.22)
где г — радиус серединой поверхности оболочки; у0— расстояние от
центра тяжести поперечного сечения до центра окружности; t —
толщина оболочки, принимаемая в зависимости от угловой координаты Р; Мх и
Qy — изгибающий момент и поперечная сила, определяемые по
разрезной расчетной схеме.
Проверку местной устойчивости оболочки в пролете выполняют по
формуле
а^у^ДЦ-ОД^/аД (19.23)
где о\ — наименьшее напряжение, принимаемое для растянутых
участков со знаком минус; а1 — расчетное напряжение в оболочке;
асг,\ — критическое напряжение, равное меньшему из значений \\fRy или
cEt/r.
Значение коэффициента \j/ при 0 < г/1 < 300 определяют по формуле
у = 0,97 - (0,00025 + 0,95Ry I E)r 11. (19.24)
Значение коэффициента с определяют по табл. 19.1.
Таблица 19.1. Значение коэффициента с
r/t
с
100
0,22
200
0,18
300
0,16
400
0,14
600
0,11
800
0,09
1000
0,08
1500
0,07
2500
0,06
Проверку местной
устойчивости оболочки на опоре производят
раздельно для зоны наибольших
нормальных и касательных
напряжений по формулам
о,<усасг>1; (19.25)
по дуге
Рис. 19.16. Поперечное сечение
цилиндрической оболочки, ослабленной проемом
390
где Tcr,i — критические
напряжения, вычисляемые по формуле
xcr] =OJSkEt(rt
(19.27)

где / — расстояние между кольцевыми ребрами; к — коэффициент,
зависящий от радиуса и толщины оболочки (табл. 19.2).
Таблица 19.2. Значение коэффициента к
г/г
к
250
0,8
500
0,7
1000
0,6
1500
0,5
В сечениях, испытывающих совместное действие нормальных и
касательных напряжений, устойчивость оболочки проверяют по формуле
о1осгЛ+{х1хсгЛ)2<\. (19.28)
В ослабленных проемами сечениях прочность проверяют по
формулам
a = Mxy/Jx + N/A<Ryyc; (19.29)
x=QySyl(2Jxt)<Rsyc. (19.30)
Прямоугольные проемы необходимо усилить продольными ребрами
площадью не менее Ар = 0,25Ы, где Ь — ширина поперечного сечения
проема. Усиливающие ребра заводят за край проема на длину,
достаточную для передачи усилия N = 0,25ApRy.
Расчетную схему поперечного ребра жесткости принимают в виде
кольцевой плоской рамы с затяжкой, загруженную активными силамир и
q и реактивной q0, передающейся от оболочки (рис. 19. 17). Ввиду
сложности расчета определение усилий выполняют на компьютере.
Приближенный статический расчет допускается проводить по соответствующим
таблицам для расчета кольцевых рам.
Проверку прочности кольцевых ребер выполняют по формулам
а - Mxyl Jx+N I A< Ryyc; (19.31)
T=QySx/&JxZtt)<R,ye, (19.32)
где Jx — собственный момент инерции кольцевого ребра; А — площадь
поперечного сечения кольцевого ребра с примыкающим участком
оболочки; у — расстояние от нейтральной оси ребра до наружной или
внутренней кромки ребра; tt— толщина стенки ребра (/=1,2).
Ширину примыкающего участка оболочки определяют по формуле
(19.33)
где b — расстояние между стенками двухстенчатого ребра, для одностен-
чатого ребра b=0; t — толщина оболочки.
Момент считают положительным, если он увеличивает кривизну
ребра.
391

*) л,
Рис. 19.17, Конструктивные и расчетные схемы кольцевых ребер жесткости:
а — конструктивные решения; б — расчетные схемы
Прочность сварных швов крепления ребер к оболочке проверяют
согласно 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
частоты к частоте свободных колебаний пролетного строения. При расчете
галерей ограничиваются определением первой частоты свободных
колебаний пролетного строения по балочной схеме. Параметры
динамических 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
(0 = 2u/rf, (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
пределах некоторой области, называемой резонансной зоной. С учетом
погрешности определения нижнюю и верхнюю границы первой
резонансной зоны вычисляют по формулам
е„=0,981пйп; в„ =ив1№, (19.35)
где 9imin, 0lmax — первая частота свободных колебаний, соответствующая
наибольшей и наименьшей массам пролетных строений. Наибольшую
массу пролетного строения определяют при сочетании нагрузок,
включающих строительные (собственный вес строительных конструкций),
длительные, технологические, атмосферные, в число которых входят
снег и пыль на покрытии, с понижающим коэффициентом 0,8.
Наименьшую массу пролетного строения определяют при сочетании нагрузок с
коэффициентом 0,9 и не включающем атмосферные нагрузки.
При определении частот свободных колебаний принимают как
плоскую, 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
eip=(n/r)2JEJg/q,, (19.36)
где EJ, I — жесткость при изгибе и длина пролетного строения; g —
ускорение свободного падения; qt (i = 1,2) — наибольшая и наименьшая
линейные нагрузки.
Частоту свободных колебаний пролетного строения при расчете с
учетом пространственной схемы определяют по формуле
где ц = 1 / [1 + 0,8(8 Д з + е 2£> 2) J £,, £,- — коэффициенты, равные
соотношению масс и жесткостей покрытия и перекрытия, определяемые по
формулам
393

г, =т{1щ ^i=millb'Q2lp/(97,3EiItX (19.37)
где /, — шаг поперечных балок покрытия или перекрытия; т — линейная
масса пролетного строения в целом; ть Et /, — линейные массы и изгиб-
ные жесткости покрытия или перекрытия; Ъ — ширина галереи; / —
индекс, принимаемый для покрытия равным 1, для перекрытия — 2.
Резонансный режим колебаний конструкций возникает при
попадании среднего значения частоты возмущения в первую резонансную зону,
при которой выполняется условие
eIr<co<eu. 09.39)
Эксплуатация галерей при резонансных колебаниях не допускается.
При возникновении резонансных колебаний в период эксплуатации
галереи необходимо произвести отстройку от резонанса с помощью
гасителей или специальных конструктивных мер.
Прочность поперечных балок покрытия и перекрытия от
динамической добавки проверяют в середине пролета и на опорах при первой
форме колебаний. Расчетные значения динамических изгибающих моментов
в середине пролета и динамических поперечных сил определяют по
формулам
Md =0,01£#h^ / b2; (19.40)
Qd = 0,Q3lEJfykj? b\ (19.41)
где/— прогибы балок от нормативных нагрузок; г| — амплитуды
динамических прогибов балок.
При определении формы колебания пролетного строения и
поперечных балок динамический прогиб основных балок и ферм вычисляют с
помощью балочных функций с единичным значением в середине пролета.
Динамические прогибы поперечных балок галерей с конвейерами на
перекрытии и прямоугольным поперечным сечением аппроксимируют
кубическими параболами с максимальными значениями при единичном
смещении опор. Амплитуды динамических прогибов балок покрытия и
перекрытия для низшей собственной формы колебаний определяют по
формуле
Л/=1,273]^,/(1-ц^Д (19.42)
где / = 1—для балок покрытия; / = 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+2q}< В этом случае динамический расчет
пролетного строения не выполняют.
Расчетные значения динамических напряжений и усилий в
продольных элементах ферм пролетного строения определяют умножением
статических напряжений и усилий на коэффициент динамичности, который
определяют по формуле
kd — -
(19.43)
где т — линейная масса пролетного строения с учетом масс всех
временных нагрузок, включаемых в расчетную нагрузку на галерею; /, 1р —
длина пролета и расстояние между роликоопорами верхней ветви ленты;
Pd — среднеквадратическое значение распределенной по длине трассы
конвейера динамической нагрузки; ys — коэффициент неупрутого
сопротивления; \|/ — 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 Ъ\ vj/b
\|/2 — коэффициенты, учитывающие влияние деформативности
поперечных балок покрытия и перекрытия на приведенную массу пролетного
строения, определяемые по табл. 19.4.
Таблица /9.5. Значение коэффициента \j/
0
3
Значение коэффициента ц/ при хк 1 £, равном
0
1
1,0
0,05
1
1,45
0,10
1
1,93
0,15
1
2,36
0,20
1
2,76
0,25
1
3,12
0^0
1
3,43
0,35
1
3,67
0,4
1
3,85
0,45
1
3,96
0,5
1
4,00
Среднеквадратичное значение распределенной по длине трассы
конвейера динамической нагрузки определяют по формуле
Pd =0,0027dp(o20D,
(19.44)
где D - J{m{ + mq + lmr )2 + 4(m{ + 3,2mh )2 lh I lr\ mb mq — линейные
массы ленты и транспортируемого груза; ть тг — линейные массы ролико-
опор холостой и рабочей ветви ленты; lhjr — шаг роликоопор холостой и
рабочей ветви.
Значение коэффициента неупругого сопротивления для
отапливаемых галерей принимают равным у5 = 0,025, для неотапливаемых ys = 0,02.
В необходимых случаях выполняют расчет на выносливость
конструкций пролетных строений.
395

Таблица
z'
0,05
0,65
19.4. Значение
0,04
0,00
0,04
коэффициента \j/
0,08
0,01
0,09
0,12
0,01
0,16
Значения
1 0,16
| 0,02
1 0,21
V; ПРИ }Д£^
0,20
для у,
0,02
ДЛЯ Ч/2
0,30
равном
0,24
0,03
0,39
0,28
0,04
0,49
0,32
0,05
0,61
0,36
0,06
0,77
Продолжение табл. 19.4
0,05
0,65
Значения у/ при ji^, равном
0,40
0,44
0,48
0,52
0,56
0,60
0,64
0,68
ДЛЯ \\f\
0,07
0,09
0,11
0,14
0,17
0,21
0,27
0,36
ДЛЯ V|/2
0,94
1,16
1,43
1,76
2,20
2,70
3,54
4,63

19.3.4. Расчет опор галерей
В плоских опорах усилия возникают от ветра и нагрузок,
передающихся 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
суммарной продольной нагрузки, действующей на пространственную опору,
определяют 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,
приходящийся на одну пространственную опору; Рк — продольная нагрузка
от конвейеров; Pt — суммарная нагрузка на опору от температурных
деформаций 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.
Суммарную нагрузку на пространственную опору от температурных воздействий
без учета деформации самой опоры рекомендуется определять согласно
методики, изложенной в работе [23] по формуле
/yv>y /[(tgv, -v,.)#;], (19.46)
где Н— высота промежуточной опоры; J— момент инерции ветвей
опоры относительно горизонтальной оси в плоскости опоры;
v = H^jN I (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 —
индексы, относящиеся соответственно к шарнирно сопряженным и жестко
защемленным в фундаментах опорам.
Величину перемещения оголовка опор рекомендуется определять по
формуле
u = ymaL(T-T0\ (19.47)
где ут = 0,75 — коэффициент условий работы, учитывающий
податливость 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;
Го — температура замыкания конструкций.
При определении значений температур следует руководствоваться
положениями норм [4].
При расчете плоской опоры проверяют общую устойчивость в целом
как составного стержня, устойчивость ветвей и производят подбор
сечений элементов решетки. Расчетные длины ветвей опор в продольном
направлении принимают равными расстоянию от низа базы до центра
тяжести узла сопряжения с пролетным строением, а в поперечном
направлении — 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
нагрузок с учетом момента, возникающего от разности опорных давлений
примыкающих пролетных строений. Во второй комбинации
рассматривают максимальный момент, возникающий при отсутствии временных
нагрузок в меньшем или равном пролете, и соответствующие ему
нормальные усилия.
Сечения элементов решетки подбирают как сжатых или растянутых
стержней на 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
элементов решетки проверяют с учетом усилий, возникающих от
продольных нагрузок. Сечение дополнительных деталей в узлах соединения
пролетных строений с пространственной опорой подбирают на
горизонтальные усилия. Детали крепления базы опоры к специальным закладным
анкерам (см. рис. 19.11, в) рассчитывают на горизонтальные силы,
передающиеся на фундамент.

Глава 20
ОТКРЫТЫЕ КРАНОВЫЕ ЭСТАКАДЫ
20.1. Общие сведения
Открытая крановая эстакада представляет собой инженерное
сооружение, состоящее из колонн и горизонтального пролетного строения с
установленными 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
изделий, 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
передвижения, чем мостовых кранов; исключена возможность ввода
железнодорожных 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
(железнодорожный 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)
грузоподъемностью до 50 т или специальными (магнитными, грейферными
и магнито-грейферными) грузоподъемностью до 20 т. Режим работы
кранов в соответствии с классификацией по ГОСТ 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 СНиП 2.03.13-88.
399

Вводы железнодорожных путей следует проектировать в
соответствии со СНиП 2.05.07-85.
Конструкции открытых крановых эстакад эксплуатируются в
существенно худших условиях, чем конструкции производственных зданий, так
как они постоянно подвергаются непосредственным атмосферным
воздействиям; крановая нагрузка для них является основной (при
относительно малой массе строительных конструкций) и вследствие этого
увеличивается эффект ее многократного повторного действия; отдельно
стоящие опоры эстакад гораздо более деформативны, чем колонны
зданий, развязанные конструкциями шатра, и поэтому локальная крановая
нагрузка в меньшей степени перераспределяется между соседними
несущими конструкциями; площадки для складирования часто
перегружаются, что вызывает деформации грунтов оснований, соответствующие
крены фундаментов и, как следствие, изменение ширины подкранового пути
и повышенный износ конструкций.
При проектировании открытых эстакад иногда в одном или двух
шагах колонн требуется устройство навеса, под которым размещают кран в
периоды, когда он не работает, или технологическим заданием
предусмотрено устройство навеса на всей площади эстакады для защиты
складируемых 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
устройство крытых эстакад не достигает поставленной цели, так как, при
отсутствии стен складируемые изделия и материалы недостаточно защищены
от воздействия косого дождя или снега. Взамен крытых эстакад
рекомендуется проектировать неотапливаемые здания с легкими ограждающими
конструкциями.
20.2. Конструктивные решения эстакад
Открытая крановая эстакада включает в себя следующие
конструктивные элементы: фундаменты; колонны, жестко соединенные с
фундаментами и раскрепленные в пределах температурного блока
вертикальными связями; пролетные конструкции (подкрановые балки с
тормозными конструкциями) с закрепленными на них крановыми путями (рельсы,
концевые упоры); эксплуатационные устройства (проходы вдоль
крановых путей, посадочные площадки и лестницы) (рис. 20.1).
Габаритная схема эстакады выбирается в соответствии с
технологическим заданием и определяется: характеристиками мостового крана
(вид, группа режима работы, грузоподъемность Q и пролет 1СГ); номи-
400

б)
Шаг колонн (В)
Пропет крана
Пролет крана (Lcr)
Пропет эстакады
0.000
Пропет эстакады (L)
о
о
Рис. 20Л. Конструктивная схема эстакады:
а — фасад; б — поперечный разрез; / — колонна; 2 — пролетная конструкция; 3 — вертикальная связь
между колоннами; 4 — ограждение галереи (прохода вдоль крановых путей); 5 — лестница на галерею;
б — лестница на посадочную площадку; 7 — посадочная площадка; ТШ — температурный шов;
УГР — отметка головки кранового рельса
нальной высотой эстакады Нь определяемой отметкой головки
кранового рельса, которая отсчитывается от головки рельса, проходящего по
территории эстакады железнодорожного пути, либо от уровня
планировочной отметки или конструкции пола у колонны; шагом колонн В и
соответствующим ему номинальным пролетом подкрановых балок;
количеством пролетов; длиной температурных блоков.
Высоту эстакады устанавливают в зависимости от ее назначения и
практически принимают от 6 до 20 м.
Пролеты кранов следует назначать по ГОСТ 534-78* в соответствии
со следующим рядом: Lcr ~ 16,5; 22,5; 28,5 и 34,5 м. При этом
номинальный пролет эстакады (расстояние между разбивочными осями) следует
принимать равным L = Lcr + 1,5 м.
401

Оптимальным является шаг колонн 12 м. Большие шаги (18 и 24 м)
назначают по условиям технологического процесса, например, при
необходимости косого ввода железнодорожного пути на площадку эстакады.
Эстакада может быть запроектирована однопролетной или
многопролетной. В многопролетном сооружении допускается использовать не
более двух различных размеров пролетов, а номинальная высота должна
быть одинаковой.
Длина эстакады определяется технологическим заданием. При
достаточно большой длине сооружения надземные конструкции разделяют
температурными швами, расстояние между которыми определяются по
табл. 42 [3].
Открытые крановые 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
воспринимающими силы продольного торможения кранов. В поперечном
направлении колонны свободно стоящие, жестко заделанные в
фундаменты. По второй схеме эстакады проектируют с жесткими поперечными
ригелями — распорками, соединяющими надкрановые части
противоположных рядов колонн и расположенными выше габарита мостового
крана. Вторую схему применяют в тех случаях, когда требуемая жесткость
эстакады в поперечном направлении не может быть обеспечена только
отдельно стоящими колоннами:
в 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
неравномерные 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.
Номинальный пролет эстакады в этом случае будет равным L=Lcr+2 м.
20.3. Конструктивные решения колонн
Колонны открытых крановых эстакад проектируют
преимущественно сборными железобетонными. Стальные колонны используют для
эстакад под краны грузоподъемностью более 32 т, высотой более 13 м, при
строительстве в сложных условиях, а также при соответствующем
технико-экономическом обосновании.
402

Tun I
Тип 2
ТтЗ
Рис. 20.2. Силуэты колонн
Стальные колонны эстакад могут быть решетчатыми или сгоюшно-
стенчатыми. Обычно применяют решетчатые колонны, габаритные для
транспортировки с вертикальными ветвями (рис. 20.2, тип 1).
Рекомендуемое отношение ширины консольной колонны к ее высоте находится в
пределах 1/4 ...1/5. Если высота эстакады превышает 15 м, то
экономически целесообразно обеспечивать требуемую жесткость эстакады в
поперечном 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»
подкрановых балок, в связи с чем применение таких колонн ограничивается
наружными рядами эстакад. Сшюшностенчатые колонны могут
применяться для невысоких однопролетных эстакад с кранами
грузоподъемностью до Ют, при этом целесообразно использование прокатных
профилей.
На рис. 20.3 показана конструктивная схема колонны среднего ряда
эстакады с несущими вертикальными ветвями из широкополочных
двутавров, раскрепленными раскосной решеткой из уголков.
В зависимости от высоты эстакады расстояние между ветвями
колонны (h) принимают равным 1; 1,5 или 2 м.
Высоту сечения траверсы для опирания подкрановой балки
назначают равной 600...800 мм.
Если ожидаемые перемещения крановых путей вследствие
неравномерных деформаций основания превышают 50 мм по горизонтали (на
каждом ряду колонн) и 200 мм по вертикали, то крепление колонн к
фундаментам следует проектировать на удлиненных анкерных болтах с учетом
403

'LIU'
1-1
Рис. 20.3. Пример конструктивного решения
стальной колонны среднего ряда:
/ — база; 2— ветви; 3 — решетка; 4 — траверса
Рис. 20.4. Деталь крепления колонны к
фундаменту, допускающего ее рихтовку:
/ — фундамент; 2 — фундаментный болт; 5 — башмак
колонны; 4 — прокладка; 5 — отрезок стальной трубы;
б —овальное отверстие
404
возможного подъема колонны
в процессе эксплуатации не
менее, чем на а = 200 мм и
горизонтального смещения в
поперечном направлении не
менее, чем на 100 мм (рис. 20.4).
Для того чтобы можно было
осуществить рихтовку
подкрановых балок в процессе
эксплуатации сооружения,
крепление пролетных
конструкций к колоннам
производят на удлиненных болтах,
пропускаемых в овальные (в
поперечном направлении)
отверстия.
В целях обеспечения
нормальной эксплуатации
эстакады обрез фундамента под
колонны должен находиться на
300 мм выше уровня
планировочной отметки или верха пола.
Для обеспечения
устойчивости сооружения и
восприятия горизонтальных усилий в
продольном направлении в
пределах температурного
блока предусматривают
устройство между колоннами
стальных вертикальных связей,
располагаемых:
• при длине
температурного блока до 84 м — одна
связь по середине его длины;
• при длине
температурного 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).

С12
Рис. 20.5. Конструкция вертикальных
связей по колоннам
Вертикальные связи проектиру- _ 1-50*5
ют, как правило, парными
крестового типа (рис. 20.5) и устанавливают в
двух плоскостях: при двухветвевых
колоннах — по оси ветвей; при
колоннах сплошного сечения — на
расстоянии не более 100 мм от грани
сечения. Гибкость элементов связей
должна быть не более 200.
Подкрановые конструкции
эстакады включают в себя подкрановые
балки, тормозные конструкции,
вертикальные вспомогательные фермы,
горизонтальные и вертикальные
связи; они аналогичны
конструкциям одноэтажного
производственного здания ( см. §2.6 [2]).
Для крановых эстакад
применяют как разрезные, так и неразрезные
подкрановые балки. Неразрезные балки повышают надежность
эксплуатации эстакады и обеспечивают снижение расхода стали на 10... 15%, но
увеличивают трудоемкость монтажа и усложняют выполнение
ремонтных 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
конструкцией в виде фермы (для эстакад под краны общего назначения групп
режимов работы не более 6К) или балки (в остальных случаях).
Подкрановые балки устанавливают по осям ветвей колонны, либо со
сдвижкой к середине колонны для уменьшения горизонтального
смещения 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» т. е. к
короткому 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 прикрепляют к
тормозному листу высокопрочными болтами.
405

=3=7
3-3
Ill
2-2
1-1
ft:
$■
ft:
1 ^ ;
1 Ц
i **"!
Ц—'
—
ГТТ ТТТпТГ
i]
я И
:»
I3
Рнс. 20.6. Крепление подкрановой балки к колонне среднего ряда через «пенек»
_ j, Вариант 2 — крепление
подкрановой балки к колонне
среднего ряда при помощи
крестовых подкосов из одиночного
уголка, через который на
колонну передаются силы
поперечного торможения (рис. 20.8).
Подкос прикрепляют на
высокопрочных болтах либо на монтажной
сварке к специальным фасонкам,
привариваемых вверху к
подкрановой балке, а внизу по оси
траверсы колонны.
Вариант 3 — крепление
Рис. 20.7. Крепление подкрановой балки к ПОДКрановоЙ балки К А-обраЗНОЙ
колонне наружного ряда через «пенек» колонне через СПЛОШНОСТенча-
406

Рис. 20.8. Крепление подкрановой балки к
колонне среднего ряда при помощи
подкоса из одиночного уголка
тую шейку ИЗ прокатного Двутавра Рис. 20.9. Крепление подкрановой балки
ВЫСОТОЙ, примерно равной ВЫСОТе к А-образной колонне через сплошно-
ПОДКранОВОЙ балки И Приваренного стенчатую шейку
к горизонтальному листу траверсы
колонны (рис. 20.9). Передача тормозных усилий на колонну
производится через упоры из уголков либо из толстого листа, которые
прикрепляют в верхней части к стенке двутавра высокопрочными болтами.
Верхний пояс вспомогательной фермы или балки, входящей в состав
тормозных конструкций, опирают на специальный кронштейн,
прикрепленный 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
опорные вертикальные ребра (торцевые заглушки) и сварные опорные
элементы таврового сечения. Последние устанавливают между двумя
смежными подкрановыми балками и крепят к ним и к колонне
высокопрочными болтами. В отличие от вариантов 1...3 рихтовку рельса производят
совместно с подкрановыми балками за счет овальных отверстий в
горизонтальном листе (фланце) опорного элемента.
407

Нижние пояса подкрановых
балок и ферм пролетом свыше 12
м укрепляют горизонтальными
связями.
Элементы вертикальных
связей между подкрановыми
балками следует рассчитывать на
поперечную крановую и ветровую
нагрузки и назначать гибкостью
не более 150.
Тип кранового рельса (KP-7G,
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
указаниями стандартов или
технических условий на мостовые краны.
Крановые рельсы следует
крепить к подкрановой балке
прижимными планками, а
железнодорожные— крюками (см. рис.
2.71 [2]). Под подошву рельсов
Рис. 20.10. Крепление к колонне сварной иод- ДЛЯ Кранов групп режимов рабо-
крановой балки двутаврового сечения с
развитым верхним поясом
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,
проектирование которых рассмотрено в гл. 8 [ 1 ], и должна соответствовать
требованиям правил Госгортехнадзора. Настил галереи и посадочной площадки
может быть металлическим или деревянным (если это допустимо по
противопожарным нормам).
При решетчатых тормозных конструкциям ходовые дорожки
выполняют из просечно-вытяжной стали, а при сплошностенчатых тормозных
балках к гладкому листу приваривают дорожку из рифленой стали
шириной 400...800 мм. По правилам техники безопасности вдоль дорожек
устанавливают перила.
20.4. Особенности расчета эстакад общего назначения
В отличие от одноэтажных промышленных зданий, являющихся
пространственными системами, крановые эстакады, имеющие консольные
408

Рис. 20.11. Расчетная схема эстакады при разрезных
(а) пролетных конструкциях и неразрезных (б)
колонны, работают
практически по плоской схеме.
Расчетную схему открытой
крановой эстакады следует
принимать в виде отдельно
стоящих продольных рядов
колонн, жестко
соединенных с фундаментами в
уровне их обреза и шарнирно
соединенных в пределах
температурного блока с
пролетными конструкциями
и вертикальными связями (рис. 20.11). Связь противостоящих рядов
несущих конструкций с помощью моста крана расчетом не учитывают.
Конструктивные элементы открытой крановой эстакады
(подкрановые балки, тормозные конструкции, колонны, связи) не отличаются от
аналогичных конструкций каркаса одноэтажного производственного
здания, в связи с чем приемы их проектирования принципиально не
различаются. Расчет конструкций колонн подробно представлен в главе 6 [1] и
главе 2 [2]. Ниже обращено внимание лишь на отличия в расчетах,
обусловленные 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
эстакады 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;
температурные климатические воздействия (при расстоянии между
температурными швами, превышающем значения, указанные в табл. 42 [3]).
Снеговую нагрузку в расчете открытых крановых эстакад не учитывают.
К особым нагрузкам относят сейсмические воздействия.
За одну крановую нагрузку принимают вертикальную и
горизонтальную (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 у, принимаемые по
табл. 20.1.
409

Таблица 20.1. Коэффициенты сочетаний для мостовых кранов
Количество кранов,
учитываемое расчетом
1
2
4
Значение коэффициента у для кранов групп режима работы
2К...5К
1
0,85
0,7
6К...8К
1
0,95
0,8
Нормативное значение продольного тормозного усилия для
четырехколесных кранов с гибким подвесом при расчете вертикальных связей
между колоннами (см. рис. 2.36 [2]) определяют по формуле
Тп = 0,lFn
(20.1)
где Fmax — 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
зависимости от ветрового района и высоты сооружения; при работающем
кране, принимая ветровую нагрузку по ГОСТ 1451-77 независимо от
района строительства и высоты сооружения.
При неработающем кране допускается учитывать мост крана как
элемент, связывающий продольные ряды колонн эстакады между собой (при
учете ветровой нагрузки на торец крана). В этом случае ветровую
нагрузку учитывают в продольном и поперечном направлениях и передают
поровну на оба крановых рельса. При определении значения ветровой
нагрузки площадь крана с грузом (рис. 20.12) допускается принимать по
табл. 20.2.
Таблица 20.2. Условная наветренная площадь мостовых кранов
Грузоподъемность
крана, т
5
10
16
20
32
50
Условная площадь, м2, при направлении действия ветра
поперек
эстакады
15
17
19
19
23
25
вдоль эстакады при пролете крана, м
16,5
29
32
36
39
45
49
21,5
41
48
49
52
61
66
28,5
56
67
68
72
84
84
Ветровая нагрузка на работающий кран учитывается только в
поперечном направлении, она передается на один (любой) крановый рельс и
может суммироваться с усилиями поперечного торможения Т. При прак-
410

тических расчетах нормативное
значение нагрузки, передаваемой на рельс
одним колесом крана, можно
принимать:

Грузоподъемность крана, т
Ветровая
нагрузка, кН
5—10
1
16—20
1,5
32—50
2
Рис. 20.12. К определению ветровой
нагрузки на торец мостового крана:
1 — мост крана; 2 — кабина
Для эстакад, обслуживающих
производства, исключающие перерывы в
работе, указанные значения нагрузок
должны быть увеличены в четыре раза.
Расчет конструкций эстакад с
учетом действия сейсмических сил
следует выполнять в соответствии с
требованиями СНиП П-7-81. В связи с тем,
что масса несущих конструкций и кранов относительно невелика,
эстакады мало чувствительны к сейсмическим воздействиям, усиление их
конструкций для районов с сейсмичностью 7 и 8 баллов обычно не требуется.
При учете трех и более кратковременных нагрузок коэффициенты
сочетания 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 ул = 0,95.
При реконструкции эстакад, обслуживающих непроизводственные
склады, допускается принимать уп = 0,9.
Расчет прочности конструкций на усилия от воздействия оседания
основания при использовании разрезных подкрановых балок не
выполняют.
При использовании неразрезных пролетных конструкций их следует
рассматривать как многопролетную балку на упрутооседающих опорах.
Горизонтальные отклонения колонн на уровне верхнего пояса
подкрановых балок определяют методами строительной механики на
нормативную нагрузку от одного крана максимальной грузоподъемности из
числа установленных в рассматриваемом пролете. Относительные
отклонения не должны превышать значения, равного 1/4000.
20.5. Конструктивные схемы надводных крановых эстакад
Наряду с обычными эстакадами в последнее время нашли
применение надводные крановые эстакады. Эти эстакады предназначены в основ-
411

Береговая часть
Надводная часть
Рис. 29.13. Принципиальная схема надводной крановой эстакады:
/ — береговая опора; 2 — опора у уреза воды
ном для выгрузки мостовыми
кранами древесины,
поступающей водным путем на
предприятия целлюлозно-бумажной и
деревообрабатывающей
промышленности, и ее дальнейшей
обработки.
Надводная крановая эстакада
состоит из надводной части и
примыкающей к ней береговой
части, представляющей собой
обычную открытую крановую
эстакаду (рис. 20.13). Как правило,
надводную и береговую части
эстакады разделяют
температурным швом. Надводная эстакада в
соответствии с технологическим
процессом, для которого она
предназначена, может не иметь
береговой части. Надводные
эстакады проектируют
консольными, что позволяет исключить
опоры в русле реки. Надводная
часть состоит в этом случае из
одного или двух шагов продольных
рядов колонн и подкрановых
конструкций, имеющих
надводную консоль (рис. 20.14). Длина
консоли в соответствии с усло-
Pssc. 20.14. Схемы надводной части крановой
эстакады консольного типа:
а, б — решетчатое пролетное строение; в — сплош-
ностенчатое пролетное строение; г — решетчатое
пролетное строение с рамной опорой у уреза воды
412

виями эксплуатации может быть
принята 12...30 м. Применение
консольных надводных эстакад снижает
стоимость и сокращает сроки
строительства, улучшает условия
судоходства и выгрузки древесины по
сравнению с эстакадами, имеющими
опоры в русле реки.
Надводная часть крановых
эстакад, являющаяся самостоятельным
сооружением, отличается
разнообразием схем, которые по своим решениям и параметрам аналогичны
мостовым конструкциям. Помимо консольной применяют консольно-под-
весную схему надводной части эстакад (рис. 20.15).
Конструктивные решения и особенности расчета надводных
крановых эстакад изложены в [5].
Рис. 20.15. Сплошносгенчатое пролетное
строение консольно-подвесного типа

Глава 21
НАДШАХТНЫЕ КОПРЫ
21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Надшахтный копер — горнотехническое сооружение над шахтным
стволом, входящее в состав шахтной подъемной установки. Копер
предназначается для установки направляющих (копровых) шкивов,
направляющих проводников, разгрузочных кривых для скипов и опрокидных
клетей, а также крепления посадочных устройств, клетей и другого
оборудования. Надшахтный копер воспринимает нагрузки от натяжения
подъемных канатов, давление ветра, вес оборудования, установленного
на копре. В зависимости от типа используемых подъемных сосудов
копры называют клетевыми, скиповыми или клете-скиповыми, а в
зависимости от числа расположенных в стволе шахты подъемов — одно-, двух-
или трехподъемными. По назначению копры делят на проходческие и
эксплуатационные, а по схеме и конструктивным особенностям
выделяют станковые (укосные), шатровые и башенные копры.
Станковые {укосные) и шатровые копры устанавливают
преимущественно на шахтах с одноканатными подъемами. Используемые в этих
подъемах барабанные подъемные машины размещают на уровне земли
в отдельных зданиях, а на копре устанавливают направляющие шкивы
для подъемных канатов. Высота таких копров достигает 60 м.
Станковый копер (рис.21.1) состоит из трех основных частей: станка, укосины
и головки.
Станок — пространственная, обычно прямоугольная в плане
решетчатая конструкция, расположенная непосредственно над стволом шахты.
Станок опирается на раму, заложенную в бетонное устье ствола. В
пределах высоты станка происходит движение подъемных сосудов к
приемным площадкам и их разгрузка. В станке размещаются направляющие
проводники, разгрузочные кривые, кулаки для посадки клетей или
качающиеся площадки, амортизаторы для тормозных канатов,
противопожарные ляды и другие приспособления. В копрах станкового типа на
станок через головку передается часть усилий от натяжения подвесных
канатов, т.е. станок является несущей конструкцией в составе
пространственного каркаса копра. В копрах над вентиляционными ство-
414

1745
. 21.1. Схема двухподъемного станкового копра с одной укосиной
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
которые опираются направляющие шкивы (подшкивные фермы), фасадные
фермы, связи по фермам, конструкции площадок для обслуживания
шкивов, головные балки станка и укосины, образуют головку копра.
Станковые копры получили наибольшее распространение, так как
они надежны в эксплуатации, а их конструкции достаточно просты в
изготовлении и монтаже.
Шатровые копры (рис. 21.2) имеют пространственный каркас
пирамидальной формы, внутри которого размещается станок, не
участвующий в работе каркаса на усилие от натяжения подвесных канатов и
выполняющий только технологические функции. Такая схема характерна
для двухподъемных копров при расположении подъемных машин под уг-
415

лом 180°, в которых обе укосины
жестко объединены конструкциями
головки копра в пространственную
раму и не передают на станок
вертикальных и горизонтальных
нагрузок от направляющих шкивов.
На шахтах с многоканатиыми
подъемами устанавливают
преимущественно башенные надшахтные
копры, а многоканатные
подъемные машины размещают на
перекрытиях башенных копров.
Башенные копры со стальным
каркасом имеют в плане
квадратную или прямоугольную форму и
достигают высоты 100 м и более.
РнсЛ1Л.Двухподъемный копер шатрово- Внутри башен для движения сосу-
го ™и& 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
горизонтальную жесткость каркаса. Каркас башенного копра состоит из
колонн, связей, ригелей и балок перекрытий.
В последние годы на некоторых шахтах построены подъемные
комплексы, 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
шатрового 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 II классу ответственности зданий и
сооружений, а коэффициент надежности по назначению для них
устанавливается yrt= 0,95.
21.2. Нагрузка ш воздействия
Постоянные нагрузке: вес несущих конструкций копра; вес
ограждающих 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
натяжения) в проводниках; рабочие усилия (от предварительного натяжения) в
тормозных канатах парашютных устройств; избыточное давление и
разрежение 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
парашютных устройств при предохранительном торможении; нагрузки,
возникающие при посадке клетей на кулаки; нагрузки от подвижного
подъемно-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
значением; усилия, возникающие вследствие разворота и опрокидывания
сосудов при разгрузке.
Особые нагрузки: аварийные (экстренные) нагрузки, вызванные
усилиями в подъемных канатах при резкой задержке (защемлении)
поднимаемого сосуда в стволе шахты и при переподъеме сосуда; нагрузки,
возникающие от срабатывания парашютных устройств после обрыва
каната; сейсмические воздействия; воздействия от оседания основания в
районах горных выработок.
Нормативные значения постоянных нагрузок определяют по
архитектурно-строительным чертежам. Нормативные значения временных
технологических нагрузок определяют согласно технологическим заданиям
на строительное проектирование. В заданиях должны быть указаны
численные значения нормативных нагрузок, коэффициенты надежности по
нагрузкам, приведены схемы расположения сосредоточенных и
распределенных эксплуатационных нагрузок с указанием габаритов
оборудования, узлов его опирания и привязок к разбивочным осям и отметкам
перекрытий или площадок. В заданиях организации, разрабатывающей
проект строительства, приводят схемы приложения и величины нагрузок от
проходческого оборудования, возникающих при использовании
постоянного копра для проходки ствола, и монтажных нагрузок.
Снеговую и ветровую нагрузки определяют согласно СНиП
2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». Нагрузки от сейсмических
воздействий определяют согласно СНиП 11-7-81 «Строительство в
сейсмических районах». Воздействия от просадок основания учитывают согласно
14-447 417

СНиП 2.01.09-91 «Здания и сооружения на подрабатываемых
территориях и просадочных грунтах».
Масса несущих конструкций станкового копра с одной укосиной
приближенно может быть определена по эмпирическим формулам:
для одноподъемных копров
для двухподъемных копров
где Н— высота копра; S^ — наибольшее разрывное усилие одного из
канатов, кН; т — масса конструкций, т.
Общая масса копра распределяется между его частями в следующих
соотношениях: станок — 30...40%, головка — 20...40%,
укосина— 25...35%. Массу вспомогательных конструкций (расстрелы,
проводники, ляды, лестницы и пр.) можно учесть, введя в указанные
формулы 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
высоте копра от 30 до 80м — 31...40 кг, при высоте от81 до 110м — 41...45
кг. Рабочие усилия в подъемном канате при одноканатном подъеме
определяются из следующих выражений:
в начале подъема сосуда с грузом
в конце подъема сосуда с грузом
Sx^lGy +Q + р(Н + кЩ-аг/ g)k;
в начале спуска сосуда
в конце спуска сосуда
где Gj и G2 — полезная нагрузка соответственно поднимающегося и
спускающегося сосуда; Q — собственный вес сосуда; р — вес 1 м
подъемных канатов; Я— высота подъема; h — высота от приемной площадки
до оси приводного шкива; ах и а2 — ускорение и замедление
соответственно 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
дополнительные 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 подъема, но
непосредственно для расчета конструкций копра используют нагрузки на
фундаменты многоканатных подъемных машин, которые в зависимости
от рабочего усилия каната и параметров машины определяют по
инструкции 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
сопряженном канате того же подъема, рабочих усилий в подъемных
канатах остальных подъемов. Разрывное усилие каната находят как частное от
деления разрывного усилия каната в целом, установленного
соответствующим государственным стандартом, на коэффициент надежности по
материалу, равный 0,8. Для копров многоканатных подъемов аварийные
(экстренные) нагрузки при резкой задержке (защемлении)
поднимающегося сосуда определяют в соответствии с инструкцией
завода-изготовителя подъемной машины. При отсутствии такой инструкции аварийные
нагрузки допускается определять как сумму разрывного усилия всех
канатов в поднимающейся ветви и 0,75 разрывного усилия всех канатов в
опускающейся ветви. Коэффициенты надежности по нагрузке для
определения расчетных нагрузок принимают по СНиП 2.01.07-85 и СНиП
2.09.03-85.
Расчет конструкций копра следует выполнять с учетом наиболее
неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий.
Эти сочетания устанавливают из анализа реально возможных вариантов
одновременного действия различных нагрузок и различных схем их
приложения, в том числе и отсутствия некоторых из нагрузок. При этом
необходимо учитывать, что усилия в подъемных канатах одного подъема,
относящиеся к нагрузкам различной длительности, не могут действовать
одновременно, т.е. являются взаимоисключающими. Некоторые из
кратковременных 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
нагрузки, 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
сейсмические воздействия) для ветровой нагрузки коэффициент сочетаний
разрешается 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
копра; место постановки копра; количество и род подъемов; глубина и
диаметр ствола шахты; размеры, масса и грузоподъемность подъемных
сосудов; 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
разрывные усилия; масса 1м канатов; максимальная компрессия или депрессия;
масса направляющих шкивов; нагрузки от тормозных канатов
парашютных устройств. К заданию прилагают чертежи примыкающих к копру
зданий; 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
копрового шкива) и расстояние от оси ствола до оси барабана подъемной
машины, определяют по заданию на проектирование копра.
Максимальная длина наклонной струны каната должна быть 60...65 м. При больших
длинах проектируют поддерживающие устройства (мачты и др.).
Приближение подъемных канатов к конструкциям копра должно быть не
менее: при вертикальном канате — 200 мм; при наклонном канате,
расположенном под элементами конструкций, — 150 мм; при наклонном канате,
расположенном над элементами конструкций, — 1/100 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
выступающими гранями элементов станка должны быть при жестких
проводниках не менее 150 мм и при канатных проводниках не менее 200 мм.
Опорная рама станка состоит из двух продольных и нескольких
поперечных балок. Балки располагают в плоскостях стенок станка и рассчиты-
420

вают как разрезные балки на нагрузки от стоек станка. Глубина
заложения рамы зависит от вида подъема.
Стойки станка проектируют из широкополочных двутавров, из
прямоугольных 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).
Высота панели решетки должна быть увязана с расстоянием между
расстрелами. Шаг узлов решетки принимают 3,5...3,0 м при металлических
проводниках и 3,0...2,5 м — при деревянных.
Для ввода и 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
изгиба от горизонтальных сил, воспринимаемых решеткой станка. Проем
окаймляют жесткими ригелями, установленными вместо распорок
решетки, или усиленное сечение стойки продлевают на одну панель выше и
ниже проема.
Решетку станка проектируют из уголков или замкнутых гнутых
профилей. Расстрелы назначают из двутавров для подвесных путей с
шириной 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
площадках должны быть закрыты специальными предохранительными
шахтными дверьми. Необходимость обшивки станка копра по всей высоте
решается в зависимости от технологических требований. Обязательна
обшивка участка станка, где ведется разгрузка скипов.
Рекомендуется выбирать такое положение укосины, чтобы ее ось
проходила через центр верхнего копрового шкива. Расстояние от оси ствола
до нижней опоры укосины назначают таким, чтобы укосина заняла
положение, 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
величины равнодействующей сил натяжения канатов. Выбор положения
опоры укосины выполняют графическим построением. Высотную
отметку нижней опоры укосины назначают на 0,6 м выше планировочной
отметки земли.
Разнос стоек укосины в поперечном направлении обеспечивает
боковую устойчивость копра на ветровые нагрузки. Рекомендуется в верхней
части укосины принимать разнос равным расстоянию между
направляющими 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
стойки соединяют между собой решеткой крестовой или полураскосной схем,
либо жестко прикрепленными к стойкам распорками без рас косов
(рамная укосина). Обычное сечение стоек укосины — двутавровое, из
прокатных двутавров с параллельными гранями полок или из сварных
двутавров. В рамных укосинах для стоек применяют также круглые и
прямоугольные трубы, сварные коробчатые сечения из 4 листов.
Головки копров отличаются большим разнообразием, так как их
конструкция зависит от расположения подъемных сосудов в стволе шахты и
способа размещения копровых шкивов (в одном уровне, в одной
плоскости один под другим и 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
увеличивают путем умножения на коэффициент динамичности 1,25.
Положение узлов нижнего пояса подшкивных ферм определяется положением
головных балок укосины и станка. Рекомендуется опорный раскос,
опирающийся на укосину, располагать так, чтобы его ось совпадала с осью
укосины и проходила через центр шкива.
Пространственную жесткость конструкции головки копра
обеспечивают горизонтальные связи по нижним поясам подшкивных ферм и
наклонные связи в плоскостях элементов решетки, установленные между
внутренними подшкивными фермами и между фасадными и наружными
подшкивными фермами. По верхним поясам подшкивных ферм
укладывают настил из рифленых листов, образующих пол подшкивной
площадки. Для создания горизонтального жесткого диска настил приваривают к
верхним поясам ферм, а в местах заводки шкивов его выполняют
съемным и крепят на болтах. На подшкивную площадку опирают
поддерживающие 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
чего проверяют горизонтальное перемещение копра от статического
давления 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
систему. 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
направлению подъемных канатов, в расчетную схему включают: ферму
фасадной плоскости станка (стойки и решетку), фасадную ферму головки и
одну стойку укосины. Во вторую схему — две фермы, образованные
конструкциями поперечных стенок копра, включая головные балки, и ферму
укосины (стойки с решеткой и головную балку), соединенные на уровне
головных балок условными стержнями, обеспечивающими равенство
горизонтальных перемещений узлов схемы.
Стальные конструкции копра и их расчет должны удовлетворять
требованиям СНиП П-23-81*.
Конструкции станковых копров по степени ответственности относят
к следующим группам:
1 группа — опорная рама станка, подшкивные фермы и балки,
головные 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 подшкив-
ным фермам и площадкам;
4 группа — обшивка станка.
21.3.2. Башенные копры
Задание на проектирование башенного копра помимо сведений о
характеристиках 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
периметру башни; они образуют вместе с колоннами прямоугольную
оболочку, воспринимающую все горизонтальные нагрузки на каркас копра.
Внутренние колонны копра воспринимают только вертикальные нагруз-
423

План на отм. 0,000
Рис. 213. 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
предельных состояний проверяют устойчивость против опрокидывания, а по
второй группе — осадку и крен башни, которые не должны превышать
определенные пределы. Стальные конструкции башенных копров и их расчет
должны удовлетворять требованиям СНиП II-23-81 * и СНиП 2.09.03-85.
21.3.3. Вспомогательные элементы копров
Подкулачные балки, к которым крепят кулаки для посадки клетей,
устанавливают ниже уровня приемной площадки. Балку рассчитывают как
однопролетную на нагрузки от одной пары кулаков. Нагрузки,
возникающие 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
увеличивать умножением на коэффициент динамичности, равный 5.
424

Противопожарные ляды предназначены для плотного перекрытия
ствола шахты в случае пожара в надшахтном здании. Их обычно
устанавливают на уровне опорной рамы станка. В лядах предусматривают
вырезы и приспособления для пропуска канатов и направляющих
проводников.
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
четырехкратному 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
стальными оцинкованными профилированными листами или стальными
гладкими листами толщиной 3...4 мм.
Монтажное устройство. На всех копрах предусматривают
устройства для монтажа и демонтажа шкивов, представляющие собой две П-об-
разные рамы, соединенные связями. К ригелям рам закреплены
монорельсы, установленные над каждым шкивом. В сторону укосины
монорельсы имеют консоль длиной около 1,5 м с упором для тали.
Лестницы, Надшахтные копры для осмотра подъемного
оборудования и узлов копра оборудуют лестницами. Устройство лестниц
непосредственно 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 ячеек 20x20 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
специального 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
залов 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
стационарных конструкций на континентальном шельфе, включающий
обустройство всего комплекса разведки, добычи и хранения полезных
ископаемых морского дна. Стационарные конструкции отличаются от
общестроительных конструкций лишь отдельными особенностями, поэтому
их проектируют в соответствии со строительными нормами.
В состав подвижных конструкций входят затворы водозаборных,
водопропускных и судоходных отверстий, шлюзные ворота,
судоподъемники, сороудерживающие решетки, рыбоподъемники, краны. При
проектировании машиностроительных узлов таких конструкций должны
учитываться машиностроительные нормативы, которые нашли отражение в
руководящих технических документах Всероссийского треста ( АООТ )
Гидромонтаж.
Отличительной особенностью гидротехнических сооружений
являются разные требования по надежности к различным элементам одной
конструкции. В соответствии с этим различными будут коэффициенты
надежности по назначению уп и коэффициенты условий работы ус,
поэтому во всех последующих формулах расчетное сопротивление стали
следует умножать на отношение ус/ул.
426

22.1.2. Нагрузки и воздействия
Для большинства гидротехнических сооружений основной нагрузкой
является гидростатическое давление, определяемое по заданному
наивысшему подпорному уровню (Ш1У).
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
движении жидкости.
При расчете некоторых элементов учитывают фильтрационное
давление, например, в уплотнениях, в облицовках водоводов и т. п.
Атмосферное давление следует иметь в виду при возникновении зон
разрежения в обтекающем потоке. Ветровой нагон учитывают увеличением
расчетного напора. Воздействие волн рассчитывают по нормам [26].
Давление наносов обычно определяют в задании на проектирование. Для
расчета приводных механизмов необходимо оценивать собственную
массу подвижных конструкций. Следует также иметь в виду тяговые усилия
от приводов, силы трения в ходовых частях и уплотнениях при
маневрировании перемещаемой конструкцией.
Нагрузки и воздействия от сплошного ледяного покрова при
температурном расширении, от зажорных масс льда, навала судна, от натяжения
швартовов регламентируются нормами [26].
Временную нагрузку от толпы, транспорта принимают по стандарту
предприятия АООТ 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
перепадах 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
прогнозировании поведения водной среды, создающей дополнительное
гидросейсмическое давление.
При выполнении монтажных работ в конструкциях возможно
появление усилий, превышающих эксплуатационные. В этих случаях требуется
усиление временными, съемными элементами на период
транспортировки и возведения.
427

Состав нагрузок в основных и особых сочетаниях принимают по
упомянутому выше стандарту.
22.1.3. Условия работы
Характеризуя условия работы гидротехнических конструкций,
прежде всего следует обратить внимание на коррозионное поражение металла.
Процесс коррозии наиболее интенсивно протекает в местах
периодического 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
рабочего сечения из-за коррозии, особое значение приобретает защита
конструкций. 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
сооружения (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
наименьшую открытую поверхность при том же рабочем сечении.
Нежелательны 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
происходит их схлопывание с высокой скоростью. Сила микроудара в этом
случае сопровождается давлением на поверхность конструкции более 20
МПа, что постепенно приводит к усталостному разрушению материала.
Процесс эррозии ускоряется при наличии в воде абразивных частиц.
Борьбу с кавитацией ведут различными путями, например,
использованием конфузорности (сужения) водовода при подходе к сливному
отверстию, созданием суперкавитирующих камер при помощи
дефлекторов и порогов, удаляющих транзитную струю от конструкции, а также
устройством аэрационных каналов в потоке водовода.
В зимний период на стальных элементах образуются наледи, при
которых затруднено или становится невозможным маневрирование
подвижной конструкцией. Изменяются физические свойства воды,
гидрологические характеристики акватории. Кроме ледяного покрова образуется
донный лед в виде губчатой массы; при всплытии она забивает отверстия
428

водоприемников, нарушая нормальную эксплуатацию оборудования.
При переохлаждении водоемов и водотоков в воде появляется шуга в
виде 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
индукционный электрообогрев.
Принимая во внимание многообразие гидрогеологических и
климатических условий работы гидротехнических конструкций, следует
отметить, 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
отверстий 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,
аварийные, ремонтные и строительные. В зависимости от степени
ответственности гидросооружения отверстие оборудуют иногда несколькими
затворами из состава перечисленных.
о) б)
УВБ УВБ
47
Ш////////ШШ/ШШЩШШ
Рис. 22.1. Расположение отверстий:
а — поверхностное; б — глубинное
429

По направлению движения при маневрировании затворы
подразделяют на подъемные, опускные, поперечно-отодвижные, продольно-ото-
движные.
Затворы обладают большим разнообразием по конструктивному
признаку [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
конструкция сложнее и требует повышенной точности в изготовлении и
монтаже, однако эти затворы не нуждаются в большой мощности приводного
механизма при маневрировании, как плоские. Применение других видов
затворов крайне индивидуально и зависит от гидрогеологической
обстановки в каждом водохранилище и подпертом бьефе.
Плоские, сегментные и клапанные затворы используют как для
поверхностных отверстий, так и для глубинных при малых и средних
напорах. Затворы игольчатого и конусного типов применяют для
высоконапорных глубинных отверстий при напорах свыше 50 м.
Конструкция затвора определяет способ передачи гидравлической
нагрузки от подвижной части затвора на стационарную часть
сооружения. По этому признаку различают затворы, передающие нагрузку на
боковые стенки отверстия или быки, например, плоские, сегментные,
вальцовые; затворы, передающие давление на флютбет: секторные,
клапанные, крышевидные; затворы, передающие нагрузку на весь контур
отверстия — конусные, игольчатые.
Наконец, затворы можно классифицировать по материалу:
деревянные, железобетонные, тканевые в виде мягких оболочек, металлические.
Металлические затворы, в основном, выполняют из стали. Однако
есть опыт применения и алюминиевых сплавов. В этом случае
улучшается коррозионная стойкость, в 2-3 раза снижается масса подвижной
конструкции, 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
Основные затворы должны удовлетворять следующим требованиям:
• безотказной работе;
ф водонепроницаемости контактов с гидросооружением;
• быстроте маневрирования;
9 минимальным энергозатратам привода;
430

УУ///////////////////// УУ/У/У/УУ//УУУУУУУУУ//УУ
Рис. 22.2. Типы затворов:
а — плоский; б — сегментный; в, г, д — секторный; е — вальцовый; ж — крышевидный; и —
клапанный; к — плавучий (батопорт); л — цилиндрический; м> н — с поворотными фермами Пуаре, с рамами
Томаса; п — игольчатый; р — конусный
431

• удобству монтажа и ремонта.
Главнейшим требованием к аварийным затворам является
постоянная готовность к немедленному перекрытию отверстия.
Ремонтные затворы должны допускать возможность их перестановки
из одного отверстия в другое, что позволяет свести до минимума
комплект этих затворов.
Из вышеизложенного вытекает высокая степень ответственности
таких конструкций, что учитывается введением в расчет весьма
значительного коэффициента надежности по назначению уп = 1,4.
22.2.3. Основные расчетные положения
Элементы затвора рассчитывают на самое невыгодное сочетание
нагрузок. В основных сочетаниях рассматривают несколько положений
затвора: при закрытом отверстии, когда превалирует гидростатическая
расчетная нагрузка, а остальные не оказывают существенного влияния; при
открытом отверстии в момент трогания, когда действуют кроме
собственного веса силы трения и усилия привода. В открытом пространстве
учитьгоают действие ветровой нагрузки на затвор в поднятом положении
по указаниям СНиП [4].
В промежуточном положении при частично открытом отверстии
затвор помимо отмеченных нагрузок испытывает сильное
гидродинамическое воздействие деформированного потока, сопровождаемое
значительной вибрацией.
Иными словами, в основных сочетаниях учитываются все те
нагрузки, которые возникают при нормальной эксплуатации затвора.
Нагрузки и воздействия, появляющиеся при отклонениях от
нормальной эксплуатации, входят в состав особых сочетаний. К ним относят
усилия от заклинивания подвижной части затвора, удары льдин и
плавающих тел, навал судна, монтажные и ремонтные нагрузки, сейсмическое
воздействие, напор при форсированном подпорном уровне (ФПУ),
испытательная нагрузка на гидравлический удар и гидродинамический
резонанс.
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
проектирования, применяя следующую эмпирическую зависимость
(22.1)
где Q — равнодействующая гидростатической нагрузки на затвор, кН;
L — ширина отверстия в свету, м; g ~ 9,81 — ускорение свободного
падения, м/с2; а, р — коэффициенты, приведенные в табл. 22.1.
Таблица 22.1. Значения коэффициентов а, Р
Тип затвора
Плоские поверхностные с колесными опорами
Плоские поверхностные со скользящими опорами
Плоские глубинные с колесными ходовыми частями
Плоские глубинные со скользящими ходовыми частями
Сегментные с наклонными ногами
Сегментные с прямыми ногами
а
2,0
2,7
3,9
4,9 .
2,5
1,5
Р
0,71
0,70
0,73
0,70
0,70
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
определяется 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
сейсмического удара.
Следует заметить, что методика количественной оценки
гидродинамических нагрузок весьма неточна. В инженерной практике в расчетах
гидродинамическое воздействие на затвор упрощенно представляют
гидростатическим.
Таким образом, определив состав сочетаний расчетных нагрузок в
рамках 1-й группы предельных состояний, рассчитывают прочность,
устойчивость, а также вибрационную прочность элементов затвора.
Расчеты выполняют, как отмечено выше, с учетом коэффициентов
надежности по назначению и коэффициентов условий работы, величины
которых регламентируется табл. 6 СНиП [3].
Для нормальной работы уплотнений в гидротехнических
конструкциях принципиальное значение имеет проверка жесткости элементов по 2-й
группе предельных состояний
f!L<[flL\ (22.2)
433

где/— абсолютный прогиб элемента от нормативной гидростатической
нагрузки с учетом коэффициента надежности по назначению уп; L —
пролет элемента; \f/L]—допустимая величина относительного прогиба
(табл. 22.2).
Таблица 22.2. Допустимый относительный прогиб элементов
Элемент конструкций
Ригели поверхностных основных затворов
Ригели поверхностных аварийных затворов
Ригели поверхностных ремонтных затворов
Ригели глубинных затворов
Консоли ригеля
Стрингеры и обвязки
Допустимый относительный прогяб
1/600
1/500
1/400
1/1000
1/300
1/250
Эти жесткие требования практически исключают развитие
пластических деформаций в конструкциях затворов.
Реализация общих положений расчета в каждом конкретном случае
зависит от вида затвора по конструктивному признаку, расположения
затвора, 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
затворов.
22.3. Плоские затворы
22.3.1. Модификации плоских затворов
Плоский затвор состоит из пролетного строения, опорно-ходовых
частей, ушютняющих и подвижных устройств [29].
Пролетное строение перемещается в боковых пазах быков или устоев,
легко может переставляться из одного отверстие в другое, доступно для
ремонта.
Плоские затворы применяют как в качестве основных, так и в
качестве аварийных, ремонтных и строительных затворов; они могут
обслуживать 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

б)
г)
'77777/7/77777777777777.
У/777777777777/777/777.
777777777777777777777,
Рис. 223. Виды пролетных строений плоских затворов:
а, б — одиночный; в — секционный; г — сдвоенный; д — 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 лиОо перед
забральной стенкой, либо после нее (рис. 22.4).
По типу опорно-ходовых частей плоские затворы разделяют на
скользящие на полозьях, колесные, гусеничные (рис. 22.5).
Скользящие ходовые части обладают преимуществом по сравнению с
прочими в простоте конструкции, однако они имеют повышенный
коэффициент трения в момент трогания с места.
Пролеты поверхностных затворов L достигают 45 м, высоты Н— 18
м, 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 напоре 4,25 м.
Максимальные параметры глубинных плоских затворов, известных в
мировой практике, достигают величин: напор 181 м (Ингурская ГЭС),
226,5 м (Седер Спринте, США), площадь отверстия —100 м2 (Асуан,
Египет).
а)
б)
б)
I
1
Рис. 22.4. Расположение глубинного
затвора в отверстии:
а — верховое; б — низовое
Р&с. 22.5. Типы ходовых частей:
а — полозья; б — колеса; в — гусеница
435

Плоские затворы, как уже было отмечено выше, получили широкое
распространение, благодаря простоте конструкции и удобству их
обслуживания и ремонта. Стоимость их изготовления на 10... 15 % ниже
стоимости 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,
перекрывающих всю ширину отверстия, на которые опираются поперечные
балки— 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
через ходовые устройства.
. h
1
1L
_z
'//
yffl/fi////////////////////^^^
Рис. 22.6. Компоновочная схема двухрнгельного поверхностного затвора:
/ — обшивка; 2 — ригель; S — диафрагма; 4 — опорно-концевая стойка; 5 — направляющий рельс;
б — стрингер; 7 — боковое уплотнение; 5 —донное уплотнение
436

б)
Рис. 22.7, Ходовые устройства:
а — поверхностного затвора; б — то же, глубинного; / — полоз; 2 — боковое колесо; 3 — обратное
колесо; 4 — боковое уплотнение
Обшивка непосредственно опирается на ригели и на
вспомогательные продольные балки — стрингеры. Опорой для стрингеров служат
диафрагмы.
Ходовые устройства размещают в боковых пазах бычков или устоев
(рис. 22.7). Они состоят из основных опорных частей — колес или
полозьев — и вспомогательных устройств: боковых колес и обратных
колес.
Обратные колеса предназначены для устранения свободных люфтов в
пазах. Их устанавливают с напорной стороны на амортизаторах и
обеспечивают 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 Lp (рис. 22.6) равен расстоянию между
осями рельсовых путей — колеи затвора
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 Я с некоторым запасом съ = 100...300 мм
для аварийных затворов сь = 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
равнодействующей Г гидростатического давления (рис. 22.8) Т = 0,5уЯ2, е = HI 3,
где у= 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 — нижней обвязки и донного уплотнения длина
консоли /„ должна быть не менее 400 мм. Верхняя консоль в то же время
ограничивается по длине 4 ^ 0,4#.
Удовлетворяя этим требованиям, нетрудно получить максимально
возможное расстояние между ригелями lp <2(e~ln).
По длине ригелей диафрагмы расставляют с шагом d = (0,75 ■* \S)Lp.
Размещение стрингеров по высоте затвора зависит от глубины
погружения 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
стрингеров, как правило, не превышает 8%. Следовательно, экономически
целесообразно 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)
принципиально не отличается от поверхностного (рис. 22.8). Так же
расставляются ригели соответственно положению равнодействующей:
7 = у(#- 0,5Яя)#я ; е = [1+Я !{2Н-НН)]НН / 3 , где Нн — нагруженная
высота затвора — расстояние от флютбета до верхнего уплотнения.
Однако из-за наличия забральных балок боковые колеса здесь
приходится размещать на торцевых сторонах (см. рис. 22.7, б).
При средних напорах (до 50 м) из-за большого давления затворы
проектируют 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
дополнительный стрингер (рис. 22.9). Обшивка непосредственно опирается на
стрингеры и ригели и крепится к ним на сварке.
Как отмечено выше,
расстановка стрингеров выполняется по
равнопрочности обшивки во всех
участках при одной и той же ее
толщине. Верхняя обвязка
ставится конструктивно на
расстоянии съ = 120^200 мм.
Под действием
гидростатического давления обшивка
испытывает цилиндрический изгиб в
вертикальном направлении, т. е. ее
расчетную схему можно
рассматривать как многопролетную
балку-полоску единичной ширины
(рис. 22.10). Для упрощения
расчета переменную нагрузку в
каждом пролете с некоторым запасом
ИПУ
Рис. 22.9. Размещение стрингеров
439

ГрТ
1 Рп
г-1—s
<^
i
-A
а) б) можно заменить на максимальную
равномерную qt - I'Pi = у(Я- h,) и считать
опирание полоски защемленным (рис.
22.10, б).
Максимальный расчетный изги-
бающий момент в обшивке возникает
на опоре M0=qtbf 111, где bt —
размер рассматриваемого участка.
Нормальные напряжения изгиба равны а0 =
= MQ/WQ,rjxeW0 =1-*о /6>'о— толщина
обцшвки
условие ПрОчНОСТИ обшИВКИ На Me-
стный изгиб с учетом коэффициента
надежности по назначению уп и коэффициента условий работы ус в общем
случае записывается в виде
<*o*R,1ch» (22-3)
где Ry — расчетное сопротивление материала; у„ = 1,4 — коэффициент
надежности по назначению.
Из условия (22.3) можно выразить предельно допустимый пролет
обшивки bh см
Рис. 22.10. Расчетная схема обшивки:
«-«йивпшш, ™^-^идеаяизиро-
(22.4)
Полученное выражение позволяет разместить все промежуточные
стрингеры при предварительно выбранной толщине обшивки г0 см, по
критерию ее равной прочности во всех участках.
22.3.4. Подбор сечения стрингеров
Полученная расстановка стрингеров определяет глубину их
погружения и нагрузку на каждый стрингер. Ширина грузовой площади
соответствует шагу стрингеров. От нее и от давления на уровне
рассматриваемого стрингера зависит расчетная погонная нагрузка, (см. рис. 22.10): qt =
Стрингер, опираясь на диафрагмы, представляет собой по расчетной
схеме неразрезную многопролетную балку. Общая длина стрингера
равна пролету ригелей. Для нижней обвязки (рис. 22. 9) qn = рп(0,5Ьп + с„),
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
избежание скопления влаги швеллеры устанавливают корытом вниз, а в
двутаврах делают дренажные отверстия. Сечение стрингера подбирают из
условие прочности при изгибе.
Выбрав подходящий калибр профиля, необходимо проверить
относительный прогиб в крайних пролетах
f I d< [1/250], (22.5)
/ / d = ynqtd3 / 148ус£/ = qtd* 1105£/, (22.6)
где/—абсолютный прогиб стрингера; d — пролет стрингера; Е —
модуль упругости; / — момент инерции сечения.
22.3.5. Расчет и конструирование ригеля
Обычно ригель представляет собой сварную балку двутаврового
сечения. Сквозную конструкцию применяют при пролетах более 20 м,
однако 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
равнодействующей давления Г в двухригельном затворе каждый из них
воспринимает нагрузку (рис. 22.8) q = 0,5Г.
В многоригельном затворе ригели располагают аналогично
расстановке 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 дайна Ln мало отличается от
пролета ригеля, поэтому без большой погрешности можно принять Ln= Lp.
Подбор сечения ригеля производят по общим правилам расчета
изгибаемых элементов (см.п.5.3 [1]).
Если прокатный двутавр подобрать не удается, то компонуют
сварной. Чаще всего с напорной стороны в качестве пояса используют
некоторый участок обшивки (рис. 22.11) по 0,15Lp с каждой стороны, но не более
естественных величин: 1п — с нижней стороны, 0,51р — в промежутке
между ригелями. Сечение стрингеров, установленных в зоне
присоединенной обшивки, включать в состав рабочей площади ригеля, очевидно, не
имеет смысла из-за неминуемой редукции нормальных напряжений в
отдаленных волокнах. Таким образом, сечение ригеля представляет собой
не что иное, как асимметричный двутавр.
441

Уо
Расчет такого двутавра можно
выполнить, опираясь на рекомендации
§5.4 [1]. При этом в опорных частях в
целях уменьшения размеров паза в
бычках высоту ригеля следует уменьшить
(см. рис. 22.6), приняв ее равной
Л'«0,6*.
_/_ 22.3.6. Устойчивость элементов ригеля
Рис. 22.П. Сечение ригеля
Условие устойчивости пластинки записывается в виде
Общая устойчивость ригеля
обеспечивается обшивкой. Однако участок
обшивки, включенный в состав сечения
ригеля, может потерять местную устой-
чивость от действия нормальных
напряжений а0 = Му011.
а<асгус/у„. (22.7)
Для пластинки, упруго защемленной по краям, критические
напряжения имеют величину
асг=5£(г/£.)2. (22.8)
Из последних выражений вытекает предельно допустимая ширина
обшивки по критерию устойчивости
(22.9)
Устойчивость стенки ригеля рассматривается как устойчивость
прямоугольной пластинки, ограниченной диафрагмами, безнапорным
поясом и обшивкой. Проверку устойчивости стенки следует производить в
соответствии с рекомендациями п.5.4.5 [4]. При этом, однако, проще
использовать следующие практические приемы:
нормальные критические напряжения можно вычислить в
зависимости от вида эпюры а по формуле
асг = 5(1,5а2 -0,5а + !)£(///zw)2, (22.10)
где а=(аП12Х - а ^ ) / а ^ — коэффициент асимметрии эпюры а,
hw — высота стенки (рис. 22.11); критические касательные напряжения,
определяемые по соотношению размеров отсека стенки dmax и ^min
min)2> (22.11)
mm у ? v /
где \i = i
442
' "min-

22.3.7. Аэрация транзитной струм
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
практически 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
составлять не менее 20% от площади отсека, т.е. Ао > O^ldh. Этим
определяется радиус отверстия г > yJQ^Zdh I к.
Потеря части рабочего сечения компенсируется воротником вокруг
отверстия (рис. 22.12). Толщину кольца принимают не менее l,5f, ширину
кольца bk— не более \2t .
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
е. Из условия равнопрочности /0= 1Ь где /0 и Ik — моменты инерции
вырезанной части стенки и сечения воротника соответственно, вытекает
необходимая рабочая площадь последнего
bktk > rt[\+2e2 I {r2 + <?2)]/3. (22.12)
Если высота сечения ригеля недостаточна для размещения круглого
отверстия, то его выполняют овальным.
В приопорном отсеке переменной высоты отверстие делают
меньше — 15% от площади отсека. Усиление воротником здесь
необязательно 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
изобразить в виде двухконсольной балки на двух опорах, нагруженной неравно-
мернораспределенной нагрузкой qd, которая определяется
гидростатическим давлением р: qd ^pd, где d — ширина .площади загружения —
расстояние между диафрагмами.
Высоту сечения диафрагмы hd принимают конструктивно равной
высоте ригеля за вычетом толщины обшивки /0 и высоты стрингера hc.
Толщину стенки и пояса принимают равной толщине стенки ригеля г, а
ширину поясов — около 15/.
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
приходиться делить еще на две части при высоте отверстия более 6 м.
Опорно-концевые стойки монтажных разъемов не имеют и
привариваются 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
большим запасом прочности. Однако в узле примыкания верхней
консоли к ригелю действуют большие изгибающий момент М = ql\ I6 и
поперечная сила Q- q lbi'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
момента Mw = MIWI Id , tjxq Iw — момент
инерции стенки диафрагмы
относительно центральной оси ее сечения,
Id — момент инерции всего сечения
диафрагмы.
Монтажные швы испытывают
напряжения: xo=QIAp \M-MIWf ,
где Aj- 2Щ — площадь среза
двусторонних швов, W, = Щ1 /3 — момент
Рис. 22.13. Конструктивная и
расчетная схемы диафрагмы
444

сопротивления швов, lw = hw~2t- 2-4,0 — длина швов, см, с учетом
вырезов (рис. 22.13), р — коэффициент глубины проплавления.
Монтажная сварка обычно предполагается ручная, катет швов к в
затворах принимают толщиной не менее 5 мм.
Условие прочности швов имеет вид
(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
затвора 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
ILp, (22.14)
где уу= 1,1 —коэффициент надежности по нагрузке; G — вес затвора,
определяемый по эмпирической формуле (22.1).
Опорная реакция фермы Q =0,5q'Lp =02yfG вызывает наибольшее
растяжение в приопорном раскосе N ~Q I cos ср.
Обычно сечение раскоса А подбирают из одиночного уголка по
условию прочности, но с соблюдением предельно допустимой гибкости А, =
= ц// i < [300], здесь ц = 0,9. Найденное сечение принимают одинаковым
для всех раскосов в целях унификации.
Jt_l и
о,eh
Рис. 22.14. Ферма продольных связей
445

Безнапорные пояса ригелей,
являясь поясами связевой фермы
одновременно, испытывают усилие
N' = Mf/tp, где M' = q'L2p/S —
изгибающий момент в ферме посередине
пролета. В результате в поясе нижнего
ригеля возникает дополнительное
растягивающее нормальное напряжение
22.15. Скользящее
опорно-ходовое устройство
Рис.
22.3.10. ©порно-ходовые част
Следовательно, прочность
безнапорного пояса необходимо проверить
на действие суммарных нормальных
напряжений
G=O'<R v /у„.
Концевая стойка передает опорную реакцию ригелей через ходовые
части на рельс.
Простейший по конструкции тип ходовых частей — скользящий в
виде полоза (рис. 22.15). Корпус полоза /, прикрепляемый к безнапорному
поясу 2 опорно-концевой стойки, имеет вкладыш из древесно-слоистого
пластика 5, уменьшающего силы трения в зоне контакта с рельсом 4.
Длину полоза / определяют по допускаемому давлению [р]= 30 кН/см
от опорной реакции Q ригеля / > Q /[р]. Минимальную длину
ограничивают значением 300 мм.
22.4» Сегментные затворы
22.4.1. Модификации сегментных затворов
В отличие от плоских затворов пролетное строение сегментных
затворов выполняют в виде изогнутого сегмента, опирающегося на ноги,
через которые передается давление на шарниры. Водоудерживающая
поверхность имеет цилиндрическое очертание относительно центра
опорного шарнира. Опорные шарниры закрепляют на боковых стенках или
бычках (рис. 22.16).
По видам сегментные затворы подразделяют на подъемные,
опускные, сдвоенные, с клапаном.
Чаще всего сегментные затворы проектируют двухригельными.
Используют их как в поверхностных, так и в глубинных отверстиях. Пре-
446

а) /
77///////////////.
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
компоновке не отличается от конструкции плоского. Однако особенность
заключается в том, что здесь ригели опираются не на концевые диафрагмы,
а непосредственно на ноги, соединенные с опорными шарнирами (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
порталов соединяют раскосной решеткой для обеспечения устойчивости ног
в вертикальной плоскости (см. рис. 22.17).
447

Рис. 22.17. Компоновочная cxewa сегментного затвора:
/ — ригель; 2 — стрингер; 3 — нога; 4 — диафрагма; 5 — опорный шарнир; б — боковое уплотнение
а)
РГГГПТТТТП l-f ТIII М 111 i ITITj
ПТТТПТПТ!'[ I М ГТТТТТТТГГП i
Рис. 22.18. Статические схемы главного яортала:
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
посередине ригеля, однако в этом случае опорные шарниры испытывают
воздействие распора (рис. 22.19).
Расчетная высота портала г определяется расположением
нейтральной 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 - О,3й. Высота сечения приблизительно составляет 1/12
от расстояния / между узлами опирания ригеля.
448

Чаще всего ноги портала делают
наклонными, а узлы примыкания
ног к ригелю располагают не далее
с = 0,21 от его концов, L — ширина
отверстия в свету. Выносные
консоли опорных шарниров стараются
делать как можно меньше (а < 400 мм),
что, впрочем, зависит от сложности
устройства шарнира и его
типа — цилиндрический, шаровой ИЛИ Рис. 22.19. Генеральные размеры портала
конический.
Высота расположения шарниров К относительно расчетного
горизонта 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
поверхностных затворах ось вращения часто располагают выше горизонта и радиус
г0 выбирают довольно большим го=2+2,5Н, Н—высота отверстия. В
других случаях го"= 1,2-И,5Я.
Расстановка ригелей в сегментных затворах принципиально не
отличается от таковой в плоских, т. е. здесь ригели так же располагают на
равных расстояниях от равнодействующей гидростатического давления
где Г=0э5у//2 — горизонтальная составляющая; W—архимедова
сила— вертикальная составляющая, определяемая по площади сегмента
вытесненного объема жидкости (рис. 22.20),
^ = 055yr02[<p + 2sina -cosp-0,5(sm2a + sin2P)l (22.15)
a = arcsin(/z' / r0) — угол смоченного сектора; P = a + q> = arcsin[(# +
+A')/rol рад; <р = р-а.
Положение силы W находится из условия равновесия относительно
шарнира S Мо~ 0:
3 + h')/W; (22.16)
направление равнодействующей
9 = arctg(FF/r).
Равнодействующая V направлена по нормали к обшивке в центр
вращения.
15-447 449

а
Рис. 22.20. Гидростатическое давление на затвор
Как и в плоском затворе нижнюю консоль обычно предусматривают
размером /л = /;v|/ я > 400 мм по дуге, верхнюю — не более lb =
=гоуь < 0,4г0ср, тогда межригельное расстояние получается равным
1р<2{е-1п) = го\|/, у = 2(Э - в - ул), У* =ф-Ч>-\|/*-
Архимедова сила ^уменьшает требуемое усилие привода при
подъеме затвора. Если сместить шарнир вниз так, чтобы равнодействующая
прошла выше шарнира с некоторым эксцентриситетом е, то
возникающий момент Ve дополнительно снижает подъемную силу. Кроме этого,
благодаря эксцентриситету подъем затвора облегчается отрывом
пролетного 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
?=F/[2cos(0,5\|/)J
Применяя метод сил к расчету статически неопределимых систем,
нетрудно найти неизвестную реакцию распора
т. е. X = q[(l2 -6с2)/ (4к + 1с0)] / 2г, здесь к- Ips I Inl — отношение
погонных жесткостей ригеля и ноги. Исходя из практики проектирования,
соотношение 1р/1„ можно принимать в пределах 4^8.
450

Моменты и поперечные силы в раме имеют значения:
в консольной части ригеля Mk = qc212;
в ноге Mn-rX-Rc0;
в опорной части ригеля Мо= Мк+ Мп\
в середине пролета Мр = qL2 /8-Мо;
максимальная поперечная сила в ригеле Q0=R-qq
R=qLIZ
Продольное усилие в ригеле Np= X ; усилие в ногеЛ^ =
+Х sin ^ = (Rr + XcQ) / у, s — длина ноги; Е, — 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
расчетную схему можно принять спрямленной (рис. 22.10):
qi = р • 1 = у (Я - А,.). Дальнейший расчет, а также расстановку
стрингеров 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.
Стенку диафрагмы непосредственно приваривают к обшивке, а для пропуска
неразрезных стрингеров в ней делают вырезы (рис. 22.22, а).
22.4.5. Подбор сечения ригеля
В состав сечения ригеля, как и в плоском затворе, включается участок
обшивки Ъ' с каждой стороны стенки (рис. 22.11): в средней части портала
br < 0Д5/0, где /0 «0,75/— расстояние между нулевыми точками в эпюре
моментов, bf <0,3c—в консольных частях.
Поскольку ригель в основном работает на изгиб, а осевая сила
невелика, то подбор сечения начинают выполнять по максимальному
изгибающему моменту W<Mmaynl Ryye.
Оптимальную высоту определяют с учетом весьма значительной
асимметрии сечения ригеля в сегментных затворах а « 2 н- 3 и
относительно небольшой гибкости стенки Л, ^ 80 -^ 100
(22.17)
Для ригеля с консолями выражение минимальной высоты принимает
вид Л^=
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 7Vp. Поскольку гибкость стенки в
сегментных затворах невелика, часто бывает достаточно ограничиться
проверкой ее устойчивости по условию
(22.18)
Устойчивость пояса обеспечена, если
(22.19)
22.4.6. Расчет ног главного портала
Кроме усилия в ногах от гидростатического давления в них возникает
дополнительное усилие в момент трогания с места при подъеме затвора
(рис. 22.21). Величина тягового усилия Р на каждую сторону затвора
определяется весом затвора G и силой трения в боковом уплотнении F из
условия равновесия IAfo = O:
P = (Fro+0,5Gaff), (22.20)
где а"«0,8я'-
Вес затвора рассчитывают по формуле (22.1), расстояние а' — по
выражению (22.16). Силы трения по длине бокового уплотнения
распределены неравномерно в зависимости от переменной величины давленияр(<р):
ф ф
F = \Axbyr01 pdq> = 1,2ц6,г0 J yr0 sin <pd<p = l,2\iybyrf (1 - cos <p), (22.21)
Рис. 22.21. Силы, действующие на затвор
при подъеме
452
где ц = 0,8 — коэффициент трения
резины по стали; Ъу — ширина
поверхности контакта в боковом
уплотнении; 1,2 — коэффициент,
учитывающий возможное
отклонение сил трения от расчетного
значения.
Возникающую при подъеме
реакцию Ro в шарнире находят из
уравнения равновесия
относительно точки А 2МА = 0:
£00,lG + P(r0cosa/a'-l). (22.22)
По величине этой реакции
определяют дополнительное усилие

сжатия в ноге верхнего портала Л^ с учетом угла наклона ног в плоскости
портала £ из уравнения 1У=0:
Np =i?0cos(a +\|/ь + \j/)/(sin\|/-cos£). (22.23)
Таким образом, полное расчетное усилие сжатия в ноге складывается
из усилия Nq от гидростатической нагрузки и дополнительного Np: N «
Сечение ноги подбирают по условию устойчивости сжато-изогнутого
стержня в плоскости портала
o = N/A<Ryq>eyc/yn. (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
двутавр, максимальную жесткость которого ориентируют в плоскости
портала. Тогда для обеспечения устойчивости ног в вертикальной плоскости
их объединяют раскосной решеткой (см. рис. 22.17, 22.22). Расстояние
между узлами .?0 выбирают по условию
o = N/A<Ry<?cyc/yn, (22.25)
где c = l/(l + 0,7m); m = eAIW\ e=MJ N.
Сначала определяют допустимую величину коэффициента
продольного изгиба из неравенства (22.25) ср> Nyn I cARyyc\ зная величину <р,
можно найти допустимую гибкость А,, затем предельное расстояние
sQ < Xi^. Сечение элементов решетки подбирают по гибкости X < [200].
Обеспечив устойчивость ног, необходимо проверить их прочность
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
жесткости конструкции в обязательном порядке ставят диафрагму в месте
примыкания ноги к ригелю (рис. 22.19, 22.22), там же предусматривают
захватные устройства подъемного механизма. Например, в качестве
захватного 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

Рнс. 22.22. Компоновочная и расчетная схемы диафрагмы
мерно распределено по длине диафрагмы и вычисляется по известной
формуле Эйлера
qt=P/r0. (22.26)
Ввиду малой кривизны сегмента расчетную схему диафрагмы
представляют 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 bOi включенной в состав сечения,
берут не более 0,6 от длины верхней консоли bo<O,6lb.
Высоту сечения диафрагмы и толщину стенки принимают
конструктивно 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
испытывает изгибающий момент М -0,5ll(qd /3 + q{) и поперечную силу
Швами воспринимается вся поперечная сила и часть момента Mw =
= MIwIIdy где Iw — момент инерции стенки относительно главной оси
сечения; Id— момент инерции всего сечения. Касательные напряжения в
швах
xQ=QIA\
454

где А и W— рабочая площадь и момент сопротивления монтажных швов
стенки.
Прочность обеспечена, если x<Rwywyc/yn.
22.5. Шлюзные ворота
22.5.1. Типы ворот
Шлюзные ворота, в сущности, представляют собой поверхностный
затвор судопропускного отверстия. Устанавливают ворота как в
головной, так и в хвостовой частях шлюзовой камеры.
В шлюзах применяют различные типы ворот: двустворчатые,
плоские, плоские опускные, подъемные, сегментные, сегментные
створчатые с вертикальной осью вращения, клапанные, плавучие и ворота с
поворотными рамами.
По назначению ворота подразделяют на основные, ремонтные и
аварийные.
Наибольшее распространение получили двустворчатые ворота с
плоской 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,
располагаемых с переменным шагом по высоте (рис. 22.23). Концы ригелей
окаймляют вертикальными элементами: в створе — створными
столбами, в вереях — вереяльными столбами. В промежутках ригели
объединяют вертикальными диафрагмами. Кроме того, для поддержания обшивки
между ригелями могут устанавливаться стрингеры. Для придания
жесткости створки раскрепляют диагональными связями.
Вес створки воспринимается опорной пятой, от опрокидывния
створка удерживается верхним шарниром — гальсбантом.
В закрытом положении ригели смежных створок образуют в плане
трехшарнирную арку с углом подъема а, где роль опорных шарниров
выполняют вереяльные подушки, а роль ключевого шарнира — створные
упорные подушки. Следовательно, устройство опорной пяты и гальсбан-
та должно допускать некоторое перемещение створок под
гидростатической нагрузкой с тем, чтобы последняя не передавалась на шарниры,
поскольку шарниры предназначены только для восприятия собственного
веса створки [32].
455

2-2
Рис. 22.23. Компоновочная схема ворот ригельного типа:
1 — ригель; 2 — диафрагма; 3 — стрингер; 4 — створный столб; 5 — вереялъный столб; б — гальсбант;
7 — опорная пята; 8 — связи; 9 — вереяльная подушка; 10 — створная подушка
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 внизу
опирают на порог отверстия. Стойки между собой раскрепляют
диафрагмами, на которые могут быть установлены промежуточные стойки. В
таких створках опорную пяту располагают сверху.
В основном стоечно-ригельные ворота применяют в качестве
ремонтных.
22.5.2. Расчет элементов створки ригельного типа
Методика расчета обшивки и стрингеров створки не отличается от
описанной выше для плоских затворов. Однако расчет ригеля имеет здесь
некоторые особенности, поскольку ригель кроме изгибающего момента
456

i
I
\
1/1
\ I
I
I
—r
I
Л
/ 1
\
\
Z.
\
!
Рис. 22.24. Компоновочная схема ворот стоечно-ригельного типа:
1 — ригель; 2 — стойка; 3 — диафрагма; 4 — промежуточная стойка
Рис. 22.25. Расчетная схема ригелей
воспринимает весьма значительную осевую силу из-за распора Н (рис.
22.25).
Для снижения момента нейтральную линию ригеля смещают в
сторону напорной стороны на некоторое расстояние е от линии действия
осевой силы N. Из условий равновесия опорные реакции получаются равны-
Mw.R=0,5Lpq, H = qLp{\ -tg2a)/ (4tga), T = qLp(l + tg2a)/(4tga),Lp =
~ L + 2a, a - 0,05Z,. Осевая сила имеет величину N =/? sin a + H cos a =
= qLp / (4 sin a ), максимальный изгибающий момент Мтах = qLp (Lp I
/8 cos2 a - el sin a) / 4, поперечная сила принимает максимальное
значение в опорных сечениях
457

В двустворчатых воротах угол а имеет регламентированное значение
а = 20°. Тогда Я = 0,6qLp; Т = 0£qLp; N = 0JqLp; Q^ = 5qlp\ Mmax = qLp x
x(Lp-20e)/2S.
Помимо гидростатической нагрузки верхние три пары ригелей
рассчитывают на сосредоточенную силу Р, приложенную к какому-либо из
них, от навала судна. Условно принимается Р = 1000 кН.
Кроме того, на верхний ригель воздействует тяговое усилие
приводного механизма. Величина усилия определяется типом приводного
устройства, угловой скоростью створки, ее массой и габаритами, а также
высотой погруженного участка.
Принимая во внимание отмеченные особенности работы ригелей в
воротах, следует отметить, что их сечение получается весьма мощным.
Высота сечения ригелей обычно по опыту проектирования находится в
пределах 1/7...1/9 ширины створки. В состав сечения кроме обшивки
включают и близлежащие стрингеры.
Расстановку ригелей по высоте, как правило, стараются делать по
принципу их равнонагруженности. Нижний ригель устанавливают
конструктивно в зависимости от вида донного уплотнения на расстоянии
100...300 мм от порога. Три верхних ригеля размещают на равном шаге по
зоне возможного навала судна. При этом небольшая часть ригелей может
иметь различную нагруженность, однако высота их сечения в целях
унификации соблюдается одинаковой всюду, а несущая способность
регулируется шириной пояса.
Для удобства изготовления шаг ригелей не рекомендуется принимать
менее 1100 мм.
На смоченном участке створки шаг ригелей и нагрузка на них
постоянны: Ь = q/y(H~ h) = const; q = by(H-h) = const, где Яз&А— расчетные
горизонты верхнего и нижнего бьефов соответственно. На участке,
расположенном выше, нагрузка постоянна: q{ - 0,5у (&,._, + Ь{ )(# - Л,-) =
= const, A = Z^/5 шаг переменный Ъ{ =2# / у{Н'-/*,.)-£,._,.
Прочность и устойчивость элементов створки проверяют в трех
положениях: при закрытых воротах под полной гидростатической нагрузкой,
в момент открытия или закрытия, а также в период монтажа.
При этом кроме отмеченных выше нагрузок принимают во внимание
и ветровое давление.

Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций/ В.В.
Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева — М.: «Высшая школа», 1997.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий/ В.В. Горев, Б.Ю.
Уваров, В.В. Филиппов, Г.И. Белый и др.; Под ред. В.В. Горева — М: «Высшая школа»,
1999.
3. СНиП И-23-81*. Стальные конструкции /Госстрой СССР. — М: ЦИТП Госстроя
СССР, 1990.
4. СНиП 2.01.07-87*. Нагрузки и воздействия /Минстрой России. — М: ГП ЦПП,
1996.
5. Металлические конструкции (Справочник проектировщика). В 3 т. /Под общ. ред.
В. В. Кузнецова ЩНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). — М.: Изд-во
АСВ, 1999.
6. Металлические конструкции /Под общ. ред. Е.И. Беленя. — М.: Стройиздат, 1986.
7. Беленя Е. И. Предварительно напряженные несущие металлические
конструкции.— М.: Стройиздат, 1975.
8. СНиП 2.016.01.84. Бетонные и железобетонные конструкции /Госстрой
СССР. —М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
9. Абовская С.Н. Новые пространственные сталежелезобетонные
конструкции. — Красноярск: Стройиздат (Красноярское отд.), 1992.
10. Банков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции — М.: Стройиздат,
1991.
11. СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции. /Госстрой СССР. — М.: Стройиздат,
1983.
12. Гринь Й.М. Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов.
Проектирование и расчет. — Киев-Донецк: «Вища школа», 1979.
13. Степанов И.В. Мобильные здания и сооружения. — М.: Стройиздат. 1988.
14. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Госстрой СССР, 1985.
15. Гнбшман М.Е., Попов В.й. Проектирование транспортных сооружений. — М.:
Транспорт, 1988.
16. Мосты и сооружения на дорогах: В 2-х ч. 4.2 / П.М.Саламахин, О.В.Воля,
Н.П.Лукин и др.; Под ред. П.М. Саламахина. — М.: Транспорт, 1991.
17. Байтовые мосты / А.А.Петропавловский, Б.И. Крыльцов, Н.Н. Богданов и др; Под
ред. А.А. Петропавловского. — М.: Транспорт, 1985.
18. Бахтин С.А. Проектирование висячих и вантовых мостов. — Новосибирск, 1995.
19. Солодарь М.Б., Плишкин Ю.С., Кузнецова М.В. Металлические конструкции
для строительства на Севере. Л.: Стройиздат (Ленинградское отд.), 1981.
20. Пособие по проектированию конвейерных галерей /ГПИ Ленпроектстальконст-
рукция. — М.: Стройиздат, 1989.
21. СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий /Госстрой
СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
22. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции /Госстрой СССР. — М.:
ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
23. Филиппов В.В., Собакин А.А., Варламов А.В. Влияние условий эксплуатации на
работоспособность конструкций конвейерных галерей и жестких стальных
бункеров. — М.: Недра, 1995.
24. Справочник проектировщика инженерных сооружений / В.Ш. Козлов, В.Д.
Альшиц, А.И. Аптекман и др.; Под ред. Д. А. Коршунова: — Киев: Будивельник, 1988.
459

25. Проектирование открытых крановых эстакад / ЦНИИпромзданий,
НИИСК. —М.: Стройиздат, 1990.
26. СНнП 2.06.04.-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения
(волновые, ледовые и от судов). — М.: 1983.
27. Гидротехнические сооружения / Под ред. М.М. Гришина. М: Высшая школа,
1979.
28. Полонский Г. А-., Любашевскнй £. С, Николаев Б. А., Фрейшнст A. Р.
Механическое оборудование гидротехнических сооружений. — М: Энергоатомиздат, 1993.
29. Залькиндсон £. И., Нефедов Е. Е., Березинский А. Р. Плоские стальные
затворы.— М.: Стройиздат, 1951.
30. Залькиндсон £. И., Нефедов Е. Е. Сегментные стальные затворы. — М.: Энергия,
1958.
31. Отрешко А. И., Ивянский А. М., Шмурнов К. В. Инженерные конструкции в
гидромелиоративном строительстве. — М.: Сельхозгиз, 1955.
32. Борисевич С. П. Двустворчатые ворота шлюзов. — М — Л.: Госэнергоиздат, 1961.

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
соответствии с действующими нормами ([3], [4], и СНиП 3.03.01-87) ведется в
две стадии: КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции
металлические деталировочные).
Проект на стадии КМ разрабатывают специализированные
проектные организации. На этом этапе проектирования выбирают расчетную
схему сооружения, производят полный расчет и подбор сечений всех
конструктивных элементов, выполняют общие чертежи всего сооружения
или отдельных его частей и разрабатывают основные узлы сопряжений
деталей. Кроме того, в состав проекта КМ включают техническую
спецификацию потребного металлопроката по элементам конструкций,
профилям и маркам стали.
Рабочий проект на стадии КМД разрабатывают на основании
чертежей КМ конструкторские отделы заводов-изготовителей
металлоконструкций с учетом: технологических возможностей завода; членения
конструкций на отправочные элементы из условий транспортабельности и
грузоподъемности 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,
допускается 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
пользоваться перечнем допускаемых ГОСТ 2.316-68* сокращений слов. Кроме
этого используют общепринятые сокращения названий технологических
операций (табл. 23.1).
Таблица 23.1. Сокращения названий технологических операций
Полное наименование
Ближняя сторона
Вальцевать
Гнуть
Дальняя сторона
Деталь «такая»
Деталь «наоборот»
Зенковать
Косой рез
Механическая обработка
Обратно чертежу
Прорезь
Равные расстояния
Размалковать
Смалковать
Сокращение .
б. с.
вальц.
гн.
Д. с.
т
н
зенк.
кос. рез.
мех.обр.
обр.черт.
прор
p.p.
размалк.
смалк.
Полное наименование
Смотрите
Снять обушок
Снять фаску
Срез полки
Срез уголков
Строгать обушок
Строгать 1 продол
Строгать 2 продола
Строгать по периметру
Строгать 1 плоскость
Фасонный лист (мелкий)
Фрезеровать 1 торец
Фрезеровать 2 торца
Фрезеровать 1 плоскость
Сокращение
СМ.
сн. обуш.
сн. фас.
ср. пол.
ср. утл.
стр. обуш.
стр. 1 пр.
стр. 2 пр.
стр. пер.
стр. 1. пл.
ф.л.
фр. 1 т.
фр. 2 т.
фр. 1 пл.
На чертежах необходимо использовать обозначения в соответствии с
табл. 23.2.
Обозначения швов сварных соединений в чертежах стадии КМ
рекомендуется выполнять в соответствии с СН 460-74 (разд. 5). Условные
обозначения швов сварных соединений представлены в табл. 23.3.
Таблица 23. 2. Условные обозначения на чертежах
Наименование
Балка двутавровая
Швеллер
Нормальные двутавры — Б
Широкополочные двутавры — Ш
Колонные двутавры — К
Нормальные тавры — БТ
Широполочные тавры — ШТ
Колонные тавры — КТ
Двутавры тонкостенные с узкими параллельными
полками
Швеллеры с уклоном внутренних граней полок
Швеллеры с параллельными гранями полок
Пример условного обозначения
140
[24
140Б1
15ОШЗ
I40K2
Т15БТ1
Т20ШТ1
Т20КТ5
IT22
[20
[20П
462

Продолжение табл. 23.2
Наименование
Швеллеры тонкостенные с узкими параллельными
полками
Сталь угловая равнобокая
Сталь угловая неравнобокая
Сталь квадратная
Сталь круглая
Сталь листовая или полосовая
Прокат листовой горячекатаный
Трубы
Сталь просечно-вытяжная
Сталь рифленая ромбическая
Сталь рифленая чечевичная
Гнутый швеллер равнобокий
Гнутый швеллер неравнобокий
Гнутый профиль угловой равнополочный
Гнутый профиль угловой неравнополочный
Зетовый профиль равнополочный
Зетовый профиль неравнополочный
Профиль гнутый квадратный
Профиль гнутый прямоугольный
Профилированный, лист типа Н
Профилированный лист типа НС
Профилированный лист типа С
Отверстие овальное
Отверстие овальное axb
Болт постоянный нормальной и повышенной
точности
Болт постоянный высокопрочный
Линия симметрии
Пример условного обозначения
[20Т
L100x8
1125x100x8
D20
О20
-400x30
- 8x800x6000
0114x4
-ПВ608
-Риф. 800x6
-ЧРиф. 6
Гн. [180x50x3
Гн. [180x80x50x3
Гн. L100x5
Гн. L110x90x5
Гн. "L 40x55x4
Гн. Т 65x45x40x4
Гн. D 140x40
Гн. П140x100x5
Н57-750-0,8
НС44-1000-0,7
08-1000-0,8
+
А
463

Продолжение табл. 23.2
Наименование
Размеры повышенной точности
Болт временный нормальной и повышенной
точности
Место маркировки отправочной марки
Негрунтованные участки под соединения на
высокопрочных болтах
Пргшер условного обозначения
1900±1
-i
Таблица 23.3. Обозначения сварных швов на чертежах марки КМ
Наименование
Изображение шва
заводского
монтажного
Размер
изображения, мм
Шов сварного соединения
стыкового — сплошной:
с видимой стороны
с невидимой стороны
minium
ж- -ж- -н
=?
ххюоое*
443=5.
То же, прерывистый:
с видимой стороны
с невидимой стороны
III 1П II
ж - ж-
Х
LLLJU.
гтТм
Шов сварного соединения
углового, таврового или
внахлестку — сплошной:
с видимой стороны
с невидимой стороны
ХХХ.ХХХХ
JJ
XXX
4
Шов сварного соединения
внахлестку контактный
точечный
т
Шов сварного соединения
электрозаклепочный
внахлестку (с круглым
отверстием)
464

Для обозначения сварных швов в чертежах КМД допускается
применять условные обозначения в соответствии со стандартами
предприятий-изготовителей металлических конструкций (табл. 23.4).
В соответствии с ГОСТ 2.302-68* масштабы изображений
металлических конструкций должны выбираться из стандартного рада (табл. 23.5).
Таблица 23.4, Обозначения сварных швов на чертежах марок КМД
Тип шва
Условное
обозначение
Эскнз
односторонний видимый
Угловой шов
односторонний
мый
невиди-
двусторонний
Прерывистый
шов
угловой
стыковой
6-100/100
с ближней стороны
.{=.
Стыковой без
скоса кромок
с дальней стороны
с двух сторон
г
без подварки
с подваркой
Стыковой с
V-образиой
разделкой кромок
с зачисткой с ближней
стороны
с зачисткой с дальней
стороны
с зачисткой с двух сторон
465

Продолжение табл. 23.4
Тип шва
Условное
обозначение
Эскиз
Стыковой и
тавровый шов при
V-образном
соединении с
односторонним
скосом кромок
без подварки
с подваркой
t
с зачисткой корня
без зачистки
Стыковой с
Х-образной
разделкой кромок
с зачисткой с
стороны
ближней
V
с зачисткой с дальней
стороны
с зачисткой с двух сторон
без зачистки
Ж
Стыковой и
тавровый шов при
V-образном
соединении с
односторонним
скосом кромок
с зачисткой с ближней
стороны
с зачисткой с дальней
стороны
с зачисткой с двух сторон
Q
Монтажные
швы всех видов
соединений
стыковые
8-300
угловые
Примечания: I. Швы должны быть показаны на тех видах и разрезах, на которых
их расположение не вызывает сомнения. 2. Сварные швы выполняются по всей длине
соприкосновения соединяемых деталей, кроме особо оговоренных случаев. 3. Все расчетные
466

швы всех типов соединений проставляются с указанием длины. 4. Под «зачисткой»
понимается зачистка швов механическим способом заподлицо с плоскостью основного металла.
5. Все монтажные и заводские сварные соединения, выполняемые с разделкой кромок,
должны сопровождаться сечением по шву или деталью снятия фаски.
Таблица 23,5. Рекомендуемые масштабы изображений
Масштабы уменьшения
Масштабы увеличения
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
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
разрешается применять два масштаба: меньший (1:15; 1:20; 1:25) — для
геометрической схемы; больший (1:10; 1:15 и 1:20) — для сечений с з ержней
и деталей.
Для изображения длинных сплошных элементов (колонны, балки)
разрешается применять по длине элементов произвольный масштаб при
условии соблюдения пропорциональности и соответствия при
взаиморасположении 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
элементов и ни в коем случае не являются основанием для определения
размеров 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
проекций на чертежах принимают следующим: вид сверху — выше, вид
снизу — ниже, виды справа и слева — соответственно справа и слева
основной проекции. Названия видов, расположенных в принятом для них
положении, не приводят. Элементы конструкций, как правило, изображают в
рабочем положении, т.е. соответственно положению в готовом
сооружении. Исключения из этого правила составляют вертикальные элементы
большой длины (колонны, стойки), располагаемые на чертеже
горизонтально (базой справа) при невозможности изобразить их в рабочем
положении (рис. 23.1).
467

Все ребра 240x8
С235 . 3 . -400x30 I
Рис. 23.1
Основной проекцией (видом) для наклонного элемента принято
считать проекцию характерной плоскости (рис. 23.2), для остальных
элементов — проекцию плоскости, имеющей наибольшие размеры (например,
длина и ширина, ширина и высота и т.п.).
Не допускается показывать на основной проекции размеры и
характер обработки (риски на выступающих полках), не прибегая к
дополнительным видам (рис. 23.3).
Все разрезы, необходимые для полного представления об элементе
конструкций, следует показывать на основной проекции в направлении
справа налево — для вертикальных разрезов и снизу вверх — для
горизонтальных (рис. 23.4). Вертикальные разрезы в элементах конструкций
колонн и стоек, расположенных на чертеже горизонтально, следует
показывать слева направо (рис. 23.1).
На разрезах показывают только те детали, которые находятся
непосредственно за секущей плоскостью. Однако возможны отступления, не
нарушающие ясности чертежа (рис. 23.5Э поз. 15).
Не допускается поворот разрезов на 90° без дополнительных
оговорок.
Во всех проекциях и разрезах видимые детали изображают
сплошными линиями, а невидимые детали — штриховыми. Следует изображать
468

П7
Рис. 23.2
Неправильно
Отв. в полке
l60
160
220
180
Правильно
920
80
820
310
Рис. 233
469

+5,000
2-2
6000
^6000
.6000
ю ® ®
Рис 23.4
Неправильно (поз. 11) Правильно
Правильно
Рис. 23.6
5 отв. 023 только в 6л. полке дет. 2
Рис. 23.7
только те линии контура
невидимых деталей, которые
непосредственно примыкают к
изображаемой (видимой) плоскости
(дет. 12 на рис. 23.6).
В элементах, имеющих
сложное сечение, некоторые швы,
отверстия, а иногда и отдельные
детали получаются закрытыми.
В таких случаях для их показа
выполняют условный вырыв
(рис. 23.7). Если в элементе
сложного сечения, подобном
изображенному на рис. 23.7,
имеются отверстия лишь с одной
стороны, то их местонахождение
нужно указать в примечании.
В местах, где неудобно или
невозможно показать разрез,
пользуются видом по стрелке
(например, «вид А», рис. 23.8).
470

1570
Рис. 23.8
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
металлических конструкций здания или сооружения; схемы расположения
элементов конструкций; чертежи элементов конструкций; чертежи узлов.
Общие данные. В общих данных приводят: ссылки на принятые
нормы проектирования; расчетную схему конструкции с значениями
действующих нагрузок; указания о применяемых материалах для соединения
элементов; мероприятия по антикоррозионной защите и др.
Чертежи общего вида конструкций выполняют, как правило,
схематично (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,
радиусы кривизны); сведения о грузоподъемных механизмах.
Схемы расположения элементов составляют для всех групп
несущих и ограждающих металлических конструкций. Членение здания или
сооружения на определенные группы конструкций условно и
определяется только необходимостью четкого схематичного изображения всех
элементов. 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
производят прописными буквами (не более двух) русского алфавита (как
правило, начальными буквами названий соответствующих групп элементов:
471

Б — балки, Ф — фермы, ФП — фермы подстропильные, Р — ригели и
др.). Применение букв 3, О, Ч, схожих с цифрами, а также Ы, Щ, Ь, Ъ для
обозначения элементов монтажных схем не допускается.
Каждому конструктивному элементу в группе присваивают свой
номер в проекте (например, балки Б1, Б2, колонны Kl, K17 и т.д.).
При нумерации отправочных элементов монтажной схемы
рекомендуется группировать их по типу конструкций, маркируя подряд
однотипные 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, ее
продолжают удвоенными буквами или сочетаниями буквы и цифры.
На чертежах схем помещают «Ведомость элементов» (рис. 23.10). В
графе «Марка» проставляют марку элемента по схеме.
ПФ ПФ ПФ ПФ ПФ
Рис. 23.9
472

Ведомость элементов
Сечение
Эскиз Поз. Состав
Опорные усилия
кНм
/V,
кН
Q,
кН
Сталь

Примечание
15
35
10
25
15 I 15 I 15 [10 20
25
Рис. 23.10
В графе «Эскиз» указывают расположение профилей, составляющих
сечение и необходимые размеры. Порядковый номер детали приводят в
графе «Поз.». В графе «Состав» перечисляют по позициям профили,
составляющие сечение (в сокращенных обозначениях). Максимальные
значения опорных усилий приводят в соответствующих графах. Группу
конструкций указывают для каждого элемента в соответствии со СНиП
И-23-81*.
В «Примечаниях» приводят другие необходимые данные об элементе.
Чертежи элементов конструкций. Решетчатые (сквозные)
элементы на чертежах марок КМ изображают схематично, сплошностенча-
тые — детально, с необходимыми конструктивными подробностями.
На чертежах решетчатых элементов (рис. 23.11) показывают
основные 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,
Фланец 220x20
Рис. 23.11
473

размеры расчетных сварных швов, диаметр и класс болтов и их
расчетный шаг.
Чертежи узлов конструкций. Обозначение узлов производят на
чертежах 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;
толщины фасонок.
23.4. Состав и оформление рабочего проекта КМД
Рабочий проект КМД содержит следующий объем технической
документации: заглавный лист, монтажные схемы, рабочие чертежи,
дополнительные рабочие чертежи, рабочие чертежи приспособлений, списки
монтажных метизов, списки отправочных марок, ведомости сварных
швов.
Заглавный лист. В заглавном листе рабочего проекта приводят
полное наименование и шифр объекта, наименование
организации-исполнителя проекта КМ, список листов технической документации.
Монтажные схемы. Монтаж отправочных элементов металлических
конструкций производят по монтажным схемам, вьшускаемым
конструкторским отделом завода-изготовителя.
474

Конструкции промыпшенных зданий могут быть подразделены
примерно на следующие монтажные схемы:
• схема колонн, подстропильных ферм и вертикальных связей по
колоннам;
• 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
взаимного 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;
таблицу 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)
осуществляют прописными буквами.
Если в монтажную схему включены элементы только одной группы
(например, только балки), то у изображений надписывают лишь
числовую часть марки. Буквенную часть указывают в примечаниях к чертежу.
Одинаковые элементы следует маркировать в одном месте.
К маркам парных отправочных элементов (т. е. элементов,
изображения которых взаимно зеркальны) добавляют обозначения «т» (так) и «н»
(наоборот), например ФЗТ, П54Н.
В ведомости отправочных марок приводят все элементы,
изображенные на данной схеме в порядке возрастания их номеров. В нее вносят
количество элементов (марок), их наименование, массу одной детали и
общую, номер рабочего чертежа, на котором запроектирован данный
элемент.
Ведомость монтажных метизов (рис. 23.13) служит для выявления
объемов, количества и длины потребных монтажных болтов, гаек и шайб.
В таблицу включают только постоянные метизы, работающие в болтовых
монтажных соединениях. Объем потребных монтажных метизов
определяют путем суммирования числа изделий, необходимых для крепления
475

Ведомость монтажных метизов
Но-
мер
п/п
Наименование
Масса, кг
шт. общ.
ГОСТ

Примечания
10
50
10 10
10
10 [Ю
15
15
20
25
185
Рнс. 23.3
данной группы конструкций к ранее установленным элементам с
увеличением 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;
ссылки на схемы общей или контрольной сборки; требования о контроле
плотности или прочности сварных швов и др.
Рабочие чертежи КМД являются основным техническим
документом для изготовления и монтажа металлических конструкций. Они
содержат исчерпывающие данные для выполнения всех технологических
операций по изготовлению отправочных элементов. Рабочий чертеж
содержит:
• графическое изображение отправочных элементов со всеми
размерами и указаниями, необходимыми для изготовления каждой детали
(позиции);
• спецификацию деталей (сборочных марок) отдельно для каждого
отправочного элемента, изображенного на чертеже;
• таблицу потребности в отправочных марках «Требуется
изготовить»;
• 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
профилей (прогоны, балки) или сплошные листовые (балки) длиной до 6...7 м
изображают полностью (рис. 23.14).
Симметричные решетчатые элементы изображаются до оси
симметрии (рис. 23.15).
476

8
Л fx
1930
2000
к-
' 2
+7^200 2-2
,54
Рис. 23.14
Рис. 23.15
477

Т11
по
лист КМД-5
12000
Рис. 23.16
Решетчатые элементы конструкций сопровождают геометрической
схемой с указанием усилий в стержнях (рис. 23.16). На геометрических
схемах указывают расстояния между точками пересечения осевых линий
(линий, проходящих через центр тяжести сечений), вычисленные с
точностью до 1 мм. Размерные числа ставят над линиями схемы на
расстоянии 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
используют под геометрические размеры, а правую для постановки усилий,
взятых со своими знаками («+» — для растянутых и «-» — для сжатых
элементов) и располагаемых под линиями схемы.
В элементах, не имеющих оси симметрии, цифры, обозначающие
размеры и усилия, располагают соответственно над линиями схемы или под
ними.
Геометрическую схему решетчатых длинномерных конструкций
вычерчивают полностью на всю длину с выделением сплошными
основными линиями той отправочной марки, которую изображают на данном
листе чертежа. Остальную часть показывают тонкими линиями с указанием
марки и номера чертежа, на котором она изображена (рис. 23.16).
Отправочные элементы, отличающиеся друг от друга
незначительными конструктивными креплениями, количеством деталей, отверстий,
478

Б 7: В 8
Рис. 23.17
можно совместить в одном рисунке (рис. 23 Л 7). Из однотипных
элементов, отличающихся лишь отдельными частями, полностью показывают
один из них; для остальных элементов изображают только те их части,
которые отличают данный элемент от изображенного полностью.
Совмещение частично показанного элемента с изображенным
полностью производят при помощи флажков, которые увязывают размерами с
характерными точками элементов. Флажки в элементе, показанном
полностью, должны быть направлены в сторону неизменяемой части. В
элементе, изображенном частично, их направляют в ту же сторону и
сопровождают надписью, например: «Дальнейшую разбивку влево от флажков
вести по марке Б10» (рис. 23.18).
Габаритные листовые элементы конструкций (газо- и трубопроводы)
изображают на рабочем чертеже общим видом и разверткой деталей,
составляющих отправочный элемент (рис. 23.19).
Негабаритные листовые конструкции (например, бункеры)
изображают на чертежах КМД габаритными плоскостями в соответствии с
разбивкой 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

Б 10
л Дальнейшую разбивку -
1 влево от флажков «
вести по март В10
Б 18
Рнс. 23.18
Нанесение размеров на изображений элементов конструкций.
Размеры на рабочих чертежах КМД по их целевому назначению делят на
следующие категории:
а) размеры (М) монтажные (геометрические), необходимые для
увязки положения проектируемого элемента в комплексе сооружения
(рис. 23.22, а, б);
480

(еапьи. по R-535
фесками наружу)
Фаска по дет."А"
R_= 642 Фасками hbpvmv
Развертка поз.1
вальц. по Я~ 630, фасками наружу)
l 10 p.p. ^999
„ 10 p.p. = 999
Деталь "А" снятия фаски
'вальцевать по R-63Q, фасками наружу)
10 p.p. = 999 ф 10 p.p. = 999
Рис. 23.19

Общий вид бункера
3-3
Рис. 23.20

Развертка плоскости Ш 8
7x350=2450
210
Рис. 23.21
б) размеры (Л), необходимые конструктору для безошибочного
перехода 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

а)
с
г?
м ,
м
' 1
11
п
J
р
м
м
iA—
4
r
^ Jt f
J h~
1 hp™?*"""J"" '" ' "j
U i
Рис. 23.22
г) размеры (С), определяющие взаимное расположение деталей и
креплений, необходимые для сборки элементов конструкций (рис. 23.22, б);
д) контрольные размеры (К), необходимые для проверки
отправочных элементов в окончательном виде (рис. 23.22, в; рис. 23.27).
Планируя изображение отправочных элементов на рабочем чертеже,
необходимо уделять особое внимание ясности и месту постановки
размеров. При этом следует иметь в виду, что монтажные (геометрические)
размеры являются исходными для производственных. Количество
проставляемых размеров должно быть наименьшим, полностью
отвечающим всем требованиям изготовления и монтажа элементов конструкций.
Повторяющихся размеров, если это не вызвано необходимостью, на
изображении элементов следует избегать.
Рабочее проектирование стальных конструкций ведут с точностью до
1 мм. Размеры элементов конструкций на чертежах КМД проставляют в
миллиметрах (мм).
Размеры, необходимые для разметки и обработки деталей,
проставляют один раз независимо от количества одинаковых деталей (позиций) на
чертеже. Все остальные одинаковые детали должны иметь размеры
только для их установки на всех изображениях и видах (рис. 23.23 и 23.24).
484

Рис. 23.23
2-2
8
Рис. 23.24
Для каждого отправочного элемента должны быть даны размеры
взаимоувязки его с примыкающими элементами конструкций (рис.
23.25).
Размеры, точность соблюдения которых определяет совпадение
элементов на монтаже, должны быть даны для каждого элемента и
проставлены 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
геометрическую схему, проставляют дополнительные размеры, необходимые только
для контроля элемента в окончательном виде (рис. 23.27).
Ряд одинаковых размеров рекомендуется показывать либо в виде
произведения: А х В = С, где А — число делений (шагов); В — размер
деления; С — общий размер между концами указываемого отрезка; либо с
использованием сокращения «р. р.» — равные расстояния (рис. 23.2).
485

Примыкающие элементы
(на рабочем чертеже
не изображаются!
Рис. 23.27

8
3284
зв
38
24x140=3360
156
82
3820
Рис. 23.28
-V
Рис. 23.29
Рис. 23.30
Преобладающие на чертеже расстояния от торца или кромки детали
(позиции) до первого отверстия — обрезы, диаметры отверстий, 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,
катетов указывают на изображении обычным образом.
При указании радиуса дуги окружности стрелку размерной линии
необходимо 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

Геометрическая ось
Рис. 2333
Когда центр дуги окружности не может быть показан без нарушения
масштаба, но показать положение центра необходимо для его
координирования, изображение выполняют в соответствии с рис. 23.31.
Для дуг радиусом более 5000 мм необходимо указывать построение
по координатам; в этом случае число разбиений дуги должно быть
обязательно четным (рис. 23.32).
488

^ «^ ] !
I
i
!
1
!
!
!
Длины дуг указывают на раз- ^Q
мерных линиях, проводимых в ^ Г7 100
виде концентрических
окружностей. При этом у каждой
размерной линии должен быть отмечен
радиус концентрической
окружности, по которой приведены
размеры (рис. 23.33).
Направление наклонных
пинии обозначают треугольником,
стороны которого параллельны
соответствующим линиям
геометрической схемы (рис. 23.34).
На катетах треугольника
указывают действительные длины
сторон. Выставленная длина
гипотенузы является контролирующей рис. 2335
при построении прямого угла. В
случае косоугольного треугольника необходимо указывать длины всех
его сторон.
В геометрических схемах элементов конструкций, а также в
треугольниках, указывающих уклоны, срезы углов деталей, размеры ставят
непосредственно над линиями схемы или сторонами треугольников без
выносных и размерных линий (рис. 23Л6, 23.34, 23.35).
Если разметочная линия находится вне контура детали, дают
дополнительную привязку ее к линиям, находящимся на детали, как показано
на рис. 23.36, а. В отдельных случаях производят дополнительную
привязку к кромке детали (рис. 23.36, б).
489
NJ
о

240 _ 240
а)
Рис. 23.36
1-1
Рис. 2337
Все детали (позиции), составляющие отправочный элемент,
обозначают 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
отправочным элементам. Обозначение разных деталей на одном чертеже
одинаковыми числами не допускается.
490

Спецификация стали С245 по ГОСТ 27772-88,
кроме оговоренной
со
Марка
К17
"А"
15
Поз.
1
2
Ъ'
Сечение
-660x16
-210x20
"В"
. Ю I 25
Длина,
мм
11950
11950
"Г
20
Кол.
Т
1
1
W
И
-
1
"Е"
Z5
Масса, кг
поз.
990
360
"Ж"
15
всех
990
720
ЙИ*
. 15
марки
1710
"К"
Сталь
С2В5
•пг
I
15 [ 15
Общ.
масса
на
черт.
Ж
15

Примечания
стр.2 пр.
25 ,
185
Рис. 23Л8
Парные детали (то есть взаимно зеркальные) снабжают
дополнительно индексом «т» (так) и «н» (наоборот), например, 2т. Ту из деталей, для
которой на чертеже указаны размеры и другие данные для обработки,
маркируют индексом «т», остальные детали этой марки обозначают
соответственно «н».
Детали, имеющие одну или несколько осей симметрии, не могут быть
«такими» и «обратными».
Маркировку деталей (позиций) начинают для каждого чертежа с
единицы. Нумерацию деталей рекомендуется производить в следующем
порядке: 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,
опорные раскосы, элементы решетки, фасонки.
Спецификация деталей (рис. 23.38) 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
возрастания номеров.
В графах «В» и «Г» указывают соответственно сечения деталей и их
длины. Размеры указывают в окончательном (обработанном) виде.
Длины 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
(позиции) и массу общего количества деталей. Массу одной детали
подсчитывают с точностью до 0,1 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
деталях, а также вырезы полок и отверстия диаметром менее 150 мм в
деталях из прокатных профилей при подсчете массы во внимание не
принимают.
В графу «К» вносят общую массу деталей отправочного элемента,
полученную путем суммирования общих масс каждой детали с
добавлением массы наплавленного металла. Массу наплавленного металла
принимают 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
отправочных 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
сварки и контроля швов в необходимых случаях (по указаниям в чертежах
КМ);
• ссылки на чертежи типовых деталей;
492

Требуется изготовить
CD
еэ
00
со
Марка
Кол-во
Т
И
Масса, ка
марки
Итого на чертеже:
. 20
. ю
.10
. 20
всех
. 20
Масса трансп.
элементов, кг
на марку
. 20
125
общая
25
Рис. 2339
Таблица заводских сварных швов на 1 марку, м
Отпр.
марка
20
10 h.
20
Катет,
14 h.
20
вид шва
12 /Ь
20
\
7
20
5
00
Рис. 23.40
• ссылки на чертежи приспособлений, применяемых на данном
рабочем чертеже, т.е. кондукторов и штампов;
• в листовых конструкциях — уточняющее примечание о плоскости
вальцовки;
• номера схем контрольной или общей сборок (если отправочные
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
состоит в основном из следующих операций:
• подготовка металлопроката;
• изготовление деталей (сборочных марок);
• сборка и сварка конструктивных элементов (отправочных марок);
в покраска и отгрузка конструкций.
Эти операции обычно производят в следующих основных цехах
завода 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
листовой стали.
Из цеха подготовки прокат поступает в цех обработки для
изготовления деталей конструкций. Обработка сборочных марок связана с резкой,
образованием отверстий, гибкой, строганием и фрезерованием.
В сборочно-сварочных цехах производят сборку конструкций из
отдельных деталей и сварку собранных отправочных элементов. Для
устранения остаточных сварочных деформаций некоторые конструкции после
их сварки правят.
Крупногабаритные и сложные конструкции подвергают общей или
контрольной сборке, в процессе которых осуществляется проверка
точности изготовления , подгонка кромок под монтажную сварку, сверление
монтажных отверстий.
Изготовленные конструкции поступают в маляропогрузочный цех
для их антикоррозионной защиты и отправки на монтаж.
На ЗМК все основные цехи концентрируют в единую
производственную группу и размещают в одном здании, называемом главным
корпусом.
494

В зависимости от мощности завода применяют различные
технологические и транспортные схемы. Преобладающей является
продольно-поперечная 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
индивидуального 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
операции. В них указывают последовательность выполнения работ, перечень
инструмента, оборудования и приспособлений, пооперационный
контроль качества изготовления конструкций.
24.2. Подготовка мвтаппа
24.2.1. Правка
Поставляемый металлургическими заводами прокат часто имеет
различного вида деформации, величина которых может превышать допуски,
регламентированные СНиП [4], Кроме того, металлопрокат
деформируется в процессе транспортировки. К часто встречающимся видам
деформаций относят волнистость листовой стали, серповидность
широкополосной и сортовой стали, смалковка или размалковка уголков.
В процессе изготовления конструкций необходима правка металла,
поскольку использование невыправленного проката приводит к
ухудшению качества конструкций, условий кислородной резки и т.д.
Широко применяют следующие способы правки: правку изгибом и
растяжением в холодном состоянии, правку местным нагревом. Во
избежание наклепа правка стали в холодном состоянии допускается для
плавно деформированных элементов, когда начальные деформации крайних
волокон проката не превышают 1%.
При правке однократным изгибом устранение кривизны в сортовом
прокате (двутавры, швеллеры), а также серповидности 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
валки— приводные, они перемещают прокат между рядами валков (рис.
24.2). В процессе правки прокат подвергается многократному
знакопеременному упругопластическому изгибу, вследствие чего начальные на-
495

3
4
пряжения снимаются и элемент
выправляется. Многократным
изгибом выправляют листовую
сталь на листоправильных
вальцах и угловую сталь на углопра-
вильных вальцах.
Листоправильные машины
позволяют обрабатывать листы
2
2
Рнс. 24.1. Схема правки профильной стали ТОЛЩИНОЙ ДО 40 ММ И шириной
на горизонтальном правильно-гибочном 3200 ММ.
пРессе: На листоправильных вальцах
1 — выправляемая балка: 2 — кулачок; 3 — штуовал:
4- опоры пресса можно также устранять серпо-
видность полосовой стали,
укладывая на вогнутую зону
стальные прокладки толщиной 2...4
мм.
На углоправильных машинах
устраняют одновременно
кривизну в двух плоскостях, а также
смалковку и размалковку
уголков. Возможна обработка
уголков с калибром до 200x30 мм.
Для правки труб
прямоугольного сечения, профилей для
переплетов и витражей служат
правильно-растяжные машины [5].
Сущность правки местным
нагревом заключается в том, что
при нагреве выпуклой стороны
проката до температуры,
превышающей 600°С, реактивные на-
Рие. 243. Правка серповндносгн балок мест- пряжения ненагретой зоны вызы-
ным нагревом:
Рис. 24.2. Схема правки листовой стали на
1—листовая сталь; 2— направляющие валки; 3,
4 — верхние к кижние валки
т. — нагрев треугольниками; в — нагрев сочетанием
полос и треугольников;/— стрелка серповидности
вают осадку (захоронение)
волокон нагретой зоны, вследствие
чего их длина становится меньше
первоначальной и элемент
выправляется. Правку производят нагревом пламенем газовых горелок
участков проката в виде треугольников или полос (рис. 24.3). Такая правка
весьма трудоемка и ее применяют только при недостаточной мощности
правильного оборудования или при его отсутствии.
496

При правке проката из термоупрочненных сталей во избежание
разупрочнения температура нагрева не должна превышать температуру
высокого 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
механическая очистка путем обработки сухим абразивом (дробеструйная,
дробеметная, металлическим песком) или механизированным
инструментом (проволочными щетками, шлифовальными машинками).
При дробеструйной или дробеметиой обработке на очищаемую
поверхность листовой стали направляется поток дроби размером 0,3...I мм,
изготовленной из чугуна или стали. Для очистки сортового проката
используют чугунный или стальной песок размером 0,3-.-2 мм. При
соударении дроби или песка с поверхностью окалина рх ржавчина отделяются,
поверхность становится шероховатой, что обеспечивает хорошую
адгезию лакокрасочных материалов.
На рис. 24.4 показана установка для дробеметной очистки листового
проката. Такие установки применяют как самостоятельно, так и в составе
Рис, 24 А Дробеметная установка для очистки листовой стал р.;
/ — подающие рольганга; 2 — вытяжная вентиляционная труба; 3, 4 — расходные бункера; 5 — дробе-
метная камера; б — труба подзчи дроби: 7 — обрабатываем bin листовой прокат; 8 — приемные
рольганги, 9 — дробеметные аппараты
497

поточных линий, осуществляющих очистку и защиту поверхности
проката от коррозии. Изделия могут достигать размеров до 12000x2500x500
мм.
В целях защиты от коррозии очищенного проката на период
изготовления из него конструкций производят грунтование проката
быстросохнущими, не препятствующими сварке, грунтовками (например, ВЛ-023).
24,3. Изготовление деталей стальных конструкций
Процесс изготовления сборочных марок состоит из операций
разметки или наметки (с изготовлением шаблонов), резки (механической или
термической), правки вырезанных деталей, образования отверстий
(сверлением или продавливанием), строгания или фрезерования, гибки.
Трудоемкость обработки деталей составляет около 25% общей трудоемкости
изготовления конструкций.
24.3.1. Шж&нтческая резка
Резку стали механическим способом производят на ножницах,
прессах, пилах. Резка на ножницах основана на скалывании металла,
вызываемого 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
ножницах [5].
Механическая резка на
ножницах характеризуется рядом
недостатков: малой точностью деталей,
низким качеством кромок реза,
значительным объемом ручного
труда.
Резка проката на фрезерно-от-
резных станках (пилах) с
зубчатыми дисками менее
производительна, но обеспечивает большую чис-
7-7
Рис. 24.5. Схема резки на гильотинных
ножницах:
А 3 ~ верхний и нижний ножи; 2 - разрезаемый Т0ТУ РезКЙ« БоЛее ПрОИЗВОДИТеЛЬНЫ
лист; <?—прижим абразивно-отрезные станки [5].
498

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
механизации; оборудование можно использовать также и щш обработки кромок
под сварку и для правки местным нагревом. Кислородной резкой
обрабатывают около 50% всей листовой стали.
Кислородная резка основана на способности стали сгорать в струе
чистого кислорода при температуре ниже температуры плавления. В
качестве горючих газов при резке используют ацетилен или его заменители:
природный газ, пропан-бутан. В монтажных условиях применяют
керосин. На ЗМК либо имеются стационарные кислородные и ацетиленовые
станции, либо кислород и ацетилен поставляют в стальных балле нах
объемом 40 л.
Различают ручную и машинную резку. Для ручной резки применяют
специальные резаки. Машинную кислородную резку выполняют
переносными (при полуавтоматической резке) и стационарными (при
автоматической резке) аппаратами.
Переносные машины (рис. 24.6) представляют собой самоходные
тележки 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
различают по технологическому
назначению: для прямолинейной
раскройной резки: «Черномор»,
«Днепр» и др., для фигурной
точной резки: «Одесса», «Юг» и др.,
для фигурной вырезки
малогабаритных деталей: АСШ-70 (рис.
24.7) и др.
Основным критерием качества
кислородной резки является
отсутствие трещин на кромках
разрезаемых деталей. Трещин можно
избежать, обеспечив соответствующий
режим охлаждения после резки.
Благоприятный режим охлажде-
Рис. 24.6. Переносная газорезательная
машина «Микрон-2":
/ — газовый коллектор; 2 — штанга; 3 —
циркульное устройство; 4 — корпус; 5 — крышка; 6 —
суппорт; 7 — рукоятка; 8 — переключатель; 9 —
потенциометр; 10, 11— резаки
499

ния определяется по
углеродному эквиваленту (Сэ),
рассчитываемого по
формуле (2.3) [1]. При
Сэ < 0,6% резку выполняют
в любых условиях без
технологических
ограничений. При 0,6% <СЭ< 0,8%
резку без подогрева можно
производить лишь при
температуре окружающего
воздуха не ниже +15°С.
При Сэ > 0,8 % резку
допускается осуществлять
только после нагрева зоны
резки до температуры
120°С.
Рис, 24.7. Машина АСШ-70 для кислородной резки: ^ ^^ термйчесКЙ
/ - колонна; 2 - шарнирная рама; 3 - копир; 4 - резаки; утюоцяе}ШЫХ сталей На
5 — разрезаемый лист; б — стол J г
кромках возникают участки
со структурами отпуска, имеющие пониженную прочность, что особо
опасно для деталей, кромки которых не подлежат сварке и при
эксплуатации конструкций испытывают растягивающие напряжения. В этом случае
требуется удаление зон термического влияния путем строгания кромок.
Газоэлектрической резкой обрабатывают легированные стали,
алюминиевые сплавы и другие металлы, у которых температура плавления
ниже температуры воспламенения. Различают плазмекно-дуговую,
воздушно-дуговую и другие виды резки.
Для плазменно-дуговой резки в качестве плазмообразующих газов
используют аргон, азот, их смеси с водородом, углекислый газ, а также
кислород, его смесь с азотом. При использовании сжатого воздуха
процесс называют воздушно-плазменной резкой. Промышленность
выпускает резаки для ручной резки, машины и аппараты для автоматической и
полуавтоматической 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
требуется получать отверстия под болты или заклепки.
500

Рйс. 24.8. Схема образования
отверстий на дыропробивном прессе:
/ — гайка для крепления пуансона; 2 —
пуансон; 3— конус; 4— обрабатываемый прокат;
5 — плоскость скалывания; б — матрица;
7 — подушка; 8 — накерненное углубление в
прокате
Рис. 24.9. Общий вкд
вертикально-сверлильного станка:
/ — фундаментная плита; 2 — стол; 3 — сверло;
4 — шпиндель; 5 — шпиндельная головка;
6 — электродвигатель; 7 — подвижной кронштейн;
5 — штурвал; 9 — станина; 10 — рукоятка
Основными способами образования отверстий являются
продавливание и сверление. Выбор способа получения отверстий зависит от
требуемого 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 для малоуглеродистой стали
толщиной до 25 мм, низколегированной стали — до 20 мм,
высокопрочной стали (Ry > 40 кН/см2) — до 10 мм. Диаметр 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
отверстию. Поэтому в деталях, предназначенных для клепаных
конструкций, 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.
243.4. Строгание и фрезерование-
Механическая обработка, включающая строгание и фрезерование,
обеспечивает требуемую поверхность кромок, более точные размеры
деталей, 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
приведены в табл. 24.1.
Таблица 24. L Механическая обработка кромок деталей
Способ
вырезания детали
Ручная
кислородная
Механическая
(на ножницах)
Машинная
кислородная и
плазменно-ду-
говая
Тип стали, ее
толщнна
Низколегированные
(Ryu 60 кН/см2) и
термически
улучшенные любой толщины
Низколегированные
(Ry<6Q кН/см2)
любой толщины
Углеродистые
толщиной более 10 мм
Любые
Низколегированные
(с Ryu 60 кН/см2)
Любые
Тип детали и
конструктивные условия
работы
Детали, не
подлежащие сварке
Детали, работающие
на растяжение
То же
Расчетные детали,
воспринимающие
динамические нагрузки
Фасонки ферм
Расчетные детали,
воспринимающие
динамические или
вибрационные нагрузки
Условия работы
конструкции
Любые
Любые
То же
Работающие при
температуре
ниже минус 40°С
Любые
Работающие при
температуре
ниже 40°С
Для строгания продольных кромок листовой стали, а также для
разделки кромок под сварку служат кромкострогальные станки. На
продольно-строгальных станках можно строгать кромки и поверхности деталей.
Рабочим инструментом при строгании является резец (рис. 24.10).
В кромкострогальном станке резцу сообщается
прямолинейно-возвратное движение, а в продольно-строгальном станке такое движение со-
502

общается детали, закрепленной на а)
столе, и операция строгания
осуществляется только при одном
(рабочем) движении стола (рис. 24.11).
При строгании кромок листов их
собирают в пакеты толщиной до 50
мм при длине строгания до 14000 мм.
Рабочим инструментом при
фрезеровании является фреза.
Вращающейся фрезе придаются
прямолинейные движения вдоль
обрабатываемой поверхности для снятия
стружки. Чистота и точность
фрезерования как и при строгании, но производительность выше. В связи с
этим строгание все больше заменяют фрезерованием.
На ЗМК фрезерование деталей и торцов элементов стальных
конструкций 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
фланцев в опорных узлах, торцы поясов ферм в примыкании к фланцам, торцы
стержней решетки ферм в бесфасоночных примыканиях к поясам);
Рис. 24.10. Схема строгания:
а — на кромкострогальном станке; б — на
продольно-строгальном станке; / — резец; 2 —
обрабатываемая деталь
\
Рис. 24.11. Общий вид продольно-строгального станка:
/ — станина; 2 — двигающийся стол; 3,10 — суппорты для обработки кромок листа; 4 —
перемешающаяся траверса; 5, 9 — суппорты с резцами; б, 8 — вертикальные стойки; 7 — поперечина
503

1-1
, 3600_-_го£>изонтальиып
ход фрезы
Pec» 24.12» Торцефрезерный станок:
а — cxeivra стз.нка; б — сборная фреза; в — схема движения фрезы; 1 — фреза; 2 — каретка; 3 — стойка;
4, 5 — направляющие для перемещения каретки с фрезой по горизонтали и вертикали
* при передаче усилий в стойках и колоннах на ниже расположенный
элемент или опорную плиту через смятие торца.
Торцефрезерные машины позволяют обрабатывать торцы
конструкций с размерами до 3600x1300 мм.
При разметке деталей, подлежащих строганию или фрезерованию,
предусматривают припуски величиной 3 мм при вырезке деталей на
ножницах, с использованием машинной кислородной резки и 5 мм — при
ручной кислородной резке,
24,3с5. Гшбкв
Холодную гибку применяют при изготовлении деталей
трубопроводов, газопроводов, резервуаров, газгольдеров, силосов, бункеров,
кожухов доменных печей, монорельсов, гнутых профилей.
Холодную гибку цилиндрических и конических листовых деталей
производят на трех- или четырехвалковых листогибочных машинах
(вальцах) (рис 24.13). Гибку уголков, балок и швеллеров выполняют
на углоправильных машинах, горизонтальных правильно-гибочных
прессах.
504

а)
в)
Гибку лепестков
сферических поверхностей
производят на
листогибочных машинах,
оборудованных специальными
приспособлениями,
состоящими из «бочки»,
надеваемой на верхний
валок и постели — шаблона
(«седла»), укладываемой
на нижние валки (рис.
24 Л 4),
Для изготовления
гнутых профилей служат
листогибочные (кромко-
гибочные) прессы.
Рабочим инструментом пресса
являются пуансон и
матрица (рис, 24.15),
Во избежание
структурных изменений,
появления значительного
наклепа, минимальные
радиусы кривизны, при
которых допускается холодная гибка расчетных деталей (за исключена: •:.--.
гибки на кромкогибочных прессах), приведены в таблЛ СНиП [4]. Пр^:
меньших радиусах кривизны гибку деталей следует производить носг-2
нагрева свыше 70G°C
Рис. 24Л 3. Схема гибки цилиндрических обечаек;
о. — катрсхваяковой машине; б — на четырех валковой машнкс;
в — общий вид машины
"Седло"
Рис. 24.14. Схема оборудования листогибочной машины для гибки лепестков
сферической оболочки
505

Рис. 24.15. Схема изготовления гнутых
швеллеров на листогибочном прессе:
/ — пуансон; 2 — матрица; 3 — обрабатываемый
лист; I..JV— последовательность операций гибки
24.4. Сборка и сварка
стальных конструкций
24АЛ, Общая характеристика
процесса сборки
Процесс последовательного
соединения и скрепления
сборочных деталей между собой
электроприхватками для образования
отправочного элемента называют
сборкой. В технологическом
процессе изготовления сварных
конструкций сборка является одной из
наиболее трудоемких и
ответственных операций, так как при
сборке фиксируется форма и
габаритные размеры конструктивных элементов. Удельный вес
трудоемкости 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
предварительной 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
изготовляют шаблон, имеющий форму конструкции (копир). Сборочные
марки совмещают с шаблоном и скрепляют между собой прихватками.
Сборка в кондукторе — наиболее производительный метод,
позволяющий получать высокое качество сборки. Кондуктор представляет
собой стационарное устройство, обеспечивающее взаимное расположение
деталей в соответствии с чертежом. Сборочные марки в кондукторе
удерживаются упорами и прижимами.
Размеры зазоров и допускаемые отклонения при сборке должны
соответствовать 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

Рис. 24.16. Сборка сварных двутавров по разметке:
а — сборка при горизонтальном положении стенки; б — сборка при вертикальном положении стенки; «,
г — стягивание листов сучения скобой; д — стягивание листов сечения хомутом; 1 — выводная планка;
2 — наклонная планка; 3 — временные упоры; 4 — полки стержня; 5 — стенка двутавра; 6 — балки
сборочного стеллажа; 7, 9 — сборочная скоба; 8 — сборочный клин; 10— сборочный хомут
24.4.2. Сборка сварных
двутавров
Сборку стержней
двутаврового сечения
производят по разметке, на
сборочных установках и на
поточных линиях.
По разметке собирают
сварные двутавры при
изготовлении небольшого
числа одинаковых
элементов (рис. 24.16).
ШирОКО применяют Рис. 24Л7. Сборочная установка с передвижным
сборку сварных двутавров
на установке с
передвижным порталом (рис. 24.17).
Сборку начинают с уклад-
порталом:
/ — рама; 2,4 — продольные балки; 3 — регулировочные вин-
та; ~—стойка-фиксатор; б, 7 — передвижные пиевматиче-
ские прижнмы. а< 9 _ непотихиые пневматические прижи-
мы; 10 — портал
507

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 поджатая деталей и их
прихватки. Сборку продолжают последовательно перемещая портал через
500 мм. После сборки двутавр снимают с установки краном и
перекантовывают 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
колонны в кондукторе. Стержни подают на сборку с фрезерованными
торцами (опорные плиты со строганой поверхностью отправляют на монтаж
отдельными отправочными марками). В кондукторе (рис. 24.18) колонны
собирают в следующей последовательности: одну из ветвей краном
9 8 7
Рис. 24.18. Кондуктор для сборки колонн:
/ — пневмоцилиндры; 2 — захваты; 3 — стеллажи; 4, 5 — съемные упоры; 6 — неподвижные упоры;
7 — направляющие пола; 8 — винтовой прижим; 9 — диафрагма колонны
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 штате.
Элементы решетки, траверсы башмака, уступа устанавливают по разметке.
24.4.4. Сборка плоешх решетчатых конструкций
Индивидуальные конструкции (фермы, плоскости башен) собирают
по разметке на сборочных плитах.
Сборку партии однотипных конструкций из спаренных уголков
производят 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
точностью, решетчатых конструкций из труб, тавров и других профилей,
когда нельзя применять способ сборки по копиру.
Для сборки по копиру конструкций из спаренных уголков
первоначально 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).
а)
1 2 3
8
. 24.19. Сборка фермы по копиру:
а — копир; б — сборка первой «полуплоскости» фермы по копиру; в — собранная первая
«полуплоскость» после кантовки; г — собранная полная ферма; / — концевая фасонка; 2 — верхний пояс; 3 —
узловая фасонка; 4 — стойка; 5 — центр узла; 6 — раскос; 7 — «сухарь»; 8 — стыковая накладка; 9 — ось;
10 — нижний пояс; // — фланец опорного узла; 12— концевой шаблон
509

Сборку конструкций по копиру начинают с раскладки фасонок и
прокладок на одноименные детали копира. Затем на них накладывают
полкой вверх уголки поясов, раскосов и стоек. Детали скрепляют
электроприхватками. Собранную «полуплоскость» снимают с копира,
перекантовывают на 180 град, и укладывают на свободные стеллажи, где
устанавливают и прихватывают уголки второй «полуплоскости» фермы
(рис. 24.19 6, 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,
удельный вес которой достигает 30% от общей трудоемкости изготовления.
Способ сварки зависит от конструктивной формы, толщины
свариваемых деталей, расположения, протяженности и сечения швов. Ручную
сварку на ЗМК применяют главным образом при сборке для прихватки
деталей. Автоматическую сварку под слоем флюса целесообразно
производить при длине шва не менее 1,5 м. Полуавтоматическую сварку в
среде 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
сваривать в один слой без обработки кромок деталей. На отдельных заводах
применяют контактную точечную и стыковую сварку.
Свариваемые конструкции следует устанавливать в положение,
обеспечивающее безопасные условия работ и получение шва высокого
качества.
Перед наложением шва с другой стороны при двусторонней сварке с
полным проваром корень шва очищают от шлака и наплывов
пневматическими 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:
основное, с помощью которого осуществляют собственно сварку;
вспомогательное, предназначенное для установки и перемещения свариваемых
конструкций, сварочных автоматов, полуавтоматов в процессе сварки
(манипуляторы, вращатели, кантователи, тележки, площадки, столы и
т.п.).
510

Рис. 24.20, Сварочный трактор ТС-17М:
1 — механизм подачи проволоки; 2 — бункер для
флюса; 3 — 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; 2 — свариваемая балка; 5 —
электрод
Для изготовления стальных
конструкций используют основное
сварочное оборудование
универсального типа, серийно выпускаемое
промышленностью: одно дуговые и
двухдуговые сварочные головки и
тракторы для автоматической
сварки под флюсом (рис. 24.20);
унифицированные полуавтоматы для
сварки под флюсом и в углекислом газе
(рис. 24.21); универсальные
автоматы рельсового типа для
электрошлаковой сварки.
Сварочные головки с помощью самоходных тележек перемещаются
по направляющим (рейке, консоли, рельсу), расположенным над
свариваемыми конструкциями. В отличие от сварочных головок тракторы
перемещаются непосредственно по конструкции и благодаря этому они ма-
невреннее головок.
Вспомогательное оборудование для сварки металлоконструкций
разнообразное, оно зависит от конструктивной формы свариваемых элементов.
При сварке стержней двутаврового сечения «в лодочку» достигается
полный провар без обработки кромок стенки толщиной до 16 мм.
Простейшим приспособлением для установки балок при сварке «в лодочку»
являются козелки (рис.24.22). Для установки конструкций в такое поло-
511

ас. 24.23. Рамный ней ной кантователь для сваркя балок:
/ — рама; 2 — амортизационные ролики; 3 — стойки: 4— грузовая цепь; 5 — консоли; 6— грузовые
блоки; 7 — опорные ролики; П — площадка для сварщика
жение и их кантовки без использования мостовых, кранов применяют
кантователи (рис, 24,23).
24.4.7. Изготовление рулонных заготовок $щм листовых конструкций
Негабаритные листовые цилиндрические конструкции
(вертикальные резервуары, газгольдеры и др.) изготовляют, как правило, методом
рулонирования полотнища, собранного и сваренного на двухъярусном
стане со сворачивающим устройством. На рис, 24,24 показан стан, на
котором 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
перекантовывают через барабан на второй ярус, где сваривают швы с другой
стороны, На контрольной площадке проверяют качество сварки и
производят огрунтовку, после чего полотнище наматывают на шахтную
лестницу резервуара или на инвентарные кольцевые каркасы.
Для изготовления рулонных заготовок резервуаров и газгольдеров
объемом 30000 м3 имеются более мощные установки, позволяющие руло-
нкроватъ сталь толщиной более 14 мм ш шириной до 18 м (рис. 24.25).
24.4.3. Мероприятия по снижению остаточных сварочных деформаций
Возникающая в процессе сварки продольная и поперечная усадка
швов, неравномерно распределенная по сечениям свариваемых деталей,
приводит к поязяевию остаточных деформаций в сварных конструкциях
в виде их укорочения, серповидности, грибовидности полок и др.
512

а)
Направление
движения
Контролъка^ствасеарки Направление
Сварка с наружной дефектов _ / движения
стороны к
с внутренней
стороны корпуса
Рис. 24.24. Изготовление негабаритных резервуаров рулонироваинем:
а — стенд; б — схема выполнения работ; / — монорельс; 2 — холостой барабан; 3 — сварочные
автоматы; 4, 8 — планшайбы; 5 — свернутый рулон; 6 — эстакада; 7 — шахтная лестница резервуара;
9 — лист (заготовка); 70 — электроталъ
i и ш iv
12 3 4 5 6 7 6
V
VI
Рис. 24.25. Схема двухъярусного стенда дли изготовлений рулонных заготовок:
1-Х— рабочие участки стенда; / — станина; 2 — кран-листоукладчик: 3,4 — продольный и боковой
толкатели; 5 — верхняя поперечная тележка; б — сварочные автоматы; 7— боковой толкатель; 8 —
полотнище; 9 — кантовочный барабан; 10 — приямок для контроля качества; // — сворачивающее
устройство
17-447

б)
е)
wiiiiiiiiiilTiiiiiiiiiuiiiii
\\ з
3
2 | ;
4
5
6
Рис. 24.26. Технологические мероприятия, направленные на снижение сварочных
деформаций:
а — порядок сварки поясных швов в симметричных двутавровых сечениях; б — порядок наложения
сварных швов в листовых конструкциях; в — обратноступенчатый способ сварки длинных швов;
цифрами показана последовательность сварки
Рис. 24.27. Схема правки грибогидности полок в сварных балках:
а — грибовидность полок; б — схема правки; 7 — рольганг; 2 — балка; 3 — валки станка; 4 — станок
К основным технологическим мероприятиям по снижению
сварочных деформаций, проводимых в процессе сварки, относятся способ
уравновешенных деформаций (рис. 24.26, а), первоочередная сварка
поперечных швов (рис. 24.26, б), обратноступенчатый порядок наложения швов
(рис. 24.26, в).
При обратноступенчатом методе сварки остаточные деформации не-
значительны, так как усадка коротких швов меньше, чем длинных.
Поэтому длинные швы разбивают на участки длиной 200—250 мм (при ручной
сварке) и 1500—2000 мм (при автоматической), которые заваривают в
направлении от края элемента к его середине (рис. 24.26, в).
Полностью ликвидировать сварочные деформации невозможно,
поэтому после сварки конструкций деформации сверхдопустимых в СНиП
[3] значений устраняют холодной или горячей правкой, а также
фрезерованием.
Устранение грибовидное™ полок подкрановых балок производится
на станке (рис. 24.27).
514

24.5. Отделочные операции дня стальных конструкций
24.5.1. Образована© монтажных отверстий
На ЗМК монтажные отверстия сверлят (или рассверливают
продавленные отверстия) по кондукторам. Эта операция обязательна в процессе
общей сборки для конструкций, монтируемых на заклепках, болтах
повышенной точности, на высокопрочных болтах. Кроме того, монтажные
отверстия сверлят в деталях (фланцах, узловых фасонках) отправочных
элементов башен, мачт, опор ВЛ.
Кондуктор (рис. 24.28) состоит из металлической плиты 1 с
запрессованными в нее втулками 2, являющимися направляющими для сверл 3.
При установке кондуктора на отправочный элемент нанесенные на
кромках кондуктора риски 4 совмещают с соответствующими рисками на
конструкции.
Номинальный d
сверла +0,3 мм
Рис. 24.28. Накладной кондуктор дли сверления монтажных отверстий:
/ — 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
заменяют (ремонтируют), а все конструкции подвергают общей сборке ддя
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
отверстий.
515

а =90°
180°<a<21(f
Смалковатъ
Размалковатъ
а =180°
Г—Щ—s
J
Рис. 24.29. Фиксаторы из уголков для
отправочных элементов, проходящих общую сборку иа
змк
I,, а
2 фиксатора,
при Н> 600 мм
Перечень и
последовательность общих сборок
конструкций дополнительно
определяют по согласованию с ЗМК
монтажные организации.
В соответствии со СНиП
[4] общей сборке
подвергаются:
* конструкции
производственных зданий — колонны
общей массой более 20 т,
подкрановые балки пролетом
более 18 м, фермы пролетом
более 36 м, башни
(плоскостями), негабаритные бункера,
фермы и опоры
транспортерных галерей;
* конструкции доменных
печей и газоочистки;
• конструкции мокрых
газгольдеров;
• конструкции
решетчатых мачт и башен
индивидуального изготовления.
В монтажных узлах после
проверки геометрических
размеров, зазоров в стыках взаимное расположение отправочных марок
закрепляют с помощью фиксаторов. После общей сборки конструкций
перед разбивкой отправочные элементы индивидуально маркируют, а
результат фиксируют в исполнительной схеме общей сборки.
В качестве примера на рис. 24.29, 24.30 показаны фиксаторы из
уголков, а также схема их установки при общей полистовой сборке из
свальцованных обечаек негабаритного вертикального цилиндрического
резервуара.
Контрольную сборку осуществляют для проверки точности
изготовления отдельных отправочных элементов, точности кондукторов и
приспособлений. Для однотипных взаимозаменяемых элементов при
контрольных сборках не производят подгоночных работ и не устанавливают
фиксаторы. Контрольные образцы назначают в объеме 5... 15% общего
количества изготовляемых однотипных элементов.
516
3 фиксатора на длинную сторону
листа (независимо от длины)
Рис. 2430. Размещение фиксаторов при общей
сборке обечаек вертикального
цилиндрического резервуара

24.5.3. Антикоррозионная защита конструкций
Виды материалов для антикоррозионной защиты металлических
конструкций, подготовка их поверхностей перед нанесением защитных
покрытий изложены в §1.5 [2].
Несмотря на то, что защита лакокрасочными материалами требует
наибольших затрат из-за частого восстановления покрытий, ее
применяют наиболее широко, вследствие низких первоначальных затрат.
При подготовке поверхности не подлежат грунтовке
соприкасающиеся поверхности монтажных соединений на заклепках и высокопрочных
болтах, а также бетонируемые части конструкций, которые вместо
грунтовки покрывают цементным молоком.
Лакокрасочные материалы наносят пневматическим или
безвоздушным распылением, струйным обливом, окунанием, кистью. Выбор
метода нанесения лакокрасочного покрытия зависит от типа производства
(единичное, серийное, массовое) и его возможностей, габаритов и формы
окрашиваемых конструкций, свойств лакокрасочных материалов и
требований к покрытию.
При пневматическом распылении краскораспылителями
лакокрасочный 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
недостаткам относятся значительные потери на туманообразование,
необходимость очистки и вентиляции воздуха.
От этих недостатков свободно безвоздушное распыление, сущность
которого заключается в том, что краска, находящаяся в гидросистеме
установки под давлением 0,8... 1,2 кН/см2, при выходе из сопла
краскораспылителя превращается в туманообразное состояние.
На многих ЗМК имеется установка для бескамерной окраски
конструкций (рис. 24.31), позволяющая наносить антикоррозийную защиту на
конструкции с габаритами 13,8x3,6x3,3 м. Основное достоинство
установки — наличие местного отсоса вместо вентиляции всей площадки
окрашиваемой поверхности. По мере окрашивания с помощью установок
безвоздушного распыления тележка с местным отсосом , расположенная
над стеллажной решеткой, подается в зону окраски и перемещается
вместе с маляром . Такую установку используют как самостоятельно, так и в
составе поточных линий, имеющихся на отдельных ЗМК.
517

К вентилятору
К вентилятору
9 8
Рис. 24.31. Установка для бескамерной окраски:
/ — тележка с местным отсосом; 2 — поддон; 3 — окрашиваемая конструкция; 4 — решетка; 5 —
козелки; б — гидрофильтр; 7 — воздуходувный агрегат; 8 — форсунки выхода; 9 — стойки; 10 — кожух
гидрозатвора; // — вентиляционные патрубки; 12 — воздуховод; 13 — всасывающая щель местного
отсоса
На все изготовленные отправочные элементы наносят маркировку,
которую после окраски возобновляют. Маркировка может быть общей,
фиксирующей, индивидуальной. Общая маркировка включает номер
заказа, номер чертежа КМД, обозначение элементов на монтажной схеме.
Фиксирующая маркировка указывает на место и ориентировку
положения отправочного элемента в сооружении. Индивидуальную маркировку
наносят только на элементы, прошедшие общую заводскую сборку с
производством подгоночных работ.
24.6, Транспортирование строительных конструкций
Доставку металлоконструкций на строительную площадку в
зависимости от конкретных условий осуществляют железнодорожным,
автомобильным, водным и воздушным видами транспорта. Возможно использо-
518

вание нескольких транспортных средств, но каждая перегрузка
(«перевалка») конструкций, например, с железнодорожной платформы на
автомобиль приводит к существенному удорожанию строительства.
Таким образом выбор схемы транспортирования существенно влияет на
стоимость конструкции.
Сразу отметим, что водный и воздушный виды транспорта
применяют для перевозки строительных конструкций крайне редко и в случае
специального обоснования. Как правило, это относится к негабаритным и
специальным конструкциям. Наибольшее распространение получила
перевозка строительных конструкций по железным и автомобильным
дорогам.
В связи с хорошо развитой общей сетью железных дорог,
связывающей заводы-изготовители и заказчиков между собой, железнодорожные
перевозки по сравнению с другими видами транспортирования наиболее
экономичны, особенно на значительные расстояния. На территории
Российской Федерации большинство грузов перевозят на 4-осных
железнодорожных платформах грузоподъемностью 62 и 63 т или в полувагонах
грузоподъемностью 63 т. Кроме того, используют полувагоны
грузоподъемностью 93...94 и 125 т (6- и 8-осные).
Отправляемые по железной дороге строительные конструкции в
соответствии с ГОСТ 9238-83 «Габариты приближения строений и
подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм (для линий со скоростью
движения поездов не более 160 км/ч)» в зависимости от их ширины и
высоты подразделяют на габаритные и негабаритные. Габаритной является
конструкция, контур поперечного
сечения которой после погрузки на
подвижной состав (с учетом упаковки и
крепления) вписывается в габарит погрузки
(рис.24.32) при условии, что
подвижной состав находится на прямом
горизонтальном участке пути и продольные
оси состава и пути находятся в одной
вертикальной плоскости.
Для перевозки грузов, имеющих
высоту более, чем габарит погрузки,
используют вместо обычных платформ
специальные железнодорожные
транспортеры грузоподъемностью до 400 т с
пониженной высотой уровня погрузки
перевозимых конструкций.
1240
620,626
1625
1625
S250
Рис. 24.32. Габарит погрузки
519

Перевозка негабаритных грузов должна быть согласована с
Министерством путей сообщения, причем за нее взимается дополнительная
оплата от 50 до 300 % основного тарифа. Соблюдение габарита погрузки на
выходе из маляропогрузочного цеха ЗМК проверяют габаритными
воротами, сооружаемыми над железнодорожным путем и повторяющими
очертание габарита погрузки.
Груз следует размещать так, чтобы колесные пары или тележки
вагонов были загружены равномерно. Допускается смещение общего центра
тяжести грузов вдоль транспортного средства не более чем на 1/8 длины
базы, а в поперечном направлении — не более 100 мм.
Пространство между очертанием негабаритности и габаритом
приближения строений предназначено для обеспечения свободного
перемещения подвижного состава и груза во время движения при нормальных
допусках и износах подвижного состава и пути.
В зависимости от конструктивных особенностей транспортного
средства максимальная длина конструкций может быть 13774... 14200 мм (при
погрузке на железнодорожную платформу) и 13500, 15700 и 20000 мм
(при погрузке в полувагон грузоподъемностью 63, 93, 125 т,
соответственно).
Длинномерные конструкции перевозят на платформах с
прикрытиями или на сцепах (рис. 24.33). При этом, если груз опирается на две
платформы, то его закрепляют на специальных устройствах — турникетах,
один из которых обеспечивает возможность только поворота, а
второй— возможность поворота и некоторого продольного перемещения
груза. Устройство турникетов требует дополнительных затрат, поэтому
чаще погрузку производят с применением платформ прикрытия при
жестком опирании груза на одну платформу. При этом максимальная длина
конструкций и максимальная масса в зависимости от типа рессорного
подвешивания платформы должны соответствовать данным,
приведенным в табл. 24.2. Для лучшего использования грузоподъемности
транспортного средства целесообразно загружать и платформы прикрытия.
Расстояние между концами грузов, закрепленных на смежных
платформах или сцепах, должно быть не менее 270 мм. Если груз закреплен на
двух платформах, это расстояние со стороны опоры, допускающей
продольное перемещение груза, увеличивают до 490 мм, при наличии
промежуточной платформы прикрытия — до 710 мм (см. рис. 24.33, в).
Коэффициент использования грузоподъемности железнодорожных
вагонов (отношение массы погруженных конструкций к
грузоподъемности вагона) рекомендуется для стропильных и подстропильных
ферм — 0,15; габаритных емкостей и опор В Л электропередачи — 0,17;
элементов связей и фахверков — 0,7; подкрановых балок — 0,43;
колонн — 0,36.
520

/S3 1^.13774(14200)
185
2'
/ 9294 (9720)
14194(14620)
L,<24000
6000
*)
Iffi3EE
Ш
9294
14194
74У94
13 ■> 4
Рис. 24.33. Схемы погрузки конструкций на платформы:
а — на одну платформу; б — на сцеп платформ с опиранием груза на одну платформу; в — на сцеп платформ с опиранием конструкции на две платформы;
/ — платформа; 2 — грУ3.« ^ — неподвижный турникет; 4 — подвижный турникет; 5 — платформа прикрытия

Таблица 24.2. Максимальная длина железнодорожного груза
Тнп рессорного
подвешивания
(тележка)
Комбинированное
(МТ-50)
С клиновыми
амортизаторами
(ЦНИИ-ХЗ)
Максимальная длшяа груза, м, яря массе груза, равной т
20
27,0
30,0
25
24,1
27,0
30
22,0
24,0
35
20,3
22,5
40
10,0
21,0
45
17,9
20,0
50
17,5
19,0
55
16,5
18,5
60
16,0
18,0
65
14,3
14,3
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
смещение наружу кривой, а в середине — во внутрь. Для определения воз-
можности беспрепятственного перемещения подвижного состава на
кривых участках пути вводится понятие расчетной негабаритности.
Расчетную негабаритность проверяют на кривой условного радиуса R = 350 м
для длинномерных конструкций, погруженных на одну платформу, при
отношении их длины к базе платформы (расстояние между
вертикальными 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 негабаритностн
Подвижной состав
Четырехосная платформа длиной 13,4 м
То же, длиной 12,974 м
Сцеп из двух четырехосных платформ с
рамой длиной 13,4 м
То же, с рамой длиной 12,974 м
Транспортер
База вагона или
сцепа платформ, м
9,72
9,294
14,62
14,194
Не более 16,5
Предельная общая
^_ длина груза, м
18,2
17,9
25,48
24
Не более длины
транспортера
Конструкции, погруженные на подвижной состав, должны быть
закреплены от продольного и поперечного смещения и от опрокидывания.
Для этого необходимо учесть силы, действующие как на отдельную
конструкцию, так и на весь груз в целом. Наибольшее значение имеют
инерционные силы — продольная, поперечная и вертикальная, а также силы
трения (продольная и поперечная) и ветровая нагрузка. На заводах метал-
522

локонструкций выполняются расчеты крепления и чертежи
соответствующего оборудования и приспособлений в соответствии с [9].
Плоскостные конструкции, например фермы, устанавливают на
платформе 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
виде балок, колонн и других стержневых элементов, располагаемых в
несколько ярусов по высоте, увязывают по ярусам в пакеты хомутами из
проволоки 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
определяют расчетом. Крепление растяжек осуществляют за обвязочные
косынки или скобы подвижного состава. Обратите внимание, что
повторное использование проволоки для обвязки не допускается.
На пол, а также между пакетами необходимо укладывать
деревянные 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
передачи нагрузки на оси тележек подвижного состава. Трещины в
подкладках и прокладках не допускаются.
Интенсивное строительство автомобильных дорог привело к росту
объемов перевозок металлоконструкций автотранспортом, который
практически незаменим при перевозке конструкций с
заводов-изготовителей, находящихся вблизи района строительства, и для подачи
конструкций 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
транспортом используют грузовые автомобили общего назначения, автомобили
повышенной 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
перевозимых конструкций определяется грузоподъемностью транспортного
средства и характеристиками трассы следования. Если габариты превышают
предельные значения, а также в случае, когда конструкция выступает за
заднюю точку габарита транспортного средства более чем на 2 м, необхо-
523

Рис. 24.34. Автомобильные средства перевозки стальных конструкций:
- грузовая автомашина двухосная; б — то же, трехосная; в — автомобильный тягач двухосный; г — то же, трехосный; д — автомобильный четырехосный
аэродромный тягач; е -
то же, трехосная; в -
автомобильный прицеп-роспуск; ж — автомобильный прицеп общего назначения; и — полуприцеп общего назначения; к —
прицеп-тяжел овоз; л — полуприцеп-тяжеловоз; м — платформа-тяжеловоз

димо согласование с ГИБДД, Управлением дорог администрации
области 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
металлоконструкций в большой степени зависит от повышения степени
механизации основного, вспомогательного и транспортного оборудования. На
современных заводах металлоконструкций основное оборудование
отличается высокой производительностью. В то же время при выполнении
вспомогательных и транспортных операций, составляющих
значительную долю в структуре рабочего времени, преобладает ручной труд.
Для повышения производительности труда станки на основных
технологических операциях оборудуют подающими и отводящими
рольгангами, специальными роликовыми столами, упорами, тележками,
сбрасывателями, кантователями, шлепперами и другими механизированными
приспособлениями и оснасткой. Создаются и внедряются
переналаживаемые технические средства.
Широкое применение получила система универсально-сборных
приспособлений, когда из набора стандартных деталей и узлов компонуются
разнообразные приспособления. Важно, чтобы эти приспособления
могли использоваться повторно. Разрабатывается переналаживаемая
оснастка с индивидуальным механизированным приводом (пневматическим
или гидравлическим). Наибольший эффект такие приспособления и
оснастка 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
производства повышение уровня механизации оказывается экономически
невыгодным. Так, например, станки с числовым программным управлением
(ЧПУ) на ЗМК в отличие от машиностроительных заводов не нашли
широкого применения из-за мелкосерийного или индивидуального
производства, разнообразия и большого количества профилей металлопроката и
марок стали, большого числа операций при изготовлении сборочной марки.
Транспортные операции, как правило, механизированы и
выполняются кранами, рольгангами, электрифицированными тележками. Вместе с
тем многократное, в том числе повторяющееся, перемещение деталей от
одного станка к другому, простои кранов 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
сборке—15...20%, на сварке—10... 15%.
Одним из эффективных способов снижения трудоемкости
изготовления и повышения производительности труда является перевод
производства на поточные линии.
Поточная линия — это комплекс основного, вспомогательного и
подъемно-транспортного оборудования, машин и механизмов,
состоящий как минимум из двух единиц основного оборудования,
выполняющих различные операции. При этом последовательность расположения
оборудования или рабочих мест соответствует последовательности
выполнения операций.
В зависимости от степени непосредственного участия рабочего в
выполнении основных и вспомогательных операциях различают
механизированные и автоматизированные поточные линии.
Организация поточных линий, особенно на действующих
предприятиях, требует дополнительных капиталовложений, но экономический
эффект от их внедрения при соответствующих объемах производства
позволяет уже за 1 ...2,5 года окупить все затраты. Съем готовой продукции с
1 м2 производственной площади увеличивается в 1,5...2 раза,
производительность труда рабочих повышается в 2...3 раза, а себестоимость
продукции снижается на 25...30%.
Особенно эффективно применение поточных линий в цехах
обработки и в цехе маляропогрузки на заводах большой мощности. Внедрение
поточных линий в сборочно-сварочных цехах эффективно на
узкоспециализированных заводах по выпуску, например, конструкций из труб,
балочных сварных конструкций из листового проката, решетчатых
конструкций, листовых вальцованных конструкций.
На рис. 24.35 в качестве примера приведена схема механизированной
поточной линии сборки и сварки ферм из гнуто-сварных профилей типа
«Молодечно». Линия работает следующим образом. На участке сборки
подъемный стол загружают раскосами 7, затем стол опускают и раскосы
ложатся в специальные гнезда тележки 2. Тележка передвигается по
рельсам 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
положение, после чего осуществляется ее сварка. Затем ферма, навешенная на
крюки подвесного конвейера 5, перемещается на участок контроля
качества сварных швов. На участке окончательной отделки ферма кантуется
на стеллаж, где производится окончательный осмотр соединений,
выполняются отделочные операции. Готовая ферма мостовым краном
транспортируется на склад.
Сведения о других поточных линиях вы можете получить в [7,8].
526

Участок окончательно^ Контроль качества ^ Участок сварки
Участок сборки
Рис. 2435. Поточная линия сборки и сварки ферм из ГСП типа «Молодечно»:
/ — раскосы; 2 — сборочная тележка; 3 — пояса; 4 — рельсовый путь; 5 — подвесной конвейер

24.8. Оценка технологичности строительных стальных
конструкций
Технологичными считают конструкции, которые характеризуются
наименьшими затратами материала, времени и труда при их
проектировании, изготовлении (включая транспортировку), монтаже и
эксплуатации. 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,
рационального 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
минимальных трудовых и денежных затратах.
Часто факторы, определяющие технологичность конструкции, вступают
в противоречие друг с другом. Так, решетчатая конструкция (ферма)
обладает меньшей массой по сравнению со сплошностенчатой (балка), но
трудоемкость ее изготовления значительно выше из-за большого количества
основных и вспомогательных элементов. Сварные соединения элементов в опоре
ВЛ электропередачи можно заменить болтовыми, что позволит перевозить
конструкции в вагонах с полной загрузкой pi снизить стоимость
транспортирования, 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
решений должна сочетаться с определением количественных показателей
технологичности конструкций. К таким показателям откосят:
* трудоемкость изготовления и монтажа (суммарные затраты труда
на технологические переделы при изготовлении и монтаже);
в сметную стоимость конструкций (стоимость «в деле») и др.
Полученные основные показатели технологичности конструкций
сравнивают с базовыми показателями, характеризующими работу
передовых 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,
заводы металлических конструкций, транспортные и монтажные
организации. Все участники строительства являются самостоятельными
субъектами, 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
находятся 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
сечений профилей и др. При разработке проекта стадии КМ составляют
техническую спецификацию на сталь с указанием затрат металла по
профилям и смету на возведение объекта с указанием массы и стоимости
конструкций «в деле».
Заводы металлических конструкций, располагая производственными
мощностями, материальными ресурсами, квалифицированными
работниками, изготовляют конструкции. Чертежи КМД разрабатывает
конструкторское бюро завода. Сталь и другие материалы, электрическую и
тепловую энергию покупают по мере их расходования. Ниже приведены
затраты в % к стоимости всех затрат или в физическом измерении,
являющиеся средними по отраслям металлостроительства.
На 1 т изготовления конструкций требуются следующие затраты
материалов:
529

сталь, кг 1027—1059
углекислота, м3 2,9—11
сварочная проволока, кг 8,17—13,1
пропан-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—277
краска, кг 2,10—11,6
Стоимость материалов входит в заводскую стоимость конструкций.
К овеществленному труду относятся не только материалы, но и
производственные мощности, включая станки, агрегаты, транспортные и
передаточные системы, здания и сооружения, без которых невозможен
производственный процесс. Стоимость этих мощностей учитывается в
стоимости 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
нормативную и фактическую.
В зависимости от характера решаемых задач нормативную
трудоемкость 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
конструкций, 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
конструкций, опубликованные в экономической литературе.
В большинстве указанных нормативов норма времени для
выполнения производственной операции на 1 т дана в зависимости от массы
детали или конструкции. Трудоемкость изготовления конструкции как сумму
трудоемкостей операций вычисляют формулам:
Ти = вБ + Г; (25.1)
Ти = Аи&-\ (25.2)
где G — масса конструкции, т; Б и Г— параметры линейной
зависимости трудоемкости от массы; Аи 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
трудоемкости 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
накладные расходы завода.
Для определения себестоимости изготовляемой конструкции на
заводе составляют калькуляцию. На основе данных для заводов с единичным
и мелкосерийным производством статьи затрат в стоимостном
выражении 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 0,9
отчисления на социальное страхование 0,3
потери от брака 0,1
прочие производственные расходы 0,6
внепроизводственные расходы 1,7
Итого 100
Готовые конструкции заводы отправляют в адрес монтажной
организации — заказчику.
Стоимость конструкции, доставленной на склад монтажной
организации, выражается формулой
Си =СН„ + Тыаи(1 + ккр) + Сэ + Св.р + Пр + СЯ, (25.3)
где Сню Сэ, Свр, Ст — соответственно стоимости металла, энергии, вне-
производственных расходов, транспортирования, руб.; Ти —
трудоемкость изготовления, чел.-ч; аи — тариф среднего разряда, руб/ч;
кнр — коэффициент, учитывающий накладные расходы завода, связан-
531

ные с длительностью цикла изготовления конструкций; Пр — прибыль
завода.
Монтаж конструкций осуществляют специализированные
монтажные организации, которые имеют производственные мощности и
ресурсы, включая монтажные машины, оснастку, мастерские, здания,
организационную структуру управления, квалифицированных работников.
Монтажная организация оплачивает доставленные с завода
конструкции. Кроме того, она приобретает вспомогательные материалы в
следующих 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
соотношении, %:
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 ЕНиРам на
строительные стальные конструкции или ЕРЕРам, а для
технико-экономических расчетов по справочникам и приближенным формулам, имеющимся
в литературе. Нормы на монтаж разработаны так, что основным
измерителем является масса конструкции. Как и при изготовлении,
трудоемкость является функцией массы конструкции, параметры функции
зависят от типа конструкции.
Для определения трудоемкости монтажа при выполнении
технико-экономических расчетов можно использовать любую из формул:
Тм=тС + Д; (25.4)
Тм=Амт™9 (25.5)
532

где т — масса монтажного элемента, т; СиД— параметры линейной
зависимости трудоемкости монтажа от массы; AMnd — параметры
степенной зависимости д,яя 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
капитальных ремонтов, а также заработной платы машинистов и стоимости
энергии. Нормативы стоимости машиносмен Смс указаны в ЕРЕР на
стальные конструкции.
Прямые затраты на монтаже конструкций без стоимости
конструкций, доставленных с завода, выражается формулой:
С*=С'-.+С,.л,+Сле, (25,6)
где Смат — стоимость вспомогательных материалов на монтаже, руб;
Сзм — заработная плата монтажников, руб; Смс — стоимость
эксплуатации 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
ккмк^, (25.7)
где Ст См — стоимости, соответственно вычисляемые по формулам
(25.3) и (25.6); кнм — коэффициент, учитывающий накладные расходы
монтажной организации, включающие расходы по организации и
управлению, разработке проекта производства работ, затраты по обеспечению
жизнедеятельности людей и пр.; кпм — коэффициент, учитывающий
сметную прибыль.
Монтажные организации, как и заводы металлических конструкций,
уменьшая свои затраты, увеличивают свои прибыли по сравнению с
планируемыми или договорными.
В настоящее время нормативы [10,11] являются базовыми. Для
обоснования договорных цен в строительстве цены 1984 г. увеличивают
умножением на коэффициенты, формирующиеся в рыночных отношениях.
533

25.2. Технико-экономические основы вариантного
проектирования 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
основную номенклатуру конструкций, в том числе и при применении стали
повышенной и высокой прочности. Технико-экономическая оценка
вариантов конструкций производится по 4-м критериям затрат: металла, труда
при изготовлении, труда при монтаже и приведенных затрат для
конструкции «в деле», т.е. законченной строительством и сданной в
эксплуатацию.
По этой методике варианты оценивают по критериям как в
размерных, так и в безразмерных величинах. При размерных величинах затраты
металла учитывают в тоннах, затраты труда — в человеко-часах,
приведенные затраты — в рублях. В безразмерных величинах все
перечисленные критерии выражены отношением их размерных значений к
размерным значениям базового варианта.
25.2.1 Жртермм затрат в размерных величинах
Масса конструкции (затраты металла). На стадии разработки
вариантов проекта КМ теоретическую массу элементов конструкций можно
определять приближенно по формулам (25.8), (25.9), (25.10) или
обычным методом подбора сечений.
при растяжении
(25.8)
(25.9)
(25.10)
где N, М— осевая сила и изгибающий момент; р — ядровое расстояние;
L — длина элемента; у — плотность металла.
534
при
при
сжатии
изгибе
т0
т0
N L
_ М
pRY У

Фактическая масса элементов будет равна
т = то\\г,
(25.11)
где \|/ — строительный коэффициент массы.
Трудоемкости. При вариантном проектировании целесообразны
только приближенные методы оценки затрат труда. Трудоемкость
изготовления конструкций определяют по степенной зависимости
трудоемкости от массы этих конструкций по формуле
Аналогично находят трудоемкость монтажа:
(25.12)
(25.13)
где т — масса конструкции, т; Аи, b — параметры зависимости
трудоемкости изготовления; Ам> d—то же, трудоемкости монтажа.
Все указанные параметры приведены в табл. 25.1. Они получены
статистической обработкой данных по трудоемкости заводов металлических
конструкций и монтажных организаций.
Таблица 25Л. Параметры для определения затрат труда при изготовленгши и
монтаже конструкций
Конструкции
Фермы
Колонны сквозные
Колонны сплошные
Балки сварные
Балки клепаные
Резервуары и
газгольдеры
Кожухи домен
Кожухи
воздухонагревателей
Башни *
Мачты *
Мосты сквозные *
Мосты сплошные *
Изготовление
Лт
23,0
30,4
19,5
17,4
22,9
25,7
25,7
25,7
11,7
11,7
10,5
22,9
Ъ
0,41
0,25
0,10
0,19
0,14
0,21
0,21
0,21
0,29
0,29
0,17
0,14
п
0,340
0,337
0,318
0,315
0,416
0,345
0,500
0,316
0,265
0,274
0,371
0,439
т
0,35
0,36
0,37
0,38
0,28
0,34
0,22
0,37
0,43
0,42
0,32
0,26
Монтаж
лм
21,5
13,3
10,6
11,4
11,4
79,4
42,2
42,2
689
1941
203
203
d
0,68
0,36
0,36
0,29
0,29
0,41
0
0
0,53
0,64
0,38
0,38
s
0,669
0,558
0,558
0,541
1,000
0,555
0,685
0,607
^0,960
0,960
1,000
1,000
V
0,13
0,17
0,17
0,20
0
0,41
0,12
0,16
0,01
0,01
0
0
* Для монтажа принимается масса всего сооружения. Во всех других случаях
учитывается масса отправочного элемента.
535

Определяя по формулам величину Ти и Тм вариантов и сравнивая их,
выбирают экономичный вариант по затратам труда.
Если разделить трудоемкости Ти и Тм на массу т, то получим
удельные трудоемкости в чел.-ч на 1 т конструкций:
tH=Ajmb; (25.14)
tM=Aflmd. (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 операций при обработке
более прочного материала (коэффициент кх)\
в изменения объемов работы в одной тонне (коэффициент /с2);
в изменения конструктивной формы (коэффициент к3).
Указанные коэффициенты выражены формулами:
при изготовлении
K,={RyJRy)m; (25.16)
п)ь; (25.17)
при монтаже
Kb^Ryn/RyYl (25Л8)
*ь.=0*/»О'. (25-19)
где тю т — масса соответственно предлагаемого и базового вариантов;
b,d,m,v — параметры, приведенные в табл. 25.1; Ryn, Ry — расчетные
сопротивления сталей, кН/см2.
Что касается коэффициентов трудоемкости, учитывающих
изменение конструктивной формы, к3 и к^ то они исследованы для ферм при
замене уголков на круглые трубы и они равны 0,85.
Используя указанные выше коэффициенты, запишем формулы
трудозатрат для конструкций из высокопрочных сталей:
при изготовлении
Ти„=Тик,к2к,тП I m = Tu(Ryn IRy)m(mn I т)"~Ь)к„ (25.20)
при монтаже
TM=TMKtMK2MKiMmJm = TM{Ryn/Ry)\mJm)l}-«K3M. (25.21)
536

Сравнение позволяет выбрать экономичный вариант по
трудозатратам и с учетом прочности стали.
Приведенные затраты. Приведенные затраты учитывают стоимость
конструкции «в деле» и дополнительные инвестиции (капитальные
вложения) на осуществление варианта конструкции. В этом критерии
отражены все затраты, выраженные в стоимостной форме.
Структура стоимости металлической конструкции «в деле»
рассмотрена 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,
указанных выше, формула стоимости конструкции «в деле» может быть
принята выражением:
Скд =G[(cKn +tuau7,l5 + l2fi5)Kn +cm + ^3,52]*^^, (25.22)
где tu , tM — удельные трудоемкости изготовления и монтажа,
определяемые соответственно по формулам (25.14) и (25.15); аш ам — тарифы
средних разрядов работы при изготовлении и монтаже; ст — стоимость
транспортирования одной тонны конструкций до монтажной площадки;
снп — стоимость набора проката для одной тонны конструкций; к„, кНМУ
кпм — коэффициенты, учитывающие соответственно прибыль завода
металлоконструкций, накладные расходы и прибыль монтажной
организации.
При увеличении прочности стали стоимость набора проката
возрастает по сравнению с набором из базовой стали (Ry = 21 кН/см2).
Это учитывается коэффициентом
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
инвестиции, которые должны окупаться. В этом случае для каждого варианта
вычисляют приведенные затраты по формуле
П-ЕИ(КМ + КС), (25.24)
где Ен — нормативный коэффициент эффективности; Км — инвестиции в
металлургию, которые можно принять равными для каждой тонны
конструкций 2,5 от цены набора проката (сн п); Кс — то же, в строительную ба-
537

зу, которые принимают из расчета на 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
приведенных затрат. Все они являются размерными величинами. Сравнением
вариантов по указанным критериям выбирают из них наиболее
экономичный для дальнейшей проработки проекта стадии КМ.
25.2.2. Критерии затрат труда в безразмерных величинах
Критерий затрат металла может быть в виде коэффициента
а=т„/т, (25.25)
где тп — масса конструкций предлагаемого варианта, т; т — масса
конструкций из базовой стали, т.
Формулы критериев затрат труда в безразмерных величинах
получены на основе (25.14), (25.15), (25.20), (25.21) и если для этого принять
отношения ки - Тип I Ти — для изготовления, км = Тмп I Тм — для монтажа, то
будем иметь:
для изготовления
ки =кхк2кга =хта(1~Ь)к3; (25.26)
для монтажа
к^к^к^к^а^а^к^ (25.27)
где х — относительное расчетное сопротивление, равное Ryn I Ry.
Остальные буквенные обозначения были пояснены выше.
Критерий приведенных затрат выражается отношением приведенных
затрат предлагаемого варианта к приведенным затратам базового
варианта из малоуглеродистой стали. Используя математическую теорию
подобия, получим критериальное уравнение в виде суммы из шести слагаемых
n = nn/n = S}a+ $2ах + 33ки + 54 / 9 + Sskm + 56, (25.28)
где п — критерий приведенных затрат в безразмерной величине; Пп ,
П—приведенные затраты в размерном виде соответственно
предлагаемого и базового вариантов, руб.; Si —частные относительные затраты
базового варианта, средние значения которых приведены в табл. 25.2;
0 — коэффициент загрузки вагонов; а, ки, км — критерии, определяемые
по формулам (25.25), (25.26) и (25.27).
538

кН/смГ
Таблица 25.2. Относительные частные затраты для конструкций из стали cRy
Конструкции
Фермы
Колонны
Балки
Резервуары и газгольдеры
Кожухи домен и
воздухонагревателей
Башни
Мачты
Мосты
0,1733
0,1708
0,1816
0,1588
0,1588
0,1329
0,1065
0,1523
$\
0,3628
0,3575
0,3802
0,3324
0,3324
0,2781
0,2231
0,2412
S3
0,1946
0,2065
0,1882
0,1920
0,1920
0,1836
0,1745
0,1990
0,0468
0,0461
0,0490
0,0428
0,0428
0,0358
0,0287
0,0311
55
0,1533
0,1511
0,1285
0,2107
0,2107
0,4495
0,4245
0,3675
s6
0,0691
0,0681
0,0724
0,0633
0,0633
0,0529
0,0425
0,0459
Литература
1. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы стальных конструкций,/ В.В.
Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. — М.: «Высшая школа»,
1997.
2. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий/ В.В. Горев, Б.Ю.
Уваров, В.В. Филиппов, Г.И. Белый и др.; Под ред. В.В. Горева. — М.: «Высшая школа»,
1999.
3. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. — М:
Стройиздат, 1982.
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 конструкций: Справочник монтажника/ под ред. В.М.
Краснова. — М.: Стройиздат, 1978.
7. Воронов ЕЛ., Колесниченко Л.Ф. Оборудование заводов металлических
конструкций. — М.: Машиностроение, 1981.
8. Пешковский О.И. Технология изготовления металлических конструкций. — М.:
Стройиздат, 1990.
9. Технические условия погрузки м крепления грузов. — М.: Транспорт, 1969.
10. Прейскурант № 01-22. Оптовые цены на строительные стальные конструкции. М.:
Прейскурантиздат, 1981.
11. СЫнП IV-5-82. Сборник единых районных расценок на строительные конструкции
и работы. Сб. 9. Металлические конструкции. — М.: Стройиздат, 1984.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
РАЗДЕЛ I. ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ 5
Глава 1. Особенности проектирования 5
1 Л. Общие сведения 5
1.2. Особенности листовых конструкций 6
1.3. Основные положения расчета 8
Глава 2. Резервуары 14
2Л. Общие сведения, классификация, назначение резервуаров 14
2.2. Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления 15
2.2 Л .Основания и днища резервуаров 17
2.2.2. Стенки резервуаров 19
2.2.3.Общие положения расчета элементов вертикальных
цилиндрических резервуаров 22
2.2.4. Расчет стенки резервуаров на прочность 22
2.2.5. Расчет стенки резервуара на устойчивость 24
2.2.6. Расчет сопряжения стенки с днищем 26
2.2.7. Крыши резервуаров 29
2.3. Вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления . ... 36
2.4. Каплевидные резервуары 39
2.5. Горизонтальные цилиндрические резервуары 40
2.6. Сферические резервуары 45
Глава 3. Газгольдеры 48
3.1. Назначение и классификация газгольдеров 48
3.2. Газгольдеры переменного объема 49
3.2.1. Мокрые газгольдеры 49
3.2.2. Сухие газгольдеры 53
3.3. Газгольдеры постоянного объема 57
3.3.1. Вертикальные цилиндрические газгольдеры 57
3.3.2. Горизонтальные цилиндрические газгольдеры 60
3.3.3. Сферические газгольдеры 61
Глава 4. Бункеры и силосы 62
4.1. Общие сведения 62
4.2. Бункеры с плоскими стенками 63
4.2.1. Конструктивные особенности 63
4.2.2. Основные положения расчета 64
4.3. Гибкие бункеры 67
4.3.1. Конструктивные особенности 67
4.3.2. Основные положения расчета 69
4.4. Силосы 70
Глава 5. Трубопроводы 72
5.1. Общие сведения и классификация трубопроводов 72
5.2. Нагрузки и воздействия на трубопроводы 73
53. Конструирование и расчет надземных трубопроводов 75
5.3.1. Конструирование трубопроводов 75
5.3.2. Основы расчета 80
5.4."Конструирование и расчет подземных трубопроводов 82
5.4.1. Конструирование трубопроводов 82
5.4.2. Основы расчета подземных трубопроводов 82
Литература 85
РАЗДЕЛ И. ВЫСОТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ 86
Глава 6. Особенности высотных сооружений 86
6.1. Общая характеристика 86
6.2. Нагрузки и воздействия 86
6.2.1. Собственный вес конструкций 86
6.2.2. Ветровая нагрузка 87
540

6.2.3. Снеговые и пылевые нагрузки 88
6.2.4. Гололедные нагрузки 89
6.3. Конструкции башенного типа 90
6.3.1. Конструктивные схемы башен 90
6.3.2. Конструктивное оформление башен 95
6.3.3. Расчет башенных конструкций 102
6.4. Мачты 105
6.4.1. Конструктивные решения 105
6.4.2. Расчет мачт ПО
6.5. Особенности расчета комбинированных систем 115
Глава 7. Антенны 118
7.1. Общая характеристика 118
7.2. Проволочные антенны и их опоры 122
7.3. Радиорелейные линии 127
7.4. Телевизионные опоры 131
7.5. Антенны космической связи и радиотелескопы 133
Глава 8. Промышленные трубы 138
8.1. Общая характеристика 138
8.2. Вытяжные башни 139
8.2.1. Технические решения 139
8.2.2. Конструктивные решения 145
8.2.3. Расчет конструкций 155
8.3. Дымовые трубы 158
8.3.1. Конструктивные особенности 158
8.3.2. Основы расчета 162
Глава 9. Стальные опоры высоковольтных линий электропередачи 166
9.1. Общие сведения о высоковольтных линиях 166
9.1.1. Провода и грозозащитные тросы 166
9.1.2. Изоляторы и линейная арматура 170
9.2. Классификация и характеристика стальных опор 172
9.3. Конструирование и расчет 177
9.3.1. Расположение проводов и тросов на опорах 177
9.3.2. Конструирование опор 179
9.3.3. Особенности расчета 190
9.4. Тенденции развития конструкций опор 194
Глава 10. Вышки 199
10.1. Общая характеристика 199
10.2. Осветительные вышки 199
10.3. Буровые вышки 206
10.4. Вышки для прыжков в воду 208
10.5. Другие виды вышек 211
Глава 11. Водонапорные башни 215
Глава 12. Морские стационарные платформы 224
12.1. Назначение и типы МСП, их классификация 225
12.2. Жесткие свайные МСП 226
12.3. Проектирование МСП 227
12.4. Внешние нагрузки 228
12.5. Материалы 230
12.6. Конструирование МСП 230
Глава 13. Градирни 235
13.1. Классификация градирен 235
13.2. Конструкции башенных градирен 239
13.3. Особые требования к материалам для градирен 241
13.4. Антикоррозионная защита стальных конструкций градирни 245
13.5. Расчет конструкций башенных градирен 246
Глава 14. Лыжные трамплины 251
14.1. Виды, профили и назначение размеров трамплинов 251
14.2. Компоновочные и конструктивные решения трамплинов 254
Литература 263
541

РАЗДЕЛ Ш. ДРУГИЕ ВИДЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И СООРУЖЕНИЙ 265
Глава 15. Предварительно напряженные металлические конструкций 265
15.1. Приемы предварительного напряжения 265
15.2. Стержни, предварительно сжатые затяжками, работающие на растяжение . 272
15.3. Балки и балочные системы 276
15.3.1. Балки, предварительно напряженные с помощью затяжек 276
15.4. Фермы, предварительно напряженные затяжками 285
15.4.1. Конструктивные решения ферм 285
15.4.2. Расчет ферм, предварительно напряженных затяжками 289
15.4.3. Примеры применения предварительно напряженных ферм .... 292
15.5. Предварительно напряженные конструкции прочих видов 294
Глава 16. Комбинированные и трансформируемые конструкции 295
16.1. Объединенные конструкции 295
16.2. Смешанные конструкции 303
16.2.1. Плоскостные смешанные конструкции 304
16.2.2. Пространственные смешанные конструкции 308
16.3. Трансформируемые конструкции 313
Глава 17. Осс^еш^ости проектирования большепролетньхх конструкций 321
17.1. Общие положения 321
17.2. Балочные конструкции больших пролетов 324
17.3. Рамные большепролетные конструкции 327
17.4. Большепролетные арочные системы 332
17.5. Особенности компоновки конструктивных схем каркасов
большепролетных зданий 333
Глава 18. Пешеходные мосты 336
18.1. Общие сведения о пешеходных мостах 336
18.2. Конструкция современных пешеходных мостов 340
18.2.1. Балочные пролетные строения 340
18.2.2. Рамные, арочные, висячие и вантовые системы 349
18.3. Особенности проектирования пешеходных мостов 355
18.3.1. Общие сведения о проектировании пролетных строений 355
18.3.2. Проектирование балочных цельнометаллических
пролетных строений 359
18.3.3. Основы расчета сталежелезобетонных пролетных строений .... 362
18.3.4. Динамический расчет пешеходных мостов 363
Глава 19. Конвейерные галереи 368
19.1. Компоновка и конструктивные решения галерей 368
19.1.1. Конструктивные решения галерей 370
19.1.2. Пролетные строения 370
19.2. Опоры галерей 377
19.3. Расчет конструкций галерей 381
19.3.1. Нагрузки и воздействия 381
19.3.2. Расчет пролетных строений 383
19.3.3. Расчет пролетных строений на динамические нагрузки 392
19.3.4. Расчет опор галерей 397
Глава 20. Открытые крановые эстакады 399
20.1. Общие сведения 399
20.2. Конструктивные решения эстакад 400
20.3. Конструктивные решения колонн 402
20.4. Особенности расчета эстакад общего назначения 408
20.5. Конструктивные схемы надводных крановых эстакад 411
Глава21. Надшахтные копры 414
21 Л. Общие сведения и классификация 414
21.2. Нагрузки и воздействия 416
21.3. Конструирование и расчет 420
21.3.1. Станковые копры 420
21.3.2. Башенные копры 423
21.3.3. Вспомогательные элементы копров 424
542

Глава 22. Гидротехнические конструкции 426
22.1. Характерные особенности гидротехнических конструкций 426
22.1.1. Номенклатура металлоконструкций в гидротехнике 426
2..1,2. Нагрузки и воздействия 427
22.1.3. Условия работы 428
22.2. Затворы гидротехнических сооружений 429
22.2Л. Назначение и видь! гидротехнических затворов 429
22.2.2. Эксплуатационные требования к затворам 430
22.2.3. Основные расчетные положения 432
22.3. Плоские затворы 434
22.3 Л. Модификации плоских затворов 434
22.3.2. Компоновочная схема плоского затвора 436
22.3.3. Расчет обшивки и расстановка стрингеров 439
22.3.4. Подбор сечения стрингеров 440
22.3.5. Расчет и конструирование ригеля 441
22.3.6. Устойчивость элементов ригеля 442
22.3.7. Аэрация транзитной струи 443
22.3.8. Компоновка сечения диафрагм 444
22.3.9. Ферма продольных связей 445
22.3.10. Опорно-ходовые части 446
22.4. Сегментные затворы. 446
22.4.1. Модификации сегментных затворов 446
22.4.2. Компоновочная схема сегментного затвора 447
22.4.3. Расчет главного портала 450
22.4.4. Расчет обшивки, расстановка стрингеров 451
22.4.5. Подбор сечения ригеля 451
22.4.6. Расчет ног главного портала 452
22.4.7. Компоновка и расчет диафрагмы 453
22.5. Шлюзные ворота 455
22.5.1. Типы ворот 455
22.5.2. Расчет элементов створки ригельного типа 456
Литература 459
РАЗДЕЛ IV. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 461
Глава 23. Состав и общие правила оформления чертежей металлических конструкций 461
23.1. Общие правила оформления рабочих чертежей 461
23.2. Изображение элементов конструкций 467
23.3. Состав и оформление технического проекта КМ 471
23.4. Состав и оформление рабочего проекта КМД 474
Глава 24. Технология изготовления металлических конструкций 494
24.1. Общая схема технологического процесса изготовления конструкций. . . 494
24.2. Подготовка металла 495
24.2.1. Правка 495
24.2.2. Очистка и консервация 497
24.3. Изготовление деталей стальных конструкций 498
24.3.1. Механическая резка 498
24.3.2. Термическая резка 499
24.3.3. Образование отверстий 500
24.3.4. Строгание и фрезерование 502
24.3.5. Гибка 504
24.4. Сборка и сварка стальных конструкций 506
24.4.1. Общая характеристика
процесса сборки 506
24.4.2. Сборка сварных двутавров 507
24.4.3. Сборка ступенчатых колонн 508
24.4.4. Сборка плоских решетчатых конструкций 509
24.4.5. Общие требования к процессу сварки 510
24.4.6. Оборудование для сварки конструкций 510
24.4.7. Изготовление рулонных заготовок для листовых конструкций . . . 512
543

24.4.8. Мероприятия по снижению остаточных сварочных деформаций. . . 512
24.5. Отделочные операции для стальных конструкций 515
24.5.1. Образование монтажных отверстий 515
24.5.2. Общая и контрольная сборка конструкций 515
24.5.3. Антикоррозионная защита конструкций 517
24.6. Транспортирование строительных конструкций 518
24.7. Общие сведения о механизации и автоматизации изготовления
конструкций. Основы поточного производства 525
24.8. Оценка технологичности строительных стальных конструкций .... 528
Глава 25. Экономика металлических конструкций 529
25.1.Общие сведения об экономике применения металлических
конструкций в строительстве 529
25.2. Технико-экономические основы вариантного проектирования
металлических конструкций 534
25.2.1.Критерии затрат в размерных величинах 534
25.2.2. Критерии затрат труда в безразмерных величинах 538
Литература 539
Учебное издание
Аржаков Валерий Григорьевич, Бабкин Владимир Ильич, Горев Владимир
Васильевич, Енджневский Лев Васильевич, Зверев Виталий Валентинович,
Казарновский Вадим Соломонович, Крылов Иосиф Иосифович, Кузнецов
Александр Федорович, Митюгов Евгений Александрович, Ольков Яков Иванович,
Панин Анатолий Васильевич, Путилин Виталий Михайлович, Пуховский Аркадий
Борисович, Репин Александр Иванович, Сабуров Валерий Федорович, Сигаев Иван
Петрович, Сидоров Игорь Владимирович, Собакин Александр Александрович.
Филиппов Василий Васильевич, Щеглов Александр Степанович,
Якимец 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. И. Петрова
Компьютерная верстка В. И. Щербак
Я? №010146 от 25.12.96. Изд. №СТР-160. Сдано в набор 09.06.99. Подписано в печать 30.08.99. Формат
60x88 VI6. Бум. офс. № I. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Объем 33,32 усл. леч. л., 33,32 усл. кр.-отт.,
34,39 уч.-изд. л. Тираж 5 ооо. Заказ № 447
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва. ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Набрано на персональных компьютерах издательства.
Отпечатано в ОАО «Оригинал», 101898, Москва, Центр. Хохловский пер., 7.
ISBN 5-06-003698-7
785060 036985