Соколов - Опоры линий передач. Расчет и конструирование (1961)
В монографии рассматриваются общие вопросы проектирования и возведения опор различного назначения (для транспортирования электроэнергии, для связи, радио и телевещания, буровых и геодезических вышек, канатных дорог, радиомаяков, створных знаков и пр.), а также специфические особенности отдельных видов опор.
Большое внимание уделено воздействию метеорологических факторов и усилию от нитей, являющихся для опор доминирующими. Сделана первая попытка унификации приемов определения нагрузок, выбора конструктивных форм и приемов расчета различных опор. Приведены конструктивные решения опор, выполненных из металла и железобетона. Книга рассчитана на инженерно-технических работников, -занятых проектированием опор различного назначения, и может служить пособием для студентов строительных вузов и факультетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Опоры широко применяются во многих отраслях народного хозяйства: для поддержания проводов в линиях, транспортирующих электроэнергию, антенн и оборудования в объектах связи, радио и телевещания; канатов в канатных дорогах; специальных щитов и светильников в створных знаках и маяках; технологического оборудования в ветросиловых установках; устройств в буровых вышках и пр. Общий бурный подъем строительства по семилетнему плану развития народного хозяйства на 1959—1965 гг. вызывает рост строительства специальных сооружений. Проектированию и возведению опорных конструкций для них и их совершенствованию уделяется строителями особое внимание.
Проектированием и возведением опор занимается большое число специализированных организаций, каждая из которых накапливает опыт и создает самостоятельно нормативные материалы. Вместе с тем ряд основных вопросов, возникающих при проектировании и возведении опор, не зависит от их назначения и является общим. В первую очередь это относится к метеорологическим нагрузкам, доминирующим над всеми другими нагрузками, действующими на опоры и зависящими только от географического местоположения, а не от их назначения. Общими являются также вопросы, связанные с работой нитей (часто употребляемых в опорах), выявлением действительного характера работы опоры, выявлением оптимального предварительного натяжения и др.
До настоящего времени в технической литературе, освещающей проектирование различных сооружений, в состав которых входят опоры, последним отводится очень мало места и тем более выбору их оптимальной формы. В настоящей книге восполняется этот пробел, при этом особо выделяются вопросы, не зависящие от назначения опор, чем создается предпосылка к унификации нормативных материалов. Автором сделана попытка объединить общие требования по выбору оптимального решения опор и унифицировать подход к решению этой задачи вне зависимости от назначения опор и наряду с этим отметить все специфические особенности, которые необходимо учитывать при проектировании отдельных видов опор.
ЧАСТЬ I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
§ 1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПОР
Название «Опоры линий передач» в настоящее время объединяет большую группу высотных сооружений, предназначенных для передачи по проводам или без них электроэнергии промышленным, общественным и коммунальным объектам, а также для связи, сигнализации, транспортирования, различных культурных и иных целей. Нет ни одной современной отрасли промышленности, в которой не применялись бы указанные устройства; ими пользуются миллионы людей всего земного шара в повседневной жизни как для взаимного общения, так и повышения своей культуры, их используют в области изучения космического пространства и во многих других научных целях. Затраты материалов и средств на изготовление опор, служащих для поддерживания проводов или аппаратуры, достигают огромных размеров, а протяженность линий передач исчисляется десятками тысяч километров. Например, в течение последних лет на опоры различного назначения расходовалось ежегодно свыше 200 тыс. т стали, т. е. около 15% от общего количества стали, вкладываемой в строительство, и около 100 тыс. м3 бетона и железобетона.
Отличительной особенностью всех высотных сооружений является доминирующее влияние на их напряженное состояние метеорологических факторов — ветровой нагрузки, обледенения, температуры. Особенно сильно сказываются метеорологические факторы на опоры линий электро- и радиопередачи и родственные им конструкции — опоры канатных дорог, ветросиловые установки, различные краны, маяки и створные знаки, рефлекторы и пр.
Если обратиться к истории развития строительных конструкций, то окажется, что область строительства высотных сооружений, к которым относятся опоры, всегда являлась одной из наиболее сложных. Недаром геометрические размеры и, в первую очередь, высота сооружения символизировали могущество человека. Наиболее сложные инженерные проблемы возникали и решались при постройке сооружений, имеющих большую высоту или перекрывающих большие пролеты. Большая обзорность высоких сооружений в наибольшей степени привлекала внимание людей, а следовательно, и архитекторов. Разные эпохи человеческого развития сопровождались строительством различных высотных сооружений, отражающих направленность деятельности людей этой эпохи и свидетельствующие об уровне строительной техники. На рис. 1 приведено наглядное сравнение самых высоких зданий и памятников, воздвигнутых до конца XIX в.
Если расположить приведенные сооружения по векам их постройки, то легко видеть, что на смену тяжелым массивным сооружениям, например древним египетским пирамидам, не требовавшим линейных расчетов, но представлявшим большие физические трудности (имея в виду технические возможности того времени) и сложные задачи в части организации и производства работ, начинают возводиться все более легкие и ажурные конструкции различных соборов, памятников, а также высотные сооружения утилитарного назначения, в которых расчет или эксперимент, обосновывающий прочность сооружения, оказывается необходимым. Достаточно взглянуть на очертания пирамид и шпиля Петропавловского собора в Ленинграде, чтобы увидеть, насколько изменились отношения высоты сооружения к его основанию и насколько убедительной кажется прочность первых и вызывает видимое опасение прочность последнего.
Из этого же рисунка следует и другой вывод — начиная с XVI в. развивается строительство утилитарных сооружений. Строятся здания ратуш, пожарных башен, эстакад для водопроводов, административных и научно- учебных зданий (например, здание адмиралтейства в Ленинграде, Сухарева башня в Москве) и др. В течение этого же периода, и особенно в XIX столетии, в высотных сооружениях камень и кирпич вытесняются чугуном и сталью. Например, в Петербурге из чугуна и железа были построены Триумфальные ворота у Московской заставы (1839—1838 гг.), купол Исаакиевского собора (1818—1858 гг.), купол Казанского собора (1806—1811 гг.), купол Троицко-Измайловского собора (1828— 1835 гг.), шпиль Петропавловского собора (
Бурное развитие техники соответственно повлияло на развитие строительства ряда новых видов сооружений и конструкций во всех областях, в том числе и в области высотных сооружений. Широкая электрификация потребовала транспортирования энергии из мест ее экономичного производства к местам потребления и вызвала постройку сети линий электропередачи. Открытие и развитие радиовещания определило необходимость постройки опор большой высоты с подвешенными антеннами или без них, служащих для передачи или приема. Развитие телевидения потребовало постройки небывало высоких опор для размещения на них специальных антенн. Направленная передача и информация передач вызвали к жизни новую систему так называемой релейной связи. Этот перечень можно было бы продлить и далее. Начало этого века было отмечено постройкой в Париже на Всемирной выставке Эйфелем стальной 300-метровой башни, знаменующей возможности техники в момент наступления XX в. Вскоре быстрый рост заставил современного человека через небольшой промежуток (60 лет) относиться к этому выдающемуся сооружению так, как строители XV в. относились к пирамиде Хеопса. Достаточно сказать, что вес Эйфелевой башни составляет 8 500 т., в то время как вес современной телевизионной башни высотой
Такой скачок в уменьшении веса связан с изменением конструктивных форм, основанным на исследованиях, проведенных в последние десятилетия в области строительного искусства и аэродинамики и, кроме того, с накапливанием опыта эксплуатации большого количества высотных сооружений высотой до
Сказанное относится ко всем видам высотных сооружений. В настоящее время оказалось возможным и экономически целесообразным осуществить переход ЛЭП пролетом
Различные виды опор по признаку взаимного воздействия и связи между собой составляют две группы. Первую группу представляют системы отдельных опор, связанных между собой проводами, канатами или пролетными строениями. К системам относятся опоры линий электропередач, различных проволочных антенн, канатных дорог, включающих анкерные и натяжные станции и промежуточные опоры, опоры нитей рефлекторов, служащих для последних отражающей поверхностью, воспринимающей механические нагрузки, опоры высоких эстакад различного назначения, у которых верхнее строение перераспределяет усилие между отдельными опорами, и др.
Вторую группу представляют отдельно стоящие опоры, не связанные между собой в единую механическую систему. Таких опор может быть и много, но они работают независимо. Опоры первой и второй групп могут быть выполнены как в виде башен, т. е. консолей, заделанных в основания, так и в виде мачт, представляющих стволы, поддерживаемые оттяжками, закрепленными к основаниям.
Мачты более экономичны, нежели башни, но для размещения их необходима большая территория. Как мачтовые, так и башенные опоры в зависимости от конструктивного решения, применяемых материалов, места, установки и долговечности разделяются на следующие группы.
1. По конструктивному решению стволов — на решетчатые и сплошные. Решетчатые опоры в зависимости от формы применяемого сортамента, элементов, формы сооружения могут быть разбиты на две подгруппы: а) из хорошо обтекаемых профилей, выполняемые из трубчатых и сплошных круглых стержней, обладающих наименьшими коэффициентами обтекания, и б) выполняемые из уголков, швеллеров и прочих профилей, имеющих большие коэффициенты обтекания. В зависимости от формы ствола в плане — на треугольные, квадратные, шестиугольные и т. д. Сплошные опоры обычно выполняются круглой формы в плане.
2. В соответствии с применяемым материалом—на стальные, железобетонные, из легких сплавов, комбинированные (с применением стали и железобетона или пластмасс).
3. В зависимости от капитальности и эксплуатационных качеств делятся на три класса:
а) сооружения I класса — удовлетворяющие повышенным требованиям. К ним относятся такие сооружения, как опоры линий передачи напряжением 400—500 кв, переходы через большие водные преграды, сооружения, располагаемые в крупных городах, ветросиловые станции и т. п.;
б) сооружения II класса — удовлетворяющие средним требованиям, т. е. все сооружения, кроме отнесенных к I и III классу;
в) сооружения III класса—удовлетворяющие минимальным требованиям. К ним относятся временные опоры, рассчитанные на короткий срок эксплуатации.
Требования, определяющие класс сооружений, устанавливают в нормах и технических условиях проектирования соответствующих сооружений и технических заданиях. Отнесение отдельных высотных сооружений к тому или иному классу должно производиться в зависимости от народно-хозяйственного значения, размеров и мощности комплексного объекта.
В случае возведения опор в городе, где к ним предъявляются особые архитектурные требования, в классе оговариваются эти требования путем добавления индекса А, например, класс II-А.
4. В зависимости от места установки:
а) рассчитанные на нагрузки соответствующих ветровых районов;
б) в случае гололедного района — рассчитанные на нагрузки, соответствующие району обледенения;
в) в особых случаях — рассчитанные на сейсмические воздействия.
5. В зависимости от перевозимости — на стационарные и сборные.
Наибольшее количество опор выполняется стационарными. Опоры специального типа, нефтяные, буровые вышки и различные метеорологические опоры часто выполняются сборно-разборного типа.
Несмотря на различные назначения и виды опор, а также применяемые в них материалы (выбор которых в некоторых случаях связан с конъюнктурными условиями), основные вопросы, связанные с выбором оптимальной схемы опоры, компоновочного решения, применяемых профилей и т. д., для всех видов опор одинаковы и зависят от необходимости всемерного уменьшения воздействий на них метеорологических факторов. Это является первой специфической особенностью опор.
Второй специфической особенностью опор является широкое применение нитей как в качестве технологических элементов (токопередающих проводов, антенн, отражающих поверхностей), создающих значительные нагрузки на опоры, так и в качестве поддерживающих элементов, которыми являются оттяжки в мачтах, раскосы в башнях и иногда сами технологические элементы.
Многие ведомства еще применяют различные подходы при оценке вышеуказанных воздействий на опоры, однако намечается тенденция к унификации основных положений, связанных с проектированием опор, и в настоящее время ряд ведущих проектных и исследовательских организаций в области высотных сооружений, как-то: Проектстальконструкция, Теплоэлектропроект, ЦНИИСК, ГСПИ Министерства связи, Главная геофизическая обсерватория и другие ведут работы в этом направлении.
Указанные специфические особенности, не зависящие от назначения опор или применяемого в них материала, но требующие унифицировать подходы к назначению основных данных, необходимых при определении нагрузок на опоры, выделены в самостоятельную часть настоящей книги (часть I).
Следует иметь в виду, что если совершенствование конструктивных форм опор зависит от развития теории, улучшения качества существующих и применения новых материалов, правильности выбора форм и размеров сечений, а также компоновочных решений', то экономичность сооружения в равной мере зависит и от правильности оценки метеорологических явлений.
В связи с этим особо важное значение приобретает правильность разбивки географических территорий на ветровые районы и районы гололедности с последующим уточнением профиля ветра в плане и по высоте сооружения, характера динамического воздействия порывов ветра, изменения толщины обледенения и объемного веса отложений льда в зависимости от высоты сооружения.
Проведение таких наблюдений требует значительных сроков и разветвленной сети надлежащим образом оборудованных метеостанций. Законные требования, предъявляемые промышленностью и строительством в части получения надежных данных по метеорологическим воздействиям, должны послужить толчком к расширению их деятельности.
Развитие энергетики, связи, промышленности и электрификация сельского хозяйства приводят к ежегодному увеличению объемов строительства опор различного назначения. Основной характеристикой оптимальности выбранного типа опор является, кроме уменьшения стоимости и затрат материалов, ускорение сроков ввода в действие при полном удовлетворении технологических требований.
Достигнуть указанного эффекта позволяют следующие мероприятия. 1. Уточнение метеорологических воздействий путем:
а) расширения сети метеослужб и периодического уточнения карт ветрового и гололедного районирования;
б) уточнения влияния микрорельефов;
в) проведения наблюдений над работой сооружения в естественных условиях с целью выявления их действительного характера работы;
г) сбора и анализа в едином центре случаев аварий опор.
2. Уменьшение метеорологических воздействий за счет:
а) применение хорошо обтекаемых профилей;
б) улучшения аэродинамических характеристик опор и оборудования, для чего необходимо ввести в практику проектирования проведение опытов в аэродинамических трубах по определению действительных коэффициентов обтекания над различными формами опор и оборудования;
в) уменьшения нагрузок от обледенения и ветра путем надлежащего выбора трассы, обеспечивающей минимальные метеорологические воздействия;
г) уменьшения обледенения посредством электропрогрева, специальных защитных покрытий и др.
3. Увеличение скорости возведения опор путем уменьшения веса и применения высокопрочных легких материалов, позволяющих улучшить условия транспортирования.
Особенное значение имеет облегчение опор при постановке их на труднодоступных трассах, где для транспортирования и монтажа эффективно использование вертолетов.
В случае применения металла особого внимания заслуживает использование высокопрочных сталей, легких сплавов, тонкостенных профилей и высокопрочных болтов. В железобетонных опорах необходимо преимущественное применение предварительного напряжения и высоких марок бетона.
4. Унификация решений опор, фундаментов, отдельных деталей конструкций.
5. Улучшение технологичности изготовления и, особенно, производства монтажа.
6. Улучшение качества покрытия поверхностей, обеспечивающее долговечность работы сооружения.
7. Комплексное использование опор; например, в сельскохозяйственных районах надлежит использовать их одновременно для водонапорных устройств, ветросиловых станций и приемно-передающих антенн; в городских районах использовать дымовые трубы для поддержания водонапорных баков и т. п.
8. Достижение возможности модернизации опор при эксплуатации наиболее простыми способами, что особенно важно при условии быстро изменяющегося технологического процесса.
Как общее правило, наибольший технико-экономический эффект приносит одновременное проведение всех перечисленных мероприятий. Однако в определенных условиях какое- либо одно из них может оказаться решающим, поэтому именно его и следует проводить в первую очередь.
...