книги / Основы проектирования антенных конструкций

шение коэффициента лобового сопротивления всей кон­ струкции:

с= *CxkSk

хS ’

где 5 — проекция площади конструкции по наружным обводам на плоскость, перпендикулярную направлению ветра:

Согласно современной теории, называемой часто гид­ родинамической, сопротивление тела движущейся жид­ кости (воздуха) определяется разностью давлений и обусловленных вязкостью жидкости касательных напря­ жений, взятых по всей поверхности тела. Преимущест­ венное значение имеют процессы, происходящие позади тела, поэтому форма кормы (задней по потоку части) играет большую роль в сопротивлении. При равной пло­ щади проекции тел на плоскость, нормальную к скоро­ сти потока (миделевое сечение, теневая площадь), ве­ личина сопротивлений их в основном зависит от разме­ ров области разрежения в тыльной части тела. С удли­ нением тела по потоку его лобовое сопротивление умень­ шается.

Аэродинамические коэффициенты сх, су и другие справедливы при соблюдении даже в деталях геометри­ ческого подобия, механического — равенства чисел Рей­ нольдса, шероховатости тела и подстилающей поверх­ ности впереди модели. Последнее определяет профиль скорости. Расположенные вблизи другие конструкции должны входить в исследуемый ансамбль, в противном случае это может привести к большим ошибкам. Ориен­ тация тела в потоке сильно влияет на его сопротивление.

Для сщлошностенчатых конструкций, трубчатых мачт, башен, отражателей или обтекателей антенн оперируют одним коэффициентом лобового сопротивления для при­ нятой формы и размеров, полученным из опыта, по лите­ ратурным данным для подобных, а лучше тождествен­ ных, сооружений.

Коэффициент лобового сопротивления с.х стержней с острыми краями (кантами), например, угольников, швел­ леров, двутавров и других профилей, считают независя­ щим от числа Рейнольдса и равным 1,4 в расчете ре­ шетчатых конструкций (согласно СНиП).

Для крупнопанельных конструкций или с коэффици­ ентом заполнения <р—'2,shfS менее 0,2 принимают с*=1,6.

Ветровая нагрузка на антенные сооружения снижает­

41

ся внедрением в решетчатые конструкции труб и круг­ лых стержней, обладающих наименьшим коэффициентом сопротивления (давления) из всех профилей, применяе­ мых в строительстве. При выборе диаметра цилиндра используют явление кризиса обтекания в определенной — критической — области чисел Рейнольдса, когда сх уменьшается с 1,2 до 0,3 у гладкого (рис. 2.2). Это сни­

жает нагрузку. Малое значение сх цилиндра не удается использовать, так как промышленного изготовления трубы имеют шероховатую поверхность, повышающую после кризиса коэффициент сх до 0,5-1-0,7 (рис. 2.3).

Ветровая нагрузка на стальную трубу диаметром 150 м с учетом ее шероховатости будет в 2 раза меньше ветровой нагрузки на равновеликий ей по теневой пло­ щади равнобокий угольник (150X150 мм2, так как их ко­ эффициенты сх соответственно за кризисом 0,7 и 1,4. Гибкость трубчатого стержня (отношение его длины к радиусу инерции сечения) примерно в 2 раза меньше, чем гибкость угольника, т. е. в трубе полнее использует­ ся материал. Все это существенно снижает вес трубча­ тых конструкций.

42

Исследования тел и аэродинамической теми других тел, т. е. расположенных позади по потоку, подтвердили увеличение нагрузки с ростом расстояния между ними. Схема решетки мачты или башни, типы соединений и

Рис. 2.3. Коэффициенты лобового сопротивления круглых цилиндров различной относительной шероховатости kjd в зависимости от числа Рейнольдса

количество стержней в узле мало влияют на величину коэффициента лобового сопротивления. Наименьшее со­ противление ветру оказывают цельносварные конструк­ ции из труб и круглой стали с соединениями стержней поясов и решетки встык и без фасонок.

Сокращения количества стержней на единицу длины решетчатых конструкций, чего добиваются применением трехгранных стволов, увеличением размеров панелей до предельных, диктуемых нормами допустимой гибкости, условиями доставки на площадку строительства и эконо­ мическими соображениями, понижают ветровую на­ грузку.

Результативность исследований видна по техничес­ ким показателям трехгранной трубчатой мачты высотой 152 м: вес ствола — 24,3 т (35,2), вес оттяжек — 1,5 т (2,3), вес механических деталей 0,8 т (1,2), число яру­ сов оттяжек 2 (3), количество железнодорожных плат­ форм для перевозки — 4-^5 (20). Цифры в скобках от­ носятся в трехгранной мачте из труб высотой 150 м, у которой сторона треугольника 2200 мм вместо 1350 мм в улучшенной конструкции. Количество элементов (стерж­ ней) в стволе нового типа мачты в 3,5 раза меньше, чем у мачты прежней конструкции, что достигнуто примене­ нием раскосной решетки из труб и исключением узловых фасонок.

43

Трехгранная мачта-антенна АРРТ высотой 257 м со стороной ствола 1350 мм на 25% легче такого же типа мачты со стороной 2200 мм.

За рубежом применяют в мачтах также круглую сталь высокой прочности (диаметром до 200 мм), более стойкую к атмосферной коррозии.

Для мощной средневолновой радиостанции были раз­ работаны оригинальные трехгранные решетчатые баш­ ни-антенны высотой .150 и 200 м (3]. Наряду с примене­ нием в них стальных труб для поясов и распорок и пе­ реходом к большим размерам панелей ствола, были внедрены гибкие, предварительно напряженные раскосы из круглой стали. Вес таких башен примерно в 2,5 раза меньше веса конструкций из угольников. Значительное снижение ветровой нагрузки и, как следствие, уменьше­ ние веса и опорных реакций позволило также решить технически трудный вопрос электрической изоляции баш­ ни от фундамента, для которой были нужны опорные изоляторы высотой по керамике 700 мм.

Идеи, заложенные в разработку башен-антенн, ис­ пользованы в опорах высотой до 125 м для подвески се­ тей или установки жестких вибраторов коротковолно­ вых антенн, а в дальнейшем — в башнях телевизионных центров и ретрансляторов, число которых много сотен. Вес таких конструкций меньше веса башен из угольни­ ков, швеллеров. Эффект внедрения стальных труб в мачты и башни снижается с ростом доли ветровой на­ грузки на оборудование (антенны, различные коммуни­ кации, технические помещения на опоре, лифты и др.) в общей нагрузке на сооружение.

Для нового Ленинградского телевизионного центра была возведена шестигранная решетчатая башня высо­ той 316 м [3]. Вес башни >1043 т. достигнут применением труб, сокращением количества элементов на единицу высоты, предварительным напряжением элементов ре­ шетки, соединениями стержней сваркой и без узловых фасонок. Применение стали повышенной прочности так­ же способствовало снижению ветровой нагрузки.

Внедрение труб, круглой стали, гибких предваритель­ но напряженных раскосов, переход к трехгранным мач­ там и к крупнопанельным конструкциям — все это на­ правлено на снижение ветровой нагрузки, позволяет уменьшать вес современных радиомачт и башен в 2-^2,5

44

раза по сравнению с ранее применявшимися конструк­ циями из угольников, швеллеров и т. п.

Положительный результат привлечения аэродинами­ ки к расчету антенных сооружений виден на следующем примере. Давление ветра на круглые цилиндры, накло­ ненные под углом атаки а к направлению потока (угол в вертикальной плоскости) или углом скольжения р (угол в горизонтальной плоскости), по опытным данным пропорционально квадрату синуса, а не первой степени синуса этих углов, что значительно снижает ветровую нагрузку. При учете этого расчетная ветровая нагрузка на оттяжки мачт меньше на 20-f-40%, большие значе­ ния относятся к канатам со многими врубленными в них изоляторами, например, в мачтах-антеннах типа АРРТ. Большой эффект получается в расчете сетей и мачт ан­ тенн дв и сдв.

Коэффициент лобового сопротивления шероховатых цилиндров растет в закризисной области, т. е. при боль­ ших скоростях ветра (см. рис. 2.3). Шероховатость по­ верхности бетонной башни, ее окна и балконы сущест­ венно увеличивают ветровую нагрузку, чем иногда не­ обоснованно пренебрегают в расчетах. Шероховатость бетонной поверхности со временем увеличивается, если не приняты особые защитные меры.

Ветровая нагрузка на трубчатые стволы мачт, обте­ катели и экраны телевизионных антенн, технические по­ мещения на опорах радиорелейных линий или телецент­ ров значительно повышается, если снаружи их располо­ жены по образующей ребра жесткости, волноводы, элек­ трические кабели и другие детали.

При обтекании конструкций, несимметричных относи­ тельно потока или расположенных под углом, полная аэродинамическая сила может быть существенно больше лобового сопротивления, определением которого часто ограничиваются.

Пластинка, наклоненная под углом а к потоку, испы­ тывает давление и поперек потока. При отношении сто­ рон плоской пластинки 1 :1 и угле атаки а=38° полное сопротивление cR пропорционально >1,46 сх (по другим данным 1,6 сх), при отношении ее сторон 1 :3 максимум, равный 1,23 сх, наступает при а=45° (рис. 2.4). Величи­ на коэффициента сх пластинки принята при угле атаки 90° (поперек потока). Учет подъемной силы необходим при определении нагрузки на плоские и параболические

46

сплоШностбнчатые отражатели. С уменьшением угла ата­ ки до 104-15° равнодействующая сила перемещается почти к передней кромке пластинки, появляется аэродииамический момент, вызывающий дополнительное откло­ нение луча антенны.

Рис. 2.4. Коэффициент полного сопротивления пластинок различного удлинения под углом к потоку

Трехгранные решетчатые конструкции рассчитывают также при действии ветра и по направлению одной из граней. При такой ориентации ствола появляется попе­ речная к ветру сила Р, сравнимая по величине с лобо­ вым сопротивление Q (рис. 2.5). Наибольшее значение Су будет при угле скольжения р « 4 0 о. При несимметрич­ ном расположении четырехгранного решетчатого ствола (относительно скорости потока (при углах к грани 204- •4-30°) появляется подъемная сила, но она около 10% ло- «бовогр сопротивления. Ствол мачты или башни при ко­ сом ветре оказывается в условии пространственного из­ гиба, а не плоского, как принимают в традиционных рас­ четах. Результирующие напряжения в поясах становят­ ся значительно больше (на 40% у трехгранных конструк­ ций мачт).

46

Для решетчатых конструкций с горизонтальными сплошными настилами или площадками ветер под углом 10° к горизонту, а в черте города —20° становится рас­ четным, появляется дополнительный опрокидывающий момент. Для снижения нагрузки применяются сквозные настилы.

та заполнения грани ф

Специальное «зализывание» в аэродинамическом смысле строительных конструкций чаще всего нецелесо­ образно. Исключение, например,— хорошо обтекаемый полый диск (по форме в виде метательного) диаметром 30 м, установленный на верху мачты-антенны. Такой диск, вместо решетчатого, незначительно повышая вет­ ровую нагрузку на ствол мачты, увеличивает ее электри­ ческую высоту примерно ,иа два диаметра диска. Заклю­ чение антенны свч в трубу, в шаровую или другую сферу из радиопрозрачного материала является также приме­ ром применения обтекателей. Телевизионные антедиы IV

47

и V диапазонов часто размещают внутри несущей на­ грузку трубы из стеклопластика или окружают их труб­ чатыми экранами. Их можно рассматривать как обтека­ тели.

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ

Р а с ч е т н и т е й . Нитевидными кон­ струкциями являются системы, состоящие из проволок, проводов и стальных канатов, принимаемых абсолютно гибкими. Особенность их — в нелинейной зависимости на­ пряжения материала и перемещений от поперечной на­ грузки. В антенных устройствах стрела провеса нитей обычно не более 0,1 длины пролета (хорды). Это позво­ ляет цепную линию аппроксимировать квадратной пара­ болой, что упрощает вычисления. Более точный расчет стрелы необходим при очень больших пролетах (более 500 м) или при определении габаритов приближения проводов под высоким потенциалом.

Основная зависимость, связывающая исходное (мон­ тажное) состояние гибкой упругой нити '(струны) с ис­ следуемым при действии на нее равномерно распреде­ ленной по пролету нагрузки, может быть представлена кубическим уравнением:

где

а — напряжение материала нити, кГ/мм2;

р— приведенная погонная нагрузка, кГ/м-мм2, т. е. от­ несенная к единице площади сечения нити;

/—длина пролета нити, м;

Е — модуль упругости, кГ/мм2;

а — коэффициент линейного температурного удлинения нити; / — температура нити, °С;

Л/ — изменение длины пролета, м.

В величине Д/ учитывается приращение длины проле­ та вследствие изменения температуры и силовых воздей­ ствий на поддерживающую конструкцию (деформация ствола мачты, перемещение точек подвеса нити под на­ грузкой) .

В ур-нии (2.13) параметры исследуемого состояния нити записаны без индекса, исходного — с индексом 0.

48

За исходное принимается состояние нити при гололедной нагрузке с ветром или при нагрузке, вызывающей наи­ большее напряжение материала. Это может быть и при низкой отрицательной температуре. Выбрав коэффициент запаса нити (обычно 2 — для многопроволочной и 3 — для однопроволочной по отношению к разрывному уси­ лию), становится ясным исходное (монтажное) напря­ жение ее.

В расчете биметаллических проводов оперируют при­ веденными параметрами.

При неизменной длине пролета нити, подставляя А вместо рФЕ. , получаем при записи правой части ур-ния

Величина ,р учитывает нагрузки от веса нити, изоля­ торов, гололеда и ветра.

Действительный запас прочности упругой нити при увеличении погонной поперечной нагрузки в к. раз (вес нити неизменен) больше значения к. Разница тем замет­ нее, чем больше доля собственного веса, включая изоля­ торы, в общей нагрузке. В этом кроется дополнительный запас прочности нити.

С позиции вибростойкости интересна величина сред­ него эксплуатационного напряжения нити, потому что длительная (усталостная) прочность проводов из цвет­ ного металла и биметаллических равна приблизительно 0,25 предела прочности. При жесткой подвеске проводов это часто выполняется. Провода с высоким напряжением (близким к допускаемому), поддерживаемым противо­ весом или специальной лебедкой, находятся в худших условиях, чем жестко закрепленные на опорах, у которых среднее напряжение материала меньше. Виброгасители позволяют не снижать расчетное (допускаемое, предель­ ное) напряжение, в противном случае увеличивается стрела провеса и, следовательно, высота опор.

Расчет антенн из многих проводов, лееров, вибрато­ ров и снижений сложен. Трудности заключаются в от­ сутствии явных зависимостей для перехода из одного со­ стояния в другое. Для решения такой задачи распреде­ ленные и сосредоточенные вдоль пролета нити нагрузки (подвески, изоляторы) заменяются эквивалентной по из­ гибающему моменту равномерно распределенной нагруз­

49

кой. После, пользуясь ур-нием (2.13), определяют напря­ жение и стрелу провеса нити в искомых условиях. Рас­ считанные таким путем сотни синфазных горизонталь­ ных антенн и другие успешно эксплуатируются десятки лет. Эквивалентной нагрузкой пользуются в расчетах от­ тяжек мачт, когда учитываются изоляторы. Для точного

зованной п канатами одного яруса, сходящимися в узле («рис. 2.6). Для этого используют п ур-ний „(2.13) и два урав!нения равновесия узла .на плоскости.

За температуру при монтаже t0 принимают среднюю годовую температуру местности.

После преобразований системы уравнений напряже­ ние наиболее нагруженной, т. е. наветренной, оттяжки /:

<р — угол в плане между направлением ветра и оттяж­ кой 1 (наветренной).

Напряжение oi вычисляют методом последователь­ ных приближений. Перемещение опоры принимают сов­ падающим с направлением нагрузки, хотя это справед­ ливо только при симметричной относительно расположе­ ния оттяжек нагрузке (вдоль и по биссектрисе).

53