книги / Основы проектирования антенных конструкций

близким к нулю. В результате жесткость опоры поперек ветровой нагрузки падает до такой величины, при кото­ рой наступает потеря устойчивости мачты.

В исследованиях устойчивости мачты пользуются од­ нородными ур-ииями (2.20) и (2.21), т. е. без свободных членов. Наименьшее значение коэффициента А,. на кото­ рый умножают продольные силы, чтобы детерминант Д=0, является запасом устойчивости. Коэффициенты п и b приводят в соответствии с увеличенными в А, раз про­ дольными силами.

В действительности повышение в А оаз всех продоль­ ных сил по пролетам не может произойти, так как един­ ственная причина — ветер увеличивает только состав­ ляющую, обусловленную ветровой нагрузкой, я состав­ ляющие от веса конструкций и поедварительного напояжения оттяжек не изменяются. При определении запаса устойчивости умножают на коэффициент А. только ту часть продольных сил, которая зависит от ветоа. Для уточнения расчета постоянную составляющую от веса и напряжения гг0 в каждом ярусе увеличивают на 10%. чем учитывают неточности в их определении.

П р и расчете мачты по предельным состояниям вводят коэффициенты пеоегрузки, принимают во внимание ди­ намическое воздействие пульсаций скорости ветпа. По­ этому не имеет смысла предполагать еще и дпугнр. по­ вышающие величину продольных сил факторы. Исклю­ чение — легкие решетчатые мачты при большом обледе­ нении.

Потеря устойчивости мачты может произойти скорее от недостаточной жесткости опор, вследствие неточности измерения предварительного напряжения канатов и вы­ тяжки их во время эксплуатации. Коэффициент жестко­ сти v может оказаться меньше принятого в расчете из-за несоответствия модуля упругости проектному. Напри­ мер, при скатывании в бухту вытянутого на стенде кана­ та эффект вытяжки почти пропадает, поэтому значение Е оказывается ниже ожидаемого.

Проверка около 300 отрезков каната двойной свивки (длина 26-Г-345 м! показала на разброс величины Е от 1,1 до 1.7-104 кГ/мм2. В расчетах его принимают 1.5*104 кГ/мм2. Обследования 200 оттяжек мачт высотой

61

Важность такого исследования видна на примере мачты высотой 257 м с четырьмя ярусами оттяжек, рас­ пространенной в радиовещании на средних волнах. Все канаты диаметром 42 мм, угол наклона их с горизонтом 60°, предварительное напряжение по ярусам, начиная снизу, в т/см2: 1,48; il,65; 1,82; 2,05, как видно, оно не ма­ лое; изгибиая жесткость ствола 2,62• 105 т*м2. Ветровая нагрузка — второй район по СНиП. Результаты расче­ та мачты на ЭВМ представлены в виде эпюр изгибаю­ щих моментов и перемещений опор (рис. 2.9). Учет про-

Рис. 2.9. Схема мачты и эпюры моментов и переме­ щений при косом изгибе

странственного изгиба ствола привел к повышению напряжений в верхних пролетах в 2,2 раза — с 690 до 1530 кГ/см2, в нижних — с 1230 до 1590 кГ/см2. Опорные моменты повысились на третьей опоре в 6,5 раза, на вто­ рой — в 1,33 раз, на первой (нижней) — в 1,14. Анало­ гичная картина наблюдается и у других (более 20) мачт, обследованных с помощью ЭВМ |jl5].

Эпюра моментов и перемещений той же мачты при косом ветре (р=30°) показывает существенное влияние учета нагрузки Р (рис. 2.10).

63

Рис. 2.10. Схемы мачты и эпюры моментов и пере­ мещений при косом ветре

стержня на упругих опорах

Для лучшего выяснения общей устойчивости мачты рассмотрим промежуточную опору (рис. 2.11). Условие ее устойчивости при N /l= S:

где Sk и Sk+i — продольные (следящие) силы на едини­ цу длины пролета ниже и выше опоры; k, у — горизон­ тальное перемещение опоры, т уст — коэффициент усло­ вия работы при расчете устойчивости; — наименьшая по направлению в плане жесткость опоры.

'Упрощая неравенство (2.22), получаем

■Sfe + Sk+1

</ПусТ. (2.23)

Коэффициент /Пуст принимают не более 0,5. При не­ линейной зависимости перемещения опоры от силы поте­ ря устойчивости мачты не произойдет, если до этого на­ пряжение ствола при учете пространственного изгиба не превысит предельного (расчетного) сопротивления ма- ♦териала. Это позволяет не увеличивать сечение оттяжек и, следовательно, не утяжелять мачту.

Запас устойчивости мачты как неразрезиого стержня выше минимального по пролетам, найденного по ф-ле (2.23). Влияние ствола растет с увеличением его доли отпорности:

ЧЬ + Ш в Т

в суммарной жесткости ствола и упругой опоры k. Здесь EJ — средняя изгибная жесткость ствола смеж­

ных пролетов k и £+1.

Наибольшее по пролетам значение левой части нера­ венства (2.23) — мера неустойчивости мачты, обратная величина — коэффициент запаса устойчивости. Увели­ чение жесткости одной из опор мало влияет на повыше­ ние общей устойчивости многопролетной мачты.

Запас устойчивости мачты молено определить при­ ближенно, рассматривая ее как шарнирную цепь. Коэф­ фициент запаса А,, на который умножают погонные си­ лы S, найдется как наименьший корень уравнения опре­ делителя Д=0, составленного из коэффициентов при не­ известных в уравнениях вида:

St U ^ - ( S k + S4+1~ V*) у„ + St+, yk+l = 0. (2.24)

65

следующие требования: малый вес, небольшие размеры в разобранном для транспортировки виде, удобство и быстрота сборки. Предпочтение отдается металлическим конструкциям центрального фундамента и якорей для оттяжек, устанавливаемых к тому же без трудоемких земляных работ. Часто применяют винтовые или весовые якоря или сваи, забиваемые вибропогружателями. Иног­ да ствол монтируется на автомашине или специальном: прицепе. Распространены также выдвижные (по секцийям) и телескопические мачтйк

Необходимость снижения веса ствола, казалось бы, предопределяет применение алюминиевых или титановых сплавов. Однако это не всегда лучше. Например, гибкие алюминиевые стержни выдерживают меньшую нагрузку при сжатии, расчетные (допускаемые) напряжения алю­ миниевых сплавов в полтора-два раза ниже, чем у ма­ лоуглеродистой стали. В решетчатых конструкциях ство­ лов мачт оправданы стержни гибкостью 404-50, что, приводя к частой решетке, увеличивает ветровую нагруз­ ку. Тонкостенные и сложные профили стержней не ре­ комендуются, потому что они легче деформируются при перевозках, а восстановление первоначальной формы по­ перечного сечения затруднительно. Целесообразнее тру­ бы из алюминиевого сплава или низколегированной ста­ ли. Преимущество стальных стержней перед алюминие­ выми — более простая технология сварки, облегчающая ремонт конструкции в полевых условиях.

Для оттяжек мачты применяются канаты из высоко­ прочной стальной оцинкованной проволоки. Они вместе с деталями креплений весят меньше оттяжек из натураль­ ного или искусственного волокна, включая их концевую

арматуру.

Ветровую нагрузку на мачты принимают с меньшей обеспеченностью, чем для стационарных. Часто доста­ точна расчетная скорость ветра при штормах (9 баллов по международной шкале Бофорта), т. е. 22,6 м/с. Рас­ четный ветер повышают, если заранее известны районы установки мачты. Гололед с ветром становится расчет­ ной нагрузкой для мачты с сетью. Обычно ограничивают­

67

ся расчетной толщиной стенки льда 10 мм и скоростью ветра при гололеде 12 м/с, а в районах с сильными вет­ рами — '15 м/с. Изменение температуры воздуха замет­ но сказываются, когда температурные коэффициенты ствола и оттяжек значительно отличаются. Например, ствол — из алюминиевого сплава, оттяжки — стальные канаты или из растительного или искусственного волок­ на. Влияние температуры воздуха уменьшают сезонным регулированием натяжения оттяжек мачты. Набухающие от атмосферных осадков оттяжки могут привести к об­ рушению легкой мачты.

Стволы мачт составляют из секций, стыкуемых не­ сложными деталями. Податливость таких соединений, зависящая от их конструкции и состояния, неопределен­ ная, поэтому мачту рассчитывают как систему из шар­ нирно сочлененных сжато-изогнутых однопролетных стержней. Учитываются эксцентриситет крепления оття­ жек к стволу и влияние сжимающей продольной силы на величину изгибающих моментов. Гибкость пролетов ствола часто допускают 200 и более.

Оттяжки, мачты рассчитывают приближенно на сум­ марное усилие от предварительного напряжения оо ка­ натов и узловой горизонтальной нагрузки, приходящей­ ся на оттяжку. В зависимости от высоты мачты величи­ ну ао выбирают от 3 до 10 кГ/м2.

Коэффициент жесткости промежуточной опоры, обра­ зованной оттяжками мачты, принимают не менее

где у. — коэффициент, равный 0,8 при четырех оттяжках в плане и 0,6 — при трех; Е — модуль упругости каната, кГ/мм2; F — площадь поперечного сечения каната, мм2; (3 — угол оттяжки с горизонтом; / — длина хорды от­ тяжки, мм.

Модуль упругости стального каната двойной свивки (троса) после предварительной вытяжки считают К) 000 кГ/мм2, если в оттяжку врублены изоляторы — 8000 кГ/мм2.

Выяснение коэффициента запаса устойчивости лег­ кой мачты необходимо, потому что оттяжки, рассчитан­ ные по прочности, часто не обеспечивают устойчивость ■ствола. Этот коэффициент находят по ф-ле (2.25), он

.должен быть не менее .1,5.

,68

Р а с ч е т б а ш ем. В радиостроительстве распростра­ нены четырехгранные решетчатые стальные башни из угольников, круглых стержней, сварных профилей завод­ ского изготовления, а высокие — преимущественно с по­ ясами из труб. Трехгранные башни легче, но способ­ ность их противостоять кручению меньше, чем четырех­ гранных. Чаще применяется раскосная решетка из жест­ ких или предварительно напряженных гибких стержней, в нижней части — полураскосная и шпренгельная. Для уменьшения ветровой нагрузки на высокие башни целе­ сообразны гибкие (гибкость более >150) раскосы — тя­ жи (крестовая решетка). Предварительное напряжение (до 0,6 расчетного) устраняет зазоры в болтовых соеди­ нениях, выпрямляет раскосы, чем повышается жесткость башни при изгибе и кручении.

Безраскосные конструкции редки. Сплошностенчатые башни из стального листа, усиленного кольцевыми и вер­ тикальными ребрами жесткости, используемые для уста­ новки телевизионных антенн, единичны.

Железобетонные башни имеют ограниченное распро­ странение в нашей стране. Их используют в качестве опор на узловых станциях радиорелейных линий. Баш­ ни в виде цилиндрической или слегка конической трубы рассчитывают, пользуясь правилами проектирования ды­

мовых труб.

Безраскосные и раскосные железобетонные башни

исключение.

При расчете решетчатой башни ее расчленяют на плоские фермы, суммарную ветровую нагрузку распреде­ ляют поровну между наветренными и подветренными гранями, хотя она отличается на 20-7-40%. Пространст­ венный характер конструкции учитывают только в рас­ ширяющейся нижней части башни. Массивные фунда­ менты принимают несмещаемыми по сравнению с более податливым опорным узлом башни. Общую горизонталь­ ную реакцию распределять поровну между ними. Радио­ релейные линии прямой видимости и тропосферной свя­ зи, телевизионные центры вызвали к жизни конструкции с заданной жесткостью, что потребовало принимать во внимание и упругие перемещения фундаментов при дей­ ствии ветра.

Башни с наклонными поясами рассчитывают совмест­ но с фундаментами, учитывая силы распора, а при боль­ ших размерах основания — и температурные усилия.

69

Для оптимального решения фундаментов в радио- •стрбительстве могут быть два пути: массивные или свай­ ные, сборные или с малым объемом бетонирования для замоноличивания. На площадке строительства радио­ станции организуется растворный' узел, поэтому массив­ ные фундаменты предпочтительнее. Если станция радио­ релейной линии расположена вдали от заводов товарно­ го бетона, то упрощение фундаментов (применение подножников) при одновременном усилении ствола оказы­ вается более экономичным решением.

При действии горизонтальной силы сжатый фунда­ мент менее податлив, чем растянутый, что объясняется более высоким значением модуля деформации грунта под сжатым по сравнению с модулем под растянутым. При разнице, например в два раза, общая горизонталь­ ная реакция распределяется между сжатым и растяну­ тым фундаментами в отношении 2:1. Это требует уве­ личения сечения опорных раскосов ствола. В действи­ тельности, оно может не потребоваться, потому что мощ­ ный опорный башмак или фланец, пояс, подкрепленный в двух плоскостях раскосами, не позволяют рассматри­ вать такое узловое соединение идеальным шарниром. При учете защемления стержней в опорном узле, рас­ четную (приведенную) длину их понижают, умножая геометрическую длину на коэффициент 0,7.

В расчете высоких башен учитывают моменты от ве­ са в деформированном стволе. Прогиб башни для антенн укв и свч определяют с учетом влияния поперечных сил (деформация решетки), неравномерного нагрева ствола солнцем (расчетная разница температуры оболочки до 35°С, сквозной конструкции — 10°С) и упругой осадки фундаментов.

Предельное состояние по прочности трех- и четырех­ гранных решетчатых башен наступает при достижении расчетного напряжения в сжатом поясе, а башни с чис­ лом граней более четырех — позднее, потому что недо­ груженные пояса препятствуют развитию больших де­ формаций в наиболее напряженном.

Радиобашня — преимущественно изогнутый стер­ жень, поэтому исследование общей устойчивости не имеет смысла, так как продольная сила может увеличи­ ваться только от обледенения, нагрузка от которого вме­ сте с весом башни мала по сравнению с Эйлеровой кри­ тической силой. Раньше наступает потеря устойчивости

70