книги / Основы проектирования антенных конструкций

одного из поясов башни, а не общая. Это подтверждает­ ся многолетней эксплуатацией высоких башен.

Сплошностенчатые стальные башни и мачты проверя­ ют на местную потерю устойчивости. Здесь важно пра­ вильно оценить вмятины листов, существенно понижаю­ щие устойчивость оболочки. Соединения на заклепках и болтах повышают местную устойчивость оболочки.

Проектное положение башни при опрокидывании или сдвиге обеспечивается фундаментами. При действии вет­ ра по диагонали четырехгранной башни, а такая схема •является часто расчетной для поясов, опрокидыванию противодействуют три растянутые фундамента, а не один. Это позволяет снижать объем бетона или размеры подножников. Такое явление будет происходить и у ба­ шен с числом граней более четырех. Пояса рассчитыва­ ют для восприятия повышенной нагрузки.

Р а с ч е т ф у н д а м е н т о в . В радиостроительстве применяют разнообразные фундаменты: железобетонные плиты, анкеры в виде подпорной стенки, щироколопастные стальные винтовые сваи, завинчиваемые самоходны­ ми механизмами, гладкие забивные железобетонные сваи, массивные бетонные конструкции, фундаменты в виде колонны на плите, стальные подножники, различ­ ные сваи, вмораживаемые в вечномерзлый грунт и др.

Центральный фундамент мачты рассчитывают по де­ формациям. Более жесткие требования предъявляются к фундаменту с опорным изолятором, когда важно не до­

пускать его перекоса (крена).

Оптимальный вариант фундаментов башни выбирает­ ся из совместного рассмотрения с наземными конструк­

циями.

Анкерные фундаменты — якоря — с использованием в их работе пассивного сопротивления (отпора) грунта проверяют на сдвиг с учетом разрыхления его перед пе­ редней стенкой. Это делают для недопущения ослабле­ ния оттяжек мачты, если они без натяжных приспособ­ лений.

Деформации, связанные с неравномерной медленно нарастающей осадкой фундаментов, что будет в начале эксплуатации или при подземных выработках, компенси­ руют введением в конструкцию наземной части юстировочных устройств. Оставлять ненарушенной полезную горную породу под сооружением неэкономично.

71

3

антенн

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ

Пнадежности любого устройства имеет огромное значение для народного хо­о с т а н о в к а в о п р о с а . Проблема

зяйства страны. Надежность антенных сооружений по прочности должна быть выше, чем по деформативности, но это не значит, что стоимость их всегда определяется требованиями прочности.

Во многих отраслях промышленности и особенно в радиоэлектронных устройствах разработаны количест­ венные оценки надежности оборудования, аппаратуры, базирующиеся на общей теории надежности и, что осо­ бенно важно, подкрепленные достаточными статистиче­ скими данными об их работе, авариях, отказах. Положе­ ние со строительными конструкциями иное, поскольку систематические сведения об их эксплуатации незначи­ тельны по объему, случайны по целям и задачам, кото­ рые ставились исследователями, больше интересовавши­ мися установлением соответствия действительной рабо­ ты принятой схематизации в расчете (16 и 17].

Натурные наблюдения за антенными устройствами единичны, хотя важность их несомненна.

Вопросы надежности конструкций неотделимы от на­ значения и степени ответственности передаваемой ин­ формации при тесной связи с вопросами экономики. При выяснении надежности антенны, радиотехнические ха­ рактеристики которой существенно зависят от ее деформативности при внешних воздействиях, разрабатываются варианты с различной обеспеченностью, а затем опреде­ ляется их стоимость [7].

Малое число обрушений антенн и вообще строитель­ ных конструкций не позволяет создать обоснованную

и

статистическими данными теорию их надежности. В на­ стоящее время могут быть сделаны лишь качественные оценки. Выявление уязвимых мест, деталей, узлов, кон­ центраторов напряжений и улучшение конструкций по­ вышает надежность антенны. Существенную помощь оказывает анализ разрушений, зафиксированных беспри­

страстными актами и с четко установленными причи­ нами.

Общие положения теории надежности позволили вы­ явить ряд закономерностей, позволяющих более квали­ фицированно проводить качественные оценки надежно­ сти, например, мачт-антенн. Подавляющее большинство повреждений, по преимуществу, механических деталей мачт, а также их обрушений произошли при нагрузках, меньших расчетных, и, что не менее важно, спустя 3—5 лет после ввода их в эксплуатацию.. Это свидетельствует- о недостатках конструктивной формы, неправильном вы­ боре материала, плохом качестве и контроле изготовле­ ния деталей [18]. Аварии стальных башен наблюдались- из-за грубых ошибок в расчете.

Усталостный характер большинства разрушений дета­ лей мачт и сетей свидетельствует о вибрационных воз­ действиях, источником которых мог быть только ветер,, поскольку резонансным явлениям неоткуда взяться, раз периодических или квазипериодических возмущающих сил в антеннах, за исключением локаторов, нет. Армату­ ра и детали оттяжек мачт менее наделены, чем ствол,, фундаменты и далее стальные канаты. Объяснение то­ му — недостаточное внимание механическим деталям, при разработке которых ранее руководствовались прак­ тикой строительного проектирования, базирующейся на статическом характере нагрузок. Лабораторные исследо­ вания механических деталей и арматуры изоляторов, на­ ряду с совершенствованием конструктивной формы для повышения их вибростойкости, привели к четырехкрат­ ному увеличению выносливости (число циклов). Уста­ лостная прочность модернизированной арматуры изоля­ торов для оттялсек радиомачт возросла в два раза.

Арматуру, предназначенную для районов с особо низкой температурой воздуха, теперь выполняют из низ­ колегированной стали. Динамические испытания натур­ ных образцов при температуре до —60°С выявили 'их достаточную надел<ность. Новые конструкции арматуры должны проходить типовые испытания.

73-

опор на дефор.мативность производится при направлени­ ях ветра, совпадающих с трассой до смежных станций, что повышает надежность линии.

Аварии мач г и башен от ураганного ветра чрезвычай­ но редки. Если они и происходили, то по другим причи­ нам и при малой скорости ветра. Разрушения решетча­ тых стволов мачт и башен (клепаных и сварных), вы­ званные усталостной прочностью металла, не наблюда­ лись, что свидетельствует об отсутствии резонансных яв­ лений в направлении ветра.

В расчетах оперируют со скоростью ветра, измерен­ ной анемометром или на небольшом щите. »По своей при­ роде ветер не равномерный поток, поэтому среднее удельное значение нагрузки будет тем меньше, чем боль­ ше размеры сооружения. Введением коэффициентов пространственно-временной корреляции нагрузку сни­ жают.

Вероятность больших отложений льда и изморози на проводах антенн учитывают повышением расчетной тол­ щины стенки. Более экономичным путем является под­ веска сети с постоянным натяжением, обеспечиваемым специальными устройствами. В условиях гололеда на­ грузку от сети принимают с учетом сопротивлений об­ леденелых блоков и направляющих, через которые про­ ходит канат к лебедке или противовесу. Например, со­ противление одного сильно обледенелого блока может быть до 1,5 т и более (разность тяжений каната).

Существенное повышение надежности мачты дости­ гается постановкой двух параллельных оттяжек,^ рассчи­ танных таким образом, чтобы при обрыве однон из них коэффициент запаса у оставшейся был немного более единицы. Он может быть меньше единицы, потому что обрыв каната при совпадении расчетной скорости ветра с наиболее неблагоприятным направлением мало вероя­ тен. Спаренные канаты допустимы у мачт без изолято­ ров в оттяжках, например, у телевизионных опор и в ра­ диорелейных линиях. У мачт-антенн рационально повы­ шать надежность изоляторов и механических деталей.

При обычной методике расчета решетчатых башен (разложение по плоскостям) надежность конструкции с числом граней более четырех в действительности больше, так как при подходе одного из поясов к предельному состоянию смежные с ним не позволяют ему сильно де­

75

формироваться. Однако многогранные конструкции до­ роже.

Повреждение мачты может произойти, если специфи­ ка опирания или защемления ствола в фундаменте не уч­ тена в расчете. Особенно ярко это проявляется у мачты, опорным шарниром которой является листовая конструк­ ция. При несоответствии проекту жесткости опоры ниж­ него яруса оттяжек, например на монтаже, увеличивает­ ся момент в защемлении и происходит отрыв закладных частей. Поворот фундамента в слабом грунте приводит иногда к повреждениям ствола. Это свидетельствует о не­ обходимости расчета мачты при различных вариациях эпюр усилий, жесткости первой опоры и степени защем­

ставление о работе сооружения, ошибки счета, недоста­ точная точность вычислений отбрасываются как события очень малой вероятности.

Особое внимание обращают на сооружения, характер­ ные нелинейными зависимостями, когда опасно отбра­ сывание «малых величин» в расчетах. Коэффициенты условия работы не всегда гарантируют неразрушимость конструкций, так как их величину выбирают при усло­ вии малых изменений усилий или перемещений при не­ больших отклонениях любых параметров системы.

Наиболее характерно в этом смысле поведение мач­ ты. Коэффициент жесткости v упругой опоры зависит от параметров оттяжек и главное от величины предвари­ тельного напряжения оо (см. рис. 2.7). Из графика сле­ дует: если со соответствует пологому участку кривой (начальный участок не рассматривается), то влияние, например, релаксации канатов, уменьшающей расчетное значение а0, мало. Когда коэффициент v оказывается на восходящем участке, то при небольшом изменении ао жесткость опоры сильно понижается или повышается, т. е. имеется явно нелинейная зависимость |19]. Нелиней­ ность жесткости опор связана с провисанием оттяжек: чем больше оно, тем больше нелинейность. Она особен­ но выражена в мачтах-антеннах.

Построением графика v=f(oo) устанавливается лишь положение проектного значения жесткости опоры на по­ логом или падающем участке кривой. Вопрос о величине изгибающих моментов и перемещений опор вследствие флуктуации величины v остается открытым, во многом

76

это зависит от погонной изгибной жесткости EJfl смеж­ ных пролетов ствола. Правильность выбора предвари­ тельного напряжения оттяжек устанавливается расчетом мачты, в котором величина <т0 отличается на ±10% от требуемой проектом. Обследование более 20 мачт боль­ шой высоты подтвердило важность стабильности коэф­ фициента жесткости опор при небольших изменениях оь-

Детально была исследована широко распространен­ ная мачта-антенна высотой 257 м с тремя группами отГяжек в плане (рис. 3.1). Изгибная жесткость ствола,

неизменная по высоте, равна 5,77-105 т-м2. Диаметр канатов всех пяти ярусов оттяжек 50,5 мм, в пятом яру­ се дополнительно подвешены шесть канатов диамет­ ром 27 мм. Предварительное напряжение оттяжек 5,0-М,25 т/см2. В расчете приняты традиционные схемы нагрузок: а) ветер по направлению оттяжки в плане;

77

б) ветер по биссектрисе угла между оттяжками; в) ветер, действующий нормально к плоскости оттяжек одного направления. Ветровая нагрузка одинаковая для всех схем, она определена для пятого ветрового района.. Требованиями СНиП допускается неточность регулиров­ ки предварительного напряжения оттяжек ±8%, поэто­ му принятое отклонение в 10% близко к допуску при монтаже (рис. 3.1а).

Результаты расчета мачты на ЭВМ представлены в; виде эпюры изгибающих моментов и перемещений (оса­ док) упругих опор по схеме б (рис. 3.16). Как видно,, моменты на четвертой опоре увеличились в 1,94 раза,, пролетные уменьшились в 5,5 раза. По схемам а й в по­ лучилась аналогичная картина.

В расчетах других мачт высотой до 257 м изменения изгибающих моментов были до 2,3 раза, по-прежнему наибольшие в верхних пролетах и на второй опоре свер­ ху. Прогибы стволов при расчетной нагрузке не более 1:120 высоты. Предварительное напряжение оттяжек двух верхних ярусов — немного более 1 т/см2. Машин­ ный анализ нескольких мачт высотой 350 м также выя­ вил большое влияние изменения величины предвари­ тельного напряжения оттяжек на величину изгибающих ствол моментов.

При значении коэффициента v на кривой у перегиба (см. рис. 2.7) понижение предварительного напряжения на 10% снижает жесткость опоры на небольшую величи­ ну. Уменьшение сг0 еще на 10% может вызвать значи­ тельное снижение жесткости опоры и, как следствие,, изменение на порядок и более изгибающих моментов в верхних пролетах мачты. При проектировании мачты задают такую величину сто, при которой значение жестко­ сти v располагается на пологом (близком к горизон­ тальному) участке кривой v=/(oo).

Начальным критерием правильности выбора коэффи­ циента v может служить условие:

Оно выполняется, начиная с точки кривой v=f(<Jo)' на рис. 2.7, касательная к которой проходит через нача­ ло координат. Величину Дст0 принимают (0,1-^-0,2) сто.

Трудности расчета башни как многозвенной прост­ ранственной конструкции преодолеваются ЭВМ. Но это1 не освобождает от более глубокого анализа ее для рас­

78

чета. В качестве примера можно привести башню, ниж­ няя часть которой расширена к низу для облегчения, фундаментов или размещения под ней технического зда­ ния радиорелейной станции. Общая жесткость опорного узла башни зависит от податливости фундамента. Это заставляет обследовать такую комплексную конструк­ цию при различных вариантах распределения общей жесткости, тем более что характеристики грунта не мо­ гут быть определены с достаточной точностью.

Исследование устойчивости мачты показало, что ма­ лое предварительное напряжение оо оттяжек может стать причиной обрушения. С позиции надежности важ­ но учитывать возможное понижение величины <то. Если этого не сделано, то может произойти авария. Например,, на время работ по установке опорного изолятора мачты высотой 210 м натяжение оттяжек было ослаблено. Прошедший ночью ураган привел к ее обрушению, в- то время как у расположенной в 300 м такой же мачты не было обнаружено никаких повреждений.

Потеря местной устойчивости трубчатого ствола мач­ ты возможна, если не учтены вмятины оболочки, которые в трудных условиях транспортировки, например на Край­ нем Севере, >могут быть больше учтенных расчетом. По­ теря устойчивости может произойти из-за расслоения листа, поэтому в заказе металла следует оговаривать

проверку на «расслой».

Более надежны мачты, ствол которых составлен из труб, овальцовашых из листа и ‘поставляемых заводами, чем из труб, сваренных встык из относительно неболь­ ших обечаек, т. е. с большой длиной швов и особенно с

пересечениями их.

Трубчатые стволы из листов, соединенных заклепка­ ми или болтами, более устойчивы, чем из сваренных встык. Это надо иметь в виду при использовании полуэмпирических формул, выведенных по^результатам опы­ тов. Причиной аварии мачты высотой 180 м (диаметр ствола 1600 мм) и мачты высотой 252,5 м (диаметр ство­ ла 2200 мм) оказалась недостаточная толщина (8 мм) оболочки и вмятина глубиной больше половины толщинылиста, учтенной расчетом.

Надежность или долговечность железобетонных труб­ чатых башен понижается от недостаточного поперечного армирования, так как появляются продольные трещины, ускоряющие коррозию арматуры.

79*

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

привлекает внимание вследствие все чаще наблюдаемой регулярной вибрации при ветре и как следствие — по­ вреждений проводов, стальных канатов, оттяжек мачт, мачт со стволом в виде трубы, трубчатых стержней ре­ шетчатых конструкций, цилиндрических вибраторов антенн, сплошностенчатых отражателей, мачт или башен с кабиной наверху и др. Такие колебания часты, потому что для их возбуждения и поддержания достаточен ве­ тер со скоростью от долей метра до нескольких метров в секунду, т. е. наблюдаемый нередко, особенно на высо­ те в десятки и тем более в сотни метров от поверхности земли. Спорадические колебания от порывов ветра не рассматриваются.

Конструкции в аэродинамическом следе или распо­ ложенные вблизи других, т. е. неизолированные — в пределах возмущений от них, возбуждаются значительно легче, с быстрее нарастающими амплитудами и в широ­ ком диапазоне скоростей ветра, начиная с малых. При­ мерами тому: трубчатые вибраторы с контррефлектора­ ми, парные оттяжки мачт, канаты вблизи трубчатого ствола мачты и параллельно ему, параллельные жесткие вибраторы ультракоротковолновых антенн, например, антенны «волновой канал» и др. Эти колебания подобны вибрации хвостового оперения самолета, называемой бафтингом.

У тонкостенных оболочек (ограждающие конструк­ ции или панели кабин, экраны антенн) возможны ра­ диальные или поперечные, как у пластинок, колебания от периодического изменения давления по поверхности, вследствие срыва вихрей воздуха.

Чаще всего наблюдается вибрация проводов антенн и фидеров, проволок вибраторов коротких волн, сталь­ ных канатов различного назначения, наиболее устойчи­ вая при направлении ветра в пределах углов 45-М35° к оси нити. При меньших углах ветра вибрация реже. Многопроволочные провода или канаты вибрируют при ветре, направленном под углом свивки к их оси (около 17°). Вертикальные провода вибрируют чаще, чем гори-

80