Высотные сооружения башни и вышки

Башни являются высотными сооружениям и по характеру работы их делят на башни, работающие в основном на вертикальные нагрузки (водонапорные башни, надшахтные копры и др.), вышки, работающие в основном на ветровые нагрузки (парашютные, геодезические, радиорелейные вышки и др.).

Башни и вышки состоят из трех основных частей: рабочей площадки или шатра, ствола башни с лестницами и промежуточными площадками и фундаментов. Ствол, определяющий тип башни, представляет собой пространственную конструкцию, выполненную из плоских решетчатых ферм (рис. 166, а), как сетчатая система (рис. 166, б) или как оболочка (рис. 166, в и г); при малом сечении ствола башни раскрепляются оттяжками (рис. 166, 5).

Наиболее распространены решетчатые башни. Они состоят из расположенных вертикально (при малых высотах и больших вертикальных нагрузках) или под углом к вертикали (при больших высотах) плоских ферм с различной решеткой (рис. 167). В плане ствол башни чаще всего бывает квадратным, однако для легких башен он может быть и треугольным. По высоте башни через 5...6 м устраиваются диафрагмы, обеспечивающие ее пространственную жесткость.

Стойки башни выполняются из бревен или обзольных брусьев, из фанерных или стеклопластиковых труб. Если необходима радиопрозрачность, то соединения в узлах выполняются безметальными. В зависимости от расчетных усилий и размеров башни стойки могут быть дельными или состоять из нескольких ветвей (от 2 до 4). Ветви соединяются между собой прокладками на болтах. Длины панелей стоек принимают 2,5...6 м. Стыкование стоек производят в пределах одной панели. Для сокращения числа стыков по высоте башни применяют материал наибольшей длины.


Выбор схемы решетки зависит от размеров башни и типа узловых соединений с помощью врубок или болтов. Наиболее распространена крестовая решетка, применяемая при обоих видах соединений. Другие системы решеток, изображенные на рис. 167, при изменении направления горизонтальной нагрузки меняют знак усилий в своих элементах, а поэтому применяются только в узлах с болтовыми соединениями. Крестовую решетку проектируют в трех вариантах: из брусьев (бревен) или труб со вкладышами на концах на врубках (рис. 168, а, б) и на болтах (рис. 168, в, г); из досок, фанерных или стеклопластиковых профилей на болтах (рис. 168, д, е, ж); из круглых стальных или стеклопластиковых стержней на болтах (рис. 168, з, и).

При узловых решениях по вариантам, показанным на рис. 167, а, б, з, и, фермы являются статически определимыми, так как один из элементов крестовой решетки выключается из работы — растянутый деревянный, трубчатый с соединением на врубке или сжатый круглый стержень, В других случаях при достаточной жесткости стержней решетки могут работать оба элемента креста на переменные усилия и система является статически неопределимой. Башни с крестовой решеткой обладают хорошей жесткостью.

Узловые соединения башен — пространственные. Для удобства их конструирования и уменьшения ослабления поперечного сечения стоек центры узлов, расположенные в разных гранях, смещают относительно друг друга по высоте. Если центрирование элементов в узлах в плоскости граней не выполнено, стойки рассчитываются с учетом изгибающего момента.

Для заанкерения опорных узлов башен стойки крепятся к выпускам, заложенным в фундаменты. Наиболее надежны натяжные крепления (рис. 169). Между торцами деревянных стоек и фундаментами прокладывается гидроизоляция для предотвращения быстрого загнивания концов стоек.


Решетчатые башни рассчитывают на вертикальную (собственный вес), технологическую (от резервуаров, оборудования и т. п.) и временную (на площадках и лестницах, вода в резервуарах и т. д.) нагрузки, распределяемые поровну между стойками башни. На решетки действуют лишь вертикальные нагрузки, расположенные на ригелях, вызывающие их работу на изгиб.

Горизонтальные нагрузки действуют на все элементы граней башни. Для определения усилий в них пространственная конструкция башни раскладывается на плоские фермы, которые рассчитываются по консольной схеме на нагрузки, совпадающие с плоскостью фермы. Для квадратной в плане башни наибольшие усилия S в решетке появляются при направлении ветра вдоль боковых граней, а в стойках усилия N — при направлении ветра вдоль диагоналей плана (рис. 170). При этом в сечении на уровне фундамента в наветренной стойке может возникнуть растягивающее усилие (при отсутствии временной нагрузки), на которое рассчитывается анкерное крепление. Сечение подветренной стойки подбирается с учетом временной нагрузки, когда расчетное сжимающее усилие максимально. Узловая нагрузка от ветра находится в соответствии с указаниями СНиП 11-6-74.

Необходимой проверкой является также определение устойчивости башни на опрокидывание. Проверка производится относительно оси 1—1 на уровне подошвы фундаментов (рис. 171). Отношение удерживающего момента к опрокидывающему должно быть — М_уд/М_опр≥1,3, где М_уд=(Р₁+Р₂)b/2+P₃b, а М_опр=P_g(h+h_o), здесь P₁ и Р₂ — силы тяжести шатра и резервуара и ствола башни, P_g — равнодействующая ветровой нагрузки g₁ и g₂, размеры b, h и h_o показаны на рис. 171.

На рис. 172 приведен пример радиолокационной вышки высотой 54,9 м. Обязательное требование к вышке — обеспечение ее радиопрозрачности на высоте от 12,2 м до 42,7 м, так как на этом уровне рядом расположен действующий радиолокатор. В этих пределах башня выполнена из пластмасс. В поперечном сечении она имеет форму равностороннего треугольника со сторонами 1,1 м. Решетки трех граней крестовые и состоят из трубчатых элементов из эпоксидного стеклопластика диаметром ≈150 мм, с толщиной стенки 6,5 мм. Концы раскосов замоноличены в каждую пяту секции из полиэфирного стеклопластика, в них же заделаны горизонтальные тяжи из высокопрочного стеклопластика (рис, 172, в). Секции между собой соединены стеклопластиковыми болтами. Решетки предварительно напряжены вертикальными растяжками из высокопрочного стеклопластика, что исключает растягивающие усилия в раскосах. Башня рассчитана на ветровую нагрузку до 2 кН; при этом перемещение в вершине <1/240 H, а угол поворота <0,5°.