АНТЕННАЯ ОПОРА БАШЕННОГО ТИПА
ANTENNA SUPPORT OF TOWER TYPE

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к антенным опорам башенного типа высотой десятки метров для установки на ее верхней платформе антенно-фидерных устройств (АФУ) радиолокационных станции (РЛС) дальнего обнаружения и управления воздушным движением (УВД) типа «Лира».
Уровень техники
Для противостояния мощным ветровым нагрузкам антенные опоры РЛС УВД типа «Лира» выполняются в виде железобетонных башен, установленных на железобетонных подушках /1/.
Основным недостатком этих опор является трудность применения на мерзлых грунтах Севера из-за склонности к деформации при сезонном оттаивании верхних слоев грунта.
Известны антенные опоры башенного типа /2-4/, содержащие металлическую башню квадратного сечения, установленную на ростверке или на железобетонной подушке и снабженную внутренней лестницей и платформой для установки радиоантенн на верхней части башни.
Наиболее близкой из известных по назначению и технической сущности является антенная опора /4/ башенного типа для приемопередающего антенно-фидерного устройства РЛС, содержащая четырехгранную стальную башню ферменной конструкции с угловыми опорными стойками вдоль всей высоты башни, нижние концы которых закреплены на ростверке, объединяющем верхние торцы опорных свай, причем внутри башни установлена зигзагообразная подъемная лестница, а на верхней стороне башни установлена опорная антенная площадка с лазом для входа на нее обслуживающего персонала.
При этом башня антенной опоры выполнена сборно-разборной из отдельных объемных ферм в форме усеченной призмы и параллелепипедов с квадратным сечением, а ростверк и его опорные сваи выполнены из железобетона.
Недостатком известной опоры башенного типа является трудность ее применения в районах крайнего Севера.
Это связано с увеличенными временными затратами на доставку крупногабаритных ферм в указанные районы, а также недостаточным временем жизни антенных систем, основанных на применении железобетонных фундаментов из-за быстрого таяния вечной мерзлоты и осадки грунтов под ними, а также из-за сезонного вертикального движения железобетонных свай при оттаивании и замерзании верхних слоев указанных грунтов.
Кроме того, необходимость временной выдержки железобетонных фундаментов для набора их прочности, изменение при этом пространственного положения опорных муфт при затвердевании железобетона требуют увеличенных временных затрат на центрирование и крепление антенной башни на железобетонном ростверке, а также - ожидания благоприятных погодных и температурно-сезонных условий для производства железобетонных работ.
Следствием этих недостатков является снижение производительности возведения антенных опор башенного типа в районах крайнего Севера.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение производительности возведения антенных опор башенного типа с одновременным увеличением их стойкости к ветровым нагрузкам и сезонному движению грунтов.
Сущность изобретения
Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи достигаются тем, что антенная опора башенного типа содержит четырехгранную стальную башню ферменной конструкции с угловыми опорными стойками вдоль всей высоты башни, нижние концы которых закреплены на ростверке, объединяющем верхние торцы опорных свай, причем внутри башни установлена зигзагообразная подъемная лестница, а на верхней стороне башни установлена опорная антенная площадка с лазом для входа на нее обслуживающего персонала.
Согласно изобретению ростверк и его опорные сваи выполнены металлическими. Ростверк выполнен из металлических балок, смонтированных в форме прямоугольной двухрядной рамы, двухрядного креста или двухрядной «Н»-образной горизонтальной опоры для каждой опорной стойки башни. Для проветривания воздушного пространства под ростверком, а также для удобства и оперативного монтажа последний закреплен на сваях на высоте от 0.5 до 1 м от поверхности земли. Металлические сваи выполнены винтовыми. Винтовые сваи выполнены пустотелыми длиной от трех до пятнадцати метров и снабжены в нижней части опорно-винтовыми лопастями для ввертывания свай в грунт и опоры их на указанные лопасти, а в верхней - оголовками для болтового крепления на них концов балок ростверка. Длина стволов винтовых свай выбрана из условия возможности заглубления их опорно-винтовых лопастей в прочный грунт ниже уровня сезонного промерзания и оттаивания грунтов в месте установки башни. Башня смонтирована из труб прямоугольного сечения методом сварки или болтового соединения. Для исключения вертикального движения свай и опасного наклона опорной башни под действием силы сезонного пучения замерзающих грунтов ствол каждой винтовой сваи с внешней стороны покрыт слоем незамерзающего полимера, внутренняя его полость засыпана цементно-песчаной смесью, а винтовые лопасти выполнены опорными. Для придания опорных свойств винтовым лопастям они содержат от трех до четырех витков с диаметром и винтовым шагом в диапазоне от двух до трех и от восьми до двенадцати размеров диаметра ствола винтовой сваи соответственно. Металлические балки ростверка выполнены в виде швеллеров или двутавровых балок и связаны с опорными стойками башни и с оголовками свай с помощью опорно-распорных соединительных элементов (ОРСЭ). ОРСЭ выполнены с возможностью фиксации параллельного крепления балок ростверка и одновременно с возможностью использования верхних поверхностей ОРСЭ в качестве горизонтальных опор для вертикальных опорных стоек башни, а также с возможностью сдвига ОРСЭ вдоль балок ростверка при креплении и центрировании на них опорных стоек башни. Для этого ОРСЭ содержат посадочную металлическую пластину прямоугольной формы для опоры ОРСЭ на внешнюю поверхность двух соседних балок ростверка. Снизу под посадочной пластиной ОРСЭ приварено не менее одной вертикальной пластины - распорной стойки, ориентированной перпендикулярно боковым поверхностям соседних балок. В центре посадочной пластины ОРСЭ выполнены отверстия для болтового крепления на ее верхней поверхности нижних концов опорных стоек башни. Для болтового крепления с помощью ОРСЭ балок ростверка на оголовках винтовых свай на периферии посадочной пластины ОРСЭ выполнены отверстия, соосные с периферийными отверстиями на оголовках свай. Для болтового крепления ОРСЭ на внешней поверхности балок ростверка между оголовками свай в качестве опор для стоек башни он укомплектован ответной съемной пластиной с периферийными отверстиями, соосными с аналогичными отверстиями на посадочной пластине ОРСЭ. Посадочная металлическая пластина ОРСЭ выполнена со сторонами прямоугольного основания dт=20-80 см, а высота его распорной стойки - с размерами Lт=15-30 см.
Выполнение ростверка из двухрядных металлических балок и опорных винтовых свай представленной выше конструкции, а также связка указанных элементов между собой с опорными стойками башни с помощью универсальных ОРСЭ, позволяющих упростить технологию монтажа и снизить временные затраты на возведение антенной опоры не только за счет исключения трудоемких железобетонных работ, но и за счет:
- возможности быстрого производства транспортабельных конструктивных элементов антенной опоры из металлических труб и балок непосредственно на металлургических заводах;
- возможности ускоренной доставки транспортабельных конструктивных элементов к месту возведения антенных опор на стандартных трейлерах и прицепах типа КАМАЗ;
- возможности ускоренного погружения свай в грунт путем их ввертывания,
- возможности оперативной обвязки опор и монтажа ростверка при использовании универсальных ОРСЭ:
- возможности сборки опорной башни (из металлических трубных заготовок прямоугольного сечения) параллельно с монтажом ростверка;
- возможности оперативного центрирования и крепления собранной башни на возведенном ростверке с использованием ОРСЭ.
Одновременно с упрощением технологии монтажа и снижением временных затрат на возведение антенной опоры башенного типа повышается стойкость последней к ветровым нагрузкам и сезонному движению грунтов при их замерзании и оттаивании.
В частности, выполнение опорных свай винтовыми с опорными лопастями в нижней их части, и с длиной, обеспечивающей возможность заглубления их лопастей в твердый и стабильный во времени грунт ниже уровня сезонного промерзания и оттаивания грунтов, покрытие внешней поверхности стволов винтовых свай слоем незамерзающего полимера, засыпка внутренней полости свай цементно-песчаной смесью позволяют увеличить прочность свайного винтового фундамента, исключить влияние сезонного движения грунтов на деформацию ростверка и на изменение пространственного положения башни антенной опоры. Стабильность пространственного положения башни является одним из важнейших параметров для обеспечения стабильной работы РЛС, устанавливаемой на антенной опоре башенного типа.
Указанные технические преимущества позволяют обеспечить достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи, а именно: повысить производительность возведения антенных опор башенного типа с одновременным увеличением их стойкости к ветровым нагрузкам и сезонному движению грунтов.
Ссылка на чертежи
На фиг. 1 представлена конструкция антенной опоры башенного типа для приемопередающего антенно-фидерного устройства радиолокационной станции типа «Лира», на фиг. 2 - конструкция ее ростверков «Н»-образной формы, на фиг. 3 и фиг. 4 - видростверка крестообразной формы в плане и сбоку соответственно, на фиг. 5 - конструкция винтовой опоры с оголовком и опорно-винтовыми лопастями, на фиг. 6 - конструкция ОРСЭ с одной стойкой, на фиг. 7 - рисунок, поясняющий схему крепления ОРСЭ на швеллерах ростверка и схему крепления муфты опорной стойки башни на ОРСЭ.
Описание в статике
c
c
л
в
Антенная опора башенного типа для приемопередающего антенно-фидерного устройства радиолокационной станции типа «Лира» содержит четырехгранную стальную башню 1 ферменной конструкции высотой от 10 до 30 м в зависимости от рельефа местности в месте ее возведения. Внутри башни 1 установлена зигзагообразная подъемная лестница 2, а на верхней ее стороне установлена опорная антенная площадка 3 с лазом для входа обслуживающего персонала. По углам башни вертикально установлены угловые опорные стойки 4. Стойки 4 башни 1 выполнены из металлических труб прямоугольного или круглого сечения и связаны между собой плоскими фермами 5, снабженными откосами 6. С помощью откосов 6 фермы 5 установлены с заданным шагом вдоль вертикальной оси башни 1 и скреплены между собой и стойками 4 сваркой или болтовым соединением. На нижних концах стоек 4 приварены опорные муфты 7 с отверстиями 8 (фиг. 1, фиг. 7) для крепления стоек 4 на ростверках 9 (фиг. 2), объединяющем верхние торцы опорных свай 10 (фиг. 1). Ростверк 9 выполнен из металлических балок 11 типа швеллеров (фиг. 7) или двутавровых балок, смонтированных в форме двухрядной «Н»-образной горизонтальной опоры (фиг. 2), прямоугольной двухрядной рамы или двухрядного креста (фиг. 3) для каждой опорной стойки 4 башни 1. Для эффективного проветривания воздушного пространства под ростверком 9, а также для удобства и оперативного монтажа ростверка 9 на сваях 10, последние обрезаны на высоте от 0.5 до 1 м от поверхности земли (фиг. 1, фиг. 4). Для быстрой установки свай 10 путем их ввертывания в грунт каждая металлическая свая 10 выполнена винтовой (фиг. 5) и содержат пустотелый ствол 12. В нижней части ствол 12 снабжен опорно-винтовыми лопастями 13 с возможностью ввертывания их в грунт и опоры на них ростверка 9, а в верхней - оголовками 14 с отверстиями 15 для болтового крепления на них концов балок 11 ростверка 9. Длина стволов 12 винтовых свай 10 - выбрана из условия возможности заглубления их опорно-винтовых лопастей 13 в прочный грунт (например, в слой вечной мерзлоты) ниже уровня сезонного промерзания и оттаивания грунтов в месте установки башни 1. Для этого и в зависимости от высоты башни 1 винтовые сваи выполнены длиной L=3-15 метров, диаметром d=10-30 см. Материал металлической трубы - СТАЛЬ 20, лопастей - сталь марки С255. Для уменьшения вертикального движения свай 10 и исключения опасного наклона опорной башни 1 под действием силы сезонного пучения замерзающих грунтов ствол 12 каждой винтовой сваи 10 с внешней стороны покрыт слоем незамерзающего покрытия 16, внутренняя его полость засыпана цементно-песчаной смесью, а винтовые лопасти 13 выполнены опорными. Покрытие 16, нанесенное с внешней стороны ствола 12, выполнено типа Termal Coat Ceramie НВ. Оно содержит композицию керамических и силиконовых шариков, размером от 1 до 2 мкм, синтетического каучука, акриловых полимеров и неорганических пигментов. Благодаря сохранению вязкости покрытия 16 до температуры минус 60°C примерзающий с внешней его стороны грунт не может передать силу пучения грунта на ствол 12 сваи 10 и вытолкнуть сваю 10 тангенциальной силой промерзающего грунта. Для придания опорных свойств винтовым лопастям 13 они содержат от трех до четырех витков с диаметром d и винтовым шагом d в диапазоне от двух до трех и от восьми до двенадцати размеров диаметра ствола винтовой сваи соответственно. Металлические балки 11 ростверка 9, выполненные в виде швеллеров или двутавровых балок, связаны с опорными стойками 4 башни 1 и с оголовками 14 свай 10 с помощью опорно-распорных соединительных элементов (ОРСЭ) 17. ОРСЭ 17 выполнены с возможностью фиксации параллельного крепления балок 11 ростверка 9 и одновременно с возможностью использования верхних поверхностей ОРСЭ 17 в качестве горизонтальных опор для вертикальных опорных стоек 4 башни 1, а также с возможностью сдвига ОРСЭ 17 вдоль балок 11 ростверка 9 при креплении и центрировании на них опорных стоек 4 башни 1. Для этого ОРСЭ 17 содержат посадочную металлическую пластину 18 прямоугольной формы для опоры ОРСЭ 17 на внешнюю поверхность двух соседних балок 11 ростверка 9. Снизу под посадочной пластиной 18 ОРСЭ 17 приварено не менее одной вертикальной пластины 19 - распорной пластины, ориентированной перпендикулярно боковым поверхностям соседних балок 11. Для болтового крепления с помощью ОРСЭ 17 балок 11 ростверка 9 на оголовках 14 винтовых свай 10 на периферии посадочной пластины 18 ОРСЭ выполнены отверстия 20 (фиг. 6), соосные с периферийными отверстиями 15 (фиг. 5) на оголовках 14 свай 10. Для болтового крепления ОРСЭ 17 на внешней поверхности балок 11 ростверка 9 между оголовками 14 свай 10 (в качестве опор для стоек 4 башни 1) ОРСЭ 17 укомплектован ответной съемной пластиной 21 с периферийными отверстиями 22, соосными с аналогичными отверстиями 20 на посадочной пластине 18 ОРСЭ. В зависимости от размеров поперечного сечения балок 11 и расстояния между ними посадочная металлическая пластина 18 ОРСЭ 17 выполнена со сторонами прямоугольного основания dт=20-80 см, а высота его распорной пластины 19 - с размерами Lт=15-30 см.
В центре посадочной пластины 18 ОРСЭ 17 выполнены отверстия 23 (фиг. 6), соосные с отверстиями 8 муфт 7 (фиг. 1, фиг. 7) для болтового крепления на ее верхней поверхности нижних концов опорных стоек 4 башни 1.
Описание в динамике
Антенная опора башенного типа для приемопередающего антенно-фидерного устройства радиолокационной станции «Лира» возводится следующим образом.
h
h
h
Перед началом возведения антенной опоры в месте установки определяют вектор «П» значений ее параметров из условий (1, 2) обеспечения требуемой дальности «D» видимости горизонта Земли с башни антенной опоры, парусности «S» и ее несущей способности «G» при статистических и ветровых нагрузках
б
б
б
где m, h, d - масса, высота и ширина башни 1 соответственно;
рлс
_
m масса антенно-фидерных устройств РЛС, устанавливаемых на башне 1;
в
V, ρ - средняя скорость ветра и плотность грунта в районе расположения башни;
c
c
d, L, d - диаметр, длина опорных свай 10 и расстояние между ними в ростверке 9.
Далее по найденным значениям параметров вектора «П» производят заготовку труб, швеллеров и изготовление составных сборочных элементов антенной опоры на заводах строительных материалов по чертежам заказчика. В частности, производят резку труб для свай 10, приварку к ним опорных винтовых лопастей 13 с соответствующими параметрами. Изготовляют ОРСЭ 17, фланцевые и болтовые соединения, а также - фермы 5 и элементы подъемных лестниц 2 с массогабаритными параметрами, обеспечивающими их быструю доставку на место сборки башни 1 на трейлерах или автомобилях типа КАМАЗ.
Далее сборочные элементы, заготовки труб и швеллеров доставляют на место установки и сборки антенной опоры АФУ РЛС типа «Лира».
После их доставки производят разметку местоположения ростверков 9 (фиг. 2) на местности под опорные стойки 4 башни 1 и разметку мест сверления грунта и установки свай 10. Далее полые винтовые сваи 10 ввертывают на глубину установки опорных лопастей 13 ниже уровня 24 сезонного оттаивания мерзлого грунта. После ввертывания свай 10 при формировании на них «Н»-образных ростверков (фиг. 2) верхние концы свай 10 отпиливают на одном горизонтальном уровне на высоте 0.5÷1 м над поверхностью Земли. Далее для увеличения массы и прочности свай 10 их полость заливают цементно-песчаной смесью И-150 ГОСТ 28013-98. После заливки полости на обрезанные концы свай 10 надевают оголовки 14 и приваривают их на одном горизонтальном уровне. На приваренные оголовки 14 свай 10 параллельно устанавливают линейные ростверки 9.1 и 9.2 по две балки 11 в каждом из них. Затем концы балок 11 каждого ростверка 9.1 и 9.2 связывают с оголовками 14 свай 10 с помощью ОРСЭ 17. При этом посадочную пластину 18 ОРСЭ 17 подвешивают на верхнюю поверхность соседних балок 11, а его распорную пластину 19 погружают между балками 11, ориентируя ее перпендикулярно боковым поверхностям балок 11 и сжимая балки 11 между собой до упора в торцы пластины 19. Далее через периферийные отверстия 20 посадочной пластины 18 ОРСЭ 17 и соосные отверстия 15 оголовка 14 пропускают стягивающие шпильки и закручивают их гайки. При этом концы балок 11 зажимаются между нижней стороной посадочной пластиной 18 и внешней поверхностью оголовков 14 и линейные ростверки 9.1 и 9.2 жестко крепятся ими на оголовках 14 свай 10. Далее поперек двух линейных ростверков 9.1 и 9.2 с внешней их стороны устанавливается и крепится аналогичным образом с помощью ОРСЭ 17 третий 9.3 ростверк из двух параллельных балок 11, образуя ростверк 9 «Н»-образной формы (фиг. 2). Отличием крепления поперечных балок 11 на продольных балках 11 ростверка 9 от крепления продольных балок 11 на оголовках свай является использование ответной пластины 21 в ОРСЭ 17 для стяжки балок 11 в месте их пересечения. После крепления поперечного ростверка 9.3 на продольных ростверках 9.1 и 9.2 на балки 11 в средней части ростверка 9.3 устанавливается и крепится опорный ОРСЭ 17 с посадочной пластиной 18 для установки и крепления на ней соответствующей опорной стойки 4 башни 1. Крепление опорного ОРСЭ 17 на балках 11 ростверка 9.3 и муфты 7 стойки 4 на поверхности посадочной пластины 18 ОРСЭ 17 производится в соответствии со схемой, представленной на фиг. 7. Одновременно с монтажом ростверка 9 производится сборка башни 1 в ее горизонтальном положении. После сборки башни 1 и ростверка 9 с помощью подъемного крана производится подъем башни 1 в вертикальное положение и подвеска ее над ростверками 9. Далее вручную разворачивают башню 1 вокруг вертикальной оси до совмещения отверстий 8 муфт 7 стоек 4 башни 1 с отверстиями 23 на его посадочной пластине 18 ОРСЭ 17 соответствующих ростверков 9. При совпадении указанных отверстий производится болтовое крепление (фиг. 7) муфт 7 стоек 4 башни 1 на соответствующей посадочной пластине 18 опорного ОРСЭ 17. В ином случае ослабляются крепления ОРСЭ 17 на поперечных и продольных балках 11 и производится подгонка горизонтального местоположения посадочной пластины 18 ОРСЭ 17 под местоположение муфт 7 стоек 4 башни 1 путем перемещения ростверка 9.3 и опорного ОРСЭ 17 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При этом исключается необходимость переварки местоположения муфт 7 стоек 4 башни 1 и резко сокращается время центрирования башни 1 над ростверками 9.
Данное изобретение не ограничивается представленным примером его осуществления. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты исполнения антенной опоры башенного типа, не выходящие за пределы заявки.
Так для уменьшения коррозии все открытые поверхности металлических элементов могут быть окрашены эмалью "ПРИМ ПРОМКОР" RAL 70-0 по ТЧ 2-58-007-539-5212-03 или другим антикоррозийным покрытием с толщиной слоя 120-150 мкм.
Промышленная применимость
Изобретение разработано на уровне рабочей документации и опытных образцов. Испытания опытных образцов антенных опор показали возможность их использования в районах с вечной мерзлотой. При этом время возведения антенных опор башенного типа сократилась с единиц месяцев до единиц ÷ десятков дней в зависимости от высоты башни.
Источники информации
1. Савицкий Г.А. Антенные сооружения. М.:, Связьиздат, 1947, 320 с.
2. RU 2494207.
3. RU 114693.
4. Опора антенная «Башня-2». Паспорт УРИВ-301329-036 ПС. 24.02.2014. Производитель ОАО «Владимирский завод «Электроприбор».