Высотные башенные и мачтовые сооружения

Высотные башенные и мачтовые сооружения относятся к самым экстремальным из существующих и проектируемых человеком объектов. Как правило, в конструкции таких сооружений нет ничего лишнего. Такая рациональность оборачивается экстремальными условиями строительства этих объектов при использовании традиционной технологии их монтажа в проектном положении способом наращивания.

На большой высоте всегда ветер и холод. Сложно укрыться там от опасности и непогоды. В стесненных условиях не отдохнешь, не снимешь напряжение. Продолжительное пребывание в таких неблагоприятных условиях даже без работы под силу далеко не каждому. А ведь монтажникам-высотникам приходится иметь дело с многотонными монтируемыми элементами и сложной монтажной оснасткой, не допускающей каких-либо ошибок.

И башни, и мачты характеризуются значительной высотой. Радиорелейные опоры и башни сотовой связи тянутся ввысь на 50-120 м. Радио- и телевизионные опоры в виде многоярусных мачт возвышаются на 180-350 м. Вытяжные башни поднимаются на высоту до 200 м. Вес таких сооружений может выражаться сотнями тонн.

Самыми массовыми представителями башенных и мачтовых сооружений являются опоры воздушных линий электропередачи (ВЛ). Особым видом являются так называемые переходные опоры, устанавливаемые на переходах через судоходные реки, каналы, озера, и крупные инженерные сооружения. Расстояние между такими опорами может достигать 1,5 – 2,5 км, а высота – превышать 200м.

Безопасность монтажа

Безопасность монтажа высотных башенных и мачтовых сооружений обеспечивается детальной разработкой необходимых организационно-технических мероприятий в составе проекта производства работ (ППР). Разработкой таких проектов занимаются специалисты, имеющие большой опыт в разработке технологии монтажа башенных и мачтовых сооружений. Организацию и производство монтажных работ осуществляют специализированные монтажные организации, имеющие необходимое оснащение и кадровый персонал. Для обеспечения безопасности работ при возведении башенных и мачтовых сооружений требуется неукоснительное соблюдение ППР с использованием в необходимых случаях авторского инженерного надзора и технической помощи разработчика ППР. Для монтажа массовых опор ВЛ разрабатываются типовые технологические карты (ТК), содержащие организационно-технические мероприятия по безопасному ведению работ.

Стоимость башенных и мачтовых сооружений

Стоимость башенных и мачтовых сооружений складывается из следующих составных частей:

• стоимости проектирования, зависящей от вида конструкций, их сложности и повторяемости;
• стоимости металла и других материалов (электродов, метизов, антикоррозионных материалов), расходуемых на изготовление металлических конструкций;
• издержек производства, зависящих главным образом от механовооруженности завода-изготовителя, трудоемкости и серийности изготовления конструкций;
• транспортных расходов на перевозку конструкций с завода-изготовителя к месту строительства, зависящих от дальности перевозки, вида транспортных средств и степени их использования;
• стоимости монтажа, зависящей от вида металлических конструкций, оснащенности механизмами и приспособлениями, а также от условий производства работ и принятой технологии монтажа.

Методы монтажа

Методы монтажа башенных и мачтовых сооружений разительно отличаются по условиям производства работ. Монтаж сооружения может производиться одним из следующих способов:

• монтаж в проектном положении способом наращивания с последовательной установкой элементов снизу вверх с использованием механизмов, передвигающихся вверх по конструкциям сооружения, по ходу монтажа;
• сборка сооружения на земле в горизонтальном положении с последующим подъемом в вертикальное положение с помощью кранов, вспомогательных мачт, падающих стрел, шевров, порталов и других приспособлений;
• монтаж с использованием вертолетной авиации, заключающийся в установке в проектное положение всего сооружения или в секционном монтаже его методом наращивания;
• подращивание сооружения, заключающееся в том, что на земле собирают верхнюю часть сооружения, с помощью специального оборудования ее поднимают на высоту панели, под ним монтируют следующие элементы, которые поднимают опять и так далее до окончания сборки всего сооружения.

Способ монтажа подращиванием

Способ монтажа подращиванием привлекает отсутствием опасных работ на большой высоте, а следовательно безопасностью и экономичностью.

Монтаж башен подращиванием

Для реализации способа подращивания при монтаже башенных сооружений проектировщиками разработаны башни специальной конструкции. Такая башня монтируется в вертикальном положении подращиванием секций снизу. Монтаж башни может выполняться в стесненных условиях.

Башня состоит из нижней пирамидальной и верхней призматической частей. Нижнюю пирамидальную часть каркаса используют в качестве направляющей обоймы для выдвигаемой из нее верхней призматической части. В процессе монтажа выдвигаемую призматическую часть каркаса подращивают очередными секциями.

Циклический подъем призматической части производят с помощью грузовых полиспастов. Неподвижными блочными обоймами полиспасты закрепляют наверху пирамидальной части каркаса, а подвижными - на подъемной крестовине под нижней секцией призматической подращиваемой части башни. Грузовые полиспасты соединяют с подъемными лебедками с использованием уравнительных блоков. Секции призматической верхней части каркаса башни для монтажа данным способом выполняют с ровными гладкими продольными поясами повышенной жесткости без выступающих элементов.

В некоторых случаях при монтаже башни подращиванием используют съемный хвостовик, который закрепляют к последней нижней секции призматической части, а после окончания монтажа башни - демонтируют.

Основными недостатками башен, специально запроектированных на использование способа монтажа подращиванием, являются сложность конструкции каркаса в целом и повышенная его материалоемкость.

Монтаж мачт подращиванием

Реализация способа подращивания при монтаже мачтовых сооружений требует использования маневренного расчаливания ствола мачты в вертикальном положении.

Типовые мачты имеют до пяти и более ярусов расчалок. При этом в каждом ярусе содержится не менее трех расчалок. Все расчалки существующих мачт работают по статически неопределимой схеме. Это порождает большие проблемы в управлении процессом монтажа.

При таком монтаже необходимо синхронное стравливание расчалок каждого яруса. Натяжение расчалок должно обеспечиваться в заданных по расчету пределах. Постоянно требуется контролировать усилия в расчалках и вертикальность ствола монтируемой мачты. Каждая расчалка снабжается отдельным полиспастом с лебедкой. Отдельными лебедками снабжаются также два подъемных полиспаста. В процессе монтажа необходимо одновременное отслеживание множества контролируемых параметров, учет влияния на них погодных условий и соответствующее управление всеми используемыми лебедками. Количество лебедок может достигать двух десятков.

Вначале на фундаменте краном монтируют верхние секции мачты и расчаливают их постоянными расчалками к проектным якорям. Причем закрепление расчалок к якорям производят через натяжные полиспасты, прижимкованные к этим расчалкам. Это обеспечивает возможность увеличивать длину расчалок в процессе подъема ствола мачты. Сбегающие нити полиспастов отводят к лебедкам.

Затем вокруг смонтированных секций мачты собирают и расчаливают портал, с помощью которого производят выдвижение ствола монтируемой мачты. Портал оборудуют двумя подъемными полиспастами грузоподъемностью, обеспечивающей подъем всей мачты (с учетом дополнительных усилий от монтажного натяжения расчалок). С одной стороны портал имеет проем, в который подают подращиваемую секцию. На требуемых для сборки секций мачты уровнях на портале устраивают стационарные подмости.

После подъема на высоту, необходимую для подведения очередной секции, полиспасты оттяжек заглушают. Устойчивость выдвинутой части мачты обеспечивают натянутыми расчалками и горизонтальной диафрагмой с упорами в портале, а вертикальная нагрузка от собранной части мачты передается на выдвижные опоры портала.

После того как очередная секция вдвинута в портал, ее с подмостей портала подстыковывают к ранее собранной части мачты. После этого подъемные полиспасты перезакрепляют к нижней части вновь подстыкованной секции и приступают к новому циклу подъема мачты. Установку расчалок очередных ярусов производят с подмостей на портале.

После подращивания ствола мачты секциями на всю высоту его закрепляют на фундаменте по проекту. Расчалки всех ярусов перезакрепляют к якорям по постоянной схеме. После окончания монтажа мачты полиспасты, лебедки, портал и другую монтажную оснастку демонтируют.

Основная проблема при реализации описанного выше способа монтажа заключалась в удерживании ствола мачты в вертикальном положении при обеспечении заданных проектом усилий в системе растяжек, работающей по статически неопределимой схеме.

По этой причине способ монтажа мачт подращиванием с использованием статически неопределимой системы маневренного расчаливания широкого распространения получить не смог.

Статически определимая схема расчаливания. Успешное применение

В результате поиска решений главной проблемы монтажа башенно-мачтовых сооружений подращиванием автором статьи была предложена статически определимая схема многоярусного маневренного расчаливания вертикальных конструкций. На базе этой схемы разработан ряд простых и надежных технических решений по монтажу подращиванием типовых мачт и башен. Более десятка из этих решений защищено авторскими свидетельствами СССР. По группе технических решений имеется два патента Республики Беларусь. Еще ряд технических решений защищен двумя евразийскими патентами.

Новая технология обеспечивает автоматическое сохранение вертикальности подращиваемой конструкции и задаваемого проектного натяжения всех расчалок. Процесс подъема конструкции и ее маневренное расчаливание могут обеспечиваться одной единственной лебедкой.

Совместно с Солигорским монтажным управлением ОАО "Промтехмонтаж" осуществлен экспериментальный монтаж типовой башни высотой 72 м системы сотовой связи МТС вблизи деревни Морино Ивьевского района, а также монтаж трехъярусной ретрансляционной мачты высотой 100м в Московской области. Подъем и маневренное расчаливание башни и мачты обеспечивались с помощью одной лебедки.

С большим экономическим эффектом применена по нашему проекту статически определимая система маневренного расчаливания при капитальном ремонте штыка-обелиска высотой 100м и массой 620т в Брестской крепости.

При капитальном ремонте штыка-обелиска были выполнены демонтаж существующей титановой обшивки, ремонт титановых листов, замена элементов каркаса, устройство антикоррозийного и диэлектрического покрытия стального каркаса и крепление к нему титановой обшивки на самонарезающих винтах из углеродистой стали и комбинированных заклепках из нержавеющей стали.

Реализация проекта осуществлена Брестским монтажным управлением ОАО "Промтехмонтаж".

Для компенсации возрастания ветрового давления и раскачивания было использовано закрепление верха штыка-обелиска с помощью статически определимой системы маневренного расчаливания. Кроме компенсации возросшего аэродинамического давления на обстроенный лесами штык-обелиск, система выполнила функцию гасителя колебаний сооружения.

Это позволило не возводить временную башню вокруг штыка-обелиска на специальной фундаментной плите, а также не выполнять ряд других затратных мероприятий, предусмотренных утвержденным проектом капитального ремонта.

По нашему проекту производства работ капитальный ремонт штыка-обелиска был выполнен в сжатые сроки без нанесения ущерба территории мемориального комплекса. При этом было сэкономлено около 200т металлоконструкций и около 150т бетона.

Возможности применения новой технологии

Имеется готовность к разработке и внедрению новой технологии при строительстве любых типовых башен связи, больших опор ЛЭП, а также типовых многоярусных теле- или радиомачт.

Кроме того, автором статьи разработано новое башенно-мачтовое сооружение, объединяющее в себе достоинства башни, мачты и новой технологии монтажа подращиванием. Это шпренгельная башня-мачта. Она занимает на местности небольшую территорию для размещения только ее основания. Надежное расчаливание длинномерного вертикального ствола обеспечивается статически определимыми преднапряженными расчалками. Такое расчаливание сохраняется и после окончания монтажа мачты на весь период ее эксплуатации.

Расчаливание по статически определимой схеме может выполняться при относительно острых углах относительно вертикали. Это уменьшает габаритные размеры сооружения и его материалоемкость.

Монтаж низкой башни-основания можно выполнять наращиванием с использованием легкого крана. А монтаж длинномерного гибкого ствола обеспечивается подращиванием секциями с выдвижением из башни-основания полиспастами.

Маневренное расчаливание ствола обеспечивается по статически определимой схеме. При этом все сборочно-монтажные работы выполняются на небольшой высоте у земли в благоприятных условиях. В связи с тем, что конструкция башни-мачты органично включает основные принципы новой технологии монтажа подращиванием, она может монтироваться в самых разнообразных географических и погодных условиях.

Статически определимая расчетная схема сооружения позволяет наиболее рационально использовать прочность материала и тем самым значительно снизить материалоемкость проектируемого объекта. Повышенная жесткость каркаса обеспечивается преднапряженными маневренными расчалками и не зависит от температуры окружающей среды. Схема расчаливания ствола и грузонесущих площадок обеспечивает задаваемую при проектировании стабильность (исключает перемещения и поворот сверх допустимых пределов).

Ключевое слово объекта "само-". Система трособлочного статически определимого маневренного расчаливания является самонапрягаемой. Вертикальность ствола самоустанавливается. Исключение поворотов и перемещений обеспечивается самофиксированием под действием тяжести ствола мачты.

При монтаже башенно-мачтовых сооружений подращиванием появляется возможность отказаться от использования фланцевых соединений секций в пользу монтажной сварки стыков поясов. Это позволит снизить аэродинамическое давление ветра на сооружение, улучшить его внешний облик и на 20-30% уменьшить материалоемкость.

На этапе экспериментальной проверки новая технология монтажа башенно-мачтовых сооружений доказывает свои неоспоримые экономические преимущества по сравнению с традиционными способами возведения башенно-мачтовых сооружений, а также обеспечивает упрощение и повышение безопасности монтажных работ.

Новая технология монтажа и новые конструкции башенно-мачтовых сооружений по защищенным патентами техническим решениям предлагаются к продаже.

Источники информации

1. Монтаж стальных и железобетонных конструкций. Справочник монтажника. Москва. Стройиздат. 1980
2. Металлические конструкции. Учебник под редакцией Ю.И. Кудишина. Москва. Издательский центр "Академия". 2007.
3. Изобретения по а.с. СССР: №№ 740708, 850570, 1219767, 1288153, 1362705, 1488421, 1601303, 1682503, 1693219, 1742450, 1788183.
4. Патенты РБ на изобретения: 6688, 9061.
5. Евразийские патенты на изобретения: 007168, 008913.