Общие сведения о металлических опорах
Металлические опоры по сравнению с деревянными опорами имеют больший срок службы, не разрушаются грозовыми разрядами, могут сооружаться очень большой высоты и имеют лучшее архитектурное оформление.
К недостаткам металлических опор следует отнести сравнительно высокую стоимость, большой расход металла, необходимость периодической защиты от коррозии, а также необходимость в выполнении более квалифицированных операций (сварка, расверловка, клепка и т. п.).
Основным материалом для изготовления металлических опор является конструкционная углеродистая сталь марки «Ст. 3 нормальная». В последнее время для изготовления металлических опор линий напряжением 220 кв и выше находит применение низколегированная сталь НЛ-2, имеющая лучшие механические характеристики и позволяющая сократить расход металла на 1 км линии. Ниже приводятся основные механические характеристики прокатных углеродистых сталей, применяемых для сооружения металлических опор.
Для металлических опор используется в основном профильная сталь, однако в некоторых энергосистемах СССР и за рубежом применяются стальные и дюралюминиевые трубы. Согласно нормам минимальное сечение уголков профильной стали для сварных конструкций принимается равным 35x35X5 мм, а для клепаных конструкций 40X40X5 мм.
Основная колонна (ствол опоры) по конструкции представляет собой легкую решетчатую пространственную ферму прямоугольного или квадратного сечения, состоящую из одной или нескольких секций.
Каждая секция состоит из следующих элементов:
а) четырех основных стержней, называемых поясами, пояса работают на изгиб и растяжение (сжатие);
б) системы вспомогательных стержней или решетки, связывающей между собой пояса; стержни решетки обычно работают на кручение;
в) нескольких горизонтальных связей, называемых диафрагмами; они необходимы для обеспечения пространственной неизменяемости формы поперечного сечения колонны.
У широкобазных опор ствол опоры у земли (нижняя секция) представляет собой две или четыре ноги, соединенные решеткой и диафрагмами.
Места соединения стержней решетки с поясом или между собой называются узлами. Центром узла называют точку пересечения продольных осей стержней. Часть пояса, расположенная между двумя соседними узлами, называется панелью, а расстояние между центрами этих узлов — длиной панели.
Траверсы у большинства опор выполняются в виде консольных конструкций треугольной формы из уголков. У опор линий 220—500 кв, а также у различных типов специальных опор траверсы выполняются в виде пространственных ферм квадратного или прямоугольного сечения. В некоторых конструкциях опор траверсы делаются из швеллеров.
Тросостойки выполняются в виде легких конструкций из уголков или швеллеров.
Оттяжки крепятся к верхней части опоры и к специальным железобетонным плитам, зарытым в землю. Для оттяжек используются высокопрочные стальные тросы или круглая сталь.
В качестве оснований под металлические опоры используются монолитные железобетонные фундаменты, сборные железобетонные фундаменты, свайные железобетонные фундаменты, а также металлические подножники. В ряде стран (Швеция, Финляндия и др.) фундаменты под опоры выполняются из деревянных пропитанных шпал, соединенных стальными накладками.
Стальные стержни в узлах опоры соединяются посредством клепки, сварки или на болтах. Способ соединения выбирается в проекте опоры, и его надо строго выполнять. Если принято решение заменить один способ соединения другим, следует произвести проверочный расчет механической прочности узла при новом способе крепления стержней. Заклепочные соединения, бывшие ранее одним из основных методов соединения элементов металлических опор, в настоящее время почти полностью вытеснены сварными и болтовыми как в заводских условиях, так и на монтаже.
Сварка является одним из наиболее распространенных способов соединения стержней при изготовлении металлических опор.
Небольшая стоимость сварного соединения в заводских условиях, относительное снижение веса сварных конструкций и их высокая надежность обусловили широкое применение этого способа соединения стержней перед другими. Обычно на заводах сварными изготовляются отдельные секции металлических опор, соединяемые на пикетах при помощи болтов. Использование болтовых соединений в монтажных узлах позволяет отказаться от производства сварочных работ на пикетах, упростить процесс монтажа опор, который может производиться без применения специальных инструментов и механизмов. Недостатками болтовых соединений являются снижение надежности за счет неравномерного распределения усилий между болтами, а также значительная затрата метизов (болтов, гаек и шайб).
В последние годы в ряде стран и в СССР сооружены линии напряжением 220—380, металлические опоры которых выполнены полностью на болтовых соединениях. Такое решение позволило повысить транспортабельность этих опор, что имеет существенное значение при строительстве линии в горных или малонаселенных районах. В этом случае опоры полностью собираются на пикетах из отдельных элементов профильной стали, собранных при транспортировке в пакеты.
Ствол опоры крепится к основанию с помощью анкерных болтов, приваренных к арматуре и заделанных в железобетон. Если основанием служит металлический подножник, применяются съемные анкерные болты.
В энергосистемах Советского Союза находятся в эксплуатации металлические опоры самых разнообразных конструкций. Из всего многообразия опор следует выделить по конструктивным особенностям, а также по особенностям монтажа и эксплуатации четыре основных вида: узкобазые, широкобазые, портальные и опоры с оттяжками.
Опоры с узкой базой имеют отношение ширины базы к высоте опоры около 1:12 — 1:14. Благодаря небольшому расстоянию между поясами решетка у таких опор получается простой. Опора занимает мало места и находит широкое применение при сооружении линий в промышленных районах и горной местности. Основанием под такие опоры служат монолитные железобетонные фундаменты, металлические или железобетонные подножники, а также свайные фундаменты. Опоры с узкой базой транспортабельны. Вследствие простоты конструкции возможно удлинение ствола опоры на 60—100% за счет добавления дополнительных секций.
Опоры с широкой базой имеют отношение ширины базы к высоте опоры около 1:4 — 1:5 и ширину в поперечнике нижней секции более 2,7 м. Благодаря широкой базе пояса опоры значительно облегчаются, но решетка опоры получается сложной и тяжелой, что увеличивает вес опор этого типа по сравнению с узкобазыми. Для транспортировки опоры требуется больше транспортных средств, коэффициент использования железнодорожных вагонов ниже. Для транспортировки нижние секции опоры приходится расчленять, так как габарит железнодорожного вагона равен 2,74 м, и окончательную сварку отдельных секций производить на линии. Преимуществом этого типа опор является возможность применения относительно легких сборных железобетонных подножников, обеспечивающих достаточную устойчивость при расчетных нагрузках. Фундаменты широко-базых опор работают или на сжатие, или на вырывание грунта.
Опоры портального типа состоят из пространственных ферм, соединенных у вершины траверсой. Опоры этого типа применяются на линиях 220—500 кв, где имеют место большие расстояния между проводами и большие внешние нагрузки. Выполнение поперечных граней прямоугольной формы и небольшой ширины (0,5—0,8 м) значительно упрощает изготовление решетки.
Угловые портальные опоры имеют дополнительно один или несколько подкосов в виде легкой пространственной фермы квадратного или прямоугольного сечения, которые связывают опоры с фундаментом противоположной колонны или опираются на отдельные фундаменты.
Опоры с оттяжками применяются при строительстве линий электропередачи в Советском Союзе с 1924 г., когда на ЛЭП Шатура — Москва были установлены опоры конструкции инж. Красина. Основное, преимущество такого типа опор — экономия металла, а следовательно, и снижение стоимости линии. Недостатком этого типа опор являются большая площадь, занимаемая опорой, и некоторое усложнение эксплуатации.
Кроме перечисленных типов опор, на особом месте находятся специальные опоры самой разнообразной конструкции, устанавливаемые на переходах через большие водоемы, ущелья и различные инженерные сооружения.
