книги / Основы проектирования антенных конструкций

Рис. и з . Графики скоростного напора ветра и дснилщш пптеин РПЛ-2П и перископической:

/ —антенна РПА-2П; 2 —антенна перископической

Херсонская области, Северный Кавказ, Карпаты, под­ вержены интенсивным отложениям гололеда, повторяе­ мость которых доходит до 40 дней в году. Изморозь на­ блюдается чаще — до 60 дней в году. Объемный вес зернистой изморози в 3—4 раза меньше веса льда, а кристаллической — в 10 раз. Толщина отложения может быть более метра в горных местностях. Отложения из­ морози при низкой облачности, тумане, т. е. начиная с высоты 100 м, изучены пока слабо. На Дальнем Востоке часты отложения в виде замерзшего мокрого снега.

Лед на проводах одновременно с ветром — наиболее тяжелый вид нагрузки для сетей. Профилактическое по­ догревание проводов до положительной температуры, более дорогое, чем плавление льда, как правило, не при­ меняется. Лед на проводах плавят на отключенных по­ очередно секциях сети дв или сдв, специально приспо­ собленных для этой цели. В антеннах укв применяют подогрев конструкций или плавление льда.

В«Указаниях по определению гололедных нагрузок»

[8]даны карты районов территории страны по интенсив­

ности гололедных отложений (гололед — чистый лед, изморозь зернистая и кристаллическая, смесь, замерз­ шее отложение мокрого снега на предметах). На картах толщина стенки любого вида отложения приведена по весу к чистому льду, т. е. с объемным весом 0,9 г/см3. Нормативная толщина стенки гололеда на проводах и канатах при повторяемости один раз в 5 лет приведена в табл. 1.3; на остальных элементах сооружений она по­ нижается на 40% [4].

				Т а б л и ц а 1.3
Районы	I	II	III	IV	Особый
Толщина гололеда, мм	3	5	10	15	не менее
					20

П р и м е ч а н и е . Толщина стенки гололеда о особом и горных районах уточ­ няется на основании специальных изысканий

Большая часть территории страны — около 60% площади — относится к I району по интенсивности голо­ леда, 30% территории — ко II району, остальные районы (III, IV и особый) занимают только 10% площади. Основанием районирования послужили данные много­ летних наблюдений обледенения проволок на гололед-

22

ных станках, т. е. па высоте 2 м над поверхностью зем­ ли. Регулярные наблюдения за обледенением на боль­ ших высотах крайне редки.

При расчетах толщина стенки гололеда на проводах и стальных канатах в зависимости от их диаметра умно­ жается на поправочный коэффициент, приведенный в табл. 1.4. Толщина стенки гололеда на высотах до 100 м

умножается		на	поправочный		коэффициент,			приведен­
ный в табл. 1.5.
							Т а б л и ц а		1.4
Диаметр	провода		или ка­	5	10	20	30	50	70
ната, мм
Поправочный		коэффициент		1,1	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6
							Т а б л и ц а		1.5
Высота	над	по­	5	10	20	30	50	70	100
верхностью	земли
м
Поправочный			0,8	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2
коэффициент

Для высот 100 м и более, когда возможны отложения гололеда при прохождении слоистых или других облаков (нижняя облачность), тумане, толщина стенки гололеда с повторяемостью один раз в 5 лет определяется по табл. 1.6. Такие облака и туманы часты на западе Европейской части СССР, на Дальнем Востоке.

Высота над по­ верхностью земли

м

200

300

400

		Т а б л и ц а 1.6
Толщина стенки гололеда, мм
для I района голо-	для особого рай­	для остальной терри­
ледностн Азиат­	она н горных	тории СССР
ской части СССР	местностей
15	35	На основании
		специальных обсле­
		дований
20	45
25	60

*8

Промежуточные значения толщин гололеда или по­ правочных коэффициентов в табл. 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6 на­ ходятся линейной интерполяцией. Ветровая нагрузка на обледенелые провода и стальные канаты на высотах более 100 м увеличивается в 1,5 раза. Этим учитываются отложения изморози большей по толщине, чем гололед одинакового веса на единицу длины провода.

Коэффициент перегрузки гололедом принимается равным 1,3. Это соответствует требованиям обеспечен­ ности 20 лет. Скоростной напор ветра на обледенелые провода, канаты и конструкции принимается равным 0,25 q, где q — нормативный скоростной напор при рас­ чете на прочность. Для расчета проводов важна продол­ жительность гололеда различной толщины. Кристалли­ ческую изморозь и иней, как малого объемного веса, не учитывают в расчетах прочности сетей.

Районирование страны по интенсивности гололедных отложений явилось большим шагдм в нормировании нагрузок. Однако это не освобождает от уточнения их по материалам натурных наблюдений за отложениями гололеда на сетях и сооружениях.

Т е м п е р а т у р а . Роль	температуры	воздуха в
проектировании, повысилась	вследствие	появления

антенн свч, в которых учитывают температурные дефор­ мации конструкций, и распространения радиостроитель­ ства в области с очень низкими температурами воздуха (ниже — 40°С), когда обычные строительные материалы непригодны. ’

Натурными наблюдениями установлено, что для сла­ бо конической стальной оболочки башни, окрашенной в светло-серый цвет, разность температуры солнечной и теневой сторон достигает 35°С. Разница в температуре стержней решетчатых конструкций бывает до 15°С. Если при определении температурной деформации учитывают действие ветра, то скорость его принимают в два раза меньше, чем при проверке прочности конструкций.

При температуре воздуха ниже — 40°С сооружения из обычной строительной стали становятся особо чув­ ствительными к различным концентраторам напряже­ ний, к качеству электросварки. За расчетную отрица­ тельную температуру воздуха принимают температуру наиболее холодной пятидневки. Температура воздуха стандартной атмосферы понижается на 0,65°С на 100 м

21

высоты (ГОСТ 4401—64). Это иногда учитывают при проектировании антенн в горной местности.

Для расчета проводов и стальных канатов необходи­ мы экстремальные значения температуры воздуха. При большой положительной температуре провисшая нить может слишком приблизиться к окружающим ее предме­ там, полотну дороги, что опасно, если она находится под высоким электрическим потенциалом. При низкой отри­ цательной температуре может нарушиться прочность нити или произойти ее вытяжка с большими остаточны­ ми деформациями. Это будет при расчетном пролете меньше «критического», определяемого равенством до­ пускаемых напряжений материала нити при наибольшей поперечной нагрузке (гололед) и наинизшей температу­ ре. В расчетах нити на прочность принимают минималь­ ную температуру воздуха, а при проверке габаритов приближений — максимальную. В этих схемах допус­ кают меньшие габариты приближений и запасы прочно­ сти, а скорость ветра — равной нулю.

Средняя годовая температура воздуха важна как исходная в расчете оттяжек мачт, больших сетей.

Эстремальиые значения и средняя температура воз­ духа приводятся в климатологических справочниках. Температура при гололеде принимается чаще — 10°С; при большой (ураганной) скорости ветра — не более ±25°С; знак выбирается для наихудшей схемы загружения конструкций. Для расчета потерь в антеннах дв важны низшая и средняя за обледенение температуры льда на проводах.

Г е о л о г и ч е с к и е	и г и д р о г е о л о г и ч е с к и е
у с л о в и я . Грунтовые условия площадки строительства
обычно мало влияют на	стоимость антенны, поскольку

наземная часть в несколько	раз дороже фундаментов.
При жестких требованиях	деформативности антенн,

когда принимают во внимание и упругие перемещения фундаментов, грунтовые условия могут заметно пов­ лиять на стоимость конструкций. В этих случаях уточ­ няют величину модуля деформации грунтов, учитывая их обжатие от веса конструкций и глубину фундаментов. Дополнительно исследуют грунты на различной глуби­ не, что окупается снижением стоимости фундаментов.

При выборе площадки строительства избегают ме­ стностей, где возможны оползни, появление деятельных оврагов, образование карстовых пустот, каверн, трещин.

25

Карстовые явления характерны для легко выщелачивае­ мых водой пород грунтов, например, гипсов, ангидридов, известняков, гипсоносных конгломератов.

На юге Украины, в Средней Азии и Закавказье ши­ роко распространен лёсс, а южнее 55-й параллели — лессовидные породы. При строительстве в таких районах принимаются специальные конструктивные меры, вы­ полняются планировочные работы для отвода атмосфер­ ной воды от фундаментов сооружений и другое, если грунт площадки обладает просадочностыо, т. 'е. способен полностью терять своюпрочность (несущую способ­ ность) при замачивании водой.

Огромную часть (до 45%) территории СССР зани­ мают вечномерзлые грунты, фундаменты в которых вы­ полняют с учетом специальных требований, диктуемых возможностью больших просадок при оттаивании грун­ та или пучения — при замерзании. Часто фундамент вмораживают в мерзлый грунт. Электропроводимость мерзлых грунтов мала, поэтому размеры высокочастот­ ного заземления антенны определяют исходя из этих условий, а не при талом грунте, проводимость которого значительно больше.

В задании на инженерно-геологические изыскания указывают типы и основные размеры антенн, что позво­ ляет снижать объем работ на площадке. После ознаком­ ления с материалами предварительных изысканий конк­ ретизируют сведения о предполагаемых к осуществле­ нию сооружениях, их весе и нагрузках на фундаменты ; для дальнейших изысканий. Глубина бурения и шурфов для расчета анкеров может быть меньше.

С е й с м и ч е с к и е в о з д е й с т в и я . При строитель­ стве антенн в районах землетрясений (7 баллов и бо­ лее). предусматривают антисейсмические мероприятия, диктуемые правилами проектирования (9]. По ГОСТ 6249—52 принята 12-балльная шкала (Меркалли — Канкани) сейсмических воздействий. Семь баллов по этой шкале соответствуют ускорению 250 (2,5% земно­ го), 8 баллов — 500 (5%) и 9 баллов — 1000 мм/са (10%). В ряде стран за рубежом применяются и другие градации сейсмичности:

В районах с сейсмичностью 7 баллов и более допус­ кается уточнять балльность площадки строительства в сторону уменьшения или увеличения на один балл по материалам общих инженерно-геологических и гидрогео­

25

логических изысканий по согласованию с Госстроем рес­ публики.

При определении расчетной сейсмической нагрузки учитывают, что наиболее благоприятны для строитель­ ства невыветренные скальные породы, плотные и мало­ влажные крупнообломочные грунты. Неблагоприятными считаются насыщенные водой гравийные, песчаные и глинистые (макропористые), пластичные и текучие гли­ нистые (немакропористые) грунты. Сильно расчленен­ ный рельеф местности (обрывистые берега, овраги, ущелья и др.). выветренность и слитная нарушенность пород физико-геологическими процессами, близкое рас­ положение линий тектонических разрывов — неблаго­ приятны.

Строительство в районах с оползнями, осыпями, от­ валами, плывунами, горных выработок и т. п. допускает­ ся при соблюдении особых мер по повышению сейсмо­ стойкости сооружений.

Возводить антенны в районах с сейсмичностью 9 бал­ лов и при неблагоприятных геологических условиях не рекомендуется; если все же установка антенны необхо­ дима, строительство должно вестись с соблюдением осо­ бых антисейсмических мероприятий. Возведение соору­ жений в районах, где возможны сейсмические воздейст­ вия более 9 баллов, ведется по специальному разреше­ нию Госстроя республики и с соблюдением правил, указанных в технических условиях, разработанных и утвержденных для конкретных условий строительства.

С намеченной площадкой знакомятся по картам сейс­ мического районирования страны, учитывая при этом повышение расчетной силы землетрясения на один балл для объектов союзного или республиканского значения, например, мощной радиостанции, узловой станции ма­ гистральной радиорелейной линии [9].

ОБЩИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ АНТЕНН

Т р е б о в а н и я к к о н с т р у к ц и я м ант енн . Основная задача проектирования антенных со­ оружений — наиболее экономичное решение при соблю­ дении всех требований и обеспечении радиотехнических параметров и надежности.

Нормы и правила проектирования строительных кон­

27

струкций (СНиП) обязательны и для антенных устройств. В развитие их выпущены «Указания по проек­ тированию металлических конструкций антенных соору­ жений объектов связи» (СН 376—67).

Разработка нового типа антенны завершается часто опытной проверкой на модели-макете, при которой мно­ гие механические аспекты работы конструкции, связан­ ные с воздействием ветра, гололеда и с изменением тем­ пературы, ускользают. Модель можно выполнить с вы­ сокой точностью и мало деформируемой на открытом воздухе. Этого трудно достичь в натуре.

Характеристики антенн зависят от точности изготов­ ления и монтажа, величины допусков на которые опре­ деляютсядлиной волны. Ошибки при производстве не­ изменны во времени или медленно нарастают, чем они отличаются от отклонений конструкции при воздействии метеорологических факторов, случайных по своей приро­ де, и кратковременных, за исключением влияния темпе­ ратуры. Менее жесткие требования предъявляются к де­ формациям от внешних воздействий, что является след­ ствием статистического подхода при проектировании, ведущего к снижению стоимости антенны.

Отклонения поверхности отражателя антенны от проектной, вызванные неточностью изготовления, под­ чиняются с достаточной достоверностью нормальному закону распределения Гаусса. Величину допуска поэтому принимают приблизительно в 3 раза больше средней ошибки, что облегчает изготовление конструкций.

Требования к дефор^ативности антенны (линейные и угловые отклонения) предъявляются в виде величин, по­ лученных из заданной надежности работы всей линии связи, включая антенну. Это позволяет расчетную на­ грузку, зависящую от метеорологических факторов, на­ пример, от ветра или обледенения, принимать исходя из вероятности отказов других элементов, участвующих в передаче информации.

После установления допустимой деформации антен­ ны общий допуск распределяют между фундаментами, отдельными конструкциями и механизмами. При этом учитывают реальные возможности выполнения требова­ ний не только к моменту сдачи объекта, но и после ря­ да лет эксплуатации. Нельзя забывать о появлении де­ формаций от растекания внутренних напряжений при производстве, о снижении величины предварительного

23

напряжения стержней, вантов вследствие их вытяжки во времени. Антенны большой точности должны быть со стабильными во времени размерами, что достигается конструктивной формой и снижением остаточных напря­ жений, возникающих при сборке и сварке, в литых неотожженных деталях.

Вызванная медленно изменяющимися процессами потеря точности антенны восстанавливается специальны­ ми механизмами. Если имеется счетное устройство, об­ рабатывающее данные координат положения антенны, то ее деформацию учитывают в отсчете. Неравномерную осадку фундаментов компенсируют подкладками под опорные плиты поясов башен; в оттяжки мачт, гибкие тяжи или ванты включают звенья или натяжное устрой­ ство, устраняющее влияние вытяжки.

Одним из основных требований к радиотехническим параметрам передающих антенн является недопущение электрического истечения («корона», «факел») с прово­ дов и деталей сети. Удовлетворяется это требование вы­ бором соответствующего диаметра проводов, формы арматуры и механических деталей, скруглением их острых краев. Выравнивающие градиенты потенциалов кольца или экраны у изоляторов позволяют выполнять их меньшей высоты или длины, что проще. При потен­ циалах во много десятков и тем более сотен киловольт экранирование опорных изоляторов и гирлянд из мно­ гих изоляторов обязательно.

Надежность электрических контактов при токах в сотни ампер имеет большое значение. Необходимо поэто­ му особое внимание обращать на контактирование раз­ личных металлов, помня о снижении вибрационной стой­ ки деталей из-за интенсивности коррозии, способствую­ щей образованию и развитию трещин, являющихся на­ чальной причиной разрушения. Нажимной контакт ме­ ди с алюминием не разрешается. На контактах алюми­ ниевых деталей не допускают окисления, повышающего электрическое сопротивление.

Электромагнитные волны оказывают вредное воз­ действие на человеческий организм, если величина на­ пряженности поля более безопасной. В этой связи распо­ ложение антенн допускается на определенном расстоя­ нии от места постоянного нахождения людей. Защитное заземление высоких конструкций и оттяжек мачт обя­ зательно.

29

П у т и	к о н с т р у к т и в н о г о с о в е р ш е н с т в о ­
в а н и я .	Возросшие требования к антеннам привели к

необходимости привлечения при проектировании ряда смежных разделов науки. Рост высоты и облегчение конструкций заставляют углубляться в специальные разделы строительной механики, теорию колебаний, аэродинамику. Использование в расчетах прикладной климатологии, теории вероятностей и математической статистики позволяет, не снижая надежности связи, бо­ лее экономно решать конструкции исходя из заданной обеспеченности передачи информации, в которой участ­ вуют и антенны.

Задачи, выдвигаемые разработчиками антенн перед строителями и механиками, заставляют искать новые пути создания конструкций. Одним из прогрессивных направлений является совмещение радиотехнических и механических функций в одном элементе, т. е. когда активный элемент сам обеспечивает необходимую проч­ ность, устойчивость и заданное местоположение в антенне. Примером совмещения функций могут служить широко распространенные мачты-антенны. Антенной является одна мачта вместо двух с подвешенной к ним сетью. В ряде случаев активен в радиотехническом, смысле не только ствол, но и часть оттяжек участвует в излучении (см. рис. 1.2).

Провода антенны ранее выполняли только функции излучающего элемента; их поддерживали в проектном положении с помощью несущих стальных канатов. Ти­ пичный пример ’— Т-образные антенны св. В антеннах дв с возросшими размерами полотен применяют прово­ да повышенной механической прочности, позволяющие обходиться без леерных (несущих) канатов. Сталеалю­ миниевые провода марок АСУ-300 и АСУ-400, т. е. с усиленными стальными сердечниками, перекрывают пролеты до 600 м. В антенне СГД-РН без леерной под­ вески верхний этаж вибраторов, нагруженный больше, выполняют из биметаллической проволоки (сталемед­ ной) диаметром 6 мм, а вибраторы нижних этажей — из проволоки 4 мм. Такой конструктивный прием, наря­ ду с более точной методикой расчета сети, позволяет, отказавшись от несущих канатов, снижать на 10—15 м высоту башен. Большое число решенных так антенн СГД-РН успешно эксплуатируется десятки лет.

Апериодические рефлекторы из оцинкованных сталь­

30