Проблемы разработки и особености расчета конструкций многогранных опор и их закреплений

Во все времена вид любой строительной конструкции, в нашем случае опоры линий электропередачи, определяется предъявляемыми к ней требованиями, критериями.

Так, в период массового строительства линий электропередачи высокого напряжения в 60-70-е годы, когда темпы ввода их в строй достигали 35 тыс. км в год, перед проектировщиками стояла задача обеспечить проектами такие объемы строительства.

Была разработана серия унифицированных конструкций, охватывающих все возможные условия их эксплуатации.

При разработке решетчатых конструкций металлических опор во главу угла ставился критерий экономии стали. Этот же критерий определил тогда и направление на развитие железобетонных опор для ВЛ до 500 кВ включительно.

Наличие унифицированных конструкций и разработанных типовых способов их закрепления позволило резко сократить сроки проектирования. Однако, за эту скорость приходилось платить 15-20% увеличением массы металла (бетона) на ВЛ.

На основании анализа расстановки опор в реальных проектах ВЛ 330 кВ выявлено, что лишь 3–5% опор используются на расчетные нагрузки, остальные конструкции имеют существенные запасы, которые резко (в разы) возрастают на заходах ВЛ на ПС, при прохождении по местам застройки и т. п. Это объясняется необходимостью устанавливать конструкции из имеющегося, хотя и достаточно широкого, набора без их корректировки по месту в зависимости от реальных условий.

Существующие излишки металла, к сожалению, ни в коей мере не увеличивают надежность ВЛ в целом, т. к. разрушение при аварии происходит, по теории слабейшего звена, на наиболее нагруженных участках ВЛ, имеющих минимальные запасы прочности.

В настоящее время экономические приоритеты нашей страны существенно изменились. К критериям минимизации веса металла в конструкциях добавились требования сокращения затрат на всех этапах существования ВЛ (проектирования, изготовления, транспортировки, строительства и эксплуатации).

При несомненном обеспечении требований надежности и долговечности на первый план выступают задачи:

Решить эти задачи позволяют конструкции опор из элементов многогранного профиля.

Преимущества этих конструкций были оценены еще 20 лет назад, когда были созданы первые унифицированные многогранные опоры, секции которых соединялись тогда на фланцах. Изготовленные на Волгоградском заводе, они были установлены на участках ВЛ в Западной Сибири.

В Европе и Америке эти конструкции давно заняли достойную нишу. Оттуда же к нам пришли и новые технологии изготовления многогранных опор. Современное заводское оборудование позволяет с высокой точностью изготавливать элементы конструкций. Стойки опор соединяются между собой при помощи телескопических стыков, что, несомненно, делает их более эстетичными.

В существующих рыночных условиях, учитывая возможности современного программного обеспечения и принципиально новой технологии изготовления и сооружения опор, требования к проектировщикам ВЛ значительно повышаются.

Критерий обеспечения надежности конструкций, заложенный в нормативных документах, должен быть выполнен при минимальном расходе материалов.

В ФСК, в рамках Целевой программы по внедрению опор на многогранных стойках, будут разработаны и оптимизированы основные схемы промежуточных и анкерно-угловых опор. Предложены и испытаны конструктивные решения узлов соединения стоек опор с фундаментами, траверс и тросостоек со стойками. Конструктивно удовлетворены требования служб эксплуатации по безопасному подъему и перемещению по опоре, по проведению ремонтных работ под напряжением и др.

При конкретном проектировании эти опоры должны быть легко изменяемыми для их использования в конкретных условиях путем изменения толщины стального листа (стенки сечения), высоты секций без изменения конструкции узлов соединения элементов.

Этот индивидуальный подход позволит не допускать перерасхода металла, который был заложен в идеологии унифицированных конструкций (кубиков).

Наш институт не первый год работает над проектами опор ВЛ 110, 220 кВ.

В этом году в рамках целевой программы разработаны конструкции промежуточных одноцепных и двухцепных опор ВЛ 330 кВ.

Широкое внедрение новых конструкций в реальные проекты возможно при решении проблемы их закреплений.

Нагрузки в основании многогранных опор определяются, в основном, величиной опрокидывающего момента. Величина момента изменяется от 60 тм для опор ВЛ 35, 110 кВ до 600 тм для опор 500 кВ. Такие высокие нагрузки на фундамент объясняются возможностью использовать несущую способность поперечного сечения многогранных опор при значительном, по сравнению с железобетонными опорами, увеличении высоты подвески провода, увеличении длины пролета и минимизации затрат стали на опоры на километр трассы.

Наиболее близкой по схемам закрепления к многогранным опорам являются закрепления железобетонных центрифугированных стоек. Реальные пролеты между опорами, т. е. нагрузки на опоры, определяются максимально возможной несущей способностью материала стойки. Для стоек диаметром 650 мм максимальный момент в заделке не превышает 50 тм. Все типовые решения по закреплениям приняты для восприятия этих нагрузок. Машины для бурения отверстий этого диаметра разработаны из условия необходимости погружения стоек на глубину до 4 м. Таким образом, погружение цилиндрического фундамента в котлован диаметром до 800 мм на глубину до 4 м даже при усилении конструкции ригелем может быть использовано в хороших грунтах для закрепления многогранных опор ВЛ напряжением до 110 кВ.

При разработке возможных способов закрепления опор 330 кВ грунты были условно объединены в 8 характерных групп.

Рассмотрена возможность использования существующих способов закрепления опор и предложены новые решения.

- Монолитные железобетонные фундаменты, возводимые в копаном котловане,

- Монолитные ростверки на свайном основании,

- Сборные фундаменты на типовых подножниках,

- Одностоечные цилиндрические фундаменты диаметром свыше 800 мм,

- Двухстоечные цилиндрические фундаменты диаметром до 800 мм,

- Одностоечные цилиндрические фундаменты, усиленные винтовыми сваями,

- Скальные заделки.

Определена область их применения в выделенных группах грунтов. Каждое из рассмотренных решений имеет свои положительные и отрицательные стороны.

При выборе конкретного способа закрепления в проектах ВЛ должны быть проанализированы следующие показатели:

*известной, имеющейся в наличии,

*специальной, не имеющей широкого распространения в электросетевом строительстве,

*новых образцов техники, требующих изготовления и испытания.

В общем случае, оптимальным будет фундамент, который удовлетворит всем требованиям норм по прочности и устойчивости при минимальных затратах на его изготовление, транспортировку, строительство и эксплуатацию.

Однако критерии выбора конкретного фундамента всегда уточняются при строительстве реального объекта.

Перспективы внедрения предлагаемых новых способов закрепления опор.

Для успешного внедрения новых видов фундаментов разрабатывается специализированная машина, способная проводить бурение скважины диаметром 1300 мм на глубину до 7 м. Эта машина будет являться модификацией выпускаемой Алапаевским заводом «Стройдормаш» машины для завинчивания свай МВ-85. Новая техника позволит вести комплексные работы по сооружению фундаментов как на винтовых сваях, так и на сваях – оболочках.

Планируется разработка фундаментов на сваях-оболочках, заглубляемых с помощью вибропогружателей.

Рассматривается вариант изготовления буро-набивных фундаментов большого диаметра.

В настоящее время ведутся испытания фундаментов из сваи-оболочки, усиленной металлическим ригелем.

Особенности конструирования и расчета конструкции многогранных опор:

При определении геометрической схемы и размеров многогранных опор учитываются следующие условия:

Расчет многогранной опоры производится согласно СНиП. При качественной оценке многогранной опоры проверяют прочность, общую и местную устойчивость элементов. На сегодняшний день в НИЛКЭС написана прикладная программа для расчета опор из гнутого профиля.

Особый интерес при разработке многогранной опоры представляют расчеты стыка секций, фланцевого соединения опоры к фундаменту, узлы крепления траверс к стволу опоры.

На сегодняшний день в опорах, разработанных НИЛКЭС, секции соединяются с помощью телескопического стыка. Нахлестка принята 1.8 среднего диаметра стыка, данная величина принята условно из анализа опыта проектирования зарубежных организаций. В настоящее время нами ведется работа по уточнению этого размера с помощью расчета и испытаний. Согласно конечноэлементному расчету, выполненному в программе SCAD, размер нахлеста секций может быть уменьшен. Нами путем испытаний предполагается проверить возможность уменьшения величины нахлеста секций. Также нами оценивается вероятность прокручивания секции относительно друг друга. Как показывает численный расчет прокручивание наступает при большом значении крутящего момента (950 тм), данная часть вопроса также должна проверяться путем испытаний.

В настоящее время нет единой методики расчета фланцевого соединения опоры к фундаменту. На данном этапе нами проработаны различные известные методики расчета фланцевых соединений (учебники Беленя, Мельников, детали машин). На сегодняшний день, основываясь на существующих расчетах, нами предлагается методика определения усилий в болтах таких соединений и толщины фланцев с учетом податливости элементов (стойки, болтов, самого фланца). Предлагаемая нами методика проверена в программе SCAD, которая дает сходимость с предлагаемым методом расчета усилий в болтах и толщины фланца.

Сейчас нами прорабатывается методика расчета узлов крепления траверс: определение усилий в болтах, толщина фланца и пластины. При расчете данного узла мы применяем существующие методики (методика определения усилий в болтах, методика определения толщин платины и фланца) в комплексе.

Сегодня решены ряд задач:

Мы продолжаем работать в этом направлении, сегодня прошли испытания опор и узлов одностоечных одноцепных и двухцепных промежуточных многогранных опор для ВЛ 330 кВ. Путем испытаний мы предполагаем подтверждение, уточнение и последующую корректировку наших численных методик. В дальнейшем в рамках целевой программы ОАО «ФСК ЕЭС» мы планируем разработать другие типы опор и закреплений к ним на напряжение 330 кВ, а так же конструкции на более высокое напряжение – 500 кВ. Будут так же проводится ряд испытаний, путем которых будут оттачиваться наши методики расчета узлов и соединений многогранных опор.

Новые многогранные опоры будут качественными не только в плане прочности и устойчивости, но и дадут возможность обеспечения технического обслуживания и проведения ремонтных работ под напряжением, что на сегодняшний день требует ПУЭ.

Источник: Третий международный электроэнергетический семинар