Загальна характеристика опор антенних споруд зв’язку

Теоретичні і конструктивні розробки антен для космічного зв'язку, зроблені в різних країнах світу, спрямовані на оптимізацію їхніх конструктивних рішень, у результаті якої розширюються можливості використання антен для роботи на більш коротких довжинах хвиль, збільшаться розміри антен, зменшиться їхня вартість і скоротяться терміни будівництва.

Теоретичні дослідження в області оптимальних конструктивних форм повноповоротних дзеркальних антен, що проектуються з 1956 р., а також досить великий досвід по їх виготовленню і будівництву говорять про доцільність застосування в несущих каркасах полярно-симетричної структури розташування силових елементів із членуванням їх на просторові габаритні блоки заводського виготовлення. Таке рішення, забезпечуючи регулярність деформаційної картини поверхні, що відбиває, а виходить, і малі перекручування теоретичного профілю, переносить усю складність виготовлення каркаса антени з монтажної площадки на завод. Монтажні операції в цьому випадку зводяться до зборки і стикування обмеженої кількості блоків і не супроводжуються додатковими втратами точності.

Розвиток конструктивних форм опор різного призначення йде по шляху удосконалювання конструкцій веж і щогл, з одного боку, і впровадження нових матеріалів, з іншого.

Дослідження останніх років показали економічну доцільність застосування для щогл невеликої висоти залізобетонних стовбурів, постачених вантами з високоміцних тросів. Ці дослідження, що мали метою створення конструктивних форм легких висотних опор (веж і щогл), проводилися в наступних напрямках: установлення динамічного впливу вітру і вивчення на моделях і в натурі коливань тіл циліндричної й іншої конфігурації у вітровому потоці; вибору типів перетинів і використання методу попередньої напруги елементів ґрати. Крім того, у ряді систем з великим числом антен враховувалася спільна робота окремих щогл і антен як комбінованої системи.

Пошуки оптимальних аеродинамічних показників, правильне визначення вітрового навантаження, заміна твердих розкосів ґрат гнучкими з попередньою напругою, а кутових стрижнів стовбура трубчастими дозволили знизити масу опор у 2-2, 5 рази.

Варто мати на увазі, що розвиток телебачення накладає специфічний відбиток на умови утворення конструктивних форм телевізійних опор. В даний час антени і фідери настільки значні по своїх розмірах, що вітрові навантаження на них перевищують навантаження на стовбур опори. Наприклад, якщо вітрове навантаження на стовбур вежі типу 1942 р. досягали 85% загального вітрового навантаження, то для телевізійних веж, запроектованих в останні роки, вона складає усього лише 40%. Такий розподіл вітрового навантаження вимагає ретельного вибору конструктивного рішення опор, що враховує необхідність усілякого зниження вітрового навантаження на технологічні конструкції (вібратор, фідери, радіотехнічне устаткування й ін.).

 

 

Антенні споруди – вежі, щогли і радіотелескопи – призначені для розміщення на них технологічного і радіотехнічного устаткування для радіооповіщення, телебачення, земного і космічного зв'язку і т. п. Відмінна риса опор – веж і щогл – велика висота (у порівнянні з розмірами поперечних перерізів), тому їхньої конструкції розраховують в основному на метеорологічні навантаження – вітер, зледеніння, температуру. Відмінна риса радіотелескопів – велика поверхня антен. Їхні конструкції повинні задовольняти твердим вимогам деформації.

Розвиток радіомовлення, телебачення й електроніки викликало до життя антенні спорудження з новітніх будівельних матеріалів. Усі вони поділяються на два типи. Перший тип – антенні спорудження з розчленованими технологічними й інженерними функціями. Це вежі і щогли, що підтримують дротові, турнікетні, гостронаправлені, рупорні, параболічні та інші антени, а також різні-спеціальні пристрої. Другий тип – антенні спорудження зі сполученими технологічними й інженерними функціями. Це радіотелескопи і їхній різновид – інтерферометри.

Вежа – це жорстко забита в підставі консоль висотою 30-500 м і більш. Як правило, вежі бувають ґратчастими з трикутним, квадратним чи багатокутним поперечним перерізом. Аналіз показав, що їхня маса росте зі збільшенням числа граней поперечного переріза. Тому що опори працюють в основному на вітрове навантаження, важливо вибрати тип поперечного переріза елементів веж. Наприклад, застосування перетинів із труб у порівнянні з перетинами з куточків знижує масу вежі більш ніж у 2 рази.

У залежності від технологічних, інженерних і економічних вимог, а також від технічного рівня будівництва у світі створено безліч типів телевізійних веж, різних по своїх розмірах і формі. Будують вежі зі сталі, сплавів алюмінію і з залізобетону. Останній застосовують в основному в європейських країнах. Залізобетонні опори, як правило, бувають висотою від 40 до 200 м. Найвища в Європі залізобетонна вежа висотою 537 м споруджена в Москві. У 1974-1975 р. у Торонто (Канада) побудована вежа висотою 550 м.

Щогла – це жорстко забита в підставі чи шарнірна консоль, що, на відміну від веж, підтримується системою пружних опор – відтягнень. Перетин щогл може бути круглим суцільним, трикутним і квадратним ґратчастим.

Також розроблені циліндричні щогли з крутопоставленими відтягненнями, прикріпленими до стовбура реями. Вони займають проміжне положення між вежами і щоглами із широкими розставленими відтягненнями. Ці щогли доцільно застосовувати на затіснених територіях.

Антенні споруди для самого короткого діапазону радіохвиль перетворилися в складні інженерні споруди – радіотелескопи. Так, площа антени (дзеркала) радіотелескопа, що уловлює радіосигнали з космосу, досягає 100 тис. м2.

Проводяться дослідження конструктивних форм веж, щогл і радіотелескопів. Вони установили вплив на спорудження вітрового навантаження в експериментальних умовах і натурі, коливання опор різної конфігурації, оптимальні типи перетинів їхніх елементів і можливість використання при конструюванні антенних споруджень методу попередньої напруги.

Пошуки оптимальних аеродинамічних показників, правильне визначення вітрового навантаження, заміна твердих розкосів ґрат опор гнучкими, попередньо-напруженими, а стрижнів стовбурів з куточків трубчастими стрижнями – усе це сприяло прогресу в конструюванні антенних споруд. На підставі проведених досліджень установлено, що опори повинні мати такі форми, при яких вплив вітрового навантаження буде найменшим.

При створенні радіотелескопів однієї з багатьох проблем є деформатівність дзеркала. Труднощі її вирішення пов'язані з тим, що, якщо деформації від зовнішніх впливів можна зменшити шляхом збільшення конструктивних перетинів, то для зменшення деформацій від ваги конструкцій необхідна зміна схеми спорудження і співвідношення його параметрів.

Конструктивні форми опор пройшли великий шлях розвитку й удосконалювання. Ще на початку XX в. з'явилися оригінальні вежі Шухова у виді сітчастих гіперболоїдів обертання, що знайшли застосування в Росії і за її межами. Зараз найбільше число опор – це ґратчасті вежі, що беруть свій початок від вежі Эйфеля. У Росії, США, Англії і Японії вони досягають 350 м. Ще велику висоту мають ґратчасті щогли, виконані в основному з труб. У багатьох країнах застосовують конструкцію щогл у вигляді труби з листової сталі. Найвища у світі щогла (535 м) зведена в м. Кейп-Джирардо (США),

Порівняльний аналіз показав, що найменш економічні з всіх опор – залізобетонні вежі. Їх будують у тих випадках, коли первісна вартість опори не так істотна. Дослідженнями голландських інженерів установлена межа їхньої раціональної висоти – 100 м, тому в Голландії почали будувати опори комбінованого типу, нижня частина яких виконана з залізобетону, а верхня – з металу.

 

 

Рис. 1. Вежа Шухова

 

Рис. 2. Вежа висотою 205 м

 

Рис. 3 Телевізійна вежа

 

Рис. 4. Вежа висотою 330 м в Токіо

 

Рис. 5. Щогла висотою 1000 м

 

Рис. 6. Радіотелескоп в Манчестері

 

 

Вартість опори не завжди є основним критерієм вибору її конструктивної схеми. Велике значення мають технологічні й архітектурні вимоги. Усім цим вимогам задовольняють металеві, залізобетонні і комбіновані вежі, а також ґратчасті і трубчасті щогли. Вибір того чи іншого типу опор залежить від конкретних умов у кожнім окремому випадку.

Якщо опору використовують не тільки для радіотехнічних цілей, то будують металеві чи залізобетонні вежі, у противному випадку – ґратчасті щогли. Трубчасті щогли в порівнянні з ґратчастими мають переваги в обслуговуванні й експлуатації: у них створюється закритий простір для розміщення ліфта і комунікацій.

При висоті до 150 м число веж і щогл приблизно однакове. При великих висотах вежі будують рідше, тому що їхня вартість у порівнянні з щоглами різко зростає.

Динамічний вплив вітрового навантаження в залежності від висоти антенних споруд у різних країнах приймають по-різному, найбільше воно в Японії, удвічі менше в Англії і значно менше у всіх інших країнах. При виборі типу опор враховують також, що період власних коливань веж менше, ніж щогл тієї ж висоти.

З розвитком антенних систем питома вага постійних і технологічних навантажень зростає, тому виникає необхідність перегляду конструктивних форм опор під кутом зору зниження «парусності» технологічних пристроїв і устаткування. Так, вперше в нас у країні були створені трубчасті щогли діаметром 1, 6-2, 5 м із системою вант із реями. Вони відповідають основним принципам аеродинамічного підходу, оскільки їхні технологічні пристрої (фідери, хвилеводи і т. п.) розміщаються в стовбурі труби.

При створенні антенних пристроїв на опорах великої висоти серйозну увагу приділяють проблемі тривалого зледеніння. Деякі антенні системи мають ниткові поверхні, міцність яких відповідає величині ожеледі, що допускається, для опорних систем. Значно менша міцність ниток у порівнянні з конструкціями опор робить останні невразливими для ожеледі.

Донедавна опори в Європі і США були виняткові металевими. Лише в 50-х роках у Японії, Данії і з'явилися залізобетонні і комбіновані опори висотою до 200 м. У США, як правило, будували тригранні вежі і щогли. У Європі зустрічаються і багатогранні опори, наприклад шестигранна вежа в Мілані висотою 110м.

 

 

1. Леванов Н. М. Металлические конструкции в городском строительстве. М., 1989.

2. Мельников Н. П. Металлические конструкции. М., 1983.

3. Царинник О. Ю. Металлические конструкции. М., 1991.