Фундамент из винтовых свай под мачты и вышки
Статья расскажет о мачтовых конструкциях и вышках, их особенностях, достоинствах и недостатках, а также о проектировании фундамента из винтовых свай под мачту или вышку.
Содержание статьи:
1. Особенности мачтовых конструкций
2. Плюсы и минусы мачтовых конструкций относительно башенных
4. Проект фундамента из винтовых свай под ячейковый портал и мачты освещения
Сегодня в строительстве широкое распространение получили металлоконструкции, которые применяются в качестве несущих каркасов зданий, в большепролетных покрытиях, обшивках стеновых и кровельных панелей и других инженерных сооружениях.
Металлоконструкции можно классифицировать следующим образом:
- строительные металлоконструкции: каркасы зданий, арматурные сетки, листовые сплошностенчатые конструкции, высотные сооружения;
- ограждающие конструкции, колонны;
- обслуживающие конструкции.
Высотные сооружения – сооружения, высота которых значительно превышает их размеры в поперечном сечении. Они в большей степени работают на восприятие горизонтальных нагрузок, при этом основным типом воздействия является ветровое.
К высотным сооружениям относят:
- опорные конструкции (мачты линий электропередач);
- мачты (вышки): телевизионные, радио- и радиорелейные, сотовой связи, осветительные, метеорологические;
- башни.
Основные составляющие мачт (вышек) и башен:
- рабочая площадка или шатер;
- ствол с лестницами, промежуточными площадками;
- фундамент.
1. Особенности мачтовых конструкций
Мачта (вышка) – вертикальное высотное сооружение, шарнирно или защемленно опирающееся на фундамент и удерживаемое натянутыми и наклонно идущими к земле стальными канатами-оттяжками в один или несколько ярусов.
Конструкции мачт:
- решетчатая трех- или четырехгранного сечения;
- листовая в виде сплошной трубы;
- комбинированные решения.
На ствол мачтовой конструкции оказывают воздействие:
- собственный вес и вес оборудования;
- вертикальная составляющая тяжения оттяжек;
- гололедные нагрузки;
- ветровые нагрузки.
Основной при расчетах является именно ветровая нагрузка, которая составляет 70-80% итоговой. Чем больше высота сооружения, тем выше интенсивность ветрового воздействия.
Оттяжки мачт (вышек) проектируют из стальных канатов, закрепляя их к якорям. Оттяжки разных ярусов размещаются параллельно друг другу или сводятся в одну точку.
При параллельном размещении усилие в оттяжках снижается, как и вертикальная составляющая воздействия на ствол, но площадь, необходимая для установки мачтовой конструкции, увеличивается.
2. Плюсы и минусы мачтовых конструкций относительно башенных
Главное достоинство мачт (вышек) – низкая цена: при высоте до 150 м мачтовая конструкция обходится на 20-30% дешевле башенной. С увеличением высоты сооружения этот разрыв только увеличивается.
Минусы мачт:
- для установки необходима большая площадь;
- растяжки необходимо регулировать/заменять через определенные промежутки времени;
- больше сложностей возникает при монтаже и эксплуатации технологического оборудования.
3. Фундамент мачты
Башни и мачты часто возводят в труднодоступных местах, а также на просадочных и многолетнемерзлых основаниях. В связи с этим наиболее востребованное решение для фундаментов таких конструкций – винтовые сваи.
Отдел НИОКР ГК «ГлавФундамент» разработал проект фундаментов однопролетного ячеистого портала и мачт освещения, в рамках проекта по организации электроснабжения межвидового полигона Южного военного округа, расположенного в Астраханской области.
4. Проект фундамента из винтовых свай под ячейковый портал и мачты освещения
На основании имеющихся данных специалисты компании выполнили численный расчет несущей способности винтовых свай.
В качестве основания свай был принят песок пылеватый коричневый, светло-серый, плотный, насыщенный морской водой, с включениями обломков раковин с прослоями суглинка.
В рамках выполнения расчетов было проведено численное моделирование НДС грунта вокруг винтовой сваи, сама свая моделировалась с использованием упругой модели. Были получены полные значения деформаций грунтового массива и график зависимости осадки сваи от передаваемой на нее нагрузки.
Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния показал, что максимальное сопротивление сваи по грунту и материалу превышает максимальную проектную нагрузку на сваю при условии, что фундамент будет состоять из винтовых свай и стальных ростверков круглой формы. Каждая из свай будет связываться с ним при помощи 8 косынок треугольной формы с катетами 200 мм, расположенными по стволу сваи под углом 45 градусов по отношению друг к другу, что должно обеспечить равномерную передачу нагрузки от конструкции к свае.
В заданных грунтовых условиях применение используемой в расчетах конструкции обеспечивает выполнение условий по несущей способности и устойчивости.
Однопролетный ячейковый портал применяется для открытого распределительного устройства (ОРУ) 110 кВ. Обычно порталы для ОРУ такого напряжения разделяются на два типа: тяжелые и легкие.
Легкие порталы устанавливают на один фундамент, тяжелые – на четыре фундамента. Поэтому в проекте 4 сваи образуют фундамент мобильной модульной трансформаторной подстанции. Величина пролета – 9 000 мм, шаг – 1 630 мм.
Допустимые расчетные нагрузки на сваи:
- вертикальная – 235 кН;
- горизонтальная – 171 кН.
Фактическая нагрузка составила 146 кН и 106 кН соответственно.
На объекте также предусмотрена установка 4-х мачт освещения. Расстояние между их фундаментами – 29 270 мм, пролет – 22 730 мм.
Под объект были рекомендованы сваи винтовые для сезоннопромерзающих грунтов широколопастные двухлопастные со следующими характеристиками:
- диаметр лопастей – 590 мм;
- толщина лопастей – 8 мм;
- конфигурация лопастей – для песчаных грунтов;
- диаметр ствола – 133 мм;
- толщина стенки ствола – 6 мм;
- длина ствола – 5 500 мм.
Выбор толщины металлопроката обусловлен степенью коррозионной агрессивности грунтов (КАГ) площадки строительства по отношению к металлоконструкциям (данные получены в ходе измерений). Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте осуществляется проверка соответствия остаточной толщины стенки ствола проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».
На этапе проектирования также были индивидуально подобраны такие параметры свай, как расстояние между лопастями, конфигурация, шаг и угол наклона лопастей.
Необходимость расчета межлопастного расстояния, шага и угла наклона лопастей обусловлена сложной зависимостью этих параметров от грунтовых условий и характера нагрузок от строения (подробнее «Особенности расчета многолопастных винтовых свай»).
Подбор конфигурации лопасти, соответствующей грунтовым условиям площадки строительства, позволяет минимизировать нарушения структуры грунта в процессе установки винтовой сваи, что обеспечивает соответствие несущей способности требованиям проектной документации (подробнее «Ключевые принципы подбора параметров лопастей винтовых свай»).