ПРЕДИСЛОВИЕ

Быстрый рост промышленности и энергетической базы, вы-звавший увеличение объемов специфических отходов производ-ства, выдвинул в качестве одной из важнейших мировых проб-лем современности охрану чистоты атмосферного воздуха.

В Советском Союзе вопросы охраны природы постоянно на-ходятся в центре внимания Коммунистической партии и Совет-ского государства. В мае 1949 г. специальным постановлениемСовета Министров СССР «О мерах борьбы с загрязнением ат-мосферного воздуха и об улучшении санитарно-гигиеническихусловий населенных мест»* был установлен государственныйконтроль за охраной воздуха [16]. За истекшие годы советскоезаконодательство в области охраны окружающей человекасреды существенно расширилось.

XXIV съезд КПСС в числе основных задач развития народ-ного хозяйства наметил также и задачи по усилению охраныприроды. В постановлении. 4-й сессии Верховного Совета СССР«О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы ирациональному использованию природных ресурсов» сказано:«Считать одной из важнейших государственных задач неустан-ную заботу об охране природы.. .»**

Советский Союз — первая страна в мире, где установленыпредельно допустимые концентрации вредных веществ в атмо-сферном воздухе населенных мест. Санитарные нормы проекти-рования промышленных предприятий постоянно совершенству-ются. Нормы 1971 г. [83], например, содержат 114 наименованийвредных веществ, ограничиваемых предельно допустимымиконцентрациями, в то время как в аналогичных нормах 1963 г.ограничения касаются только 37 веществ и пределы до-пустимых концентраций некоторых из них выше. Разработкановых технологических схем, предусматривающих очисткупроизводственных выбросов в соответствии с санитарно-гигие-

* Постановление СМ СССР от 29 мая 1949 г. № 2196. Директивы КПССи Советского Правительства по хозяйственным вопросам. Т. 3. М., Госполит-издат, 1958, с. 467.

** Заседания Верховного Совета СССР восьмого созыва (четвертая сес-сия). Стенографический отчет. Изд. Верховного Совета СССР, 1972, с. 243.

1* 3

I ническими требованиями, способствует неуклонному снижениюзагрязнения пылью и газами воздуха в городах СоветскогоСоюза. За последние 10—15 лет в Москве, Ленинграде, Киеве,Баку, Алма-Ате и других городах загрязненность воздуха сни-зилась в несколько раз [48].

Масштабы загрязнения атмосферы и его вредные последст-вия в народном хозяйстве, экономике и природе таковы, чтоборьба с загрязнением на современном этапе приняла между-народный характер [16, 67, 70, 80, 93 и др.]. Во всех стра-нах мира создается заново или улучшается законодательствопо вопросам защиты атмосферы от загрязнения. В СШАв 1967 г. был принят «Закон о борьбе с загрязнением воздуха»,в 1969 г.— «Федеральный закон об охране окружающей среды»[75,40].

Усовершенствовано или существенно исправлено соответст-вующее законодательство в Великобритании («Закон о сани-тарной охране атмосферного воздуха и постепенном введениибездымных зон», 1956 г. [93]), во Франции и ФРГ. В тече-ние последнего десятилетия приняты соответствующие законыв Австралии, Новой Зеландии, Японии и в ряде других стран.

Охрана окружающей человека среды может быть полностьюобеспечена только в результате международного сотрудниче-ства. В настоящее время эти вопросы находятся уже на рас-смотрении международных организаций (Всемирная организа-ция здравоохранения [74], Конференция ООН в 1972 г. в Сток-гольме и др.). Национальные планы оздоровления внешнейсреды дополняются двусторонними и многосторонними согла-шениями. Активизация борьбы с загрязнением воздуха даетположительные результаты.

Мероприятия по борьбе с загрязнением атмосферного воз-духа включают в себя [74]:

предупреждение утечки загрязняющих и токсических веществ в атмос-феру путем их полного улавливания и утилизации;

замену некоторых технологических процессов или видов топлива новыми,которые вызывают меньшее загрязнение атмосферного воздуха;

очистку отходов производства и последующее их рассеивание в атмосфер-ном воздухе на большой высоте.

Все эти мероприятия технически сложны. Первое из них ре-шает задачу борьбы с загрязнением атмосферы наиболее ради-кально, однако требует разработки новых технологических схем,связанных с большими расходами, и для целого ряда произ-водств в настоящее время не может быть реализовано. Внедре-ние адекватных заменителей с пониженной токсичностью воз-можно только в энергетике и на транспорте; в промышленныхпроцессах это не всегда осуществимо не только практически, нои теоретически. Вследствие этого в настоящее время весьма ши-рокое распространение в различных отраслях промышленностиполучили производственные процессы с максимально возможной

4

очисткой вредных выделений и с последующим выбросом отхо-дов пониженной концентрации и агрессивности в верхние слоиатмосферы. Это является в ряде случаев экономически наиболеецелесообразным мероприятием в комплексе задач по защитеприроды [17].

Одним из типов инженерных сооружений, с помощью кото-рых отходы производства с остаточным содержанием вредныхвеществ выбрасываются на значительной высоте, являются вы-тяжные башни. Вытяжные башни представляют собой сложныеинженерные сооружения. Потребности в подобных сооруженияхнепрерывно возрастают в связи с интенсификацией производ-ства и созданием новых отраслей промышленности. Вытяжныебашни возводятся на объектах таких основных отраслей про-мышленности, как химическая, черная и цветная металлургия,энергетическая и др. Между тем, эти специальные сооружения,относительно новые по специфике и конструктивным формам, неполучили еще достаточного освещения в отечественной и зару-бежной литературе. Авторы стремились восполнить этот пробел,обобщив накопленный опыт проектирования строительных кон-струкций вытяжных башен.

Авторы не претендуют на исчерпывающее освещение темы:оссбенности технологических требований, изготовления, мон-тажа и эксплуатации сооружения затронуты только в объеме,необходимом для изложения вопросов проектирования металли-ческих конструкций вытяжных башен высотой до 200 м.

Г Л А В Л I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫТЯЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Промышленные трубы являются неотъемлемой частью ком-плекса сооружений предприятий металлургической, химическойи ряда других отраслей промышленности с момента их возник-новения. Назначение и условия работы этих сооружений вслед-ствие непрерывного роста промышленности и совершенствова-ния технологии претерпевали существенные изменения, чтонакладывало определенные, меняющиеся со временем требова-ния к их конструкции в отношении как применявшихся материа-лов, так и конструктивных форм.

Вначале промышленные трубы служили только для созда-ния тяги, обеспечивающей определенные режимы процессов го-рения и другие химические реакции, используемые в промыш-ленности. Малая мощность установок, их примитивное устрой-ство, отсутствие возможностей для использования тепла отходя-щих газов позволяли ограничиваться вытяжными трубами малыхвысоты и диаметра. Эти трубы возводили из обыкновенного крас-ного кирпича (рис. 1).

Высоту промышленных труб увеличивали в основном в це-лях усиления тяги, но также частично и для снижения задым-ленности воздуха. В случаях, когда сопротивление обычногокрасного кирпича воздействию высоких температур оказыва-лось недостаточным, внутреннюю поверхность трубы футеро-вали огнеупорными дгатериалами. Вместе с тем, высокая тем-пература отходящих газов исключала возможность образова-ния конденсата в толще кирпичного ствола, что обеспечивалодлительную надежную работу кирпичных труб.

В середине XIX в. появляются металлические трубы. Однакоотсутствие эффективной защиты от коррозии и высокотемпера-турный нагрев отходящими газами значительно сокращалисроки службы этих труб по сравнению с кирпичными. Вотпочему практическое использование получили металлическиетрубы малого диаметра и высотой до 30 м (свободно стоящиеили на оттяжках).

Тенденция к увеличению высоты труб выявила основнойнедостаток кирпича как строительного материала этих соору-

6

жений — низкое сопротивление сжатию. Вследствие этого воз-никла потребность в значительном количестве высококачест-венного кирпича, сильно возросли объем и вес кЛ"адки, а отсюдаи необходимость в дорогостоящем фундаменте. Невозможностьмеханизации работ по возведению труб требовала высококва-лифицированных мастеров-трубокладов. Все эти факторырезко повышали стоимость кирпичных труб; хотя в современ-ных условиях известна практика строительства и эксплуатации

кирпичных труб большой высоты (например, труба высотой130 м на Нижне-Тагильской ТЭЦ), оптимальная их высота ока-залась в пределах 70 м [9].

Высота кирпичных труб не удовлетворяла практическимтребованиям. В начале XX в. появился новый, более прочныйматериал — железобетон, который и стал использоваться длявозведения труб.

Первые неудачи в строительстве железобетонных труб объяс-нялись отсутствием теории расчета железобетонных конструк-ций. Однако соответствующий круг исследований уже в первойчетверти XX в. позволил приступить к возведению железо-бетонных труб высотой более 100 м. Этому в определенной сте-пени также способствовало и снижение температуры отводимыхгазов, тепло которых стало использоваться в техническихцелях.

7

Применение железобетона значительно снизило стоимостьстроительства вытяжных труб и увеличило их высоту по срав-нению с кирпичными. Вследствие этого в 20—30-х гг. XX в.в Европе и США и в 30—40-х гг. в СССР начало осуще-ствляться строительство большого числа железобетонных трубзначительной высоты (рис. 2).

Поскольку снижение температуры отходящих газов соот-ветственно уменьшило тягу, создаваемую вытяжными трубами,роль последних в выполнении этой задачи постепенно сократи-лась. В новых условиях бурного развития промышленности итепловой энергетики основным назначением труб становитсявынос вредных промышленных отходов из производственнойзоны в относительно удаленные от человека и природы слонатмосферного воздуха.

Однако с дальнейшей интенсификацией производства, воз-никновением новых отраслей промышленности становилось всеболее очевидным, что воздушный бассейн не может быть защи-щен от загрязнения промышленными отходами только путемувеличения высоты вытяжных труб. Потребовался длительныйпериод для разработки практически выполнимых методов исредств очистки отходящих газов и внедрения их в широкоммасштабе производства с агрессивными и токсическими отхо-дами. Условия работы вытяжных труб вновь претерпели из-менения.

Очистка газов позволяет резко снизить их агрессивность [28],но, как правило, приводит к существенному повышению влаж-ности отходящих газов, к появлению в них в виде тумана имельчайших капель слабых растворов кислот и щелочей, коли-чество которых в трубе увеличивается за счет их конденсациипри невысоких температурах (ниже точки росы). Химическиереакции, происходящие в стенках трубы под воздействием кон-денсата, разрушают бетон и вызывают коррозию арматуры, чтов конечном счете приводит к разрушению железобетоннойтрубы. Таким образом, использование железобетонных труб, неимеющих дополнительных защитных покрытий, для удалениягазов, прошедших очистку и сохраняющих определенную сте-пень агрессивности, оказалось невозможным. Вместе с тем, длявыброса неагрессивных отходов производства железобетонныетрубы достаточно надежны.

Для создания тяги и эвакуации промышленных отходовв верхние слои атмосферы были разработаны новые типы кон-струкций вытяжных сооружений. За рубежом ими явились же-лезобетонные трубы с разного рода защитными покрытиямивнутренней поверхности ствола и трубы с внутренним стволомиз коррозиеустойчивых материалов, так называемая конструк-ция «труба в трубе». В этом сооружении наружный самонесу-щий ствол предназначен для восприятия ветровых нагрузок,внутренний служит непосредственно технологическим целям.

8

Внутренний ствол может быть самонесущим, либо подкреплен-ным наружным стволом.

Помимо химической стойкости к удаляемой среде материалвнутреннего ствола должен обладать сравнительно высокимимеханическими показателями. Например, в западногерманскихнормах ДШ1058 «Дымовые трубы, подверженные кислотнойагрессии» [103] разработаны оба эти варианта защиты несущегоствола от воздействия химически агрессивных веществ, а имен-но: в виде «свободно стоящей внутренней трубы» и «футеровкизвеньями». Навесная футеровка применена на сборной крупно-блочной конической железобетонной трубе высотой 200 м, со-оруженной в Мюнхене в 1964 г. [84].

В качестве примера схемы «труба в трубе» могут служитьтруба высотой 200 м на тепловой электростанции в Леверку-зене (ФРГ), несущий ствол которой до отметки +65 м выпол-нен из железобетона, а внутренний газоотводящий ствол и не-сущий ствол от отметки +65 м до верха — из кирпича [71],а также трубы высотой 240 м, построенные в 1965 и 1968 гг. натепловых электростанциях «Булл-Ран» и «Парадайс» в долинер. Теннесси (США), состоящие из двух независимых концентри-ческих железобетонных стволов, и др. [79].

Известен случай решения 182-метровой вытяжной трубы попринципу «труба в трубе» с четырьмя газоотводящими стволамидиаметром 7,45 м каждый в одном несущем стволе, наружныйи внутренние стволы железобетонные, причем внутренниестволы защищены футеровкой из кислотоупорного кирпича [72].

Высокая стоимость этих типов вытяжных сооружений, чрез-вычайно затрудненный надзор во время эксплуатации и трудо-емкий ремонт определили поиск в Советском Союзе новых тех-нических решений. Одним из таких решений явилась экспони-ровавшаяся на Строительной выставке в Москве в 1955 г.стальная башня с подвешенным внутри нее газоотводящимстволом из деревянной клепки, обработанной антипиренами ихимически стойким лаком. Назначение сооружения — эвакуациягазов, выделяющихся при производстве искусственного волокна.В дальнейшем сооружения подобного типа со стальной несущейбашней и газоотводящими стволами из материалов, стойких поотношению к отводимым газам, получили название «вытяжныебашни». Строительство их в Советском Союзе получило широ-кое распространение (рис. 3).

Подобные решения вытяжных сооружений имеются и за гра-ницей. В Японии на плавильном заводе горнорудных предприя-тий Мицуи в конце 1971 г. введена в эксплуатацию вытяжнаябашня высотой 160 м с газоотводящим стволом диаметром 3 миз полиэфирного стекловолокнистого пластика [82]. Конструк-ции такого типа используются за рубежом и в тех случаях,когда в одном сооружении совмещено несколько газоотводящихстволов. Вытяжная башня с двумя газоотводящими стволами

9

диаметром 1,03 м построена на химическом заводе в. Бристоле(Англия) [21]. Несущая башня этого сооружения из оцинкован-ных трубчатых профилей имеет высоту 120 м. Материал газо-отводящих стволов — нержавеющая сталь.

Весьма своеобразна по конструктивной схеме вытяжнаябашня высотой 220 м для ТЭЦ «Шиллинг» в г. Штаде (ФРГ)[106]. Ее несущая конструкция в виде трехгранной башни вы-

полнена из открытых профилей, в частности, пояса башни изго-товлены из специального типа широкополочного двутавра. Газо-отводящие стволы расположены снаружи вдоль каждой гранибашни и опираются на ее выносные площадки через 30—50 м(рис. 4).

Все конструкции сооружения для защиты от коррозии оцин-кованы. Известны случаи, когда при аналогичном (внешнемпо отношению к несущей конструкции) расположении газо-отводящих стволов опорой для них является мачта постоянногосечения [104].

На основе приведенных данных можно заключить, что строи-тельство вытяжных сооружений большой высоты ведется повсе-местно. Высота этих сооружений назначается в пределах 100—

10

300 м [4, 60, 73, 85, 105 и др.]. В Советском Союзе, несмотря наполучившее в последнее время определенное распространениестроительство железобетонных вытяжных сооружений высотойдо 320 м [14, 20], преимущественным типом конструкций все жеявляются стальные вытяжные башни большой высоты. В отли-чие от Советского Союза, за рубежом преимущественно строятстальные и железобетонные трубы, выполненные по конструк-тивной схеме «труба в трубе».

Все многообразие современных промышленных труб можетбыть систематизировано по технологическому назначению и поконструктивному решению.

Промышленные трубы по технологическому назначению -по составу и температурно-влажностной характеристике отводи-мых сред — разделяются на два принципиально отличающихсядруг от друга типа: вытяжные (выхлопные, вентиляционные)башни (трубы) и дымовые (газодымовые) трубы.*

Вытяжные (выхлопные, вентиляционные) башни (трубы) от-водят прошедшие очистку, но сохраняющие определенную сте-пень агрессивности газовые и газовоздушные смеси влажностьюболее 80—904%, содержащие конденсат и, как правило, не имею-щие высокой температуры.

Дымовые (газодымовые) трубы отводят дым и газовоздуш-ные смеси, содержащие, помимо взвесей сажи, золы и пыли,газы средней и низкой агрессивности в небольшом количестве,а также газовоздушные смеси, получаемые при сжигании топли-ва для обжига и плавления различных материалов и загряз-ненные продуктами окисления веществ, находящихся в перера-батываемом сырье; влажность отводимых дымовых и газовоз-душных смесей не более 60,%., температура 100—500° С.

По конструктивному решению, в зависимости от степени со-вмещения технологических и инженерных функций в сооруже-нии [36], промышленные трубы могут быть разделены на триосновных типа: свободно стоящие трубы, подкрепленные трубы,вытяжные башни.

Свободно стоящие трубы характеризуются полным совмеще-нием технологических и инженерных функций, они преимущест-венно используются в качестве дымовых труб. Подкрепленныетрубы (комбинированные конструктивные решения промышлен-ных труб) характеризуются тем, что газоотводящие стволы их,выполняя технологические функции, одновременно участвуютв работе сооружения, обеспечивая совместно с другими несу-щими элементами сооружения его прочность, жесткость и устой-чивость. Примером таких конструкций являются трубы, раскреп-ленные в нижней части жесткими подкосами или решетчатыми

* В практике зарубежного строительства под «дымовыми» трубами подра-зумеваются любые вытяжные трубы, независимо от степени агрессивностиудаляемых сред [71. 103].

11

конструкциями башенного типа, а также трубы на оттяжках.Подкрепленные трубы целесообразно использовать в качестведымовых труб для отвода газов, не содержащих агрессивныхкомпонентов, при потребной высоте выброса более 120 м.

Вытяжные башни представляют собой сооружения башен-ного типа, характеризующиеся четким разделением инженерныхи технологических функций и состоящие из стальной несущей кон-струкции и одного или нескольких газоотводящпх стволов. Не-сущей конструкцией, как правило, является решетчатая башня,а газоотводящие стволы — элемент технологических коммуника-ций [8, 54, 55]. По характеру конструктивного решения к вытяж-ным башням относятся и вытяжные сооружения типа «трубав трубе». Принципиальное отличие конструктивного решения вы-тяжной башни от ранее применявшихся вытяжных труб, заклю-чающееся в четком разделении несущих и технологическихфункций составных элементов сооружения, является и главнымпреимуществом такого решения. Оно заключается в том, чтодля газоотводящих стволов могут быть использованы матери-алы, применение которых определяется в основном не прочно-стными характеристиками, а коррозионной стойкостью в усло-виях удаляемых конкретных сред. Эта же особенность соору-жения позволяет в случае необходимости ограничить ремонтныеработы заменой поврежденных коррозией участков газоотво-дящего ствола при сохранении всей несущей конструкции инеповрежденных участков ствола в проектном положении.

Вытяжные башни могут быть использованы и в качестведымовых труб. Это экономически целесообразно в тех слу-чаях, когда высота дымовых труб превышает 120—150 м; тре-бования эксплуатационной надежности в связи с этим воз-растают.

Проектирование вытяжных башен ведется в специализиро-ванных и в некоторых отраслевых институтах. В частности,в Ленинградском отделении ЦНИИ «Проектстальконструкция»выполнено около 200 проектов вытяжных башен для различ-ных отраслей промышленности. Сооружения эти имеют высотуот 40 до 280 м, в них размещены газоотводящие стволы, диа-метры которых назначались от 0,6 до 10м.

Различные материалы газоотводящих стволов, многообра-зие сочетаний геометрических параметров вытяжных башен иклиматологических особенностей районов строительства требо-вали индивидуального подхода при проектировании. Сохраняяпринпициальную схему сооружения, конструктивные решениябольшинства вытяжных башен имеют специфические отличия,обусловленные особенностями условий их работы, а также по-стоянным совершенствованием их конструкций.

Одним из первых сооружений подобного типа явилась вы-тяжная башня высотой 120 м Волгоградского алюминиевого за-вода, запроектированная в 1957 г. (рис. 5). Диаметр газоотво-

12

дящего ствола сооружения 2,75 м. По этому проекту были по-строены четыре вытяжные башни, которые эксплуатируются ив настоящее время.

В 60-х гг. из числа возведенных в то время сооружений наи-более высокой явилась вытяжная башня Невского химическогозавода в Ленинграде (см. рис. 3). Высота ее 150 м, диаметргазоотводящего ствола 2 м. Отличительной особенностью этойвытяжной башни является то, что вследствие повышенной агрес-сивности отводимых газов газоот-водящий ствол ее выполнен из не-ржавеющей стали. В 1972 г. навытяжной башне Невского хими-ческого завода были проведеныдинамические испытания с цельюуточнения расчетной схемы и ди-намических характеристик соору-жения [27]. Предшествовавшееиспытаниям обследование соору-жения подтвердило его хорошеесостояние после 5 лет беспере-бойной эксплуатации.

Высокая агрессивность кон-денсата в газоотводящем стволеи снижение рентабельности про-изводства при вынужденных про-стоях во время ремонта вытяж-ных устройств требовали даль-нейшего изыскания материалов,обладающих повышенной корро-зионной стойкостью. Этим мате-риалом в условиях титано-магни-евого производства явился титан.Несмотря на высокую стоимость,применение его экономическиоправдано за счет увеличения безремонтного срока службы со-оружения и соответственного снижения эксплуатационных рас-ходов. Газоотводящий ствол диаметром 4 м и высотой 120 миз титана впервые в строительной практике законструирован ивыполнен для вытяжной башни Березниковского титано-магни-евого комбината (рис. 6).

В настоящее время широко распространено строительствонескольких вытяжных башен на одном предприятии для разныхцехов. Например, на Волховском алюминиевом заводе с 1967 г.эксплуатируется вытяжная башня высотой 120 м с газоотводя-щим стволом диаметром 2,3 м (рис. 7). В 1970 г. па этом за-воде построены еще две вытяжные башни: одна тех же раз-меров, другая — высотой 80 м при диаметре газоотводящегоствола 4 м. Все они обслуживают различные цехи.

13

Повышение мощности производств привело к необходимо-сти строительства нескольких вытяжных сооружений для нуждодного цеха (рис. 8). В последние годы, когда технология про-изводства предопределяет использование нескольких газоотво-дящих стволов для параллельного отвода газов из несколькихагрегатов, решения схем вытяжных башен отошли от первона-чального их варианта с одним газоотводящим стволом. Целесо-

образным оказалось размещение нескольких стволов в одномсооружении. ,

Примером может служить схема вытяжной башни с двумястальными газоотводящими стволами высотой 80 м и диаметром3 м каждый, совмещенных в одном сооружении (рис. 9). Этовытяжная башня Уральского алюминиевого завода (проектЛОЦНИИПСК, 1973 г.). Сложная конфигурация ее несущейбашни продиктована необходимостью размещения в сооруже-нии непосредственно под газоотводящими стволами скруббе-ров для очистки промышленных выбросов. Большинство жеэлементов конструктивных решений этой вытяжной башни ос-новано на решениях, разработанных для одноствольных вытяж-ных башен.

14

Г Л А В А I I

КОНСТРУКЦИИ В Ы Т Я Ж Н Ы Х БАШЕН

Как уже отмечалось ранее, опыт строительства и эксплу-атации вытяжных устройств большой высоты показал, чтов современных условиях наиболее распространенной конструк-тивной формой является стальная несущая решетчатая башняс расположенным внутри нее газоотводящим стволом, которыйвыполнен из коррозионностойких к отводящим газам материа-лов. Такое компоновочное решение сооружения, естественно,не является единственным. В последние годы, в связи с резкимувеличением объема строительства вытяжных устройств, появи-лось много других компоновочных схем.

Вместе с тем, рассматривая конструктивные решения вы-тяжных башен, целесообразно более подробно остановиться наэтой наиболее распространенной схеме, поскольку она к томуже содержит в себе основные элементы, используемые и в дру-гих схемах.

Габаритные размеры несущей башни и сооружения в це-лом предопределяются технологическими параметрами соору-жения, устанавливаемыми в задании на проектирование.К этим параметрам относятся:

количество газоотводящих стволов;размеры стволов (диаметр и отметка выброса отходов производства в ат-

мосферу) ;отметка верхней площадки обслуживания;отметки ввода газоотходов в башню;габарит сооружения в основании из условия размещения его на генплане.

Принимаемое в соответствии с исходными данными конст-руктивное решение вытяжной башни должно удовлетворять оп-ределенным требованиям, связанным с возведением и эксплу-атацией сооружения. Эти требования сводятся к необходимостисоздания надежной конструкции, технологичной в изготовле-нии и монтаже, удобной в эксплуатации и по возможности наи-более экономичной. Кроме того, она должна отвечать опре-деленным эстетическим требованиям в связи с тем, что из-забольшой высоты башня достаточно хорошо обозрима даже назначительном расстоянии.

Требования удобства эксплуатации сводятся главным обра-зом к тому, чтобы на протяжении всего срока службы соору-жения были обеспечены соответствующие условия для осмотра,окраски и периодического ремонта как несущих конструкцийсооружения, так и имеющегося оборудования, коммуникацийи т. д.

§ 1. Схемы сооружения

Схемы несущей башни. В соответствии с геометрическимисхемами несущие башни можно классифицировать по следую-щим характеристикам:

и;

по количеству граней —трех-, четырех- и многогранные (с количествомграней более четырех);

по конфигурации башни — без переломов граней по высоте и с перело-мами граней;

по схеме решетки — с крестовой, ромбической и треугольной решеткой,кроме того, определенную разновидность представляет башня с разреженнойрешеткой.

Для вытяжных башен высотой до 200 м наибольшее рас-пространение получила схема с четырехгранной несущей баш-ней: многогранные башни для таких высот сооружения неце-лесообразны как по расходу металла, так и по другим технико-экономическим показателям. Что же касается трехгранныхбашен, то в ряде работ [50, 51] показано, что расход металла наих несущие конструкции меньше на 10—15%, чем для четы-рехгранных. Однако эти выводы касаются в основном толькорадио- и телевизионных башен, т. е. сооружений, для которыхрешающей нагрузкой является воздействие скоростного на-пора ветра непосредственно на башню, а ветровая нагрузка наоборудование незначительна.

В отличие от указанных выше сооружений в вытяжных баш-нях основная доля всей нагрузки, воспринимаемой башней, яв-ляется следствием наличия в ней газоотводящего ствола, по-скольку давление ветра на него составляет 60—70% от полнойветровой нагрузки на сооружение. Кроме того, к схеме вытяж-ной башни предъявляются и иные требования, вызванные спе-цификой назначения сооружения. Существенным фактором,влияющим на выбор схемы башни, является, например, условиеразмещения внутри нее газоотводящего ствола. На рис. 10 по-казаны возможные схемы размещения одного, двух и трех га-зоотводящих стволов в несущей башне. При наличии одногоствола (рис. 10, а) схемы четырех- и трехгранной башен с точкизрения работы основных элементов башни в достаточной мереблизки.

Сравнивая эти схемы, можно отметить, что трехграннаябашня не требует устройства специальных диафрагм для обе-спечения неизменяемости ее контура, имеет меньшее число ос-новных элементов по сравнению с четырехгранной, менее чув-ствительна к неравномерным осадкам фундаментов, но вме-сте с тем обладает и рядом существенных недостатков. К нимможно отнести: увеличение (более чем в 1,5 раза) ширины гра-ней башни из-за размещения в ней газоотводящего ствола; ус-ложнение узлов сопряжения элементов конструкций, связан-ное с расположением граней в плане под утлом 60°. Трехгран-ная башня обладает и некоторыми недостатками с эстетическойточки зрения. Отсутствие взаимно перпендикулярных плоско-стей симметрии приводит к тому, что при взгляде на башнюсбоку параллельно одной из граней она кажется асимметрич-ной, а вблизи — «падающей». Вследствие этого для вытяжныхсооружений с одним газоотводящим стволом в качестве

17

несущей конструкции целесообразно использовать четырехгран-ную башню, а для сооружений с несколькими стволами, исходяиз условий их размещения и работы основных элементов башни,можно рекомендовать: четырехгранную — при двух газоотво-

дящих стволах (рис. 10,6); трехгранную — при трех газоотво-дящих стволах (рис. 10, в).

Трехгранная несущая башня может также оказаться эко-номичной по расходу металла и для случая размещенияв башне одного газоотводящего ствола небольшого диаметра,

18

когда оптимальный габарит башни определяется только изусловия несущей способности, а не диктуется возможностьюразмещения внутри нее газоотводящего ствола.

Башня как несущая конструкция сооружения должна обла-дать неизменяемостью и необходимой жесткостью. Основныеконструктивные элементы наиболее распространенной четырех-гранной несущей башни с ромбической решеткой показаны нарис. 11.

19

Принимаемые схемы решетки и диафрагм должны обеспе-чить геометрическую неизменяемость башни независимо от ус-ловия неподвижности ее фундаментов.

Поперечная жесткость четырехгранных и многогранных ба-шен обеспечивается диафрагмами. Расстояние между ними,как правило, в 1,5—2,5 раза превышает ширину грани башнии составляет для рассматриваемых башен примерно 6—15 м.Устройство диафрагм в особенности необходимо в плоскостиизлома граней башни.

Помимо функции обеспечения поперечной жесткости соору-жения, диафрагмы используются как площадки, служащие дляопирания газоотводящего ствола или его секций, а также дляосмотра сооружения и его ремонта. Подъем на площадки осу-ществляется по лестнице, а иногда и с помощью лифта. Учи-тывая необходимость частого подъема на большую высотубашни при наличии колебаний ее под воздействием ветровойнагрузки, лестница должна быть по возможности наиболееудобной для прохода по ней и достаточно надежной.

Конфигурация (силуэт) несущей башни. Силуэт несущейбашни определяется соотношением ее основных размеров иконтуром очертания поясов. Наиболее распространенные типысилуэтов башен с одним и двумя переломами поясов по высотепредставлены на рис. 12,а, б. В ряде случаев оказываютсяцелесообразными башни без переломов поясов, с постояннымуклоном граней по всей высоте сооружения (рис. 12,0) либос параллельными поясами. Конфигурация башни выбираетсяпри удовлетворении всех требований, предъявляемых к дан-ному сооружению.

По опыту проектирования установлены некоторые соотно-шения основных размеров вытяжных башен (высоты башни Я,ширины основания А и диаметра газоотводящего ствола О),определяющие выбор их силуэта. Для сооружений высотой80—150 м они приведены в табл. 1. В ней также даны некото-рые рекомендации граничных значений этих отношений, позво-ляющие определить наиболее рациональные параметры соору-жения. Для вытяжных сооружений высотой менее 80 м реко-мендуется, как правило, во всех случаях принимать башни безизлома граней по высоте.

Каждый из приведенных на рис. 12 вариантов силуэта башниимеет свои преимущества и недостатки, которые оцениваютсяпри сопоставлении показателей по расходу стали, а также тру-дозатратам на изготовление и монтаж конструкций. При этомобязательно следует п р и н и м а т ь во внимание и эстетические со-ображения.

Башни с двумя переломами граней по высоте являются наи-более трудоемкими в изготовлении и монтаже, так как характе-ризуются наибольшим количеством монтажных элементов, лишьчасть которых повторяется по высоте. Вместе с тем, силуэт

20

башни с двумя переломами граней в наибольшей степени при-ближается к конфигурации стержня равного сопротивления, чтообеспечивает относительное постоянство усилий по всей высотепирамидальных частей башни и приводит к уменьшению рас-хода стали.

В башне с одним переломом граней по высоте меньше коли-чество монтажных единиц и больше их повторяемость по срав-нению с башней, имеющей два перелома, что, естественно, сни-жает трудозатраты на ее изготовление и монтаж. Снижает тру-дозатраты на изготовление конструкций также и уменьшениеобщего количества трудоемких по изготовлению узлов сопряже-ния поясов в местах их перелома.

21

Схема башни с постоянным уклоном поясов в пространствепо сравнению с ранее рассмотренными вариантами башен с из-ломами граней по высоте характеризуется более плавным ро-стом усилий в поясах и относительно меньшей их величинойв верхней части башни. Башни без перелома граней в опреде-ленной степени проще в изготовлении за счет уменьшения об-щего количества элементов. Однако последние имеют крайнеограниченную повторяемость, и это приводит к большому коли-честву типоразмеров элементов, существенно увеличивающемутрудозатраты на изготовление. Кроме того, схема башни с по-стоянным уклоном поясов по всей высоте сооружения имеетувеличенную длину элементов диафрагм и решетки, что тре-бует повышенного расхода металла на их изготовление.

22

Применение башни без переломов поясов особенно целесо-образно при эксплуатации сооружения в условиях повышеннойагрессивности среды, когда одними из основных требований,предъявляемых к конструкциям, являются укрупнение элемен-тов и их узловых сопряжений, а также уменьшение их общегочисла. В остальных случаях выбор силуэта башни в существен-ной мере подчинен технологическому заданию, содержащемуосновные параметры разрабатываемого вытяжного устройства.

В практике проектирования встречаются особые случаи,влияющие на выбор схемы башни, когда до определенного ееуровня по высоте должно быть размещено специальное обо-рудование. Примером такой башни является сооружение, изо-браженное на рис. 9. Егоконфигурация в нижней ча-сти продиктована необходи-мостью размещения скруб-беров.

Схемы решетки башен.При проектировании ре-шетку несущей башни, какправило, принимают одногоиз трех типов — ромбиче-скую, крестовую или тре-угольную (рис. 13). Решетканижней опорной части баш-ни решается обычно во всехслучаях одинаково (см.рис. 12). Выбор типа решетки определяется необходимой сте-пенью развязки поясов и гибкостью элементов самой решетки.

При проектировании крестовой и треугольной решетки длинапанелей всех поясов, при прочих равных условиях, полу-чается одинаковой. Раскосы крестовой решетки подбираютобычно из условия работы их только на растяжение, а тре-угольной— на сжатие. Для рассматриваемых сооружений рас-ход металла на решетки этих типов отличается незначительно.Треугольная решетка обладает некоторыми преимуществамипо сравнению с крестовой, так как общее количество элемен-тов в ней почти в 2,5 раза меньше. Это способствует не толькоснижению трудоемкости изготовления и монтажа конструкций,но и улучшению условий эксплуатации сооружения. Примене-ние ромбической решетки еще больше увеличивает общее коли-чество элементов несущей башни, однако позволяет вдвоеуменьшить свободную длину как поясов, так и решетки.

Крестовая и треугольная решетки геометрически неизменя-емы, что обеспечивает неизменяемость башни по высоте, а не-изменяемость башен с ромбической решеткой может быть обес-печена только при условии установки дополнительных рас-порок. Такие распорки в практике проектирования почти всегда

23

устанавливаются в верхнем ромбе (рис. 11, распорка А — Л),а также в первом снизу ромбе решетки (распорка Б—Б). Приэтом следует иметь в виду, что наличие дополнительных распо-рок приближает работу ромбической решетки к крестовой сосжатыми раскосами. Вот почему в данном случае при расчетенесущей башни необходимо учитывать возникающее на ограни-ченном участке по высоте перераспределение усилий, обуслов-ленное совместностью деформирования поясов и решетки. Осо-бое влияние на это перераспределение оказывает нижняяраспорка, если при этом не учтена реальная подвижность фунда-ментов. В связи с этим в ряде случаев оказывается целесооб-разным принимать схему ромбической решетки без распоркив нижнем ромбе.

Учитывая указанные выше недостатки и преимущества пе-речисленных типов решеток, выбор того или иного вида изних нужно производить исходя из габаритных размеров соору-жения и конкретных условий его эксплуатации. При этомследует иметь в виду, что при большой высоте и большом диа-метре газоотводящего ствола предпочтительно устройство ром-бической решетки. В условиях повышенной агрессивности внеш-ней среды целесообразно переходить к разреженной треугольнойрешетке (с увеличенными размерами панелей поясов), с элемен-тами башни, выполненными из труб. Встречающаяся в отдель-ных случаях полураскосцая решетка в конструкциях вытяжныхбашен распространения не получила и не может быть рекомен-дована для широкого применения, поскольку не имеет никакихпреимуществ по сравнению с ранее рассмотренными типами.

Схемы диафрагм. Основное назначение диафрагм состоитв обеспечении поперечной жесткости сооружения в горизонталь-ных плоскостях. Для этого они должны быть неизменяемыми.Это условие достигается соответствующим подбором геометриче-ской схемы элементов диафрагм или привариваемым к нимнастилом, или тем и другим одновременно (рис. 14).

Наиболее ответственной и сложной по своей схеме и конст-руктивному решению является нижняя диафрагма, особенноесли на нее опирается газоотводящий ствол. Эта диафрагмаотличается большими пролетами изгибаемых элементов и мно-гоступенчатой передачей вертикальной нагрузки. При восприя-тии нагрузки от веса ствола она значительно утяжеляется посравнению с остальными диафрагмами башни. Верхняя диа-фрагма башни, к которой предусматривается подвеска газоот-водящего ствола на период его монтажа или ремонта, не отли-чается особой сложностью, так как ее элементы имеют отно-сительно небольшие пролеты и, как правило, не требуютдополнительного усиления для восприятия этой временной на-грузки.

Не менее важным назначением диафрагм является использо-вание их в качестве площадок, необходимых для обслужива-

24

ния сооружения в процессе его эксплуатации. В соответствиис этим требованием на участках вокруг газоотводящего стволанеобходимо устраивать настил, который также обеспечиваетподходы к поясам башни и к отдельным узлам решетки. В за-висимости от абсолютного габарита башни и его относитель-

ного размера а/О разрабатывают различные схемы диафрагми настила.

В верхней части сооружения размер башни в плане опреде-ляется, как правило, исходя из условия нормального размеще-ния ствола и проходов вокруг него. Вот почему в большинствес л у ч а е в диафрагмы в этой зоне выполняются со сплошным на-стилом или с настилом, имеющим небольшие просветы (рис.14,а). Если диаметр газоотводящего ствола достаточно велик

25

(/5 = 4—7 м) и размер в плане призматической части башни непозволяет разместить площадки в ее пределах, последние дела-ются выносными (рис. 14,6).

В средней и нижней частях сооружения площадка, необходи-мая для обслуживания газоотводящего ствола, занимает лишьнекоторую часть общей площади диафрагмы. Вот почему в дан-ном случае должны быть предусмотрены дополнительные пло-щадки, обеспечивающие подходы к поясам башни (рис. 14, в),а в ряде случаев — проходы вдоль всего периметра диафрагмы(рис. 14,г). Вся остальная площадь диафрагмы остается сво-бодной от настила. В случае, когда газоходы подводятся к га-зоотводящему стволу не снизу по оси башни, а сбоку на опре-деленной высоте от уровня земли и нижняя часть башни сво-бодна от технологической аппаратуры, конфигурация площадкиопределяется схемой лестницы и необходимостью надзора заосновными элементами башни.

Схемы опирания газоотводящего ствола. Газоотводящийствол вытяжной башни находится под постоянным воздейст-вием горизонтальных и вертикальных сил. Горизонтальные си-ловые воздействия возникают от давления ветрового потокаи при сейсмических явлениях; вертикальные — от веса ствола,теплоизоляции, антикоррозионной защиты, а также веса конден-сата, пыли и других отложений не его стенках. Применяемыесхемы опирания газоотводящего ствола на несущие конструк-ции башни обеспечивают, как правило, раздельную передачугоризонтальных и вертикальных силовых воздействий.

Ветровая нагрузка, воспринимаемая газоотводящим ство-лом, передается им на башню в плоскости диафрагм, при этомспециальными конструктивными мероприятиями обеспечива-ется свобода взаимных вертикальных перемещений башни иствола.

Вертикальные силовые воздействия могут быть полностьювосприняты непосредственно газоотводящим стволом при любомспособе его опирания. Вследствие этого в целях облегчениявсего сооружения целесообразно стремиться к максимальновозможной разгрузке башни от веса газоотводящего ствола,т. е. стремиться опирать газоотводящий ствол на самостоятель-ный фундамент, не связанный с фундаментами несущей башни.При таком решении башня выполняет функцию опоры для газо-отводящего ствола только на действие горизонтальных сил.

Вместе с тем, следует, однако, иметь в виду, что схема опи-рания газоотводящего ствола определяется прежде всего от-меткой ввода газоходов в газоотводящий ствол. Если газоходырасположены ниже нулевой отметки, то газоотводящий стволопирается на самостоятельный фундамент (рис. 15,а). Еслигазоходы подходят к газоотводящему стволу выше основаниябашни, то в зависимости от уровня ввода газоходов он можетопираться одним из трех способов:

26

на самостоятельный фундамент (рис. 15,6);на специальную решетчатую опору, расположенную внутри основной несу-

щей башни (рис. 15, в);на одну из нижних диафрагм несущей башни (рис. 15, г) при условии,

что расход металла на эту диафрагму не будет превышать расход металла наспециальную опору.

Опыт проектирования и эксплуатации вытяжных башен по-казал, что иные варианты опирания газоотводящего ствола, на-пример путем подвески или опирания одновременно на все илинесколько диафрагм, в большинстве случаев нецелесообразны,

поскольку требуют устройства компенсаторов и усложняют ре-шения узлов.

На период монтажа и ремонта газоотводящих стволов пре-дусматривается возможность подвески их к верхней, а при не-обходимости еще и к одной из промежуточных диафрагм несу-щей башни. Однако это не вызывает утяжеления конструкциибашни, так как дополнительное загружение поясов при под-веске ствола в верхней части сооружения компенсируется ус-ловным снижением ветровой нагрузки, которая для стадии мон-тажа принимается без коэффициента перегрузки. Усилия, вы-званные в решетке такой подвеской, снимаются благодаря уста-новке дополнительных распорок (распорка Л—А на рис. 11). Приопирании части ствола на одну из промежуточных диафрагмтакие распорки для разгрузки башни должны быть поставленыв ромбах решетки выше и ниже уровня опирания ствола.

27

§ 2. Основные конструктивные решения несущей башни

С точки зрения решения строительных конструкций вытяж-ные башни являются одним из видов высотных специальныхсооружений. В силу новизны и специфики назначения конст-руктивные решения вытяжных башен не нашли еще достаточ-ного освещения в специальной технической литературе. Вместес тем, такие важные показатели сооружения, как технологич-ность его изготовления и монтажа, расход металла, эксплуата-ционные качества с учетом повышенных требований в условияхагрессивности среды и надежность сооружения в целом предо-пределяются в первую очередь именно тем, насколько удачносконструировано сооружение. Именно поэтому при разработкеконструкций вытяжных башен вопросам выбора типов сеченийэлементов сооружения, а также решению основных узлов их со-пряжения между собой должно быть уделено особое внимание.

Из-за весьма большого разнообразия возможных конструк-тивных решений вытяжных башен дать полное освещение всехвопросов, связанных с их конструктивной разработкой, есте-ственно, не представляется возможным. По этой причине в на-стоящем параграфе отражены и соответствующим образомпроанализированы лишь принципиальные, наиболее удачные ихарактерные решения, получившие наибольшее распространениев практике строительства вытяжных башен.

Типы сечений поясов, решетки и диафрагм. Как известно, длявысоких сооружений башенного типа основной расчетной на-грузкой является воздействие скоростного напора ветра на егонесущие и ограждающие конструкции. В связи с этим особоезначение приобретает вопрос выбора типа сечений элементовсооружения, поскольку от размеров и формы принимаемых про-филей во многом зависит с у м м а р н а я величина ветровой на-грузки, действующей на сооружение.

В книге А. Г. Соколова [51] приведены некоторые технико-экономические характеристики башен высотой 200 м, элементыкоторых имеют трубчатое сечение и крестовое из уголков. Отно-шение масс соответствующих башен выражается следующейпропорцией: 1:2,24. Эти данные характерны для башен-опоррадио- или телевизионных антенн, для которых преобладающаядоля ветровой нагрузки возникает за счет воздействия скоро-стного напора ветра непосредственно на башню.

В вытяжных башнях, как правило, основная доля ветровойнагрузки возникает от давления ветра на газоотводящий ствол,и все же тип сечений элементов несущей башни оказываеттакже существенное влияние на общую величину ветровой на-грузки и, следовательно, на весовые показатели сооруженияв целом. На основе обобщения опыта проектирования вытяж-ных башен установлено, что вес башни из элементов крестовогосечения превосходит вес башни из элементов трубчатого про-

28

филя в среднем на 15—20%. Вот почему выбор профиля эле-ментов башни должен быть достаточно четко обоснован с уче-том таких показателей, как расход металла, его стоимостьв зависимости от профиля, трудоемкость изготовления и мон-тажа, эксплуатационные показатели.

В настоящее время распространенными типами сечений ос-новных несущих элементов вытяжных башен являются круг-лые профили из труб, а также крестовые или коробчатые изпрокатных уголков, гнутых профилей или листовой стали (рис.16). Трубчатые элементы выполняются из стандартных бесшов-

ных или элсктросварных труб, а также при больших диамет-рах (более 600 мм) из труб, получаемых путем вальцовкилистового проката. Трубчатые сечения наилучшим образом от-вечают требованиям, предъявляемым к элементам вытяжныхбашен. Они имеют минимальное сопротивление действию ве-трового потока, а также наименьшую и гладкую наружнуюповерхность, способствующую улучшению эксплуатационных ка-честв сооружения, особенно при наличии в воздухе агрессивныхпримесей. Известные достоинства трубчатого сечения, связан-ные с наилучшим распределением материала в нем с точки зре-ния обеспечения максимальной жесткости при сжатии, такжехорошо согласуются с условиями работы основных расчетныхэлементов сооружения.

Элементы коробчатого сечения выполняются из прокатныхуголков и в отдельных случаях из тонкостенных (толщиной10—12 мм) гнутых профилей [35, 37]. По ряду показателей(аэродинамическая характеристика, коррозионная стойкость идр.) они существенно уступают элементам трубчатого профиля,но имеют меньшую стоимость. Недостатком, препятствующим

29

широкому применению элементов коробчатого профиля, являетсяотносительно большая трудоемкость образования стержня та-кого сечения. Она обусловлена необходимостью наложения двухсплошных швов по всей длине элемента, а также необходи-мостью правки его в случае образования искривлений, вызван-ных сварочными напряжениями.

Использование гнутых профилей для образования коробча-тых сечений в конструкциях вытяжных башен не нашло покаширокого применения в связи с тем, что величина сечения гну-того профиля существенно ограничена толщиной листа. Крометого, имеющие место в гнутых профилях структурные измене-ния металла в месте гиба отрицательно сказываются на ра-боте конструкции, находящейся в условиях знакопеременных идинамических воздействий.

Элементы крестового сечения образуются прокатными угол-ками или же выполняются из листовой стали на сварке. При-менение крестовых профилей для элементов несущей башнисвязано с повышением ветровой нагрузки на сооружение в це-лом как за счет увеличения наветренной площади элементов,так и за счет повышения их аэродинамического коэффициентапри любом направлении действия ветрового потока. Недостат-ком данного типа сечения является также повышение эксплуа-тационных расходов на антикоррозионную защиту сооружения,что обусловлено относительно большой наружной поверхностьюэлементов и пониженной стойкостью их антикоррозионного по-крытия из-за наличия значительного количества внутренних ивнешних углов в поперечных сечениях.

Несмотря на все перечисленные недостатки, элементы кре-стового профиля до настоящего времени широко применяютсяв конструкциях вытяжных башен из-за простоты их изготовле-ния, а также встречающихся в ряде случаев затруднений в по-лучении трубчатых профилей требуемых сечений. Сварные кре-стовые профили по сравнению с крестовыми из прокатныхуголков характеризуются более высокой трудоемкостью изго-товления, поэтому применение их считается оправданным лишьв тех случаях, когда существующие прокатные уголки не могутобеспечить необходимую площадь поперечного сечения.

Стержни таврового сечения из двух уголков для элементоврешетки несущей башни применять не рекомендуется, так какони обладают очень низкими эксплуатационными качествамив условиях агрессивной среды.

Анализ отличительных особенностей каждого из рассмотрен-ных типов сечений позволяет рекомендовать использование дляосновных элементов несущих конструкций замкнутых профилейиз труб круглого сечения. При некоторых условиях рациональ-ным может оказаться сочетание различных профилей в одномсооружении, в частности, пояса — из трубчатых профилей, а ре-шетка — из прокатных уголков.

30

Сечения элементов диафрагм вытяжных башен принима-ются в зависимости от характера и условий работы элемента.Изгибаемые элементы большей частью выполняются из прокат-ных швеллеров. Если вертикальные нагрузки на диафрагмы до-статочно велики (например, при опирании газоотводящегоствола на одну из диафрагм), возникает необходимость в ис-пользовании прокатных, а в ряде случаев и сварных двутавров.Сжатые элементы диафрагмы могут быть того же профиля, чтои основные элементы башни, т. е. крестового, трубчатого, короб-чатого.

Элементы шпренгелей выполняются, как правило, из профи-лей, однотипных с применяемыми для основных элементов дан-ного сооружения. Шпренгели, а также элементы связей в ниж-ней части башни могут быть выполнены из одиночных прокат-ных уголков.

Заводские и монтажные соединения поясов несущей башни.Заводские соединения поясов несущей башни необходимы длятрансформации сечения пояса по высоте сооружения в связис изменением усилий в нем и для получения отправочного эле-мента требуемого размера, когда длина его превышает стан-дартную длину данного вида проката. Количество и расположе-ние монтажных стыков поясов башни определяются габаритомтранспортных средств и условиями монтажа сооружения. Вовсех этих случаях нужно стремиться к уменьшению количествакак заводских, так и монтажных стыков, поскольку они увели-чивают трудоемкость изготовления конструкций и в определен-ных условиях могут способствовать снижению их надежности.

Заводские соединения элементов выполняются только насварке. Монтажные соединения могут быть выполнены на мон-тажной сварке, высокопрочных болтах и на болтах нормальнойточности, работающих на растяжение (фланцевые соединения)и на срез. Монтажные соединения на сварке для конструкцийвытяжных башен получили наибольшее распространение. Вместес тем, они достаточно трудоемки в исполнении и требуют по-вышенного контроля качества, особенно для сечений закрытогопрофиля. Использование монтажных соединений на высокопроч-ных болтах в определенной степени сдерживается необходи-мостью организации специальных работ по зачистке сопрягаемыхповерхностей, контролю натяжения болтов и т. д. при относи-тельно небольшом общем объеме этих соединений в каждом изсооружений. Фланцевые соединения поясов несущей башни(рис. 17) также имеют достаточно широкое распространение длясечений закрытого профиля [26, 49, 51]. Вместе с тем, к их при-менению при значительной величине растягивающих усилийв поясах башни следует подходить с определенной осторож-ностью. Опыт эксплуатации вытяжных башен показал, чтов ряде случаев в таких соединениях появляются усталостныетрещины металла поясов в околошовной зоне сопряжения

31

фланца с трубой. Прогрессивным соединением поясов несущейбашни является сопряжение их на болтах нормальной точности,работающих на срез. Такие монтажные соединения позволяютрезко снизить трудоемкость монтажа сооружения, однако тре-буют дополнительной экспериментальной проверки их работыв условиях знакопеременной нагрузки.

В решетчатых конструкциях башенного типа монтажныестыки обычно совмещаются с центром узла крепления решетки.Однако практика проектирования вытяжных башен показала,что в силу сложности конструктивного решения этих узлов ивозникновения в них значительных усилий целесообразнее мон-

тажный стык поясов распола-гать вне узлов крепления ре-шетки, на высоте 1 —1,5 м надуровнем диафрагмы.

Изменение сечения по дли-не элемента осуществляетсяпреимущественно в заводскихусловиях и лишь в отдельныхслучаях на монтаже. Оно мо-жет быть достигнуто либо засчет изменения габарита сече-ния, либо — его толщины.

В поясах, выполненных изтруб, стыки, связанные с транс-формацией сечения только засчет изменения толщины сты-куемых элементов, осуществ-ляются как в заводском ис-

полнении, так и в монтажном. Трубы разных диаметров целе-сообразно соединять только в заводских условиях.

Соединение трубчатых элементов одинакового диаметрав заводских условиях выполняется сваркой встык на остаю-щейся подкладке (рис. 18, а). Элементы разного диаметраможно соединять сваркой встык через специальную коническуювставку {рис. 18, б) или путем заводки трубы меньшего диа-метра и врезанного в нее креста в трубу большего диаметра(рис. 18,б).

Заводские содинения труб разного диаметра посредствомконической вставки особенно целесообразны для поясов значи-тельного диаметра (800—1400мм) с большими усилиями. Вместес тем при относительно малых толщинах стыкуемых элемен-тов (б//?^ 1/100) такой стык, представляющий собой сопря-жение тонкостенных оболочек разной формы, требует дополни-тельной проверки на местную устойчивость и краевой эффект.С целью снижения концентрации напряжений в местах крае-вого эффекта длина конической вставки должна достигать та-ких размеров, чтобы уклон конуса составлял 1/5—1/7. Оба сты-

32

куемых элемента в местах сопряжения с конической вставкойусиливаются утолщенными манжетами (рис. 18, б).

Наиболее распространенные варианты монтажных стыковпоясов из труб представлены на рис. 19: это фланцевые соеди-нения (рис. 19, а), соединения встык на остающейся подкладке

по типу заводских стыков, соединения встык через врезной свар-ной крест (рис. 19, б ) , соединение через врезные кресты на вы-сокопрочных болтах (рис. 19, в ) , соединение с помощью уголко-вых накладок на сварке или высокопрочных болтах (рис. 19, г ) .Кроме перечисленного, монтажный стык может быть выполнени по типу соединения, изображенного на рис. 18, в. Из сварныхмонтажных стыков элементов одинакового диаметра следуетрекомендовать соединение встык на остающейся подкладке, яв-ляющееся наиболее экономичным и простым в изготовлении.

33

Фланцевое соединение можно считать достаточно надежнымв сопряжении труб диаметром до 400 мм и при растягивающихусилиях, не превышающих 2МН. Разность диаметров труб, сое-диняемых на фланцах, не должна превышать 50 мм.

Применяющееся в отдельных случаях в качестве монтажногостыка соединение труб на болтах через торцевые заглушки, уси-ленные вертикальными ребрами, не может быть рекомендованодля применения в конструкциях вытяжных башен по причиненедостаточной их надежности и большой трудоемкости испол-нения.

В поясах крестового профиля соединения элементов с раз-ными толщинами большей частью совмещаются с заводскимстыком, а изменение сечений по габариту — с монтажным. За-водские и монтажные стыки элементов крестового поперечногосечения из прокатных уголков осуществляются на сварке иливысокопрочных болтах с помощью уголковых или листовых на-кладок (рис. 20, а, б, в ) . Для заводского соединения элементовкрестового поперечного сечения из листовой стали применяетсясварка встык. Монтажные стыки таких элементов аналогичныстыкам элементов из прокатных уголков и выполняются на угол-ковых или полосовых накладках на сварке или высокопрочныхболтах (рис. 20, г).

Узлы перелома поясов. Места изломов поясов башни при пе-реходе пирамидальной части башни в призматическую или пи-рамидальную с меньшим уклоном пояса являются ответствен-ными и достаточно сложными узлами. С целью упрощения ре-шения таких узлов в первую очередь следует стремиться к умень-шению общего количества элементов, сходящихся в этих узлах.По этой причине в башнях с ромбической решеткой целесооб-разнее всего излом пояса осуществлять в месте примыкания ос-новной распорки. В этом случае в узле будут отсутствовать ос-новные раскосы башни и могут сходиться лишь элементы шпрен-гелей. Если при ромбической решетке по каким-либо условиямнеобходимо перелом пояса совместить с узлом примыкания ос-новных раскосов, в месте сопряжения должна быть установ-лена дополнительная распорка. В непосредственной близостиот узла излома пояса обычно размещается его монтажный стык,который может быть вынесен за пределы узла или совмещенс ним.

Наиболее распространенной в практике проектирования кон-струкцией узла излома поясов из труб является решение, пред-ставленное на рис. 21. Такое решение позволяет наиболее простоосуществить соединение трубчатых элементов встык на остаю-щейся подкладке. Однако такой стык имеет и некоторые недо-статки. Прежде всего, это несовпадение линии изгиба фасонокдля крепления распорок к поясам башни с плоскостью стыкатруб. Несмотря на то, что несовпадение является, как правило,незначительным, все же оно нарушает общую геометрию узла

35

и не дает возможности добиться соответствующей точности при-мыкания элементов. Недостатком этого соединения являетсятакже необходимость изготовления для распорки трубчатого се-чения специальной гнутой «лапы». С целью снижения концентра-

ции напряжений в узле оба стыкуемых участка трубы в местеперелома пояса укрепляются внутренними ребрами (диафраг-мами) .

Некоторые недостатки рассмотренного выше решения узлаперелома поясов трубчатого сечения исключаются при переходев узле на сварной врезной крест. Здесь линии изгиба всех

37

элементов находятся в горизонтальной плоскости и совпадаютс линиями перелома граней башни. Усилия в поясе передаютсяс трубы через фланговые швы на сварной крест, и поэтому стыкнепосредственно труб носит уже чисто конструктивный харак-тер. В месте стыка труб устанавливается горизонтальное ребро-заглушка, состоящее из четырех раздельных секторов. Элементырешетки крепятся к развитым стенкам врезного креста илик специальным фасонкам меньшей толщины, привареннымк кресту встык.

При решении узла излома поясов посредством врезного свар-ного креста монтажное соединение поясов может быть выпол-нено, как и в предыдущем случае, встык за пределами узло-вой фасонки, а также в ее пределах на уголковых накладках потипу соединения, изображенного на рис. 19, г. В последнемслучае несколько повышается трудоемкость изготовления за счетувеличения количества деталей, а также нарушается единооб-разие формы сечения и целостность элемента, снижающая кор-розионную стойкость узла.

В отличие от приведенных выше решений узлов излома поя-сов трубчатого сечения, в которых стыкуемые в узле элементыпояса дополняются ребрами или заменяются крестом, можно эгосоединение выполнить на сварке встык посредством сплошнойпрокладки (рис. 22). Это решение может быть допущено толькопри полной уверенности, что не произойдет расслоения металлапрокладки под действием растягивающих сил. Узел образуетсяпервоначальной приваркой к прокладке специальных обрезковтруб с целью обеспечения условий для наложения качествен-ного двустороннего заводского шва. Этот вариант узла имеетпо сравнению с ранее рассмотренными некоторые преимуще-ства, заключающиеся в уменьшении расхода металла, снижениитрудоемкости изготовления, а также в исключении гнутой«лапы» благодаря опиранию распорки на горизонтальную фа-сонку.

В башнях из трубчатых элементов, где принято бесфасоноч-ное решение основных узлов, место перелома пояса усиливаетсявнутренней заглушкой, воспринимающей горизонтальную состав-ляющую усилий и обеспечивающей неизменяемость к о н т \ р а се-чения. В зависимости от конкретных условий работы узла в це-лях повышения его надежности иногда применяется местное за-полнение участка пояса, прилегающего к месту перелома, без-усадочным бетоном, аналогично рис. 27, в.

Узлы излома поясов крестового поперечного сечения реша-ются значительно проще, чем трубчатого. Если пояс выполнениз прокатных уголков, в месте излома пояса уголки прерыва-ются и заменяются сварным крестом, выполняющим функциии пояса и фасонок для крепления элементов решетки (рис. 23).Монтажное соединение поясов может быть либо совмещенос узлом, либо выполнено выше узла на уголковых или листовых

38

накладках. Узел перелома пояса крестового сечения, сварен-ного из листовой стали, отличается от предыдущего лишь тем,что крест, образующий собственно узел, является непосредствен-ным продолжением листов пояса и соединяется с ним встык.

Опорные узлы несущей башни. Несущая конструкция вытяж-ной башни по статической схеме представляет собой консольныйстержень, закрепленный в основании. Закрепление четырехгран-ной башни на фундаменте осуществляется четырьмя опорнымиузлами, в каждом из которых сходятся один из поясов башни идва раскоса смежных граней. Через опорный узел башни нафундамент передаются нормальная и перерезывающая силы.В зависимости от направления ветрового потока нормальная

39

сила может быть сжимающей или растягивающей. Сжимающаясила передается на фундамент через опорную плиту, растяги-вающая, как правило, воспринимается анкерными болтами.В ряде случаев возможно восприятие растягивающих сил спе-циальными закладными деталями, применение которых может

оказаться целесообразным, в первую очередь, для строительствав районах с расчетной температурой ниже —40° С.

В нижней пирамидальной части башни ее пояса и граниимеют определенный уклон в пространстве. При малых усилияхв опорном узле опорная плита может быть установлена горизон-тально (рис. 24). Это значительно упрощает производство работпо установке и заделке анкерных болтов в фундаментах и поз-

40

воляет осуществлять монтаж сооружения методом поворота. Од-нако при этом появляется необходимость крепления анкерныхболтов непосредственно за опорную плиту, что возможно толькопри небольших усилиях (до 1 МН). Наиболее четкая передача

усилий и более рациональные условия изготовления опорногоузла достигаются при установке опорной плиты перпендику-лярно оси пояса, а анкеров — параллельно ему (рис. 25, 26).Такое решение, являющееся более надежным, получило в прак-тике строительства вытяжных башен большой высоты широкоераспространение. Монтаж сооружения методом поворота в та-ком случае может быть выполнен при использовании съемных

41

анкерных болтов, сопрягаемых с закладными деталями на спе-циальных муфтах.

При подборе сечений анкерных болтов следует стремитьсяк минимальному их количеству (но не менее четырех), одно-

временно необходимо учитывать, что диаметр анкеров обычноне должен превышать 90—100 мм. В тех случаях, когда четыреханкерных болтов таких размеров оказывается недостаточно, изконструктивных соображений их количество увеличивают довосьми (рис. 26).

42

Горизонтальная неподвижность опорного узла обеспечиваетсяспециальными закладными элементами, соединение которыхс опорной плитой работает на сдвиг. Закладные элементы ус-

танавливаются, как правило, в плоскостях граней башни, приэтом желательно ограничиваться только двумя закладными де-талями, располагаемыми с внешней стороны башни (см. рис. 24,25). В исключительных случаях допускается установка четырех

43

закладных деталей (рис. 26). Каждая из деталей представляетсобой заложенные в фундамент два швеллера, повернутые другк другу стенками. Возможно решение закладной детали, пере-дающей горизонтальную составляющую на фундамент в видетак называемой «шпоры», представляющей собой обрезок трубыили крестовину, приваренную заводскими швами в центре опор-ной плиты с нижней стороны. Применение этой детали услож-няет производство работ и контроль их качества, поэтому, еслигоризонтальная реакция превышает 0,1 МН, решение со «шпо-рой» не рекомендуется.

Передача усилий от пояса и раскосов к элементам опорногоузла, непосредственно связанным с фундаментом, осуществля-ется через систему ребер и траверс. Ребра, расположенныев плоскости граней башни, служат одновременно фасонками длякрепления опорных раскосов. На рис. 25, 26 приведены наибо-лее характерные решения опорных узлов вытяжных башен, вы-полненных из элементов трубчатого сечения. Опорный узелв башнях из элементов крестового сечения может быть выпол-нен по типу рис. 25.

Узлы крепления решетки к поясам несущей башни. Решетканесущей башни передает значительные по величине перерезы-вающие силы, возникающие от действия ветровой нагрузки. Дляобеспечения четкой передачи этих усилий в узлах крепления ре-шетки к поясам несущей башни раскосы, как правило, центри-руются на ось пояса. Наиболее распространено креплениерешетки через вертикальные фасонки, раскрепленные горизон-тальными ребрами жесткости и приваренные к поясам башнизаводскими швами. Крепление решетки к узловым фасонкамосуществляется на болтах нормальной точности, монтажнойсварке и реже — на высокопрочных болтах.

Наиболее часто встречающиеся решения узла крепления рас-косов к поясам несущей башни представлены на рис. 27—29.При решении по типу, изображенному на рис. 27, а, к поясув плоскостях граней башни приваривают по образующим двефасонки, связанные между собой горизонтальным ребром. Поторцам узловых фасонок устанавливают кольцевые ребра жест-кости, раскрепляющие пояс от потери устойчивости и восприни-мающие усилия от изгибающего момента в месте расположенияпродольного шва приварки фасонки к поясу башни. Концытрубчатых раскосов заканчиваются специальной «лапой», кото-рая при небольшом диаметре раскоса (до 250 мм) и неболь-шом усилии в нем (до 0,2 МН) может привариваться непосред-ственно к торцевой заглушке с внутренним ребром (рис. 27, а,28). В других случаях фасонка «лапы» должна быть заведенав прорезь раскоса (рис. 27, б, 29). При больших диаметрахсечения пояса раскосы, центрированные в узле, оказываютсязначительно удаленными друг от друга, что требует для ихприкрепления развитой фасонки. В таких случаях целесообразно

•14

делать раздельные фасонки для каждого из раскосов грани истыковать их друг с другом через дополнительное кольцевоеребро (рис.27,б). Это в некоторой степени уменьшает наветрен-ную площадь сооружения и снижает расход стали на фасонки

за счет более экономногораскроя листа.

В последнее время всечаще стали применятьсябесфасоночные узлы сопря-жения элементов из труб[1, 29, 59]. В этом случаек поясу башни в заводскихусловиях приваривают спе-циальные выпуски (обрезкитруб того же диаметра, чтои раскосы), к которым намонтаже присоединяют рас-косы с помощью двух полу-бандажей (рис. 27, в, 30).Такое решение являетсянаиболее экономичным иточным, однако оно прием-лемо только при определен-ных отношениях диаметрови толщин элементов поясови раскосов и требует особойтщательности производстваработ при изготовлении имонтаже конструкций. Еслисоотношения таких разме-ров не удовлетворяют тре-бованиям прочности и мест-ной устойчивости стенкитрубы, бесфасоночный узелдолжен быть соответствую-щим образом усилен. Однимиз возможных приемов уси-ления узла является запол-нение б'етоном участка поясабашни в пределах наличияместных напряжений, вы-званных воздействием при-мыкающих раскосов (см.рис. 27, б). Примыканиераскосов к поясам башникрестового сечения из про-катных уголков осущест-вляется через обычные фа-

сонки, одна из которых пропускается между уголками пояса,вторая не доходит до оси и приваривается только к одному изуголков, образующих пояс (см. рис. 27, г). Если крестовое сече-ние пояса башни выполнено сварным из листовой стали, фа-сонки, необходимые для крепления раскосов, привариваются за-водскими швами к поясу встык.

Узлы пересечения элементов решетки. Узлы пересечения эле-ментов решетки отличаются весьма большим многообразиемвозможных вариантов их решения. Это обстоятельство объясня-ется целым рядом факторов, наиболее существенным из которыхможно считать наличие большого количества различных по на-значению и условиям работы элементов, сходящихся ,в этихузлах. К ним относятся рас-порки, раскосы, элементыдиафрагм и площадок. Каж-дый из элементов, сходя-щихся в узле, имеет опреде-ленный угол наклона в про-странстве и может иметьсвой, отличный от других,

тип сечения. При этом эле-менты диафрагм в зависимо-сти от условий их работымогут передавать в узлы нетолько осевые усилия, но ивертикальные реакции. Навид конструктивного реше-ния этого узла влияет такжеи то, в какой части соору-жения этот узел расположен: в призматической, пирамидальнойили в месте перелома граней.

Существует два принципиально различных варианта кон-структивного решения узла пересечения элементов решетки:1) горизонтальная распорка является сквозной и в узле не пре-рывается (рис. 31); 2) распорка в узле прерывается и заменя-ется системой фасонок и ребер (рис. 32—34).

Некоторой разновидностью узла первого типа может бытьузел с местным вырезом (на половину сечения) распорки. Вы-бор того или иного типа распорки обусловливается конструктив-ными соображениями, зависящими от сечения распорки, еедлины, а также от характера работы примыкающих элементовдиафрагмы и их сечений.

В приведенных выше вариантах узлов пересечения элемен-тов решетки даны некоторые из наиболее характерных решений,встречающиеся в практике проектирования. С точки зрениянадежности работы конструкций все эти варианты примерноравноценны, вследствие чего при выборе определенного ре-шения в каждом конкретном случае следует руководствоваться

•17

принципом наилучшего удовлетворения требованиям коррозион-ной стойкости, минимальной трудоемкости и соответствия об-щему стилю решения всех узлов сооружения.

I <и

Основные конструктивные решения узлов в зависимости оттипа распорки достаточно четко видны из рисунков и поэтому нетребуют специальных пояснений. Следует лишь отметить неко-торые их особенности. Так, в приведенном на рис. 31 решениив зависимости от действующих в раскосах усилий вертикальная

49

фасонка может быть и не прорезной. В этом случае заводскойстык распорки в пределах узловой фасонки можег отсутствовать.

При конструировании узла по типу решения, представленногона рис. 32, обе части распорки могут крепиться к узловой фа-

сонке на заводской сварке; фасонки же для крепления раскосови элементов диафрагм при необходимости, вызванной условиямимонтажа, могут быть разрезаны по вертикали и соединены намонтаже сваркой встык или на накладках.

51

Элементы диафрагм в зависимости от характера передавае-мых ими усилий могут крепиться как на горизонтальных, так ина вертикальных фасонках. Для элементов, работающих только

на осевое усилие, предпочтительнее крепление на горизонталь-ных фасонках, поскольку в этом случае создаются лучшиеусловия для поэлементного монтажа конструкций. Элементы, ра-ботающие на сжатие с изгибом, требуют крепления на верти-кальных фасонках, при этом в зависимости от величины верти-

52

калькой опорной реакции крепление может быть осуществленочерез одиночную вертикальную фасонку либо с дополнительнойвертикальной накладкой, привариваемой на монтаже.

Одним из вариантов узла пересечения элементов решеткиможет быть узел со специальным сварным кольцевым диском(см. рис. 33) или специальной цилиндрической вставкой(рис. 34). Узел, изображенный на рис. 35, является некоторымвидоизменением бесфасоночного узла с кольцевым диском(рис. 33). Он наиболее целесообразен при сопряжении в узлеэлементов большого диаметра со значительными усилиями.

Известны и получившие распространение за рубежом (ФРГ,Япония [21]) узловые сопряжения трубчатых элементов в видешаров, полушарий и штампованных или литых деталей, довольносложных по конфигурации многогранных вставок. Для их ис-пользования в отечественной строительной практике должнабыть разработана специальная технология и создана соответ-ствующая производственная база.

§ 3. Решения узлов газоотводящего ствола

Узлы опирания газоотводящего ствола на несущую башню.Решения узлов опирания ствола, находящегося под воздействиемгоризонтальных и вертикальных нагрузок, как правило, пред-полагают раздельную передачу этих воздействий на несущуюбашню; при этом учитывается необходимость обеспечения сво-боды вертикальных перемещений ствола от температурныхдеформаций.

По мере накопления опыта проектирования, строительства иэксплуатации вытяжных башен конструкции узлов опираниягазоотводящего ствола совершенствовались, их решения упро-щались. Все многообразие этих решений может быть сведенок четырем основным типам, отличающимся характером передачигоризонтального и вертикального воздействий и средством обес-печения свободы вертикальных перемещений.

Первый тип: газоотводящий ствол опирается на каждуюдиафрагму с совмещенной передачей со ствола на башню гори-зонтального и вертикального воздействии. Температурные пере-мещения погашаются устройством специальных компенсатороввблизи узла опирания каждой секции газоотводящего ствола(рис. 36).

Второй тип: газоотводящий ствол целиком опирается на ди-афрагму, расположенную в нижней части сооружения (по типурешения, изображенного на рис. 15, г), или на собственный фун-дамент или вспомогательную опору (см. рис. 15, а, б, в). Гори-зонтальные силы передаются в плоскости нескольких или всехдиафрагм, обеспечивая свободу вертикальных температурныхперемещений газоотводящего ствола с помощью специальныхкатков (рис. 37).

53

Третий тип: газоотводящий ствол опирается на несущуюбашню и передает вертикальные и горизонтальные нагрузки набашню раздельно, но, в отличие от предыдущего, однотипным ре-

шением— тяжами (рис. 38). Вертикальная нагрузка передаетсячерез подвеску газоотводящего ствола на наклонных тяжахв одном из ярусов нижней части башни, а горизонтальная —

горизонтальными тяжами в уровне основных узлов примыканиярешетки к поясам башни.

Четвертый тип: ствол целиком опирается на диафрагм}в нижней части сооружения и передает на нее вертикальную на-

грузку. Горизонтальные силы передаются в плоскостях диа-фрагм башни через специальные скользящие упоры (рис. 39).

Вполне естественно, что каждый из этих типов опирания га-зоотводящего ствола на несущую башню при сохранении их

принципиальных решений допускает варьирование отдельныхэлементов и деталей узлов, обусловленное величиной передавае-мых сил, материалом конструкций и принятым способом изго-

товления, транспортирования и монтажа газоотводящего ствола.Вопросы заводской или монтажной приварки всех выступающихдеталей ствола (опорных колец, ребер жесткости и др.) реша-ются в зависимости от способа изготовления и условий транс-портирования.

56

При совмещенной передаче горизонтальных и вертикаль-ных сил (см. рис. 36) отдельные секции трубы на каждую издиафрагм могут опираться тремя способами: 1) посредствомопорного устройства, ограниченного двумя горизонтальнымиребрами жесткости, образующими кольцевую опорную балку(см. рис. 36, а); 2) то же, но представляющего собой отдель-ные опорные «лапы» (см. рис. 36, б); 3) с помощью опорногоустройства, состоящего из усиленного опорного кольца (см.рис. 36, в).

Первое, наиболее часто встречающееся, решение приме-няется для газоотводящих стволов среднего диаметра (2—4 м ) ;второе и третье — соответственно для малых и больших диамет-ров. Третий вариант, естественно, применяется только в тех слу-чаях, когда по расчету требуется усиление стенки газоотводя-щего ствола.

При вполне удовлетворительном общем решении данногоузла способ опирания газоотводящего ствола на несущую башнюс совмещенной передачей вертикальных и горизонтальных силна каждую диафрагму не получил широкого распространенияиз-за высокой трудоемкости изготовления конструкций, а такжесложности устройства антикоррозионного покрытия в местахкомпенсаторов.

Вследствие этого раздельное опирание ствола на вертикаль-ные и горизонтальные нагрузки более предпочтительно.

Использование катков для горизонтального опирания стволана несущую башню (см. рис. 37) является результатом естест-венного стремления обеспечить полное соответствие конструк-тивного решения расчетной схеме. Однако, как показала прак-тика, в большинстве случаев такое решение нельзя признатьоправданным. Проведенный анализ показал, что температурныеперемещения газоотводящего ствола носят плавный характери максимальная величина их получается лишь в моменты пусказавода и остановки технологического процесса, которые сами посебе чрезвычайно редки. Перемещения же, связанные с колеба-ниями температуры наружного воздуха, незначительны по вели-чине и скорости изменения. С другой стороны, изготовление иустановка катков на монтаже требуют повышенной точности.Как показал опыт эксплуатации сооружений, даже небольшаянеточность установки катков приводит к их перекосу и закли-ниванию, вызывающим разрушение опорного устройства илинедопустимые деформации оболочки газоотводящего ствола. Вотпочему применение катков для горизонтального опирания стволана несущую башню оказалось нецелесообразным.

Следующим типом устройства для передачи горизонтальныхнагрузок от ствола на башню являются горизонтальные илислабо наклонные тяжи (см. рис. 38). Для обеспечения четкойработы тяжей на горизонтальную нагрузку их установка тре-бует заранее заданных положений и допусков на изготовление,

57

которые исчисляются для каждого яруса по соответствующимтемпературным деформациям сооружения. В реальных условияхмонтажа и эксплуатации это практически неприемлемо, поэтому

постановка тяжей в горизонтальном положении может быть оп-равдана лишь для случаев небольшой разницы между темпера-турой наружного воздуха и температурой отходящих газов

58

(около 50° С). Это соответствует максимальной величине тем-пературных перемещений газоотводящего ствола относительнобашни в пределах ±40 мм. Диаметр горизонтальных тяжей сле-

дует принимать равным 24—30 мм присуммарной ветровой нагрузке на дан-ную горизонтальную опору ствола, непревышающей 50 кН. Расчет опорногокольца газоотводящего ствола и соот-ветствующего узла башни необходимопроизводить с учетом величины и на-правления усилий, передаваемых тя-жами.

Существенные недостатки, ограни-чивающие использование этого способазакрепления газоотводящего ствола надиафрагмы для воспринятая горизон-тальных нагрузок, привели к тому, что

он до настоящего времени не нашелширокого применения в практике стро-ительства вытяжных башен.

Поиски более совершенного реше-ния узла горизонтального опиранияствола привели к разработке егов виде скользящей опоры, которая ли-шена основных недостатков, присущихранее рассмотренным типам опирания.В данном случае необходимая и доста-точно высокая точность установкиупоров не предъявляет особых требо-ваний к монтажным работам, так какположение их перед окончательнымзакреплением легко выверяется и кор-ректируется. На рис. 39 показаны тринаиболее часто встречающихся вариан-та решения конструкций скользящейопоры газоотводящего ствола. Выбортого или иного варианта определяетсявеличиной горизонтальной силы, пере-даваемой в узле, и величиной темпера-турного перемещения газоотводящегоствола относительно несущей башни.В двух первых вариантах высоту упо-ров назначают таким образом, чтобыпри температурных вертикальных пе-ремещениях газоотводящего ствола

опорные планки его не выходили за пределы упоров. Практи-чески эти варианты приемлемы при температурных перемеще-ниях ствола относительно башни в пределах до 400 мм. Если

59

же перемещения превосходят эту величину, то целесообразноувеличивать высоту опорного кольца и размер скользящейопоры в вертикальном направлении (рис. 39, вариант I I I ) . Вы-соту упоров в этом случае можно назначать конструктивно. Пре-имущество такого решения заключается в более четкой передачегоризонтальной силы на диафрагму несущей башни, при кото-рой исключена возможность возникновения кручения упоров иместного дополнительного момента на балку площадки, прису-щих в определенной степени двум первым вариантам решениярассматриваемого узла. Опыт эксплуатации в ы т я ж н ы х башенпоказал, что в настоящее время скользящая опора наилучшимобразом отвечает предъявляемым требованиям к горизонталь-ному опиранию газоотводящего ствола на башню.

Решения узлов опирания ствола на диафрагму для восприня-тая вертикальных нагрузок в нижней части башни могут бытьприняты в зависимости от величины нагрузки и от уровня при-мыкания газоходов по одному из вариантов, представленныхна рис. 15.

Наиболее сложным является опирание газоотводящегоствола на одну из нижних диафрагм или на вспомогатель-ную опору, однако оно может быть выполнено по типу рис. 36, в.Подвеска газоотводящего ствола на наклонных тяжах такжедостаточно надежна и может быть рекомендована к примене-нию при небольшой разнице между размером башни в планев месте крепления тяжей и диаметром газоотводящего ствола.Кроме того, необходимо иметь в виду, что подвеска ствола натяжах достаточно трудоемка в исполнении и поэтому можетбыть оправданна лишь при условии ограничения диаметра тя-жей размерами 36—42 мм и угла наклона тяжей к горизонтув пределах 50—70°. Эти предельные размеры позволяют осуще-ствлять подвеску ствола общей массой примерно до 60 т. Су-щественным недостатком такого способа опирания ствола явля-ется то, что его опорное кольцо и узел крепления тяжей к башнедолжны воспринимать значительные горизонтальные силы, обус-ловленные наклонным положением тяжей.

Кроме стационарного опирания на диафрагму для воспри-нятая вертикальных нагрузок, в конструкции газоотводящегоствола предусматривается возможность его подвески в верхнейчасти сооружения во время монтажа и на время ремонта. Ре-шение этого узла выполняется по типу скользящей опоры(рис. 40), и временная подвеска ствола осуществляется за счет

установки соответствующих прокладок между опорными кон-струкциями ствола и диафрагмы.

Все рассмотренные выше решения по опиранию газоотводя-щего ствола на несущую башню сооружения относятся в основ-ном к стволам, выполненным из углеродистой стали. Вместес тем, как отмечалось ранее, газоотводящие стволы вытяжныхбашен в зависимости от состава и концентрации удаляемых га-

60

зов могут выполняться и из других материалов. В настоящеевремя уже имеется определенный опыт использования для газо-отводящих стволов таких материалов, как алюминий, титан, де-рево, некоторые виды пластмасс. Специфические особенностимеханических и физических характеристик этих материалов оп-ределяют некоторые отличительные требования к условиям кон-струирования из них газоотводящих стволов при сохранениипринципиальной схемы опирания на башню.

Сплавы алюминия, несмотря на низкую их объемную массу,характеризуются и более низким, чем сталь, расчетным сопро-тивлением. Вследствие этого газоотводящий ствол, выполненныйиз алюминия, следует верти-кально опирать на диа-фрагму несущей башни нев четырех, а в восьмиточках, или равномерно повсему периметру через до-полнительное промежуточ-ное стальное кольцо. Уча-сток газоотводящего стволав месте опорного кольцавсегда делают утолщеннымпо сравнению со всей обо-лочкой ствола, а кольца рас-крепляют большим количе-ством вертикальных ребер.Для предотвращения галь-ванической коррозии во всехместах соприкосновения сплава алюминия со сталью необхо-димо предусматривать изолирующие прокладки из оцинкованнойстали. Болты (в том числе и сборочные) должны быть такжеоцинкованными.

Для газоотводящих стволов, выполненных из сплава титана,следует предусматривать изоляцию от стали с целью предот-вращения гальванической коррозии. В качестве изоляции при-меняются прокладки из тефлона (фторопласт-4) или полиизобу-тилена. Используемые в настоящее время для газоотводящихстволов сплавы титана по механическим характеристикамблизки к стали, поэтому в остальном (за исключением наличияпрокладок) узлы опирания титанового ствола не отличаютсяот соответствующих узлов опирания стального.

Пластмассовые газоотводящие стволы набираются из от-дельных типовых царг высотой до 3 м и опирание их на диаф-рагмы несущей башни осуществляется через вспомогательныйподдерживающий каркас из стального проката. Горизонталь-ные воздействия со ствола на башню передаются тяжами; сво-бода вертикальных температурных перемещений обеспечиваетсякомпенсаторами.

61

Типы компенсаторов газоотводящего ствола. Во всех при-меняемых в настоящее время типах компенсаторов металличе-ских газоотводящих стволов имеется один общий недостаток,заключающийся в сложности осуществления антикоррозионнойзащиты. Дополнительные трудозатраты на изготовление ком-пенсаторов и антикоррозионную защиту послужили причинойтого, что в последнее время в практике проектирования вытяж-ных башен высотой до 120 м компенсаторы применяются крайнередко. Вместе с тем, конструирование газоотводящего стволас компенсаторами создает лучшие условия для работы обо-лочки ствола, упрощает его монтаж и ремонт, который можетосуществляться в этом случае посекционно. Кроме того, прибольших высотах сооружения (свыше 120 м) опасность закли-нивания газоотводящего ствола в процессе температурных пе-ремещений делает порой целесообразным опирание ствола нена одну, а на две-три диафрагмы с устройством необходимыхв этом случае компенсаторов. Практически же вопрос о целе-сообразности устройства компенсаторов того или иного типа иих количестве решается в каждом конкретном случае отдельнов зависимости от принятой схемы и температурных условий экс-плуатации сооружения.

Общий вид секции ствола с компенсатором схематическипредставлен на рис. 36. На рис. 41 показаны некоторые типыкомпенсаторов стальных газоотводящих стволов. Размеры ком-пенсаторов определяются расчетом. Конструктивно они могутбыть выполнены из листовой стали или из стальных деталейв сочетании с деталями из других материалов, напримеррезины.

При любых решениях конструкций компенсаторов следуетстремиться к созданию таких его форм, чтобы по возможностипредотвратить задержку в нем удаляемых через ствол агрессив-ных газов и образование конденсата. Для этого нижняя стенкакомпенсатора (рис. 41, а) делается с выпуском внутрь ствола,а оболочка ствола над компенсатором — с выпуском в зонукомпенсатора. Нижняя стенка компенсатора должна иметь та-кой уклон, чтобы происходил сток конденсата и не создавалисьзначительные усилия при температурных перемещениях ствола.Некоторой защитой от попадания в компенсатор газов, парови конденсата может служить листовой скользящий фартук(рис. 41, б).

Устройство компенсатора в виде свободно скользящего на-ружного листа-фартука (рис. 41, в) позволяет наиболее простоосуществить его антикоррозионную защиту, однако его можнорекомендовать только для газоотводящих стволов небольшогодиаметра (2—3 м). В стволах большого диаметра возможныеперекосы секций, а также местные искривления и дефекты обо-лочки ствола могут существенно нарушить нормальную работутакого компенсатора.

62

Более совершенным и надежным в эксплуатации вариантомданного типа компенсатора является широко применяющийсядля газопроводов так называемый сальниковый компенсатор(рис. 41, г), правда, возможность его применения также огра-ничивается небольшими диаметрами газоотводящих стволов.

Значительно лучшими эксплуатационными качествами об-ладают компенсаторы, выполненные с использованием специаль-ной резины или другого эластичного материала, стойкого в аг-рессивной газовой среде и при повышенных температурных ре-жимах газоотводящего ствола. Такие компенсаторы надежныв эксплуатации и пригодны для любых диаметров газоотводящихстволов. Вместе с тем, компенсатор, изображенный на рис. 41, д,

63

требует заводского изготовления специального профиля доста-точно сложной конфигурации, а компенсатор на рис. 41, е необеспечивает одинакового примыкания фартука по всему пери-метру ствола.

Таким образом, в настоящее время для газоотводящих ство-лов вытяжных башен нет еще достаточно совершенной конструк-

ции компенсатора, в равной степени удовлетворяющей всемпредъявляемым к компенсатору требованиям, и работа над егосозданием должна быть продолжена.

Типы монтажных соединений газоотводящего ствола. Члене-ние оболочки газоотводящего ствола на отправочные элементыи соответственно установление количества и вида монтажныхстыков определяются технологией изготовления, способом и

64

средствами транспортирования и условиями монтажа сооруже-ния. Наибольшее распространение получили три типа монтаж-ных стыков оболочки газоотводящего ствола: 1) сварка встык(рис. 42, а); 2) соединение кольцевой накладкой (рис. 42, б, в);3) соединение на болтах нормальной точности кольцевых ребериз прокатных уголков (рис. 42, г).

Кольцевые накладки в виде полубандажей (рис. 42, в), ис-пользуемые для стволов небольшого диаметра, существенноуменьшают количество монтажной сварки. Кольцевые ребра изпрокатных уголков, соединяемые на болтах, можно привари-вать к оболочке ствола как заводскими, так и монтажнымишвами. Монтажный стык газоотводящего ствола фланцевоготипа (рис. 42, г), как правило, делается только в тех случаях,когда секции газоотводящего ствола в целях антикоррозионнойзащиты предварительно гуммируются.

Лучшим решением из перечисленных монтажных соединенийэлементов газоотводящего ствола является сварка встык. Такоерешение экономично по расходу металла и трудоемкости изго-товления и позволяет наилучшим образом осуществить защитуствола от коррозионного воздействия агрессивной среды.

§ 4. Материалы

Материал для изготовления конструкций вытяжных башенопределяется одновременно с выбором компоновочной схемысооружения путем вариантного проектирования и соответствую-щего технико-экономического анализа. В этом анализе в обя-зательном порядке необходимо учитывать, что качественные по-казатели материала, наряду с другими факторами, оказываютсущественное влияние не только на надежность сооружения ипервоначальную стоимость его строительства, но и, что особенноважно, на последующие затраты во время эксплуатации. Приэтом следует иметь в виду, что затраты, связанные с преждевре-менным износом сооружения, включают в себя не только стои-мость проведения капитального ремонта, но и в ряде случаевогромные убытки от вынужденной полной или частичной оста-новки производственного процесса. Характерным примером ра-ционального проектирования в этом отношении может служитьприменение в качестве материала для газоотводящих стволовтитана, высокая стоимость которого для некоторых видов про-изводств окупается уже в течение 3—4 лет благодаря сущест-венному продлению срока нормальной эксплуатации вытяжнойбашни.

Учитывая различное функциональное назначение конструкцийнесущей башни и газоотводящего ствола, материал для их из-готовления следует выбирать с учетом своих, специфических,требований и условий эксплуатации. В частности, для мате-риала несущих конструкций важно учитывать его способность

65

сопротивляться коррозионному воздействию окружающей ат-мосферы. В комплексе вопросов, связанных с предназначениемматериалов газоотводящих стволов, должны быть дополнительноучтены такие факторы, как проникновение коррозии, влияниеизменения температуры наружного воздуха на температуру от-водимых газов, приводящее к образованию конденсата, возмож-ность нарушения нормального технологического процесса и, какследствие этого, изменения в составе отводимых газов, их темпе-ратуре и влажности.

Несущие башни. Башни с сечениями элементов из профиль-ного металла или из листового проката, как правило, изготав-ливаются из углеродистой стали по ГОСТ 380—71 и из низко-легированной стали по ГОСТ 19281—73 и 19282—73 или поспециальным техническим условиям.

Башни в целом и отдельные их элементы относятся к темконструкциям, на которые в прямом виде не распространяетсятабл. 50 главы СНиП П-В.З—72 [91]. Однако, как показываетопыт проектирования, назначение конкретных марок сталей длябашен с достаточным основанием может производиться приме-нительно ко II группе сварных конструкций этой таблицы с не-которым сокращением количества рекомендуемых марок сталей(табл. 2). При назначении марок сталей необходимо учитывать,что башни эксплуатируются на открытом воздухе, и в связис этим за расчетную температуру следует принимать темпера-туру наружного воздуха района строительства по наиболее хо-лодной пятидневке согласно указаниям главы СНиП П-А.6-—72 [87].

Сталь всех приведенных в табл. 2 марок должна удовлет-ворять требованию на загиб в холодном состоянии согласно нор-мам соответствующих государственных стандартов и техниче-ских условий. При соответствующем технико-экономическомобосновании марки стали, применяемые при низких расчетныхтемпературах, могут быть использованы и при более высокихрасчетных температурах.

В случае применения для элементов башен (эксплуатируе-мых при расчетных температурах выше —40° С) стальных трубпоследние рекомендуется принимать электросварными поГОСТ 10704—63 или бесшовными горячекатаными по ГОСТ8732—70. При этом следует иметь в виду, что поставка труб поГОСТ 10704—63 больших диаметров для строительных кон-струкций ограничена, в основном, максимальным диаметром426 мм при толщине стенки 12 мм. Бесшовные же трубы поГОСТ 8732—70 прокатываются диаметром не более 426—530 мм при толщине стенки от 9 до 75 мм. Применение в проек-тах труб с толщиной стенки более 20 мм, как правило, должнобыть тщательно обосновано и предварительно согласовано с за-водом-изготовителем и снабженческими организациями. Дляэлектросварных труб обычно принимается сталь марки 20 по

66

ГОСТ 1050—60 или ВСтЗспб по ГОСТ 380—71. Для бесшов-ных труб принимается сталь марки 20 по ГОСТ 8731—66. Принеобходимости использования труб больших диаметров, изго-товление их возможно из листового проката путем вальцовки не-посредственно на заводах металлоконструкций, начиная с диа-метра 630 мм и более. Листовой же прокат для этих целей мо-жет приниматься как из углеродистой, так и из низколегирован-ной сталей.

Газоотводящие стволы. Особые условия эксплуатации газо-отводящих стволов вытяжных башен вызывают необходимостьпри выборе материалов помимо рекомендаций главыСНиП П-В.З—72 [91] учитывать дополнительные требования, от-ражающие особенности их работы. Глава СНиП П-28—73 [92]содержит лишь весьма ограниченные указания по конструкциии материалам промышленных труб (табл. 20). В связи с этимниже приводятся некоторые обобщенные сведения об усло-виях эксплуатации газоотводящих стволов вытяжных башен и

3* 67

предложения по выбору материалов, полученные на основе ана-лиза большого количества индивидуальных проектов (около200), а также публикаций. При этом основное внимание уделенофизико-химическим свойствам и особенностям поведения ма-териалов в контакте с различными средами, поскольку именноэти свойства предопределяют выбор материалов для газоотводя-щих стволов.

В зависимости от температуры и влажности газовоздушныхсмесей режимы, при которых эксплуатируются стволы вытяж-ных башен, можно свести к четырем основным видам [76]:

1) низкотемпературный сухой режим, характеризующийся температуройниже 100° С и отсутствием конденсата (относительная влажность, как правило,ниже 50—60%);

2) низкотемпературный влажный режим, характеризующийся темпера-турой ниже 100° С и наличием конденсата (относительная влажность, какправило, значительно выше 60%);

3) высокотемпературный сухой режим с температурой выше 100° С, безконденсата;

4) переменный режим, характеризующийся периодическим изменениемтемпературы (как правило, в интервале 30—300° С) и влажности, меняющейсяв широком интервале, что периодически приводит к образованию конденсата.

Вполне очевидно, что, как бы совершенна ни была очистнаяаппаратура, какая-то часть вредных веществ в отводимых газахприсутствует и оказывает существенное влияние на коррозиюгазоотводящих стволов. При этом коррозионный процесс можетидти по двум основным путям [18]: электрохимической коррозиии газовой коррозии. Электрохимическая коррозия возникает привзаимодействии металла ствола с электролитом, который обра-зуется в результате конденсации водных растворов кислот, со-лей и щелочей на стенках ствола. Образование конденсата,а следовательно, и электрохимическая коррозия характерныдля холодновлажного режима эксплуатации. Газовая корро-зия— это химическая коррозия металла в газах при высокихтемпературах. Характерной особенностью газовой коррозии яв-ляется отсутствие на поверхности стенок ствола влаги, что имеетместо при горячесухом режиме эксплуатации. На скорость га-зовой коррозии влияет целый ряд факторов и прежде всеготемпература и состав газовой среды. Повышение давления газапри прочих равных условиях сильно ускоряет газовую коррозию.

Таким образом, конструкционные материалы в каждом кон-кретном случае следует выбирать с учетом их коррозионнойстойкости по отношению к отводимым средам и в соответствиис режимом работы вытяжной башни.

В соответствии с установившейся практикой для газоотводя-щих стволов используются следующие материалы:

1) металлы: обычные малоуглеродистые стали (с защитным покрытиемили без него), высоколегированные стали различных марок, алюминий и егосплавы, титан;

2) конструкционные пластмассы: текстофаолит, стеклопластики и др.;3) древесина.

68

Ниже приводятся некоторые сведения о взаимодействии ма-териалов, используемых для газоотводящих стволов, с отдель-ными химическими элементами и соединениями. Несмотря наобязательную предварительную очистку отходящих газов, при-сутствие этих веществ в их составе возможно, и оно определяетусловия применения материалов для газоотводящих стволовв зависимости от температуры, влажности и степени концентра-ции газов. При этом имеется в виду, что коррозионная стой-кость металлов зависит не только от условий коррозионнойсреды, но и от природы самого металла, от его способностик образованию прочных пассивирующих пленок.

Обычные малоуглеродистые стали, например Ст. 3, даже прикомнатной температуре в жидких агрессивных средах, таких,как серная (кроме концентрированной*), азотная, соляная иплавиковая кислоты, а также растворы некоторых солей, необразуют прочных пассивирующих пленок, не являются корро-зионностойкими и поэтому в условиях низкотемпературноговлажного режима не могут применяться без эффективной за-щиты. В сухих газах, например в сернистом с температурой до100° С, в окислах азота, в сухом хлоре с температурой до 20° С,малоуглеродистые стали обладают удовлетворительной коррози-онной стойкостью и могут использоваться в этих условиях беззащиты или с защитой лакокрасочными материалами. При на-личии влаги все эти газы образуют соответствующие кислоты,в контакте с которыми малоуглеродистые стали подвергаютсязначительной коррозии. Сильной коррозии они подвергаются ив атмосфере влажного сероводорода. При высокотемператур-ном сухом режиме работы сооружения малоуглеродистые сталицелесообразно применять при температуре отводимых газов, непревышающей 300° С, поскольку выше этой температуры проте-кает заметная газовая коррозия, особенно резко увеличиваю-щаяся при температуре 500° С и более.

Таким образом, малоуглеродистую сталь марки Ст.З [34, 96],являющуюся в настоящее время основным конструкционным ма-териалом для газоотводящих стволов вытяжных башен, целе-сообразно, как правило, применять лишь при наличии эффек-тивной защиты. Однако, учитывая, что в реальных условияхэксплуатации достаточно эффективной защиты в настоящеевремя не существует, можно в некоторых случаях увеличиватьна 2—4 мм (по сравнению с необходимой толщиной по условиямпрочности и устойчивости) толщину стенок газоотводящих ство-лов, выполненных из Ст.З, особенно в зоне окутывания, подвер-гающейся наибольшей коррозии.

Высоколегированные стали применяются в тех условиях, гдетребуется высокая стойкость против коррозии и для работы

* При температуре кипения концентрированная серная кислота также вы-зывает сильную коррозию малоуглеродистых сталей.

69

при высоких температурах. В зависимости от основных свойстввысоколегированные стали подразделяются на следующиегруппы [95]:

I — коррозионностойкие (нержавеющие), т. ч. стали, обладающие стой-костью против электрохимической коррозии;

II—жаростойкие (окалнностойкие), т. е. стали, обладающие стойкостьюпротив химического разрушения поверхности в газовых средах при темпера-п р а х выше 550° С и работающие в ненагруженном или слабонагруженномсостоянии;

I I I — ж а р о п р о ч н ы е , т. е. стали, обладающие достаточной окалиностой-костью в нагруженном состоянии в высокотемпературной среде.

Для газоотводящих стволов вытяжных башен применимынекоторые марки сталей I и II групп. К ним относятся сталимарок ОХ13, ОХ21Н5Т, Х17Н13М2Т и ОХ23Н28МЗДЗТ, стойкиепротив электрохимической коррозии, а также стали марокХ18Н9Т и Х18Н10Т, являющиеся, кроме того, и жаропрочными.

Известно, что хромистые и хромоникелевые стали имеют вы-сокую коррозионную стойкость к минеральным кислотам, обла-дающим окислительным действием (концентрированная серная,азотная кислоты), к растворам солей и едких щелочей. Неокис-лительные кислоты (серная малых и средних концентраций, со-ляная, плавиковая) разрушают хромистые и хромоникелевыестали. Легирование хромоникелевой стали молибденом и медьюделает ее стойкой к серной (любых концентраций и при повы-шенной температуре), соляной, плавиковой и фосфорной кис-лотам.

Таким образом, хромистая сталь марки ОХ13 может бытьиспользована для газоотводящих стволов в средах, содержащихокислы азота, а также в сероводородной среде.

При низкотемпературном влажном режиме для работыв средах, содержащих окислы азота и фосфора, целесообразноиспользовать хромоникелевые стали Х18Н9Т, Х18Н10Т иОХ21Н5Т, а стали Х18Н9Т и Х18Н10Т (в случае высокотемпе-ратурного сухого режима), кроме того, в средах, содержащихокислы серы, хлористый водород, хлор. В средах, содержащихокислы серы, азота и фосфора, а также сероводород, можно при-менять хромоникелемолибденовую сталь Х17Н13М2Т. Высоко-легированная хромоникелемолибденовая медистая стальОХ23Н28МЗДЗТ обладает высокой коррозионной стойкостьюпрактически во всех средах, даже во фтористых соединениях.Для переменного режима, наиболее неблагоприятного для кон-струкционных материалов, можно рекомендовать стали марокХ18Н9Т и Х18Н10Т для сред, содержащих окислы азота и фос-фора, а сталь ОХ23Н28Л13ДЗТ для сред, содержащих окислысеры и галогеносодержащие соединения.

Применение этих марок легированных сталей для газоот-зодящих стволов вытяжных башен с экономической точки зре-ния в настоящее время целесообразно лишь в виде плакирую-

70

щего покрытия по значительно более дешевой малоуглеродистойстали, поскольку коррозионная стойкость плакирующего слояравноценна стойкости стали, использованной для плакирования.В порядке исключения и при соответствующем обосновании га-зоотводящий ствол может быть выполнен целиком (полной тол-щины) из высоколегированных сталей. Однако в этом случаенеобходимо учитывать, что возможность поставки таких сталейдля целей строительства весьма ограничена и требует предвари-тельного согласования с соответствующими инстанциями.

Алюминий и его сплавы. Чистый алюминий имеет малуюпрочность и не может быть использован в качестве конструкци-онного материала. Однако прочность его резко возрастает подвлиянием добавок других элементов, термической и механиче-ской обработки [35, 43, 46, 66]. В ряде случаев алюминий иалюминиевые сплавы успешно используются вместо стали. Алю-миний имеет высокую коррозионную стойкость на воздухе ив ряде других сред вследствие образования прочной окислитель-ной пленки.

Алюминий и его сплавы обладают высокой коррозионнойстойкостью к воздействию сухого сернистого газа при темпера-турах 20—40° С, а также в атмосфере сероводорода и сухихокислов азота. Это и предопределяет область применения алю-миния и его сплавов в качестве материала для газоотводящихстволов вытяжных башен. Обычно используется техническийалюминий марки АД1, а также сплав алюминия с марганцеммарки АМц, который превосходит алюминий по прочности икоррозионной стойкости.

В растворах серной, соляной, азотной (средних концентра-ций), фосфорной (средней и высокой концентрации), а такжеплавиковой кислот алюминий и его сплавы подвергаются силь-ному коррозионному разрушению. Влажный сернистый ангидридтакже вызывает значительную коррозию алюминия. Совершеннонестоек алюминий и в щелочных средах. Кроме того, примене-ние алюминия и его сплавов ограничено областью относительнонизких температур (80—100°С), выше которых ухудшаются егопрочностные свойства. Необходимо также иметь в виду, чтокоррозия алюминия сильно увеличивается при контакте с обыч-ной или нержавеющей сталью.

Все это существенно ограничивает область применения алю-миния и его сплавов. Нарушение условий, определяющих кор-розионную стойкость алюминия, приводит к его быстрому раз-рушению. Опыт эксплуатации алюминиевых труб показывает,что даже кратковременные изменения в режиме работы приводятк ускоренному разрушению алюминиевых стволов вытяжныхбашен.

Титан и его сплавы. Эти материалы сочетают в себе боль-шую прочность с малой плотностью и высокой коррозионнойстойкостью в атмосфере воздуха, в морской воде, а также

71

в растворах щелочей и неорганических солей [32, 63]. Благодаряэтому во многих случаях они обладают значительными преиму-ществами перед такими материалами, как сталь и алюминий.Однако с повышением температуры защитные и прочностныесвойства титана ухудшаются. В частности, технический титанмарки ВТ1, который наиболее часто применяется в химическойпромышленности, рекомендуется использовать при температурене выше 350° С. Наиболее стоек титан в кислых средах. Он об-ладает высокой коррозионной стойкостью в азотной кислоте ицарской водке, в сухом сернистом газе и во влажном хлоре.Стойкость титана в серной, соляной и фосфорной кислотах сни-жается по мере увеличения концентрации этих кислот. Он нестоекв плавиковой кислоте и в сухом хлоре. В противоположностьалюминию титан при контакте со сталью не корродирует, нопри этом сама сталь подвергается коррозионному разрушению.

Конструкционные пластмассы. Текстофаолит — один из ви-дов конструкционных пластмасс — получается отверждениемслоистого материала, состоящего из фаолита и стеклянной илихлопчатобумажной ткани, пропитанной бакелитовым лаком [42].Его механическая прочность значительно выше прочности исход-ного фаолита, а химическая стойкость определяется стойкостьюисходного материала.

Фаолит представляет собой кислотоупорную пластмассу,приготовленную на основе фенолоформальдегидной смолы инаполнителя. В отвержденном виде его можно подвергать всемвидам механической обработки. Он отличается достаточнойпрочностью и высокой химической стойкостью. В условиях воз-действия некоторых агрессивных газов и кислот фаолит можетприменяться при температурах от —30 до + 130° С. Фаолит устой-чив к действию сухих и влажных окислов серы, к действию хлораи сероводорода. Он устойчив в соляной (/ до 100° С) и фосфор-ной (I до 80°С) кислотах любых концентраций, в 95%-ной сер-ной кислоте (I до 60° С) и 50%-ной серной кислоте (^ до 100° С) .Растворы различных солей также не вызывают изменений фао-лита. Однако он неустойчив к действию окислов азота и азот-ной кислоты, к соединениям фтора и щелочам.

Необходимо отметить, что, хотя для целей строительствамассовый выпуск текстофаолита еще не налажен, применениеего, а также некоторых других конструкционных пластмасс,например, таких, как стеклопластик, в качестве материала длягазоотводящих стволов вытяжных башен представляется болееперспективным, чем высоколегированных сталей.

Древесина. Это материал с невысокой коррозионной стой-костью. Древесина хвойных пород содержит смолу и поэтомуобладает большей химической стойкостью, чем древесина лист-венных пород [3]. Древесина, пропитанная фенолоформальде-гидной смолой, достаточно стойка при повышенных температу-рах (75—125° С) к действию серного ангидрида, хлора, хлора

72

в смеси с хлористым водородом, фтористого водорода, сероводо-рода, а также к действию растворов серной, соляной, плавико-вой, фосфорной, сероводородной кислот, за исключением окис-ляющих (азотной, концентрированной серной). Разрушающеедействие кислот проявляется тем сильнее, чем выше температураи концентрация.

Согласно требованиям Государственного пожарного надзора,доски, из которых изготавливается газоотводящий ствол вытяж-ной башни, необходимо пропитывать антипиренами по методугоряче-холодной ванны, в частности, аммонийно-фосфорнофтори-стыми солями, и окрашивать с двух сторон огнестойкой краскойПХВО. Для защиты от конденсата их покрывают химическистойким лаком ХСЛ. Соединять доски следует гвоздями из нер-жавеющей стали.

Все данные, относящиеся к выбору материалов для газоот-водящих стволов вытяжных башен с учетом режимов их работы,сведены в табл. 3.

Антикоррозионная защита стальных конструкций вытяжныхбашен. В главе СНиП П-28—73 нет рекомендаций по способамантикоррозионной защиты стальных конструкций вытяжных ба-шен. Некоторые предложения по этому вопросу, приведенныениже, составлены на основе обобщения опыта эксплуатациивытяжных башен и сведений литературных источников.

Антикоррозионная защита применяется только для малоугле-родистой и низколегированных сталей, например, марок Ст.З,10Г2С1 и др. (высоколегированные стали особой защиты не тре-буют). Наибольшее значение имеет антикоррозионная защиталакокрасочными материалами, которые используются главнымобразом для наружной поверхности несущих конструкций и га-зоотводящего ствола и, в меньшей степени, для его внутреннейповерхности, находящейся в контакте с отводимыми средами.Несомненным преимуществом лакокрасочной защиты строитель-ных металлоконструкций является ее экономичность.

Особое внимание при нанесении лакокрасочных покрытийдолжно быть уделено качеству подготовки поверхности под ок-раску, поскольку от этого в большой степени зависит срокслужбы покрытия, так как коррозионная стойкость металлаобычно повышается с улучшением чистоты обработки его по-верхности. На поверхности металлоконструкций не должно бытьгрубых необработанных швов, брызг сварки, наплывов металла,раковин, рисок, трещин, заусениц, острых кромок. Все острыекрая должны иметь радиус закругления более 5 мм. Поверхностьметаллоконструкций нужно очищать от ржавчины, окалины,грязи, защитной смазки и жировых загрязнений, а при ремонт-ных работах — от старой разрушившейся краски. Во избежаниеокисления свежеочищенной поверхности стали ее следует грун-товать не позднее 3—4 ч после окончания процесса очистки.Окраска осуществляется при температуре не ниже +10° С.

73

Основными защитными материалами являются масляныекраски для наружных работ, атмосферостойкие перхлорвинило-вые (марок ПХВ и ХВ), эпоксидные (марок ЭП) и некоторыедругие лакокрасочные материалы [81]. Выбор тех или иных ла-кокрасочных материалов определяется в зависимости от составагаза, его концентрации и влажности. По концентрации газы под-разделяются на группы, оценка которых может быть сделана потабл. 4. В табл. 5 приведены рекомендуемые лакокрасочныепокрытия для защиты несущих металлоконструкций и наружныхповерхностей газоотводящих стволов, выполненных из малоугле-родистых и низколегированных сталей. При концентрациях га-зов, превосходящих указанные в табл. 4, защита конструкцийосуществляется по специальному проекту.

Защита зоны окутывания, подверженной коррозии в боль-шей степени, чем другие элементы наружных поверхностейвытяжной башни, должна осуществляться по п. г, табл. 5. Уси-ленной защиты (по п. в и г) требуют конструкции, расположен-ные на высотах от 100 до 300 м, поскольку именно на этих вы-сотах в промышленных городах чаще всего наблюдаются мак-симальные концентрации газообразных примесей, приводящихк увеличению скорости коррозии элементов металлических кон-струкций вытяжных сооружений, особенно элементов узлов,труднодоступных для окраски [64]. Окраска конструкций, экс-плуатирующихся в условиях тропической влажности или в ус-ловиях Крайнего Севера, требует специальных рекомендаций.

Следует также отметить, что во всех вышеизложенных слу-чаях вытяжные башни, являющиеся линейным препятствием, длябезопасности полета самолетов в дневное время следует окраши-вать в цвета согласно специальным инструкциям Гражданскоговоздушного флота СССР.

Антикоррозионная защита внутренней поверхности газоот-водящих стволов вытяжных башен может осуществляться как

76

органическими, так и неорганическими материалами. Однаков настоящее время отсутствуют достаточно обоснованные и про-веренные решения по антикоррозионной защите, обеспечиваю-щей долговременную эксплуатацию газоотводящих стволов вы-тяжных башен, выполненных из малоуглеродистых сталей, на-пример марки Ст.З. Для низкотемпературного сухого режимаэксплуатации газоотводящих стволов, а в некоторых случаяхи для высокотемпературного сухого (2? до 150°С), можно реко-мендовать защиту эпоксидными лакокрасочными материалами,теплостойкость которых колеблется в пределах от 100 до 150° С.

При низкотемпературном влажном режиме внутреннюю по-верхность ствола, изготовленного из Ст.З, обычно защищают ре-зиновым покрытием — гуммируют [3, 76]. Защита материаламина основе каучуков — резинами, эбонитами, герметиками, такназываемое гуммирование, выполняется в основном обкладкойсырыми невулканизированными листовыми материалами с ихпоследующей вулканизацией в специальных камерах. Подобнаязащита чаще всего практикуется при температуре отводимыхгазов не выше 60° С и при образовании в газоотводящем стволеконденсата кислот соляной, фтористоводородной, сернистой, сер-ной (последняя не выше 50%) и некоторых других, за исклю-чением азотной. Наиболее часто применяется трехслойная рези-новая обкладка, состоящая из мягкой резины № 1976 толщиной1,5 мм, гибкого эбонита № 2169 толщиной 3 мм и резины№ 1476—1,5 мм, всего толщиной 6 мм. Надежной защитой яв-ляется также обкладка резиной № 2566 (3—4 мм) или резиной№ 829 той же толщины. При гуммировании внутренней поверх-ности газоотводящего ствола вытяжной башни обычно одновре-менно гуммируют наружную часть ствола, находящуюся в зонеокутывания, а также все фланцы и болты.

При более высоких температурах и отсутствии фтористово-дородной кислоты в составе отводимых газов можно рекомен-довать трехслойные лакокрасочные покрытия на основе крем-нийорганических материалов КО-813, КО-198 (/ до 300° С) иВН-30 (/ до 400° С), которые, однако, не всегда являются доста-точно эффективными.

В некоторых случаях, например в среде сероводорода, реко-мендуются металлизационные покрытия алюминием или цин-ком, достаточно устойчивые в этой среде. При использованииметаллизационных покрытий целесообразно подвергнуть ихповерхность дополнительной обработке лаками, например эпок-сидными, или лакокрасочными материалами на термостойкой ос-нове— кремнийорганическими (теплостойкость 300—400°С). Ме-таллизационно-лакокрасочные покрытия более долговечны и ус-тойчивы [62].

Более перспективными и уже применяемыми на промышлен-ных предприятиях в некоторых странах Западной Европы явля-ются неорганические футеровочные материалы типа пеностекла

78

[99]. Они являются одновременно термоизоляторами, предотвра-щающими теплопотери и, тем самым, образование конденсатана внутренней поверхности ствола. Использование их эффек-тивно при отсутствии в составе отводимых газов фтористоводо-родной и кремнефтористоводородной кислот, а также концен-трированного щелочного конденсата, разрушающих силикат-ные материалы.

§ 5. Технико-экономическая оценка и вопросы типизации

Одним из основных принципов современного строительногопроектирования является экономическая целесообразность при-нимаемых проектных решений, направленных на создание опти-мального для заданных условий сооружения. Помимо полногосоответствия технологическим требованиям, требованиям необ-ходимой прочности и долговечности, сооружение должно бытьэкономично по затрате материалов и средств на его возведение.Оно должно отвечать требованиям удобства и минимальных за-трат при эксплуатации.

В методических рекомендациях [77] предлагается оцениватьэкономическую эффективность разрабатываемых конструкций)по следующей номенклатуре показателей:

стоимость в деле (сметная стоимость или себестоимость), руб.;годовые капиталовложения в организацию производственной базы, руб.

в год.;годовые эксплуатационные расходы, руб. в год;сроки возведения сооружения, мес.;приведенные затраты, руб.;масса конструкций и расход основных материалов, т;трудоемкость изготовления и монтажа, чел.-дн.

Для проведения сравнительных расчетов по стальным кон-струкциям и фундаментам вытяжных башен количество техни-ко-экономических показателей можно ограничить стоимостью,трудоемкостью изготовления и монтажа и весом конструкцийс обязательным учетом эксплуатационных расходов. Основнымкритерием при выборе варианта конструкции является минимумприведенных затрат, при равенстве этого показателя в сравни-ваемых вариантах предпочтение отдается варианту с меньшейтрудоемкостью изготовления и монтажа, и, наконец, при равныхприведенных затратах и трудоемкости изготовления прини-мается вариант конструкции с минимальным весом.

Для возможности сравнения все технико-экономические по-казатели определяются на расчетную единицу измерения, в ка-честве которой для сооружений типа труб и башен рекоменду-ется сооружение в целом [77]. Для вытяжных башен при мно-гообразии их типоразмеров и различных районах строительствасопоставление технико-экономических показателей на сооруже-ние будет достаточным только в случае, когда рассматриваютсяварианты конструкций сооружения одного конкретного объекта.

79

При этом могут быть рассмотрены и такие варианты, когда однии те же технологические и санитарно-гигиенические требованияк вытяжным башням будут удовлетворены при различной сово-купности высоты и диаметра газоотводящего ствола.

В качестве примера можно привести результаты выполнен-ного институтом ВАМИ технико-экономического сравнения ва-риантов при выборе габаритов вытяжной башни для Березни-ковского титано-магниевого комбината (табл. 6). Из табл. 6следует, что по размерам приведенных годовых затрат опти-мальным вариантом следует считать вытяжную башню высотой75 м с диаметром газоотводящего ствола 2,5 м. Однако к испол-нению был принят вариант вытяжной башни высотой Я=120 м,/5 = 4 м (рис. 6): существующие на месте тягодутьевые устрой-ства не могли создать необходимый напор в газоотводящемстволе, имеющем размеры по оптимальному варианту, а заменаих на новые оказалась экономически нецелесообразной.

При технико-экономическом сопоставлении проектных реше-ний вытяжных башен различного целевого назначения, находя-щихся в различных климатических районах, приведенная вышеметодика сравнения всех расходов и затрат, отнесенных к соо-ружению в целом, естественно, не может быть признана доста-точно правомерной. В этом случае за единицу измерения сле-дует принять 1 м высоты сооружения или 1 м3 объема газоот-водящего ствола. Но даже и эти единицы измерения не вполнеобеспечивают сопоставимость проектных решений вытяжныхбашен и дополнительно требуют введения обобщающего пара-метра, учитывающего нагрузку. В качестве такого параметрадля одноствольных вытяжных башен можно принять величинускоростного напора ветра на 1 м длины газоотводящего стволана уровне половины высоты сооружения ^^. Для многостволь-ных вытяжных башен этот параметр также может быть исполь-зован, но числовая величина его равна соответствующему сум-марному скоростному напору на все газоотводящие стволыс учетом их взаимного расположения.

Учитывая, что стоимость металла является главной состав-ляющей стоимости конструкции (до 70—75% общей стоимостисооружения), а трудоемкость, как правило, пропорциональнамассе, основным мероприятием по снижению стоимости и тру-доемкости является снижение массы конструкций. Критериемоптимальности решений в данном случае могут служить зако-номерности изменения весовых показателей, определенные в за-висимости от специфических для каждого сооружения парамет-ров [31, 33, 52, 58 и др.]. Для вытяжных башен высотой до 200мс одним газоотводящим стволом и четырехгранной несущейбашней на основании обобщения многолетнего опыта проекти-рования этих сооружений получены так называемые законы из-менения показателей веса несущих конструкций по высоте(рис. 46) и по объему (рис. 43) [13] в функции от осредненного

80

параметра нагрузки ^^. Эти показатели дифференцированыв зависимости от типа сечения поясов и решетки башни. Срав-нение показателей веса для вновь разрабатываемых вытяжныхба^ен с зависимостями, приведенными на рис. 43 и 45, позво-ляет получить первоначальную технико-экономическую оценкуих проектных решений.

Совершенствование конструктивных решений и методикирасчета вытяжных башен привело в последние годы к сниже-нию веса несущих конструкций, что наглядно характеризуется

изменением показателя веса сооружения в различные периодыпроектирования [25] (рис. 44).

Детальный технико-экономический анализ в количественныхданных по другим, отмеченным выше показателям, в настоящеевремя нуждается еще в методической доработке. Выполненноеобобщение имеющегося опыта проектирования, изготовления,монтажа и эксплуатации вытяжных башен дало возможностьпровести только качественную оценку экономичности проектныхрешений по снижению трудозатрат на заводах-изготовителяхи на монтажной площадке, а также по снижению эксплуатаци-онных расходов. Этим анализом сопровождается описание всехконструктивных решений вытяжных башен в предыдущих пара-графах настоящей главы.

Ниже приводятся общие требования, выполнение которыхв процессе проектирования способствует созданию экономичныхметаллоконструкций:

83

для повышения технологичности изготовления и мон-тажа [11]:

наименьшее количество применяемых марок стали и профилей проката;конструктивные решения, позволяющие широко использовать высокоэф-

фективные механизированные способы обработки, сборки в кондукторах ипо копирам, автоматическую сварку;

максимальная типизация конструкций и деталей;конструктивные решения, обеспечивающие высокое качество конструкций

и соединений (сварных, болтовых);наименьшее количество сварных швов с минимальными деформациями и

напряжениями от сварки;открытые, простые в изготовлении и удобные при монтаже заводские и

монтажные соединения элементов конструкций;рациональная разбивка на отправочные элементы;

для снижения эксплуатационных расходов:выбор наиболее эффективных материалов и способов их защиты от кор-

розии;увеличение срока продолжительности и нормальной эксплуатации между

текущими и капитальными ремонтами; обеспечение возможности проведенияэтих ремонтов с минимальным нарушением нормального технологического про-цесса производства;

создание достаточно удобных условий для периодического осмотра наибо-лее ответственных элементов сооружения.

Следующим этапом повышения экономической эффектив-ности строительства является его максимальная индустриализа-ция, основанная на поточном изготовлении и скоростном мон-таже. Практическая реализация этого важного положения тре-бует в первую очередь унификации и типизации сооружений,которые могут иметь два направления [39]: общая — унификацияи типизация сооружений разного назначения; внутренняя — уни-фикация и типизация сооружений одного и того же назначения.

Для вытяжных башен направление общей унификации и ти-пизации (совместно с другими высокими сооружениями башен-ного типа—телевизионными башнями, опорами радиорелейныхлиний и т. д.) неприемлемо в силу существенной спецификифункционального назначения этих сооружений. Внутренняя уни-фикация вытяжных башен подразумевает выполняемую в ука-занной ниже последовательности унификацию следующих их па-раметров и характеристик:

габаритные схемы газоотводящих стволов и стальных конструкций нес> -щи\ башен;

нагрузки;схемы решетки башни;профили элементов и узловые соединения (заводские и монтажные).

В настоящее время завершен только первый этап комплекс-ной внутренней унификации вытяжных башен с одним газоотво-дящим стволом высотой до 200 м [56]. На основе анализа 115 ин-дивидуальных проектов сооружений установлено 63 типа габа-ритных схем при 32 различных размерах диаметров и 19 высотгазоотводящих стволов. Количество габаритных схем ничем неограничивалось и имело явную тенденцию к увеличению по мере

84

возрастания общего количества индивидуальных проектов вы-тяжных башен (рис. 45).

В целях унификации дальнейшая обработка проектных дан-ных по размерам газоотводящих стволов потребовала составле-ния таблицы распределения (табл. 7) [38]. Разряды таблицыобозначены величиной их средних значений, которые принятыв соответствии с требованиями Единой модульной системы [86]

и учетом взаимной увязки с унифицированными габаритамисвободно стоящих дымовых труб. Анализ табл. 7 выявил целе-сообразность переменной градации основных размеров газоотво-дящих стволов: более частую в области их большей повторяе-мости и более редкую —в малой [58]. Установленные такимобразом габаритные схемы газоотводящих стволов вытяжныхбашен сведены в табл. 8.

Унифицированные габаритные схемы стальных конструкцийвытяжных башен включают в себя также и размер башнив основании. Своевременно предусмотренная величина его необ-ходима для правильного размещения на генплане и сооружения,и подводящих газоходов в комплексе с общезаводскими

8Г>

коммуникациями. Унифицированный размер башни в плане уста-новлен из зависимости расхода металла на сооружение от вели-чины этого размера. В табл. 9 полностью сведены все унифи-цированные габариты схем сооружений. Они могут быть реко-мендованы при составлении технологических заданий на строи-тельное проектирование таких сооружений.

Г Л А В А III

НАГРУЗКИ

§ 1. Состав и сочетания нагрузок, действующих на вытяжныебашни

На вытяжные башни могут действовать все или некоторыеиз следующих силовых воздействий:

вес конструкций;технологические и монтажные нагрузки;атмосферные воздействия.

Все возможные нагрузки в соответствии с действующиминормами «Нагрузки и воздействия» СНиП П-6—74 подразделя-ются на постоянные и временные (длительные, кратковремен-ные и особые). Полный состав нагрузок и воздействий на сталь-ные конструкции вытяжных башен, коэффициенты перегрузки пи некоторые указания по методике определения нагрузок приве-дены в табл. 10.

Нагрузки, величина которых определяется по технологиче-ским данным, оговариваются в задании на проектированиесооружения. Все технологические нагрузки и воздействия, отно-сящиеся к категории длительных нагрузок, соответствуют усло-виям нормальной эксплуатации сооружения; воздействия насооружение в моменты начала и остановки технологическогопроцесса, а также во время испытаний оборудования относятсяк категории кратковременных, а при резких нарушениях техно-логического процесса — к особым.

При определении атмосферных воздействий на вытяжныебашни, помимо главы СНиП «Нагрузки и воздействия» [89], не-обходимо привлекать соответствующие специальные указания[68, 100, 101] и главы СНиП [87, 90].

Учитывая практическую невозможность одновременного воз-действия сочетания нагрузок расчетных величин, вводится коэф-фициент сочетаний пс, который используется в качестве множи-теля для расчетных значений нагрузок. Величина коэффициен-тов сочетаний зависит от состава сочетаний, определяемоговидами и количеством одновременно учитываемых воздействийи нагрузок. За одну кратковременно действующую нагрузку мо-жет приниматься и совокупность нескольких нагрузок, если по-явление и величина их взаимосвязаны. Связь эта учитывается

87

специальными коэффициентами. Для вытяжных башен к такойнагрузке относится сочетание гололеда с ветровой нагрузкой,(скоростной напор ветра принимается в размере 25% от ура-ганного).

Наиболее характерные для вытяжных башен сочетания дей-ствующих нагрузок и коэффициент сочетаний для них приве-дены в табл. 10.

Состав постоянных и длительно действующих нагрузокв соответствующих сочетаниях может быть различным для от-дельных элементов вытяжной башни и для всей несущей кон-струкции сооружения.

Для расчета башни как несущей конструкции сооруженияв основное сочетание нагрузок входят все фактически действу-ющие и оговоренные заданием постоянные и длительные на-грузки, а также ветровая нагрузка (при ураганном действииветра), для которой коэффициент сочетания п с=1. Одновре-менный учет нескольких кратковременных нагрузок с понижаю-щими коэффициентами сочетания пс = 0,9 для вытяжных башен,как правило, не дает расчетных сочетаний. Так, не требуетсяпроверки несущей способности башни на действие сочетания,включающего одновременно ветровую нагрузку на сооружениеи полезную нагрузку на площадках-диафрагмах (с коэффициен-том сочетания «с=0,9). Аналогично в большинстве случаев нетнеобходимости расчета башни на сочетание с гололедно-ветро-вой нагрузкой.

Несущая башня сооружения допускает восприятие нагрузокв период монтажа, если он осуществляется методом поэлемент-ной сборки в проектном положении. При ином методе монтажатребуется специальная проверка конструкции и ее элементов.При этом расчетные значения кратковременных нагрузок сле-дует снижать на 20% [89]. Конструкции на специальные условиямонтажа проверяют при разработке проекта организации работили при проектировании сооружения, если эти условия огово-рены в задании.

В башнях с предварительно напряженной решеткой воздей-ствия от предварительного натяжения определяются расчетом.

Необходимость учета при расчете башни особых сочетанийзависит от величины особых воздействий и устанавливается спе-циальным заданием. Как показывает опыт проектирования вы-тяжных башен, особое сочетание нагрузок при сейсмическихвоздействиях в 7—8 баллов не является расчетным, посколькув этом случае по СНиПу [90] не учитывается ветровая на-грузка и принимается повышающий коэффициент условия ра-боты.

Элементы площадок-диафрагм рассматриваются в общейсистеме сооружения и дополнительно проверяются на верти-кальные воздействия от полезной нагрузки, снега и пыли с соот-ветствующими коэффициентами сочетания пс.

88

Газоотводящий ствол рассчитывается на вертикальные воз-действия от веса ствола и оговоренных заданием весов антикор-розионного покрытия, теплоизоляции, конденсата и иных отло-жений на его стенках, а также на горизонтальную ветровуюнагрузку и избыточное давление отводимых газов, приложенныхнормально к оболочке ствола. Коэффициенты сочетаний опреде-ляются в соответствии с составом учитываемых одновременновоздействий по данным табл. 10.

Основными нагрузками для вытяжных башен, как и для всехвысоких сооружений, являются воздействия ветра и веса кон-струкций, величина которых находится в прямой зависимости отразмеров сооружения, размеров и типов сечений всех его эле-ментов. Вследствие этого сбору нагрузок на вытяжные башнипредшествует конструктивная проработка сооружения, т. е.определяются не только геометрическая и статическая схемы, потакже устанавливаются типы и размеры сечений основных эле-ментов башни, принципиальные решения узлов.

Ниже приведена методика сбора следующих нагрузок:вес конструкций несущей башни и газоотводящего ствола;ветровые нагрузки;снеговые нагрузки и нагрузки от пылевых отложений;температурные воздействия.

Методика определения этих нагрузок разработана на основедействующих нормативных указаний с дополнениями чистопрактического характера, а также с учетом обобщения опытапроектирования и результатов некоторых экспериментальныхисследований.

§ 2. Методика определения веса конструкций

Нормативная величина веса конструкций несущей башниможет быть определена либо поэлементным подсчетом при пред-варительно принятых размерах элементов сооружения, либопутем сопоставления с весовыми показателями запроектирован-ных ранее аналогичных сооружений .

При поэлементном подсчете веса значение его для основныхэлементов башни определяется по справочным материалам, ка-талогам, ГОСТам по типу их профиля и размерам. На основа-нии опыта проектирования вес конструктивных элементов — фа-сонок, сварных швов, прокладок, заглушек, болтов и т. п. —учитывается умножением веса основных элементов на коэффи-циент 1,2.

Определение массы башни путем непосредственного сопо-ставления с весовыми показателями запроектированных ранеесооружений осложнено влиянием на вес башни различных ха-рактеристик сооружения. К их числу относятся технологическиепараметры: высота Н и диаметр О газоотводящего ствола, от-метка ввода газоходов; особенности конструктивного решения-схема и геометрические размеры башни, тип сечений элементов

92

башни, тип узловых соединений и др.; и, наконец, район строи-тельства, обусловливающий величину ветровой нагрузки. Однакообобщение данных большого количества проектов вытяжныхбашен высотой до 200 м с одним газоотводящим стволом и четы-рехгранной несущей башней позволило разработать практиче-ский прием определения веса несущей башни для такого типасооружений. Этот прием сводится к определению веса башнипо номограмме. Номограмма распространяется на сооружения,башни которых выполнены из трубчатых стержней, стержнейкрестового профиля, а также на башни с поясами трубчатогосечения и решеткой крестового профиля.

В качестве весового показателя несущей башни принято от-ношение ее веса (включая вес площадок, лестниц, ограждений)к высоте сооружения, так называемый «показатель веса по вы-соте» [13]. Значение его, отнесенное к стали марки ВСт. 3, ко-леблется в пределах 4—47 кН/м. Для дальнейшего практиче-ского приложения величина этого показателя систематизиро-вана в зависимости от основных параметров сооружения,совместное влияние которых оценивается величиной скоростногонапора на 1 м длины газоотводящего ствола на отметке, равнойполовине высоты сооружения ^^ (рис. 46). Точки на рис. 46соответствуют индивидуальным проектным данным. Обобщениеих приводит к определенной зависимости между показателем весабашни по высоте р и показателем Од (в кН/м). С достаточнойдля практических целей степенью точности эта зависимостьпринята линейной.

Так для башни из стержней трубчатого сечения она имеетвид:

(1)

Для башни с поясами из труб и решеткой крестового про-филя соответственно:

(2)

Для башни, все элементы которой выполнены из стержнейкрестового профиля, зависимость р от ^^ (в кН/м) принятав виде:

(3)

Пользуясь формулами (1) — (3), получим выражение, опре-деляющее вес башни:

(4)

Таким образом, вес несущей башни может быть определенаналитически при известных по технологическому заданию габа-ритных размерах газоотводящего ствола и ветровой характери-стике района строительства.

93

На основе зависимостей (1) — (4) построена номограмма(рис. 47), позволяющая по тем же известным параметрам соо-ружения определить искомый вес непосредственно, исключаявсе промежуточные вычисления. Номограмма содержит про-фили нормативного скоростного напора ^0 для I—VII районовСССР с учетом поправочного коэффициента & на изменение на-пора по высоте Я (по СНиПу [89]) до высоты 100 м, графическипредставленные зависимости (1) — (3) с обозначениями типовсечений основных элементов башни, соответствующих каждойиз них, и линии, характеризующие диаметры газоотводящегоствола и высоту сооружения. В процессе пользования номограм-мой последовательно определяются следующие показатели: зна-чение <7о на отметке, равной половине высоты сооружения,параметр ^^, показатель веса по высоте р и, наконец, вес кон-струкций несущей башни Р. Ниже приводится пример пользо-вания номограммой.

Требуется определить вес конструкций несущей башни изэлементов трубчатого сечения для газоотводящего ствола диа-метром О = 2 м и высотой 100 м, проектирующейся для местно-сти типа А в V ветровом районе.

В левом нижнем углу номограммы (см. рис. 47) на кривой,относящейся к V ветровому району (тип А), находят точкупри Я/2 = 50 м и через нее проводят горизонталь, пересечениекоторой с вертикальной осью определяет величину норматив-ного скоростного напора <7о=1Д6 кН/м2. Далее по той же гори-зонтали на прямой О = 2 м получают значение Од = 2,32 кН/м.Затем по вертикали в точке пересечения с графиком, обозна-ченным кружками (трубчатые сечения), находят вес башни, от-несенный к 1 м длины сооружения /9=12,1 кН/м. Проведя гори-зонталь в верхнюю левую часть номограммы до точки, соответ-ствующей Я=100 м (между прямыми, обозначенными Я = 90 иЯ=120), и опустив вертикаль до шкалы, указывающей весбашни, получают его искомую величину Р=1210 кН.

Вес башни, полученный по номограмме, является нагрузкойдля расчета сооружения; он может быть использован для пред-варительного определения расхода стали. Эта величина весасправедлива для сооружения из малоуглеродистых сталейс расчетным сопротивлением 210 МПа. Применяя в сооружениистали с более высоким расчетным сопротивлением, необходимоввести поправку на величину веса в виде множителя 210X1,2//?,где 1,2 учитывает в среднем различие в значениях коэффици-ента ф продольного изгиба для малоуглеродистых и низколеги-рованных сталей повышенной прочности. В случае применениясталей повышенной прочности только для поясов несущей башниуказанная поправка вводится на 40% веса сооружения, опре-деленного по номограмме.

Полученный вес несущей башни Р прикладывается в видевертикальной узловой нагрузки на все пояса башни в уровне

95

Нормативная вертикальная нагрузка от веса газоотводящегоствола вычисляется непосредственно по его диаметру О, тол-щине стенки б и в зависимости от материала ствола по егообъемной массе V- Вес опорных колец, ребер жесткости, стыков,

компенсаторов и других конструктивных элементов газоотводя-щего ствола учитывается умножением полученного значения накоэффициент 1,1 —1,15.

Отметки приложения нагрузки от веса газоотводящего стволана башне соответствуют схеме стирания ствола, установлен-ной ранее при выборе конструктивной схемы сооружения.

§ 3. Ветровые нагрузки

Общие предпосылки для определения ветровой нагрузки.Наибольшую долю усилий в конструкциях вытяжных башенвызывает ветровая нагрузка. Ветровая нагрузка на сооружениеявляется следствием давления движущихся воздушных масс напего, как на преграду.

Интенсивность воздушного давления, или так называемыйскоростной напор ветра ^, определяется по формуле:

(6)где д — скоростной напор ветра, даН/ы2;

р — плотность воздуха, даН-с 2/м 4;V — скорость ветра, м/с.

В условиях стандартной атмосферы, характеризующейсятемпературой воздуха / = 1 5 ° С и барометрическим давлением/7 = 760 мм рт. ст. [47], плотность воздуха р = ро = 0,125 (даН-с2/м4).Учитывая это значение плотности воздуха, формулу (6) преоб-разуем к виду:

(7)При иных параметрах воздуха (1° и р) его плотность опреде-

ляется через ро по формуле

(8)

Поправки на фактические барометрическое давление и тем-пературу в нормальных климатических условиях столь незначи-тельны, что в практических расчетах с достаточной степеньюточности можно ограничиться формулой (7). Однако в усло-виях северной строительно-климатической зоны при низких тем-пературах воздуха плотность его увеличивается, соответственновозрастает величина скоростного напора ветра, которую в дан-ном случае следует определять по формуле (6), используя фор-мулу (8).

Нормативный скоростной напор ветра д0 определяется поформуле (7) по скорости ветра V, замеренной на высоте 10 мнад поверхностью земли по наибольшему значению ее в тече-ние 5 лет. Главой СНиП П-6—74 установлен нормативный ско-ростной напор ветра (/0 для высоты над поверхностью земли10 м в зависимости от географического района (табл. 11) ,а также коэффициент &, учитывающий изменение скоростногонапора в зависимости от высоты и типа местности (табл. 12).

98

При определении ветровой нагрузки для вытяжных башенимеют значение результаты наблюдений местных метеостанцийдля заданного района строительства. Если скорости ветра, за-фиксированные ими, вызывают скоростные напоры, превосходя-щие укрупненные по районам данные СНиП (табл. 11), то длярассматриваемого сооружения в качестве нормативного скоро-стного напора рекомендуется принимать эти конкретные мест-ные условия. Для большого количества пунктов СССР они при-ведены в СНиП П-А.6—72 (табл. 6, гр. 21).

В общем случае скоростной напор ветра не является стабиль-ным статическим воздействием, его пульсации обусловливаютдинамичность воздействия на сооружение. Таким образом, вет-ровая нагрузка по своей природе является динамической.

Ветровая нагрузка на сооружение или его часть зависит оттипа сооружения и его формы в целом, от формы отдельныхэлементов и их взаимного сочетания. Тип сооружения (высо-кое, обычное, легкое, массивное) определяет степень его дефор-мативности под воздействием скоростного напора и, соответ-ственно, степень необходимости учета динамического воздей-ствия ветра. Форма сооружения в целом и отдельных егоэлементов, а также взаимное сочетание элементов сооружения

99

в пространстве, открытом доступу воздушных потоков, влияютна режим обтекания сооружения этими потоками и являютсяфактором, не только определяющим величину ветровой на-грузки, но также позволяющим ее регулировать.

Для вытяжных башен ветровая нагрузка является домини-рующей, поэтому выбор формы сооружения и отдельных егоэлементов играет особенно существенную роль, а сам сбор вет-ровой нагрузки требует особой тщательности при его выпол-нении.

Методика СНиП определения ветровой нагрузки на высокиесооружения. Расчетная ветровая нагрузка для высоких соору-жений консольного типа с периодом собственных колебаний бо-лее 0,25 с определяется с учетом динамического воздействияпульсаций скоростного напора, вызываемых порывами ветра.

Динамическая добавка ветровой нагрузки к статическомудействию скоростного напора является следствием инерционныхсил, возникающих при горизонтальных колебаниях сооружения,и зависит от интенсивности и спектрального состава пульсациискоростного напора и от периодов и форм собственных колеба-ний сооружения.

При определении ветровой нагрузки на высокие сооруженияконсольного типа допускается учитывать только колебания поосновному тону, т. е. первую форму собственных колебаний. Не-обходимость учета высших форм колебаний для таких сооруже-ний устанавливается в каждом случае в зависимости от приня-той расчетной схемы и от распределения масс и жесткостей повысоте сооружения.

При определении расчетной ветровой нагрузки сооружениеусловно разбивают по высоте на г участков с текущим номером7 = 1, 2 , . . . , & , . . . , г, масса участка сооружения и действующаяна него ветровая нагрузка сосредоточиваются в середине уча-стка.

В соответствии со схемой сооружения уровень приложенияветровой нагрузки совмещается с плоскостью соответствующейдиафрагмы башни.

Расчетная ветровая нагрузка в Я, действующая на й-й уча-сток сооружения, определяется по формуле:

1) при учете только колебаний по основному тону

Первый член правой части формул (9) и ( 1 1 ) учитываетстатическое действие нормативного скоростного напора, вто-рой — его динамическое воздействие, обусловленное порывамиветра. В структуру второго члена также входит величина нор-мативного скоростного напора для всех участков сооружения(д.рЗ] в составе коэффициента г|). При конкретизации этой ме-

тодики применительно к вытяжным башням с учетом специ-фики их конструктивной схемы формулы (9) и ( 1 1 ) принима-ются обобщенно в виде:

(13)

где @( т — статическое действие нормативного скоростного напора;<3т„и — динамическое воздействие нормативного скоростного напора.

Индекс /г, означающий принадлежность всех входящихв формулы (9) — (13) параметров к &-му участку, опускается,но во всех случаях предполагается, что рассматривается опре-деленный участок сооружения и все величины относятся к нему.

Ниже приводятся сведения, не включенные в СНиП П-6—74[89], без которых затруднительно применить эту методику дляопределения ветровой нагрузки на вытяжные башни. Эти допол-нения, в частности, касаются определения зонального действияветра, особенностей определения (Зст. Как дополнение даетсяметодика определения относительных ординат первой формысобственных колебаний сооружения си (я,-) и периода этихколебаний 7"ь необходимых для вычисления коэффициентов

105

г|1 и |ь а также некоторые у к а з а н и я для определения спектрач а с т о т и форм собственных колебаний высших порядков.

Вопросы резонанса и галопирования не рассматриваются,так как опыт эксплуатации конструкций показывает, что длявытяжных башен з целом эти явления не характерны.

Учет зонального действия ветра. Распределение ветровогопотока по высоте носит с л у ч а й н ы й характер. В отдельных уров-нях и слоях (зонах) фактическая скорость ветра может оытьменьше той, которая принята при нормировании максимальныхскоростных напоров. Для некоторых элементов высокого соору-жения такое воздействие ветра может оказаться более опасным,чем полная ветровая нагрузка. В частности, это харакюрнодля раскосов и распорок в призматических ч а с т я х башен иучитывается специальным расчетом на «зональное действиеветра» [100].

Для каждого отдельного элемента сооружения наиболее не-благоприятное нагружение ветровой нагрузкой может быть по-лучено с помощью линии влияния. В Указаниях по проектиро-ванию [100] методика определения эпюры зонального действияконкретизирована для случая, когда усилия в элементах ре-шетки определяют по методу сечений (рис. 49, а, б ) . При этомэпюра ветровой нагрузки выше сечения, в котором находитсярассматриваемый элемент (раскос, распорка), представляетсяв виде двух участков (зон). На одном из участков н а г р у з к асохраняет свое максимальное значение, на другом — может бытьпринята уменьшенной (рис. 49, г, д). Уровень раздела эпюрына зоны определяется положением точки схода поясов, являю-щейся в методе сечений центром для составления V р а в н е н и я мо-ментов. Действительно, учитываемое такой схемой снижениеветровой нагрузки в одной из зон приводит к большему значе-нию суммарного момента (а следовательно, и искомого усилия),тогда как при максимальном значении воздействия ветра с обеихсторон уровня раздела эпюры на зоны (рис. 49, б) моментымогут быть близки по величине, а иногда и взаимно уравнове-шены, что существенно занижает величину искомого усилия.

При определении л с и л и й по схеме зонального действия ветранеобходимо рассматривать обе возможные схемы спада ветро-вой н а г р у з к и (рис. 49, г, д).

Уменьшенное значение ветровой нагрузки определяется поформуле:

(14)где С) — расчетная ветровая нагрузка;

X — коэффициент спада ветровой нагрузки.

Коэффициент спада определяется по графику на рис. 49, ев зависимости от длины отрезка г, являющегося плечом иско-мого усилия в уравнении моментов.

Особенности определения статического действия скоростногонапора (5ст- Статическое действие скоростного напора или ста-

106

шчесхая составляющая ветровой нагрузки на сооружение за-висит от режима обтекания сооружения воздушным потоком иот величины скоростного напора в данном районе и на опре-деленной высоте. Характеристикой обтекания элемента или соо-ружения является аэродинамический коэффициент с или с**,который отражает особенности конфигурации и качества поверх-ности сооружения или его части. Интенсивность нормативного

статического действия скоростного напора, или интенсивностьнормативной статической ветровой нагрузки дн (даН/м2) при-нимается нормальной к поверхности сооружения или отдельныхего элементов и определяется по формуле:

107

Статическая составляющая ветровой нагрузки соответственноопределяется формулой

(16)

Основную трудность при вычислении <ЭСт представляет опре-деление аэродинамического коэффициента. В результате мно-гочисленных аэродинамических исследований получены значе-ния аэродинамического коэффициента для отдельных элементов,наиболее распространенных их сочетаний и для целого рядастандартных конфигураций сооружений. Часть из них приве-дена в табл. 8 главы СНиП П-6—74 [89], а также в дру-гих нормативных документах [68, 69, 101] и литературныхисточниках [5, 22, 47, 51, 53 и др.]. Для каждого нового по кон-фигурации сооружения или нового пространственного сочетанияэлементов значения аэродинамического коэффициента необхо-димо определять путем испытаний жестких отсеченных моделейв аэродинамических трубах. Эти испытания технически сложныи трудоемки.

Значения аэродинамических коэффициентов для ряда схемсооружений и отдельных его элементов в дополнение к табл. 8главы СНиП П-6—74 приведены в табл. 13. Они могут бытьиспользованы при определении ветровой н а г р у з к и на вытяжныебашни.

Сложность определения статического действия скоростногонапора на конструкции вытяжных башен заключается в том,что в нормативных документах нет конкретных рекомендацийпо определению аэродинамического коэффициента для про-странственного сочетания элементов, характерных для схем вы-тяжных башен. Объем выполненных аэродинамических исследо-ваний для данного вида сооружения пока недостаточен и по-зволяет произвести только некоторую качественную оценкуприменяемой методики [24].

В частности, как показало сравнение с результатами экспе-римента, впредь до более детальной разработки и уточненияметодики, статическое действие скоростного напора <ЭСТ на кон-струкции вытяжной башни с достаточной для практики степеньюточности может определяться как сумма статического действияветровой нагрузки на башню (2СТ и газоотводящий ствол <2сТ:

(17)

Используя формулу (16), выражение (17) можно предста-вить в виде:

(18)

после чего значения входящих в выражение (18) аэродинами-ческих коэффициентов башни Сб и газоотводящего ствола сг

и соответствующих им площадей проекций участков на плос-кость, перпендикулярную направлению ветра (5б и 5Г), могутопределяться с помощью следующих указаний.108

Аэродинамический коэффициент башни с^ при поэлементномподсчете статической составляющей нормативного скоростногонапора для трех- и четырехгранных башен определяется в стро-гом соответствии с указаниями п. 18 табл. 8 главы СНиПП-6—74 [89]:

(19)здесь 11 — коэффициент, учитывающий нагрузку на подветренную грань, явля-

ющуюся функцией

(20)

Ф — коэффициент заполнения грани башни;/ ,—площадь проекции 1-го элемента грани на плоскость, перпендику-

лярную направлению ветра;5 — габарит грани башни в проекции на вертикальную плоскость.

Некоторые особенности, связанные с определением Сб, неоговоренные в [89], заключаются в следующем:

1. Учет площади узловых фасонок в сумме площадей про-екций элементов наветренной грани 2/, осуществляется введе-нием множителя &ф. Таким образом, при определении ц исполь-зуется значение ф в виде:

(21)

Соответственно(22)

Величина Н$ принимается дифференцированно, в зависи-мости от типа сечений элементов башни и от плотности решетки:

для башен из элементов трубчатого поперечного сеченияпри решетке разреженной 1,05—1,1то же, обычной 1,1 —1,15

для башен из элементов крестового поперечного сеченияпри решетке разреженной 1,1 —1,15то же, обычной 1,15—1.2

при бесфасоночном сопряжении трубчатых элементов . . . 1,0

2. Входящий в формулу (19) аэродинамический коэффи-циент Сф наветренной грани башни из элементов трубчатого по-перечного сечения при различных аэродинамических коэффици-ентах отдельных элементов с, и с учетом фасонок вычисляетсяпо формуле:

:, (23)

где 1,4 — аэродинамический коэффициент листа фасонок.

Аэродинамические коэффициенты отдельных элементов с,-согласно п. 14 табл. 8 [89] определяются в зависимости от числаРейнольдса по формуле Ке = ас?Д>, в которой V = 4у^0п, гдед0п — расчетный скоростной напор с учетом коэффициента и(см. табл. 12). Значения с, можно определить, зная </о и и

109

( м и н \ я вычисления Ке), по фор-мулам, приведенным в табл. 16.Учитывая, что справочные дан-ные по аэродинамическим коэф-фициентам с различных стержне-вых систем и отдельных стержнейприводятся в ряде источниковкак функция параметров д0с12

[69] или VI! [68], в табл. 16 приве-дены формулы для определенияс и через указанные параметры.Кроме того, нормативное значе-ние линейной ветровой нагрузкиС?ст на элементы круглого сече-ния можно найти по графикам(рис. 50).

Графики составлены на осно-вании зависимости с = /(Ке) поп. 14, табл. 8 СНиП П-6—74. Онипозволяют при известных наруж-ном диаметре элемента д. и нор-мативном скоростном напоре доопределять величину нормативнойстатической составляющей ветро-вой нагрузки на 1 м длины эле-мента, минуя промежуточные вы-числения V, Ке и с. Кроме того,графики наглядно иллюстрируютособенность обтекания цилиндри-ческих стержней круглого сече-ния, заключающуюся в том, чтов определенном диапазоне диа-метров стержней линейная на-грузка имеет локальные макси-мум и минимум. Учет этой осо-бенности при назначении диа-метра элемента позволяет снизитьветровую нагрузку на элементв среднем на 20%. Выбор опти-мального диаметра при опреде-ленном скоростном напоре ветраосуществляется непосредственнопо графикам. Пользование гра-фиками поясним на примерах(рис. 50).

Пример I. Определение нагрузки наэлемент. Требуется определить статиче-скую составляющую нормативной ветро-

110

3. Аэродинамический коэффициент Сф для башни из элемен-тов крестового поперечного сечения (при однозначном аэроди-намическом коэффициенте 1,4) с учетом фасонок определяетсяследующим выражением:

(24)

Для ориентировочного подсчета ветровой нагрузки на ста-дии вариантного проектирования или при назначении размеровосновных элементов башни в формулах (19) и (21) могут бытьиспользованы осредненные значения входящих в них величин:

Для многогранных башен аэродинамический коэффициентбашни Сб (до получения результатов детальных аэродинамиче-ских исследований) может определяться по методике, аналогич-ной разработанной для четырехгранных башен, однако при этомнеобходимо аэродинамические коэффициенты отдельных эле-ментов наветренных граней сг- определять с учетом попра-вочных коэффициентов, зависящих от угла атаки а и угласкольжения р действующего скоростного напора, в соответ-ствии с данными табл. 13; при определении коэффициента г\,

111

учитывающего нагрузку на подветренные грани по п. 17 табл. 8СНиП П-6—74, размер /г принимается осредненным.

Аэродинамический коэффициент с, газоотводящего стволадиаметром О определяется по п. 14 табл. 8 СНиП П-6—74 илипо формулам табл. 16. При Ке = уД/Ч^35-105 или Оу ~^й^^11,13 сг = сопз1 = 0,7. Наветренная площадь газоотводящегоствола 5Г вычисляется как произведение его диаметра О на вы-соту рассматриваемого участка.

В башнях с несколькими газоотводящими стволами статиче-ская составляющая ветровой нагрузки определяется в зависи-мости от их взаимного расположения по табл. 13. Нормативнаяузловая нагрузка на сооружение <2СТ, как правило, определя-ется для одного или двух направлений действия скоростного

! 1 ?,

напора, которые обусловливают возникновение максимальныхусилий в поясах и решетке башен.

Некоторые практические указания для определения динами-ческой составляющей ветровой нагрузки. В качестве расчетнойсхемы вытяжной башни при определении динамической состав-ляющей нагрузки с достаточной для практики степенью точностиможно принять вертикальный консольный стержень со ступен-чатым изменением жесткости по высоте сооружения и с мас-сами, сосредоточенными в серединах участков. Точки приложе-ния масс желательно совмещать с уровнем диафрагм. Протя-женность участков с постоянной жесткостью может быть принятав пределах 10—30 м в зависимости от высоты башни и рас-стояния между диафрагмами. Для вытяжных башен высотой до200 м количество участков г обычно назначается в пределах от7 до 15. Жесткость стержня определяется жесткостью несущейбашни. Момент инерции газоотводящего ствола по отношениюк моменту инерции несущей башни составляет в большинствеслучаев в верхней части сооружения 8—10, в нижней—1—2%.Жесткость газоогводящего ствола сооружения снижает динами-ческую составляющую ветровой нагрузки только в верхнейчасти сооружения и в пределах 1,5—3%. Вследствие этогожесткостью газоотводящего ствола в расчете можно пренебречь.

Динамическая составляющая ветровой нагрузки обуслов-лена силами инерции колеблющегося в ветровом потоке соор\ -жения. Вследствие этого для определения Один массы, сосредо-точенные в центрах участков, являются суммарными массамисоответствующих участков несущей башни и газоотводящегоствола независимо от схемы его вертикального стирания.

Формы собственных колебаний определяются относительнымиамплитудами а* (*.,), а периоды Г, выражаются через круговыечастоты со,:

(25)

В общем случае значения частот со, и соответствующих имформ собственных колебаний определяются системой однород-ных линейных уравнений, составленных по методам строитель-ной механики [45, 94].

Так, на основе метода сил эта система имеет вид:

114

На основе метода перемещений

В уравнениях (26) и (27) помимо обозначений, приведенныхна с. 101, приняты следующие:

Частоты собственных колебаний со; определяются из условияравенства нулю определителя, составленного из коэффициентовпри амплитудах системы однородных уравнений (26) или (27).Результатом решения является спектр частот со; — совокупность гчастот, расположенных по возрастанию их численных значений.

Амплитуды колебаний сооружения г/,./, соответствующиекаждой из полученных частот сог, определяются из системыуравнений (26) или (27) при подстановке в них этого значениячастоты он- Структура уравнений позволяет вычислить ампли-туды для каждой формы колебаний с точностью до постоян-ного множителя, в качестве которого может быть принятаамплитуда любой из точек приложения масс, чаще же ампли-туда угг массы Мг верхнего участка консоли. Таким образом, по-лучаются значения относительных ординат 1-й формы колебанийаг(х}) = уц[у1г, входящие в формулы (10), (12). Практическоевыполнение расчетов сопряжено с большим объемом вычисли-тельной работы, но может быть легко реализовано с привлече-нием ЭВМ и специальных программ (например [98]).

При определении динамической составляющей ветровой на-грузки для вытяжных башен, как правило, достаточно учиты-вать колебания основного тона {89], период которого можноопределять приближенно по формуле:

(28)

г д е п о т е н ц и а л ь н а я энергия деформаций сооружения приколебаниях в данном направлении с данной ампли-тудой;

кинетическая энергия сооружения при колебанияхв том же направлении, с той же амплитудой дляединичной круговой частоты.

В качестве изогнутой оси башни при первой форме собствен-ных колебаний сооружения может быть приближенно принята

115

упругая линия консольного стержня от действия поперечнойединичной силы, приложенной на его свободном конце.

Период собственных колебаний в этом случае определяетсяпо формуле:

(29)

Как показала практика расчета вытяжных башен высотойот 100 до 200 м, определение динамической составляющей вет-ровой нагрузки при учете трех форм колебаний вызывает увели-чение усилий от полной ветровой нагрузки в нижней части соо-ружения в пределах 3—7% независимо от высоты сооружения.Основное влияние здесь оказывает жесткость сооружения в це-лом и соотношения масс основных его составляющих.

В настоящее время, в случаях, когда затруднительно выпол-нить механизированные расчеты, вытяжные башни высотой до200 м можно рассчитывать с учетом только первой формы ко-лебаний, имея в виду, что расчетные комбинации усилий приэтом могут оказаться заниженными на 2—5%.

В формулы динамической составляющей ветровой нагрузки(9), (11) входит коэффициент динамичности ^,-, зависящей отпериода Т{ и от логарифмического декремента колебаний б.В СНиП П-6—74 для стальных башен приведен график | = /(^)при 6 = 0,15 (см. рис. 48, кривая 1 ) . В ряде работ [47, 53, 94] длягибких стальных конструкций, колебания которых характеризу-ются декрементом 6 = 0,1, вводится повышенное значение |, пре-восходящее рекомендуемое СНиПом в 1,5 раза.

Поверочный расчет вытяжной башни с учетом \ при 6 = 0,15и 6 = 0,1 показал, что полная ветровая нагрузка в последнемслучае возрастает на 5—6, а расчетные усилия от ветровой на-грузки на 6—8%.

Динамические испытания четырех вытяжных башен различ-ных высот показали, что фактический декремент колебанийпри малых амплитудах находится в пределах 0,1—0,02, а зна-чение 6 снижается по мере затухания собственных колеба-ний [27]. Многолетний опыт достаточно надежной работы вы-тяжных башен позволяет в этой части расчета ограничитьсяв настоящее время рекомендациями СНиП П-6—74 и прини-мать | по кривой 1 на рис. 48 (6 = 0,15). Использование при рас-чете вытяжных башен кривой 2 (см. рис. 48), заимствованнойиз СНиП П-6—74, требует дополнительных обоснований.

§ 4. Снеговые нагрузки и температурные воздействия

Снеговые и пылевые нагрузки. Снеговая нагрузка при рас-чете площадок высоких пространственных решетчатых сквозныхконструкций подлежит учету только при размере площадки бо-

116

лее 15 м2 [100]. Однако площадки вытяжных башен оказываютсячастично защищенными от прямого воздействия ветра газоотво-дящим стволом, что вызывает скопление снега на них. Вслед-ствие этого при расчете площадок диафрагм вытяжных башенснеговые нагрузки учитываются независимо от величины пло-щади площадки и распространяются на покрытую настилом по-верхность диафрагмы.

Нормативная снеговая нагрузка на 1 м2 площади площадки/7Н определяется по формуле:

(30)

где ро — вес снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли,принимаемый в зависимости от района СССР по табл. 17;

с — коэффициент перехода от веса снегового покрова на горизонтальнойповерхности земли к нормативной снеговой нагрузке на соответ-ствующей площадке.

Для горизонтальных площадок в общем случае коэффициентс=1. На покрытия с дымовыми и вентиляционными шахтами(трубами) в зоне, прилегающей к шахте (трубе), по СНиПП-6—74 предусматривается снеговая нагрузка, которая опреде-ляется с помощью коэффициента с>1.

По аналогии со СНиПом повышенный коэффициент с вво-дится для снеговой нагрузки на площадки-диафрагмы при раз-мере диаметра газоотводящего ствола в пределах от 1,5 до 15 м.В зависимости от величины диаметра газоотводящего стволакоэффициент с принимает следующие значения: при 1,5<О^<5 м с=1,6; при 5<Я^10 м с = 2; при 10<О<15 м с = 2,5.

Снеговая нагрузка с учетом повышенного коэффициента сраспространяется на зону площадки вокруг ствола. Радиус этойзоны не превышает 2,5Д.

На площадках многоствольных вытяжных башен зона скоп-ления снега определяется относительно каждого из газоотво-дящих стволов.

В целях унификации конструкций вытяжных башен ограни-чение места скопления снега по направлениям преобладающихзимних ветров во внимание не принимается.

117

Как правило, диаметр газоотводящего ствола О (или ство-лов) и габарит сооружения таковы, что повышенный коэффи-циент с распространяется на всю покрытую настилом поверх-ность диафрагмы. Исключение могут составить только пло-щадки-переходы к поясам башни, значительно удаленные отгазоотводящего ствола в нижней части сооружения, для кото-рых с= 1.

Нагрузка от пылевых отложений на площадках вытяжныхбашен учитывается, если в задании не предусматриваются спе-циальные мероприятия по их удалению. Величина этой на-грузки определяется технологическим заданием, а схема прило-жения аналогична снеговым нагрузкам.

Температурные воздействия. Температурные воздействия павытяжные башни могут быть технологического характера и кли-матические. Последние возникают при сезонных и суточных из-менениях температуры воздуха и при одностороннем нагревесолнечными лучами. Принятая конструктивная схема вытяжныхбашен обеспечивает независимость температурных перемещенийгазоотводящего ствола и несущей башни. Вследствие этого до-полнительные усилия в элементах башни могут возникнутьтолько от климатических температурных воздействий в случаестеснения свободы деформаций (вызванного наличием дополни-тельных элементов в схеме башни, которые превращают ее кон-струкцию в статически неопределимую), а также в силу нерав-номерного нагрева с солнечной и затененной сторон. В боль-шинстве случаев усилия эти незначительны, а учет ихв соответствующих сочетаниях с понижающими коэффициентамине составляет опасной комбинации.

Газоотводящий ствол находится под одновременным влия-нием технологических и климатических температурных воздей-ствий, на которые необходимо производить расчет его обо-лочки, особенно в зонах установки ребер жесткости, являю-щихся фактором стеснения деформаций и концентрациинапряжений.

За расчетную отрицательную температуру для вытяжных ба-шен принимается температура наружного воздуха по наиболеехолодной пятидневке согласно данным СНиП П-А.6—72 (табл.1,гр. 18).

Г Л А В А I V

ОСНОВНЫЕ П О Л О Ж Е Н И Я РАСЧЕТА

Расчет вытяжных башен должен выполняться на основетребований СНиП П-А.10—71, СНиП Н-6—74, СНиП П-В.3—72.Однако в связи с тем, что эти главы дают только общие по-ложения, ниже приводятся основные эпапы расчета вытяжныхбашен с учетом их специфики.

118

Кроме расчета на силовые воздействия для вытяжных ба-шен проводятся специальные расчеты внутренней аэродина-мики в газоотводящем стволе, теплотехнические и санитарно-гигиенические расчеты, определяющие размеры газоотводящ,ихстволов (их высоту и внутренний диаметр). Эти расчеты выпол-няются при разработке технологии в соответствии с требова-ниями санитарно-гигиенических норм, например [83, 102]. Припроектировании строительных конструкций эти вопросы не рас-сматриваются.

Расчет конструкций вытяжных башен на силовые воздейст-вия производится по методу предельных состояний. Особенностидействительной работы (и предельных состояний) элементов исоединений конструкций, имеющие систематический характер,но не отражаемые в расчетах п р я м ы м путем, учитываются ко-эффициентами условий работы т (табл. 18).

§ 1. Расчет несущей башни

Для наиболее распространенной в настоящее время конст-руктивной формы вытяжных башен несущей конструкцией яв-ляется четырехгранная симметричная башня, которая рассмат-ривается как консольная пространственная ферма переменногосечения. Нагрузка сводится к вертикальным (от веса) и гори-зонтальным (от ветра) силам, сосредоточенным в узлах. Вер-тикальная нагрузка распределяется поровну между поясами.Решетка воспринимает местную вертикальную нагрузку.

При расчете на горизонтальную нагрузку рассматриваютсядве возможные схемы загружепия четырехгранной башни:1) максимальной ветровой нагрузкой, действующей по диаго-нали башни,— для определения усилий в поясах и нагрузок нафундаменты; 2) максимальной ветровой нагрузкой перпендику-лярно одной из граней для определения усилий в элементах

119

решетки. По первой схеме усилия в поясах, лежащих по диа-гонали, перпендикулярной действию ветра, равны нулю, а в на-правлении ветровой нагрузки возникают усилия, равные повеличине и обратные по знаку.

Частным случаем второй схемы загружения является схемазонального действия ветра. Поверочные расчеты ряда вытяж-ных башен показали, что усилия в раскосах и распорках ниженижнего перелома поясов при зональном действии ветра могутувеличиваться вдвое по сравнению с усилиями от полной мак-симальной ветровой нагрузки В целях сокращения трудоем-кости расчета, если усилия в нижней части решетки от полнойветровой нагрузки не превышают ±100кН, расчет по схеме зо-нального действия ветра можно не производить и с достаточнойстепенью точности ограничиться только изменением величиныусилий в ее элементах вдвое по сравнению с усилиями от дей-ствия полной ветровой нагрузки.

Если величина усилий от полной ветровой нагрузки в рас-косах и распорках ниже нижнего перелома поясов башни пре-вышает ±100 кН, то необходим дополнительный расчет, опре-деляющий усилия в этих элементах при зональном действииветра. Кроме того, в элементах решетки возникают дополни-тельные усилия, являющиеся следствием совместности дефор-маций раскосов и поясов. Они особенно значительны в нижнейпризматической части башни.

Усилия в элементах башни определяют в предположении иде-альности шарнирных сопряжений либо с учетом пространствен-ной работы сооружения, либо путем разложения пространствен-ной фермы на плоские с соответствующим распределением на-грузки по граням. При малых углах отклонения оси поясов отвертикали (до 20°) разложение нагрузки на грани можно осу-ществлять в предположении, что она действует в плоскостиграни. С увеличением угла наклона поясов в нижней пирами-дальной части башни следует учитывать фактическое простран-ственное положение элементов и направление приложения на-грузки. Усилия в распорках и раскосах определяются расчетомплоской фермы, усилия в поясах и опорные реакции — алгебраиче-ским суммированием соответствующих усилий в смежных гранях.

Расчет башни, как пространственной схемы, требует обяза-тельного привлечения электронно-вычислительной техники,плоскую расчетную схему можно рассчитывать также и гра-фически или аналитически. При графическом методе расчетаусилия в плоской ферме определяются построением диаграммыМаксвелла-Кремоны, аналитически усилия могут быть полу-чены с помощью одного из известных приемов строительноймеханики (метод вырезания узлов, метод сечений).

Аналогично можно рассчитать трех- и многогранные несу-щие башни при соответствующем разложении нагрузок на пло-ские грани [51, 53].

120

В практике расчета четырехгранных башен с ромбическойрешеткой используются формулы, позволяющие непосредственноот нагрузки на башню перейти к усилиям во всех ее элементахи нагрузке на фундаменты. В габл. 19 приведены эти формулысо следующими условными обозначениями:

Дополнительные усилия в раскосах Л/р, вызванные совмест-ностью их деформирования с поясами, могут быть прибли-женно определены по формуле Л'р = соз2 а.МцРр/Ги, где Л^п — нор-мативное усилие в поясе от массы и воздействия ветра перпен-дикулярно плоскости грани; -Рр и Р^ — площади поперечныхсечений соответственно раскоса и пояса.

Расчетные длины элементов башни в плоскости и из плос-кости граней принимаются по геометрическим размерам междуцентрами узлов. Для надежной работы конструкций предель-ные гибкости л элементов следует ограничить значениями:

Деформативность несущей башни оценивается величинойамплитуды колебаний, а сжаго-изогнушх распорок — значениемпрогиба.

Под амплитудой колебаний вытяжной башни понимаетсямаксимальное горизонтальное отклонение оси сооружения отвертикали. Наибольший интерес представляет амплитуда верх-ней точки несущей башни, при определении которой можно пре-небречь жесткостью газоотзодящего ствола. При нахожденииамплитуды в качестве нагрузки принимается полная норматив-ная ветровая нагрузка, перпендикулярная грани башни. Ампли-туду колебаний вытяжной башни можно определить как пере-мещение в стержневой системе по формуле:

122

Амплитуда несущей башни может быть найдена через пе-ремещения ее как консольного стержня при воздействии еди-ничной поперечной силы, приложенной на свободном конце,а именно:

(32)

Относительное значение амплитуды //Я рекомендуется ог-раничить предельной ее величиной //Я^[//Я]= 1/100. Прогибраспорки, работающей на изгиб, определяется по деформиро-ванной схеме с учетом действия нормальных сил

(33)

где Мд — нормативное значение максимального изгибающего момента от по-перечных сил;

Л' — нормативная нормальная сила;Е1 — жесткость при изгибе;

I — пролет.

Относительный прогиб да// в силу ответственности такогоэлемента, как сжато-изогнутая распорка башни, рекомендуетсяпринимать в пределах ю//^ [ш//] = 1/400.

§ 2. Расчет газоотводящего ствола

Основными нагрузками, действующими на газоотводящийствол, являются ветер и вес ствола. При выполнении расчетовдолжны быть также учтены, в случае наличия, нагрузки оттеплоизоляции и веса антикоррозионного покрытия ствола (на-пример, путем гуммирования), веса гололедных отложений изатвердевших отложений конденсата на стенках ствола, тем-пературные воздействия и т. д.

Рассмотрим некоторые особенности воздействия ветровой на-грузки на цилиндрическую оболочку. В соответствии со СНиПП-6—74 для цилиндрических оболочек аэродинамический ко-эффициент с, определяющий характер распределения ветровойнагрузки по периметру оболочки, находится в достаточно слож-ной зависимости от угловой координаты а, отсчитываемой отоси направления ветрового потока (рис. 51). Для удобствапрактического выполнения расчета цилиндрической оболочки наветровую нагрузку зависимость с (а) с необходимой степенью

120

точности может быть представлена в виде следующего пяти-членного ряда:

(34)

Эпюры правой части разложения (34) представлены нарис. 51. Ниже приведены значения коэффициентов 2п для ци-линдрических оболочек с отношением высоты к диаметру, пре-вышающим 25.

Разложение аэродинамического коэффициента с ( а ) , а сле-довательно, и ветровой нагрузки в конечный тригонометриче-ский ряд позволяет существенно упростить решение задачирасчета оболочки, поскольку в этом случае он может произво-диться на каждую из составляющих нагрузок в отдельности.

Определение расчетных усилий и проверка стенки стволана прочность. Расчет тонких цилиндрических оболочек на проч-ность в настоящее время разработан достаточно полно [30, 41,44, 61]. Основные положения его регламентированы соответст-вующими указаниями СНиП П-В.З—72. Этот расчет произво-

124

дится по геометрически линейной расчетной схеме в предполо-жении работы материала конструкций только в упругой стадии.

При воздействии на газоотводящий ствол расчетных нагру-зок в его стенках в кольцевом и в продольном направленияхвозникают растягивающие или сжимающие усилия, изгибающиемоменты и перерезывающие силы (рис. 52). На рис. 52 изо-бражен прямоугольный элемент, вырезанный из стенки цилинд-рической оболочки по направлениям ее главных осей. Эти уси-лия, являющиеся для стенки газоотводящего ствола основнымирасчетными, могут быть получены, как алгебраическая суммасоответствующих усилий, возникающих от каждой нагрузки илисоставляющей ее части в отдельности.

Нагрузка от веса ствола, теплоизо-ляции, гололеда и т. д. вызывает в стен-ках газоотводящего ствола в зависимо-сти от условий его опирания продольныесжимающие или растягивающие усилия7\т, определяемые по формуле:

(35)

Нагрузка, связанная с нулевым членом 2й разложения (34)и представляющая собой осесимметричную составляющую вет-ровой нагрузки, вызывает в оболочке газоотводящего стволакольцевое растягивающее усилие Ту0, определяемое по фор-муле:

(36)

расчетное давление ветра на единицу площади без учета аэродина-мического коэффициента с;радиус срединной поверхности оболочки.

Нагрузка, связанная со следующим членом /^соз а разло-жения (34), является единственной неуравновешенной в каждомкольцевом сечении частью ветровой нагрузки. Она вызываетизгиб газоотводящего ствола как балки. Под действием этойнагрузки в стенке газоотводящего ствола возникают касатель-ные напряжения т« и продольные усилия Тхи, определяемые поформулам:

(37)

где (3, М — соответственно балочные перерезывающая сила и изгибающий мо-мент в рассматриваемом сечении газоотводящего ствола;

/, № — соответственно момент инерции и момент сопротивления попереч-ного сечения газоотводящего ствола;

125

статический момент сдвигающейся части сечения ствола относи-тельно нейтральной оси;толщина стенки га.юотводяшего ствола.

Для упрощения расчета при определении балочных усилий(^ и Л4 газоотводящий ствол условно считается разрезным,шарнирно опертым в горизонтальном направлении на диаф-рагмы несущей башни. Расчетная ветровая нагрузка на единицувысоты ствола определяется в соответствии с главой III илииз выражения

(38)

Нагрузка, связанная с остальными тремя членамиХсозла) разложения (34), вызывает в стенке газоотводящегоствола в основном только кольцевые усилия, связанные с из-менением формы поперечного сечения ствола, поскольку всекомпоненты этой части ветровой нагрузки самоуравновешива-ются. Здесь для любого направления диаметральной плоскостиначала отсчета выполнено условие:

(39)

Усилия и перемещения, возникающие в стенке газоотводя-щего ствола от этой нагрузки, могут быть получены из следую-щих выражений:

(40)

где ю •— радиальное перемещение;

Кольцевой изгибающий момент:

(41)

Поперечная сила в кольцевом направлении:

(42)

где

Значения функций А, Е, Р в зависимости от угловой коор-динаты а, меняющейся от 0 до 2л, приведены в табл. 20.

!26

Следует, однако, отметить, что приведенные выше выражениядают точное решение только для случая бесконечно длинногоцилиндра. Для труб же конечной длины с реальными услови-ями закрепления концов определение точных значений усилийи перемещений от рассматриваемой части ветровой нагрузкипредставляет собой достаточно сложную задачу. Решение еевыполняется на ЭВМ с помощью специальных программ. Вместес тем, практические расчеты газоотводящих стволов показали,что напряжения в них, вызванные кольцевыми усилиями, в по-давляющем большинстве случаев оказываются весьма незначи-тельными. Это обстоятельство позволяет и при использованиивыражений (40)—(42) получать результаты с достаточной дляпрактических целей точностью.

При расчете газоотводящего ствола в тех случаях, когдадиаметр его достаточно велик (Я/1><25) необходимо такжеучитывать усилия, возникающие в стволе от прогиба несущейбашни под действием ветровой нагрузки. Эти усилия опреде-ляются по формулам (37), где С} и М находятся из условийсовместной работы башни и газоотводящего ствола.

127

По найденным от всех нагрузок суммарным усилиям Тх, Ту,т, тм> <2р можно определить напряженное состояние стенкигазоотводящего ствола, которое достаточно полно описываетсяследующими компонентами:

(43)

Проверка прочности наиболее напряженных волокон стенкигазоотводящего ствола производится по формуле:

(44)

Характерную особенность работы тонкостенных оболочек поднагрузкой составляет явление краевого эффекта. Оно заклю-чается в резком увеличении усилий и перемещений в местахскачкообразного изменения геометрических или физических па-раметров конструкции. В газоотводящих стволах такими ме-стами являются сечения, где расположены кольца жесткости.

Методы расчета усилий в зонах краевого эффекта представ-лены достаточно полно в работах И. Е. Прокоповича, В. С. Чер-ниной и др. [44, 61], однако во многих случаях они сложны игромоздки для расчета вручную. Стенку цилиндрической обо-лочки в зоне краевого эффекта при необходимости можно рас-считать на ЭВМ по соответствующим программам. Практическиже при выполнении проектов вытяжных башен расчет краевогоэффекта в газоотводящих стволах, как правило, не произво-дится, и в целях исключения чрезмерных перенапряжений тол-щину стенки ствола в местах установки опорных колец кон-структивно увеличивают на 2—4 мм.

Определенное влияние на напряженное состояние стенок га-зоотводящего ствола оказывают изменения температурного ре-жима работы сооружения. Наиболее существенно температур-ные колебания должны проявляться в зонах краевого эффекта,однако и здесь температурные напряжения в большинстве слу-чаев можно не учитывать, поскольку, как показывает практика,принимаемое конструктивно утолщение стенки ствола в районеопорных колец вполне обеспечивает необходимую надежностьработы сооружения.

Проверка стенки ствола на устойчивость. Анализ напряжен-ного состояния и данные экспериментов показывают, что устой-чивость цилиндрических оболочек определяется, в основном, ве-личиной продольных нормальных сжимающих усилий от воз-действия ветровой нагрузки, вызывающей изгиб газоотводящегоствола, и осевого сжатия от веса ствола, утеплителя, гололедаи т. д. Выполненные исследования устойчивости цилиндрическихоболочек при действии сжатия и чистого изгиба [6] показали,что критические напряжения для обоих случаев близки по зна-

128

чениям друг другу. Это дает возможность свести задачу опре-деления критических напряжений при изгибе к аналогичной за-даче для осесимметричного сжатия. При решении этой задачиза критерий устойчивости, как правило, принимаются верхниекритические напряжения, в которые вводятся коэффициентызапаса &<1.

Проверка устойчивости стенки газоотводящего ствола приотсутствии промежуточных колец жесткости на совместное дей-ствие сжатия и изгиба производится по п. 7.5 СНиП П-В.З—72.При этой проверке касательные напряжения в проверяемом се-чении должны удовлетворять условию:

(45)

Вместе с тем, практика показывает, что при расчете газо-отводящих стволов неравенство (45), как правило, не соблю-дается, т. е. касательные напряжения в стволе от действия вет-ровой нагрузки обычно достаточно велики. В этом случае наосновании теоремы П. Ф. Папковича и ряда экспериментальныхданных [2] граница области устойчивости стенки при общемизгибе ствола может быть определена следующим неравенством:

Таким образом, проверку устойчивости стенки газоотводя-щего ствола по формуле (46) следует производить:

129

В тех случаях, когда оболочка газоотводящего ствола на уча-стках между диафрагмами несущей башни подкреплена систе-мой промежуточных кольцевых ребер жесткости, потеря устой-чивости ее может быть двух видов: с длиной полуволн изогну-той поверхности по образующей, не превышающей расстояниемежду промежуточными ребрами жесткости; с протяженностьювмятин, захватывающих помимо оболочки также и ребра жест-кости [19].

Учитывая это обстоятельство, проверку устойчивости стенкиствола в данном случае можно производить в такой последова-тельности. По заданным параметрам можно определить длинуполуволн вмятин оболочки в момент потери ее устойчивостипо формуле, приведенной в книге А. С. Вольмира [10]:

(49)

Если 1Х окажется меньше расстояния между промежуточ-ными ребрами жесткости, то с достаточным для практическихцелей приближением можно считать, что ребра жесткости стоятчисто конструктивно и не улучшают жесткостных характеристикоболочки. Проверка устойчивости ее в этом случае производитсяточно так же, как и гладкой цилиндрической оболочки, т. е. безучета промежуточных ребер жесткости.

Если при определении 1Х окажется, что вмятины при потереустойчивости оболочки имеют достаточно большую протяжен-ность и захватывают промежуточные ребра, критические на-пряжения сто! в выражении (46) следует определять по фор-муле:

(50)

Коэффициент с в формуле (50), учитывающий снижениеверхнего предела критических напряжений, отражает, в частно-сти, остаточную напряженность, наличие дефектов конструкции.Определение коэффициента с по табл. 39 СНиП П-В.З—72, со-ставленной для гладких цилиндрических оболочек, дает неко-торый запас, поскольку для оболочек с подкреплениями влия-ние начальных несовершенств сказывается значительно меньше,чем для гладких цилиндрических оболочек.

§ 3. Пример расчета

Как правило, в настоящее время вытяжные башни рассчи-тываются с использованием ЭВМ и соответствующих программ.Однако в ряде случаев может оказаться необходимым выпол-

130

нить расчет вытяжной башни без электронной техники. Примернаиболее специфической части такого расчета приведен ниже.Отдельные этапы расчета, выполняемые известными методамистроительной механики или теории сооружений, опущены. Этокасается, например, определения перемещений от единичныхсил у, проверки несущей способности и гибкости элемен-тов и т. п.

Исходные данные. Вытяжная башня высотой Я=100 м с га-зоотводящим стволом диаметром /) = 2,0 м сооружается в V вет-ровом (на местности типа А) и I снеговом районе. Конструк-тивная схема сооружения и его основные геометрическиехарактеристики приведены на рис.53, а. На отметке +15м к га-зоотводящему стволу подходят газоходы, имеющие самостоя-тельные опоры. Вертикальное опирание газоотводящего стволана башню осуществляется на отметке +30 м. На время мон-тажа и ремонта предусмотрена возможность подвески газоот-водящего ствола на отметке +90 м. Горизонтальное опираниегазоотводящего ствола выполнено в виде скользящих опор, какэто показано на рис. 39, и осуществляется в уровне всех ди-афрагм несущей башни. Толщина оболочки газоотводящегоствола 8 = 4 мм. Материал конструкций несущей башни и газо-отводящего ствола — сталь ВСт. Зсп5.

Сбор нагрузок на башню. Вес башни, площадок, лестници т. п. Я определяется по номограмме (см. рис. 47) и составляетР=1210 кН. Распределение веса башни по высоте в уровнедиафрагм выполнено по формуле (5) и сведено в табл. 21. На-пример, для верхней диафрагмы башни (сечение 11} входя-щие в формулу (5) величины имеют следующие значения:й = 3,5 м, А = 16 м, а = 4 м, Яб = Яд = 90 м. В данном случаеРД=2Х 1210X3,5X4: 90(16+4) = 19 кН. Аналогично для сече-ния 1 0 : / 1 = 7 м, Л=16 м, а = 4 м, Яс, = 90 м, Я : = 83 м и, нако-нец, РД = 2 Х 1 2 1 0 Х 7 Х П 6 Х 9 0 — (16—4)83] : 902(16 + 41) =46 кН.Веса башни и площадок в каждом из сечений соответственноопределены в предположении, что Рб = 0,6Рд, РПл = 0,4Рд.

Вес газоотводящего ствола с учетом конструктивного коэф-фициента 1,15 определяется формулой:

При расчете несущей башни рассматриваемого сооруженияв условиях нормальной эксплуатации вес всего газоотводящегоствола прикладывается в сечении 3, при определении ветровойнагрузки вес газоотводящего ствола распределяется в соответ-ствии с местами его горизонтального опирания (табл. 21) .

Для определения ветровой нагрузки эпюры нормативногоскоростного напора ветра д0 по СНиП 11-6—74 и с разбивкой на

131

участки относительно расчетных сечений сооружения представ-лены на рис. 53, б,

Аэродинамические коэффициенты с (табл. 22) элементовбашни вычислены по формулам табл. 16; аэродинамический ко-эффициент с газоотводящего ствола в режиме действующихскоростных напоров постоянный, равный 0,7 (с1^'^^>\\,\3}.

Определение нормативной узловой нагрузки на башню Р ( Т

от статического действия скоростного напора выполнено в со-ответствии с рекомендациями главы III и сведено в табл. 23.Значения некоторых величин, промежуточные действия при вы-числении которых опущены, установлены следующим путем. На-пример, в сечении 10 наветренные площади грани башни по на-ружному габариту: 5 = 4,13x7 = 28,9 м2; элементов: 2/, = 0,133хX7Х2Ч-0,095X4,04X4+ 0,16X4 = 4,03 м2. Для 1/чй использо-ваны полученные выше значения /,-, а сг из табл. 22: 1.86ХX0,45+1,53X0,6+0,64XI,4=2,65. Площадь фасонок найденас учетом &ф=1,1. Далее по формуле (23): сф= (2,65+1,4+0,1 XХ4,03) : 28,9 = 0,11; коэффициент заполнения грани башни(с учетом фасонок) ф = 4,ОЗХ 1,1 : 28,9 = 0,15, а т] = 0,92 (п. 17,

табл. 8, СНиП П-6—74). Аэродинамический коэффициент уча-стка башни (без учета затенения ее газоотводящим стволом)спр = 0,21. Узловая нагрузка на башню от статического действияскоростного напора, действующего перпендикулярно плоскостиграни, <2ст = <7оспр5 = 8,3 кН.

Динамическое воздействие порывов вегра (5ДШ, вычисляютв соответствии с формулами (9, 10) и данными табл. 24. Периодосновного тона поперечных колебаний вытяжной башни опре-деляется по формуле (29), преобразованной для удобства вы-числения к следующему виду:

Полная узловая нагрузка получена суммированием значенийФет и <2д„„ (табл. 24).

Схема зонального действия ветра определяется с помощьюследующих параметров: уровня раздела нагрузки на зоны, ко-эффициента спада ветровой нагрузки '/•

Для рассматриваемой схемы башни уровень раздела на-грузки на зоны как точка схода поясов нижней призматическойчасти башни находится на высоте 60 м. Коэффициенты спадаX в функции от 2 (см. рис. 49) имеют следующие значения: приопределении усилий в раскосах ниже сечения 3 (г=16,6 м)Х = 0,556, для опорных раскосов г —21,2 м, у_ = 0,595; при опреде-лении усилий в распорке в месте перелома поясов / = 0,67(г = 30 м) . Величина нагрузки от ветра при его зональном дей-ствии в соответствующих схемах для определения усилий в рас-косах и распорках приведена в табл. 28. Для башни с рассмат-риваемой схемой решетки усилия от ветра в распорке в сечении

134

I

2 определяются только местной нагрузкой, и схема зональногодействия ветра в данном случае не является расчетной.

Определение усилий в элементах башни. Вычисление уси-лий в элементах башни от действия веса конструкций и от вет-ровой нагрузки выполнено в табличной форме (табл. 25—28)по формулам табл. 19. Расчетные усилия от указанных воздей-ствий в элементах несущей башни даны в табл. 29. При этомзначения дополнительных усилий в раскосах в сечениях 2 и 3от совместности их деформирования с поясами получены поформуле, приведенной на стр. 122.

Г Л А В А V

П Е Р С П Е К Т И В Ы РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙВЫТЯЖНЫХ БАШЕН

§ 1. Основные направления компоновочных решений

Развитие и интенсификация промышленного производствав различных отраслях народного хозяйства страны, как пра-вило, связаны с увеличением объема и степени концентрациивредных выделений. Несмотря на наличие и постоянное совер-шенствование систем очистных сооружений, это обстоятельствов совокупности с необходимостью соблюдения жестких требова-ний санитарных норм в отношении допустимых концентрацийвредных веществ на уровне земли ставит новые задачи и по-вышенные требования к вытяжным башням.

Технологические условия, во многом предопределяющие ком-поновочные решения и основные направления развития конст-р у к т и в н ы х форм вытяжных башен, могут быть сведены к двумосновным требованиям: к необходимости значительного увели-чения размеров (высот и диаметров) газоотводящих стволов иколичества стволов в одном сооружении. Последнее связано нетолько с технологическими требованиями отвода вредных вы-делений одновременно от нескольких агрегатов, но и с целесо-образностью размещения в одной несущей конструкции, помиморабочих, также и специально предусмотренных резервных га-зоотводящих стволов. При этом улучшаются также условия за-стройки территории промышленного предприятия.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт строитель-ства показывает, что при больших высотах возводятся, как пра-вило, многоствольные вытяжные башни. Для оценки перспек-тив развития конструкций вытяжных башен необходимо учиты-вать наличие определенной взаимосвязи технологических требо-ваний с повышенными требованиями к условиям эксплуатациисооружения, включающих обеспечение безопасности полета са-молетов. Эти требования приводят к необходимости устройствав вытяжных башнях специальных подъемных лифтов и маршевых

143

лестниц с соответствующей системой обслуживающих площа-док, что оказывает существенное влияние на решение схемысооружения в целом.

По общей компоновочной схеме (взаимному расположениюгазоотводящих стволов и несущей конструкции) многостволь-ные вытяжные башни больших высот могут быть представленыследующими основными группами.

1) Вытяжные башни, в которых несколько газоотводящих стволов распо-ложено внутри одной несущей башни.

2) То же, но с расположением всех или нескольких газоотводящих ство-лов с внешней стороны несущей башни.

3) Вытяжные башни, в которых газоотводящие стволы находятся в поя-сах несущей башни.

4) Вытяжные башни с газоотводящпми стволами внутри несущей башни-трубы.

Приведенная классификация сооружений, основанная на име-ющихся пока еще немногочисленных сведениях по проектиро-ванию и строительству многоствольных вытяжных башен боль-шой высоты, естественно, не может рассматриваться как все-объемлющая. Наметившаяся в последние годы тенденцияк увеличению объема строительства вытяжных башен большойвысоты позволит, при необходимости, по мере накопления опытавнести в эту классификацию необходимые коррективы.

Компоновочное решение вытяжных башен с газоотводящимистволами внутри несущей башни, определяющее первую группусооружений, представляет собой механическое перенесение ши-роко распространенных конструктивных схем одноствольных вы-тяжных башен на многоствольные. Для высот до 250 м такоерешение является наиболее простым, однако использование егодля многоствольных вытяжных башен существенно ограничи-вается возможностями размещения внутри несущей башнивсех газоотводящих стволов. При больших высотах сооруженийиспользование такой компоновочной схемы приводит такжек значительному усложнению конструктивных решений несущейбашни. Это, в свою очередь, вызывает дополнительные трудно-сти при выборе методов монтажа сооружения, а также приво-дит к увеличению трудозатрат при изготовлении и монтаже ме-таллоконструкций.

Вторая группа сооружений применяется пока только дляслучаев многоствольных башен высотой до 200 м. Тем не менееданную компоновочную схему можно считать перспективной иприемлемой для башен больших высот, поскольку здесь раз-меры несущей башни, не связанные с требованием размещениявнутри нее газоотводящих стволов, могут быть приняты наи-более близкими к оптимальным. Большим достоинством этойкомпоновочной схемы сооружения является возможность доста-точно простой замены того или иного газоотводящего ствола нановый в случае необходимости. Опыт показывает, что при по-

144

добной компоновочной схеме вытяжной башни могут быть най-дены интересные инженерные решения сооружения в целом.

Компоновочное решение вытяжной башни, определяющеетретью группу сооружений, является экономически наиболее це-лесообразным в первую очередь для башен достаточно боль-ших высот (более 300 м) . В башнях небольшой высоты такоерешение потребует искусственного увеличения размеров поясовнесущей башни и может привести к существенному перерас-ходу металла. Схема сооружения с использованием поясовбашни для размещения в них газоотводящих стволов являетсятакже весьма перспективным компоновочным решением, откры-вающим широкие возможности для разработки экономичных иинтересных по инженерным решениям новых конструктивныхформ вытяжных башен больших высот. В этом случае поясанесущей башни, в зависимости от конкретных условий строи-тельства и эксплуатации сооружения, могут иметь вид решет-чатых пространственных конструкций или цилиндрическихоболочек. Это создает определенную универсальность компоно-вочной схемы и расширяет ее возможности с учетом перспектив-ного развития конструкций вытяжных башен. Кроме того, та-кая схема сооружения может легко выступать в комбинациис другими ранее рассмотренными компоновочными схемами, по-скольку допускает дополнительное размещение газоотводящихстволов как внутри несущей башни, так и за ее пределами.

Компоновочная схема, определяющая четвертую группу со-оружений, получившая известность под условным названием«труба в трубе», так же как и первая схема, является достаточношироко распространенной, особенно в зарубежной практике.Следует, однако, отметить, что такая компоновочная схема чащевсего применяется при решении сооружений в смешанных кон-струкциях, т. е. в сооружениях, где несущая башня-труба вы-полняется в монолитном железобетоне, а газоотводящие стволы,шахты лифтов, диафрагмы и прочие конструкции — в металлеи других материалах.

Это компоновочное решение выгодно отличается от другихпростотой конструктивных форм, а также удобствами выпол-нения ремонтных работ и работ по организации антикоррозион-ной защиты конструкций. Кроме того, обтекаемая форма со-оружения существенно улучшает его аэродинамические харак-теристики, что позволяет снизить расчетную величину ветровойнагрузки и расход материала на несущие конструкции. Вместес тем, следует отметить, что положительные стороны компоно-вочной схемы «труба в трубе» проявляются в высоких соору-жениях только в том случае, когда несущая башня-труба вы-полняется в монолитном железобетоне. Возможности выполне-ния консольно стоящей трубы больших высоты и диаметрав металле существенным образом ограничиваются, во-пер-вых, трудностями конструктивного решения оболочки трубы,

145

во-вторых, опасностью возниковения резонансных колебанийсооружения при воздействии ветровой нагрузки. Выстроенныек настоящему времени свободно стоящие металлические трубыбез футеровки имеют высоту, не превышающую 120 м.

Наряду с приведенными выше компоновочными решениямив настоящее время имеются проектные разработки на строи-тельство вытяжных башен большой высоты путем наращиваниясуществующих труб, выполненных в монолитном железобетоне.Такое решение, как правило, вызывает необходимость устрой-ства несущей башни для поддерживания верхней надстраивае-мой части газоотводящего ствола и поэтом) оно условно можетбыть отнесено к первой группе компоновочных решений соору-жения.

Известно также предложение, представляющее собой прин-ципиально новое общее компоновочное решение вытяжных ба-шен большой высоты, носящее, правда, по крайней мере наближайший период времени, проблематичный характер. Сутьэтого предложения заключается в полном отказе от строитель-ства дорогостоящей несущей башни для газоотводящих стволови в использовании подъемной силы воздухоплавательных аппа-ратов (типа аэростатов) с целью обеспечения заданного поло-жения газоотводящих стволов. В этом с л у ч а е для газоотводя-щих стволов требуется изыскание специальных материалов, об-ладающих новыми качествами по сравнению с применяемымив настоящее время.

§ 2. Основные направления развития конструктивных формвытяжных башен

Каждая группа рассмотренных выше компоновочных схемвытяжных башен, вполне естественно, может иметь в зависи-мости от конкретных условий объекта строительства различныеконструктивные формы и разнообразные конструктивные реше-ния составных элементов сооружения.

Как уже отмечалось ранее, опыт строительства многостволь-ных вытяжных башен большой высоты сравнительно невелики, следовательно, не позволяет в полной мере раскрыть и долж-ным образом проанализировать это широкое разнообразие воз-можных инженерных решений и с достаточным обоснованием вы-явить те из них, которые являются наиболее перспективнымидля данного типа сооружений. Вместе с тем, накопленный опыт,проведенные научные исследования и выполненные на различ-ных стадиях проектные разработки дают весьма ценные ма-териалы, позволяющие выявить основные направления инженер-ной мысли по решению комплекса проблем, связанных с освое-нием этих новых в инженерной практике сооружений.

Ниже на конкретных примерах, взятых в основном из прак-тики работ Ленинградского отделения ЦНИИ «Проектсталькон-

146

струкция», будут рассмотрены и в определенной степени про-анализированы наметившиеся основные направления развитияконструктивных форм многоствольных вытяжных башен длякаждой группы сооружении.

Вытяжные башни с газоотводящими стволами внутри несу-щей башни. Конструктивные формы вытяжной башни такойкомпоновочной схемы мало отличаются от традиционных формшироко распространенных одноствольных сооружений неболь-ших высот с четырехгранной несущей башней. Наиболее естест-венным решением несущей башни при этой компоновочнойсхеме может служить обычная многогранная решетчатаябашня с переломом граней по высоте. В таком случае привыборе габарита и силуэта несущей башни можно руководст-воваться теми же положениями, что и для четырехграннойбашни. Правда, увеличение количества газоотводящих стволови их высоты может привести к экономической целесообразностиувеличения общего количества граней несущей башни. Послед-нее позволяет более удобно разместить газоотводящие стволыи уменьшить расчетные длины элементов решетки, а также уве-личить число изломов граней по высоте с целью созданияформы сооружения, наиболее близкой к форме бруса равногосопротивления.

Примером сооружения, решенного по такой конструктивнойсхеме, может служить вытяжная башня высотой 280 м глино-земного комбината (проект 1972 г.). Район строительства со-ответствует северной климатической зоне; ветровые нагрузки -III географическому району по СНиП П-А.11—62.

Сооружение состоит из шестигранной решетчатой башнис диаметрами описанных окружностей основания и верха соот-ветственно 50 и 22 м, двух газоотводящих стволов диаметром8 м каждый и шахты лифта диаметром 3,75 м с лестницами(рис. 54). Газоотводящие стволы опираются на собственныефундаменты и в местах диафрагм башни имеют скользящиеопоры, обеспечивающие свободу вертикальных температурныхперемещений стволов и передачу горизонтальных ветровых па-грузок на несущую башню. Один из газоотводящих стволов яв-ляется резервным.

Диафрагмы на призматическом участке башни выполненывыносными, в виде кольцевых площадок, расположенныхс внешней стороны башни. Такой прием решения диафрагмдля многоствольных вытяжных башен является широко распро-страненным и имеет целью уменьшение их габарита по ширине.Все элементы несущей башни трубчатые, из низколегирован-ных сталей; монтажные соединения основных рабочих элемен-тов приняты на высокопрочных болтах.

По-новому решены в этом сооружении узлы сопряжения эле-ментов решетки с поясами несущей башни и между собой.Большие усилия в раскосах, превышающие в нижней части

147

башни 2 МН, а также относительно большие диаметры трубпоясов (более 1 м) привели к интересному решению основныхузлов башни на парных фасонках (рис. 55). В принятом ре-шении трубчатые элементы решетки в районе узла переходят

в замкнутое коробчатое сечение, которое при помощи соответ-ствующих накладок соединяется с узловыми фасонками. Этиузлы обеспечивают надежную работу соединения, довольно-таки просты в исполнении и могут быть рекомендованы дляузловых сопряжений на высокопрочных болтах.

Для более полной характеристики сооружения можно отме-тить, что величина максимального расчетного усилия в поясе

148

несущей башни достигает 30 МН; закрепление поясов на фун-даментах предусмотрено при помощи специальных закладныхконструкций, рассчитанных на вырывающее усилие 22 МН. Об-щий расход стали на сооружение составляет согласно проекту3400 т, в том числе на несущую башню — 2560 и на газоотводя-щие стволы, лифт и лестницы — 840 т. Интересны также цифрыраспределения расхода стали по конструктивным элементамнесущей башни: на пояса— 1390, решетку —850 и диафрагму-320 т. Как видно, при данной схеме сооружения расход сталина диафрагмы достаточно велик и составляет 12,5% от общегорасхода на несущую башню.

В целом рассмотренное сооружение, несмотря на кажущуюсяпростоту конструктивных форм, является достаточно трудоем-ким в изготовлении и сложным в монтаже вследствие наличиябольшого количества элементов разных длин, сложных диаф-рагм, наклонного положения поясов и т. д. Для вытяжных ба-шен больших высот такая конструктивная форма сооружениявряд ли может быть отнесена к числу перспективных. В этомслучае предпочтительнее схема башни с подкосами. На рис. 56изображен общий вид такой вытяжной башни высотой 320 м,представляющей собой один из вариантов решения схемы со-оружения, разработанного в 1972 г. на стадии технического про-екта для главного здания ГРЭС. Район строительства относитсяк средней полосе и по ветровым нагрузкам соответствует I ге-ографическому району.

Башня имеет два газоотводящих ствола диаметром 8,4 мкаждый и шахту лифта диаметром 3 м. Как видно из рис. 56,несущая башня представляет собой решетчатый многогранникпризматической формы, подпертый на отметке 108м тремя под-косами, расположенными в плане под углом 120°. Многогран-ник интересен тем, что он представляет собой систему плоскихрешетчатых панелей размером 18X3,2 м, устанавливаемых по-ярусно в шахматном порядке, образуя в смонтированном видечередующиеся с панелями безраскосные участки граней тех жеразмеров. Подкосы башни имеют трубчатое сечение диаметром3,2 м, что допускает их перевозку длинными царгами.

В принятой схеме несущей башни, несмотря на большое ко-личество граней, общее количество отправочных монтажныхэлементов относительно невелико, и, что очень существенно,большинство из них имеют стандартные для данного сооруже-ния размеры. Все это значительно снижает трудоемкость из-готовления металлоконструкций и существенно расширяет воз-можности использования различных способов их монтажа.

Следует кстати отметить, что для большинства высотныхсооружений башенного типа вопросы монтажа металлоконст-рукций оказывают весьма существенное влияние на выборсхемы сооружения. Зачастую они являются вообще решающими,и это не удивительно, если учесть, что только на изготовление

150

оснастки монтажных работ при возведении сооружения подоб-ного типа требуется порой расход стали в объеме 20—25% отобщего расхода стали на несущие металлоконструкции.

В рассматриваемом сооружении общий расход стали по про-ектным данным составляет 5370 т, в том числе на несущую

башню —3520. Произведенное в этом проекте сравнение тех-нико-экономических показателей различных конструктивныхсхем сооружения показало, что рассматриваемая схема, несмотря

наличие ряда положительных качеств, относится к числузешений, являющихся по весовым показателям наименее эко-номичными. Это ставит под сомнение вообще целесообразность

151

применения для таких высот сооружений подобной компоновоч-ной схемы с решетчатой башней.

Изображенная на рис. 56 схема может быть использованас некоторым видоизменением. Дополнительная опора в пейможет быть выполнена в виде самостоятельной стержневойконструкции. Сопряжение ее с призматической частью башнирассчитывается только на передачу горизонтальных нагрузок.Такая схема требует еще более высокого расхода металла нанесущие конструкции, однако позволяет вести монтаж не толькогазоотводящих стволов, но и призматической части башни наи-более прогрессивным в настоящее время способом — путем под-ращивания снизу.

Рассматривая конструктивные формы вытяжных башен с га-зоотводящими стволами внутри несущей башни, можно оста-новиться еще на одном сооружении — многоствольной вытяж-ной башне высотой 180 м для ТЭЦ Сыктывкарского лесопро-мышленного комплекса. Эта башня при относительно небольшойее высоте интересна тем, что представляет собой пример удач-ного решения схемы сооружения с использованием элементоввспомогательных конструкций для несущего каркаса.

Сооружение состоит из четырехгранной несущей башни, че-тырех газоотводящих стволов диаметром 4 и 5 м и квадратнойв плане шахты лифта размерами 2,5X2,5 м (рис. 57). Общаякомпоновочная схема сооружения в данном случае принята та-ким образом, что шахта лифта располагается в центре башнии ее каркас используется в качестве промежуточной опоры дляэлементов диафрагм. При таком решении значительно упроща-ются конструкции диафрагм, удобно решаются обслуживающиеи переходные площадки и, несмотря на завышенные размерыв плане призматической части башни, принятая компоновочнаясхема сооружения с внутренним расположением газоотводящихстволов становится экономически оправданной. Все основныерабочие элементы несущей башни имеют трубчатое сечение;монтажные соединения выполнены на сварке или, при неболь-ших расчетных усилиях, на болтах нормальной точности. Общийрасход стали на сооружение составляет 1830 т, в том числена несущую башню — 820.

Приведенное краткое описание ряда проектов многостволь-ных вытяжных башен с газоотводящими стволами внутри не-сущей башни, понятно, не охватывает всех возможных конст-руктивных решений, но, тем не менее, опыт проектированиядает основание считать, что целесообразность применения дан-ной компоновочной схемы сооружения исчерпывается высотами200—250 м и что для многоствольных вытяжных башен большихвысот следует искать принципиально новые, более совершенныерешения.

Вытяжные башни, в которых все или несколько газоотводя-щих стволов расположены с внешней стороны несущей башни.

152

Такая компоновочная схема по сравнению с ранее рассмотрен-ной имеет определенные преимущества, поскольку открываетболее широкие возможности по созданию для многоствольныхвытяжных башен новых и наиболее эффективных конструктив-

ных форм. Эти возможности могут быть показаны на следую-щих примерах.

На рис. 58 изображен общий вид вытяжной башни высотой150 м, запроектированной в 1973 г. для Подмосковного горно-химического комбината. Это сооружение состоит из трехгран-ной несущей башни с размерами сторон основания и верха

153

соответственно 23 и 7 м и трех газоотводящих стволов диаметром1,8 м каждый. Несущая башня, имеющая укрупненные панелии раскосную решетку, выполнена несимметричной: две ее граниимеют по два перелома по высоте, одна грань — вертикальная.Все газоотводящие стволы расположены перед вертикальнойгранью башни, на которой предусмотрены специальные консоль-ные площадки. Газоотводящие стволы опираются на собствен-ные фундаменты через пространственную конструкцию высотой6,5 м. На период ремонта стволов предусмотрена также возмож-ность подвески их к верхней площадке несущей башни. В уровнекаждой консольной площадки газоотводящие стволы имеютскользящие опоры, не препятствующие вертикальным темпера-турным перемещениям стволов и одновременно обеспечивающиепередачу на башню ветровых нагрузок (рис. 59).

Конструкции основных несущих элементов консольных пло-щадок выполнены таким образом, что позволяют без большихзатруднений ремонтировать газоотводящие стволы или, принеобходимости, заменять их на новые. Последнее является поло-жительным качеством рассматриваемой компоновочной схемысооружения, поскольку необходимость регулярного проведенияремонтных работ в данном случае является одним из элементовнормальных условий эксплуатации сооружения.

Все сечения поясов и решетки несущей башни выполнены изтруб, а монтажные соединения — на сварке и болтах нормаль-ной точности. Максимальные расчетные усилия в поясах башнидостигают 4,3 МН. Общий расход стали на сооружение состав-ляет 346 т, из них на несущую башню — 251.

Характеризуя сооружение в целом, можно отметить, что оноимеет эффектный внешний вид, удобно в эксплуатации и эко-номично по расходу металла. Благодаря малому количествуэлементов башни существенно снижается трудоемкость ее изго-товления и монтажа.

Несколько иные конструктивные решения при аналогичнойобщей компоновочной схеме имеет вытяжная башня высотой180 м, запроектированная в 1973 г. для одного из химкомбина-тов (I ветровой район строительства). Сооружение имеет двагазоотводящих ствола диаметром 3 м каждый, расположенных,как и в предыдущем случае, вдоль вертикальной грани несущейбашни (рис. 60). Несущая башня выполнена четырехграннойс подкосами с целью упрощения узлов примыкания и закрепленияконсольных площадок внутри башни. Верхняя призматическаячасть имеет размеры в плане 12X10 м; основание (без учетаподкосов)—28x10 м. Газоотводящие стволы в рабочем поло-жении опираются на консольную площадку башни на отметке29,25 м. Опирание их на башню для передачи горизонтальныхнагрузок осуществляется через каждые 30 м.

Сечения основных элементов башни трубчатые, монтажныесоединения сварные. Расчетные сжимающие усилия в поясах

155

и подкосах достигают соответственно 10,8 и 5,4 МН. Общийрасход стали на сооружение составляет 740 т, на несущую баш-ню — 550 т.

Сравнивая это сооружение с рассмотренным выше, можноотметить, что в первом из них несущая башня имеет более лако-ничные формы, более четкую статическую схему работы кон-струкций, меньшее количество отправочных монтажных элемен-

156

тов. Трехгранная башня в сочетании с внешним расположениемгазоотводящих стволов позволяет отказаться от горизонталь-ных диафрагм жесткости. К тому же она менее чувствительнак неравномерным осадкам фундаментов.

Во втором из рассмотренных сооружений положительным яв-ляется большая однотипность элементов несущей башни и воз-можность более простого решения основных узловых соедине-

157

ний элементов конструкций. Кроме того, башня с подкосами мо-жет оказаться экономичнее других схем сооружения для высот,превышающих аналогичную высоту башни без подкосов. Этонеобходимо учитывать при выборе схемы сооружения для кон-кретных условий строитель-ства.

В качестве следующего при-мера сооружения, решенного потой же компоновочной схеме,рассмотрим вытяжную башнювысотой 80 м Джамбульскогозавода двойного суперфосфата.

Как видно из рис. 61, в дан-ном сооружении, состоящем изчетырехгранной несущей башнии трех газоотводящих стволовдиаметром 3 м каждый, один изстволов расположен внутри не-сущей башни, а два других — попротивоположным ее граням свнешней стороны. Всегазоотво-дящие стволы опираются насобственные фундаменты и вцелях обеспечения передачи набашню горизонтальных нагру-зок имеют подвижное в верти-кальном направлении примы-кание к башне через конструк-ции диафрагм и консольныхплощадок. Башня, кроме того,рассчитана на воспринятие до-полнительных нагрузок от \а-зоотводящих стволов в случаеподвешивания их к ней в уров-не верхней площадки.

Принятая для данного со-оружения схема позволяетиметь достаточно простые кон-структивные решения всех эле-ментов сооружения и их со-пряжений между собой, а так-же хорошие показатели порасходу стали. При трубчатыхсечениях элементов поясов ирешетки расход стали на несу-щую башню и сооружение в це-лом составляет здесь соответ-ственно 160 и 262 т.

1,7.

По такой же схеме построена вытяжная башня высотой100 м на Котласском целлюлозно-бумажном комбинате. В соору-жении также три газоотводящих ствола диаметром 2,37 ы,а несущая четырехгранная башня опирается на специальныйстальной портал высотой 31 м, расположенный внутри здания.

Рассмотренная схема является экономически оправданнойтолько для вытяжных башен небольших высот с тремя газо-отводящими стволами, когда диаметры их соизмеримы с кон-структивно необходимыми размерами в плане призматическойчасти несущей башни.

Аналогичная компоновочная схема находит определенноеприменение и за рубежом. Так, для одной из электростанцийв Австрии построено сооружение с тремя газоотводящими ство-лами высотой 165 м, правда, в качестве несущей конструкциигам была принята не башня, а мачта с двумя ярусами оттяжек.Газоотводящие стволы в этом сооружении расположены с внеш-ней стороны граней трехгранного ствола мачты.

Заканчивая рассмотрение данной группы Сооружений, можноеще раз подчеркнуть, что объединяющая их общая компоновоч-ная схема, несмотря на ограниченность приведенных здесь при-меров, является, безусловно, перспективной и в дальнейшем по-зволит найти, кроме упомянутых, и другие интересные решениядля многоствольных вытяжных башен.

Вытяжные башни с расположением газоотводящих стволовв поясах несущей башни. Идея решения сооружений по такойкомпоновочной схеме, являющейся новой и принципиально от-личной от ранее рассмотренных, появилась только в последниегоды в связи с возникшей необходимостью строительства вы-тяжных башен очень больших высот.

В настоящее время имеется потребность в строительстве вы-тяжных башен высотой 400 и даже 600 м. При больших высо-тах все элементы и в первую очередь пояса несущей башни до-стигают таких размеров, что оказывается технически возмож-ным и экономически целесообразным размещение внутри них нетолько лифтов и лестниц, но и газоотводящих стволов.

В связи с тем, что проблема строительства сверхвысоких ме-таллических вытяжных башен возникла сравнительно недавно,в настоящее время еще нет ни осуществленных, ни даже нача-тых строительством сооружений такого вида. Имеющиеся мате-риалы представляют собой лишь единичные проектные разра-ботки, которые будут рассмотрены ниже.

На рис. 62 представлен макет вытяжной башни высотой 600м,разработанной на стадии технического проекта для одного изгорнометаллургических комбинатов страны. Район строительстваэтого уникального сооружения — К р а й н и й Север с расчетнойтемпературой наружного воздуха —45° С и нормативным ско-ростным напором ветра на уровне земли — 100 даН/м2. Гололед-ность соответствует II географическому району.

160

Вытяжная башня предназначается для размещения в нейдвух газоотводящих стволов диаметром 8 и высотой 600 м,а также грузопассажирского лифта и маршевой лестницы. Не-сущая башня состоит из трех вертикальных стволов, выполнен-ных в виде цилиндрической оболочки диаметром 13 м, распо-л о ж е н н ы х в плане по углам равностороннею треугольника состороной 80 м. Стволы соединены между собой распорками че-рез 86 м по высоте и крестовыми предварительно напряжен-ными связями, образуя со-оружение башенного типав форме трехгранной приз-мы. Из-за большой изгиб-ной жесткости поясов полу-чившейся трехгранной баш-ни верхняя панель ее ре-шена в виде безраскоснойрамной конструкции. Исхо-дя из тех же условий, двапояса башни, в которыхразмещены газоотводящиестволы, возвышаются в ви-де консоли длиной 46 м надверхней распоркой-ригелем.Третий пояс башни, с раз-мещенным внутри него лиф-том и маршевой лестницей,

заканчивается на высоте 540 м от уровня земли. Газоотводя-щие стволы выступают за пределы поясов еще на 16 м, достигаяотметки 600 м. Габарит поясов башни принят из условия воз-можности размещения в них газоотводящих стволов с системойлестниц и обслуживающих площадок, необходимых для обеспе-чения требований техники безопасности и эксплуатации соору-жения. В целях унификации третий пояс п р и н я т гех же разме-ров. Распорки сооружения используются одновременно дляустройства внутри них ходов сообщения между поясом башнис лифтом и поясами с газоотводящими стволами.

Для сооружения таких размеров, учитывая его весьма боль-шую стоимость и техническую сложность возведения, особоважное значение приобретают требования по повышению надеж-ности несущих конструкций. Удовлетворение этих требований

161

во многом зависит от того, насколько надежно оно противостоитвозникновению ветрового резонанса как всего сооружения в це-лом, так и отдельных его элементов. Особенно это актуальнодля сооружения, основные рабочие элементы которого имеюткруглую форму поперечного сечения. Рассматриваемое сооруже-ние в этом отношении можно считать вполне надежным, по-скольку по принятой схеме оно представляет собой жесткую про-странственную конструкцию и относится к числу сооружений, на-зываемых аэродинамически устойчивыми. Этот немаловажныйфактор является достоинством подобной компоновочной схемысооружения.

Бесспорно положительным является и то, что в данном слу-чае в наиболее полной мере оказался выполненным принципконцентрации материала. Получившиеся в результате большиерасчетные сечения поясов делают весьма логичным размещениев них газоотводящих стволов, лифта и лестниц. Это обстоятель-ство, в совокупности с уменьшением габаритов сечений предва-рительно напряженных раскосов за счет использования высоко-прочной стали, позволяет также значительно снизить и общуюветровую нагрузку на сооружение. Трехгранная форма башнис параллельными поясами дает возможность отказаться от уст-ройства горизонтальных диафрагм жесткости, позволяет мак-симально унифицировать элементы сооружения и решения уз-лов, в результате чего облегчаются изготовление и монтаж кон-струкций.

На характер конструктивных форм вытяжной башни, безу-словно, оказали влияние суровые климатические условия рай-она строительства, но тем не менее проведенные экономическиерасчеты показали, что и для средней полосы страны такая схе-ма сооружения является достаточно эффективной.

Для рассматриваемой вытяжной башни была проведена кон-структивная проработка основных несущих элементов и узлових сопряжений. Вполне естественно, что главные трудностив компоновке сечений и решении узлов были связаны с огром-ными усилиями, действующими в основных рабочих элементахсооружения. Действительно, в поясах башни расчетное сжима-ющее усилие превышает 400 МН, изгибающий мо.мент -1200 МН-м и перерезывающая сила — 50 МН, в раскосах ниж-него яруса рабочее усилие превышает 80 МН, в распорках -70 МН; вырывающее усилие на один пояс башни составляет250 МН.

Уместно отметить, что при разработке конструкций этогосооружения выявился целый ряд технических проблем, одной изкоторых является большой разрыв между порядком усилийв элементах конструкций и возможностью увеличения расчет-ного сопротивления применяемых в строительстве марок стали.Эта проблема была в определенной степени решена за счет при-менения для сжатых элементов крупноразмерных сечений в виде

162

ребристых цилиндрических оболочек, а для растянутых — паке-тов специальных полос или набора канатов, изготовленных изстали марки 12ГН2МФАЮ с расчетным сопротивлением450 МПа. Натяжение раскосов осуществляется с помощью спе-циальных «тянущих» балок и набора домкратов с общим толка-ющим усилием, превышающим на 10% максимальное сжимаю-щее усилие от действия ветра.

Способ закрепления башни в фундаменты предопределилсяспецифическими грунтовыми условиями строительной площад-ки — наличием скалы со сравнительно небольшой глубиной за-легания. Решение основания в данном случае интересно тем,что удачно сочетает в себе простоту исполнения с высокой на-дежностью работы конструкций.

Фундамент каждого пояса башни состоит из 12 предвари-тельно напряженных железобетонных опорных колонн круг-лого сечения, объединенных в верхней части кольцевым железо-бетонным ростверком, а внизу заанкеренных в скалу с помощьюкольцевой железобетонной балки (рис. 63). В качестве предва-рительно напряженной арматуры опорных колонн фундаментаприняты специальные пакеты из полосовой высокопрочнойстали. Диаметр каждой колонны равен 2 м, что позволяет про-изводить проходку вертикальных скважин с помощью бурильнойустановки без нарушения структуры скального массива. Такаяконструкция фундамента позволяет свести до минимума объемразработки и выемки скального грунта, упрощает производ-ство горных работ и дает существенную экономию стали п бе-тона.

Монтаж металлоконструкций башни предполагается вестимаксимально укрупненными элементами с помощью специаль-ного самоподъемного агрегата, на котором расположен комп-лект необходимых монтажных механизмов, а также тепляки ивспомогательные отапливаемые помещения для обеспечениянормальных условий производства строительно-монтажных ра-бот. В процессе монтажа агрегат перемещается по поясамбашни с помощью винтовых домкратов, выполняя при этом ролькондуктора, фиксирующего взаимное положение поясов.

Для оценки масштаба сооружения ниже приведены некото-рые дополнительные данные, характеризующие рассматрива-емую 600-метровую вытяжную башню: суммарная ветровая на-грузка на сооружение 117МН; максимальное горизонтальноеотклонение верха сооружения при действии ураганного ветра3,7 м; с у м м а р н ы й расход стали на несущие конструкции состав-ляет 22000, в том числе на пояса — 16000, на распорки и рас-косы — по 3000 т.

Конструктивные формы, принятые для этого сооружения, без-условно, не являются единственно возможными. При том жепринципиальном компоновочном решении несущая башня можетиметь четыре, пять и более граней, правда, в этом случае для

163

обеспечения неизменяемости системы потребуются горизонталь-ные диафрагмы жесткости, что связано с дополнительным рас-ходом металла. Схема решетки также может быть различной:сжато-растянутой крестовой с развязкой в центре диафрагмами,полураскосной, ромбической и т. д. Вся система может быть

рамной безраскосной либо представлять собой комбинацию пе-речисленных схем.

Разновидностью рассмотренного решения является вариант,изображенный на рис. 64. Здесь пояса башни имеют наклон-ное положение, что для газоотводящих стволов вполне допус-тимо. В принципе допустимо это и для лифта, хотя и связанос некоторыми трудностями конструктивного характера. Этихтрудностей можно избежать, если сделать наклонными только

164

пояса с размещенными внутри них газоотводящими стволами,сохранив для пояса с лифтом вертикальное положение. Такаябашня пирамидальной формы является более экономичной порасходу стали и повнешнему виду большесоответствует сооруже-нию башенного типа.Есть в ней и другиеположительные качест-ва, однако башня имеети недостатки. Она слож-на для производствастроительно - монтаж-ных работ и менееудобна для эксплуата-ции из-за необходимо-сти устройства наклон-ных обслуживающихплощадок.

Заслуживает вни-мания возможностьприменения приведен-ных выше схем для со-оружений меньших вы-сот с использованиемв этом случае газоот-водящих стволов в ка-честве поясов несущейбашни. Такое решениеможет оказаться весь-ма целесообразным прииспользовании специ-ального антикоррози-онного покрытия внут-ренней поверхностипояса или при отводенеагрессивных газов.

На рис. 65 представлен еще один вариант решения вытяж-ной башни по компоновочной схеме с размещением газоотво-дящих стволов в поясах несущей башни. Этот вариант был

165

разработан для вытяжной башни высотой 320 м с двумя газоот-водящими стволами диаметром 8,4 м для отвода газодымовыхсмесей ГРЭС, находящейся по ветровым нагрузкам в I геогра-фическом районе.

Сооружение состоит из трех отдельно стоящих призмати-ческих решетчатых башен, объединенных в общую систему ре-

шетчатыми пространственными ригелями-распорками через каж-дые 50—70 м. По статической схеме получившаяся система пред-ставляет собой многоярусную, пространственную раму с защем-ленными в основании стойками.

Башни размещены в плане по вершинам равностороннеготреугольника со стороной 40 м. Две из них имеют квадратнуюформу в плане, одна — треугольную. В башнях квадратнойформы размещены газоотводящие стволы, в башне треугольной

166

формы — шахта лифта. Размеры сторон оснований всех башенодинаковы и равны 10 м. Кроме основных ригелей, каждая изтрех башен имеет консольные наружные диафрагмы, обеспечи-вающие пространственную жесткость башен и передачу ветро-вых нагрузок на раму.

Эта схема принципиально отличается от ранее рассмотрен-ной только конструктивным оформлением стоек с размещен-ными внутри них газоотводящими стволами и лифтом. Вследст-вие этого она обладает основными достоинствами такой схемы,рассмотренными выше. Наличие решетчатых пространственныхпоясов, с одной стороны, приводит к меньшему расходу металлапа несущие конструкции и создает лучшие условия для обслу-живания газоотводящих стволов и всего сооружения в целом;с другой же стороны, требуется более высокий расход стали нагазоотводящие стволы. Расход стали на все сооружение состав-ляет 4765 т, в том числе на несущую башню — 2915 и на га-зоотводящие стволы и шахту лифта—1850 т. Для сравненияможно указать, что для этого же сооружения при выполнениипоясов башни в виде цилиндрических ребристых оболочек рас-ход стали на башню составит 3800, на газоотводящие стволы-1100 и на все сооружение — 4900 т, т. е. несколько больше, чемв первом случае. Однако следует учесть, что в первом с л х ч а ебашня выполнена из низколегированной стали, во втором же —из стали Ст.З, поскольку по условиям местной устойчивостистенки выполнение оболочки из стали более высокой проч-ности экономически нецелесообразно. Совершенно очевидно, чтов целях дальнейшего снижения расхода металла на сооружениедля варианта с решетчатыми поясами также возможна уста-новка предварительно напряженных раскосов.

В заключение по рассмотренной группе сооружений в целомможно сделать следующие выводы:

1. Компоновочная схема сооружения с газоотводящими стволами, располо-женными в поясах несущей башни, является весьма перспективной и эконо-мически оправданной для сооружений высотой 300—350 м По мере возраста-ния высоты сооружения возрастает и экономическая целесообразность такогорешения.

2. Такая компоновочная схема позволяет создать сооружение большой вы-соты, обладающее высокой степенью надежности, наиболее полно отвечающеетребованиям эксплуатации п обеспечивающее максимальную индустриальностьизготовления, а также простоту и эффективность монтажа конструкций.

3. Более точную оценку эффективности этого принципиально нового ре-шения многоствольных вытяжных башен большой высоты можно дать толькопосле использования их в рабочих проектах и претворения проектов в жизнь

Вытяжные башни с газоотводящими стволами внутри несу-щей башни-трубы. Как уже отмечалось ранее, такая компоно-вочная схема достаточно широко применяется, однако толькодля случаев, когда несущая башня-труба выполняется в моно-литном железобетоне. По такой схеме, например, возведена вы-тяжная башня высотой 250 м для ТЭЦ-23 Мосэнерго. Сооружениесостоит из четырех стальных газоотводящих стволов диаметром

167

4,5 и 4,2 м, установленных на общее с монолитной железобетон-ной трубой основание. Средний диаметр железобетонной трубы20, высота — 240 м. Газоотводящие стволы раскрепляются внутригрубы специальными скользящими по вертикали упорамив уровне площадок-диафрагм. Площадки установлены с шагом40 м по высоте и крепятся к стенкам железобетонной трубыспециальными тяжами. При ремонте предусматривается под-веска газоотводящих стволов к верхней площадке-диафрагме.

Аналогичной конструкции и той же высоты построена вы-тяжная башня в Костроме для мощной ГРЭС. Здесь в монолит-ной железобетонной оболочке размещены четыре стальных газо-отводящих ствола диаметром 4,5 м каждый.

Из зарубежных объектов можно упомянуть одну из самыхвысоких вытяжных башен с железобетонной несущей трубой,построенную для никелевого завода в Коппер-Клиффе (Ка-нада). Высота ее равна 380 м. Сооружение имеет только одинстальной газоотводящий ствол диаметром 13,7 м, размещенныйвнутри железобетонной башни-трубы. В Англии на одной изэлектростанций построена трехствольная вытяжная башня вы-сотой 260 м, где газоотводящие стволы, выполненные такжев монолитном железобетоне, имеют эллиптическое сечение; бла-годаря этому рационально используется пространство внутринесущей оболочки-трубы.

Вытяжные башни со стальной несущей башней-трубой в на-стоящее время практически отсутствуют. Круглая форма попе-речного сечения, большая гибкость и низкая частота собствен-ных колебаний при малом внутреннем демпфировании вызы-вают опасность возникновения интенсивных колебаний сталь-ной трубы под действием ветра. В стальных трубах большойвысоты для предотвращения возможности появления «ветро-вого резонанса» необходимо предусматривать специальные ме-роприятия по борьбе с колебаниями, например, путем исполь-зования аэродинамических или механических средств их гаше-ния. Осуществление этих мероприятий, связанное с определен-ными трудностями конструктивного и эксплуатационного ха-рактера, требует зачастую больших дополнительных затрат ивсе же не дает полной гарантии надежной работы конструкций.Сооружения такого вида, как известно, относятся к числу аэро-динамически неустойчивых. По этим причинам свободно стоя-щие стальные трубы без футеровки не строят высотой более120 м. При больших высотах оболочку стальной трубы дополни-тельно укрепляют подкосами или какими-либо другими конст-руктивными элементами. Но и в этом случае консольный уча-сток трубы испытывает те же отрицательные явления, связан-ные с автоколебаниями, что и свободно стоящая труба, хотя инесколько в меньшей степени.

Примером проектных решений сооружения с газоотводящимистволами внутри стальной несущей башни-трубы может служить

168

вытяжная труба, изображенная на рис. 66. Схема данного соору-жения представляет собой один из вариантов конструктивногорешения рассмотренной ранее вытяжной башни высотой 600м.По этому варианту несущая башня состоит из вертикальногоствола, подкрепленного на отметке 200 м тремя мощными под-косами пространственной конструкции. Несущий ствол башни,выполненный в виде двух ко-нических оболочек с системойвертикальных и горизонталь-ных ребер, собирается из от-дельных панелей заводскогоизготовления. Диаметр оболоч-ки в верхней части равен 22, вместе п р и м ы к а н и я подкосов —40 м. Газоотводящие стволы илиф г расположены внутри не-сущего ствола и опираются наплощадки-диафрагмы.

Сплошностенчатая закры-тая несущая конструкция улуч-

шает условия эксплуатации со-оружения, а также уменьшаетветровую нагрузку за счет сни-жения аэродинамического ко-эффициента и уменьшения раз-л!ера наветренной площади.Сооружение, решенное по та-кой схеме, обладает достаточ-но хорошими архитектурнымии эстетическими качествами. Кнедостаткам схемы, помиморанее отмеченного, можно от-нести сложность решения прибольших усилиях в узле при-м ы к а н и я подкосов к несущейоболочке ствола башни, а так-же необходимость у с т р о й с т в абольшепролетных обслуживающих площадок-диафрагм. Крометого, большой диаметр несущего ствола башни усложняет обес-печение местной устойчивости оболочки и приводит к дополни-тельному расходу материала. Общий расход стали на соору-жение составляет 25000 т, что более чем на 10% превышаетрасход стали при решении сооружения по схеме с газоотводя-щими стволами в поясах несущей башни.

Можно еще отметить, что переменный по высоте диаметр не-сущего ствола башни-трубы существенно повышает трудоем-кость изготовления конструкций сооружения и делает доста-точно сложной организацию работ по их монтажу. При меньшей

169

высоте вытяжной башни несущий ствол ее может иметь и цилин-дрическую форму. Сооружение такого вида изображено на рис.67. Это вытяжная башня высотой 320 м, разработанная на ста-дии технического проекта для одной из ГРЭС. Здесь цилиндри-ческий несущий ствол башни-трубы, в котором размещены двагазоотводящих ствола и шахта лифта, имеет диаметр 22 м. Онраскреплен на отметке 115 м тремя подкосами из труб диамет-

ром 3,2 м. Подкосы располагаются в плане под углом 120" ипроекция каждого из них на уровне земли составляет 50 м.

Газоотводящие стволы подвешиваются к диафрагмам несу-щей оболочки башни через каждые 30—40 м с устройством не-обходимого количества температурных компенсаторов. Это по-зволило снизить толщину стенок газоотводящих стволов до 6—8 мм при диаметре 8,4 м. В уровне диафрагм башни имеются на-ружные кольцевые площадки, используемые для устройствасветового ограждения, осмотра и окраски сооружения. Общийрасход стали составляет 5400 т, из них на несущую башню 4300.

170

Аналогичную схему решения несущих конструкций имеет вы-тяжная башня высотой 420 м, проектируемая для Норильскогогорнометаллургического комбината. Центральный цилиндриче-ский ствол ее, имеющий диаметр 18,5 м, подперт на отметке150 м шестью подкосами диаметром 3,2 м. В основании под-косы разнесены по окружности радиуса 80 м и до отметки75 м развязаны между собойраспорками и крестовыми свя-зями.

Интересные инженерныерешения несущих конструкцийимеет вытяжная башня, изо-браженная на рис. 68*. В этомсооружении газоотводящиестволы и шахта лифта разме-щаются также внутри верти-кального цилиндрического не-сущего ствола большого диа-метра, однако конструктивныерешения сооружения в целомимеют принципиальные отли-чия от ранее рассмотренных.Здесь ствол в горизонтальномнаправлении раскрепляетсятолько двумя длинными под-косами, развязанными с несу-щим стволом и между собойсистемой распорок и связей.Подкосы расположены т а к и мобразом, что проекции их вплане составтяют между собойугол 60°. Получившаяся сис-тема напоминает трехграннуюбашню пирамидальной формы,в которой одна стойка верти-кальна и имеет по сравнениюс двумя другими значительнобольшие размеры как по сечению, так и по высоте.

В отличие от ранее рассмотренных схем такое сооружениеаэродинамически устойчиво, и это является существенным егодостоинством. Кроме того, здесь более четкая схема работыконструкций, а включение основного вертикального ствола в р ? -боту системы как пояса трехгранной башни позволяет получитьопределенное снижение расхода стали. Недостатком схемы яв-ляется наличие большого количества разнотипных элементовбольшой длины.

171

По иному конструктивно решена в этом сооружении и обо-лочка вертикального ствола. Местная устойчивость обеспечи-вается не системой ребер, а созданием по всему периметру про-дольных гофров цилиндрической формы (см. рис. 68). Получив-шаяся оболочка с в е р т и к а л ь н ы м и гофрами имеет более длин-ную развертку и несколько увеличивает ветровую нагрузку насооружение за счет увеличения аэродинамического сопротивле-ния ветровому потоку, однако существенно повышает предель-ные напряжения в оболочке за счет резкого увеличения ее кри-визны и в целом дает возможность получить более экономичнуюконструкцию. Гофрированную оболочку можно рекомендо-вать и для других схем вытяжных башен, где гладкая цилиндри-ческая оболочка с т о ч к и зрения обеспечения местной у с т о й ч и -вости оказывается более металлоемкой.

Конструктивные решения и схема рассмотренного сооруже-ния в целом, хотя и требуют определенного совершенствования,вполне приемлемы для многоствольных вытяжных башен боль-ших и сверхбольших высот, поскольку позволяют сделать соору-жение надежным и достаточно экономичным. Что же касаетсяостальных рассмотренных схем стальных вытяжных башенэтой группы, то по условиям опасности возникновения «ветро-вого резонанса» применять их для сооружений больших высотследует с особой осторожностью.

§ 3. Некоторые вопросы, связанные с перспективамистроительства вытяжных башен большой высоты

Наметившаяся в последние годы при строительстве вытяж-ных башен тенденция к увеличению их высоты поставила передстроителями целый ряд вопросов, разрешение которых дикту-ется необходимостью удовлетворения возникших потребностейв этих сооружениях.

К числу наиболее существенных и важных, в первую очередь,следует отнести вопросы выявления оптимальных параметроввытяжных устройств. Важность этой задачи заключается преж-де всего в том, что с возрастанием высоты сооружения резковозрастает его стоимость: только капитальные затраты по воз-ведению вытяжной башни высотой 600 м оцениваются о р и е н т и -ровочно в 50 млн. руб. Высокую стоимость имеют и сооружениявысотой 300—400 м. Для предотвращения возможного завыше-ния размеров вытяжных башен при обосновании их высоты в каж-дом конкретном случае необходимо учитывать все без исключе-ния факторы, оказывающие влияние на принятие исходных па-раметров вытяжных устройств. Последние зависят от составаи степени агрессивности отводимых газов, от технических сред-ств по созданию требуемого напора в газоотводящих стволах,от географических и природно-климатических условий района

172

строительства, от возможностей размещения вытяжных башенна генеральном плане застройки объекта.

В свою очередь, состав и агрессивность отводимых газов на-ходятся в определенной зависимости от условий их предвари-тельной очистки, т. е. от типа и качества используемых для этихцелей очистных сооружений. Наконец, принимаемые параметрывытяжных устройств, естественно, зависят и от точности выпол-нения расчетов по проверке удовлетворения требований сани-тарно-гигиенических норм в отношении предельно допустимыхконцентраций вредных веществ на уровне земли в зоне действиявытяжного устройства.

Для решения задач по оптимизации размеров вытяжных ба-шен, видимо, целесообразно уточнить предусмотренную сани-тарно-гигиеническими нормами градацию предельно допусти-мых концентраций вредных веществ па уровне земли, совершен-ствовать теорию рассеивания вредных примесей в отводимыхв верхние слои атмосферы газах и на основании их уточнитьметодику определения концентрации вредных веществ при раз-личном удалении от вытяжного устройства. Принятию решенияпо определению параметров вытяжных устройств должно пред-шествовать выполнение технико-экономических расчетов раз-л и ч н ы х вариантов, предусматривающих разные способы очисткигазов и величины создаваемого в газоотводящих стволах на-пора. При этом должны быть учтены капитальные затраты кэксплуатационные расходы на собственно вытяжную башню,на очистные сооружения и средства нейтрализации отводимыхгазов, на вентиляционные устройства по созданию напора в га-зоотводящих стволах. Для каждого конкретного объекта, ес-тественно, должен приниматься вариант с наилучшими техни-ко-экономическими и санитарно-гигиеническими показателями.

Следующий вопрос связан с уточнением характера воздейст-вия на вытяжную башню ветровой нагрузки. Несмотря на на-личие по данному вопросу большого количества специальнойлитературы и нормативных документов, в настоящее время нетеще полной ясности о фактически действующих скоростных на-порах ветра на больших высотах, отсутствуют данные по коэф-фициентам лобового сопротивления как отдельных цилиндри-ческих оболочек большого диаметра (при Ке^Ю 7), так и со-оружения в целом при различных компоновочных схемах егорешения, нет полных данных о динамических характеристикахсооружения и, в частности, о декременте колебаний и т. д.

Это обстоятельство вносит определенные трудности в раз-работку конструкций вытяжных башен и, естественно, не можетне отражаться на оптимальности их решения. Задача можетбыть решена путем расширения объема экспериментальныхисследований как по проведению натурных испытаний дляопределения фактических характеристик ветровой нагрузкии динамических характеристик сооружения в целом, так и

173

лабораторных испытаний по продувке соответствующих моделейв аэродинамических трубах.

При строительстве вытяжных башен большой высоты серь-езную проблему составляют вопросы монтажа. В настоящеевремя наиболее распространенными способами монтажа несу-щих конструкций вытяжных башен можно считать следующие.

!) Наращивание укрупненными пространственными блоками с использо-ванием гусеничных монтажных кранов для башен небольшой высоты.

2) Сборка всей башни, включая газоотводящий ствол, в горизонтальномположении с последующим подъемом путем поворота вокруг опорного шар-нира. При этом собранное сооружение можно поднимать либо обычными мон-тажными кранами с последующим дотягиванием полиспастом, либо с по-мощью специальной падающей стрелы.

3) Наращивание нижней части башни укрупненными блоками до отметки,определяемой возможностями монтажных кранов, и подъем ползучим портальным подъемником верхней части башни и газоотводящего ствола по воз-можности также укрупненными блоками. Если жесткость газоотводящегоствола оказывается достаточно высокой, монтаж верхней части башни в этомслучае может осуществляться также закрепленным на газоснводящем ство 1еполноповоротным краном.

Перечисленные способы монтажа используются для возведе-ния наиболее распространенных в. настоящее время вытяжныхбашен высотой до 150 м. Сооружения большей высоты, с точкизрения монтажа, можно отнести уже к разряду уникальных, тре-бующих специальной разработки индивидуальных способов про-изводства работ для их возведения. В этих условиях возможностимонтажа зачастую оказывают решающее влияние на выборсхемы несущих конструкций, и чем выше сооружение, тем этовлияние значительнее. В практике имели место случаи, когда отпринятой, казалось бы, удачной схемы сооружения приходилосьотказываться лишь потому, что осуществление ее или чрезвы-чайно трудоемко и сложно, или даже просто невозможно. Все этолишний раз подчеркивает, что разработку конструкций вытяж-ных башен необходимо производить одновременно с решениемвопросов монтажа и в полной с ними увязке. Исходя именно изэтих условий следует оценивать все принимаемые техническиерешения.

Существенному повышению надежности и экономичности вы-тяжных башен большой высоты может послужить дальнейшеерасширение исследований, связанных с антикоррозионной защи-той металлоконструкций вытяжных башен. Это относится, в пер-вую очередь, к газоотводящим стволам, поскольку их стенки на-ходятся в постоянном и непосредственном контакте с агрессив-ными компонентами отводимых газов. Имеющийся опыт эксплу-атации вытяжных башен показывает, что применяемые дляантикоррозионных покрытий материалы не всегда достаточноэффективны и порой очень быстро выходят из строя. Объяс-няется это главным образом тем, что в процессе рабош пред-приятия происходят существенные изменения в составе газов, не-учитываемые в принятых для разработки проекта исходных

174

данных. Эту задачу можно решить путем создания универсал,-ных антикоррозионных материалов, которые были бы доста-точно стойкими для отводимых газов разного состава. Крометого, необходимо расширить область применения для газоотво-дящих стволов новых эффективных материалов, стойких к аг-рессивной среде без специального антикоррозионного покрытия.Имеют большое значение и вопросы защиты основных несущихконструкций башни. Эти конструкции находятся на открытомвоздухе в условиях действующих предприятий, выделяющих аг-рессивные отходы производства, которые в той или иной сте-пени неизбежно присутствуют в окружающей сооружение среде.Здесь следует иметь в виду, что работы по окраске конструк-ции башни весьма трудоемки и дороги, поэтому применение бо-лее стойких покрытий, даже при условии значительно более вы-сокой их первоначальной стоимости, может оказаться экономи-чески оправданным.

Немаловажной задачей является и обобщение опыта эксплу-атации вытяжных башен. Изучение фактических режимов работыпредприятий различных отраслей промышленности и в связис этим уточнение состава и условий выброса отводимых газов,исследование состояния несущих конструкций башен и газоот-водящих стволов, а также определение возможностей и условийосмотра, ремонта и окраски их позволит выявить наиболее ча-сто встречающиеся виды дефектов металлоконструкций вы-тяжных башен, установить причины и условия их возникновенияи определить характер основных трудностей, возникающих приэксплуатации сооружения. Это в свою очередь даст возмож-ность при разработке проектов вытяжных башен принимать бо-лее точные исходные данные для проектирования и по мере воз-можности избегать недостатков, которые имели место в постро-енных сооружениях.

Следует несколько затронуть вопрос унификации и типиза-ции конструкций. Количество типоразмеров возведенных в нас-тоящее время вытяжных башен чрезвычайно велико. Например,только Ленинградским отделением ЦНИИ «Проектстальконст-рукция» за последние 10 лет было выполнено около 200 индиви-дуальных проектов.

Вытяжные башни, предназначенные для отвода вредных вы-делений в верхние слои атмосферы, используются, как известно,в различных отраслях промышленного производства. Это вноситопределенные трудности в разработку единых технологическихтребований к проектированию и существенно тормозит решениевопросов, связанных с унификацией и типизацией конструкций.Первые шаги в этом направлении были сделаны только в 1973г.,когда были составлены предложения по унификации размеровгазоотводящих стволов, разработанных по аналогии и в полномсоответствии с унифицированными размерами стальных дымо-вых труб [56]. Тогда же была начата работа по составлению

175

первого типового проекта вытяжных башен с ограниченнымколичеством унифицированных типоразмеров. Вполне очевидно,что проводимая работа по дальнейшей унификации не толькогазоотводящих стволов, но и основных конструктивных решенийвытяжных башен, а также разработка типовых проектов такихсооружений в более широком диапазоне высот и единых длявсех отраслей промышленности позволит резко снизить трудо-затраты на строительство вытяжных башен и даст существен-ный экономический эффект.

Особым вопросом в решении конструкций вытяжных башен,в случае возведения их в районах с расчетной температурой на-ружного воздуха ниже —40°С, является удовлетворение специ-альных требований по предотвращению хрупкого разрушенияконструкций. Для рассматриваемого вида сооружений суровыеклиматические условия сказываются особенно остро. Вот по-чему при выборе схемы и материала несущих конструкций,а также при разработке конструктивных решений сооружениянеобходимо особенно тщательно анализировать принимаемыерешения с тем, чтобы по возможности в максимальной степениснизить опасность хрупкого разрушения конструкций. Особоевнимание должно быть уделено монтажным стыкам, посколькусеверная климатическая зона, как правило, имеет длинный зим-ний период с сильными ветрами, когда производство строи-тельно-монтажных работ особенно затруднено.

Заканчивая рассмотрение вопросов, связанных с дальней-шим развитием и расширением объема строительства вытяж-ных башен большой высоты, следует указать, что в последниегоды появился новый тип подобного сооружения, получившийнаименование воздухозаборной башни. Общие компоновочныеи конструктивные решения такого сооружения принимаютсяа н а л о г и ч н ы м и вытяжным башням, однако назначение его диа-метрально противоположное. Как показывает само наименова-ние, воздухозаборная башня предназначается для забора изверхних слоев атмосферы чистого воздуха, необходимого длянормальной организации технологического процесса производст-ва. В связи с увеличением общей загрязненности воздуха не-посредственно над промышленными предприятиями и крупныминаселенными пунктами в будущем, вероятно, подобный тип со-оружений будет использоваться для создания микроклиматав специальных производственных предприятиях, а также в це-лях улучшения условий труда и быта трудящихся.

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

Предисловие 3Глава I. Общая характеристика вытяжных сооружений 6

Глава II. Конструкции вытяжных башен 16§ 1. Схемы сооружений§ 2. Основные конструктивные решения несущей башни 28§ 3. Решения узлов газоотводящего ствола 53§ 4. Материалы 65§ 5. Технико-экономическая оценка и вопросы типизации 79

Глава III . Нагрузки 87§ 1. Состав и сочетания нагрузок, действующих на вытяжные башни 87§ 2. Методика определения веса конструкций 92§ 3. Ветровые нагрузки 98§ 4. Снеговые нагрузки и температурные воздействия 116

Глава IV. Основные положения расчета 118§ 1. Расчет несущей башни 119§ 2. Расчет газоотводящего ствола 123§ 3. Пример расчета 130

Глава V . Перспективы развития конструкций вытяжных башен . . . . 143§ 1. Основные направления компоновочных решений 143§ 2. Основные направления развития конструктивных форм вытяжных

башен 146§ 3. Некоторые вопросы, связанные с перспективами строительства

вытяжных башен большой высоты 172Список литературы 177

В Н И М А Н И Ю

С П Е Ц И А Л И С Т О В П Р О Е К Т Н Ы Х И СТРОИТЕЛЬНЫХ О Р Г А Н И З А Ц И Й

Ленинградское отделение Стройиздата выпускает в 1976 году:

АРТЕМЬЕВА И. Н. АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

В книге приведены сведения по физическим, химическим и технологиче-ским свойствам упрочненного алюминия. Изложены особенности проектиро-вания, изготовления полуфабрикатов и заготовок из алюминия, способы ихсоединения, применение алюминиевых конструкций в строительстве.

Объем книги 12 л. с ил. Ориентировочная цена 70 к

ГОРЕНШТЕИН Б. В. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕПОКРЫТИЯ.

В книге изложены методика выбора и принципы компоновки сборных исборно-монолитных пространственных конструкций покрытий. Приведены све-дения о выборе генеральных размеров, расчете и конструировании наиболеераспространенных видов покрытий. Даны примеры расчета оболочек, рекомен-дации по индустриальным методам изготовления и монтажа конструкции.

Объем книги 10 л. с ил. Ориентировочная цена 60 к

Т о в а р и щ и !

Книги Стройиздата можно заказать заранее до выхода в свет. Это гаран-тирует своевременное их получение, экономит время и оказывает помощь из-дательству в правильном определении тиража.

Иногородние заказчики получают книги по выходе в свет наложеннымплатежом.

Предварительные заказы принимают все магазины местных книготоргов.