СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННОМЕРНОЙ НЕСУЩЕЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И ДЛИННОМЕРНАЯ НЕСУЩАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК E04H12/00 

Изобретение относится к строительной технике и может быть использовано при изготовленный башен, преимущественно для ветроэнергетических установок (ВЭУ), а также ретрансляционных башен, башен для маяков, для установки водяных резервуаров, опор контактных и канатных сетей.

Известен способ изготовления длинномерной строительной конструкции - башни ветродвигателя, реализованный в устройстве [1]
Способ включает в себя поэтапное раздельное изготовление силовых стоек (каркаса) и образующих стенки башни однотипных элементов в виде листов, которые соединяют со стойками (каркасом) и вписывают в поперечном сечении, выполняемом в виде правильного многоугольника, в окружность.

Такой способ изготовления имеет ряд недостатков:
трудоемок, многоделен, неэкономичен по расходу материала;
не позволяет изготовить равнопрочную по направлениям прихода нагрузок, в т. ч. изгибающих и крутящих, от ветра, башню;
сложен технологически и требует применения разнотипного оборудования и инструментов.

Башня ветродвигателя [1] содержит силовые стойки и образующие ее стенки однотипные элементы, соединенные между собой в виде правильного многогранника и вписанные в поперечном сечении в окружность, направляющие, установленные вдоль ребер башни, механизм перемещения и фиксации гондолы ветродвигателя по направляющим.

Она имеет следующие недостатки:
включает в себя элементы разнотипные по конструкции и по прочностным качествам;
неравнопрочна по направлениям прихода воздействия;
башня имеет поперечное сечение единственного вида по всей высоте;
трудоемка в изготовлении;
при сооружении башни высотой более 10-15 метров резко увеличивается удельная стоимость единицы объема башни.

Известен способ изготовления резервуара водонапорной башни [2] включающий изготовление элементов, выполненных в виде частей цилиндрического резервуара, которые получают путем деления его диаметральными плоскостями, и состоящими каждая из соосно расположенных частей цилиндрических стенок обечаек (труб), образованных изогнутыми листами, и прикрепленных к ним листовых секторов днища и крыши резервуара.

Готовые элементы раскладывают на месте сборки, стягивают до примыкания кромок и сваривают их между собой.

Этот известный способ обладает следующими недостатками:
не позволяет изготовить равнопрочную на изгиб с кручением башню при приходе нагрузок с различных направлений;
металлоемок;
имеет тенденцию к повышению удельной стоимости в отношении единицы объема башни при изготовлении башен высотой больше 10-15 метров.

Известна длинномерная строительная конструкция и способ, реализуемый при ее изготовлении [3] Способ включает установку криволинейных листовых элементов выпуклой стороной внутрь с образованием оболочки, имеющей в поперечном сечении форму правильного многоугольника, соединение смежных криволинейных элементов дополнительными продольными криволинейными листовыми элементами, с образованием по углам многоугольника равносторонних треугольников, составляющих продольные силовые узлы конструкции.

Края каждого из криволинейных листов выполнены с закруглениями, расходящимися от вершин треугольника в противоположные стороны.

Это известное техническое решение обладает следующими недостатками:
конструкция и способ ее изготовления предполагают изготовление на месте монтажа, что снижает качество, увеличивает трудоемкость, стоимость изготовления и не позволяет применять индустриальную технологию строительства из укрепленных сборок или готовых модулей;
не позволяет изготовить равнопрочную конструкцию, в которой "работает" весь материал конструкции при изгибе с кручением и различных направлениях прихода нагрузок;
увеличивает удельную стоимость в отношении единицы объема башни при изготовлении башен высотой более 10-15 метров, что удорожает конструкции, работающее в условиях комбинированного нагружения; изгиб с кручением, например штормовой ветер с неориентированным относительно ветра ветроколесом. В этом случае известная конструкция имеет тенденцию к потере устойчивости, сопровождающуюся "выгибом" криволинейного листа с последующим разрушением;
не позволяет регулировать процессы вихреобразования в турбулентном следе за башней, что и приводит к повышению действующих нагрузок и соответственно к увеличению уровней вибраций, росту напряжений и сокращению ресурса конструкции;
ограничивает стойкость конструкции к воздействию землетрясения.

Рассмотренные недостатки ограничивают использование известных технических решений.

Целью изобретения является:
упрощение технологии изготовления конструкции с обеспечением индустриализации строительства на объекте за счет высокой заводской готовности и точности конструкций, монтируемых из секций;
повышение надежности башни за счет увеличения запасов прочности и повышения ресурса;
расширение диапазона рабочих нагрузок и скоростей ветропотоков ВЭУ;
обеспечение работы ВЭУ в сейсмоактивных районах за счет оптимизации прочностных характеристик конструкции и повышения ее прочности и устойчивости;
повышение экономичности и сокращение сроков окупаемости за счет снижения стоимости башни и других агрегатов ВЭУ;
уменьшение материалоемкости, в том числе удельной на единицу мощности ВЭУ.

На фиг. 1 показан общий вид ВЭУ с использованием заявляемого технического решения,
на фиг. 2 выполнение подкрепления оболочки продольными мембранами,
на фиг. 3 выполнение фланцевого узла для стыковки секций конструкции, продольное сечение конструкции А-А, см. фиг. 2.

на фиг. 4 выполнение трапециевидных ячеек под стыковочные болты на шпангоуте.

На фигурах и в тексте обозначено: 1 криволинейный листовой элемент, 2 - продольная мембрана, 3 cиловые треугольники, 4 поперечная мембрана, 5 - стыковочный шпангоут, 6 большое основание шпангоута, 7 верхний уровень сварки шпангоута к оболочке, 8 нижний уровень сварки шпангоута к оболочке, 9 малое основание шпангоута, 10 стенка шпангоута, 11 трапециевидная в плане ячейка шпангоута, 12 аэродинамическое окно, 13 гондола ВЭУ, 14 - ветроколесо, 15 нижняя секция конструкции, 16 средняя секция конструкции, 17 верхняя секция конструкции, 18 основание конструкции (основание ВЭУ), 19 подкрепляющие ребра шпангоута, 20 стыковочные болты.

Способ изготовления длинномерной несущей строительной конструкции включает установку криволинейных листовых элементов 1 выпуклой стороной внутрь с образованием оболочки, имеющей в поперечном сечении форму правильного многоугольника, каждую пару смежных криволинейных элементов 1 соединяют внутри многоугольника продольным листовым элементом 2 продольной мембраной и образуют изнутри многоугольника в его углах треугольники 3, представляющие собой при сварке в углах треугольника 3 продольные балки коробчатого сечения, устанавливают поперечные мембраны 4 изнутри оболочки, а стыковочный шпангоут 5 снаружи оболочки устанавливают со смещением основания шпангоута 5 от торца в осевом направлении наружу оболочки 6 на расстоянии (2.3) b_о, где b_о толщина криволинейного листового элемента 1 оболочки, соединяют поперечную мембрану 4 и шпангоут 5 с оболочкой, при этом шпангоут 5 сваривают по меньшей мере на двух, верхнем и нижнем уровнях, а поперечную мембрану 4 предварительно смещают от торца вглубь оболочки в осевом направлении и фиксируют сваркой в промежутке между верхним 7 и нижним 8 уровнями сварки шпангоута 5. Верхний уровень сварки 8 шпангоута 5 с оболочкой проходит по верхнему торцу шпангоута снаружи оболочки, а нижний уровень 8 проходит по нижнему торцу оболочки изнутри шпангоута 5.

Предварительное смещение поперечной мембраны 4 производят в промежутке, ограниченном 0,3.0,8 высоты шпангоута 5, при этом фиксируют поперечную мембрану 4 к оболочке прерывистой сваркой, и затем дополнительно сваривают поперечные мембраны 4 с продольными мембранами 2.

Окончание изготовления конструкции производят стыковкой ее секций (см. фиг. 1 поз. 15, 16, 17) с созданием предварительно и тарировано напряженных стыков шпангоутов 5 в осевом направлении.

Длинномерная несущая строительная конструкция включает соединенные между собой в оболочку криволинейные листовые элемента 1 с образованием в ее поперечном сечении правильного многоугольника и снабжена продольными 2 и поперечными 4 мембранами, стыковочными шпангоутами 5, объединенными во фланцевый узел, переменного по высоте сечения с большим 7 и малым 9 основаниями шпангоута 5, установленного большим основанием 6 со стороны торца оболочки, а внутренней поверхностью узла, имеющей форму и размеры, соответствующие наружной форме и размерам оболочки, продолжающей конструкцию до большого основания 6 шпангоута 5, стыкуемого с ним аналогичной частью фланцевого узла смежной секции конструкции, при этом ширина b большого основания шпангоута во фланцевом узле выбирается из соотношения: b = b_o+ (1,4...1,8)d + Δ где b_о толщина криволинейного листового элемента, d диаметр стыковочного болта, Δ технологический зазор между головкой стыковочного болта и вертикальной стенкой шпангоута 5.

Шпангоут 5 выполнен из ряда дугообразных частей, формой и размерами отвечающими форме и размерам оболочки в месте установки шпангоута, и в продольном сечении конструкции выполнен ступенчатым по высоте, состоящим из большого основания 6 и подбедренной со стороны основания 6 стенки 10, толщина которой не менее толщины оболочки d и в плане с трапециевидными ячейками 11, открытыми с наружной стороны конструкции.

В каждой дугообразной части шпангоута 5 установлен по крайней мере один штифт, а в ответной части шпангоута смежной секции выполнено под него соответственное отверстие, а по крайней мере одно из стыковочных отверстий шпангоута верхнего торца в нижележащих секциях конструкции выполнено резьбовым.

Конструкция может быть выполнена с окнами 12 на криволинейных листах 1, причем окна 12 выполнены в промежутке между продольными мембранами 2 смежных ребер конструкции.

Конструкция может быть выполнена по меньшей мере с одним кабельным стволом, размещенным внутри конструкции в полой продольной балке треугольного сечения 3, образованной смежными криволинейными листами и продольной мембраной 2 конструкции, и снабжена люками, выполненными в поперечных мембранах 4 по крайней мере в двух смежных секциях конструкции.

Конструкция может быть снабжена дополнительными поперечными мембранами, установленными в срединных частях секций.

Работа устройства происходит следующим образом.

От объекта, установленного в верхней части конструкции: гондолы ВЭУ с ветроколесом или водонапорного резервуара, мостовой фермы и др. на конструкцию действуют статические и динамические нагрузки, в которых присутствуют стационарные нагрузки от веса объекта, стационарные и нестационарные нагрузки от обтекания объекта ветропотоком, и возникающие при работе объекта.

При вращении ветроколеса на башню действует осевая сила от ветроколеса, а также дополнительная осевая сила и момент, возникающие при прохождении лопасти мимо башни. За счет вероятной ошибки системы управления ось ветроколеса не совпадает с направлением ветра, в результате чего возникает дополнительный крутящий момент.

Число циклов нагружения при режиме может достигать 10⁸.10⁹.

Действующие нагрузки воспринимаются пространственной конструкцией, содержащей систему продольных коробчатых балок в "лучах звезды", связанных между собой несущей оболочкой. Стыки секций позволяют плавно без концентрации напряжений передавать нагрузки между секциями. Применение продольных мембран позволяет выполнять в оболочке аэродинамические окна с сохранением необходимой прочности и жесткости конструкции, а соединение продольных и поперечных мембран в торцевых частях секций, а также в срединных при большой протяженности секций, дополнительно повышает прочность и жесткость.

При возникновении отрыва потока на острых выступающих ребрах многогранника тела башни через окна 12 (фиг. 1, 2) происходит обмен воздуха из внутреннего объема башни, со стороны набегающего потока и со стороны вихревого следа. В результате перетекания уменьшается перепад давлений и достигается выравнивание давления в отрывных зонах, улучшается структура вихревого следа.

Способ изготовления длинномерной конструкции и собственно длинномерная конструкция позволяют на практике реализовать индустриальную технологию строительства, преимущественно ветроэнергетических установок, позволяя создать высоконадежные крупномодульные конструкции.

Например, для ВЭУ мощностью 150 кВт при высоте башни H 30 м, ее выполняют из 3 секций по 10 м каждая, что при диаметре 2,8 м нижнего основания конструкции и верхнего 1,7 м позволяет транспортировать изготовленную на заводе конструкцию секциями практически всеми видами транспорта, включая ж/д и автотранспорт.

Выполнение подгоночных операций по стыковке секций и испытаниям на заводе-изготовителе позволяют свести к минимуму объем работ на монтаже и обеспечивает высокую надежность.

Выполнение шпангоута 5 с переменным по высоте сечением в составе конструкции, создает связь между секциями во множестве точек (например, 80.120 стыковочных болтов диаметр 14.18 мм, установленных с шагом 40.50 мм) по подготовленным "точным" поверхностям больших оснований 6 стыковочных шпангоутов, и обеспечивает плавную передачу нагрузок между секциями.

Шпангоут имеет относительно небольшую ширину b основания 6, которую выбирают в соответствии с отношением
b = b_o+ (1,4...1,8)d + Δ,
где в качестве конструктивного параметра принят диаметр d стыковочного болта 20, [4]
Стыковочные болты 20, расположены в трапециевидных ячейках 11 шпангоута, образованных ребрами 19 и стенкой 10.

Поперечные мембраны 4 используются с одной стороны для обеспечения точной формы конструкции на стапеле при формировании оболочечного контура и последующих операциях стыковки секций, а с другой повышают прочность, создавая высокую жесткость конструкции в околоторцевых зонах секций и увеличивают ресурс конструкции при эксплуатации за счет использования их в качестве пространственных подкрепляющих элементов.

Поперечные мембраны 4 выполняют с люками для прохода персонала в гондолу и соответственно с комингсами люков, например высота последних составляет 80.100 мм, что повышает эффективность подкрепления даже при небольшой толщине мембраны. При большой протяженности секций мембраны 4 устанавливают дополнительно в срединных частях секций.

Силовые продольные балки, образованный смежными криволинейными листами и продольными мембранами, удобны для расположения в них кабельных стволов, содержащих элементы крепления кабеля: кронштейны, трубы и стыковки его с кабелем другой секции. Кабель, включая силовой и кабель управления, надежно защищен от механических воздействий, например, при перемещении грузов внутри башни, от электромагнитных возмущений при грозах, а также не требует дополнительного пространства во внутреннем объеме башни. При замыканиях в кабеле пожар в башне исключен, что обеспечивает безопасность и эвакуацию персонала.

Данное техническое решение позволяет практически создавать длинномерные конструкции, длительно работающие при интенсивных сложных нагрузках и имеющие невысокую материалоемкость.

Например, для программы строительства ВЭУ в регионах Дальнего Востока и Крайнего Севера, где имеется дефицит строительной техники, производственных мощностей и персонала, применение модульной сборки конструкций из готовых секций снижает затраты на возведение башен в несколько раз.

Область применения заявляемых технических решений не ограничивается ветроэнергоустановками. Аналогичные задачи возникают при строительстве водонапорных башен с баками больших объемов или расположенных в местностях с высокой атмосферной турбулентностью, мостовых и крановых опор, опор контактных сетей и канатных дорог.

Практическое применение данного способа и устройства позволяет достичь положительного эффекта, а именно:
упростить технологию изготовления конструкции с обеспечением индустриализации строительства на объекте за счет высокой заводской точности и готовности конструкции, монтируемой из секций;
повысить жесткость башни на изгиб и кручение с увеличением запасов прочности и повышением ресурса конструкции башни;
расширить диапазон рабочих нагрузок и скоростей ветропотоков ВЭУ;
уменьшить материалоемкость, в том числе удельную на единицу мощности ВЭУ;
обеспечить работу ВЭУ в сейсмоактивных районах;
повысить экономичность ВЭУ и сократить сроки окупаемости за счет снижения стоимости башни и других агрегатов ВЭУ.

Источники информации
1. А.с. СССР N 1800099 от 25.06.90, кл. F 03 D 11/04.

2. А.с. СССР N 76340, кл. E 04 H 12/20.

3. А.с. N 483504, 25.08.72, кл. F 03 H 12/00.

4. Федоренко В.А. Шошин А.И. Справочник по машиностроительному черчению, Машиностроение, 1981, с. 297, 339-341, 303, 306.

Использование: изготовление башен, преимущественно для ветроэнергетических установок /ВЭУ/, а также ретрансляционных башен, башен для маяка, для установки водяных резервуаров, опор контактных и канатных сетей. Способ изготовления длинномерной несущей строительной конструкции включает установку криволинейных листовых элементов выпуклой стороной внутрь с образованием оболочки, имеющей форму правильного многоугольника. Элементы соединяют с образованием по углам многоугольных треугольников, составляющих продольные силовые узлы конструкции. Продольные листовые элементы выполняют в виде мембран, установленных внутри многоугольника с образованием при сварке в углах треугольников с оболочкой продольных балок коробчатого сечения. Устанавливают поперечные мембраны изнутри оболочки и стыковочные шпангоуты - снаружи со смещением их торца от торца секций оболочки в осевом направлении за пределы оболочки на расстояние 2-3 B_o, где B_o - толщина криволинейного листового элемента, соединяют поперечные мембраны и шпангоуты с оболочкой. Каждый шпангоут сваривают по меньшей мере на двух, верхнем и нижнем, уровнях. Поперечные мембраны фиксируют сваркой в промежутке между верхним и нижним уровнями сварки шпангоутов. Длинномерная несущая строительная конструкция включает соединенные между собой в оболочку криволинейные листовые элементы с образованием в ее поперечном сечении правильного многоугольника. Конструкция снабжена продольными и поперечными мембранами и шпангоутами секций оболочки, выполненными переменными по высоте сечения и имеющими форму и размеры внутренней поверхности, соответствующими форме и размерам оболочки, причем каждый шпангоут установлен со смещением его большего основания за торец секции оболочки до стыковки со шпангоутом смежной секции с объединением их во фланцевый узел, при этом ширина "в" большего основания шпангоута во фланцевом узле выбирается из соотношения: b = b_o+ (1,4...1,8)d + Δ , где b_o - толщина криволинейного листового элемента, d - диаметр стыковочного болта, Δ - технологический зазор между головкой стыковочного болта и вертикальной стенкой шпангоута. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления длинномерной несущей строительной конструкции, включающий установку криволинейных листовых элементов выпуклой стороной внутрь с образованием оболочки, имеющей в поперечном сечении форму правильного многоугольника, соединение смежных криволинейных элементов продольными листовыми элементами с образованием по углам многоугольника треугольников, составляющих продольные силовые узлы конструкции, отличающийся тем, что продольные листовые элементы выполняют в виде мембран, установленных внутри многоугольника с образованием при сварке в углах треугольников с оболочкой продольных балок коробчатого сечения, устанавливают поперечные мембраны изнутри оболочки и стыковочные шпангоуты снаружи со смещением их торца от торца секций оболочки в осевом направлении за пределы оболочки на расстояние 2 3b₀, где b₀ толщина криволинейного листового элемента, соединяют поперечные мембраны с оболочкой, при этом каждый шпангоут сваривают по меньшей мере на двух, верхнем и нижнем, уровнях, а поперечные мембраны фиксируют сваркой в промежутке между верхним и нижним уровнями сварки шпангоутов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем верхний уровень сварки шпангоута с оболочкой проходит по верхнему торцу шпангоута снаружи оболочки, а нижний уровень проходит по нижнему торцу оболочки изнутри шпангоута. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончание изготовления конструкции производят стыковкой ее секций с созданием предварительно и тарировано напряженных стыков шпангоутов в осевом направлении. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поперечную мембрану фиксируют к оболочке прерывистой сваркой. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поперечные мембраны установлены на расстоянии от торца оболочки, равном 0,3 0,8 высоты шпангоута. 6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что продольные мембраны дополнительно сваривают с поперечными мембранами. 7. Длинномерная несущая строительная конструкция, включающая соединенные между собой в оболочку криволинейные листовые элементы с образованием в ее поперечном сечении правильного многоугольника, отличающаяся тем, что она снабжена продольными и поперечными мембранами и шпангоутами секций оболочки, выполненными переменными по высоте сечения и имеющими форму и размеры внутренней поверхности, соответствующими форме и размерам оболочки, причем каждый шпангоут установлен со смещением его большего основания за торец секции оболочки до стыковки со шпангоутом смежной секции с объединением их во фланцевый узел, при этом ширина b большего основания шпангоута во фланцевом узле выбирается из соотношения
b = b_o+ (1,4 - 1,8)d + Δ,
где b₀ толщина криволинейного листового элемента;
d диаметр стыковочного болта;
Δ - технологический зазор между головкой стыковочного болта и вертикальной стенкой шпангоута. 8. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что шпангоут выполнен из ряда дугообразных частей. 9. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что шпангоут переменного сечения в продольном сечении конструкции выполнен ступенчатым по высоте, состоящим из основания и подребренной со стороны основания стенки, толщина которой не менее толщины оболочки. 10. Конструкция по пп. 7 9, отличающаяся тем, что шпангоут выполнен в плане с трапециевидными ячейками, открытыми с наружной стороны конструкции. 11. Конструкция по пп.7 и 8, отличающаяся тем, что в каждой дугообразной части шпангоута установлен по крайней мере один штифт, а в ответной части шпангоута смежной секции выполнено под него соответственное отверстие. 12. Конструкция по пп.7 и 8, отличающаяся тем, что по крайней мере одно из стыковочных отверстий шпангоута верхнего торца в нижележащих секциях конструкции выполнено резьбовым. 13. Конструкция по пп.7 и 8, отличающаяся тем, что отверстия в шпангоутах нижних торцов в секциях конструкции выполнены резьбовыми. 14. Конструкция по п.6, отличающаяся тем, что она выполнена с окнами на криволинейных листах. 15. Конструкция по пп. 7 и 14, отличающаяся тем, что окна выполнены в криволинейных листах в промежутке между продольными мембранами смежных ребер конструкции. 16. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что она выполнена по меньшей мере с одним кабельным стволом, размещенным внутри конструкции в полой продольной балке треугольного сечения, образованной смежными криволинейными листами и продольной мембраной конструкции. 17. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что она снабжена люками, выполненными в поперечных мембранах по крайней мере в двух смежных секциях конструкции.