Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений. Часть 4. Высотные сооружения с применением стальных конструкций

 
 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования  

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»  

 

 

 

 

     олесов , О.Б.  ванова, Е.В.  ванова 

 

 

 

 

 

 

МЕТ ЛЛ ЧЕС  Е  ОНСТРУ Ц    

 ВЫСОТНЫХ   БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ  

ЗД Н Й   СООРУЖЕН Й 

 

Часть 4. Высотные сооружения с применением 

 стальных конструкций 

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета  

в качестве учебного пособия 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород 

ННГ СУ 

 2023  

 

 
 

ББ  38.54 
  60 
УД  624.014  
 

Печатается в авторской редакции 

Рецензенты: 

В.В. Ходыкин – канд. техн. наук, технический директор ООО МС  «Мост  » 

Д.В. Жегалов – ст. науч. сотр., канд. техн. наук Н  М ФГ ОУ ВО «Национальный исследовательский 
Нижегородский государственный ун-т им. Н.  . Лобачевского» 
 

 

 олесов      Металлические конструкции высотных и большепролетных зда-

ний и сооружений. Часть 4. Высотные сооружения с применением стальных конструкций [
Текст]:  учеб. пособие /      олесов , О.Б.  ванова, Е.В.  ванова; Нижегор. гос. 
архитектур.-строит. ун-т. – Н.Новгород: ННГ СУ, 2023. – 121 с. ISBN 978-5-528-
00523-2 
 
 
 

 зложены особенности конструктивных схем, узлов и расчета высотных соору-

жений; их общие характеристики; нагрузки и воздействия. Дано описание различных 

типов башен и мачт, радиорелейных линий антенн. Представлены общие сведения о 

конструктивных схемах вытяжных башен, дымовых труб и опор высоковольтных ли-

ний электропередачи. Приведены конструктивные схемы вышек разного назначения, 

водонапорных башен, градирен, лыжных трамплинов. 

Пособие предназначено для студентов специальности 08.05.01 «Строительство 

уникальных зданий и сооружений» в 10-м семестре 5 курса из расчета 16 аудиторных 

часов лекций. 

 

 

 

 

 

   

ISBN 978-5-528-00523-2
      олесов , О.Б.  ванова, 

Е.В.  ванова, 2023

 ННГ СУ, 2023

СОДЕРЖАНИЕ 

1.
Общие особенности проектирования высотных сооружений…….
5

1.1.
Общие характеристики………………………………………
5

1.2.
Нагрузки и воздействия……………………………………..
5

1.3.
 онструктивные схемы башен………………………………
9

1.4.
Основы расчета башенных конструкций………………….
19

1.5.
 онструктивные схемы мачт………………………………..
20

1.6.
Основы расчета мачтовых конструкций…………………..
25

2.
 нтенны……………………..………………………………………
26

2.1. Общая характеристика……………………………………….
26

2.2. Проволочные антенны и их опоры…………………………….
30

2.3. Радиорелейные линии….………………………………………
35

2.4. Телевизионные опоры…………………………………………..
38

2.5.  нтенны космической связи и радиотелескопы…………….
41

3.
Промышленные трубы……………..………….….………………..
46

3.1. Общая характеристика………………………………………...
46

3.2. Технические решения вытяжных башен………………………
46

3.3. Варианты опирания газоотводящего ствола на несущую баш-

ню………………………………………………………………..
55

3.4. Основы расчета несущей башни и газоотводящего ствола…..
60

3.5. Дымовые трубы……………………………………………….
60

3.5.1.  онструктивные особенности…………………………….
60

3.5.2. Основы расчета дымовых труб………………………...….
63

4.
Стальные опоры высоковольтных линий электропередачи (ВЛЭ).
64

4.1. Общие сведения.………………………………………………...
64

4.2. Общие сведения об изоляторах и арматуре…….……………..
65

4.3.  лассификация и характеристика стальных опор…………….
67

4.4.  онструирование и расчет опор……………………………….
71

4.5. Особенности расчета стальных опор ВЛ……………………...
80

4.6. Тенденции развития конструкций опор……………………….
80

5.
Вышки…………………………………………………………….…..
82

5.1. Общая характеристика осветительных вышек………………..
82

5.2. Буровые вышки………………………………………………….
87

5.3. Вышки для прыжков в воду……………………………………
87

5.4. Другие типы вышек……………………………………………..
91

6.
Водонапорные башни……………………………………………….
94

6.1. Общая характеристика водонапорных башен………………...
94

6.2.  онструкции элементов водонапорной башни……………….
96

6.3. Основы расчетов………………………………………………...
97

7.
Градирни……………………………………………………………….
99

7.1. Общая характеристика…………………………………………...
99

7.2.  онструкции башенных градирен………………………………
104

7.3. Материалы для градирен………………………………………..
106

7.4.  нтикоррозионная защита стальных конструкций…………….
108

7.5. Основы расчета башенных градирен……………………………
108

8.
Лыжные трамплины…………………………………………………..
111

8.1. Общая характеристика…………………………………………...
111

8.2.  омпоновочные и конструктивные решения…………………..
114

Список литературы………………….……………………………..
119

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ 

1.1. Общие характеристики 

Высотными называют сооружения, высота которых намного пре-

вышает их размеры в плане. 

По характеру статической работы они могут быть разделены на 

башни, работающие как консоли, заделанные в основание, и на мачты, 

ствол которых поддерживается оттяжками и работает как балка на упруго-

податливых опорах. 

Высотные сооружения могут быть отдельно стоящими: телевизи-

онные опоры, вышки, водонапорные башни, промышленные трубы, гра-

дирни; или входить в систему совместно работающих опор, связанных 

меду собой пролетными строениями: опоры воздушных линий электропе-

редач, опоры канатных дорог, опоры проволочных антенн, опоры трам-

плинов. 

По конструктивному решению высотные сооружения могут быть 

решетчатыми (сквозными) или тонкостенными (сплошными). 

Сквозные сооружения выполняют из обтекаемого круглого профиля 

(реже применяют уголки и швеллеры). 

Тонкостенные сооружения проектируют в виде круговой цилиндри-

ческой или конусообразной оболочки, подкрепленной изнутри каркасом с 

диафрагмами. 

 

1.2. Нагрузки и воздействия 

а) Собственный вес конструкций 

Определяют по данным существующих проектов. Обычно собствен-

ный вес влияет на НДС сооружения в пределах до 20%. 

Средний вес 1 пог.м конструкции ( g ) сооружения на высоте 
i
H  (при 

общей высоте H ) допускается определять по формулам:  

 для башен 

2

0 5
1
3 1
i

i

H
g
, g
H


















; 

 для мачт 
0 4
4
3
i

i

H
g
, g
H




 



. 

Здесь: 
ig  в кг/м  значение собственного веса на высоте «
i
H »; 

          g  в кг/м  средний вес  1 пог.м конструкции. 

б) Ветровая нагрузка 

Направление ветра по отношению к высотному сооружению в плане 

может меняться. Поэтому для конкретной геометрической схемы высотно-

го сооружения этот вопрос следует решать индивидуально. Например, для 

четырехгранной башни: 

 при направлении ветра на грань (рис. 1.1) в работе будут участво-

вать только две параллельные ветру грани; 

 

Рис. 1.1. Распределение ветровой нагрузки 

 

 при направлении ветра на диагональ будут работать все грани, но с 

меньшими нагрузками. При этом усилия в поясах будут суммироваться, 

так как пояса принадлежат одновременно двум смежным граням. 

Таким образом, опасное (расчетное) направление ветра будет для 

поясов на диагональ (q) , а для решетки  на грань (0,7q ). 

Для удобства выполнения расчетов высотное сооружение разбивают 

на несколько участков в зависимости от высоты (для башен  7…15 участ-

ков, для мачт  по числу ярусов оттяжек), принимая в пределах каждого 

участка нагрузку постоянной интенсивности (q ). 

Высотные сооружения рассчитывают с учетом динамической со-

ставляющей ветровой нагрузки, которая зависит от периода собственных 

колебаний: 

 для собственных колебаний башен (по первой форме):  

2

1

2

r

j
j
r

j

T
M y / y






, 

где  
jy ординаты упругой линии консольного стержня от действия еди-

ничной поперечной силы, приложенной на свободном конце. 

 для мачты приближенно период собственных колебаний на основе 

метода приведения масс: 

2
T
M K
 
; 

2
2

2
2

0
3

l

j

r
r

x dx
ml l
M
q

x
x




; 

2

2
i

i

r

x
K

x


, 

где  M  приведенная к верхней опоре масса ствола (в кг);  

 K  приведенная к верхней опоре жесткость (кН/м); 

m  линейная масса ствола; 

l  высота мачты; 

i
  жесткость i -ой опоры (узел оттяжки); 

i
r
x ,x  расстояние до i -ой опоры и верхней опоры. 

Пример:  Мачта высотой 120,6 м с двумя ярусами оттяжек с линейной 

плотностью 211 кг/м (масса всей мачты = ml =25,45 т). Расстояние между 

узлами оттяжек 1
50 4
l
,

м, 2
54 0
l
,

м; длина консоли 3
16 2
l
,

м. Жестко-

сти участков между узлами оттяжек: 1
  475 8,
кН/м;   2
222 7,


кН/м. 




3
2
2
3
25 45 10
120 6
3 104 4
11 32 10
M
,
,
,
,






кг 

2
2
2

2
2
2

50 4
54
475 8
222 7
333 6

104 4
54

i

i

r

x
,
K
,
,
,

x
,









кН/м. 

Период колебаний 
3
3
2
6 28 11 32 10
333 6 10
116
T
M K
,
,
,
,
 




с. 

Точное значение 
1 21
T
 ,
с  по первому тону колебаний. 

Распределение ветрового потока по высоте носит случайный характер. 

Обычно рассматривают случай, когда ветровая нагрузка по всей высоте 

сооружения имеет максимальное значение (рис. 1.2, в). Но для раскосов и 

распорок решетки более опасным может быть зональное действие ветра 

(рис. 1.2, д, е). 

 

Рис. 1.2. Зональное действие ветра: 

 а, б – расчетные схемы для определения усилий в раскосах и  

распорках;  в – схема максимальной ветровой нагрузки;  

г, д – схемы спада ветровой нагрузки для башен;  

е – то же для мачт; ж – график определения спада ветровой нагрузки 

 

в) Снеговые нагрузки учитывают на площадках при их размерах > 

15 м2; если площадки частично защищены оборудованием, то во внимание 

принимается скопление снега вокруг оборудования. При этом коэффици-

енты «  » в зависимости от диаметра оборудования принимаются: 
 1 6,
 

при 1 5
5
,
 D
 м; 
  2
 при 5
10
 D

м; 
  2 5,
 при 10
15
 D

м. При 

этом зона вокруг оборудования определяется радиусом 
 2 5, D
. 

г) Пылевые нагрузки учитывают, если нет мероприятий по их уда-

лению. Величину пылевой нагрузки определяют по технологическому за-

данию, а схему приложения – аналогично снеговой нагрузке. 

д) Гололедные нагрузки определяют по СП20-2017 отдельно на 

ствол и на оттяжки. 

 

1.3. Конструктивные схемы башен 

Башни различают: по числу граней: трех-, четырех- и многогран-

ные; по конфигурации: без переломов граней по высоте сооружения и с 

переломами граней; по схеме решетки: с треугольной, ромбической, кре-

стовой.  

Наибольшее распространение получили четырехгранные башни. 

Многогранные башни уступают четырехгранным по конструктив-

ным и технологическим показателям.  х применяют в уникальных конст-

рукциях большой высоты, исходя из архитектурных соображений. 

Основные конструктивные элементы четырехгранной башни с ром-

бической решеткой приведены на рис. 1.3. 

 налогичную конструкцию решетки имеют грани трех- и много-

гранных башен. 

Неизменяемость контура поперечного сечения башен обеспечивается 

диафрагмами, размещаемыми по высоте башен через (1,5…2,5)в, (где в – 

ширина грани). Такие диафрагмы одновременно используют для обслужи-

вающих площадок с применением лестниц или лифтов. 

 

Рис. 1.3. Конструктивные схемы башни:  

1 – пояса; 2 – раскосы; 3 – дополнительная распорка;  

4 – распорки; 5 – связи; 6 - шпренгель 

 
Основные типы силуэтов башен приведены на рис. 1.4: призматиче-

ские (рис. 1.4, а); пирамидальные (рис. 1.4, б); с переломами граней по вы-

соте (рис. 1.4, в, г). 

Соединительная решетка обеспечивает совместную работу поясов, 

воспринимая сдвиг от поперечной силы.  роме усилий от поперечной си-

лы, решетка получает усилия от обжатия ветвей поясов продольными уси-

лиями. Происходит в распорках и раскосах появление дополнительных на-

пряжений, так называемых вторичных, которые и их величина зависит от 

схемы соединительной решетки. В расчетной схеме элементы решетки с 

поясом крепятся примыкающими шарнирами. Схемы решеток приведены 

на рис. 1.5. 

Рис. 1.4. Силуэты башен  

 

 

 

 

Рис. 1.5. Схемы решеток:  

а – треугольная; б – треугольная с распорками; в – полураскосная; 

 г – крестовая; д – ромбическая; е – крестово-ромбическая;  

ж – к определению вторичных напряжений  

Простая треугольная решетка (рис. 1.5, а) работает только на по-

перечную силу, а от обжатия поясов в ней дополнительные напряжения не 

возникают. 

В 
треугольной 
решетке 
с 
дополнительными 
стойками-

распорками и в ромбической решетке (в распорках) в последних может 

проявиться изгиб от сдерживания раздвижки ветвей (рис. 1.5, б, д). 

 В крестовой решетке (рис. 1.5, г) раздвижку ветвей сдерживают 

распорки, связанные с раскосами. Поэтому эффект появления дополни-

тельных напряжений здесь проявляется наиболее сильно, но изгиб ветвей 

не возникает, дополнительные напряжения разгружают пояса, сжимают 

раскосы и растягивают распорки. 

В крестово-ромбической решетке пояса разгружаются, распорки рас-

тягиваются, раскосы сжимаются. Появляется небольшой изгиб поясов. 

В полураскосной решетке (рис.1.5, в) имеет место незначительный 

изгиб ветвей и распорок. 

Подробная характеристика различных схем решеток приведена в      

[1, стр. 93-95]. 

Диафрагмы обеспечивают поперечную жесткость башни в горизон-

тальной плоскости (рис. 1.6, а, б) и используются как площадки для об-

служивания и размещения оборудования. 

 

Рис. 1.6. Схемы диафрагм