РАСЧЕТ НАГРУЗОК НА ВЫШКУ

На вышку действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки. Сочетание нагрузок, действующих на вышку, бывает различным: вертикальные, горизонтальные, вертикальные и горизонтальные. Все нагрузки подразделяют на постоянные и временные. Пос­тоянные нагрузки на вышку состоят из ее массы и массы обо­рудования, смонтированного на ней. Временные нагрузки под­разделяются на длительные (эксплуатационные) и краткосрочные. Временные длительные нагрузки состоят из эксплуатацион­ной нагрузки на крюке, вертикальной и горизонтальной состав­ляющих усилий в подвижной и неподвижной ветвях талевого каната и горизонтальной составляющей нагрузки от массы свечей, установленных наклонно в магазин или за палец. Крат­косрочная нагрузка состоит из горизонтальных ветровых усилий, действующих на элементы вышки и свечи.

Для расчета максимальных вертикальных и горизонтальных нагрузок на вышку принимают два режима ее работы:

для вертикальных нагрузок — рабочее состояние вышки при спуске наиболее тяжелой обсадной колонны, когда полный комплект свечей бурильных труб установлен за палец и нагрузку от их массы воспринимает подвышечное основание, а на выш­ку действует нагрузка от массы на крюке обсадной колонны;

для горизонтальных нагрузок — нерабочее состояние вышки при установленном за палец полном комплекте бурильных све­чей, когда нагрузка на крюке равна нулю, а на вышку и на бурильные свечи действуют горизонтальные ветровые нагрузки и горизонтальная составляющая от массы установленных све­чей.

Рис. 40. Схема действия нагрузок на вышку:

1 — талевый блок; 2 — вышка; 3 — свечи; 4 — палец; 5 — кронблок

Схема действия нагрузок на вышку приведена на рис.40.

Для расчета вертикальных нагрузок максимальную массу обсадной колонны принимают равной максимальной нагрузке на крюке вышки с учетом массы смонтированного на ней обору­дования (талевой системы, средств механизации и приспособле­ний) при соответствующей для буровой установки условной глубине бурения скважин. Если буровой установкой будет буриться скважина меньшей глубины, чем допускаемая глубина для данной установки, то максимальная масса обсадной колон­ны и бурильных труб определяется в соответствии с глубиной скважины (конкретный случай).

Вертикальная нагрузка на вышку

Qв=Qкр+Qп+Qн+Gо

где Окр — допускаемая нагрузка на крюке вышки; Qп— верти­кальная составляющая от усилия в подвижной ветви талевой системы; Qн — вертикальная составляющая от усилия в непод­вижной ветви талевой системы; Gо — масса смонтированного на вышке оборудования.

где р — величина, обратная к. п. д. одного канатного блока (шкива) талевой системы, равная 1,04; п — число канатных шкивов талевого блока; а, у — углы наклона к вертикали соот­ветственно подвижной и неподвижной ветвей талевой системы, которые находятся в пределах 5—6°.

При таком значении углов в расчете можно принимать

Упрощенную схему нагрузок от вертикальных составляющих усилий подвижной и неподвижной ветвей талевой системы можно определить по формуле

Масса смонтированного на вышке оборудования определя­ется по справочным данным. Вертикальные составляющие, дей­ствующие на вышку от горизонтальных нагрузок — от массы установленных за палец свечей и от ветровой нагрузки на свечи и вышку, в расчетах не учитываются из-за незначительной их величины.

Вертикальную нагрузку на вышку учитывают в расчетах на­грузок за фундамент вышки.

Горизонтальная составляющая нагрузка на вышку Gc в.г от массы полного комплекта свечей бурильных труб (максималь­ной), установленных за палец,

где Ссв — нагрузка от массы комплекта свечей; ос— угол накло­на свечей к горизонтали, который обычно находится в пределах 86—88°.

При таком значении угла горизонтальную составляющую можно принимать:

Ветровая нагрузка, действующая на вышку в горизонталь­ном направлении, возникает в результате взаимодействия пото­ка воздуха с элементами вышки наветренной и заветренной граней.

Для башенных вышек ветровую нагрузку на наветренную грань Рн определяют по формуле

где q— нормативный скоростной напор ветра или удельное давление ветра на единицу вертикальной проекции площади, перпендикулярной к направлению ветра; F — проекция площади граней вышки на вертикальную плоскость (площади решеток вместе с пустотами); К — коэффициент парусности или запол­нения решеток, равный отношению поверхности элементов гра­ней к ее общей площади; для закрытой (обшитой) части вышки К=1, а для открытой (стержневых ферм) K=0,15—0,2; С — аэродинамический коэффициент (коэффициент обтекания), за­висящий от формы обтекания тела; для вышек из труб принима­ется равным 1, а для уголковых вышек (плоских поверхно­стей)— 1,4; γ — коэффициент динамичности, учитывающий ко­лебания гибких элементов вышки от пульсации воздушного потока и зависящий от периода собственных колебаний соору­жений; при периоде собственных колебаний сооружения, равном или меньшем 0,5 с, коэффициент не учитывается, а при боль­шем значении принимается равным 2.

Нормативный скоростной напор ветра зависит от территори­ального района и высоты сооружения. Согласно строительным нормам и правилам скоростной напор ветра на высоте до 10 м от поверхности земли принимается следующим:

Районы...............I II III IV V VI VII

Нормативный скоростной

напор, Н/м2......270 350 450 550 700 850 1000

С увеличением высоты скоростной напор возрастает и при высоте свыше 10 м корректируется следующими поправочными коэффициентами: при высоте от 10 до 20 м K= 1,35; до 40 м — K= 1,8; до 100 м K=2,2.

Давление ветра на заветренную грань башенных вышек ос­лабляется за счет наветренной грани. Поэтому ветровую нагруз­ку на заветренную грань Р3 принимают равной 0,8 нагрузки на наветренную грань.

Общая ветровая нагрузка на вышку Рв от нагрузок на на­ветренную и заветренную грани

Для мачтовых вышек ветровые нагрузки рассчитываются в двух направлениях: перпендикулярно и параллельно к плоско­сти мачт. При действии ветра перпендикулярно к плоскости мачт ветровые нагрузки определяет на каждую мачту вышки,

а при действии ветра в плоскости мачт нагрузка на заветренную мачту принимается равной 0,6 нагрузки на наветренную мачту.

Ветровые нагрузки для мачтовых вышек рассчитываются по той же формуле, что и для башенных вышек. Коэффициент па­русности К. для трехгранного сечения мачты вышки с учетом влияния решеток подветренных граней принимается: при дей­ствии ветра параллельно плоскости мачт K=0,5, а перпенди­кулярно— К=0,4.

Горизонтальная ветровая нагрузка на свечи Рcв определяет­ся по формуле

Pсв=qfc`

где q — скоростной напор на свечи; f — проекция площади све­чей на вертикальную плоскость; с' — коэффициент обтекания плоских поверхностей (справочная величина).

Ветровая нагрузка Рсв действует на палец вышки, который является верхней опорой свечей. Горизонтальная нагрузка на палец РСв.г от ветровой нагрузки на свечи определяется из урав­нения моментов сил от ветровой нагрузки и реакции на верхней опоре относительно нижней опоры свечей:

где hп — высота установки пальца; hсв — высота приложения равнодействующей ветровой нагрузки на свечи.

При расчете ветровых нагрузок на вышку учитывается дав­ление ветра на лестницы и площадки Рпл.

Вышки и свечи для определения ветровых нагрузок по вы­соте разбиваются на зоны. Для каждой зоны учитывается по­правочный коэффициент скоростного напора в зависимости от высоты. Обычно 41-метровые вышки разбиваются на три зоны, а 53-метровые вышки — на четыре зоны. Высота (ордината) приложения А0.н равнодействующей для всех зон ветровой на­грузки на наветренную грань вышки определяется по формуле

Ho.н=P1h1+P2h2+P3h3+P4h4/P1+P2+P3+P4

где Р1—Р4 — ветровые нагрузки в соответствующих зонах; h1— h4 — ординаты приложения равнодействующих ветровых нагру­зок в соответствующих зонах.

По такой же формуле определяется ордината Л0.3 приложе­ния равнодействующей для всех зон ветровой нагрузки на завет­ренную грань вышки Р3, состоящей из нагрузок Р1—Р4. Орди­ната приложения общей равнодействующей ho.н.з ветровой наг­рузки на наветренную и заветренную грани вышки

ho.н.з=Pн ho.н+Pзhо.з/Pн+Pз

Рис. 41. Конструкция якорей для оттяжек вышки

а — винтовой; б — из трубы с шипами; а — с петлей из троса

Таким образом, общая горизонтальная нагрузка на вышку Ро.г

Ро.г=Gсв.г+Pсв.г+Pв+Pпл

Горизонтальная нагрузка на вышку учитывается в расчетах от­тяжек, обеспечивающих ее устойчивость.