Современные арочно-вантовые комбинированные конструкции

Арочно-вантовые комбинированные системы относятся к прогрессивным и наиболее динамично разливающимся в последнее время как в нашей стране, так и за рубежом конструктивным формам. Их применение открывает широкие возможности для создания покрытий, отличающихся легкостью, высокими технико-экономическими показателями, архитектурной выразительностью.

 

Комбинированные системы включают структурно объединенные растянутые элементы (ванты) и элементы, работающие на сжатие и изгиб. В комбинированных арочных системах удается существенно сократить расчетную длину сжато-изогнутой арки благодаря введению небольшого количества дополнительных элементов, улучшить ее работу на неравномерные нагрузки, рационально использовать растянутые предварительно напряженные элементы из высокопрочного металла, значительно уменьшить стрелу подъема конструкции.

Существует множество видов комбинированных систем [1]. Некоторые из них представлены на рис, 1. Даже простейшие схемы отличаются большой свободой выбора исходных параметров: конструктивной схемой; применяемыми материалами; очертанием плана, а также сжатых и растянутых поясов; пролетами; методами изготовления и монтажа; стрелой подъема арки и провиса затяжки; соотношением высоты и пролета конструкции; расположением и количеством дополнительных стержневых элементов (стоек, подвесок и т. д.). Элементарные схемы разнообразными способами объединяются в сложные пространственные структуры [2].

Достижения в области строительной механики и вычислительной техники, разработки и исследований новых конструктивных форм, строительных материалов, технологии изготовления и монтажа создали предпосылки для широкого внедрения современных комбинированных систем. Однако объем их применения в нашей стране невелик, что объясняется такими факторами, как отсутствие детальных теоретических и экспериментальных исследований их действительной работы, рекомендаций по конструированию и расчету, обеспечивающих высокую надежность и экономичность конструкций. В связи с этим проведены комплексные исследования одного из вариантов конструктивной схемы (см. рис. 1, е) комбинированного арочно-вантового покрытия, включающие рассмотрение следующих вопросов:
совершенствование конструктивного решения с учетом оптимального использования прочностных свойств материала, индустриальности изготовления и технологичности монтажа;
теоретические исследования работы конструкции и установление основных зависимостей ее напряженно-деформированного состояния при варьировании геометрических, жесткостных и нагрузочных параметров с учетом различных особенностей системы, в том числе последовательности монтажа, предварительного напряжения и т. п.;
экспериментальные испытания крупномасштабных моделей для выявления действительной работы системы, проверка исходных предпосылок и выводов теоретических исследований;
исследование устойчивости элементов комбинированной арочной системы;
разработка рекомендаций по численным методам расчета на основании экспериментально-теоретических исследований.

Ниже приведены результаты теоретических исследований.

Для комбинированных арочно-вантовых систем характерны большие пролеты, наличие гибких элементов, монтаж с предварительным напряжением конструкции. Эти особенности необходимо учитывать в расчетах, максимально приближая расчетную схему к действительной работе конструкции. В рамках данной задачи исследовали следующие факторы: степень геометрической нелинейности; численное моделирование этапов монтажа; предварительное напряжение конструкций; варианты конструктивных решений узловых сопряжений.

Благодаря использованию высокопрочных сталей конструкция обычно имеет минимальные расстояние между поясами и габариты сечений. Это определяет необходимость расчета системы с учетом геометрической нелинейности.

Для обоснования данного положения был выполнен анализ результатов численных исследований конструкции в линейной и нелинейной постановке. Выявлено, что минимальное влияние (1 %) рассматриваемый фактор оказывает на величину усилия сжатия в верхнем поясе системы при увеличении расчетных изгибающих моментов на 16 %. В нижнем поясе расчетные усилия растяжения также незначительно (на 1 %) возрастают, но при этом кардинально изменяются (уменьшаются более чем в 20 раз) расчетные изгибающие моменты. Только расчет по деформированной схеме позволяет учесть влияние растягивающих усилий в гибком нижнем поясе на уменьшение в нем изгибающих моментов от его собственной массы. При расчете в геометрически нелинейной постановке уточняют расчетные величины усилий сжатия в V-образных стойках (возрастают до 12 %).

 

Перемещения характерных точек конструкции при расчете с учетом геометрической нелинейности по сравнению с линейным расчетом изменяются следующим образом: прогибы середины верхнего пояса возрастают на величину до 5 %, прогибы элементов нижнего пояса уменьшаются более чем в 4 раза, а сокращение горизонтальных перемещений подвижного опорного узла достигает 9 %.

Расчеты несущих конструкций в виде комбинированных арочно-вантовых систем необходимо выполнять в геометрически нелинейной постановке.

Монтаж рассматриваемых конструкций покрытия имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать в расчетах. Для обоснования этого положения были выполнены численные исследования конструкции в нелинейной постановке без учета и с учетом последовательности монтажа. Моделировали пять этапов: 1 - укрупнительная сборка в кондукторах; 2 - раздвижка поясов с помощью домкратов; 3 - объединение элементов V-образных стоек и снятие домкратов; 4 - подъем арочной фермы на проектную отметку, монтаж прогонов и кровли; 5 - нагружение конструкции покрытия снеговой нагрузкой. Для численного моделирования использовали вычислительный комплекс, позволяющий выполнять расчеты в геометрически нелинейной постановке с поэтапным изменением расчетной схемы.

Исследования показали, что минимальное влияние (1 %) рассматриваемый фактор оказывает на расчетные усилия сжатия в верхнем поясе системы, где уменьшение изгибающих моментов достигает 30 %. В нижнем поясе расчетные усилия растяжения и изгибающие моменты возрастают незначительно (до 3 %), а расчетные усилия сжатия в V-образных стойках уменьшаются до 25 %.

Расчеты комбинированных арочно-вантовых систем необходимо выполнять с учетом последовательности монтажа. Это позволяет: скорректировать расчетные усилия в элементах в сторону уменьшения; определить места расположения сечений с максимальными напряжениями; выявить действительную геометрию несущих конструкций после монтажа.

Для включения в работу нижнего растянутого пояса необходимо выполнить предварительное напряжение системы (исключение начальных неправильностей и погибей, выборка люфтов и т. п.), что можно осуществить увеличением длины стоек.

 

Численные исследования показали, что для раздвижки поясов на значительные расстояния требуются относительно небольшие усилия. Увеличение высоты ферм в процессе их предварительного напряжения происходит в основном из-за кинематических перемещений системы, так как узлы сопряжения нижнего пояса и распорок с верхним поясом проектируют шарнирными, а один из опорных узлов - шарнирно-подвижным. Этим же объясняются практически нулевые (менее 1 %) продольные усилия в поясах от преднапряжения по отношению к усилиям от эксплуатационных нагрузок. Изгибающие моменты в верхнем поясе от предварительного напряжения и внешних нагрузок по длине арки могут иметь разный или одинаковый знак. В сечениях с максимальными напряжениями изгибающие моменты суммируются, при этом вклад преднапряжения составляет 1.5 %.

В ряде случаев по архитектурным требованиям растянутый нижний пояс проектируют не развязанным из плоскости. Для увеличения его изгибно-крутильной жесткости производят усиление стоек, объединяющих верхний и нижний пояса, и это вызывает необходимость исключить ряд шарнирных узлов сопряжения элементов комбинированной арочной системы. Выполнение узловых соединений жесткими значительно упрощает их конструкцию. Для обоснования возможности реализации таких конструктивных решений были выполнены численные исследования с учетом последовательности этапов монтажа. Это позволило смоделировать ситуацию, когда шарниры заглушаются после завершения монтажа покрытия и дополнительные усилия в несущих элементах возникают только от кратковременных нагрузок (снег, ветер, температурные воздействия).

Результаты исследований показали, что заглушение шарниров после завершения монтажа покрытия незначительно влияет на работу верхнего пояса: максимальные напряжения практически не изменяются (в сечении над опорой они возрастают до 4 %). В растянутом нижнем поясе максимальные напряжения увеличиваются на 20 % в случае заглушения шарнира сопряжения нижнего пояса и V-образных стоек и на 30 % - при заглушении всех шарниров комбинированной арочной системы. В V-образных стойках дополнительные изгибающие моменты увеличивают максимальные напряжения на 20 %.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности заглушения шарниров, в первую очередь в узлах сопряжения нижнего пояса с V-образными стойками, после завершения монтажа покрытия.

С учетом результатов численных исследований особенностей работы комбинированной арочно-вантовой системы были проведены поверочные расчеты на наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок на покрытие. Выявлено, что расчетное сочетание при неравномерно распределенной снеговой нагрузке является определяющим при проверке прочности и устойчивости всех элементов комбинированной арочной системы. Доля напряжений от снеговой нагрузки в их максимальных суммарных расчетных величинах составляет 50 % для верхнего и нижнего поясов и 60 % - для V-образных стоек. При этом в верхнем поясе преобладают напряжения от изгибающего момента (70 %), а в нижнем - от растягивающего продольного усилия (95 %). Температурные воздействия практически не влияют на изменение усилий и соответственно напряжений в элементах системы, а отражаются на ее перемещениях. Максимальные относительные прогибы не превышали 1/400 пролета.

Ниже приведены наиболее интересные примеры применения комбинированных конструкций.

Большепролетное светопрозрачное покрытие Гостиного двора в Москве [3, 4]. Проект создавали с учетом требований к архитектурным, конструктивным и технологическим решениям, применяемым при работе на памятнике архитектуры. Необходимо было обязательное выполнение следующих требований: ограничение высоты несущих конструкции покрытия для сохранения сложившегося исторического облика Гостиного двора; минимальный собственный вес для уменьшения нагрузок на нижележащие конструкции; безраспорность покрытия (передача на опоры только вертикальных усилий); повышенная жесткость несущих конструкций, на которые укладывались стеклопакеты; максимальная унификация несущих конструкций, использование однотипных элементов, вписанных в цилиндрическую поверхность постоянной кривизны.

Здание имеет в плане форму неправильной вытянутой трапеции, застроенной по периметру. Повторяющий форму плана здания внутренний двор размерами сторон 56, 187, 84 и 163 м и площадью почти 1,5 га перекрыт светопрозрачной стеклянной крышей (рис. 2). Основные несущие элементы расположены по большей части покрытия параллельно Один другому, с шагом 12,15 м, образуя цилиндрическую поверхность. По архитектурным требованиям превышение конька светопрозрачного покрытия внутреннего двора над кровлей здания принято минимальным. В связи с этим арки запроектированы весьма пологими, с отношением стрелы подъема верхнего пояса к пролету f1 / l = 1/20 - 1/28 и отношением полной высоты конструкции к пролету f / l= 1/14.

В качестве основного несущего элемента покрытия использована комбинированная система, состоящая из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса, провисающего растянутого нижнего и объединяющих их двух V-образных стоек. Ломаный верхний пояс собран из однотипных прямолинейных элементов длиной 10 м, вписанных в цилиндрическую поверхность постоянной кривизны. Сечение пояса - сварной двутавр высотой 700 мм(пояса из листов 40x500 мм, стенка - 28x620 мм). Соединение элементов - фланцевое, на 18 высокопрочных болтах М24.

Нижний пояс (затяжка) выполнен из двух полос сечением 40x275 мм, расположенных вертикально и объединенных одна с другой прокладками. Узлы, объединяющие нижний и верхний пояса (концы фермы), и узлы в местах перелома нижнего пояса и сопряжения с V-образными стойками запроектированы в виде цилиндрических шарниров. Две V-образные стойки - трубчатые (труба диаметром 219 и толщиной стенки 16 мм) со средними вставками также трубчатого сечения (труба диаметром 180 и толщиной стенки 20 мм). После укрупнительной сборки ферму подвергли предварительному напряжению, раздвинув пояса домкратами, установленными в местах расположения V-образных стоек. Проектную геометрию фермы зафиксировали обваркой вставок стоек.

Несущие комбинированные арки опираются на распределительную железобетонную коробчатую балку через шарнирно-неподвижный и шарнирно-подвижный узлы. По их верхним поясам через каждые 5 м уложены продольные прогоны из сварных балок двутаврового сечения. Крутильная жесткость верхнего пояса арок увеличена за счет его связи с прогонами дополнительными подкосами. Для обеспечения общей устойчивости покрытия в средней его части предусмотрен связевый блок.

Рабочий проект покрытия выпущен ЗАО "Курортпроект", _варианты конструктивных решений на стадии "проект", научно-техническое сопровождение рабочего проектирования, изготовления и монтажа, испытание крупномасштабной модели покрытия на различные комбинации нагрузок выполнены ЦНЙИСК им. В.А. Кучеренко.

Крытый конькобежный центр в Челябинске. Здание размерами 198x84 м - прямоугольное в плане. Поперечная рама (рис. 3) пролетом 83,4 м включает защемленные в основании стальные решетчатые колонны и шарнирно опирающийся на них ригель. Строительная высота здания - около 10 м, шаг рам - 12 м. Пространственную жесткость каркаса обеспечивают конструкция поперечных рам, система прогонов, вертикальных и горизонтальных связей по колоннам, стойкам торцевого фахверка и покрытию. Кровлю из профилированного настила крепят к поперечным прогонам, установленным с шагом 4 м на продольные прогоны, которые опираются на верхний пояс ригеля рамы с шагом 4,2 м,

По конструкции покрытие аналогично описанному в предыдущем примере. Ригель рамы запроектирован в виде предварительно напряженной комбинированной арки, верхний и нижний пояса которой объединены двумя парами V-образных стоек. Верхний пояс - ломаного очертания. Его собирали из сварного двутавра высотой 1286 мм (пояса - из листов18x500 мм, стенка - из листов10x1250 мм) с консольными свесами по 4,3 м. Нижний пояс выполнен из двух вертикальных полос размером 30x300 мм, а стойки -из труб диаметром 219 и толщиной стенки 11 мм. Узлы перелома нижнего пояса за проектированы шарнирными. Общая высота сквозного ригеля по осям поясов - 8 м. Рабочий проект покрытия выпушен ЗАО "ЧелябПСК".

Крытый футбольно - легкоатлетический манеж в Казани. Форма покрытия в плане - овал, включающий центральный прямоугольный участок и два полукружья по торцам. Основные размеры покрытия в плане (в осях) 90,7x178 м. По периметру оно опирается на колонны.

Несущие стальные конструкции большепролетного покрытия состоят из однотипных элементов, расположенных параллельно с шагом 9,7 м в центральной части покрытия и радиально - на закругленных торнах сооружения (шаг около 12,95 м по периметру).

Основные несущие элементы представляют собой предварительно напряженную комбинированную конструкцию. Внешние нагрузки воспринимают сжато - изогнутый верхний пояс - арка и растянутый провисающий нижний - затяжка, объединенные распорками. Благодаря подбору стрел подъема и провиса поясов и их жесткостей комбинированная система внешне безраспорна.

Верхний пояс из сварного двутавра высотой 950 мм имеет криволинейное очертание с одинаковым радиусом кривизны. Провисающий нижний пояс выполнен из двух стальных полос 40x350 мм, объединенных шарнирами. Сжатые V-образные стойки-распорки, объединяющие пояса, выполнены из сварных двутавров переменного сечения.

В уровне верхнего пояса основных несущих элементов с шагом 5,2 м расположены прогоны для опирания кровли. Ортогональная (радиально-кольцевая) система несущих элементов покрытия по всей верхней поверхности объединена связями из трубчатых элементов и образует жесткий диск покрытия. В плоскости нижних поясов, в местах опирания стоек-распорок установлены кольцевые тяжи.

В средней части покрытия расположено центральное ядро длиной 96, шириной 8,7 и высотой 10 м в виде пространственной стержневой конструкции, состоящей из поясов, стоек двутаврового сечения и связей, обеспечивающих пространственную жесткость системы. Центральное ядро используют для замыкания однотипных несущих элементов средней и торцевых частей покрытия, а также для его монтажа. По периметру расположен кольцевой консольный карниз, имеющий обратный уклон, что препятствует сползанию снега с покрытия. В образуемой ендове расположен лоток для приема дождевых и талых вод. Вылет консольного карниза - 5 м.

Покрытие по периметру опирается на стойки с шагом, равным шагу несущих элементов покрытия. Общую устойчивость сооружения обеспечивают четыре связевых блока, установленных между опорными стойками, два ряда кольцевых распорок и жесткий диск покрытия. Они же обеспечивают восприятие горизонтальных ветровых нагрузок.

Оставить комментарий

Авторизируйтесь на сайте чтобы ответить.

Комментировать