Висячие системы повышенной жесткости

За последнее время в Советском Союзе построено немало общественных зданий с висячими и вантовыми покрытиями различных конструктивных схем; среди них - сетчатые седловидные покрытия, однопоясные цилиндрического очертания, двухпоясные типа "велосипедное колесо" и др. Применение висячих покрытий открывает широкие возможности для создания сооружений разнообразных форм, несущие элементы которых экономичны по затрате металла, индустриальны в изготовлении и монтаже.

Высокие строительные и эксплуатационные качества пространственных вантовых систем и висячих оболочек проявились также при использовании их для производственных зданий без кранового оборудования. К таким сооружениям относятся гараж в Красноярске, шламбассейн в Еманжелинске.

Однако по технологическим соображениям на производствах, размещающихся в большепролетных зданиях, нередко требуется устройство подвесного транспорта - таковы самолетостроительные заводы, ангары-мастерские, универсальные цехи, предназначенные для выпуска крупногабаритной продукции, склады. Обсуждаются возможности возведения большепролетных покрытий также для зданий металлургического цикла с легким подвесным крановым оборудованием, как, например, трубопрокатные цехи, волочильное производство.

Этим требованиям отвечают комбинированные висячие системы, которые состоят из вантовых ферм, передающих усилия на пилоны и анкеры, и из элементов, работающих на изгиб под действием местной нагрузки и таким образом распределяющих нагрузку между узлами.

Примером использования комбинированных висячих конструкций для каркаса промышленного здания может служить покрытие бумажной фабрики в Мантуе (Италия) пролетом 163 м и шириной 30м (арх. П. Нерви). Для обеспечения свободной планировки технологического процесса основные несущие элементы типа висячего моста расположены в продольном направлении. При высоте балки жесткости 1,5м прогибы покрытия от расчетной снеговой нагрузки 100 кгс/м ² составили 1/1400 пролета.

В г. Эверетт (США) вантовые конструкции рассматривались как варианты каркаса самолетосборочного цеха пролетом 91 м, площадью 240 тыс. м² с подвесными кранами грузоподъемностью 27 т. Представляет интерес проект универсального промышленного здания с вантовым покрытием и подвесными кранами до 5 т. Шаг колонн принят здесь 24 и 48 м, балки жесткости железобетонные, разрезные, пролетом 12 м подвешены к вантам диаметром 47-52 мм. Монтаж покрытия должен проводиться на нулевой отметке и подъем осуществляться гидравлическими домкратами с последующим закреплением тросов на несущих колоннах. Крыша предусмотрена плоская. Расход металла 25,6 кг/м², приведенная толщина бетона 14,5 см, стоимость снижена на 20% по сравнению с конструкциями покрытия по фермам.

В 1970 г. во Франкфурте-на-Майне (ФРГ) сдан в эксплуатацию ангар пролетом 270 м для ремонта самолетов. Основная поперечная конструкция ангара состоит из двухпролетных нитей (2х 135 м) со стрелами 1/12 пролета, опирающихся в середине покрытия на продольную разделительную балку пролетом 100 м. Здание оборудовано подвесными кранами грузоподъемностью 7,5 т. Отмечается, что предельный прогиб конструкции от кранового оборудования принят 150 мм на 10 м длины (1/666).

В СССР большой опыт возведения комбинированных висячих конструкций накоплен при строительстве висячих мостов малых и средних пролетов. В последние десятилетия этот опыт обогатился сооружением большого числа воздушных переходов газопроводов, которые в ряде случаев используются для местного автомобильного сообщения. Строят также большепролетные пешеходные мосты, по которым предусматривается движение одиночных легковых автомашин.

Для перечисленных сооружений существенное значение имеет временная сосредоточенная нагрузка, которая, как известно, вызывает большие местные прогибы висячей конструкции. Поэтому при выборе основной схемы сооружения необходимо обращать особое внимание на способы обеспечения его жесткости при любом положении временной нагрузки в пролете.

В предлагаемой работе рассматриваются вопросы компоновки и нелинейного расчета висячих комбинированных конструкций, осуществляемых в виде гибкой нити с балкой жесткости или в виде схем, в которых применены различные меры, направленные на повышение жесткости висячей конструкции, включая использование вантовых ферм. Все эти конструкции, отличающиеся от обычныой схемы "нить-балка", название "висячие системы носят название повышенной жесткости".

ГЛАВА I ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВОЗВЕДЕНИЕ ВИСЯЧИХ И ВАНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОВЫШЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ

1. Деформативность висячих систем и способы обеспечения их жесткости Прогибы комбинированных висячих конструкций при действии на них временных нагрузок определяются дополнительными провесами, главным образом гибкой нити или вантовой фермы. Характер перемещений несущих элементов висячих конструкций можно проследить, рассматривая уравнение перемещений гибкой нити, приведенное в работах [30, 49]. Из этого уравнения следует, что дополнительные провесы висячих систем зависят от двух причин:

а) от упругих удлинений растянутых элементов, достигая наибольших значений в середине пролета при загружении временной нагрузкой всего пролета; при таком загружении приращение распора максимально (рис. 1, а);

б) от кинематических перемещений, которые не зависят от упругих свойств нити и являются следствием изменения формы равновесия. Такие перемещения проявляются в наибольшей степени при действии местной нагрузки, вызывающей s-образные прогибы (рис. 1,6). В комбинированных конструкциях благодаря элементу жесткости кинематические перемещения уменьшаются по сравнению с перемещениями конструкций, состоящих лишь из гибких нитей.

В общем случае загружения системы временной нагрузкой прогибы являются следствием обеих причин - упругих удлинений и кинематических перемещений; однако для каждой конструкции может быть отмечено преобладающее значение либо первой, либо второй причины. Какая из этих двух причин имеет большее значение, можно выяснить сопоставлением прогибов в середине пролета (при загружении всего пролета) с прогибами в его четверти под действием нагрузки, расположенной на половине пролета. В соответствии с результатами такого анализа могут быть приняты меры, направленные на уменьшение упругих удлинений или кинематических перемещений либо на обеспечение общей жесткости конструкции.

Рис. 1 Дополнительные провесы гибкой нити а - упругие удлинения кабеля; 6 - кинематические перемещения

Таким образом, должны быть рассмотрены две группы мероприятий по увеличению жесткости висячих комбинированных систем.

Уменьшение продольных деформаций несущих элементов. Эта группа мероприятий применяется в основном для легких сооружений с малыми пролетами (до 60-100 м), в несущих элементах которых доля напряжений от временной нагрузки составляет большую часть суммарных расчетных напряжений.

1. Использование проката из низколегированных или обыкновенных сталей для сооружений с малыми пролетами. Рациональность этого мероприятия состоит в том, что для несущих элементов применяется более дешевый и менее дефицитный материал, чем тросы. Это обусловлено также и тем, что высокая прочность тросов в ненапрягаемых системах используется не полностью, так как основные элементы сооружений малых пролетов подбирают по второму предельному состоянию. Использование прокатных элементов дает некоторые преимущества с точки зрения конструирования и изготовления элементов. Так, концы проката закрепляются в анкерах проще, чем тросы, для крепления которых требуется устройство гильз с запрессовкой концов или заливкой их легкоплавким сплавом. Строительные коэффициенты стержней, выполняемых из проката, составляют примерно 1,10-1,16, а из тросов - в среднем 1,40 [20]. Однако монтаж висячих конструкций, изготовленных из проката, при больших пролетах сложнее, чем монтаж тросовых конструкций. Для монтажа конструкций из проката может потребоваться возведение громоздких лесов и специальных приспособлений, введение временных шарниров в "жесткие нити", которые по окончании монтажа должны замоноличиваться сваркой или болтами (предложение ЛенЗНИЭП), в чем нет необходимости при монтаже тросовых ферм. Поэтому прокат может быть рационально использован в конструкциях, воспринимающих преимущественно постоянную нагрузку при небольших пролетах (до 100 м) и при достаточном обосновании способов монтажа.

2. Увеличение условного модуля упругости несущих элементов. Как известно, удлинения витого кабеля объясняются не только упругими удлинениями нитей, из которых состоит трос, но они зависят и от перемещения нитей в витом тросе, от "рыхлых" деформаций в результате натяжения тросов. Чтобы уменьшить эти побочные причины удлинения тросового элемента, рекомендуется:

а) использовать пряди (пучки), состоящие из параллельных вы сокопрочных проволок, вместо витых кабелей;

б) производить обтяжку тросов перед монтажом. Обтяжкой снимаются рыхлые деформации, на 20-30% увеличивается условный модуль упругости канатов. По данным некоторых исследователей, полученный модуль канатов может уменьшиться в результате последующих транспортных и монтажных операций с канатом [18, 19]. Однако обтяжка необходима не только для снятия рыхлых деформаций. Она служит также проверкой концевых закреплений тросовых элементов.

3. Применение предварительно напряженных железобетонных обойм для тросовых элементов, использование предварительно напряженных железобетонных элементов в качестве растянутых стержней [20], - эти приемы используются для уменьшения удлинения несущих элементов, но они усложняют изготовление и монтаж сооружения, увеличивают его вес. Существенное повышение жесткости может быть достигнуто, если создается предварительное напряжение (обжатие) железобетонного настила, расположенного непосредственно на несущих элементах тросовых ферм комбинированной конструкции. В этом случае жесткость может быть увеличена в 3-4 раза по сравнению с жесткостью обычной Байтовой схемы [21, 29].

4. Увеличение стрелы провеса несущих нитей до 1/7 - 1/8 пролета. Как известно, с увеличением стрелы провеса уменьшаются распоры от нагрузок, а следовательно, несущий элемент меньше удлиняется. С другой стороны, при увеличении стрелы возрастают прогибы вследствие кинематических перемещений при загружении части пролета. Поэтому при компоновке сооружения должен быть установлен такой наибольший провес несущих элементов, которым гарантируется жесткость данной конструкции как при загружении всего пролета, так и при всех возможных местных воздействиях. Таким образом, с точки зрения увеличения общей жесткости выгодно применять различные висячие системы повышенной жесткости, т. е. усиленные вантами, с треугольной решеткой, двухкабельные и другие менее чувствительные к местным нагрузкам, чем обычная система (нить с балкой и вертикальными подвесками). В них могут быть большие стрелы провеса, чем в простейшей схеме, и поэтому они будут экономичны по затратам материалов на устройство анкеров.

Уменьшение кинематических перемещений комбинированной системы, возникающих при загружении части пролета.

1. Увеличение жесткости элемента, работающего на изгиб (балки жесткости, арки и т. п.).

Увеличение сечения балки - это наименее экономичный способ повышения жесткости комбинированной системы. Он может быть оправдан в тех случаях, когда конструкция должна воспринимать большие сосредоточенные нагрузки. При этом рационально использовать сквозные фермы в качестве элемента, работающего на изгиб, омоноличивать балки с настилом, включать в состав комбинированной системы перекрестные фермы, а также другие пространственные конструкции (ростверки балок, оболочки складчатого типа и т. п.). В многопролетных схемах типа "балка - нить" для уменьшения прогибов от местных нагрузок предпочтительнее применять неразрезные балки, чем разрезные.

2. Уменьшение кинематических перемещений нити как составной части комбинированной системы без изменения ее расчет ной схемы. Гибкая нить, загруженная постоянной нагрузкой, стремится при местных воздействиях временной нагрузки сохранить свое первоначальное равновесие. Стабилизация будет тем на дежнее, чем больше распор от постоянной нагрузки. Поэтому для уменьшения кинематических перемещений возможны следующие способы увеличения распоров от постоянных нагрузок:

а) уменьшение стрелы провеса в пределах, которые экономически оправданы с точки зрения расхода материалов на анкерные устройства и на растянутые несущие элементы;

б) использование железобетонных настилов и балок для пролет ного строения комбинированной системы;

в) введение арочного (обратного) предварительно напряженного пояса или напрягающих вант, воздействие которых на основной не сущий кабель в известной степени может рассматриваться как постоянная нагрузка [35].

Эти мероприятия, как и увеличение жесткости балки, нельзя признать самыми рациональными: они связаны с дополнительным расходом материалов как на висячие, так и на анкерные элементы. Главный же их недостаток тот, что при больших затратах средств они мало снижают кинематические перемещения.

3. Изменение расчетной схемы нити, включение дополнительных элементов - вант.

Принципиально иным радикальным способом уменьшения кинематических перемещений является наложение на гибкий элемент дополнительных связей, препятствующих горизонтальным перемещениям нити вдоль пролета. Рассматривая уравнение равновесия гибкой нити, записанное с учетом вертикальных и горизонтальных перемещений, можно заметить, что эти перемещения связаны между со бой. Поэтому включение в висячую ферму дополнительных связей, ограничивающих горизонтальные перемещения гибкой нити, способствует уменьшению вертикальных кинематических перемещений- пролетного строения при местных статических нагрузках и повышает стабилизацию системы при динамических воздействиях.

Подтверждением последнего вывода может служить анализ разрушения Такомского моста: после того как оборвались наклонные j ванты, усиливающие береговые пролеты, а затем и раскосы, соединяющие кабель с балкой в среднем пролете, резко изменилась форма колебаний моста-она стала с одним узлом в середине вместо восьми узлов, понизилась частота и увеличилась амплитуда колебаний. Связями, ограничивающими свободные перемещения кабеля вдоль пролета, могут быть: узел прикрепления кабеля к балке в середине пролета (рис. 2, а), пучки восходящих вант (рис. 2, б), горизонтальные вантовые элементы (ферма Батикля [53], рис. 2, в), замена вертикальных подвесок наклонными (рис. 2, г, мост через р. Северен, Англия) или треугольной решеткой ( рис. 2, д).

Рис.2 Системы повышенной жесткости, в которых на гибкий элемент накладываются ограничения горизонтальных перемещений

a. - схема с жестким узлом в середине пролета; б - с восходящими вантами; в - система Батикля; г - с наклонными подвесками; д - с треугольной решеткой и напрягающим нижним поясом; е - двухкабельная система С. А. Цаплина без средней подвески; ж - то же, со средней подвеской

В этих схемах принцип наложения связей очевиден - узлы кабеля соединяются прямолинейными элементами с неподвижными опорами или накладываются ограничения на горизонтальные смещения узлов, как, например, в двухкабельных схемах С. А. Цаплина, в которых взаимные горизонтальные перемещения между поясами ограничены в середине пролета (рис. 2, е, ж). В схемах другого типа закрепление кабеля не делается, а вводится дополнительный пояс с жестким элементом, воспринимающим распор и также, как в схемах первого типа, связанным с неподвижной опорой. Это висячие схемы, усиленные нисходящими вантами (рис. 3, а), вантовые схемы (рис. 3, б, в), обычная схема с балкой, имеющей шарнирно неподвижные опоры на обоих концах пролета, и нить, усиленная аркой.

Рис.3 Дополнительный и основные вантовые пояса, связанные с неподвижной опорой

m - n - участок балки, испытывающий осевые усилия При расчете рассмотренных схем определять горизонтальные перемещения не требуется, но эти закрепления влияют на расчетную схему, и если их удалить, то прогибы при односторонних загружениях существенно увеличатся.

Принцип наложения связей на горизонтальные перемещения используется и при увеличении жесткости других висячих конструкций; известно, что жесткое соединение поясов в середине пролета гибкой двухпоясной фермы или введение наклонных раскосов приводит к уменьшению кинематических перемещений этой конструкции [б]. В сетчатых тросовых системах большое значение для жесткости имеет характер горизонтального взаимодействия в узлах между ортогональными нитями, и если между ними не обеспечивается жесткого соединения, то деформативность сетки увеличивается [10, 30].

2. Особенности конструктивных решений большепролетных зданий и мостов с применением комбинированных висячих систем

К особенностям конструктивного решения зданий и сооружений рассматриваемого типа относится необычность основных несущих элементов пролетного строения, выполняемых в виде тросовых ферм. Примеры конструирования таких элементов и узлов рассмотрены в работах [14, 21, 34, 53]. Специфические требования предъявляются также и к другим частям сооружения.

Анкерные устройства. Как известно, в висячих мостах стоимость анкерных опор и пилонов составляет 50-70% стоимости всего сооружения. Такие же соотношения стоимостей частей сооружения могут быть приняты и для комбинированных висячих покрытий промзданий. Поэтому для обоснования применения висячей системы в качестве несущей конструкции покрытия требуется изучить возможность рационального осуществления внешних анкерных устройств, например возможность передавать распор от висячего пролетного строения на жесткий каркас вспомогательных зданий, если они возведены или одновременно возводятся рядом с большепролетным цехом. Следует также рассмотреть варианты безраспорных висячих систем с передачей распора на балку жесткости [33].

В мостовых сооружениях наиболее экономично применять висячие схемы на плотных грунтах или скальных породах.

В зданиях с висячими покрытиями возможны следующие схемы анкерных устройств.

1. Распор от пилона с помощью оттяжек передается непосредственно на анкеры, расположенные в грунте. Так, конструктивно решены, например, анкерные устройства в Красноярском гараже (рис. 4, а), где в качестве оттяжек использованы предварительно на пряженные железобетонные элементы [20]. Гибкие тросовые оттяжки для промышленных зданий менее приемлемы, чем для мостов, во-первых, из-за того, что в первом случае они длиннее, чем во втором, а поэтому упругие смещения верха пилонов и прогибы середины пролета при полном загружении покрытия будут больше, чем при загружении мостов. Во-вторых, тросовые оттяжки нерационально занимают территорию, тогда как на жесткие оттяжки можно навесить плиты ограждения и использовать пространство под оттяжками для какого-либо вспомогательного помещения.

В качестве анкеров могут быть рекомендованы сваи с уширенным основанием (винтовые, камуфлетные, буровые с уширенной пятой), ребристые плиты, заделанные в грунт, железобетонные короба, заполненные балластом, и др.

2. Передача распора на рамы (рис. 4, б), которые должны быть рассчитаны на воздействие оттяжек. Эта конструкция анкерного устройства выгоднее первой: вертикальная составляющая опрокидывающего момента обычно погашается собственным весом конструкций, и поэтому специальные анкеры устраивать не надо. Здесь желательно предусмотреть, чтобы число рам соответствовало числу оттяжек.

3. Стойки с подкосами также могут воспринимать распоры, если устройство подкосов не мешает технологической планировке помещения (рис. 4,в).

4. Передача распора на омоноличенное покрытие здания, ко торое служит в качестве распределительной балки, воспринимающей усилия от оттяжек и передающей эти усилия на торцевые стены или подкосы (рис. 4, г).

5. Внешне безраспорные конструкции могут быть осуществлены с передачей распора от кабеля на балку жесткости и на другие элементы покрытия. Экономичность таких систем в каждом отдельном случае должна быть изучена, так как сжатие, которое передается на балку, заставляет проектировщика развивать сечение и принимать меры по обеспечению ее устойчивости. Основное преимущество безраспорных систем с точки зрения увеличения жесткости покрытия - сокращение длины оттяжек, а следовательно, уменьшение упругих удлинений кабеля и прогибов в середине пролета по сравнению со схемами, в которых оттяжки закреплены в анкерах, расположенных на уровне пола.

Рис.4 Схемы анкерных конструкций.

а - передача на анкер, расположенный в грунте (гараж в Красноярске),

б - рамы (гараж в ГДР); в - подкосы; г - омоноличенное перекрытие и стены

Схемы связей в висячих комбинированных покрытиях промышленных зданий. Кроме обычных связей, применяемых в каркасах зданий, в металлических конструкциях комбинированного покрытия должны быть предусмотрены следующие связи.

1. Связи по верхним и нижним поясам сквозных балок жесткости для обеспечения устойчивости как верхнего, так и нижнего поясов, в которых может возникнуть сжатие в различных точках пролета, так как линии влияния изгибающих моментов в балке, как правило, имеют знакопеременный характер. Такое требование к связям не означает, что нижний пояс должен быть так же раскреплен связями, как верхний. Здесь, как и в арочных покрытиях, возможно устройство облегченных связей, подкосов, тяжей и т. п. [34]. Нужно учесть, однако, что связи по нижним поясам должны быть развиты при наличии подвесного кранового и транспортного оборудования для восприятия тормозных усилий от кранов.

2. На вертикальные связи между балками (фермами) жесткости в таких покрытиях возлагаются не только монтажные функции. Здесь вертикальные связи должны распределять сосредоточенные вертикальные воздействия между соседними балками (фермами), чтобы уменьшить неравномерность загружения временной сосредоточенной нагрузкой отдельных плоских вантовых систем, которые, как отмечалось, особенно чувствительны к местным загружениям вследствие изменения формы равновесия (рис. 5).

Рис.5 Связи в висячих комбинированных покрытиях

а--без подвесного транспорта; б - с подвесными кранами; в - связи в консольном покрытии; / - горизонтальные связи по поясам; 2 - вертикальные распределительные связи между балками; 3 - связи между пилонами

Рис.6

3. Вертикальные связи между пилонами должны обеспечивать устойчивость пилонов и воспринимать торцовую нагрузку от действия ветра, которая вследствие парусности вантовых ферм может....