ГлавнаяВ первой работе двухшарнирная рама пролетом 96 м авиасборочного цеха (рис. 9, а) сравнивалась с рамой, предварительно напряженной с помощью затяжки, расположенной на уровне опорных шарниров (рис. 9,б), и с балочной конструкцией в виде стальной фермы, установленной на железобетонные колонны и предварительно напряженной двумя затяжками (рис. 9,в). Шаг рам 24 м.
Материал конструкции сталь марки Ст. 3, бетон марки 400 для колони и марки 200 для фундаментов. Затяжка из стальных канатов с временным сопротивлением проволоки 190 кг/мм2. Затяжка рамы состоит из четырех канатов диаметром 65 мм; каждая из затяжек фермы состоит из четырех канатов диаметром 50,5 мм. Конструктивные детали показаны на рис. 10, 11 и 12.
Технико-экономические показатели рассмотренных вариантов приведены в табл. 1 и 2.
Третий вариант с предварительно напряженными фермами оказался наиболее рациональным. Он дел экономию стали 42% и снижение стоимости на 36,6%.
Столь значительная эффективность обусловливается не только предварительным напряжением, но и заменой металлических опор железобетонными, что в данном случае оказалось возможным при предварительном напряжении ригеля.
Без учета веса опор ферма в третьем варианте оказалась легче ригеля рамы первого варианта на 38% (табл. 1). Предварительное напряжение рамы затяжкой очень незначительно снизило расход стали и стоимость (4—5%). Облегчение ригеля погасилось утяжелением опор, что лишний раз подтвердило необходимость искать новые схемы для предварительно напряженных конструкций, чтобы получить рациональное решение.
Во второй работе рассматривались различные способы предварительного напряжения рам пролетом 96 м покрытия механосборочного цеха завода комбайнов (рис. 13). Шаг рам 24 м. К покрытию подвешиваются кранбалки грузоподъемностью 15 г.
Двухшарнирная решетчатая рама без затяжки и без предварительного напряжения (рис. 13, а) сравнивалась с аналогичными предварительно напряженными рамами: имеющей напряженную затяжку на уровне опорных шарниров (рис. 13,б); имеющей измененную конструкцию опор, также соединенных напряженной затяжкой (рис. 13,в), и с рамой без затяжки, но получающей предварительное напряжение в виде распора, передаваемого на фундаменты (рис. 13,г).
Полученные технико-экономические показатели приведены в табл. 3. Расход стали в 3-м и 4-м вариантах снижается одинаково — примерно на 15%. Однако в рамах по 4-му варианту примерно в 2,5 раза увеличивается расход бетона. Поэтому по стоимости 3-й вариант оказался самым рациональным (12,5% экономии).
Во 2-м варианте, у которого конструктивная схема такая же, что и у рамы без предварительного напряжения, предварительное напряжение не дало экономии по расходу стали и стоимости (табл. 3).
Следует отметить, что в рассмотренных вариантах полученные результаты являются частным случаем. Общие закономерности здесь только намечены, но далеко не изучены и возможно, что при других усилиях предварительного напряжения и геометрических параметрах рам могли быть другие результаты.
Покрытие с решетчатыми рамами пролетом 60 м. В МИСИ им. Куйбышева (Лу Ци-лин) исследована эффективность предварительного напряжения решетчатой рамы пролетом 60 м затяжкой, расположенной в уровне верха стоек (табл. 4).
При принятом расположении затяжки предварительное напряжение улучшает работу поясов ригеля в пролете, но ухудшает работу их у опор. Работа раскосов ригеля улучшается: достигается снижение веса раскосов на 38,8%. Незначительно облегчается вес стоек рам.
Общая экономия стали от предварительного напряжения получается около 10% (табл. 4). Недостатками рассматриваемой схемы расположения затяжки являются незначительное усилие самонапряжения и, следовательно, необходимость применения мощных домкратов.
Покрытие производственного здания пролетом 60 м. В Свердловском НИИ промсооружений под руководством Б. А. Сперанского разработана конструкция покрытия сборочного цеха пролетом 60 м (рис. 14). К покрытию подвешиваются три кранбалки грузоподъемностью 15 т. Каждая кранбалка движется по трем путям.
Шаг поперечных рам 24 м. Ригель рам включен в конструкцию поперечных фонарей.
Для сравнения технико-экономических показателей взята конструкция покрытия, разработанная Гипроавиапромом (рис. 14,а). В решении Гипроавиапрома рамы без предварительного напряжения пролетом 60 м имеют решетчатые ригели высотой 7,2 м и сплошные колонны. При такой системе разгрузка ригеля защемлением их в колоннах при действии вертикальной нагрузки незначительна. На ригели рам опираются неразрезные фермы пролетами по 24 м, расположенные в продольном направлении. Шаг ферм 6 м.
Основная компоновочная схема конструкции НИИ промсооружений такая же, как и в проекте Гипроавиапрома. Внесены лишь изменения в конструктивные элементы, отвечающие условиям создания предварительного напряжения (рис. 14,б).
Основная несущая конструкция состоит из фермы пролетом 6СГ м, шарнирно опирающейся на железобетонные колонны. Железобетонные колонны шарнирно опираются на фундаменты и, таким образом, работают только на осевые сжимающие силы. Превращение системы в раму создается при помощи затяжки сложного очертания. В середине пролета затяжка расположена вдоль нижнего пояса ригеля, у опор она поднимается к верхнему поясу, перекидывается через выступающие за колонны консольные стержни и закрепляется в нижней части колонн над опорными шарнирами. Натяжением затяжки создается предварительное напряжение, ферма выгибается вверх, и в ее элементах создаются усилия, обратные по знаку усилиям от нагрузки. Нижний пояс ригеля подвергается двойному сжатию: от натяжения затяжки на участке ее размещения вдоль нижнего пояса и от наклонных стержней консолей, на которые опирается затяжка.
При действии эксплуатационных нагрузок нижний пояс ригеля остается растянутым. Колонны от натяжения затяжки получают дополнительное сжатие, однако это не требует их усиления. На горизонтальную нагрузку система работает как двухшарнирная рама. Предварительное натяжение затяжки значительно увеличивает жесткость рамы. Ригель рамы имеет высоту 6 м.
Натяжение затяжки производится внизу, что является преимуществом системы. Недостатком системы является выступающая наружу здания затяжка. По-видимому, при такой системе целесообразно наружную стену устраивать не в плоскости колонн, а по краю консоли ригеля.
В продольных неразрезных фермах также создается предварительное напряжение. Наклонные опорные стержни верхнего пояса запроектированы круглого сечения. Они имеют муфту с двойной нарезкой, с помощью которой создается предварительное напряжение. Высота продольных ферм снижена с 3 до 2,4 м.
НИИ промсооружений разработал два варианта предварительно напряженных конструкций — из стали Ст.З и из алюминиевых сплавов Д16-Т (пояса) и АМг-П (решетка ригеля).
В варианте из стали затяжка состоит из трех стальных канатов диаметром 59 мм (общая площадь 48 см2). Усилие предварительного напряжения 350 т. Общее усилие в затяжке 453 т.
В варианте из алюминиевого сплава затяжка состоит из двух стальных канатов диаметром 55 мм (общая площадь 27,56 см2). Усилие предварительного напряжения 100 т. Общее усилие в затяжке 228 г.
Предварительное напряжение производится после монтажа плит покрытия, что позволяет увеличить усилие предварительного напряжения.
Расчет конструкции производится по четырем расчетным случаям:
1) статически определимая система без затяжки работает на постоянную нагрузку (собственный вес плюс плита покрытия) ;
2) к усилиям от постоянной нагрузки добавляются усилия от предварительного напряжения; максимальное усилие натяжения лимитируется работой сжатых стержней;
3) на предварительно напряженную конструкцию действует полная расчетная нагрузка;
4) конструкция проверяется на ветровую нагрузку.
В варианте из стали приняты обычные сечения стержней. В варианте из алюминиевого сплава стержни выполнены из прессованных профилей. Конструкция узлов показана на рис. 15, а, б, в.
Предварительное напряжение в варианте из стали снизило расчетное усилие в нижнем поясе ригеля в 2—3 раза, в верхнем поясе — на 35% и в решетке — на 35—40% (табл. 5). Вес ригеля уменьшился на 23%, а стоимость рамы в целом снизилась на 50% (табл. 6).
Особенно эффективным оказалось предварительное напряжение в конструкциях из алюминиевого сплава: расход алюминия уменьшился на 31%., общий вес ригеля — на 12%, общая стоимость снизилась на 70%, прогиб от временной нагрузки уменьшился примерно в 2 раза.
Предварительное напряжение продольных ферм снизило расход стали и их стоимость на 18%.
Покрытие ангара со сплошными предварительно напряженными рамами (Мемминген). Сплошные двухшарнирные рамы пролетом 60 м имеют затяжку, расположенную на расстоянии 2,8 м от оси ригеля. Затяжка состоит из двух пучков высокопрочной проволоки по 28 проволок диаметром 2,5 мм; общее расчетное усилие составляет 98 г. Усилие предварительного напряжения равно 25,15 т. Затяжки закрепляются в гильзовом анкере, который с противоположной стороны имеет сердечник с нарезкой. Сердечник анкера прикрепляется к стойке рамы гайками (рис. 16,а). Сечения ригеля и стоек рамы запроектированы в виде связанных составных двутавров с криволинейным очертанием внутреннего контура узла их сопряжения (рис. 16,б). Технико-экономические показатели по данному сооружению не опубликованы.
Сводчатое пространственное покрытие с предварительным напряжением. Покрытие, разработанное Б. С. Васильковым, состоит из продольных и поперечных ферм, связанных между собой по низу решетчатыми связями, а по верху — штампованным металлическим настилом. Размеры перекрываемого помещения 94X48 м (рис. 17).
Конструкция собирается из пространственных решетчатых блоков, грани которых в собранном виде образуют продольные и поперечные фермы. Сборка блоков покрытия производится на болтах с последующей заваркой.
Покрытия опираются по продольным краям на бортовые обвязочные балки, а на торцах — на опорные диафрагмы в виде арки с затяжкой.
Колонны продольных рядов работают совместно с покрытием в поперечном направлении. В продольном направлении колонны запроектированы в виде качающихся стоек, воспринимающих только вертикальное давление. Горизонтальные силы в продольном направлении воспринимаются вертикальными связями, размещаемыми в средних пролетах продольных рядов колонн.
Предварительное напряжение создается после монтажа покрытия стягиванием бортовых балок в месте стыка, устраиваемого на средней колонне.
В результате предварительного напряжения уменьшаются напряжения от основных нагрузок и провисание покрытия, упрощается его монтаж, исключается необходимость устройства непрерывных связей между колоннами для восприятия сдвигающих усилий и ленточных фундаментов под колонны для восприятия растягивающих усилий.
Бортовая балка выполняется в виде четырехгранного полого бруса, усиленного поперечными диафрагмами. Три грани балки сплошные, а четвертая для удобства сопряжения с блоками покрытия состоит из отдельных листов, устанавливаемых в месте постановки диафрагм.
Напряжение каждой бортовой балки производится гидравлическими домкратами (рис. 18) с усилием, равным 296 т. После создания предварительного напряжения стык бортовых балок заваривается, и установка для натяжения демонтируется.
Расчет покрытия производился как тонкостенной пространственной системы на основе теории В. 3. Власова. Необходимое усилие для стягивания продольных бортовых балок, создающее напряженное состояние, обратное напряженному состоянию от нагрузки, определялось из условия одновременного действия на покрытие собственного веса и сдвигающих сил от бортовых балок при стягивании последних.
На рис. 19 показана эпюра поперечных изгибающих моментов для среднего поперечного сечения покрытия.
Двойными линиями показаны изгибающие моменты, полученные с учетом предварительного напряжения; пунктирными линиями — моменты без предварительного напряжения, но с учетом работы продольных связей между колоннами и стенового заполнения. Сплошными линиями показаны моменты без предварительного напряжения и без учета продольных вертикальных связей и стенового заполнения. Из сопоставления эпюр видна эффективность применения предварительного напряжения в рассматриваемой конструкции. Предварительное напряжение позволяет вести монтаж покрытия без сплошных подмостей, так как получаемое во время монтажа провисание от собственного веса конструкции выбирается затем стягиванием продольных балок. На примере рассмотренного проекта видны большие возможности применения предварительного напряжения в пространственных покрытиях, далеко еще не изученные.