Для  студентов архитектурных специальностей

Металлические конструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Основная идея предварительного напряжения — создание в конструкции или ее элементах предварительных начальных напряжений обратного знака тем, которые возникают от действия внешних эксплуатационных нагрузок. В результате этого увеличивается область упругой работы конструкции, так как внешние нагрузки сначала гасят предварительное напряжение, а затем развивают основные напряжения до расчетного сопротивления материала. Предварительное напряжение применяют для повышения эффективности металлических конструкций (для снижения расхода материала), а в некоторых случаях для увеличения их жесткости.

Предварительное напряжение чаще всего проектируют в стержнях, работающих на осевое растяжение (элементы ферм и других решетчатых конструкций) или изгиб (балки). Однако предварительно напряженный гибкий элемент — канат, тонкий лист, арматурный стержень — может работать на сжатие в пределах ве-

личины предварительного напряжения, что широко ис

пользуется в различных металлических конструкциях

(вантовых фермах, мембранах и т. п.) для повышения

их несущей способности. Широко используют предвари

тельное напряжение с целью повышения устойчивости

отдельных конструктивных элементов и сооружений в

целом. Особенно оно эффективно в тяжелых большепролетных фермах.

Использование предварительного напряжения в значительной степени повышает несущую способность фермы и ее жесткость, а следовательно, позволяет уменьшить строительную высоту конструкции и получитьэко-номию стали до 25—30 % по сравнению с традиционным решением. Но при этом увеличивается трудоемкость изготовления фермы, так как работы по предварительному напряжению переносят на строительную площадку.

Существует много способов создания предварительного напряжения, однако для плоских ферм наиболее применим способ, основанный на устройстве различного рода затяжек из высокопрочных материалов (стальных канатов, пучков и прядей).

В зависимости от размещения затяжек предварительно напряженные фермы разделяют на два основных типа: фермы с затяжками, размещенными в пределах каждого наиболее нагруженного стержня ( 108, а); фермы с затяжками, размещенными в пределах. всего пролета и группы наиболее нагруженных стержней (рис, 108, б, в, г, д, е). Второй тип более эффективен и имеет много конструктивных форм. К этому типу относят также фермы с выносными шпренгельными затяжками, разгружающее воздействие которых на элементы основной фермы особенно значительно ( 108, ж—л). Недостаток таких ферм — большая строительная высота конструкции.

В статическом отношении предварительно напряженные фермы чаще всего проектируют разрезными одно-пролетными ( 108, а—л), а также консольными ( 108, м) и многопролетными ( 108, «, о). Сечения стержней в предварительно напряженных фермах проектируют такими же, как и в обычных фермах без предварительного напряжения ( 109). При этом размещение преднапряженных затяжек стержней должно быть симметричным относительно главных осей инерции сечения, а равнодействующая сила должна проходить через центр сечения. Фиксацию затяжки по длине стержня осуществляют в трубах-коротышах или ребрах жесткости, привариваемых к профильным элементам сечения.

Узловые соединения также решаются аналогично обычным фермам, за исключением узлов, в которых ан-керуют стержни затяжек. В этих узлах проектируют анкерные упоры для передачи усилия предварительного напряжения с затяжки на сечение элемента пояса или раскосы

При больших пролетах ферм и ограниченной длине затяжек, при изготовлении предварительно напряженных участков ферм в заводских условиях и расчленении их на монтажные блоки возникает необходимость стыковать предварительно напряженные стержни (включая затяжки) по длине. Различают несколько вариантов стыков в зависимости от количества затяжек по обе стороны от стыка и принципа передачи усилия в стыке с одного преднапряженного элемента на другой. Наиболее распространен стык, в котором сохраняется соосность затяжки, а усилие в нем передается обычными листовыми накладками ( 110, д). Стык может быть рекомендован при изменении усилия в нем ( 110, е), а также для мощных стержней с большими усилиями в стыке

Анкерные устройства и диафрагмы должны быть жесткими, чтобы обеспечивать недеформируемость узла под воздействием сосредоточенной силы от ветвей затяжек. В процессе напряжения затяжки, которое выполняется при отсутствии расчетных эксплуатационных нагрузок на ферму, пояс, испытывая большие сжимающие усилия, может потерять устойчивость. Для предотвра-щения этого явления на земле производят укрупнитель-ную сборку монтажного блока в виде двух спаренных ферм, и только после этого производят натяжение затяжки. Нередко по этой причине плоские фермы заменяют пространственными с треугольным поперечным сечением.

Надежность работы предварительно напряженных ферм обеспечивается прочным заанкериванием напрягаемого стержня в упорном узле. Для этих целей в практике строительства применяют различные решения ( 111). Наиболее просты по устройству гильзо-стержневой анкер ( 111, а) и анкер в виде колоды с пробкой ( 111, б). Такие анкеры применяют при сравнительно небольших расчетных усилиях натяжения (до 1500 кН). При значительных усилиях (до 6000 кЩ используют стаканные анкеры с забивкой клиньев ( 111, в) или с заливкой легкоплавким сплавом типа ЦАМ ( 111, г).

Предварительно напряженные фермы с затяжками по всему поясу или по группе стержней рассчитывают как статически неопределимые системы, где за лишние неизвестные принимают усилия в затяжках и усилия в лишних стержнях фермы. Расчет конструкции ведется методом    последовательных    приближений.    В случае местного напряжения отдельного стержня сечения растянутого жесткого стержня и затяжки могут быть определены исходя из полного использования расчетных сопротивлений материалов по формулам

Широкое распространение в стране в последние годы получили блочные и блочно-панельные предварительно напряженные конструкции для больших пролетов из стали (ЦНИИпроектстадьконструкция) и алюминиевых сплавов (ВИЛС) ( 112). В таких конструкциях в качестве напрягающего элемента применяют тонколистовую обшивку rf = l—3 мм, которая в составе основного сечения поясов блока работает на Сжатие и растяжение, а также выполняет роль ограждающей поверхности. Тонколистовую обшивку натягивают на жесткий каркас из прокатных или гнутых элементов, образующих пространственный блок, включающий две вертикальные фермы из одиночных уголков с ромбической решеткой также из одиночных уголков.

Жесткость блока в поперечном направлении достигается крестовыми диафрагмами, прикрепляемыми на болтах нормальной точности к поперечным элементам-распоркам, приваренным, втавр к продольным поясным уголкам. Элементы ромбической решетки прикрепляют к поясным уголкам на высокопрочных болтах.

В блочных конструкциях тонколистовую обшивку натягивают на полномерный каркас, равный перекрываемому пролету, поэтому блочные конструкции изготовляют непосредственно на строительной площадке.

Для снижения трудоемкости изготовления был разработан блочно-панельный вариант конструкции, отличающийся от блочного Тем, что большепролетную конструкцию разрезают на панели с габаритами, не превышающими транспортные возможности. Напряженные панели размером не более 13,6X3 м доставляют на монтажную площадку, где в специальных кондукторах объединяют в блоки полной расчетной длины.

В стальном варианте тонколистовую обшивку выполняют из высокопрочной стали марки 10ХНДП (Кор-Тен) или углеродистой стали марки ВСтЗкп2, а в алюминиевом варианте—из сплава марки АМг21/2Н. Возможны комбинированные блочные конструкции, в которых тонколистовую обшивку выполняют из алюминия, а каркас из стали. Благодаря этому достигается снижение стоимости покрытия по сравнению с вариантом из алюминия в 1,5 раза. Применение указанных конструкций позволяет снизить на 10—20 % собственную массу несущей конструкции, уменьшить строительную высоту в 1,5 раза при сохранении высокой жесткости, обеспечить совмещенное решение кровли и снизить общую стоимость строительства.