Глава 2
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЁННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Использование предварительного напряжения при разработке новой конструктивной формы зданий и сооружений известно с давних пор.

По виду предварительно напряжённые конструкции в основном разделяются на две большие группы, в первой из которых предварительное напряжение создаётся с помощью высокопрочных напрягающих элементов, включая тросовые конструкции, в другой предварительное напряжение создаётся путём начального деформирования конструкций или их элементов, вызывая в них напряжения, обратные получаемым от загружения внешней нагрузкой.

С помощью предварительного напряжения можно снизить массу конструкции, её стоимость и деформативность. Оно может осуществляться частично на заводе и частично на монтажной площадке, полностью на заводе - изготовителе строительных конструкций, и на монтажной площадке - при укрупнительной сборке или при установке в проектное положение.

Многообразие методов создания предварительного напряжения позволяет применять его в самых различных видах строительных конструкций, расширить область эффективного применения высокопрочных сталей. Оно может с успехом использоваться при усилении существующих конструкций.

Предварительное напряжение даёт возможность эффективно использовать в строительных конструкциях такие высокопрочные материалы, как стальные канаты, высокопрочную проволоку, стальные стержни. Обычно эти материалы используются в конструкциях в качестве напрягающих элементов.

Эффективность такой конструктивной формы может быть проиллюстрирована на отдельных решениях.

2.1. Предварительно напряжённый элемент, работающий на растяжение

2.1.1. Работа высокопрочного канатного элемента

Применение идеи создания предварительного напряжения к гибким элементам (канатам, проволоке, гибким стержням) получило широкое развитие в самых разнообразных видах металлических конструкций. Несущая способность гибкого элемента на сжатие без предварительного напряжения равна нулю. Будучи предварительно натянутым, он приобретает способность воспринимать сжимающие усилия в пределах усилия предварительного напряжения.

66

Рассмотрим для примера простейшую систему, включающую струну или канат (рис. 2.1) длиной /, прикреплённую к потолку и к полу. Посередине струны приложена нагрузка Р. Жесткостные характеристики каната равны ЕА и расчётное сопротивление R. Если к канату не приложено усилие предварительного напряжения, то вся нагрузка воспринимается его верхней частью и, пренебрегая весом каната, перемещение груза

f =

P · l

2 · E · A

(2.1)

Для предварительно напряжённого каната усилием V, не превышающим Р/2 (рис. 2.1), найдём величину перемещения. Рассматриваемая система является один раз статически неопределимой.

Для статически неопределимой системы перемещение груза

f₁ =

f

2

=

P · l

4 · E · A

(2.2)

Усилия в канатах верхней и нижней частей соответственно:

S1 = V + P 2

S2 = V - P 2

(2.3)

Как видно из уравнения (2.2), деформативность предварительно напряжённой струны в два раза меньше, чем при отсутствии преднапряжения. Если величина внешней нагрузки превысит значение усилия предварительного напряжения, то дальше такая система работает как обычная конструкция. Эти факторы учитываются при расчёте и обеспечении стабилизации тросовых систем.

Как видно из вышеизложенного, при расчёте предварительно напряжённых систем в упругой стадии чаще всего применим принцип суперпозиции, то есть предварительно напряжённую систему, имеющую ряд гибких стержней, можно рассчитывать как обычную без предварительного напряжения, полагая, что все гибкие стержни воспринимают сжимающие усилия без потери устойчивости наравне с жёсткими стержнями. После чего системе необходимо сообщить такое предварительное напряжение, чтобы результирующие усилия в сжатых гибких стержнях имели положительный знак.

67