Комбинированными называют системы, включающие наряду с высокопрочными гибкими тросами и канатами изгибно-жесткие элементы -балки, арки, плиты, стержневые системы и тому подобное. В этих конструкциях удачно сочетаются эффективная работа тросов на растяжение и жестких элементов, работающих на изгиб. Такие системы можно подразделить на два основных типа. В первом главную нагрузку несет провисающая нить, а жесткий элемент работает на местные нагрузки и уменьшает кинематические перемещения системы. Во втором типе жесткие элементы поддерживаются прямолинейными гибкими вантами.
Исследованию и разработке конструктивных решений первой системы были посвящены работы коллектива кафедры металлических и деревянных конструкций Воронежского инженерно-строительного института под руководством профессора Н.М. Кирсанова [62], [63].
Ими были разработаны покрытия производственных зданий (рис. 2.55).
Рис. 2.55. Схема комбинированного покрытия производственных зданий
Несущий каркас цеха состоит из металлических рам, ригели которых представляют собой провисающую гибкую нить из тросов, соединенную подвесками с балкой жесткости. Снизу к балкам жесткости присоединены
113
подкрановые пути для подвесных кранов, а сверху на них опирается щитовое кровельное покрытие. Балка жесткости, работая на изгиб от вертикальных нагрузок, одновременно воспринимает сжимающее ее растяжение тросов.
В практике проектирования покрытий этого типа несущие системы обычно располагают параллельно друг другу, и провес кабеля назначают по квадратной параболе. Балка жесткости в комбинированной системе играет роль распределительного элемента, воспринимающего местные нагрузки и передающего их через подвески на кабель. Кроме этого балка уменьшает общие кинематические перемещения пролетной конструкции при загружении части пролета.
Расчет таких систем выполняют с учетом геометрической нелинейности на ЭВМ, начальные геометрические характеристики могут быть получены приближенно по формулам приведенным в специальной литературе, например [77].
Комбинированные конструкции второго типа часто выполняют консольными. Они нашли применение при строительстве трибун стадионов, заправочных станций, ангаров и других сооружений. На рис. 2.56 показана схема покрытия трибуны в Нюрнберге (ФРГ), выполненная в 1988 - 1990 годах.
Конструктивная схема аналогична схемам башенного крана. В данном случае в качестве элементов, работающих на растяжение, применена круглая сталь St 52-3 (аналог стали С 390).
На рис. 2.57 показана схема навеса над заправочной станцией. Все конструкции стальные. Высокопрочные гибкие элементы выполнены из закрытых оцинкованных канатов диаметром 36 мм.
Рис. 2.56. Схема покрытия трибуны стадиона в Нюрнберге (ФРГ)
Широкое распространение получило решение, когда жесткие элементы в виде балок, ферм, рам, которые собственно несут покрытие здания, поддерживаются канатами, опирающимися на пилоны. Примером такой конструктивной схемы является покрытие катка в городе Брауншвайге
114
(ФРГ) (рис. 2.58 - 2.61). Здание включает в себя главную стальную раму пролетом 82 м, поддерживаемую стальными канатами (рис. 2.58), на которую опираются по две клееные деревянные балки пролетом около 24 м (рис. 2.59, 2.60). Ригель рамы включает две балки коробчатого профиля из стали St 52-3, соединенные между собой девятью стальными цилиндрическими вставками, к которым крепятся канаты. Для обеспечения прочности и жесткости узлов крепления канатов полости цилиндров заполнены бетоном В450.
Рис. 2.57. Схема навеса над заправочной станцией
Рис. 2.58. Крытый каток в Брауншвайге ФРГ. Продольный разрез
Пилоны рамы также стальные коробчатого профиля. Высокопрочные канаты представляют собой пучки параллельных проволок из стали St 150/70 системы "BBRV-Suspa".
115
Рис. 2.59. План покрытия
Рис. 2.60. Поперечный разрез катка
116
Рис. 2.61. Узлы главного ригеля
Рис. 2.62. Схема гибридного купола:
а - аксонометрическое изображение купола; б - поперечный разрез; 1 - сжато-изогнутый верхний пояс; 2 - наружное растянутое кольцо
Во всех рассмотренных ранее висячих конструкциях распор передавался на внешний контур, который составляет значительную часть общей
117
стоимости здания. Для комбинированных или гибридных конструкций могут быть найдены решения, для которых распор от каната воспринимается самими изгибно-жесткими элементами стержневой системы. На рис. 2.62 показана схема купола гибридной системы [79]. В отличие от решения Гайгера [74] верхний пояс выполнен изгибно-жестким и воспринимает распор от натяжения канатов. Купол состоит из сжато-изогнутого верхнего пояса 1 (рис. 2.62), наружного растянутого кольца 2, внутреннего сжатого кольца 3, радиальных канатов 4, сжатых стержней 5, тяжей 6 и распорок 7. Работа такой конструкции на действие вертикальной внешней нагрузки эквивалентна работе плоской конструкции (рис. 2.63) с фиктивными жесткостями затяжки участка "вс" и сжатого элемента "кl".
Рис. 2.63. Расчетная схема гибридного купола
а - расчетная схема купола; б - к определению площади сечения фиктивной затяжки
Для пространственной системы величина усилия S при действии симметричной внешней нагрузки должна быть равна усилию Z для эквивалентной плоской конструкции. Отсюда может быть получена площадь фиктивной затяжки Afikt при действии внешней силы Z.
Составив уравнение равновесия для узла приложения силы Z, получим (рис. 2.63)
Z = 2 · S · cos α
(2.31)
для восьмигранника α = 67,50, тогда
Z = 2 · 0,3838 · S = 0,166 · S или S = 1,306 · Z
(2.32)
Определим радиальные перемещения узла кольца в рассматриваемой плоскости еr под действием усилия S
er = | S · r · cos α |
| cos α E · As |
=
(2.33)
118
Для плоской эквивалентной конструкции перемещение еЕ узла равно
eE =
(2.34)
Приравнивая величины перемещений, получим
Afikt = 0,765 · As
(2.35)
Для анализа напряженного состояния конструкций такого вида был выполнен пример расчета купола пролетом 60 м. При проведении расчета были определены оптимальные положения внешнего и внутреннего колец, проанализировано влияние изменения жесткостей верхнего пояса EJ и высокопрочных канатов ЕА на величины изгибающих моментов и продольных усилий.
На рис. 2.64 и 2.65 показаны графики изменения максимального значения изгибающего момента и усилия в верхнем поясе при различных значениях EJ и ЕА. Как видно из графиков, с увеличением жесткости верхнего пояса величина изгибающего момента в нем возрастает. Увеличение жесткости канатов способствует уменьшению величин изгибающих моментов в верхнем поясе (рис. 2.65).
Рис. 2.64. Изменение изгибающих моментов при изменении жесткости верхнего
Создание предварительного напряжения в представленной конструкции может быть осуществлено не с помощью специальных домкратов, а путем приложения специального монтажного пригруза. На рис. 2.66 приведены примеры создания предварительного напряжения указанным способом.
119
Рис. 2.65. Изменение изгибающих моментов при изменении жесткости каната
Расчет комбинированных систем с прямолинейными вантами выполняют чаще всего обычными методами строительной механики. При этом желательно учитывать повышенную деформативность прямолинейных вант путем корректировки в процессе расчета геометрической схемы.
Рис. 2.66. Создание предварительного напряжения в куполе монтажным пригрузом
120
