МК_Справочник_том_1

13.2.3. Фермы с предварительно напряженными затяжками. Эффект применения предварительного напряжения в фермах в значительной мере зависит от конструктивных форм ферм и схемы расположения затяжек. Согласно принятой классификации затяжки могут размещаться в пределах наиболее нагруженных стержней и создавать в них эффект предварительного напряжения (рис.13.4,à) или размещаться в пределах всего пролета или части пролета фермы (рис.13.4,á,ã) и создавать предварительное напряжение в нескольких или во всех стержнях фермы.

Фермы с предварительным напряжением по первому типу рациональны при больших пролетах и нагрузках, когда каждый предварительно напрягаемый стержень представляет собой отдельную отправочную марку. Предварительное напряжение стержней может производиться на заводе или при укрупнительной сборке на монтажной площадке. Недостатками их являются более сложные конструкции узлов и большое число анкерных креплений затяжек.

Наиболее простая схема ферм с предварительным напряжением по второму типу получается при размещении одной или нескольких прямолинейных затяжек вдоль нижнего растянутого пояса (рис.13.4,ã). Число затяжек принимается в зависимости от пролета фермы, несущей способности на сжатие крайних панелей и формы сечения пояса.

Эффективность предварительного напряжения повышается при устройстве затяжек ломаного очертания как в пределах высоты фермы (рис.13.4,á), так и вынесенных за пределы габаритов фермы (рис.13.4,â). Наиболее эффективны предварительно напряженные фермы типа «арка с затяжкой», которые имеют вспарушенный нижний пояс и прямолинейную затяжку по всей длине пролета или части его (рис.13.4,ä), при этом габариты фермы не увеличиваются. В результате натяжения затяжки предварительное напряжение создается практически во всех стержнях фермы. Рациональность фермы зависит от ее очертания, уклона поясов, схемы решетки, типа сечений элементов и марок стали для поясов и решетки. Оптимальная высота ферм по середине пролета от затяжки до верхнего пояса составляет 1/6-1/8 пролета, а высота жесткой части фермы принимается в пределах 1/10-1/12 пролета.

В легких предварительно напряженных фермах пролетом 30-36 м рациональны стержни из стали повышенной прочности, выполненные из гнутых тонкостенных профилей квадратного или прямоугольного сечения, а также из труб, что обеспе- чивает экономию металла до 45 % и экономию стоимости до 35 %. Затяжки следует размещать симметрично относительно центра тяжести сечения нижнего пояса (рис.13.12), при этом необходимо предусмотреть установку диафрагм жесткости и других конструктивных элементов, чтобы избежать потери устойчивости пояса в процессе создания предварительного напряжения.

Рис.13.12. Размещение затяжек à – в легких фермах; á – в тяжелых фермах; 1 – стержень; 2 – затяжка; 3 – обрезок трубы;

4 – диафрагма; 5 – обрезки уголков

421

422

Âдругой схеме предварительного напряжения (рис.13.5,â) затяжка расположена посередине пролета вдоль нижнего пояса ригеля, у опор она поднимается к верхнему поясу, перекидывается через выступающие за колонны консольные стержни

èзакрепляется в нижней части колонн над опорными шарнирами. В результате натяжения затяжки нижний пояс ригеля подвергается эффекту двойного сжатия: от натяжения затяжки и от нагружения 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 дополнительного их усиления. Определенным преимуществом такой схемы является то, что натяжение затяжки производится внизу. Следует учитывать, что для этих схем предварительного напряжения требуются мощные затяжки, которые выполняются из одного или нескольких стальных канатов.

Âарочных конструкциях предварительное напряжение создается главным образом затяжками прямолинейного (рис.13.5,ã) или ломаного (рис.13.5,ä) очертания. Чем сложнее конструктивная схема арок и выше ее статическая неопределимость, тем больше рациональных схем предварительного напряжения. Для конструктив-

423

ных схем, представленных на рис.13.5,æ-ê, предварительное напряжение позволяет затяжкам воспринимать сжимающие усилия. При этом существенно повышается жесткость конструкции при загружении половины пролета арки. Затяжки примыкают шарнирно к жесткому поясу, в результате предварительным напряжением затяжек может быть достигнуто снижение напряжений в арке до 25-35 %. Анализ этих конструктивных схем показал, что наиболее экономичной по расходу металла является схема с точкой схода затяжек посередине пролета (см. рис.13.5,ç). Для этой схемы оптимальное отношение стрелы подъема пояса к пролету равно 1/6 и оптимальное число панелей - восемь (при четном числе панелей) и девять (при нечетном числе панелей).

пролетах продольных рядов колонн. Предварительное напряжение создается после монтажа покрытия стягиванием

бортовых балок, в результате чего уменьшаются напряжения от основных нагрузок и провисание покрытия, упрощается его монтаж и исключается необходимость устройства непрерывных связей между колоннами для восприятия сдвигающих усилий и ленточных фундаментов под колонны для восприятия растягивающих усилий.

13.2.6. Висячие двухпоясные системы с натяжением стабилизирующих тросов и однопоясные системы с натяжением оттяжек. Висячие системы, выполняемые из стальных тросов, круглой арматуры или других гибких элементов, могут нормально эксплуатироваться только при применении предварительного напряжения, которое придает им необходимую жесткость. Они перекрывают помещения больших пролетов и любой конфигурации в плане и имеют разнообразные формы поверхности.

Для двухпоясных систем характерно наличие стабилизирующих вант, расположенных параллельно основным несущим вантам. Напрягающие ванты могут находиться ниже или выше несущих вант и соединяться с ними гибкими тяжами или распорками. Двухпоясные системы могут быть в виде вантовых ферм, в которых растяжки заменены наклонными раскосами. Они рациональны при больших временных нагрузках.

В однопоясных предварительно напряженных вантовых (висячих) системах стабилизирующие ванты располагают поперек направления несущих вант. Наилучшей формой поверхности для них является гиперболический параболоид, обеспечи- вающий одинаковые значения усилий в вантах при равномерно распределенной нагрузке на покрытие. Однопоясные вантовые покрытия с поперечной стабилизацией могут иметь различную конфигурацию в плане.

424

13.2.9. Мачты и опоры на предварительно напряженных оттяжках. Мачты и опоры ЛЭП, выполненные из круглых или решетчатых стволов и оттяжек - пример высотных предварительно напряженных сооружений. Натяжение оттяжек позволяет им воспринимать усилия, повышает жесткость сооружений в горизонтальном направлении, дает возможность выдерживать отклонение верха ствола от вертикали в пределах заданной величины и приводит к хорошим показателям по расходу металла, эксплуатационным и монтажным качествам (жесткость, транспортабельность).

13.2.10. Предварительно напряженные шпренгельные мачты. Наибольшее распространение шпренгельные стойки получили в качестве составного элемента ствола шпренгельных радиомачт (рис.13.20). Ствол разделяется на отдельные предварительно напряженные шпренгельные секции, поддерживаемые в местах их

425

426

применении предварительного напряжения, осуществляемого путем непрерывной навивки на оболочку высокопрочной проволоки или ленты или постановкой бандажей из высокопрочной полосовой стали (рис.13.22).

Рис.13.22. Предварительно напряженные листовые конструкции

à – вертикальные цилиндрические резервуары; á – горизонтальные цилиндрические резервуары; â – напорные трубопроводы; 1 – корпус; 2 – напрягающая проволока; 3 – напря-

гающие бандажи; 4 – напрягающая лента

Снижение расхода металла и стоимости достигается благодаря частичной замене листового металла обычной прочности высокопрочной проволокой или полосовой сталью, у которых расчетные сопротивления повышаются значительно быстрее, чем стоимость. Снижение трудоемкости изготовления аппаратов и сосудов высокого давления со сравнительно толстыми стенками (30-60 мм и более) можно получить путем перехода на более тонкие стенки и упрощением работ по заготовке и сварке листов. Обмотка габаритных оболочек высокопрочной проволокой производится на стационарных обмоточных машинах в заводских условиях.

Для вертикальных цилиндрических резервуаров объемом более 20 тыс.м3 корпус может быть изготовлен рулонным способом из полотнищ толщиной до 16 мм, а затем с помощью специальных обмоточных машин часть корпуса на монтаже обматывается высокопрочной проволокой с предварительным натяжением, для чего можно использовать механизмы, аналогичные применяемым для обмотки железобетонных резервуаров.

13.3. ÏРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ БЕЗ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Положения, характеризующие особенности предварительно напряженных конструкций без дополнительных высокопрочных элементов, являются общими с рассмотренными в п.13.2.1.

13.3.1.Балки с предварительно изогнутыми элементами. Идея этих балок состоит

âтом, что две части сечения (тавры, двутавры, рельсы и др.) изгибаются независимо одна от другой в противоположном направлении по отношению к тому, в котором они изгибаются от рабочей нагрузки. Затем под нагрузкой с помощью сварки оба элемента объединяются, образуя балки. После снятия предварительного уси-

ëèÿ Xps элементы стремятся вернуться в свое первоначальное положение, но сварка препятствует этому. В результате в балке создается уравновешенная система предварительных напряжений (рис.13.23). В рабочее положение такая балка устанавливается выгибом вверх, возникшие предварительные напряжения в пояcах имеют противоположный знак по отношению к напряжениям от эксплуатационных нагрузок. Благодаря этому в балке в упругой стадии работы несущая способность повышается почти до предельной, характерной для момента образования шарнира пластичности.

427

Изготовление таких балок удобнее всего осуществлять на заводах металлоконструкций. Для этого можно использовать приспособления типа сварочных кантователей. Длина балок из условия перевозки и изготовления 12-15 м. Эффективность - экономия металла составляет 3-7 %. Применение таких конструкций оправдано при отсутствии возможностей для изготовления сварных двутавров. Модификацией этого метода является предварительное растяжение одного полусече- ния с последующим объединением их в целое под нагрузкой.

13.3.2. Балки с предварительно вытянутыми стенкой или одним из поясов. Такие балки получили также название бестросовые (беззатяжные) предварительно напряженные балки. В двутавровой балке несимметричного сечения нижний пояс, выполненный из более прочной стали, предварительно растягивается, а затем приваривается к остальной части сечения. Таким образом он исполняет роль затяжки. В балке создается система предварительных напряжений (рис.13.25). Чтобы стенка не потеряла местную устойчивость в процессе предварительного напряжения, ее гибкость должна быть ≤ 110. Наиболее технологичным методом предварительного напряжения для таких балок является нагрев пояса или стенки (газопламенный, токами высокой частоты, инфракрасный и др.).

Экономия стали при соотношении прочности пояса и стенки 1,5-2,5 около 8- 17 % по сравнению с обычной сварной моностальной балкой базовой прочности. Такого же эффекта можно добиться предварительным сжатием верхнего пояса, нагревом одновременно стенки и второго пояса. Самостоятельно верхний пояс по существу не сжимается, он сжат в объединенном сечении, поэтому заботиться о его устойчивости (исключая местную) не приходится (рис.13.26).

428

Рис.13.25. Эпюры нормальных напряжений в балке с предварительно растянутым нижним поясом

à – при натяжении пояса при сборке балки σ0; á – при снятии предварительного усилия (при остывании пояса); â – предварительные напряжения σps; ã – от нагрузки; ä – суммарная

x x

Рис.13.26. Эпюры нормальных напряжений в балке с предварительно сжатым поясом

à – при сжатии пояса (напряжение σ0); á – при снятии предварительного усилия (остывание пояса); â – предварительные напряжения σps; ã – от нагрузки; ä – суммарная

В таких балках необходимо предусмотреть мероприятия по обеспечению общей устойчивости. Возможна, также реализация комбинированного нагрева - стенки на температуру Ò, а нижнего пояса - íà 2Ò. Тогда после предварительного напряжения верхний пояс окажется сжатым, а нижний растянутым.

Балки становятся тем эффективнее, чем тоньше стенка, в то же время необходимо обеспечить местную устойчивость стенки. Этого можно добиться, если допустить ограниченное пластическое деформирование стенки в процессе предварительного напряжения. В результате нагрева стенки и нижнего пояса и затем присоединения верхнего пояса в стенке возникнут только растягивающие предварительные напряжения (рис. 13.27). Гибкость стенки может быть повышена до λw = = 250...300. Нужно учитывать, что сварочные напряжения несколько снижают предварительные растягивающие напряжения и, если не обеспечить нужную температуру при нагреве, они могут вызвать потерю местной устойчивости стенки. Такие балки обеспечивают дополнительную экономию металла до 8-9 % по сравнению с балками с гибкими стенками без предварительного напряжения.

Рис.13.27. Эпюры нормальных напряжений в балке с предварительным пластическим деформированием стенки

à – при сжатии пояса; á – при снятии предварительного усилия; â – предварительные напряжения σps; ã – от нагрузки; ä – суммарная

429

430