Металлические большепролетные покрытия зданий

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ

Конструктивные решения металлических покрытий большепролетных зданий могут быть балочными, арочными, пространственными, висячими вантовыми, мембранными и др. Учитывая, что в таких конструкциях основной нагрузкой является собственный вес, следует стремиться к его уменьшению, что достигается применением сталей повышенной прочности и алюминиевых сплавов.

Балочные системы (как правило, фермы) включаются в состав поперечных рам, что улучшает статическую схему работы. При пролетах более 60-80 м целесообразно использовать арочные покрытия (рис.1). Такие покрытия при больших пролетах целесообразно проектировать предварительно-напряженными. В арочном покрытии, представленном на рис.2, верхний пояс предусмотрен жестким, а нижний пояс и решетка арки выполнены из тросов. После монтажа арки осуществляют принудительное смещение опорных узлов наружу, что вызывает предварительное растяжение в нижнем поясе и раскосах арки.

Рис.1. Арочное покрытие Дворца спорта в Лужниках (Москва):

1 - арка; 2 - затяжка; 3 - неподвижная шарнирная опора; 4 - подвижная шарнирная опора

Рис.2. Предварительно напряженная стальная арка пролетом 180 м:

1 - трос; 2 - жесткий пояс

Пространственные решетчатые конструкции покрытий могут быть плоскими двухслойными (двухсетчатыми) и криволинейными однойслойными (односетчатыми) или двухслойными. В двухсетчатых конструкциях две параллельные сетчатые поверхности соединяются между собой решетчатыми связями.

Сетчатые системы регулярного строения называются структурными и применяются, как правило, в виде плоских покрытий. Они представляют собой  различные системы перекрестных ферм (рис.3). Структурные плоские перекрытия благодаря большой пространственной жесткости имеют небольшую высоту (1/16-1/20 пролета), ими можно перекрывать большие пролеты. Устройством консольных свесов за линией опор достигается уменьшение изгибающих моментов и веса покрытия.

Рис.3. Структурные покрытия с треугольной (а) и квадратной (б) ячейками:

1, 2 - верхняя и нижняя поясные сетки; 3 - раскосы; 4 - тетраэдр; 5 - октаэдр; 6 - опорная капитель

Криволинейные пространственные покрытия имеют, как правило, цилиндрическую или купольную поверхность.

Цилиндрические покрытия могут быть односетчатыми или двухсетчатыми (криволинейные структуры). Они в поперечном направлении работают как свод, распор которого воспринимается стенами или затяжками.

Купольные покрытия могут иметь ребристую (или ребристо-кольцевую) конструктивную схему (рис.4а) или сетчатую (рис.4б). В ребристых куполах радиально расположенные ребра соединены между собой кольцевыми прогонами. Если последние составляют с ребрами единую жесткую пространственную систему, то тогда кольцевые прогоны работают не только на местный изгиб, но в составе купольной системы воспринимают также кольцевые сжимающие или растягивающие усилия. В сетчатых куполах в состав конструкции, кроме ребер и кольцевых элементов, входят раскосы, что создает условия, при которых стержни работают только на осевые усилия.

Рис.4. Конструктивные решения металлических куполов:

а - ребристое; б - сетчатое

Висячие покрытия состоят из опорного контура и основных несущих элементов в виде вант или тонких стальных листов, работающих на растяжение. Поскольку основные элементы покрытия работают на растяжение, их несущая способность определяется прочностью (а не устойчивостью), что позволяет эффективно использовать высокопрочные канаты или листовую сталь. Такие покрытия весьма экономичны, однако повышенная деформативность ограничивает их применение для покрытий производственных зданий. Кроме того, учитывая большую распорность таких систем, форму в плане целесообразно принимать круглой, овальной или многоугольной, что облегчает восприятие распора. В связи с этим они применяются, в основном, для покрытий спортивных зданий, крытых рынков, выставочных павильонов, складов, гаражей и других зданий больших пролетов.

В состав вантовых висячих покрытий входят гибкие ванты (стальные канаты или арматурные стержни), располагаемые в радиальном направлении (рис.5а), в ортогональных направлениях (рис.5б) или параллельно друг другу в одном направлении (рис.6). Криволинейные замкнутые опорные контуры работают преимущественно на сжатие, а центральное кольцо - на растяжение. В этих случаях на поддерживающие покрытия конструкции (стены, колонны, рамы) передаются только вертикальные силы. В отличие от этого при незамкнутых контурах распор передается на несущие конструкции здания, что требует устройства анкерных фундаментов, работающих на выдергивание, или стен с контрофорсами и т.п. На систему вант укладываются плиты из легкого железобетона или металлические с полимерным утеплителем, трехслойные и др.

Рис.5. Системы висячих вантовых покрытий:

а - радиальное расположение вант; б - ортогональное; 1 - ванты; 2 - опорный контур; 3 - центральное кольцо

Рис.6. Висячее вантовое покрытие гаража в Красноярске:

1, 2 - ванты соответственно в середине и в торце; 3 - опорный контур; 4 - железобетонные плиты; 5 - анкерный фундамент

Системы висячих вантовых покрытий отличаются большим разнообразием. Нередко применяют шатровую вантовую систему, при которой центральное кольцо покоится на колонне и поднимается на более высокую отметку, чем опорное контурное.

Примером такой системы может служить покрытие автобусного парка в Киеве диаметром 161 м. Описанные выше системы являются однопоясными. Кроме них применяются также двухпоясные системы (особенно при больших ветровых нагрузках), в которых стабилизация покрытия осуществляется с помощью контура обратной кривизны. В таких системах несущие ванты имеют выгиб вниз, а стабилизирующие - вверх. Стабилизирующие ванты с установленным на них настилом могут быть расположены над несущими, что вызывает сжатие распорок (рис.7а). При расположении стабилизирующих тросов под несущими вантами связи между ними будут растянутыми (рис.7б). Возможен и третий вариант, при котором несущие и стабилизирующие тросы пересекаются, а стойки сжаты в средней части покрытия и растянуты - в крайних (рис.7б).

Рис.7. Двухпоясные вантовые системы:

1 - стабилизирующие ванты; 2 - стойки; 3 - несущие ванты

Большое распространение в зарубежной и отечественной практике получили также висячие тонколистовые системы - мембранные покрытия. Они представляют собой пространственную конструкцию из тонкого металлического листа (стального или из алюминиевых сплавов) толщиной в несколько миллиметров, закрепленного по периметру в опорном контуре. Их преимущества состоят в совмещении несущей и ограждающей функций, а также в повышенной индустриальности изготовления. В некоторых случаях вместо сплошной мембраны покрытие образуется из отдельных, не соединяемых друг с другом, тонких стальных лент. Располагаемые в двух взаимоперпендикулярных направлениях ленты могут переплетаться, что предотвращает их расслаивание.

Сплошное мембранное покрытие успешно применено для универсального стадиона на проспекте Мира в Москве, размеры в плане которого достигают 183х224 м (рис.8).