Б. В. Горенштейн - Железобетонные пространственные конструкции для строительства на Севере

Б. В. ГОРЕНШТЕИН
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЕВЕРЕ
ЛЕНИНГРАД
СТРОИИЗДАТ
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1979

 

Железобетонные пространственные конструкции для строительства на Севере. — Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1979.—160 с, ил.

В книге рассмотрены методы разработки, компоновки, расчета и проектирования железобетонных пространственных покрытий: куполов, оболочек отрицательной кривизны, висячих оболочек с учетом специфических условий Севера. Даны рекомендации по изготовлению, проектированию и монтажу сборных оболочек и их технико-экономические показатели. Приведены примеры пространственных конструкций преимущественно по объектам, осуществленным на Севере (в Красноярском крае и др.). Конструкции, возведенные в других климатических районах, рассматриваются под углом зрения применимости их в северной строительно-климатической зоне.

Книга предназначена для инженеров-проектировщиков и строителей.

 

ВВЕДЕНИЕ

Применение оболочек на Севере характеризуется рядом особенностей. Если железобетонные оболочки технически целесообразны в зонах умеренного климата, то эффективность их применения возрастает в северных районах, для которых характерны повышенные снеговые нагрузки и возможность образования снеговых мешков в местах перепадов, а следовательно, значительные нагрузки на покрытия.

При больших нагрузках полнее используется несущая способность сжатой оболочки, толщина которой при малых нагрузках зачастую принимается по конструктивным соображениям, а не но несущей способности.

При значительных внешних нагрузках меньшую роль играет собственный вес несущей конструкции: в результате железобетонные оболочки оказываются не только более капитальными и огнестойкими, но и более экономичными, чем легкие стальные покрытия со стальным профилированным настилом. При этом железобетонные оболочки не требуют систематического ухода в процессе эксплуатации. Эти свойства являются решающими во всех случаях, когда производство сборных элементов может быть организовано в закрытых помещениях, в относительной близости от места их возведения. Стальные или даже алюминиевые конструкции могут оказаться целесообразнее только в труднодоступных для транспорта районах.

При возведении железобетонных оболочек в районах с суровым климатом экономичнее организовать производство сборных элементов в закрытых цехах заводов железобетонных изделий, так как срок действия открытых полигонов зачастую не превышает 5—6 месяцев.

В таких районах особенно серьезно должны решаться вопросы замоноличивания оболочек. Процесс замоноличивания следует максимально механизировать, с тем чтобы сократить трудоемкость и продолжительность работ. В условиях отрицательных температур замоноличивание должно производиться в строго продуманном порядке с применением противоморозных добавок или электропрогрева.

В книге излагаются основы проектирования, компоновки и расчета различных видов оболочек, приводятся примеры конструкций, методы изготовления и монтажа, а также технико-экономические показатели оболочек в сравнении с плоскостными покрытиями на примере строительства в северных районах, в частности в Красноярском крае. Однако, учитывая то, что в северных районах страны оболочки не нашли еще достаточно широкого применения, приводятся примеры из опыта строительства их в других районах нашей страны и за рубежом.

В настоящей книге рассматриваются также вопросы изготовления, транспортирования и монтажа, приводятся технико-экономические показатели цилиндрических оболочек и оболочек положительной кривизны. В то же время конструкции их не даются, так как эти виды оболочек подробно описаны в работе [21].

Уделяется внимание комплексным металложелезобетонным конструкциям, применение которых особенно при значительных пролетах оказывается целесообразным как с точки зрения удобства и простоты возведения, так и по экономическим соображениям.

Большое внимание в книге уделено сборным конструкциям, ибо сборность — основной принцип советской школы проектирования и строительства — приобретает особенное значение в северных условиях, когда затраты труда на строительной площадке и срок возведения сооружения должны быть сведены к минимуму. Конструкция должна собираться из малого числа разнотипных многократно повторяющихся элементов, изготовляемых высокомеханизированным способом в заводских условиях и собираемых на строительной площадке без лесов или подмостей.

Строительство сборных пространственных покрытий стало возможным в результате создания мощной промышленности строительных материалов и развития в стране производства сборного железобетона.

Применение рациональных пространственных покрытий — оболочек позволяет перейти к укрупненной сетке колонн и тем самым к созданию универсальных цехов с «гибкой» технологией, при этом вес покрытия и соответственно расход бетона и стали могут быть заметно уменьшены, что создает дополнительные резервы в развитии строительства и обеспечивает экономию капитальных вложений.

 

ГЛАВА I

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КУПОЛОВ, ОБОЛОЧЕК ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ КРИВИЗНЫ, ВИСЯЧИХ ОБОЛОЧЕК И О МЕТОДАХ ИХ РАСЧЕТА

Первые сборные купольные покрытия в нашей стране начали возводиться в Тбилиси в 1960 г. для покрытия Дворца спорта (диаметр 76 м) и спортивного зала. Аналогичный купол построен также над ванным зданием в Цхалтубо. Все эти сооружения монтировались навесным способом из сборных трапециевидных панелей.

В 1961 г. в Ленинграде по проекту ПИ-1 возведен монолитный купол переменной толщины диаметром 76 м над одним из лабораторных зданий.

Первые сборные оболочки отрицательной гауссовой кривизны в виде четырех скрученных прямоугольников возведены в 1961 г. в Черногорске (Красноярский край) по проекту Ленинградского Промстройпроекта для покрытия цеха железобетонных изделий треста Красноярскшахтстрой и имеют размеры 18 X 6 м. Аналогичные оболочки размером 18 X 12 м применены там же для домостроительного комбината в 1965—1966 гг. Оболочки отрицательной гауссовой кривизны размером 30 X 30 м возведены в 1968 г. в Ачинске для покрытия гаража, а размером 18 X 18 м — на текстильной фабрике в Щекино; обе конструкции сооружены по чертежам Московского Промстройпроекта.

В 1958—1959 гг. на Украине по проектам Киевского Промстройпроекта и НИИСКа начинается строительство многоволновых сводов отрицательной гауссовой кривизны шириной 2 м, пролетом 18 м. Этими сводами перекрывается ряд производственных и сельскохозяйственных зданий. В дальнейшем длина волны сводов возрастает до 3 м, а пролет — до 38,5 м (зерносклад в Черкассах).

В последнее время многоволновые покрытия собираются из крупноразмерных J предварительно-напряженных панелей-оболочек гиперболического очертания размером 3 X 12 и 3 X 18 м. Такие панели начали применять в 1962 г. в Киеве, позднее — в Иркутске, Молдавии и Ленинграде. Из зарубежных оболочек следует отметить сборные предварительно-напряженные гиперболические панели-оболочки размером 2,5 X 20 м, нашедшие широкое применение в ФРГ. Большое число разнообразных, преимущественно монолитных, гиперболических оболочек осуществлено инж. Ф. Канделой в Мексике.

Первые висячие конструкции были сооружены В. Г. Шуховым в 1896 г. на Нижегородской ярмарке. Строительство висячих конструкций в СССР начато в 1958— 1960 гг. В эти годы в Баку по проекту Бакгипрогора были построены летний кинотеатр и детский театр с покрытием отрицательной гауссовой кривизны размером 20 X 30 м.

В 1960 г. в Таллине по чертежам Эстонпроекта сооружен висячий навес пролетом 75 м над эстрадой Певческого поля. В 1962—1963 гг. в Еманжелинске по проекту института Ленинградский Промстройпроект сооружается два круглых в плане висячих железобетонных покрытия диаметром 40 м над зданиями горизонтальных шламбассеинов цементного завода. Это первая в СССР железобетонная висячая оболочка.

В 1963 г. в Харькове по чертежам Харьковского Промстройпроекта и Харьковпроекта был возведен киноконцертный зал с овальным висячим покрытием — оболочкой размером 45 X 48 м.

В 1963—1964 гг. в Красноярске по чертежам Ленпромстройпроекта сооружается железобетонная сборная висячая оболочка пролетом 78 м над закрытой стоянкой гаража. Интересна конструкция круглого висячего покрытия из пемзожелезобетона диаметром 25 м, сооруженная над испытательным полигоном ТбилЗНИИЭПа в 1966 г.

За рубежом висячие конструкции находят весьма широкое применение для общественных и спортивных зданий. Так в 1959 г. в Дортмунде (ФРГ) висячей напряженной оболочкой перекрыт выставочный зал пролетом 80 м при прямоугольном плане здания.

Интересные и эффектные висячие конструкции осуществлены в 1964 г. в Токио под руководством проф. Цубои на строительстве комплекса спортивных сооружений для Олимпийских игр. В Дурбане (ЮАР) осуществлено в 1971 г. строительство висячей оболочки шатрового типа диаметром 160 м над резервуаром для воды.

Рассмотрим вкратце развитие теоретических работ, посвященных расчету оболочек, в частности прикладных работ по расчету куполов, оболочек отрицательной кривизны и висячих систем.

Расчет сферических оболочек впервые произведен Ф. Дишингером на основе безмоментиой теории. Расчету сферических оболочек на произвольные нагрузки посвящен ряд работ В. В. Соколовского [67], Ю. В. Репмана 159], А. Л. Гольденвейзера [10], предложивших рассматривать напряженное состояние сферической оболочки как сумму трех напряженных состояний — моментного, безмоментного и краевого эффекта. И. Я- Штаерман рассмотрел осесимметричную задачу сферической оболочки, а также провел аналогию между куполом и аркой, лежащей на упругом основании [71 ]. Новую форму записи уравнения тонких сферических оболочек предложил в своем капитальном труде В. 3. Власов. Работа Дж. Гольдберга и А. Сетлюра (США) посвящена устойчивости купола и учету влияния предварительного напряжения опорного кольца [9].

Вопрос об обеспечении безмоментного состояния купола путем обжатия опорного кольца рассмотрен в работе [14]. Расчету оболочек отрицательной гауссовой кривизны посвящены работы Ф. Канделы [76, 77], Ф. Флюгге [69], Е. Хеусслера [79].В. Чоика произвел расчет секторных многоугольных в плане оболочек отрицательной кривизны на основе безмоментного метода Пухера [81].

И. Е. Милейковский и В. Д. Райзер [50] разработали прикладные методы расчета оболочек и складок положительной и отрицательной кривизны, в том числе непрямоугольных. Расчет основного элемента висячих систем — упругой гибкой нити — наиболее полно освещен Р. Н. Мацелинским [49] и В. К- Качуриным [34], последний особое внимание уделил пологим нитям и нитям с опорами в разных уровнях. Уточнение работы гибкой нити дано А. Р. Ржаницыным [60], им же решен вопрос о колебаниях вертикальной пологой нити. Приближенное решение работы нити за пределами упругости приведено в работе [20].

Основные статико-геометрические закономерности вантовых ферм разработаны И. М. Рабиновичем [54], который ввел в строительную механику понятие о мгновенножестких системах.

Расчет двухпоясных предварительно-напряженных вантовых ферм предложен В. К. Качуриным [34], Г. Э. Райнусом [56] и Э. Н. Кузнецовым [36]. Приближенный расчет двухпоясных ферм выполнен Н. С. Москалевым [51] и Б. В. Горенштейном [17].

Расчет радиальных вантовых систем наиболее полно освещен Э. Н. Кузнецовым [38] для радиальных систем произвольного вида, им же решен вопрос о принципах построения систем с безмоментным контуром, для круглого кольца решена задача о его устойчивости с учетом работы упругих радиальных вант.

Экспериментальное исследование круговых систем выполнено в работе [44]. Приближенный расчет таких систем при несимметричной нагрузке предложен в работах [35] и [19]. Ряд авторов разработал вопросы расчета вантовых сетей. Впервые сети были рассмотрены А. П. Синицыным [64]. В. Н. Гордеев [11] вывел уравнения напряженно-деформированного состояния сети в координатах, совпадающих с двумя семействами нитей, Л. Г. Дмитриев [26] разработал итерационный метод расчета вантовых сетей и метод последовательных нагружений. Разработка методов расчета вантовых сетей, в том числе мгновенножестких, принадлежит Э. Н. Кузнецову [40]. Практические приближенные способы расчета сетей даны В. К. Качуриным и автором в работах [34, 35 и 18].

Расчету комбинированных систем — вантовых с жесткими элементами— посвящена работа Н. М. Кирсанова [33]. Указания о методах динамического расчета висячих систем разработаны А. Р. Лилеевым и Е. Н. Селезневой [46]. Из зарубежных работ, посвященных висячим системам, следует отметить книгу Ф. Отто [52], а также работы Д. Яверта [74, 75], 3. Соботки [66], Р. Ривлина [80], Г. Эрас и X. Эльце [78].

 

ГЛАВА II

КУПОЛА-ОБОЛОЧКИ

§ 1. Виды и формы куполов-оболочек

Купольные конструкции являются одной из наивыгоднейших конструктивных форм, в которой материал работает главным образом на сжатие или растяжение, а область влияния изгибающих моментов невелика. Купольные покрытия могут быть выполнены на круглом или эллиптическом плане.

Круговым куполом называется тонкостенная оболочка, срединная поверхность которой образована вращением некоторой плоской кривой (образующей) вокруг вертикальной оси, называемой осью купола. Купола вращения могут иметь сферическое, параболическое, эллиптическое, стрельчатое или коническое очертания (рис. 1).

Купол собирают из отдельных плоских плит так, чтобы они вписались в его криволинейную поверхность. В этом случае можно говорить об аппроксимации той или иной поверхности. Различают купола замкнутые, или глухие, и незамкнутые — с центральным отверстием для светового или аэрационного фонаря. Нижний край оболочки купола опирают на растянутое кольцо, воспринимающее распор. Центральное отверстие для фонаря также обычно окаймляют кольцом, работающим на сжатие.

Купола могут быть монолитными или сборными. Монолитные выполняются, как правило, гладкими, обычно с переменной толщиной стенок, возрастающей вблизи опорного кольца. Толщина монолитной оболочки принимается по расчету на устойчивость: минимальная толщина — 40-60 мм. Сборные купола обычно монтируют из ребристых тонкостенных плит, располагая ребра в меридиональном и кольцевом направлениях. Толщина плиты сборных элементов в пределах одного элемента может быть принята постоянной или же переменной. Сборные плиты купола выполняются обычно либо плоскими, либо с цилиндрической поверхностью. Элементы двоякой кривизны применять не рекомендуется ввиду сложности изготовления пространственных арматурных сеток и усложнения формования. Минимальная толщина сборных элементов купола по конструктивным соображениям принимается 25—30 мм. Высота ребер подбирается по условиям устойчивости оболочки в стадии эксплуатации, а также по прочности и жесткости в период изготовления, транспортировки и монтажа.

Членение куполов на сборные элементы осуществляется обычно в меридиональных и кольцевых направлениях, размеры элементов принимаются в зависимости от метода монтажа купола (см. гл. VI). Сборные плиты имеют в плане форму трапеций, ширина которых из соображений транспортабельности не должна превышать 3,5— 3,7 м, а длина — 18ч-24 м.

Опорные кольца куполов могут быть монолитными или сборными; в последних сборные элементы соединяются между собой сваркой или путем перепуска арматуры с последующим бетонированием стыков на месте монтажа. Опорные кольца, особенно при значительном диаметре купола, рекомендуется выполнять предварительно-напряженными, что уменьшает деформативность купола и предохраняет конструкцию от возможности возникновения радиальных трещин между соседними плитами. Предварительное напряжение опорных колец удобно осуществлять электротермическим способом, применяя для напряжения стержневую арматуру.

В этом случае напрягаемая арматура заранее сваривается в кольца, длина которых тщательно выверяется в соответствии с длиной наружного периметра обжимаемого железобетонного кольца. Длина арматурного кольца должна быть несколько меньше периметра железобетонного, с тем, чтобы после необходимого удлинения обжать его соответствующим усилием.

Арматурные кольца укладываются поверх железобетонного кольца, затем к ним подводится ток; после удлинения в результате нагревания диаметр арматурного кольца становится больше диаметра железобетонного, что позволяет опустить его в проектное положение. После отключения тока арматура остывает и обжимает опорное кольцо купола. Хорошим способом предварительного напряжения опорного кольца является применение специальной навивочной машины, позволяющей использовать высокопрочную арматуру.

Кольцо рекомендуется опирать так, чтобы обеспечить возможность его горизонтального перемещения от температурных деформаций и при изменении нагрузки на купол. Подвижное опирание может быть осуществлено через систему «качающихся» стоек, а в случае относительно небольших куполов — укладкой опорного кольца на нижележащую конструкцию через слой графитового порошка.

 

§ 2. Расчет куполов-оболочек

Рассмотрим расчет тонкостенных куполов-оболочек вращения. Если толщина оболочки не превышает 1/20 наименьшего радиуса кривизны купола, то расчет оболочки с достаточной для практики степенью точности может быть выполнен по безмоментной теории.

При этом должны быть соблюдены следующие условия:

а) толщина стенки, радиусы кривизны, упругие свойства материала и нагрузка должны изменяться плавно, без скачков;

б) края оболочки должны иметь возможность свободно перемещаться, а краевые меридиональные усилия должны быть направлены по касательной к меридиану, т. е. края оболочки должны находиться в условиях статической определимости.

Нарушение каждого из этих условий вызывает появление в оболочке местных возмущений, так называемого краевого эффекта. В этом случае в оболочке купола возникают меридиональные и тангенциальные изгибающие моменты и соответствующие им поперечные силы, определяемые средствами моментной теории.

...