Ведеников - Металлические конструкции

М54 Металлические конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов / Г.С. Ведеников, Е.И. Беленя, B.C.  Игнатьева и др.; Под ред. Г.С. Веденикова. — 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1998. — 760 с: ил.

ISBN 5-274-01465-8

Рассмотрены вопросы проектирования строительных  металлических конструкций, их работа при различных видах нагружений,  соединения, даны основы конструирования и расчетов элементов, каркасов промышленных и гражданских зданий, листовых конструкций,  высотных сооружений. Основное внимание обращено на новые материалы и прогрессивные конструкции. Изд. 6-е вышло в 1985 г.

Для студентов строительных вузов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

ББК 38.54

© Стройиздат, 1976

© Г.С. Ведеников и коллектив авторов, 1998

 

Дорогому учителю Николаю Станиславовичу Стрелецкому авторы посвящают эту книгу

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Седьмое издание учебника, предпринятое спустя 10 лет после  предыдущего шестого издания, отражает изменения, происшедшие в области металлостроительства за последние годы. Принятые в прежних изданиях основные методические положения учебника и его структура, разработанные под  научным руководством чл.- корр. АН СССР, д-ра техн. наук проф. Н.С.  Стрелецкого и его последователя д-ра техн. наук проф. Е.И. Белени,  подтвержденные многолетним опытом строительства, сохранены.

Содержание учебника соответствует программе курса "Металлические конструкции", читаемого в строительных вузах России по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

При переработке учебника использованы последние результаты  исследований и конструктивные разработки, выполненные в ЦНИИСК им.  Кучеренко (В.М. Гарпинченко, Г.Е. Вельский, В.А. Отставное), ЦНИИПроектстальконструкции (В.В. Ларионов, Г.В. Калашников) и в других  научно-исследовательских и проектных институтах.

Во время работы над 7-м изданием учебника шла подготовка новой редакции Строительных правил по проектированию стальных конструкций. Основные положения проекта этих правил, в частности влияние формы  сечения на устойчивость центрально-сжатых элементов, классификация  сечений по виду напряженно деформированного состояния, новый подход к  проверке местной устойчивости стенок балок и другие изменения, учтены при подготовке учебника. Учтены также замечания и пожелания многих  педагогов, ученых и инженеров, занимающихся вопросами металлостроительства.

В книге на современном уровне рассмотрены вопросы работы материала, изложены основы проектирования элементов металлических конструкций, а также систем зданий и сооружений с учетом требований изготовления и монтажа. Основные расчетные положения иллюстрированы примерами.  Учебник содержит необходимые сведения и справочные материалы для  выполнения курсовых проектов.

Учебник состоит из введения и пяти разделов. Во введении приведена краткая история развития металлических конструкций в нашей стране и за рубежом, рассказано о вкладе ученых в эту область исследований, обращено внимание на особенности металлических конструкций и их применения. Первый раздел посвящен основам работы и проектирования элементов металлических конструкций и соединений. Описаны применяемые в строительстве марки сталей и их свойства, рассмотрены преимущества  низколегированных и высокопрочных сталей. Приведены основные положения  методики расчета по предельным состояниям, акцентируется внимание на  работе конструкций за пределами упругости материала, проблемах  устойчивости и хрупкого разрушения, освещены методы конструирования и расчета новых эффективных конструктивных элементов: бистальных, предварительно напряженных и перфорированных балок, трубобетонных колонн и др. Введена глава о проектировании, изготовлении и монтаже металлических  конструкций.

Во второй раздел вошли значительно обновленные и приведенные в  соответствие с современными конструктивными и компоновочными решениями сведения по проектированию стальных каркасов производственных зданий. Расширена глава о реконструкции каркасов производственных зданий. 

Введена глава о легких металлических конструкциях.

В третьем разделе изложены основы проектирования большепролетных покрытий и каркасов многоэтажных зданий. Приведены сведения о наиболее интересных объектах отечественного и зарубежного строительства. Четвертый раздел, посвященный проектированию листовых конструкций, существенно переработан. Рассмотрены вопросы конструирования и расчета резервуаров, газгольдеров и бункеров. Приведены примеры расчета  резервуаров.

Пятый раздел также обновлен. В нем содержатся сведения по  проектированию мачт, башен и опор линий электропередачи. В заключительной главе рассмотрена структура стоимости металлических конструкций и дана методика определения их технико-экономических  показателей на стадии проектирования.

Введение и глава 3 написаны д-ром техн. наук Е.И. Беленя и дополнены канд. техн. наук, проф. Г.С. Ведениковым; глава 9 — д-ром техн. наук Е.И. Беленя и дополнена канд. техн. наук, проф. Б.Ю. Уваровым; главы 1, 13—15 — Б.Ю. Уваровым; главы 2, 18, 19 — д-ром техн. наук, проф. Ю.И. Кудишиным; главы 4, 5, 8 — д-ром техн. наук, проф. B.C.  Игнатьевой; главы 6, 7. 20 — Т.С. Ведениковым; главы 10—12, 16, 17 — канд. техн. наук, доц. В.Н. Валем; главы 21—25 — д-ром техн. наук, проф. А.Б. Пуховским; главы 26—28 и приложения — канд. техн. наук, доц. Т.Н. Морачевским; глава 29 — канд. техн. наук Д.Н. Стрелецким.

Авторы приносят глубокую благодарность ЦНИИСК им. Кучеренко, ЦНИИПроектстальконструкции, Якутскому государственному университету, Щелковскому заводу Спецмонтажизделия, АООТ "Усадьба-центр" и другим организациям, оказавшим финансовую поддержку в выпуске этой книги.

 

ВВЕДЕНИЕ

Краткая история развития металлических конструкций в нашей стране. Понятие "металлические конструкции" включает в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития  металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой — возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых конструкций  такого типа являются затяжки Успенского  собора во Владимире A158). По зрелости конструктивного решения выделяется  металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок и пол чердака над  коридором между притворами Покровского  собора — храма Василия Блаженного (рис. 1). Это первая известная нам  конструкция, состоящая из стержней,  работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие пол и потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. 

Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу,  поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных  конструкций ("корзинок") глав церквей (рис. 2). Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом посаде A696—1698), перекрытие старого здания Большого  Кремлевского дворца в Москве A640), каркас купола колокольни Ивана Великого A603), каркас купола Казанского собора в Петербурге пролетом 15 м A805) и др.

Третий период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале A725). В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х  годов XIX в. является купол Исаакиевского  собора (рис. 3), собранный из отдельных  косяков в виде сплошной оболочки.  Конструкция купола состоит из верхней конической части, которая поддерживает каменный  барабан, венчающий собор, и нижней, более пологой части. Наружная оболочка купола с помощью легкого железного каркаса  опирается на чугунную конструкцию.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в  Петербурге A827—1832). В 50-е годы XIX в. в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью  арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила  постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы (рис. 4).

Сначала в фермах не было раскосов (рис. 4,а), они появились в конце  рассматриваемого периода (рис. 4,6). Сжатые  стержни ферм часто выполняли из чугуна, а  растянутые — из железа. В узлах элементы  соединялись через проушины на болтах.  Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало  конструктивную форму железных стержней  прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были оценены, и стержни уголкового или  швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым  техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более  совершенным — пудлингованием, а в конце 80-х годов — выплавкой железа из чугуна в  мартеновских и конвертерных печах.

Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической  промышленности. В 30-х годах XIX в.  появились заклепочные  соединения, чему способствовало  изобретение дыропробивного  пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения  профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными.

Сталь почти полностью  вытеснила из строительных  конструкций чугун, будучи  материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше  поддающимся контролю и механической обработке. Чугунные конструкции во второй половине XIX в. применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т.п., где могла быть полностью использована хорошая сопротивляемость  чугуна сжатию.

В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания  строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы (рис. 5). Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов.  Примерами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге A884) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м A891), покрытие Гатчинского  вокзала A890) и др.

Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достигла в покрытии дебаркадеров Киевского вокзала в Москве (рис. 6), построенного по проекту В.Г. Шухова A913—1914).

В конструкциях этих сооружений хорошо проработаны компоновочная схема, опорные закрепления и узловые заклепочные соединения.

Во второй половине XIX в. значительное развитие получило  металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. В процессе строительства мостов развивалась конструктивная форма металлических  конструкций, совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология  изготовления и монтажа. Принципы проектирования, разработанные в  мостостроении, были перенесены затем на промышленные и гражданские объекты.

Основателями русской школы мостостроения являются инженер СВ. Кербедз и профессоры Н.А. Белелюбский и Л.Д. Проскуряков.

СВ. Кербедз A810—1899), инженер-строитель, построил первый в  России железный мост с решетчатыми фермами через р. Лугу A853). Он же является автором самого крупного чугунного моста в Петербурге. Проф. Н.А. Белелюбский A848—1922), мостостроитель и ученый,  впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм (рис. 7), разработал первый в России метрический сортамент прокатных профилей,  усовершенствовал методику испытаний строительных материалов, написал первый  систематизированный курс по строительной механике. Проф. Л.Д. Проскуряков A858—1926) ввел в мостовые фермы  треугольную и шпренгельную решетки и разработал теорию о наивыгоднейшем  очертании фермы. За проект моста через Енисей на Парижской выставке 1900 г. Л.Д. Проскуряков был удостоен золотой медали.

Большой вклад в дальнейшее развитие металлических конструкций в конце XIX и начале XX в. и распространение опыта, накопленного в  мостостроении, на металлические конструкции гражданских и промышленных зданий внесли Ф.С. Ясинский, В.Г. Шухов и И.П. Прокофьев. В этот период развитие металлургии, машиностроения и других отраслей промышленности внесло качественное изменение в технологию производства и потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Первое время их устанавливали на эстакадах (рис. 8), однако это загромождало помещение. С увеличением грузоподъемности мостовых кранов и насыщенности ими производства, а также с увеличением высоты и ширины пролетов помещений стало  целесообразным строить здания с металлическим каркасом, поддерживающим как ограждающие конструкции, так и пути мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис. 9), включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы). Проф. Ф.С. Ясинский A858—1899) первый запроектировал  многопролетное промышленное здание с металлическими колоннами между пролетами и разработал большепролетные складчатые и консольные конструкции  покрытий. Он же внес значительный вклад в расчет сжатых стержней на продольный изгиб, работающих в упругопластической зоне деформирования стали.

Исключительно плодотворной и разносторонней была деятельность  почетного академика В.Г. Шухова A853—1939). Он первый в мировой практике разработал и построил пространственные решетчатые конструкции  покрытий (рис. 10) и башен различного назначения, использовав для них линейчатые поверхности (рис. 11). В построенных им сооружениях  реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения  покрытий в виде висячих систем с эффективным использованием работы  металла на растяжение (рис. 12). Этими проектами В.Г. Шухов намного  опередил своих современников и предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций, закрепив тем самым приоритет нашей страны.

Особенно значительна его теоретическая и практическая работа в области резервуаростроения и других листовых конструкций. В.Г. Шухов разработал новые конструктивные формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров.

Профессор И.П. Прокофьев A877—1958), используя накопленный опыт, опубликовал первую  монографию по изготовлению и монтажу  металлических мостов и запроектировал ряд уникальных по тому времени большепролетных покрытий  (Мурманские и Перовские мастерские  Московско-Казанской ж.д., Московский почтамт, дебакадер Казанского  вокзала в Москве).

Пятый период  (послереволюционный) начинается с 20-х годов, с первой пятилетки, когда государство приступило к осуществлению  широкой программы индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные  конструкции были почти полностью  заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-е годы позволило применять в  металлических конструкциях вместо  обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь (сталь кремнистую для  железнодорожного моста через р. Ципу в  Закавказье и сталь ДС для Дворца  Советов и москворецких мостов). В  середине столетия номенклатура  применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных сталей значительно расширилась, что позволило существенно уменьшить вес конструкций и создать  сооружения больших размеров. Кроме стали в металлических конструкциях  начали использовать алюминиевые  сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

В мощную отрасль индустрии выросла производственная база  металлических конструкций. Заводы и специализированные монтажные организации, оснащенные современным высокопроизводительным оборудованием, были объединены в одну систему (Главстальконструкция), выполняющую основной объем строительства металлических конструкций. Объем металлических  конструкций за этот период A930—1980) увеличился более чем в 20 раз.

Чрезвычайно расширилась номенклатура металлических конструкций и  возросло разнообразие их конструктивных форм. Резкий подъем количества и Рис. 11. Башня В.Г.Шухова в Москве качества металлических конструкций был вызван развитием всех ведущих отраслей народного хозяйства, грандиозным размахом промышленного и гражданского строительства.

Большие и многообразные задачи по развитию металлических  конструкций решались усилиями проектных, научных и производственных  коллективов. Особенно велика роль проектных трестов — Проектстальконструкции и Промстройпроекта, научных институтов — Центрального научного  института промышленных сооружений (ЦНИПС), в 50-е годы реорганизованного в Центральный научно-исследовательский институт строительных  конструкций (ЦНИИСК), а также вузовских коллективов. Принцип целесообразности совместной работы проектных и научных коллективов в 70-е годы был  закреплен преобразованием треста Проектстальконструкция в ЦНИИПроектстальконструкцию — ведущую проектно-исследовательскую организацию  металлических конструкций — и Промстальконструкции во ВНИПИПромстальконструкцию — "ведущую организацию по проектированию и исследованию монтажных работ, а также созданием ВНИКТИСК — ведущей организации по проектированию и исследованию технологии изготовления металлических конструкций.

В начале 30-х годов стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкций. В связи с развитием металлургии и  машиностроения строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом.

Стальные каркасы промышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций, определяющей общее направление их развития. Советская школа постепенно отходила от европейских схем  компоновки поперечных рам каркаса, для которых характерны стремление  приблизить конструктивную схему к расчетным предпосылкам и введение  большого числа шарниров, что усложняло монтаж и изготовление конструкций (рис. 13). Такие схемы не отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты и, главное, грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов.

Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в большей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования  поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их путем аналитического определения оптимальных геометрических соотношений  элементов, схемы решеток и т.п. (рис. 14).

Аналитические изыскания оптимальных компоновочных схем и  геометрических размеров сечений элементов стали характерной чертой развития всех видов металлических конструкций в Советском Союзе. Такой подход позволил решать одновременно задачи снижения трудоемкости изготовления конструкций, экономичного использования стали и скоростного монтажа.

Принцип комплексного решения задач при изыскании оптимальной  конструктивной формы металлических конструкций стал основным для советской школы проектирования.

Характерной чертой развития металлических конструкций стала  типизация конструктивных схем и элементов. Большой объем строительства и связанная с ним повторяемость конструкций создали предпосылки для  разработки типовых схем и конструктивных решений каркасов промышленных зданий.

В 1939 г. Промстройпроектом были разработаны типовые секции одноэтажных промышленных зданий со стальным каркасом. Типовые секции включали объемно-планировочные решения для различных пролетов, типовые конструктивные схемы компоновки каркаса и типовые решения конструктивных элементов (ферм, колонн, подкрановых балок и т.п.). Впервые был введен трехметровый модуль пролетов, который затем (в 50-е годы) был заменен шестиметровым, типизированы здания отдельных видов производств (мартеновские цехи, прокатные и т.п.), причем типизация распространилась на пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни,  радиомачты. Типизация, а затем унификация и стандартизация стали одним из главных направлений развития металлических конструкций. Это снижало трудоемкость изготовления и монтажа конструкций и благодаря  упорядочению проектирования уменьшало расход стали.

В годы Великой Отечественной войны 1941—1945 гг. несмотря на  временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции, лучше  других отвечавшие основной задаче военного времени — скоростному  строительству.

В 50—70-е годы строительство металлических конструкций развивалось с соблюдением основных принципов советской школы проектирования,  установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение  изготовления, ускорение монтажа. Для этих лет характерно широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми  технологическими нагрузками. Построены такие уникальные промышленные  здания, как сборочный цех пролетом 120 м с кранами грузоподъемностью 30 т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 57 м (рис. 15), и двухпролетное здание с кранами грузоподъемностью 1200 и 600 т (рис. 16).

...