Перельмутер - Основы расчета вантово-стержневых систем (1969)

В книге дано систематизированное изложение основ статики вантово-сгержневых  комбинированных систем. Отличительными особенностями  монографии является ориентация на применение хорошо известных инженерам классических  методов линейной строительной механики к расчету нелинейных систем, а также выбор методов и приемов расчета, ориентированных на  использование ЭВМ. В качестве примеров  рассматриваются задачи, связанные с проектированием  мачтовых конструкций, вантовых пролетных строений и покрытий большого пролета.

Книга рассчитана на  инженеров-проектировщиков, научных работников, аспирантов и может быть использована в качестве учебного пособия по специальным разделам курсов строительной механики и металлических конструкций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Рост масштабов строительства в нашей стране,  связанный с выполнением решений XXIII съезда КПСС, ставит особенно остро вопрос обоснования принимаемых конструктивных решений. Для этого  инженеры-проектировщики должны быть вооружены соответствующим  теоретическим аппаратом.

Монография посвящена систематическому изложению основ расчета обширного класса инженерных  сооружений, в которых применяются вантовые элементы. Несмотря на то что интерес к таким конструкциям велик и область их применения с каждым годом растет, теория  статического расчета этих систем, построенная на  достаточно широких предпосылках, разработана чрезвычайно  мало. Вместе с тем некоторые существенные особенности этих систем, в частности их нелинейность, затрудняют применение привычных методов расчета, излагаемых во втузовских курсах строительной механики.

В книге изложены основы статики вантово-стержневых систем таким образом, чтобы, с одной стороны, иметь теорию, адекватную сути вопроса, а с другой, с тем, чтобы освоение теории инженером было по возможности  упрощено. С этой целью основная ориентация была взята на применение хорошо известных классических методов линейной строительной механики к расчету нелинейных вантовых систем.

Вторая отличительная особенность книги состоит в выборе таких методов расчета, которые хорошо  приспособлены к использованию современной вычислительной техники. Дело в том, что большинство реальных задач расчета сложных нелинейных вантовых систем требует выполнения столь большого количества вычислений; кроме того, без механизации сама возможность выполнения расчета становится сомнительной. В связи с этим  возникла необходимость обратить особое внимание на формализацию всех выкладок в той степени, чтобы алгоритмы расчета, построенные на основе излагаемых методов,  были совершенно недвусмысленными.

Наконец, следует отметить, что ввиду малой  разработанности основных положений нелинейной  строительной механики при исследовании вопроса о расчете вантово-стержневых систем в отдельных случаях пришлось пойти на некоторое расширение предмета настоящей монографии. Это вызвано необходимостью в построении достаточно четких отправных положений для  исследования того конкретного класса систем, которым посвящена книга.

Первоначально предполагалось, что в этой книге будут освещаться и вопросы, связанные с колебаниями вантово-стержневых систем. Однако в процессе работы над рукописью выяснилось, что рассмотрение вопросов динамики требует существенного расширения объема и  поэтому в настоящей работе излагаются лишь вопросы  статики вантово-стержневых систем.

Глава 1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВАНТОВО-СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМАХ

§ I. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В последние годы вантовые системы нашли довольно широкое применение в различных отраслях  строительства, особенно в сооружениях больших пролетов и высот.

Объясняется это тем, что вантовые системы позволяют эффективно использовать следующие прогрессивные идеи:

1) использование высокопрочных материалов, в  частности проволоки и тросов, которые уже в настоящее  время имеют прочность порядка 20 000 кГ/см². При этом конструктивный коэффициент для растянутых вантовых элементов очень невелик;

2) применение предварительного натяжения,  позволяющего активно вмешиваться в «игру сил» и добиваться эффективных конструктивных решений;

3) применение индустриальных методов монтажа, в частности навесной сборки или подъема сооружения целиком, что становится возможным в связи с меньшим весом вантовых систем по сравнению с жесткими.

Следует отметить, что наряду с отмеченными  преимуществами вантовых систем у них имеются и недостатки, к числу которых относятся сравнительно большая деформативность, опасность возникновения вибраций и  уязвимость мест анкеровки вант. Для многих типов вантовых систем выход из строя отдельных вант приводит не к  перераспределению усилий в конструкции, а к  глобальному разрушению системы. Тем не менее преимущества этих систем таковы, что их строительство  распространяется все шире, захватывая все большее число типов  инженерных сооружений.

Характерной чертой вантовых конструкций является использование в качестве основных несущих элементов гибких нитей. Системы с элементами из гибких нитей можно подразделить на сети из гибких нитей и  комбинированные системы, К первому классу относятся различного рода сети, применяемые в антенных устройствах, висячие оболочки в виде вантовых сетей, натянутых на жесткий контур, контактные сети электрифицированного  железнодорожного и городского транспорта и др. Второй класс включает в себя мосты, мачтовые конструкции,  большепролетные вантовые перекрытия с балкой жесткости, стрелы шагающих экскаваторов и многие другие типы инженерных сооружений.

В настоящей работе мы будем рассматривать вантово-стержневые системы, которые отличаются от других вантовых конструкций свойством квазинеизменяемости. Под этим термином понимается следующее — вантовая система относится к квазинеизменяемым, если  стержневая система, полученная из вантовой путем замены всех вант стержнями, способными воспринимать сжатие,  оказывается геометрически неизменяемой. Такое  определение позволяет выделить из огромного разнообразия  вантовых систем класс конструкций с общими статическими свойствами, для которого можно разработать единую теорию расчета. В следующем параграфе описываются некоторые типичные примеры вантово-стержневых  систем; рассмотрение этих примеров показывает, что  выделенный нами класс вантово-стержневых систем  достаточно обширен.

§ 2. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ ВАНТОВО-СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ

Описание различных конструктивных схем вантово-стержневых систем начнем с большепролетных покрытий. Такие покрытия возводятся над ангарами, спортивными манежами и стадионами, рынками и т. д.

Подвесное двухконсольное покрытие рынка в Ганновере (рис. 1) состоит из балок жесткости, шарнирно прикрепленных к стойкам, установленным с шагом 12,5 м и поддерживаемых шестью симметрично  расположенными вантами, вынесенными над покрытием [35]. Схема ангара в Нью-йорском аэропорту (рис. 2)  также двухконсольная, однако консоли здесь ломаные и опираются на П-образные рамы, установленные с  шагом 9,9 м. Ванты из тросов диаметром 63 мм закреплены в местах излома консолей, переброшены через  качающиеся стойки и заанкерены в основной раме [35].

Другой ангар в аэропорту Рим-Фиумицино (рис. 3) выполнен в виде Г-образных ферм, поддерживаемых  оттяжками из труб  (эффективнее оказалась бы  тросовая оттяжка). Оттяжка через шарнирно  прикрепленную к основной ферме стойку и решетчатый  горизонтальный элемент крепятся к пристройке ангара.

К этим системам  близко примыкает конструкция покрытия посадочного  павильона аэропорта Шереметьево (рис. 4). Здесь система радиально расположенных балок жесткости подвешена на вантах к верхнему кольцу, расположенному на  железобетонных колоннах [27].

Покрытие олимпийского спортивного зала в СквоВелли (рис. 5) поддерживается восемью парами  соединенных друг с другом наклонных консольных балок жесткости. Тросы диаметром 57 мм крепятся к  вершинам наклонных пилонов. Шаг основных несущих  конструкций 9,76 м [27].

Другая схема заложена в проект покрытия  московского стадиона «Динамо» (рис. 6) размером 180X226 м. Здесь развивается идея В. Г. Шухова (покрытие ГУМа в Москве) о раскреплении гибкой арки такой системой предварительно напряженных вантовых затяжек, которая заставляет работать арку подобно ферме с весьма  небольшими изгибающими моментами [44, 63]. /3,325 Широкое развитие вантово-стержпевые системы получили в конструкциях мостового типа [30, 54, 55, 83, 90, 105] (в автодорожных мостах, переходах  газопроводов и нефтепроводов через реки, в передвижных  сооружениях мостового типа).

На рис. 7 приведена одна из наиболее старых  вантовых систем мостов — система Жискляра—Росновского. Этот мост был построен в 1936 г. [83].Автодорожный мост в Кельне (Северинский мост),  показанный на рис. 8, и пешеходный мост через гавань в Киеве (рис. 9) дают примеры вантовых мостовых конструкций с упрощенной системой вант [26, 105]. Эта  система получает в последние годы широкое распространение для мостов пролетом 100—300 м. При больших пролетах из условия примыкания центральных вант к балке жесткости требуется слишком высокий пилон, что делает в некоторых случаях эту систему невыгодной. Для больших пролетов оказывается выгодной  система, примененная при строительстве Байтового перехода через Волгу, пролетом 874 м (рис. 10) для канатной дороги Волгоградской ГЭС [54]. Исходная система имела криволинейное очертание нижнего пояса, что позволило создать предварительное натяжение в вантовой решетке.

Позже при перестройке канатной дороги в автодорожный мост большая постоянная нагрузка позволила спрямить нижний пояс.

Оригинальная конструкция передвижного  дождевального агрегата длиной 600 м представлена на рис. 11. Здесь вантовая система позволила резко уменьшить вес установки при высоких эксплуатационных качествах. Следует отметить, что небольшой вес балки жесткости потребовал даже устройства балластных грузов,  создающих предварительное натяжение вант.

Высотные конструкции мачтового типа [19, 69, 78, 99] для сооружений радиосвязи, радиовещания и  телевидения дают третью группу примеров вантово-стержневых систем, нашедших себе здесь широкое применение.

Наряду с традиционными схемами [69, 78] мачт с  тремя и четырьмя плоскостями оттяжек (рис. 12) в  последние годы в мачтостроении получили широкое  распространение системы мачт, объединенных общими оттяжками в одну конструкцию. Характерным примером такой  системы являются опорные конструкции антенно-мачтовых устройств радиовещательного центра в Багдаде [19], представленные на рис. 13. Другие примеры таких систем приведены на рис. 14 и 15, где изображены схемы  опорных конструкций для широкодиапазонных  логарифмических антенн. Интересные вантово-стержневые системы встречаются [7] в стреловых системах мощных шагающих  экскаваторов (рис. 16) и в конструкциях опор линий  электропередачи (рис. 17) [29]; оригинальный трамплин построен  недавно в Киеве (рис. 18). Число примеров нетрудно увеличить, однако и  приведенных выше достаточно, чтобы судить о широте  распространения вантово-стержневых систем и о разнообразии их конструктивных схем.

§ 3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Вантово-стержневые системы будут рассматриваться ниже в предположении справедливости следующих  расчетных предпосылок:

а) нагрузки и другие внешние воздействия  предполагаются квазистатическими и консервативными;

б) все элементы работают в пределах упругих  деформаций;

в) перемещения узлов системы предполагаются  малыми в том смысле, как это принято в задачах  строительной механики, т. е. допускается принимать в  качестве кривизны стержня выражение второй производной от функции прогибов, а также считается справедливой  гипотеза Виллио; г) все гибкие нити имеют малые стрелки (являются пологими), а нагрузки на вантовые элементы  направлены по нормали к хорде.

По поводу этих предположений можно только  заметить, что они являются общепринятыми при статическом расчете и справедливость их подтверждается  многолетней практикой эксплуатации конструкций и  проведенными натурными и модельными экспериментами [71, 103].

Некоторые из этих предположений все же нуждаются в дополнительном анализе (например, вопрос о  пренебрежении составляющими нагрузки на ванты, действующими вдоль нити, рассмотрен ниже в § 7), другие могут быть оценены апостеори по результатам расчета (например, предположение о малости перемещений).