Трофимович - Проектирование предварительно напряженных вантовых систем

В. В. ТРОФИМОВИЧ, В. А. ПЕРМЯКОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВАНТОВЫХ СИСТЕМ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «БУДИВЕЛЬНИК»

КИЕВ- 1970

В. В. Трофимович, В. А. Пермяков  «Проектирование предварительно напряженных вантовых систем», Киев, «Будивельник», 1970, стр. 140.

В книге изложен метод расчета  предварительно напряженных статически неопределимых  вантовых ферм и комбинированных систем  минимального объема или стоимости при действии  постоянных, переменных и подвижных нагрузок. В отличие от традиционных разработанный метод  позволяет найти оптимальное распределение усилий в конструкции без решения статически  неопределимой системы с позиций метода предельного равновесия. Для решения задачи расчета  конструкции с заданной геометрической схемой  используются методы линейного программирования.

Приведены способы определения оптимальных  параметров вантовых систем с балкой жесткости. Методы расчета иллюстрируются числовыми примерами, даны рекомендации по созданию  необходимых усилий предварительного напряжения в многократно статически неопределимых  системах, приведены результаты экспериментальных исследований, описания установок. Книга рассчитана на  инженеров-проектировщиков, работников научно-исследовательских  учреждений, студентов и аспирантов строительных вузов.

Рисунков 48, библиография из 43 позиций.

ВВЕДЕНИЕ

Идея предварительного напряжения известна достаточно давно. Работы акад. А. В. Гадолина и металлурга Н. В.  Калакуцкого, опубликованные в конце XIX в., во многом предопределили создание современной теории применения  предварительного напряжения. В них указано на возможность регулирования напряжений «для увеличения сопротивления выделываемых предметов».

В 1896 г. при проектировании павильонов Нижнегородской  выставки В. Г. Шухов применил предварительное напряжение  пространственных покрытий, выполненных в виде сеток из стальных лент, а позже — предварительное напряжение легких арок для повышения их устойчивости и снижения деформативности  (покрытие пассажей ГУМа в Москве).

Существенным толчком в развитии предварительно  напряженных металлических конструкций явилось широкое  применение предварительного напряжения в железобетоне, где  благодаря этому был достигнут весьма большой эффект.

Исследованию предварительно напряженных металлических конструкций как в СССР, так и за рубежом посвящено много работ. В течение послевоенных лет построено значительное количество крупных сооружений в металле с применением  предварительного напряжения. Среди них мост через реку Томь в Новокузнецке, Новоарбатский мост в Москве, мост через Иртыш в Омске,  мостовой переход через Волгу на строительстве Волгоградской ГЭС, павильон СССР на Всемирной выставке в Брюсселе, эстрадный театр в Харькове и другие сооружения.

Основные идеи применения предварительного напряжения в металлических конструкциях заключаются в следующем:

1. Вводя предварительное напряжение в конструкцию и в  отдельные ее элементы, можно повысить предел ее упругой работы вплоть до полного исчерпания несущей способности и избежать при этом больших деформаций, характерных для  упруго-пластической стадии работы материала.

2. Создавая предварительное напряжение введением в конструкцию напрягающих элементов из высокопрочных сталей (стальных канатов, высокопрочных проволок), можно наиболее полно использовать высокие качества этих материалов, что не всегда удается сделать в обычных ненапряженных конструкциях в связи с тем, что деформативность высокопрочных элементов при напряжениях, близких к расчетным, в несколько раз больше по сравнению с элементами из обычных материалов.

3. В конструкциях, содержащих гибкие элементы (мачты на оттяжках, вантовые конструкции и т. п.), введение  предварительного напряжения обеспечивает работу гибких элементов на  растяжение, придавая тем самым меньшую деформативность  конструкции, а часто и геометрическую неизменяемость. В  последнем случае конструкция вообще не может быть осуществлена без применения предварительного напряжения.

4. Предварительное напряжение является наиболее  распространенным средством регулирования усилий в конструкции с целью перераспределения напряжений между ее элементами наиболее выгодным образом.

В отличие от железобетона, где предварительное напряжение создается только введением в конструкцию напрягающих  элементов, в металлических конструкциях имеется значительно больше способов создания предварительного напряжения [1].

1. Предварительное напряжение отдельных растянутых,  сжатых и изгибаемых стержней путем введения в их состав  предварительно растянутого элемента из высокопрочной стали (пучок проволок, стальной канат, растянутый стержень из  высокопрочной стали и т. п.).

2. Предварительная упругая или упруго-пластическая изгибная или линейная деформация элементов, входящих в состав  изгибаемой конструкции балки с последующим соединением в  деформированном состоянии путем сварки, клепки или  постановкой каких-либо других связей в целую конструкцию-балку.

3. Предварительное деформирование отдельных элементов конструкции или целых конструкций за предел текучести с целью повышения предела их упругой работы в эксплуатации.

4. Предварительное напряжение статически неопределимых конструкций (неразрезные балки, рамы, арки и т. п.) путем  принудительного смещения опор при монтаже с целью получения напряженного состояния, обратного по знаку напряженному состоянию от эксплуатационных нагрузок.

5. Предварительное напряжение конструкции путем загружения отдельных ее частей временными нагрузками с  последующим закреплением конструкции в деформированном состоянии с целью получения рационального распределения усилий.

6. Предварительное напряжение прокатных профилей путем завальцовки в них натянутой высокопрочной арматуры.

7. Предварительное напряжение растянутых гибких элементов конструкций с целью обеспечения их работы на растяжение при любых комбинациях эксплуатационных нагрузок.

Предварительное напряжение может осуществляться  полностью на заводе при изготовлении конструкций, частично на  заводе и частично на монтажной площадке в процессе укрупнительной сборки, в процессе самого монтажа конструкции и,  наконец, в период эксплуатации конструкций.

Однократное предварительное напряжение теоретически  позволяет повысить использование основного металла в 2 раза (при одинаковых расчетных сопротивлениях растяжению и  сжатию). Практически в силу целого ряда причин обычно не удается добиться двухкратного повышения несущей способности,  коэффициент использования основного металла получается порядка 1,7-1,8.

При многократном предварительном напряжении  возможность повышения коэффициента использования основного  металла теоретически неограниченна, так как в этом случае при  прикладывании полезной нагрузки ступенями можно многократно использовать несущую способность основного металла. 

Практически удается получить коэффициент использования основного металла порядка 3—5. При этом следует иметь в виду, что  повышение несущей способности основного металла происходит за счет перераспределения усилий между ним и напрягающим элементом, который должен быть рассчитан соответствующим образом. Чем выше коэффициент использования основного  металла, тем большее усилие приходится на напрягающий элемент.

В случае изготовления последнего из высокопрочного материала экономия достигается за счет непропорционального роста  стоимости и прочности (прочность растет быстрее стоимости). Дополнительные резервы экономии металла заключаются в возможности более рационального использования материала в основном элементе, приближая действующие в нем эпюры  усилий к соответствующим эпюрам материала.

Снижение веса предварительно напряженных конструкций достигается за счет более полного использования основного  металла, а также за счет замены менее прочного основного  металла более прочным металлом напрягающих элементов (обычно высокопрочной проволокой или тросами), имеющим при тех же усилиях меньшее сечение и вес.

Для конструкций из алюминиевых сплавов и высокопрочных сталей, обладающих повышенной, по сравнению с  конструкциями, выполненных из обычной стали, деформативностью,  предварительное напряжение как фактор, снижающий деформативность, может иметь решающее значение. Повышение  трудоемкости изготовления предварительно напряженных конструкций по сравнению с ненапряженными, безусловно, останется. 

Однако при массовом изготовлении и наличии соответствующей оснастки у заводов это повышение может оказаться весьма  небольшим. При этом следует помнить, что снижение веса на 1%  компенсирует повышение трудоемкости изготовления примерно на 7%. Следовательно, фактор снижения веса конструкций должен иметь решающее значение.

Значительные исследования, проведенные в области  предварительного напряжения металлических конструкций, изложены в работах Ю. В. Гайдарова [4], Е. И. Белени [1] и др. 

Большинство исследований в первое время проводилось на основе  улучшения и совершенствования конструкций существующего типа (балок, ферм, рам, арок) )или отдельных их элементов.  Достигнутые результаты по снижению веса и стоимости этих конструкций (экономия в весе 10—15%, в стоимости 5—10%) не могут удовлетворить запросы строителей, так как расход металла на строительство в нашей стране увеличивается с каждым годом. Стало очевидно, что существенного снижения расхода стали можно добиться на основе создания новых типов  конструктивных схем, в которых предварительное напряжение могло  проявить себя более рационально.

Стремление создать наиболее легкие и дешевые конструкции привело к разработке целого ряда конструктивных решений, среди которых можно выделить системы, выполненные как  целиком из гибких элементов, так и в комбинации гибких  элементов с жесткими.

Несмотря на то, что в комбинированных системах  предварительное напряжение начало применяться раньше, чем в других типах конструкций (предварительное напряжение вагонных шпренгелей, предварительное напряжение затяжек в арочных системах, предварительное напряжение оттяжек мачт и т. п.),  исследовательских работ, посвященных предварительному  напряжению конструкций этого типа, еще мало.

Вместе с тем в комбинированных системах эффект  предварительного напряжения проявляется наиболее ощутимо, так как особенность этих конструкций заключается в наличии гибких элементов (шпренгелей, цепей вант и т. п.), благодаря чему исключается необходимость введения дополнительных  напрягающих элементов. Кроме того, изменением усилий в гибких  элементах создается возможность искусственного регулирования  напряжений во всех элементах конструкций, включая жесткие.

Последнее обстоятельство играет существенную роль во всех статически неопределимых системах, которые невозможно в общем случае выполнить с полным использованием прочностных характеристик материала во всех элементах. Вследствие особенностей расчета статически неопределимых систем  неизбежно какие-то элементы окажутся недонапряженными. Введением предварительного напряжения и соответствующим  искусственным регулированием усилий можно повысить напряжения во всех элементах до величин расчетного сопротивления материала и тем самым существенно снизить вес конструкции за счет  исключения недонапряженных элементов. Например, в  ненапряженной неразрезной двухпролетной балке, подверженной  действию равномерно распределенной нагрузки, изгибающий момент над средней опорой будет больше пролетного изгибающего момента и, в случае  проектирования балки постоянного поперечного сечения, величину  последнего необходимо подбирать по  максимальному (опорному) моменту, оставляя пролетные сечения недонапряженными. Если же ввести предварительное напряжение,  например, путем опускания средней опоры (рис. 1), можно при той же нагрузке уменьшить сечение  балки за счет выравнивания  опорного и пролетных моментов. Точно так же в комбинированных  системах и вантовых фермах  предварительным напряжением шпренгелей, цепей или вант можно  добиться полного использования  материала в балке, арке или ферме.

Искусственное регулирование напряжений исследовалось рядом советских авторов, причем  наиболее полно рассматривались  вопросы усиления и реконструкции сооружений. В работе М. Н. Лащенко {22] обобщен богатый опыт советской и  зарубежной строительной практики, что позволило автору  систематизировать и описать, иллюстрируя многочисленными примерами, способы регулирования, известные в настоящее время.

С возникновением предварительно напряженных  металлических конструкций появилась возможность осуществлять  искусственное регулирование в конструкциях до ввода их в  эксплуатацию. Этот прием тем более рационален, что сталь обладает незначительной ползучестью, быстро затухающей во времени, и возможность потерь напряжений поэтому практически  отсутствует. В то же время в железобетонных конструкциях  введенные для регулирования усилия за год уменьшаются вследствие ползучести железобетона на 80—90% [15]. Однако решение этой проблемы большей частью сводится к определению оптимальных величин усилий предварительного напряжения [1], что хотя и имеет свои положительные стороны, но не использует все  возможности для проектирования эффективных конструкций.

Исключение составляют работы [11, 18, 27, 12, 13, 22], в  которых рассматривались вопросы регулирования напряжений в мостовых конструкциях, в том числе и с  использованием гибких  предварительно  напряженных элементов. Наиболее  интересный способ выбора  величин  предварительного напряжения в вантах пролетных строений предложен В. К. Качуриным. Он заключается в наложении на эпюры действующих  изгибающих моментов в балке жесткости изгибающих моментов обратного знака, которые  создаются дополнительным натяжением вант.