ДВУХПОЯСНАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ТРОСОВАЯ СИСТЕМА
DOUBLE-BELT PRE-STRESSED WIRE SYSTEM

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве элемента покрытия зданий и сооружений различного назначения.
Известна двухпоясная предварительно напряженная система [1], состоящая из тросовых поясов, объединенных стойками. Недостатком такого решения является повышенная деформативность, особенно под действием внешней несимметричной нагрузки (по «S»-образной форме, максимальные прогибы - в 1/4 пролета). Уменьшение деформативности достигается повышением предварительных напряжений, что ведет к росту усилий в поясах системы, и, как следствие, к повышенному расходу дорогостоящих стальных тросов.
Известен шпренгельный стержень [2] (данное решение принимается за прототип) и шпренгельные фермы [3, 4], состоящие из балки-распорки и стоек, жестко соединенных с ней, объединяющих балку-распорку с тросовыми поясами. Высокопрочный тросовый нижний пояс в системах [2, 3, 4] включается в работу вследствие деформаций балки-распорки, которая воспринимает основную часть внешней нагрузки. Применение пружин, поддерживающих сердечники в системе [3], приводит к повышенным деформациям верхнего пояса, но не освобождает балку-распорку от восприятия внешней нагрузки. Силы трения, возникающие между сквозными вкладышами 10 и упорными фланцами 9, совместно с действием пружинных элементов 13 системы [4] также приводят к передаче большей части нагрузки на центральную балку.
Недостатком данных решений является повышенная материалоемкость балки-распорки, которая выполняется из обычной строительной стали и имеет повышенные жесткостные характеристики, в отличие от высокопрочных тросовых поясов. Как следствие, балка-распорка воспринимает основную часть внешних нагрузок и должна иметь увеличенное поперечное сечение из условия обеспечения несущей способности, а высокопрочный несущий пояс, включающийся в работу вследствие деформаций балки-распорки (которые малы), работает не эффективно, воспринимая лишь малую часть внешней нагрузки.
Известна висячая ферма [5], нижний пояс которой выполнен из отдельных элементов, соединенных между собой с конструктивным зазором. В процессе монтажа, нижний пояс остается не сомкнутым, и после приложения постоянной нагрузки он стыкуется. В результате, нижний пояс работает только на временную снеговую нагрузку. Это позволяет уменьшить перенапряжения в элементах фермы от переменной нагрузки. Недостатком данного решения является то, что до стыковки нижнего пояса, работа системы аналогична работе нити на двух опорах (всю нагрузку воспринимает верхний пояс), что сказывается на повышении деформативности системы. Особенно неблагоприятное действие оказывают динамические воздействия ветра, вызывающие повышенные деформации висячей фермы и кратковременную стыковку нижнего пояса с последующим выключением его из работы.
Техническая задача изобретения - уменьшение деформативности и материалоемкости системы. Данная цель достигается применением балки-жесткости, включающейся в работу, когда система претерпела определенные деформации и высокопрочные тросовые пояса восприняли большую часть внешней нагрузки. Таким образом, балка жесткости играет стабилизирующую функцию, вследствие чего расход материала на ее изготовление снижается, а при действии несимметричной нагрузки или симметричной нагрузки большой интенсивности деформативность системы уменьшается.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фигуре 1 представлен общий вид двухпоясной тросовой системы, предварительные напряжения в которой создаются путем увеличения длин стоек.
На фигуре 2 представлен общий вид двухпоясной тросовой системы, предварительные напряжения в которой создаются путем натяжения нижнего пояса.
На фигуре 3 представлен разрез 1-1 по фигуре 1.
На фигуре 4 представлен узел А по фигуре 1. Первый вариант сопряжения стойки-распорки и балки жесткости.
На фигуре 5 представлен вид А по фигуре 4.
На фигуре 6 представлен узел А по фигуре 1. Второй вариант сопряжения стойки-распорки и балки жесткости.
На фигуре 7 представлен вид Б по фигуре 6.
На фигуре 8 представлен узел А по фигуре 1. Третий вариант сопряжения стойки-распорки и балки жесткости.
На фигуре 9 представлен вид В по фигуре 8.
На фигуре 10 представлен узел А по фигуре 1. Четвертый вариант сопряжения стойки-распорки и балки жесткости.
На фигуре 11 представлен вид Г по фигуре 10.
На фигуре 12 представлена двухпоясная тросовая система, напряженная увеличением длин стоек.
На фигуре 13 представлено воздействие постоянной нагрузки на двухпоясную тросовую систему.
На фигуре 14 представлено воздействие постоянной и временной симметричной нагрузки на двухпоясную тросовую систему. Балка жесткости включается в работу, уменьшая деформативность системы.
На фигуре 15 представлено воздействие постоянной и временной несимметричной нагрузки на двухпоясную тросовую систему. Балка жесткости включается в работу, уменьшая деформативность системы.
Предлагаемое решение состоит из верхнего 1 и нижнего 2 поясов, выполненных их стальных тросов, стоек-распорок 5, объединяющих пояса 1 и 2 между собой, балки жесткости 4, средств создания предварительных напряжений 3а или 3б. К распоркам 5 приварены фиксаторы 6 в виде штырей, проходящие в пазы 9, имеющие строго определенную длину, зависящую от диаметра фиксатора 6 и расчетных зазоров Δ1 и Δ2.
Возможны следующие варианты сопряжения стойки-распорки и балки жесткости.
Варианты 1 и 2 (фигуры 4 и 6) заключаются в прорези пазов 9 непосредственно в балке жесткости 4. Для плавной передачи нагрузки на балку жесткости, а также для уменьшения изгибающих моментов в балке жесткости от действия усилий предварительных напряжений, предусматриваются пружины 7 с направляющими. Пружины 7 упираются в консоли 8, либо непосредственно в полку балки жесткости (не показаны).
Варианты 3 и 4 (фигуры 8 и 10) заключаются в применении дополнительных элементов (накладок), связывающих балку жесткости и стойки-распорки. Варианты 3 и 4 позволяют скомпенсировать неточности изготовления элементов системы и погрешности при ее возведении. Для плавной передачи нагрузки на балку жесткости, а также для уменьшения изгибающих моментов в балке жесткости от действия усилий предварительных напряжений, возможно применение пружин 7 с направляющими (не показаны).
На фигурах 8 и 9 показан стальной уголок 10 с пазом 9, прорезанном от обушка вдоль пера на расчетную глубину. Уголок навешивается на фиксатор 6, устанавливается на верхний пояс балки жесткости через набор пластин 11 и фиксируется болтами 12.
На фигурах 10 и 11 показана фиксирующая пластина 13 с пазом 9. Пластина навешивается на фиксатор 6 и соединяется монтажной сваркой 14 с балкой жесткости.
Работа системы иллюстрируется фигурами 12-15. Индексами 1, 2 и 4 обозначены верхний и нижний пояса, а также балка жесткости, соответственно, в состоянии до приложения нагрузки, а индексами 1а, 2а и 4а - после нагружения.
В исходном положении фиксатор 6 находится в контакте с верхней гранью паза 9, либо с пружиной 7. После создания предварительных напряжений в системе (фиг.12) фиксатор 6 воздействует на балку жесткости, выгибая ее вверх. При наличии пружины 7, она сжимается до упора.
Под действием постоянной нагрузки (фиг.13) напряжения в балке жесткости уменьшаются, а затем падают до нуля и предложенная система работает, как обычная двухпоясная преднапряженная система [1].
С ростом внешней нагрузки (например, при действии временного загружения, фиг.14) нижний зазор Δ1 паза 9 закрывается, и балка жесткости включается в работу, предотвращая дальнейшие избыточные перемещения. Балка жесткости воспринимает лишь остаточную нагрузку (основную часть нагрузки воспринял несущий высокопрочный пояс 2).
1
2
При несимметричном внешнем загружении (фиг.15) балка жесткости стабилизирует систему, уменьшая перемещения незагруженной части вверх, а после закрытия нижнего зазора Δ1 паза 9, уменьшая перемещения загруженной части вниз. В этом случае, в отличие от симметричного загружения, балка жесткости воспринимает большую часть внешней нагрузки, общая интенсивность которой значительно меньше, т.к. нагружена лишь / пролета, а распределение нагрузки более благоприятно для балки (нагрузка смещена к опоре). Применение пружинных элементов 7 улучшает работу системы, т.к. при возникновении вертикальных перемещений части системы вверх, балка жесткости сразу включается в работу, что положительно влияет на величины суммарных деформаций.
К преимуществам предлагаемого технического решения относится снижение материалоемкости и деформативности тросовой системы, т.к.:
- при симметричной нагрузке высокопрочные тросовые пояса воспринимают большую часть внешнего воздействия, а балка жесткости оказывает поддерживающий эффект;
- при несимметричной нагрузке, вызывающей меньшие напряжения, но влекущей большие перемещения, балка жесткости играет основную роль.
ИСТОЧНИКИ
1. Беленя Е.И. Металлические конструкции: Спец. курс: Учеб. пособие для вузов. / Е.И.Беленя, Н.Н.Стрелецкий, Г.С.Ведеников и др./ Под ред. Е.И.Беленя - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1991. - 687с. Стр.346-349.
2. Беленя Е.И. Предварительно напряженные несущие металлические конструкции / Е.И.Беленя. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1975. - 416с. Стр.104-106.
3. Патент РФ 2182208, Е04С 3/10. Предварительно напряженная пространственная шпренгельная ферма. / В.В.Егоров, Е.Н.Алексашкин, М.П.Забродин, В.В.Веселов (РФ). - Заяв. 24.01.2001. Опубл. 10.05.2002.
4. Патент РФ 2186914, Е04С 3/10. Предварительно-напряженная шпренгельная ферма. / В.В.Егоров (РФ). - Заяв. 05.04.2001. Опубл. 10.08.2002.
5. А.с. СССР 996670, Е04С 3/04. Висячая ферма. / Н.С.Москалев, П.Б.Васнецов, Ю.В.Рацкевич (СССР). - Заяв. 04.09.1981. Опубл. 15.02.1983.