Вантовые покрытия

1. Виды вантовых покрытий

В сооружениях, где надо перекрывать без промежуточных опор большие площади, весьма эффективны висячие покрытия. Такие покрытия могут применяться для производственных и гражданских зданий разнообразного назначения и различного сечения в плане (прямоугольное, круглое и овальное). Крытые стадионы, цирки, рынки, выставочные залы часто имеют такую конструкцию покрытия, так как висячие покрытия выгодны по расходу материалов на единицу перекрываемой площади и отличаются невысокой трудоемкостью при возведении.

Висячие покрытия выполняют в виде преднапряженных оболочек из сборно-монолитного железобетона, вант, вантовых ферм и стальных мембран.

Висячей оболочкой называют монолитное или сборное с последующим замоноличиванием железобетонное покрытие, опертое на систему висячих вант. В период возведения такой оболочки рабочими элементами ее пролетной конструкции служат стальные канаты. После замоноличивания в эксплуатационной стадии оболочка работает совместно с вантами.

Байтовая система и висячая оболочка опираются на опорный контур, воспринимающий на себя горизонтальные и вертикальные реакции пролетной конструкции. Опорный контур висячего покрытия может быть замкнутым. Висячие растянутые элементы в этом случае крепят к жестким опорным конструкциям, которые могут быть выполнены в виде опорного замкнутого контура (кольцо, овал, прямоугольник), передающего усилия через колонны или через контурные наклонные рамы или арки на фундаменты. Распор (горизонтальные реакции) пролетной конструкции погашается внутри опорного контура и на нижележащую часть сооружения передаются только вертикальные нагрузки.

Если опорный контур не замкнут, то усилия распора передаются через подкосы, контрфорсы, оттяжки с анкерами и т. д. на фундаменты. Эти элементы испытывают значительные усилия от распора вант и требуют соответственно большего расхода материалов. Системы с замкнутым контуром поэтому являются более экономичными.

1.1 Прямоугольные в плане системы

В таких зданиях применяют системы из параллельных вант или вантовых ферм; поверхность оболочки имеет цилиндрическую форму. Ванты или фермы опираются на продольные балки, которые передают усилия на опорные рамы с анкерами или на контрфорсы. Огромные растягивающие усилия для прямоугольных зданий обычно воспринимаются дополнительными вышосными анкерными опорами. Для исключения взаимного смещения, обеспечения пространственной жесткости в прямоугольном здании обычно применяют систему взаимно перпендикулярных вант, шарнирно соединенных в узлах. В качестве контрфорсов целесообразно использовать смонтированные в здании конструкции, как, например, поперечные стены боковых пристроек.

Предварительно напряженные железобетонные висячие оболочки сооружают в следующей последовательности: выполняют замкнутый опорный контур, к нему крепят ортогональную сетку из стальных канатов, по которым затем укладывают железобетонные плиты. Для исключения появления растягивающих напряжений в оболочке осуществляют дополнительное натяжение канатов с усилием, которое должно превышать на 25% суммарную нагрузку от собственной массы покрытия и полезной нагрузки. После замоноличивания швов между плитами и набора бетоном необходимой прочности оболочка начинает работать как пространственная система.

Технологическую последовательность возведения предварительно напряженной вантовой оболочки рассмотрим на примере сооружения с пролетом 48 м. Висячие ванты образуют поверхность двоякой кривизны. Ванты закрепляют к опорному контуру и по ним укладывают сборные железобетонные плиты размером 2,4 х 2,4 м, швы между плитами замоноличивают. Байтовая система из спаренных канатов диаметром 52,5 мм образована пересекающимися под прямым углом канатами, соединенными в местах пересечения металлическими накладками на болтах. Для крепления к опорному контуру и возможности натяжения на концах канатов устанавливают гильзоклиновые зажимы.

Доставленные на объект ванты объединяют попарно, к ним прикрепляют вертикальные подвески. Поднимают ванты при синхронной работе двух кранов с применением траверс специальной конструкции (рис. 1). Концевые участки объединенных вант с гильзоклиновыми зажимами заводят в отверстия железобетонного контура и после монтажа всех вант

осуществляют их натяжение ступенями, в определенной последовательности, исключающей перегрузку контура. После натяжения и геодезической выверки канаты соединяют в местах пересечения и осуществляют натяжение вертикальных подвесок. Только после этого в квадратные ячейки, образованные вантами, монтируют железобетонные плиты, имеющие по два опорных элемента на каждой стороне. Для соединения канатов в узлах и укладки железобетонных плит для рабочих используют передвижные мостики и автовышки.

В швы между плитами укладывают арматуру. Перед замоноличиванием швов ванты вновь натягивают гидравлическими домкратами, чем создают требуемое предварительное натяжение вантовой системы. После достижения бетоном проектной прочности вертикальные подвески снимают. Смонтированная система включается в самостоятельную работу, приходит время устраивать кровельное покрытие.

Системы могут быть однопролетными или многопролетными. Последние более экономичны, так как опорные конструкции располагаются только по внешним опорным осям системы и их влияние на общий расход материалов системы уменьшается.

Промежуточные стойки целесообразно проектировать с шарнирным закреплением в фундаментах, качающимися, чтобы при неравномерной нагрузке в пролетах на стойку не передавались горизонтальные усилия.

1.2 Системы эллиптические или овальные

Для них обычно применяют системы перекрестных вант или вантовых ферм. Они могут быть разнообразны по очертанию и кривизне поверхности и по конструкции опорных элементов.

После укладки и закрепления сверху вант или вантовых ферм элементов покрытия образуется единая висячая монолитная конструкция, работающая как единое целое только после проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами.

Висячая оболочка подвергается значительному растяжению, поэтому в ней могут возникнуть трещины. Для уменьшения деформаций покрытия и во избежание появления трещин оболочку обычно предварительно напрягают следующими способами:

натяжением домкратами на затвердевший бетон оболочки; в этом случае ванты располагают в каналах или гибких трубках и после натяжения каналы заполняют раствором под давлением;

натяжением пригрузкой с передачей усилий на опорную конструкцию; груз укладывают на незамоноличенные плиты или подвешивают к покрытию снизу. Оболочка сжимается после достижения бетоном замоноличивания необходимой прочности.

Для оболочек и опорных конструкций используют бетон класса В15...В35, для плиты оболочки -- не ниже В25. Для вант применяют арматурные стержни периодического профиля, упрочненные вытяжкой, арматурные пучки и пряди из высокопрочной проволоки, стальные канаты.

1.3 Круглые в плане системы

Для них используют радиально расположенные в плане ванты или вантовые фермы. При равномерной, осесимметричной нагрузке на покрытие они не вызывают изгиба в сжатом наружном кольце и оказываются весьма эффективными по своим технико-экономическим показателям благодаря полному использованию специфики материалов -- растянутые ванты и сжатое опорное кольцо. В круглых в плане зданиях идет взаимное погашение усилий в наружном опорном кольце, которое и рассчитано на сжимающие усилия. Для тех же целей в круглых зданиях применяют вантовые фермы, состоящие из несущих и стабилизирующих вант, соединенных в пространственную систему стойками с шарнирными узлами примыкания.

Круглые системы можно проектировать однопролетными или многопролетными в виде двух и более концентрических окружностей в плане. Промежуточные опорные кольца работают на разность усилий, передаваемых вантами смежных кольцевых пролетов.

2. Возведение покрытий с вантами

Гараж в Петербурге выполнен круглым в плане, наружный диаметр 102 м, несущая конструкция состоит из 108 вант диаметром 40 мм, внутреннее стальное кольцо диаметром 9 м опирается на стальную колонну диаметром 1,5 м; наружное кольцо -- из сборного железобетона.

Муниципальное здание в г. Утика (США) в плане круглое диаметром 73 м. Покрытие образовано 72 радиально расположенными Байтовыми фермами со сжатыми стойками. Центральный барабан представляет собой два плоских стальных кольца диаметром 6 м со стойками между ними. Для монтажа покрытия был применен раздельный метод работ, при котором первоначально на установленную центральную монтажную башню монтировали нижнее металлическое кольцо и осуществляли навеску нижних тросов. Затем на нижнем кольце монтировали верхнее кольцо и навешивали верхние тросы. Далее с помощью раздвижки внутренних колец домкратами создавалось частичное натяжение системы. После этого на проектных отметках установили 504 распорки между верхними и нижними тросами и окончательное натяжение системы осуществляли домкратами со стороны наружного опорного кольца.

В качестве примера уменьшения внутренних напряжений можно привести построенный в Калининграде Дворец спорта, выполненный прямоугольным в плане. В нем сжимающие усилия в вантах воспринимают два ряда трибун, поэтому продольные ванты оказались не нужны. Покрытие было выполнено в виде жесткой опрокинутой арки. В вантовой ферме несущим принят нижний канат, а верхний -- стабилизирующим, на нем закреплены металлические прогоны-связи, по которым уложен и зафиксирован настил из легких асбестоцементных листов покрытия.

3. Возведение здания с вантовыми фермами

3.1 Специфика возводимого здания

Дворец спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге выполнен круглым в плане, диаметр составляет 93 м, высота здания 20 м. Здание вмещает демонстрационную арену с искусственным ледяным полем, трибуны на 11 тыс. человек, ряд обслуживающих и вспомогательных помещений. Каркас здания, включающий колонны, покрытие и связи, представляет собой сложное инженерное сооружение. В качестве покрытия арены применена вантовая система в виде 48 радиальных тросовых ферм, которые предварительно напряжены в процессе монтажа (рис. 2).

Фундаменты здания как для наружных стен, так и для подтрибунных помещений монолитные на свайном основании. Наружные колонны здания стальные в виде двутавра, обетонированные. Верхняя часть колонн работает как консоль. Внизу колонны жестко заделаны в фундаменты, объединенные нижним железобетонным поясом.

Наружное опорное кольцо - прямоугольные железобетонные элементы длиной 6 м, они воспринимают распор Байтовых ферм, усилия этого распора передаются через колонны на фундаменты.

Несущая конструкция покрытия представляет собой новый вид вантовой системы. В целях снижения строительной высоты здания опоры тросов (несущего и стабилизирующего) по наружному периметру здания впервые в практике смещены относительно друг друга по вертикали. Суммарный распор тросов, возникающий в них от предварительного натяжения, собственной массы и от внешней эксплуатационной нагрузки, воспринимается одним железобетонным кольцом, расположенным ниже уровня крепления стабилизирующего троса. Это железобетонное кольцо через обетонируемые консоли крепится на 48 колоннах, расположенных по окружности диаметром 93 м. Конструкция здания решена без внутренней стойки-опоры.

В центре здания распор тросов воспринимается двумя металлическими кольцами диаметром 12 м, соединенными между собой шарнирно закрепленными сжатыми стойками. От этих распорных усилий в наружном железобетонном кольце возникают напряжения сжатия, а во внутренних кольцах -- растяжения. В местах пересечения тросов образуется кольцевая ендова, на которой размещены воронки внутреннего водостока.

Шиты покрытия - стальные, сваренные из плоских листов толщиной 3 мм и гнутых стальных профилей; поверхностная плотность плит - 50 кт/м2. Кровля включает слой фенольного пенопласта толщиной 35 мм, приклеиваемого к стальным панелям покрытия, выравнивающей стяжки из холодной битумной мастики и рулонного ковра из двух слоев стеклосетки и слоя гидроизола. Внутренние водостоки - 12 воронок, расположенных по круговой ендове.

Ванта в опорном контуре закреплена с помощью анкера - гильзы, в которой обжимаются концы каждого каната. При вантовых фермах наружные концы канатов закрепляли в стальных колоннах, а внутренние в центральных цилиндрических кольцах, соединенных между собой стойками. Кольца, на первой стадии работ, а именно, монтажа полуферм, были сближены, что позволило завести концы вант в опоры, а перед натяжением кольца были раздвинуты, что привело к распрямлению полуферм, их предварительному натяжению.

Стальные панели покрытия имеют трапециевидную форму и опираются на специальные столики, шарнирно закрепленные на стойках ферм. Несущие нижние тросы ферм - из каната диаметром 65 мм, диаметр каната верхних, стабилизирующих тросов 42,5 мм. Тросы (канаты) с помощью анкерных муфт прикреплены к колоннам и внутренним опорным кольцам.

Стойки вантовых ферм служат для восприятия контактных усилий между тросами, благодаря которым создается предварительное натяжение всей системы, а также для передачи на нижние тросы массы кровли, снега и других внешних нагрузок. Стойки ферм из металлических труб по концам имеют вилообразные оголовки для крепления на вантах. Сверху на стойках расположены опорные столики для кровельных панелей.

3.2 Технология изготовления и монтажа конструкций

Монтаж висячих покрытий состоит из следующих операций:

монтаж колонн;

монтаж наружного опорного кольца;

установка средней стойки с 12 домкратами;

установка центральных опорных колец;

изготовление вант;

монтаж вантовых полуферм;

первоначальное натяжение полуферм;

монтаж панелей покрытия с заделкой стыков;

рабочее натяжение вантовой системы;

окончательное замоноличивание плит покрытия.

При установке колонн наружного диаметра высотой 22 м был принят безвыверочный метод монтажа. Первоначально в бетонном фундаменте устанавливали и фиксировали анкерные установочные болты, на них монтировали стальную -опорную плиту башмака колонн, положение которой строго выверяли по уровню и фиксировали гайками установочных болтов. После этого плиту подливали цементным раствором под установленный уровень. 48 металлических колонн с фрезерованными торцами монтировали по рискам осей и после закрепления обетонировали на всю высоту. В качестве опалубки-облицовки использовали офактуренные железобетонные плиты.