Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий

6.3. Узловые соединения элементов куполов

Экономическая эффективность конструкции купола в значительной степени определяется конструкцией узлового соединения, которое должно обеспечивать достаточную несущую способность, низкую трудоемкость изготовления и сборки, малую материалоемкость. Конструкция узлового соединения зависит от геометрической схемы каркаса купола. В процессе конструирования узлов важно обеспечить осевую передачу усилий на элементы купола.

Наиболее ответственным и сложным узлом конструкции куполов всех типов является узел присоединения ребер или стержней к нижнему кольцу и опирание кольца на нижележащие конструкции. Нижнее растянутое кольцо конструируют обычно в виде сварного двутавра. В ребристых и ребристо-кольцевых куполах для увеличения изгибной жесткости кольца в горизонтальной плоскости двутавр располагают лежа.

Сетчатые купола сами по себе имеют большую пространственную жесткость в горизонтальном направлении, поэтому при их проектировании опорное кольцо стремятся развивать по вертикали. Вертикальное расположение двутавра обеспечивает также максимальную жесткость на восприятие равномерно распределенных по кольцу радиальных крутящих моментов.

Узел должен быть правильно центрирован - оси стержней купола, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции должны пересекаться в горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца. При этом осевая линия кольца не обязательно должна проходить через центр узла - фактический диаметр кольца может быть несколько уменьшен или увеличен.

279

Кольцо обычно шарнирно опирают на фундамент или вертикальные колонны. В большепролетных куполах желательно обеспечить свободу перемещений кольца в радиальном направлении. Это достигается использованием Катковых опор или коротких качающихся стоек.

Опорное кольцо может иметь в плане очертание окружности, но чаще всего это правильный плоский многоугольник с жесткими или шарнирными сопряжениями стержней в углах. Опорное кольцо с осью в виде окружности внецентренно растянуто.

Ниже приведены некоторые возможные типы опорных колец (рис. 6.13). Во всех случаях кольцо должно опираться на нижележащее основание и быть неизменяемым.

С целью исключить скольжение вдоль образующей катки устраивают с ребордами, а при качающихся стержнях устанавливают связи по нормали к плоскости подвижки опор. Ориентацию осей катков выполняют таким образом, чтобы кольцо было неизменяемым. Для этого достаточно любое хаотическое расположение катков, но предпочтительны упорядоченные системы.

На рис. 6.13, а изображено кольцо купола, в котором оси цилиндрических опор расположены перпендикулярно участкам кольца. Двойные линии, перпендикулярные к оси цилиндрических опор, показывают возможные их перемещения. При большом числе сторон четного опорного кольца эта схема приближается к изменяемой.

На рис. 6.13, б изображено кольцо, в котором возможное перемещение катков ориентировано под углом 45° к радиусам. Такая система далека от изменяемой как в кольцах с четным, так и в кольцах с нечетным большим числом сторон.

На рис. 6.13, в показано кольцо с цилиндрическими опорами, подвижными по радиальным направлениям. Такая система в случае нечетного числа сторон является неизменяемой. При четном числе сторон и шарнирном сопряжении стержней кольца в узлах система становится изменяемой с теоретической точки зрения, так как оси опорных катков пересекаются в одной точке. Однако при большом числе опор трудно обеспечить точное направление движения всех цилиндрических катков к центру купола, а при некотором даже небольшом отклонении направлений движения нескольких катков от центра система становится неизменяемой.

На рис. 6.13, г показано кольцо, у которого одна опора неподвижная, остальные подвижные с движением по направлению лучей, соединяющих неподвижную опору с подвижными. При изменении температуры происходит передвижение опорных узлов, при котором многоугольник сохраняет подобие, но при этом возникают дополнительные усилия в не-

280

Рис. 6.13. Схемы опорных колец куполов:
а - оси опорных катков, параллельных сторонам кольца; б - направления возможных перемещений катков, составляющие угол 45° с радиусами; в - то же, пересекающиеся в одной точке; г - то же, пересекающиеся в точке расположения неподвижной опоры; д - жесткое кольцо с радиальной системой возможных перемещений опор; е - шарнирное кольцо с внеузловыми неподвижными опорами и радиальной системой возможных перемещений подвижных опор

подвижной опоре и опорном кольце от сил трения скольжения в перемещающихся подвижных опорах.

На рис. 6.13, д показано жесткое многоугольное кольцо с опорами в углах, имеющими подвижность в радиальном направлении и закрепление в тангенциальном. Ребра обычно соединяются в узлах с кольцом жестко. В таком случае в кольце, помимо нормальных усилий, появляются изгиб и кручение. Возникающие при этом усилия изгиба и кручения сравнительно невелики и практически не требуют увеличения сечения кольца. Этот тип опирания кольца получил широкое распространение.

На рис. 6.13, е показано опорное кольцо, в котором количество опор удвоено против обычного. Неподвижные опоры расположены в серединах сторон кольца и подвержены только горизонтальным воздействиям. Подвижные опоры расположены обычным образом в углах кольца и воспринимают вертикальные воздействия. Получаются локально работающие участки кольца, изолированные друг от друга неподвижными опорами. Подвижные опоры решены по маятниковой схеме. Такое кольцо целесообразно при значительных несимметричных нагрузках, действующих

281

на купол. Наконец, ребра купола могут опираться (шарнирно или с заделкой) на неподвижные опоры; в этом случае роль опорного кольца выполняет нижележащая конструкция.

В анализе кинематической схемы и при определении усилий в элементах кольца для ряда приведенных выше схем в узлах предполагается устройство идеальных шарниров. В действительности узловые соединения конструируют жесткими и шарниры отсутствуют. Это приводит к тому, что в плоскости кольца возникают изгибающие моменты вследствие изменения углов между стержнями опорного кольца.

Перемещение узлов опорного кольца под влиянием внешних нагрузок и температурных изменений сопровождается преодолением сил трения качения, а иногда и сил трения скольжения, что зависит от схемы движения и конструкции подвижных опор. В результате этого к кольцу в каждом узле оказываются дополнительно приложенными сила и пара в плоскости кольца.

У растянутого значительными силами опорного кольца дополнительная нормальная сила от действия усилий трения (растягивающая - при понижении температуры, сжимающая - при повышении) не вызовет существенного изменения основного напряженного состояния. Что касается изгибающих моментов, то их воздействие оказывается более существенным, поскольку стержни кольца являются маложесткими в работе на изгиб в горизонтальной плоскости.

При подборе сечений кольца эти усилия должны быть учтены. Нужно стремиться к такому расположению катков, при котором не происходило бы изменения углов между стержнями кольца при полярно-симметричных воздействиях и, по возможности, не возникали бы изгибающие моменты от сил трения скольжения.

На основании анализа рассмотренных систем устройства опорного кольца можно прийти к выводу, что с точки зрения неизменяемости лучшим вариантом расположения опор является "лучевая" система (рис. 6.13, г). Ее неизменяемость становится более надежной, чем в центрально-симметричных системах с увеличением числа сторон кольца, что соответствует куполам больших диаметров.

Узлы ребристых, ребристо-кольцевых, ребристо-кольцевых со связями куполов преимущественно построечного изготовления отличаются массивностью в основном на болтах, сварке или комбинированные. Для этих узлов трудно обеспечить центрацию усилий.

На рис. 6.14 представлены узлы ребристо-кольцевого купола диаметром 90 м, высотой подъема 1/7,2 диаметра со связями и ребрами в виде двухпоясной трехшарнирной решетчатой арки.

282

Рис. 6.14. Узлы ребристо-кольцевого купола

На рис. 6.15 представлены узлы ребристо-кольцевого купола со связями диаметром 36, высотой подъема 1/6 диаметра и ребрами в виде сплошностенчатой трехшарнирной арки.

Узлы сетчатых куполов существенно отличаются от узлов ребристых куполов, что связано с особенностями формообразования этих конструкций и условиями работы под нагрузкой. В однослойных сетчатых куполах следует применять узлы, обеспечивающие повышенную жесткость соединения в направлении нормалей к поверхности, так как иначе возможно прощелкивание узлов под нагрузкой.

При проектировании сетчатых куполов часто используют узловые соединения, которые первоначально были разработаны для плоских перекрестно-стержневых

283

Рис. 6.15. Узлы:
а - опорный узел; б - узел соединения ребра и кольца

структурных конструкций. С такими узлами вы познакомитесь в гл. 7 (см. рис. 7.7, 7.8). В этих конструкциях длины всех элементов одинаковы, узловые детали однотипны, количество типоразмеров конструктивных элементов определяется лишь градацией сечений в зависимости от требуемой несущей способности. В сетчатых же куполах стержни каркаса незначительно отличаются по длине, имеют малый разброс расчетных усилий и поэтому могут быть запроектированы одного сечения. Однако стержни сетчатых оболочек в каждом из узлов имеют различную пространственную ориентацию, что необходимо учитывать при выборе конструкции узла.

284