Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий

Глава 8
ВИСЯЧИЕ ПОКРЫТИЯ

8.1. Общие положения

8.1.1. Конструктивные особенности висячих покрытий

Висячими называют покрытия, в которых главные несущие конструкции работают на растяжение. Они могут быть образованы из стальных стержней, тросов, фасонного проката, стальных листов.

Висячее покрытие на основе тонких растянутых стержней и полос было создано в России (Нижний Новгород) В.Г. Шуховым в 1896 г. (рис. 8.1). И только в 50-е годы нашего столетия было начато бурное использование тросов для перекрытий больших пролетов. Впервые это сделал польский архитектор М.Новицкий с созданием в 1950 г. оригинальной конструкции спортивного зала с размером в плане 97x92 м, который через два года был построен в США в городе Рэлей (рис. 8.2). Сочетание растянутых нитей в пролете и сжатых арок опорного контура наилучшим образом отвечает конструктивной форме тех и других. Подобная идея с заменой наклонных арок эллиптическим кольцом, изогнутым в вертикальной плоскости, была реализована в 1953 г. Шеллингом при перекрытии зрелищного зала в г. Карлсруэ (ФРГ). В это же время в нашей стране родилось предложение Г.Д. Попова и В.М. Вахуркина по созданию предварительно напряженных ферм из тросов, которое вскоре было реализовано в ряде проектов. Первое вогнутое радиальное покрытие стадиона диаметром 94 м по проекту

Рис. 8.1. Павильон на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде

Рис. 8.2. Рэлей-арена

337

Рис. 8.3. Дополнительные провесы гибкой нити:
а - вызванные упругими удлинениями; б, в - то же, кинематическими перемещениями

Риоса появилось в 1956 г. в Монтовидео (Уругвай). В 1958 г. на Всемирной выставке в Брюсселе по проекту Стоуна был перекрыт павильон США диаметром 104 м двухпоясной системой, напоминающей гигантское велосипедное колесо, горизонтально поставленное на колонны. Различные вариации этих и некоторых других идей в самых причудливых формах их воплощения получили свое дальнейшее развитие практически во всех передовых странах мира.

При проектировании висячих покрытий следует учитывать их высокую деформативность. Дополнительные провесы (прогибы) гибкой нити определяются двумя причинами: упругими удлинениями нити при ее растяжении (рис. 8.3, а) и кинематическими перемещениями. Нить всегда стремится наилучшим образом приспособиться к нагрузке, поэтому ее конфигурация при изменении положения поперечной нагрузки всякий раз меняется (рис. 8.3, б, в) и, казалось бы, ценное качество превращается в основной недостаток, требующий применения специальных мер по сохранению формы (стабилизации) нити. Другим важным фактором является необходимость уравновесить растягивающие усилия в нитях путем создания опорного контура с элементами, работающими на сжатие. Именно эти обстоятельства и стремление к их преодолению явились причиной большого разнообразия конструктивных форм висячих покрытий.

Единая терминология и система классификации висячих покрытий пока еще не сложилась, поэтому мы условно будем делить их на пять групп:

• Однопоясные системы (рис. 8.4, а), представляющие собой параллельно или радиально расположенные нити, по которым уложены ограждающие конструкции. Последние должны быть достаточно тяжелыми для того, чтобы доли локальной снеговой нагрузки и ветрового отсоса были малы по сравнению с постоянной нагрузкой и не сильно влияли на

338

Рис. 8.4. Системы висячих покрытий:
а - однопоясные; б - двухпоясные; в - перекрестные; г - комбинированные

кинематические перемещения. Обычно это железобетонные плиты. Для дополнительной стабилизации плиты до замоноличивания швов могут быть пригружены временной монтажной нагрузкой, которая после набора бетоном прочности снимается. Это позволяет превратить систему в предварительно сжатую железобетонную оболочку. Аналогичный результат можно получить при использовании для замоноличивания швов расширяющегося цемента. Другим вариантом стабилизации покрытий на основе однопоясных систем является применение нитей конечной жесткости, выполненных из прокатных профилей в виде сплошностенчатых либо сквозных конструкций.

• В двухпоясных системах висячих покрытий (рис. 8.4, б) стабилизацию осуществляют путем введения дополнительной нити, которая через подвески (распорки) или решетку догружает несущую нить.

339

• В перекрестных системах висячих покрытий двоякой кривизны (рис. 8.4, в) стабилизирующие нити располагают перпендикулярно или под углом к несущим. Форму поверхности перекрестных систем обычно принимают в виде гиперболического параболоида (гипара).
• Мембранные покрытия не содержат в своем составе канатов, их выполняют из листовой стали, сочетающей несущие и ограждающие функции.
• Конструкции комбинированных вантовых покрытий (рис. 8.4, г) весьма разнообразны. Их характерной особенностью является наличие жесткой конструкции, поддерживаемой вантами.

Преимуществами висячих покрытий являются: полное использование несущей способности высокопрочных сталей и как следствие малый собственный вес и сравнительно низкая стоимость несущих конструкций (увеличение прочности стали опережает рост ее стоимости); разнообразие форм и архитектурная выразительность зданий; транспортабельность элементов висячих покрытий (тросов в бухтах, металлических оболочек - в рулонах); удобство монтажа (почти без лесов и подмостей, без кранов большой грузоподъемности); высокая сейсмостойкость.

К недостаткам висячих покрытий относятся: повышенная деформативность; необходимость устройства дополнительных конструкций для восприятия распора; относительная трудность водоотвода.

Как уже отмечалось, терминология по висячим покрытиям еще окончательно не сформировалась, поэтому будем пользоваться следующими понятиями:

• нить - гибкий провисающий стержень, работающий на растяжение и несущий поперечную нагрузку в пролете;
• гибкая нить - нить с нулевой изгибной жесткостью, работающая только на растяжение;
• жесткая нить - нить конечной изгибной жесткости, работающая в основном на растяжение, но способная воспринимать относительно небольшие изгибающие моменты;
• струна - гибкий практически непровисающий стержень, работающий на растяжение и несущий поперечную нагрузку;
• ванта - прямолинейный или провисающий стержень, работающий на растяжение, не несущий поперечной нагрузки в пролете;
• канат - гибкий стержень из тонких стальных проволок, объединенных в систему путем свивки, прошивки, склеиванием и другими способами;
• трос - разновидность каната, в котором проволоки свиты в пряди, а пряди - в канат.

340