Введение к работе
Актуальность темы. Одним из направлений повышения эффективности в области строительства является разработка и совершенствование новых прогрессивных конструктивных форм, позволяющих снизить расход материалов, трудоёмкость изготовления и монтажа, стоимость. К ним относятся, наиболее динамично развивающиеся в последнее время у нас в стране и за рубежом, разнообразные комбинированные системы, в том числе арочно-вантовые. Комбинированные системы включают структурно объединенные растянутые элементы (ванты) и элементы, работающие на сжатие и изгиб. Применение таких конструкций открывает широкие возможности для создания покрытий, отличающихся лёгкостью, высокими технико-экономическими показателями, архитектурной выразительностью.
Анализ существующего опыта проектирования и строительства показал, что по сравнению с традиционными балочными и рамными конструкциями, арочные системы имеют ряд преимуществ. В то же время, основным их недостатком является дополнительный расход материалов для обеспечения устойчивости и восприятия односторонних нагрузок. В комбинированных арочных системах удается существенно уменьшить расчетную длину сжато-изогнутой арки за счет введения небольшого количества дополнительных элементов, улучшить её работу на неравномерные нагрузки, рационально использовать растянутые предварительно напряжённые элементы из высокопрочного металла, значительно уменьшить стрелу подъема конструкции.
Арочные комбинированные системы отличаются большой свободой выбора исходных параметров: статической схемой; пролётом; стрелой подъёма арки и провиса затяжки; соотношением высоты и пролёта конструкции; расположением и количеством дополнительных стержневых элементов (стоек, подвесок и т.п.); применяемыми материалами; методами изготовления и монтажа. Элементарные схемы разнообразными способами могут объединяться в сложные пространственные структуры. Областью применения комбинированных арочно-вантовых систем являются покрытия пролетом 30 * 100 м протяженных в плане зданий и сооружений различного назначения.
Достижения в области строительной механики и вычислительной техники, разработки и исследований новых конструктивных форм, строительных материалов, технологии изготовления и монтажа создали предпосылки для широкого применения современных комбинированных систем. В то же время, объём их применения в нашей стране невелик, что определяется рядом факторов, в том числе отсутствием детальных теоретических и экспериментальных исследований их действительной работы, рекомендаций по конструированию и расчёту, обеспечивающих высокую надёжность и экономичность конструкций.
Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных решений и разработка методики расчета некоторых типов комбинированных арочных систем на основе экспериментально-теоретических исследований их напряженно-деформированного состояния.
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие основные задачи:
1. Совершенствование конструктивных решений комбинированных
арочных систем с учетом оптимального использования прочностных свойств
материала, технологичности их изготовления и монтажа.
Проведение теоретических исследований работы и установление основных зависимостей напряженно-деформированного состояния некоторых типов арочно-вантовых систем при варьировании геометрических (пролет, очертание сжатых и растянутых поясов, стрелы подъема арки и провиса затяжки, расположение и количество дополнительных стержневых элементов), жесткостных и нагрузочных параметров с учетом различных особенностей системы, в т.ч. преднапряжения и последовательности монтажа.
Экспериментальные испытания крупномасштабных моделей для выявления действительной работы системы, проверки исходных предпосылок и выводов теоретических исследований.
4. Исследования и разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости комбинированных арочных систем.
5. Разработка рекомендаций по численным методам расчета на основании экспериментально-теоретических исследований.
Научную новизну работы составляют:
результаты численных исследований особенностей работы арочно-вантовой системы с учётом геометрической нелинейности, предварительного напряжения и последовательности монтажа;
результаты оптимизационных расчетов ряда конструктивных схем комбинированных арочных систем;
экспериментальные данные о действительной работе системы на основании испытаний крупномасштабных моделей;
характер работы комбинированной арочной системы с неразвязанным из плоскости конструкции нижним поясом с учётом влияния конструктивных, геометрических, жесткостных и нагрузочных параметров;
решение некоторых задач устойчивости комбинированной арочно-вантовой системы;
рекомендации по расчёту и проектированию исследуемых типов комбинированных арочных систем.
На защиту выносятся:
- данные численных экспериментов, обосновывающие необходимость учета
при проектировании комбинированных арочно-вантовых систем
геометрической нелинейности и последовательности этапов монтажа;
-новые экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии комбинированной арочной системы с V-образными стойками и нижним поясом, не развязанным из плоскости конструкции;
- практические рекомендации по проверке устойчивости различных типов
комбинированных арочных систем.
Достоверность результатов работы обеспечена обоснованным использованием известных предпосылок и допущений, базирующихся на принципах и методах строительной механики, а также анализом результатов аналитических, численных и экспериментальных исследований.
Практическое значение работы состоит в том, что результаты проведённых исследований использованы при разработке предложений и рекомендаций по проектированию комбинированных арочных систем, в том числе конструкций покрытия "Старого Гостиного Двора" в Москве (1998 г.), крытого футбольно-легкоатлетического манежа в Казани (2006 г.), главной арены спортивного комплекса "Ледовый Дворец" в Балашихе (2007 г.).
Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались на научной сессии МОО "Содействие развитию и применению пространственных конструкций в строительстве" (Москва, 2007 г.) и четвертой международной конференции "Металлостроительная индустрия XXI века" (Москва, 2008 г.).
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в научном журнале, рекомендованном ВАК России. Получен патент РФ на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 129 источников. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 68 таблиц.
Теоретические и экспериментальные разделы диссертации, включают исследования выполненные лично автором или при его участии.
Работа выполнена в лаборатории металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко - филиал ФГУП «НИЦ «Строительство» под руководством доктора технических наук, профессора П.Г. Еремеева.
