Большепролетные стальные конструкции широко используются на стадионах, выставочных залах, терминалах аэропортов, промышленных зданиях, транспортных узлах и других крупных общественных или промышленных объектах.

В большепролетных конструктивных системах расположение опорных точек оказывает существенное влияние на архитектурную гибкость. Как правило, чем более рассредоточены опоры, тем больше ограничений на планировку и пространственную организацию. Напротив, концентрированные поддерживающие системы обычно обеспечивают большую гибкость архитектурного проектирования.

В данной статье представлены основные конструктивные формы большепролетных стальных конструкций и обобщены некоторые часто используемые методы строительства и монтажа.

1. Основные конструктивные формы большепролетных стальных конструкций.

1.1 Структура пространственного каркаса

Пространственный каркас представляет собой трехмерную структурную систему, состоящую из множества элементов, соединенных через узлы по определенному геометрическому рисунку.

Двухслойные или многослойные плоские сетчатые системы обычно называют космическими кадрами. Обычно они изготавливаются из стальных труб, профилей конструкционной стали или других компонентов из высокопрочной стали.

К распространенным типам пространственных каркасных конструкций относятся:

• Пространственные каркасы, состоящие из плоских ферменных систем

• Космические рамки квадратной пирамиды

• Космические рамки треугольной пирамиды

• Космические рамки шестиугольной пирамиды

Пространственно-каркасные конструкции обладают рядом важных преимуществ:

• Эффективное трехмерное распределение нагрузки

• Четкие и прямые пути передачи нагрузки

• Легкая конструкция

• Высокая структурная жесткость

• Хорошие сейсмические характеристики

• Удобное изготовление и монтаж

• Стандартизированные элементы и узлы соединения

• Подходит для заводского изготовления и массового производства.

• Гибкие архитектурные планировки

• Простая интеграция потолков, трубопроводов и механического оборудования.

• Легкий и привлекательный архитектурный вид.

Благодаря этим преимуществам пространственные каркасы широко используются для большепролетных крыш и общественных зданий.

1.2 Структура космической сетки

Изогнутую сеточную структуру обычно называют решетчатой ​​оболочкой или пространственной решетчатой ​​оболочкой. По своей конфигурации ее можно разделить на однослойную и двухслойную сетчатую оболочечную систему.

В зависимости от материала конструкции решетчатые оболочки могут быть изготовлены из стали, древесины, железобетона или композитных материалов.

К общим структурным формам относятся:

• Сферические сетчатые оболочки

• Гиперболические сетчатые оболочки

• Цилиндрические сетчатые оболочки

• Оболочки с сеткой гиперболического параболоида

Сетчатые оболочечные структуры сочетают в себе характеристики решетчатых структур и тонкостенных структур.

К их основным преимуществам относятся:

• Рациональное и эффективное структурное поведение

• Относительно простые элементы конструкции

• Высокая общая жесткость

• Отличные возможности для больших пролетов

• Возможность собирать большие конструкции из более мелких готовых компонентов.

• Заводское производство элементов и узлов соединения

• Относительно удобная установка на месте.

• Снижение зависимости от чрезвычайно крупного подъемного оборудования.

• Хорошие общие экономические показатели

• Гибкие архитектурные формы и изогнутая геометрия

Системы решетчатых оболочек особенно подходят для проектов, требующих как длинных пролетов, так и отличительных архитектурных решений.

1.3 Мембранная структура

Мембранные конструкции, также известные как тканевые конструкции, представляют собой легкие большепролетные конструктивные системы, получившие бурное развитие во второй половине 20 века.

В качестве основной системы покрытия используются высокоэффективные гибкие мембранные материалы. Структурная стабильность может быть достигнута за счет давления воздуха, натяжения стальных тросов или жестких опорных рам, которые создают контролируемое предварительное напряжение в мембране.

К распространенным мембранным структурным системам относятся:

• Мембранные конструкции на воздушной опоре

• Натяжные мембранные конструкции

• Каркасно-опорные мембранные конструкции

К основным преимуществам мембранных конструкций относятся:

• Чрезвычайно низкий собственный вес

• Отличные возможности для больших пролетов

• Гибкие и выразительные архитектурные формы

• Быстрое и удобное строительство

• Хорошие экономические показатели

• Высокая структурная эффективность

• Хорошие светопроводящие свойства

• Характеристики самоочистки благодаря подходящим мембранным материалам.

Однако при проектировании и выборе материала необходимо тщательно учитывать долговечность мембраны и требования к долгосрочному обслуживанию.

1.4 Подвесная конструкция на тросе

В вантовых подвесных конструкциях в качестве основных несущих элементов используются высокопрочные натяжные тросы.

Типичная система подвесной крыши обычно состоит из трех основных частей:

• Кабельная система

• Кровельная система

• Система поддержки

К распространенным структурным формам кабеля относятся:

• Односторонние однослойные подвесные кабельные системы

• Радиальные однослойные подвесные кабельные системы

• Двусторонние однослойные подвесные кабельные системы

• Односторонние двухслойные предварительно напряженные кабельные системы

• Радиальные предварительно напряженные кабельные системы

• Двусторонние двухслойные предварительно напряженные кабельные системы

• Предварительно напряженные конструкции вантовых сетей

Основной конструктивной особенностью подвесных кабельных систем является то, что внешним нагрузкам в основном противодействуют за счет осевого натяжения тросов.

Это позволяет эффективно использовать высокую прочность стали на разрыв, сводя к минимуму эффекты изгиба и сдвига.

Дополнительные преимущества включают в себя:

• Легкие кровельные системы

• Гибкая структурная организация

• Адаптируемость к различным архитектурным планам

• Снижение спроса на тяжелую подъемную технику

• Высокая эффективность использования материала

Однако структурный анализ, контроль предварительного напряжения, расчет деформации и мониторинг строительства кабельных систем являются относительно сложными. Поэтому необходимы тщательное инженерное проектирование и точный контроль установки.

1.5 Тонкооболочечная структура

Тонкостенные конструкции представляют собой искривленные структурные системы, имеющие относительно небольшую толщину по сравнению с радиусом кривизны.

В строительном проектировании оболочки удовлетворяют примерно:

t/R ≤ 1/20

обычно считаются тонкими оболочками, где:

• t представляет толщину оболочки

• R представляет собой радиус кривизны

По геометрической форме оболочечные конструкции можно разделить на вращательные и поступательные оболочки.

По конструкционным материалам они могут включать в себя:

• Железобетонные тонкие оболочки

• Кладка тонких ракушек

• Стальные тонкие оболочки

• Композитные тонкие оболочки

Тонкостенные конструкции обеспечивают превосходную несущую способность.

Их прочность и жесткость в первую очередь обусловлены их изогнутой геометрической формой, которая позволяет передавать нагрузки в основном за счет мембранных сил, а не изгиба.

В результате тонкостенные конструкции могут обеспечить:

• Высокая прочность

• Высокая жесткость

• Снижение расхода материала

• Эффективное перераспределение нагрузки

• Отличная структурная экономика

Поэтому они подходят для многих зданий с большими пролетами, требующих эффективных структурных характеристик и отличительной архитектурной геометрии.

2. Распространенные методы строительства большепролетных стальных конструкций.

2.1 Высотная сборка на месте

Под высотной сборкой на месте понимают сборку элементов конструкции и узлов соединения непосредственно в их окончательных проектных положениях.

Для большепролетных стальных конструкций во время установки часто требуются временные опоры для повышения устойчивости конструкции и контроля деформации.

После завершения строительства и стабилизации основной конструкции временные опоры постепенно разгружаются или удаляются, чтобы конструкция достигла окончательного проектного состояния.

Этот метод является одним из наиболее фундаментальных приемов построения сложных большепролетных пространственных сооружений.

В зависимости от системы поддержки ее обычно можно разделить на два метода.

Полная установка строительных лесов

Полноценные леса возводятся в соответствии с высотой и геометрией конструкции, что позволяет собрать всю систему на высоте.

Этот метод обычно подходит для сооружений с умеренными пролетами и высотой, таких как внутренние залы и выставочные здания.

Преимущества включают в себя:

• Гибкая конструкция

• Высокая возможность повторного использования строительных лесов

• Удобный контроль координат и выравнивания

• Относительно невысокая техническая сложность

К недостаткам относятся:

• Требуется большое количество строительных лесов

• Больше работы на высоте

• Повышенная подверженность рискам безопасности

• Более длительное время подготовки

Установка временной опорной башни

Временные опорные башни или монтажные рамы специально проектируются с учетом геометрии, нагрузки, высоты и веса конструкции.

Этот метод больше подходит для более высоких зданий или большепролетных сооружений с более тяжелыми конструктивными элементами.

Преимущества включают в себя:

• Высокая структурная стабильность во время установки

• Точное позиционирование

• Гибкие конфигурации поддержки

• Повышенная безопасность строительства

Его основным недостатком является относительно низкая частота повторного использования специально разработанных временных опор, что может увеличить затраты на материалы и строительство.

2.2 Раздвижной метод установки

Метод скользящей установки предполагает сборку секций стальной конструкции на одном участке и последующее перемещение их по специально спроектированным направляющим в конечное положение.

После того как каждая секция достигает проектного места, она соединяется со смежными структурными единицами.

Этот метод особенно подходит, если:

• На строительной площадке ограничено рабочее пространство

• Тяжелое подъемное оборудование не может легко получить доступ к месту установки.

• План здания относительно регулярный.

• Конструкция включает в себя большие крыши, стадионы или здания с открытыми стенами.

Раздвижной метод позволяет существенно сократить срок монтажа.

Однако необходимо тщательно контролировать ряд технических факторов, в том числе:

• Выбор и проектирование направляющих

• Сопротивление скольжению

• Синхронизация между несколькими точками скольжения

• Скорость скольжения

• Структурная деформация во время движения

• Временная стабильность

2.3 Метод интегрального лифтинга

Комплексный подъем включает сборку большой секции конструкции на уровне земли, а затем подъем всей конструкции на окончательную высоту с использованием гидравлического подъемного оборудования или других синхронизированных подъемных систем.

Этот метод обычно используется для:

• Большепролетные кровельные конструкции

• Однослойные сетчатые оболочки

• Двухслойные сетчатые оболочки

• Большие фермы крыши

• Тяжелые пространственные стальные конструкции

К его основным преимуществам относятся:

• Уменьшение временных опор

• Меньше высотных монтажных работ

• Повышение эффективности строительства

• Сокращение сроков установки

• Лучшие условия труда на уровне земли

К основным техническим задачам относятся:

• Точное позиционирование точек подъема

• Синхронизированное управление подъемом

• Контроль напряжений и деформаций

• Стойкость конструкции при подъеме

• Мониторинг строительства в режиме реального времени

Интегральный подъем часто комбинируется с другими методами монтажа в зависимости от условий проекта.

2.4 Метод комплексного натяжения

Интегральное натяжение в основном применяется для вантовых конструкций и натяжных мембранных конструкций.

Во время строительства несколько гидравлических домкратов или натяжных устройств используются для одновременного натяжения кабелей или мембранных систем до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое предварительное напряжение и расчетная геометрия.

Этот метод особенно подходит для крупных тросовых и мембранных конструкций.

К его преимуществам относятся:

• Точный контроль предварительного напряжения

• Высокая синхронизация

• Эффективное строительство

• Сокращение ручной работы

• Снижение потребностей во временной поддержке

• Повышенная точность установки

Поскольку кабельные и мембранные конструкции очень чувствительны к предварительному напряжению, синхронизированное натяжение и мониторинг в реальном времени имеют решающее значение для обеспечения работоспособности конструкции.

2.5 Метод прогрессивного расширения для сеточных оболочек

Метод постепенного расширения — это усовершенствованный метод установки, обычно используемый для конструкций с большими сетчатыми оболочками.

Типичная процедура строительства такова:

1. Соберите центральную часть решетчатой ​​оболочки на уровне земли.

2. Поднимите собранную секцию на заданную высоту.

3. Установите дополнительные секции решетчатой ​​оболочки по периметру.

4. Снова поднимите увеличенную конструкцию.

5. Повторяйте процесс, пока вся оболочка сетки не будет завершена.

Этот метод строительства имеет ряд преимуществ:

• Уменьшенные временные опорные конструкции

• Большой объем монтажных работ можно выполнить на уровне земли.

• Улучшено качество строительства

• Снижение работы на высоте

• Повышенная безопасность работников

• Упрощенный контроль качества соединения

Из-за этих преимуществ метод постепенного расширения все чаще используется в проектах крупнопролетных пространственных стальных конструкций.

2.6 Консольный метод установки

При консольном методе установки сначала собираются на уровне земли сравнительно небольшие конструктивные элементы.

Затем эти блоки поднимаются кранами или другим подъемным оборудованием в конечное положение и постепенно соединяются с ранее установленной конструкцией.

Этот метод обычно подходит для относительно небольших или менее сложных пространственных структур.

К его преимуществам относятся:

• Уменьшение временных опор

• Снижение затрат на временное строительство

• Гибкая последовательность установки

Однако этот метод также сопряжен с рядом проблем:

• Повышенная структурная нестабильность во время установки.

• Более высокий риск во время установки кантилевера

• Сложный контроль деформации

• Возможность дополнительных вторичных напряжений

• Повышенные требования к временным креплениям

Перед использованием этого метода необходимо проверить установленные элементы конструкции на предмет достаточной геометрической устойчивости и жесткости.

Структурное моделирование и анализ на этапе строительства также следует проводить для прогнозирования деформации, перераспределения напряжений и временной устойчивости.

3. Заключение

В стальных конструкциях больших пролетов могут использоваться различные конструктивные системы, в том числе пространственные рамы, решетчатые оболочки, мембранные конструкции, подвесные системы и тонкостенные конструкции.

Каждая структурная форма имеет различные характеристики с точки зрения передачи нагрузки, возможности пролета, архитектурной гибкости, эффективности использования материалов, требований к изготовлению и установке.

Аналогичным образом, такие методы строительства, как высотная сборка на месте, скользящая установка, встроенный подъем, синхронизированное натяжение, постепенное расширение решетчатой ​​оболочки и консольный монтаж, должны выбираться в соответствии с конструктивной системой, масштабом проекта, условиями строительной площадки, имеющимся оборудованием, требованиями безопасности и графиком строительства.

Для проектов крупнопролетных стальных конструкций успешное строительное решение должно быть сосредоточено не только на эффективности установки, но также учитывать устойчивость конструкции, контроль деформации, проектирование временных опор, синхронизацию подъема, анализ на этапе строительства и безопасность рабочих.

Профессиональное инженерное проектирование, точное изготовление стальных конструкций, строгий контроль качества и хорошо спланированные процедуры монтажа необходимы для обеспечения безопасности, качества и долгосрочной эксплуатации большепролетных стальных конструкций.