Железобетонные купола

09.09.2020

Формообразование. Железобетонные купола проектируют преимущественно в виде оболочек. Эти конструкции покрытий выполняют сборно-монолитными или монолитными. Монолитные купола устраиваются гладкими, а сборно-монолитные — из ребристых цилиндрических или плоских плит.

1. Конструктивное решение купола из крупноразмерных цилиндрических плит (рис. 2.2.2). Подъем куполов рекомендуется принимать не менее 1/10 от пролета оболочки. Все плиты получаются меридиональными сечениями и поэтому принимаются в этом варианте однотипными. Трапециевидные элементы имеют цилиндрическую поверхность, длина их равна примерно половине длины купола (до 10...20 м в зависимости от пролета купола). Купола при этом компонуются одноярусными.

Опорные кольца, как нижнее растянутое, так и верхнее сжатое, выполняются из отдельных железобетонных элементов или стальных прокатных профилей, которые после возведения обетонируют. Нижнее железобетонное опорное кольцо, как правило, подвергается предварительному напряжению или, реже, выполняется без предварительного напряжения.

2. Купол из плоских плит (рис. 2.2.3). Эта модификация купола получена разрезкой оболочки кольцевыми и меридиональными сечениями. При таком расчленении каждый ярус собирается из плит одного типоразмера, поэтому число типоразмеров плит в куполе этого типа равно числу ярусов. Поскольку плиты при этом можно получить сравнительно небольших размеров, их поверхность можно принять плоской, а конструктивная форма в целом представляет собой многогранник, вписанный в сферу, конус или другие поверхности вращения.

Нижнее опорное кольцо выполняется по аналогии с п. 1, верхнее кольцо создают замоноличиванием верхних окаймляющих ребер плит верхнего яруса. Возможно также выполнение верхнего кольца железобетонным или металлическим в виде отдельного элемента.

3. Купол многоярусной конструкции из мелкоразмерных плит Купол собирается из плит трапециевидной формы с размерами не более 3 м. Плиты ребристые криволинейного очертания, в них выполняют отверстия для вентиляции и освещения.

4. Купола, монтируемые навесной сборкой (рис. 2.2.4). Купол расчленяется на кольцевые и меридиональные ярусы. Плиты имеют плоскую форму и ребристую конструкцию. Каждая плита располагается в двух ярусах, поэтому их конструкция позволяет выполнять монтаж с помощью навесной сборки.

5. Монолитные купола (рис. 2.2.5). Монолитные купола выполняются преимущественно гладкими. Толщину стенок гладких куполов рекомендуется принимать от 1/800 до 1/600 радиуса кривизны оболочки в вершине. В зоне примыкания оболочки к кольцу ее толщину обычно увеличивают для восприятия краевого эффекта и кольцевых усилий с установкой дополнительной арматурной сетки. В местах действия сосредоточенных нагрузок, а также около отверстий предусматривают дополнительную конструктивную или расчетную арматуру.

6. Ребристо-кольцевые купола, в том числе с решетчатыми связями (рис. 2.2.6). Такие купола образуются ребрами-полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо устраивается, как правило, железобетонным, предварительно напряженным, так как ребристокольцевые купола применяются для больших пролетов.

Плоские ребра установлены в радиальном направлении и соединены между собой рядом колец, образующих совместно жесткую пространственную систему. Кольца купола помимо нормальных усилий, возникающих в куполе, работают также как прогоны на местный изгиб. В горизонтальные и вертикальные сечения купола таким образом вписывается многогранник.

7. Составные полигональные оболочки (рис. 2.2.7). Полигональные оболочки разделяют на составные и гладкие. Составные полигональные оболочки отличаются тем, что в местах пересечения составляющих оболочек образуются переломы. При этом возникают утолщения, называемые разжелобком или гуртом — они эквивалентны некоторой криволинейной жесткой складке, придающей пространственную жесткость всему покрытию аналогично ребру жесткости или диафрагме. Распорные контурные усилия можно воспринять затяжками по периметру сооружения. В большепролетных полигональных оболочках обычно устраивают специальные контурные арки, выполняемые в виде отдельных металлических или железобетонных элементов.

В мировой строительной практике обычно поверхность составляющих оболочек в составных полигональных оболочках принимается цилиндрической. Однако более рационально вместо цилиндрической поверхности принимать поверхность составляющих оболочек в виде поверхности положительной гауссовой кривизны, так как при этом повышается устойчивость покрытия и уменьшаются угловые зоны больших главных растягивающих напряжений. Эту конструктивную форму иногда называют многогранными куполами.

Конструктивные элементы, узлы и детали. В куполах из крупноразмерных плит последние выполняют следующим образом. Пролет плит (см. рис. 2.2.2) принимают обычно равным половине пролета купола, т. е. 10...20 м, при ширине этих плит у нижнего кольца до 3,7 м.

Узлы соединений элементов друг с другом и с кольцами приведены на рис. 2.2.8. Верхнее кольцо обычно выполняют железобетонным Г-образного сечения или металлическим со специальным столиком для опирания верхней части плит.

Продольные ребра плит обычно направляются по меридианам. Через 2...3 м в плитах устраиваются поперечные ребра, направленные по кольцам. Толщину плит оболочки между ребрами принимают равной 30...40 мм и армируют одиночной сварной сеткой из стержней 0 4...5 мм с шагом 150...200 мм. Продольные ребра плит армируются сварными каркасами по расчету из условий транспортировки и монтажа. В целях уменьшения высоты ребер при транспортировке и монтаже плиты снабжают временными затяжками.

Опорное кольцо в этом варианте выполняют из отдельных железобетонных элементов, которые укладывают на опоры; выпуски арматуры стыкуют и швы между ними замоноличивают. После затвердения бетона стыков кольцо обжимают напрягаемой арматурой и последняя закрепляется торкрет-бетоном. Если нижнее опорное кольцо выполняется без предварительного напряжения, арматуру в стыках стыкуют сваркой, при этом обеспечивается равнопрочность стыкового соединения с основным сечением сборных элементов кольца. Стыки между ребрами замоноличивают, арматуру в местах сопряжения ребер сваривают. Класс бетона сборных элементов В15...В25, а бетона замоноличивания стыков — В15.

В местах сопряжения плит оболочки с опорным кольцом арматурные стержни ребер сваривают с закладными деталями или арматурными выпусками, выполненными в опорном кольце.

Иногда опорные кольца, как верхние, так и нижние, изготавливают из стальных прокатных профилей. Если кольцевые усилия или изгибающие моменты краевого эффекта в опорной зоне достигают больших величин и не могут быть восприняты соединенными плитами, то устраивается специальная армированная набетонка по всему периметру, арматура которой и воспринимает указанные усилия.

В куполах из плоских плит наружная поверхность этих плит принимается плоской. Разновидностью таких плит являются мелкоразмерные плиты, имеющие в нижнем ярусе размеры 1,3х2,6 м с небольшим переломом посередине. План плит может быть прямоугольным. В другом варианте плиты имеют в плане трапециевидную форму и большие размеры. Плиты по контуру окаймляются ребрами размерами 240...270 мм и имеют промежуточные ребра, которые делят плиту на несколько кессонов. Наружные и промежуточные ребра плит, сваренные между собой, образуют как меридиональные, так и кольцевые ребра купола. Ребра плит, как правило, располагаются снизу плиты, однако по конструктивным соображениям иногда ребра проектируют и сверху плиты.

Полки плит армируются одиночной сварной сеткой, ребра — плоскими одиночными сварными каркасами и продольной арматурой периодического профиля класса A-III, класс бетона плит — В25.

Нижние опорные кольца выполняют из монолитного железобетона, верхние кольца образуются замоноличиванием кольцевых контурных ребер плит верхнего яруса. Плиты верхнего яруса имеют уменьшенное количество кессонов по сравнению с плитами нижнего яруса.

В куполах, монтируемых навесной сборкой, плиты представляют собой двухъярусную конструкцию, каждая из которых расположена в двух ярусах купола. Сборные плиты — ребристые. Ребра увеличивают жесткость плиты при съеме с опалубки и в процессе монтажа. Плиты имеют трапециевидный план и устанавливаются методом навесной сборки между консольными участками плит нижнего яруса (см. рис. 2.2.4).

В ребристо-кольцевых куполах с целью обеспечения устойчивости поперечное сечение ребер целесообразно выполнять двутавровым. Все промежуточные кольца рекомендуется выполнять прямоугольного или квадратного поперечного сечения. Форму опорного кольца купола лучше выбирать многоугольной в плане и прямоугольной в поперечном сечении со срезанным углом для опирания ребер.

Для утепленных куполов по ребрам и кольцам могут быть уложены плиты из легкого бетона. Для неотапливаемых зданий на ребра купола укладывают дополнительные прогоны, а по последним — асбестоцементные волнистые листы усиленного профиля. Сопряжение ребер с кольцами рекомендуется выполнять со сваркой закладных деталей и с замоноличиванием. Верхнее опорное кольцо купола должно быть выполнено из условия расчета на изгиб и кручение. Опоры купола выполняют в виде цилиндрических катков, располагаемых вдоль радиуса круга, так, чтобы обеспечить свободные радиальные перемещения и не допускать тангенциальные.

Составные полигональные оболочки целесообразно проектировать в виде комбинаций оболочек положительной кривизны с треугольным планом или с трапециевидным, но близким к треугольному планом (см. рис. 2.2.7). Составные полигональные оболочки — класс составных пространственных конструкций, подробно рассмотренных далее. Стрелу подъема составных полигональных оболочек следует принимать в пределах 1/8-1/10 от пролета конструкции.

В местах гуртов располагают специальные конструктивные элементы радиального направления, которые передают усилия с покрытия на опоры. Эти элементы выполняются в виде металлических арок или железобетонных ребер. При необходимости организовать радиальные световые проемы устраивают сдвоенные стальные радиальные двутаврового сечения арки, ветви которых соединяются дискретными связями. Контурные элементы выполняют в виде стальных арок с затяжками или сборных железобетонных ригелей, шарнирно опертых на колонны. Затяжки могут быть как стальными, так и железобетонными с обычным армированием или предварительно напряженными.

В центре покрытия выполняется внутреннее кольцо, на которое опираются радиальные элементы. Центрально-радиальный «каркас» покрытия улучшает статическую работу оболочки в целом, повышает технологичность возведения, улучшает работу покрытия на горизонтальные и вертикальные перемещения опор с учетом деформаций основания сооружения.

В составных полигональных оболочках высоту сечения радиальных арок принимают в пределах 1/60...1/80 от пролета оболочки, а контурных — не менее 1/100 от пролета арки. Сечения радиальных и контурных арок при количестве составляющих оболочек от 5 до 7 целесообразно принимать одинаковой жесткости.

Составляющие оболочки меридионально-кольцевой разрезкой членятся на однотипные основные плиты (в основном прямоугольного плана) и доборные с треугольным или трапециевидным планом (рис. 2.2.9).

Прямоугольные плиты размерами 3х6 м очерчены по пологой цилиндрической поверхности. В некоторых случаях при больших пролетах составного покрытия составляющие оболочки выполняют из прямоугольных цилиндрических плит размерами 2,4х7,2 м (плиты, аналогичные описанной выше конструкции, имеют два промежуточных ребра).

Соединение плит между собой выполняется с помощью стальных листовых накладок, которые вертикальными швами привариваются к закладным деталям плит, установленным в местах ребер. Все стыки и швы между плитами заполняются бетоном класса В25. По верху плит в угловых зонах, где действуют главные растягивающие и сжимающие напряжения, укладывают дополнительную арматуру и устраивают дополнительную монолитную набетонку.

Изготовление и монтаж. Наибольшую сложность представляет собой изготовление крупноразмерных цилиндрических трапециевидных плит для куполов длиной, равной половине пролета купола. Складирование, транспортировка и монтаж купола выполняют с временными затяжками, которые демонтируют после замоноличивания швов между плитами. Таким образом, монтаж этих куполов достаточно технологичен. Для сборки конструкций необходимо установить указанные плиты одним концом на внутреннее (центральное) кольцо, уложенное предварительно на центральную монтажную опору, вторым концом — на предварительно установленное опорное кольцо.

Изготовление плоских ребристых плит многоярусных куполов не отличается от изготовления обычных куполов. Монтаж таких куполов производится подъемным краном, находящимся в центре здания. Плиты поднимаются сразу под заданным углом в соответствии с их расположением в покрытии. Каждая плита поддерживается в проектном положении двумя подвесками (вантами), прикрепленными к стойкам, установленным на нижнем опорном кольце. При монтаже используется ферма-шаблон, которая перемещается в процессе сборки купола поворотом вокруг центральной башни.

В основу метода монтажа составных полигональных оболочек положен принцип предварительной укрупнительной сборки элементов.

На редкие временные опоры монтируются элементы радиальных и контурных арок. После этого приступают к монтажу составляющих оболочек покрытия. Монтаж ведется предварительно укрупненными самонесущими секциями. Секции состоят из двух, трех или четырех плит и временных затяжек шпренгельного типа. Закладные детали плит свариваются между собой стальными накладками. Сборка секций производится на специальном стенде, установленном в зоне действия крана. После сварки закладных деталей плит составляющей оболочки и замоноличивания швов производится раскружаливание оболочки, т. е. постепенное опускание монтажной оснастки при помощи песочных домкратов, встроенных в опорные части монтажных стоек. После этого монтажная оснастка передвигается для монтажа следующей составляющей оболочки.

При размерах сторон составляющей оболочки до 24 м монтажные секции устанавливают непосредственно на контурные и радиальные элементы. В этом случае возможен также монтаж этой оболочки целиком после сборки ее на нулевых отметках и подъема по контурным колоннам с помощью лебедок или гидродомкратов.

Приближенный расчет куполов-оболочек. Наиболее целесообразным для куполов является напряженное безмоментное состояние. Условиями такого состояния являются: а) плавность изменения толщины стенки оболочки, радиусы кривизны ее меридиана и направление касательной к нему, упругие свойства материалов, а также плавность изменения нагрузки, действующей на оболочку;

б) перемещение краев оболочки как радиальное, так и угловое должно быть свободным.

При нарушении указанных условий компоненты напряженно-деформированного состояния купола-оболочки могут быть получены путем суммирования напряжений безмоментного состояния с напряжениями, которые определяются с помощью моментной теории. Метод расчета куполов-оболочек по безмоментной теории основан на том, что она подвержена действию только нормальных сил. На практике это положение можно применять в отношении всего купола-оболочки, кроме участков, прилегающих к опорным кольцам.

Ниже приводятся основные формулы для определения усилий по безмоментной теории оболочек (рис. 2.2.10).

При вертикальных нагрузках на купол усилия N1 и N2 определяются по формулам:

где Vф — вертикальная равнодействующая внешней нагрузки на части оболочки, расположенной выше рассматриваемого сечения; N1 — усилия в оболочке по направлению меридиана на единицу длины кольцевого сечения (N1=o1b, где b — толщина оболочки); N2 — кольцевое усилие на единицу длины меридиана (N2 = 02b); r — радиус параллели, r = r2sinф; ф — переменный угол в меридиональном сечении оболочки, отсчитываемый от оси вращения; r1 — радиус кривизны меридиана; r2 — радиус кривизны нормального сечения, перпендикулярного к меридиану в данной точке (длина нормали к поверхности до оси вращения); r1 = r2 = rs = const; rs — радиус кривизны сферической оболочки.

Растягивающие усилия в опорном кольце

где ф0 — половина центрального угла дуги оболочки в меридиональном сечении; Z — нормальная к поверхности оболочки составляющая внешней нагрузки; Pz — вертикальная составляющая внешней нагрузки.

Для сравнительно узкой зоны оболочки около края проявляется влияние краевого защемления. Степень этого защемления зависит от типа опор. Около мест прикрепления оболочки к опорному кольцу возникает краевой эффект. Последний проявляется в том, что в приопорной зоне возникают изгибающие моменты, которые быстро затухают по мере отклонения от края оболочки. Эти моменты и их влияние на нормальные и сдвигающие силы, определяемые по безмоментной теории, приближенно учитываются вычислением коэффициента затухания К.

Для сферической оболочки

где u — коэффициент Пуассона.

При полной заделке оболочки в кольце максимальные значения усилий в низу оболочки у опорного кольца составляют:


где M1 — меридиональный момент на единицу длины кольцевого сечения; M2 — кольцевой момент на единицу длины меридионального сечения; N'r = -N2 — кольцевое усилие в зоне оболочки, примыкающей к опорному кольцу, вычисленное по безмоментной теории.

Наибольшие положительные значения M1 находятся в сечении при w = п/(2К):

где w — угол широты, отсчитываемый от нижнего края оболочки до того сечения, где определяются усилия.

При шарнирном соединении оболочки с опорным кольцом усилия внизу оболочки у опорного кольца будут:

Эти формулы выведены для постоянного К, но с известной точностью ими можно пользоваться и при переменном К.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна