Предварительно напряженная вантовая конструкция

 

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений, в отдельно стоящих конструкциях (например, жестких поперечин контактной сети электрифицированных железных дорог, для подвески осветительной арматуры и т.п.) и др. Технический результат изобретения заключается в увеличении жесткости предварительно напряженной вантовой конструкции, особенно при действии комбинаций вертикальных и горизонтальных нагрузок, что позволяет уменьшить ее материалоемкость на 7 - 9%. Для этого предварительно напряженная вантовая конструкция включает двухконсольную балку-распорку, опирающуюся на пилоны, вертикальную вантовую систему с подвесками, поперечными стяжками и натяжными устройствами, а также затяжку, свободно проходящую через направляющие на концах горизонтальных стоек шпренгелей, при этом консоли балки - распорки выполнены V-образными с криволинейными направляющими на концах, через которые свободно пропущена замкнутая затяжка, объединенная с вантом в местах перелома их осей фиксаторами. В фиксаторах вант и затяжка пропущены свободно, а их оси имеют переломы под углами, синусы которых обратно пропорциональны усилиям в ванте и затяжке от приложенных нагрузок. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений, в отдельно стоящих конструкциях (например, жестких поперечин контактной сети электрифицированных железных дорог, для подвески осветительной арматуры и т.п.) и др.

Известна предварительно напряженная вантовая ферма [1] , включающая балку-распорку, три пространственно расположенные ванты, растяжки и фундаментные анкера.

Недостатком такого технического решения является невысокая жесткость и устойчивость конструкции и как следствие повышенная материалоемкость при действии загружений, главный вектор которых не совпадает с осями симметрии конструкции. Это обусловлено невозможностью регулирования усилий в вантах в период эксплуатации.

Кроме того, известна безраспорная вантовая ферма [2], включающая балку-распорку, три пространственно расположенные ванты, растяжки, соединяющие балку-распорку с вантами и жестких треугольников, фиксирующих пространственную геометрию поясов. Пояса и растяжки соединяются с балкой-распоркой посредством натяжных устройств, например талрепов (принято за прототип).

Недостатком такого известного технического решения является невысокая жесткость и устойчивость системы. Так, при действии комбинаций загружения (например, собственный вес конструкции + гололедная нагрузка + ветровая нагрузка), главный вектор которых не совпадает с осями симметрии конструкции, в симметричных вантах фермы возникают различные по величине усилия. Для обеспечения работоспособности гибких вант на стадии предварительного напряжения необходимо создавать в них значительные растягивающие усилия, что увеличивает продольную силу в балке-распорке и, как показывают исследования [3] , уменьшает жесткость системы в целом. Кроме того, наличие большого количества натяжных устройств и отсутствие свободного пропуска вант через концы балки-распорки и жестких треугольников снижает возможности либо делает невозможным регулирование (перераспределение с целью выравнивания) усилий в вантах в процессе эксплуатации, что не позволяет создать в элементах рациональные значения усилий, и снижает устойчивость системы в целом.

Перед авторами предлагаемого технического решения стояла задача - создание предварительно напряженной шпренгельной фермы, обладающей повышенной жесткостью, особенно при действии разнонаправленных нагрузок, повышение устойчивости балок-распорок и тем самым снижение их материалоемкости (технический результат).

Поставленная задача достигается тем, что в предварительно напряженной вантовой конструкции, включающей балку распорку с двумя V-образными консолями, опирающуюся на пилоны; вертикальный вант, связанный в пролете с балкой-распоркой подвесками; замкнутую затяжку, свободно проходящую через направляющие (например, трубочки), смонтированные на концах горизонтальных стоек шпренгелей, через криволинейные направляющие, расположенные на концах V-образных консолей балки-распорки, а также через фиксаторы, расположенные с внутренней стороны ванта (со стороны перекрываемого пролета). В местах установки фиксаторов вант и замкнутая затяжка пропущены свободно, а их оси имеют переломы в противоположных направлениях под углами <α и <β . При этом отношение синусов указанных углов обратно пропорционально усилиям в ванте и замкнутой затяжке, возникающим при приложении к системе расчетных нагрузок. То есть 2H_з•sinα = 2H_в•sinβ, отсюда (sinβ/sinα) = (H_з/H_в) Вант и горизонтальные стойки шпренгелей объединены поперечными стяжками. На ванте имеются натяжные устройства (например, стяжные муфты), обеспечивающие надежное включение в совместную работу гибких элементов системы (ванта и замкнутой затяжки).

Существенными признаками заявляемого технического решения, общими с прототипом, являются наличие двухконсольной балки - распорки, пилонов, ванты, подвесок (растяжек), соединяющих балку - распорку с вантами. Пояса и подвески (растяжки) соединяются с балкой - распоркой посредством натяжных устройств, например муфт.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются наличие V-образных консольных свесов балки-распорки, снабженных криволинейными направляющими, через которые свободно пропущена замкнутая горизонтально расположенная затяжка, свободно проходящая через фиксаторы, объединяющие вант и затяжку в местах перелома их осей в противоположных направлениях. При этом в фиксаторах вант и горизонтальная замкнутая затяжка пропущены свободно, а их оси имеют переломы в противоположных направлениях под углами, синусы которых обратно пропорциональны усилиям в ванте и затяжке от приложенных нагрузок.

После приложения к предварительно напряженной вантовой конструкции нагрузок, равнодействующие которых не совпадают ни с вертикальной плоскостью симметрии, ни с горизонтальной плоскостью шпренгельной системы (включающей балку-распорку, стойки шпренгелей и замкнутую затяжку), растягивающие усилия в ванте увеличиваются от действия вертикальных составляющих приложенных нагрузок, а усилия в замкнутой затяжке от действия горизонтальных составляющих приложенных нагрузок увеличиваются на одной ветви затяжки (затяжка донапрягается), а на другой ветви - уменьшаются (затяжка расслабляется). Благодаря тому, что вант и замкнутая затяжка в местах контакта имеют переломы осей в противоположных направлениях, растягивающие усилия в ванте создают дополнительные растягивающие усилия в замкнутой затяжке (и наоборот, растягивающие усилия в ванте создают дополнительные растягивающие усилия в замкнутой затяжке), которые компенсируют усилия расслабления затяжки от горизонтальной составляющей нагрузок.

С другой стороны, имеет место и обратное описанному выше влияние усилий в замкнутой затяжке на усилия в ванте. То есть растягивающие усилия в замкнутой затяжке создают дополнительные растягивающие усилия в ванте, которые компенсируют усилия расслабления ванта от вертикальной (направленной вверх) составляющей нагрузок.

Таким образом, благодаря совместной работе и взаимному влиянию гибких элементов системы разных направлений (вертикальные ванты и горизонтальные затяжки) в гибких элементах вантовой системы сохраняются растягивающие усилия при любой расчетной комбинации нагрузок, т.е. происходит их саморегулирование в процессе эксплуатации. Создание переломов осей ванта и замкнутой затяжки в противоположных направлениях под углами <α и <β , при которых отношение синусов указанных углов обратно пропорционально усилиям в ванте и замкнутой затяжке, возникающим при приложении к системе расчетных нагрузок, то есть (sinβ/sinα) = (H_з/H_в), позволяет обеспечить в гибких элементах наиболее оптимальное распределение усилий и снизить их максимумы.

Начальное растяжение в гибких элементах системы создается натяжными устройствами (например, стяжными муфтами).

Как известно, растянутые элементы обладают устойчивостью своего пространственного положения и, следовательно, растянутые вант и затяжка могут рассматриваться как промежуточные упругоподатливые опоры для сжато-изогнутой балки-распорки, что существенно увеличивает ее устойчивость, обеспечивая заявленный технический эффект.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалистов единым образом из уровня техники, поскольку использование отличительных признаков не известно для достижения указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами: - на фиг. 1 изображен фасад предварительно напряженной вантовой конструкции; - на фиг. 2 - план по 1-1 на фиг. 1; - на фиг. 3 - разрез по 2-2 на фиг. 1; - на фиг. 4 - узел "А" на фиг. 2; Предварительно напряженная вантовая конструкция включает в свой состав жесткую двуконсольную балку-распорку 1, консоли 2 которой выполнены V-образной формы, опирающуюся на пилоны 3; вертикальный вант 4, объединенный с балкой-распоркой 1 подвесками 5, свободно пропущенный через направляющие 6 на верхних концах пилонов 3 и закрепленный у их основания; горизонтальные стойки 7 шпренгеля с направляющими 8 на своих концах, через которые свободно пропущена замкнутая гибкая затяжка 9; наклонные стяжки 10, объединяющие свободные концы стоек 7 и подвесок 5. На концах V-образных консолей 2 смонтированы криволинейные направляющие 11, через которые свободно пропущена замкнутая затяжка 9. В местах пересечения вертикального ванта 4 и замкнутой затяжки 9 установлены фиксаторы 12, не препятствующие перемещениям гибких элементов 4 и 9 вдоль их осей. На ванте 4 установлены натяжные устройства 13 (например, стяжные муфты). Замкнутая затяжка 9 и вант 4 в местах взаимного пересечения (контакта) имеют переломы осей, направленные в противоположные стороны. Гибкие элементы 4 и 9 в местах их контакта имеют излом осей: угол поворота оси ванта 4 составляет <β , а угол поворота оси замкнутой затяжки - <α . При этом соотношения синусов этих углов обратно пропорциональны усилиям в ванте 4 и замкнутой затяжке 9, возникающим в них при приложении к системе расчетных нагрузок:
(sinα/sinβ) = (H_в/H_з),
где, sin α - синус угла перелома оси замкнутой затяжки 9 в месте контакта с вантом 4;
sin β - синус угла перелома оси ванта 4 в месте контакта с замкнутой затяжкой 9;
H_з - усилие замкнутой затяжки 9, возникающее при приложении к системе расчетных нагрузок;
H_в - усилие в ванте 4, возникающее при приложении к системе расчетных нагрузок;
При приложении к предварительно напряженной вантовой конструкции нагрузок, векторы действия которых не совпадают ни с вертикальной плоскостью ванта 4, ни с горизонтальной плоскостью замкнутой затяжки 9, вертикальные составляющие таких нагрузок (в случае направления их вектора вниз) вызывают в ванте 4 дополнительные растягивающие усилия. Так как вант 4 в местах контакта с замкнутой затяжкой 9 имеет излом оси, то растягивающее усилие в нем дает горизонтальную составляющую на уровне плоскости замкнутой затяжки 9, направленную наружу (от середины пролета конструкции) и вызывающую дополнительное растяжение последней (9).

Благодаря свободе перемещения в направляющих 8 усилие в замкнутой гибкой затяжке 9 выравнивается по ее панели автоматически.

С другой стороны, при действии на горизонтальную шпренгельную систему, состоящую из жесткой балки-распорки 1, горизонтальных стоек 7 и замкнутой затяжки 9, горизонтальных составляющих приложенных к вантовой конструкции нагрузок, усилия в затяжке 9 изменяются, что изменяет степень упругой податливости узлов сопряжений с вантом 4 и изменяет в нем величины растягивающих усилий. Процесс взаимного регулирования усилий в ванте 4 и замкнутой затяжке 9 происходит автоматически и не требует искусственного регулирования в процессе эксплуатации.

Растянутые в процессе эксплуатации вант 4 и замкнутая затяжка 9 как растянутые элементы обладают устойчивостью своего пространственного положения и, следовательно, являются для балки-распорки 1 промежуточными упругоподатливыми опорами, что существенно уменьшает свободную длину балки-распорки 1 и, соответственно, увеличивает ее жесткость.

К преимуществам предлагаемого технического решения относится увеличение жесткости балки-распорки, а следовательно, и всей предварительно напряженной вантовой конструкции в целом, особенно при действии комбинаций вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Технико-экономический эффект предлагаемого технического решения заключается в увеличении жесткости предварительно напряженной вантовой конструкции. Особенно при действии комбинаций вертикальных и горизонтальных нагрузок, что позволяет уменьшить ее материалоемкость на 7...9%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Висячие системы: (Конструкции и расчет нитей конечной жесткости) /В. Н. Шимановский. - К.: Будiвельник, 1984. - 208 с. (с. 16, рис. 9).

2. А.С. СССР N 434163, М. Кл.² E 04 B 7/14. Безраспорная вантовая ферма. Авторы: В. Н. Шимановский, В.Ф. Мирошник, В.Н. Мацвейко, В.В. Осадчук, Ю.Н. Лузин. Опубликовано в бюл. N 24, 1974 г.

3. Кирсанов Н. М. Висячие покрытия производственных зданий. - М.: СИ, 1990. - 128 с.

Формула изобретения

1. Предварительно напряженная вантовая конструкция, включающая двухконсольную балку-распорку, опирающуюся на пилоны, вертикальную вантовую систему с подвесками, поперечными стяжками и натяжными устройствами, а также затяжку, свободно проходящую через направляющие на концах горизонтальных стоек шпренгелей, отличающаяся тем, что консоли балки-распорки выполнены V-образными с криволинейными направляющими на концах, через которые свободно пропущена замкнутая затяжка, объединенная с вантом в местах перелома их осей фиксаторами.

2. Предварительно напряженная вантовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что в фиксаторах вант и затяжка пропущены свободно, а их оси имеют переломы под углами, синусы которых обратно пропорциональны усилиям в ванте и затяжке от приложенных нагрузок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4