ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ШПРЕНГЕЛЬНАЯ ФЕРМА Российский патент 2001 года по МПК E04C3/10 

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений, в качестве жестких поперечин контактной сети электрифицированных железных дорог и т.п.

Известна предварительно напряженная шпренгельная ферма [1], включающая балку-распорку, усиленную верхними и нижними предварительно напряженными затяжками, вынесенными за пределы сечения балки-распорки с помощью стоек шпренгеля.

Недостатком такого технического решения является невысокая жесткость и устойчивость балки-распорки в случае несимметричного приложения нагрузок, например, при загружении покрытия снеговой нагрузкой, расположенной на половине пролета или при несимметричной подвеске проводов контактной сети электрифицированных железных дорог и т.п.

Кроме того, известна пространственная предварительно напряженная шпренгельная ферма [2], включающая балку-распорку, верхние и нижние гибкие затяжки, установленные между ними стойки шпренгелей, концы которых объединены схватками, образующими вместе со стойками шпренгелей поперечные диафграмы. При этом концы стоек шпренгелей снабжены направляющими, через которые свободно пропущены гибкие затяжки (принято за прототип).

Недостатком такого известного технического решения является невысокая жесткость и устойчивость в случае приложения к конструкции неравновесных нагрузок.

Как показывают исследования [3] в случае приложения к шпренгельным фермам неравновесных нагрузок (например, снеговой, приложенной на половине пролета; нагрузок, возникающих при несимметричной подвеске проводов контактной сети электрифицированных железных дорог и т.п.) сжато - изогнутая балка-распорка в предельном состоянии теряет устойчивость по S-образной форме с точкой перегиба (т.е. точкой изменения знака радиусов кривизны кривой, описывающей изогнутую ось балки-распорки) в точке О, совпадающей с серединой пролета шпренгельной фермы.

Указанный выше случай неравновесного загружения является лимитирующим и определяет размеры сечений балки-распорки и, как следствие, материалоемкость шпренгельной фермы.

Перед авторами стояла задача - создание предварительно напряженной шпренгельной фермы, обладающей повышенной жесткостью и устойчивостью при неравновесных схемах загружения и, тем самым, уменьшение их материалоемкости (технический результат).

Поставленная задача достигается тем, что в предварительно напряженной шпренгельной ферме, включающей балку-распорку и основной шпренгель, состоящий из верхних и нижних гибких затяжек с натяжными устройствами, стоек с направляющими для пропуска гибких затяжек, и связевых элементов, объединяющих стойки, в пределах ее внешних габаритов установлены дополнительные парные шпренгеля, которые включают гибкие затяжки с натяжными устройствами и стопорными элементами, пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля и закрепленные у опор фермы и в точках наибольших деформаций балки-распорки (например, в четвертях пролета).

С целью надежного обеспечения включения в работу, гибкие затяжки дополнительных парных шпренгелей предварительно напрягаются (например, с использованием стяжных муфт). После их натяжения с обеих сторон стоек шпренгелей устанавливаются стопорные элементы, фиксирующие положение стоек относительно затяжек.

Существенными признаками заявленного технического решения, общими с прототипом, является наличие балки-распорки и основного шпренгеля, состоящего из верхних и нижних гибких затяжек с натяжными устройствами стоек с направляющими для пропуска гибких затяжек, и связевых элементов, объединяющих стойки.

Отличительным признаком заявленного технического решения является наличие дополнительных парных шпренгелей, установленных в пределах внешних габаритов фермы и включающих гибкие затяжки с натяжными устройствами и стопорными элементами, пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля и закрепленные у опор фермы и в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки (например, в четвертях пролета).

После приложения к шпренгельной ферме неравновесной нагрузки и деформировании балки-распорки по S-образной кривой в затяжках дополнительных парных шпренгелей возникают усилия самонапряжения, препятствующие деформациям балки-распорки. Поскольку первой неравновесной формой деформирования предварительно напряженной шпренгельной фермы является S-образная кривая, то применение парных шпренгелей в наибольшей степени препятствует такому деформированию. Крепление затяжек дополнительных парных шпренгелей в точках балки-распорки с максимальными поперечными деформациями (например, в четвертях пролета) обеспечивает их наибольший упругий отпор. Это позволяет эффективно уменьшить перемещение балки-распорки, и тем самым повысить жесткость и устойчивость шпренгельной фермы в целом. Использование для дополнительных парных шпренгелей стоек основного шпренгеля уменьшает количество элементов фермы, что приводит к снижению материалоемкости системы.

Установка на затяжках стопорных элементов увеличивает жесткость дополнительных парных шпренгелей и раскрепляет стойки основного шпренгеля, уменьшая тем самым их расчетную длину и, следовательно, повышает устойчивость.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного 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 заявленное 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 общий вид шпренгельной фермы; на фиг. 2 - разрез по 1-1 на фиг. 1.

Шпренгельная ферма включает балку-распорку 1 и основной шпренгель. Основной шпренгель состоит из верхних 2 и нижних 3 гибких затяжек, стоек основного шпренгеля 4, объединенных связевыми элементами 6 и снабженных направляющими 5, через которые пропущены затяжки 2 и 3.

В местах наибольших поперечных деформаций балки-распорки (например, в четвертях пролета) - точки B и C на фиг. 1 и у опор фермы - точки A и D на фиг. 1 к балке-распорке прикреплены гибкие затяжки дополнительных парных шпренгелей 7, не выходящие за пределы габарита шпренгельной фермы и пропущенные через дополнительные направляющие 8 (например, отверстия) в стойках основного шпренгеля 4. Затяжки 7 снабжены стопорными элементами 10 (например, обжимными кольцами), устанавливаемыми с обеих сторон стоек основного шпренгеля 4 после предварительного натяжения затяжек 7. Предварительное напряжение гибких затяжек основного шпренгеля 2, 3 и затяжек дополнительных парных шпренгелей 7 создается натяжными устройствами 9 (например, стяжными муфтами и т.п.).

При приложении к шпренгельной фермы неравновесных нагрузок (например, снеговой, приложенной на половине пролета; нагрузок, возникающих при несимметричной подвеске проводов контактной сети электрифицированных железных дорог и т.п.) балка-распорка 1 изгибается по S-образной кривой с перегибом в точке O и максимальными стрелками выгибов в точках B и C. При этом в точках B и C радиусы кривизны оси балки-распорки 1 направлены в противоположные стороны (имеют свои центры кривизны по разные стороны от оси балки-распорки 1) и, следовательно, имеют разные знаки.

В момент приложения нагрузки (как крайняя ситуация - в момент потери устойчивости) точка B, например, перемещается вверх, а точка C одновременно начинает перемещаться вниз. При шарнирном закреплении балки-распорки 1 на опорах ее геометрическая ось при указанном движении принимает S-образную форму с перегибом в точке O и максимальными ординатами в точках B и C (например, в четвертях пролета).

При перемещении точки B, например вверх, нижние затяжки дополнительных парных шпренгелей 7, закрепленные в точке B, донапрягаются и, как растянутые элементы, являются дополнительными упругоподатливыми опорами для балки-распорки 1 в указанной точке и для стоек основного шпренгеля 4, которые соединены с затяжками в направляющих 8. При этом стойки основного шпренгеля препятствуют перемещению вниз правого (на фиг. 1) участка балки-распорки 1, в том числе и точки C.

В точках B и C (местах с максимальными стрелками выгибов балки-распорки 1) затяжки дополнительных парных шпренгелей 7 имеют наибольший угол наклона к оси балки-распорки и, следовательно, создают максимальный упругий отпор смещению оси балки-распорки 1.

При перемещении точки B, например вниз, донапрягаются верхние затяжки дополнительных парных шпренгелей 7 с аналогичным эффектом.

Использование для дополнительных парных шпренгелей стоек основного шпренгеля 4, через которые пропущены затяжки 7, уменьшает количество элементов и не увеличивает габариты фермы. Кроме того, в стойках 4 концентрируются усилия сжатия (от упругого отпора затяжек 2, 3 и 7), что ведет к увеличению радиусов инерции их поперечных сечений, повышению коэффициентов продольного изгиба для сжатых элементов и, следовательно, повышает эффективность использования прочностных свойств материала стоек, что в целом приводит к снижению материалоемкости системы.

Установка на затяжках 7 стопорных элементов 10 увеличивает жесткость дополнительных парных шпренгелей и раскрепляет стойки основного шпренгеля 4 (в третях, четвертях, половинах их длин), тем самым значительно уменьшая их расчетную длину, и, следовательно, повышает устойчивость стоек и системы в целом при действии неравновесных нагрузок.

Таким образом, наличие дополнительных парных шпренгелей, закрепленных у опор фермы и в точках наибольших поперечных перемещений балки-распорки 1 препятствует ее S-образному деформированию, и, как следствие, повышает жесткость и устойчивость шпренгельной фермы при неравновесных схемах загружения.

К преимуществам предлагаемого технического решения относится увеличение жесткости и устойчивости шпренгельных ферм, особенно при действии неравновесных нагрузок.

Технико-экономический эффект предлагаемого решения заключается в увеличении жесткости и устойчивости шпренгельных ферм, особенно при больших пролетах, что позволяет уменьшить материалоемкость до 12...15%.

Источники информации
1. А.с. СССР N 142679, М.Кл.² E 04 C 3/10. Шпренгельная ферма. Опубликовано в 1961 г.

2. А.с.СССР N 505779, М.Кл.² E 04 C 3/10. Пространственная предварительно напряженная шпренгельная ферма. Авторы: Ю.В.Гайдаров, и др. Опубликовано бюл. N 9, 1976 г.

3. Воеводин А.А. Шпренгельные радио-мачты. -М.: Радио и связь, 1981, с. 176. (с.14. рис.1.1; с.29.рис.1.9).

Изобретение относится к строительным конструкциям, а именно к конструкциям покрытий зданий и сооружений. Технический результат - повышение жесткости и устойчивости при действии неравновесных нагрузок и как следствие снижение материалоемкости. Предварительно напряженная шпренгельная ферма, включающая распорку и основной шпренгель, состоит из верхних и нижних гибких затяжек с натяжными устройствами, стоек с направляющими для пропуска гибких затяжек и связевых элементов, объединяющих стойки в пределах ее внешних габаритов. Ферма снабжена дополнительными парными шпренгелями, включающими гибкие затяжки с натяжными устройствами и стопорными элементами, пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля и закрепленные у опор фермы и в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки. 2 ил.

Предварительно напряженная шпренгельная ферма, включающая балку-распорку и основной шпренгель, состоящий из верхних и нижних гибких затяжек с натяжными устройствами, стоек с направляющими для пропуска гибких затяжек, и связевых элементов, объединяющих стойки, отличающаяся тем, что в пределах ее внешних габаритов установлены дополнительные парные шпренгели, включающие гибкие затяжки с натяжными устройствами и стопорными элементами, пропущенные через направляющие в стойках основного шпренгеля и закрепленные у опор фермы и в точках наибольших поперечных деформаций балки-распорки.