ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ШПРЕНГЕЛЬНАЯ ФЕРМА Российский патент 2002 года по МПК E04C3/10 

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений в качестве конструкций специального назначения, например ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог и т.п.

Известна пространственная предварительно напряженная шпренгельная ферма [1] , включающая балку-распорку (балку жесткости), верхние и нижние гибкие затяжки, установленные между ними стойки шпренгелей, концы которых объединены схватками, образующими вместе со стойками шпренгелей поперечные диафрагмы. При этом концы стоек шпренгелей снабжены направляющими, через которые свободно пропущены гибкие затяжки.

Недостатком такого известного технического решения является невысокая жесткость и устойчивость при приложении к конструкции неравновесных нагрузок (например, снеговой, технологической от оборудования, приложенной на половине пролета; нагрузок, возникающих при несимметричной подвеске проводов контактной сети электрифицированных железных дорог и т.п.), обусловленная недостаточно эффективной работой стоек шпренгелей при воздействии на них сдвигающих усилий, направленных перпендикулярно осям стоек, что приводит к появлению в стойках изгибающих моментов и соответствующих деформаций. Кроме того, свободный пропуск затяжек на концах стоек также приводит к взаимному смещению этих элементов и увеличивает деформативность системы.

Известно, что в шпренгельной ферме при действии внешних нагрузок балка-распорка является сжато-изогнутым элементом, затяжки - растянуты, а в стойках возникают сжимающие усилия, обусловленные отпором затяжек в местах их сопряжения со стойками.

Как показывают исследования [2], в случае приложения к шпренгельным фермам неравновесных нагрузок ось сжато-изогнутого элемента жесткости (балки-распорки, ствола) искривляется по S-образной форме с точкой перегиба в средней части пролета шпренгельной фермы, при этом происходит взаимный сдвиг сечений затяжки и балки-распорки, а в стойках возникают соответствующие сдвигающие и изгибные усилия.

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

Также известна шпренгельная ферма [3] , включающая жесткий ствол (балку-распорку) и гибкие предварительно напряженные затяжки, соединенные со стволом сквозными поперечными диафрагмами, состоящими из стоек и концевых муфт. При этом каждая стойка выполнена в виде пары расходящихся стержней, расположенных в плоскости затяжек и симметрично наклоненных относительно вертикальной оси, проходящей через точку их пересечения с жестким стволом, а затяжки жестко закреплены в муфтах (принято за прототип).

Недостатком указанного технического решения является невысокая жесткость и устойчивость при действии неравновесных нагрузок.

Треугольные контуры, образуемые V-образно расходящимися стойками и затяжками, прикрепленные к жесткому стволу лишь в точке пересечения стоек, не эффективно воспринимают сдвигающие усилия между стволом и затяжками. Кроме того, выполнение стоек в виде V-образных элементов приводит к дополнительному расходу материала на стойки и на систему в целом.

Цель изобретения - создание предварительно напряженной шпренгельной фермы, обладающей повышенной жесткостью и устойчивостью при неравновесных схемах загружения и, тем самым, уменьшение ее материалоемкости (технический результат).

Поставленная цель достигается тем, что в предварительно напряженной шпренгельной ферме, включающей балку-распорку, гибкую затяжку, снабженную спрессованными шайбами и натяжными устройствами, стойки шпренгелей, которые установлены под углами α_1...n к оси балки-распорки, величины которых переменны, а их косинусы пропорциональны ординатам огибающей эпюры сдвигающих усилий. Концы стоек шпренгелей снабжены узловыми башмаками с вилкообразными упорами, центральными болтами и стопорными нагелями, проходящими внутри кольцевых элементов установленных в средней части длины нагелей.

Предлагаемое конструктивное решение позволяет после приложения к предварительно напряженной шпренгельной ферме неравновесных нагрузок получить в наклонных стойках шпренгелей сжимающие усилия, горизонтальные составляющие которых направлены в сторону, противоположную сдвиговым усилиям, возникающим между балкой-распоркой и затяжкой, что приводит к уменьшению относительных сдвиговых деформаций и, как следствие, повышает жесткость системы.

Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
на фиг.1 изображен общий вид предварительно напряженной шпренгельной фермы;
на фиг.2 - узел "А" на фиг.1;
на фиг.3 - вид по 1-1 на фиг.2;
на фиг.4 - вид по 2-2 на фиг.2.

Шпренгельная ферма включает балку - распорку 1, затяжку 2, снабженную спрессованными шайбами 3, стойки шпренгелей 4 и натяжные устройства 5 (например, стяжные муфты и т.п.). Стойки шпренгелей 4 установлены наклонно к оси балки-распорки под углами α_1...n, косинусы которых пропорциональны ординатам огибающей эпюры сдвигающих усилий, а на концах стоек шпренгелей 4 смонтированы узловые башмаки 6 с вилкообразными упорами 7, центральными болтами 8 и стопорными нагелями 9 (например, шпильками, болтами относительно небольшого диаметра и т. п. с конечной изгибной жесткостью), проходящими внутри кольцевых элементов 10 (например, коротких трубочек).

В процессе предварительного напряжения затяжек 2 натяжным устройством 5 вилкообразные упоры 7 узловых башмаков 6 упираются в торцы спрессованных шайб 3. При этом в стойках шпренгелей 4 возникают начальные сжимающие усилия.

Так как в каждом узле сопряжения затяжки 2 и стойки шпренгелей 4 их оси не пересекаются на оси центральных болтов 8, то результирующий вектор усилий в них (стойке 4 и затяжке 2) приложен с эксцентриситетом относительно оси центральных болтов 8. Таким образом, в узловых башмаках 6 возникают моменты, поворачивающие их относительно осей центральных болтов 8. Указанному повороту препятствуют нагеля 9, которые при этом упруго изгибаются.

При повороте узлового башмака 6 обеспечивается полное совмещение контактных поверхностей спрессованной шайбы 3 и вилкообразного упора 7. Кольцевые элементы 10, установленные в средних частях нагелей 9, создают двухконсольную схему изгиба нагелей 9.

Вилкообразные упоры 7 фиксируют положение затяжки в направлении, перпендикулярном плоскости шпренгельной фермы.

При приложении к шпренгельной ферме неравновесных односторонних нагрузок, направленных, например, сверху вниз, балка-распорка 1 изгибается по S-образной кривой с перегибом в средней части пролета. При этом в нагруженной зоне шпренгельной фермы ось балки-распорки 1 изгибается в сторону затяжки 2 (вниз), вызывая в стойках шпренгелей 4 дополнительные сжимающие усилия.

На незагруженной части шпренгельной фермы (вне зоны приложения односторонней нагрузки) ось балки-распорки 1 под действием усилий сжатия в стойках шпренгелей 4 перемещается вверх.

При таком загружении между сечениями балки-распорки 1 и затяжки 2 возникают сдвигающие усилия, воспринимаемые стойками шпренгелей 4.

В сжатых стойках шпренгелей 4, расположенных наклонно к оси балки-распорки 1, возникают горизонтальные составляющие усилий на ось балки-распорки 1 (усилия Н), которые направлены в сторону, противоположную сдвигающим усилиям в системе, уменьшают их и тем самым снижают деформации системы в целом.

При увеличении углов наклона стоек к оси балки-распорки 1 их косинусы возрастают, что приводит к увеличению значений усилий H, препятствующих взаимному сдвигу балки-распорки 1 и затяжки 2. Изменение косинусов углов наклона α_1...n пропорционально ординатам огибающей эпюры сдвигающих усилий в шпренгельной ферме приводит к изменению усилий H так же пропорционально действующим сдвигающим усилиям в системе, что позволяет равномерно снижать эти сдвиговые усилия и дополнительно увеличить эффект снижения деформативности системы. Это также приводит к повышению жесткости и, следовательно, устойчивости системы в целом.

В каждом узловом башмаке 6 за счет изменения величины упругого деформирования нагеля 9 (например, подбором соответствующего диаметра нагеля, длины кольцевого элемента 10) возможно регулирование податливости соединения стоек шпренгелей 4 и затяжки 2, что приводит к целенаправленному перераспределению усилий в системе и дает возможность снизить расход материала.

Кроме того, упругое деформирование нагелей 9 позволяет узловым башмакам 6 поворачиваться относительно осей крепления болтов 8, что обеспечивает полное совмещение контактных поверхностей шайб 3 и вилкообразных упоров 7 всех стоек 4 при всех схемах загружения в течение всего срока эксплуатации.

Предварительное напряжение затяжки 2 натяжными устройствами 5 обеспечивает в ней растягивающие усилия, то есть ее работоспособность на всех этапах эксплуатации.

Затяжка 2 с опрессованными шайбами 3 фиксирует положение концов стоек шпренгеля 4 и как растянутый элемент, обладая устойчивостью своего пространственного положения, является дополнительной упруго-податливой опорой для стоек шпренгелей 4. Это приводит к уменьшению расчетных длин стоек и повышает их устойчивость.

К преимуществам предлагаемого технического решения относится увеличение жесткости и устойчивости шпренгельных ферм 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 5...12%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. СССР 505779, М.Кл.² Е 04 С 3/10. Пространственная предварительно напряженная шпренгельная ферма. Авторы: Ю.В.Гайдаров и др. Опубликовано Бюл. 9, 1976г.

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

3. А. С. СССР 626727, М.Кл.² Е 04 С 3/08. Шпренгельная ферма. Опубликовано Бюл. 36, 1978г.

Изобретение относится к строительным конструкциям, а именно к конструкциям покрытий зданий и сооружений, а также может использоваться в качестве отдельно стоящих несущих систем специального назначения, например в качестве ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог. Технический результат - повышение жесткости и устойчивости при действии неравновесных нагрузок и, как следствие, снижение материалоемкости. Для этого в предварительно напряженной шпренгельной ферме, включающей балку-распорку, затяжку, стойки шпренгелей и натяжные устройства, стойки шпренгелей установлены наклонно к оси балки-распорки под углами, косинусы которых пропорциональны ординатам огибающей эпюры сдвигающих усилий, а на их концах смонтированы узловые башмаки с вилкообразными упорами, центральными болтами и стопорными нагелями, снабженными кольцевыми элементами. 4 ил.

Предварительно напряженная шпренгельная ферма, включающая балку-распорку, затяжку, стойки шпренгелей и натяжное устройство, отличающаяся тем, что стойки шпренгелей установлены наклонно к оси балки-распорки под углами, косинусы которых пропорциональны ординатам огибающей эпюры сдвигающих усилий, а на их концах смонтированы узловые башмаки с вилкообразными упорами, контактирующими с торцами спрессованных шайб затяжек, центральными болтами и стопорными нагелями, проходящими внутри кольцевых элементов.