Вантовые висячие металлические конструкции

Состоят из несущих пролетных элементов в виде стальных вант и воспринимающих их реакции (распор) - обычно железобетонных опорных частей. В некоторых конструктивных формах включаются также элементы, передающие распор (оттяжки и распорки). Ванты - несущие элементы стержневого типа (тросы, канаты, гибкие стержни, пучки высокопрочной проволоки, ленты и т. п.), работающие в основном на растяжение. Вантовые висячие металлические конструкции применяются в висячих мостах, покрытиях зданий и сооружений, трубопроводных переходах, подвесных канатных дорогах, воздушных линиях электропередачи, кабель-кранах и др. Их достоинством является то, что работа пролетного элемента на растяжение позволяет максимально использовать расчетное сопротивление высокопрочных сталей, перекрывая большие пролеты при относительно невысоком расходе материалов, а недостатком - повышенная деформативность и кинематическая податливость. Стабилизация конструкции достигается:

• предварительным напряжением вант, осуществляемым монтажным пригрузом, домкратами, электротермическим методом и др.;
• применением конструктивных форм повышенной жесткости (предварительно напряженных двухпоясных систем, вантовых ферм и др.);
• использованием гибких пролетных элементов, обладающих наряду с осевой также и изгибной жесткостью;
• предварительным напряжением опорного контура.

Вантовые висячие металлические конструкции являются распорными системами. Распор висячего элемента может передаваться непосредственно в фундаменты, разомкнутый опорный контур или восприниматься в уровне покрытия опорными конструкциями (замкнутый опорный контур).

Вантовые висячие металлические конструкции можно разделить на две группы: плоскостные и пространственные, каждая из которых включает следующие конструктивные формы:

Плоскостные

1. однопоясные, состоящие из параллельно расположенных вант (вантовых ферм), верхние концы которых закреплены к оголовкам вертикальных пилонов, откуда распор с помощью наклонных оттяжек передается на фундаменты. Применяются в висячих мостах и в висячих пролетах плоскостных каркасов зданий;
2. вантово-балочные системы, состоящие из вант, к которым по длине подвешены балки жесткости. В эту систему включаются также боковые распорки, передающие горизонтальную составляющую распора на балку жесткости, при этом вертикальная составляющая передается на фундаменты вертикальными оттяжками. К вантово-балочным относятся системы, состоящие из консольных балок (ферм), подвешенных на вантах к анкерным элементам. Вантово-балочные висячие металлические конструкции применяются в плоскостных пролетных каркасах зданий и сооружений, висячих мостах, а последний тип - в покрытиях ангаров самолетов;
3. двухпоясные предварительно напряженные, состоящие из несущих и стабилизирующих вант, в которых стабилизирующий выпуклый вант может располагаться в трех вариантах:
   • над вогнутым несущим,
   • под вогнутым несущим,
   • пересекаться с ним
   Применяются в покрытиях зданий и сооружений.

Переходной от плоскостной к пространственной конструктивной формой являются однопоясные вантовые висячие металлические конструкции на круглом или овальном плане, состоящие из радиальной системы вант, закрепленных концами в наружном сжато-изогнутом и внутренних - растянуто-изогнутых опорных кольцах с образованием вогнутой или шатровой формы покрытий зданий и сооружений.

При приложении асимметричной вертикальной нагрузки и круговом плане покрытия оба опорных кольца работают безмоментно (внутреннее кольцо только растянуто, а наружное только сжато), что наиболее экономично по расходу материала. Ванты, входящие в радиальную сетку, могут быть однопоясными или двухпоясными и располагаться в соответствии с тремя рассмотренными выше вариантами.

Геометрическая форма радиально вантовой системы зависит от уровня расположения внутреннего опорного кольца:

• вогнутая (чашеобразная) форма - при размещении внутреннего опорного кольца ниже уровня наружного;
• шатровая (двойной кривизны) - при размещении внутреннего кольца на центральной опоре выше наружного и провисающих (вогнутых) вант;
• коническая - в том же случае, но при натянутых вантах.

Пространственные

Представляют собой гибкие сети, образованные пересечением вант, концы которых закреплены в опорном контуре. В зависимости от схемы, они делятся на:

• ортогональные;
• радиально-кольцевые;
• косоугольные.

Ортогональная вантовая сеть состоит из вант, пересекающихся под прямым углом, для придания требуемой жесткости ей обычно придается предварительное напряжение. Она применяется при круговом, овальном, прямоугольном, квадратном и др. планах.

Наиболее эффективная - гиперболическая парабола, ортогональная сетка которого состоит из несущих вогнутых и напрягающих выпуклых вант (тех и других, очерченных по квадратной параболе) и расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга. При применении предварительно-напряженных ортогональных сеток на круговом плане создается растянутая поверхность положительной гауссовой кривизны. При равномерно распределенной нагрузке наружное опорное кольцо безмоментно, что экономично.

Принципиальная схема основного несущего каркаса и радиально-вантового покрытия здания Дворца спорта "Юбилейный" в Санкт-Петербурге:
1 - наружное железобетонное опорное контурное кольцо; 2 - железобетонные колонны каркаса; 3 - вантовые фермы; 4 - кровельные стальные панели; 5 - внутренние стальные опорные кольца

В прямоугольном (квадратном) контуре для достижения его безизгибности используются криволинейные тросы-подборы, которые воспринимают распор ортогональной вантовой сети и передают его в углы контурной рамы.

Радиально-кольцевая вантовая сеть состоит из радиальных (закрепленных по концам во внутреннем и наружном кольцах) вант и работающих совместно с ними кольцевых элементов; их конструктивная форма аналогична радиальным вантовым системам. Косоугольная сеть образуется пересечением вант под углами, отличающимися от прямого.

Расчетной схемой единичного гибкого ванта является работающая на растяжение гибкая нить, под которой подразумевается стержень с исчезающе малой жесткостью.

Таким образом, под гибким подразумевается вант, изгибной жесткостью которого (как и изгибающими моментами) можно пренебречь ввиду их малости. Для расчета таких вант применяется теория гибких нитей. Следует учитывать, что при создании в гибких вантах предварительного напряжения они способны наряду с растяжением воспринимать сжатие.

Существуют так называемые "жесткие" ванты, у которых изгибная жесткость такова, что обусловленные ею напряжения от изгиба составляют более 5% от усилия растяжения. Эти ванты работают по схеме растянуто-изогнутого стержня, при которой максимальные напряжения в элементе определяются суммой растягивающих и изгибных напряжений от изгиба.

Для расчета пространственных вантовых конструкций используется теория вантовых сетей.

Чаще всего для вант применяются стальные витые из высокопрочной проволоки канаты закрытого типа с пределом прочности 100-260 МПа, которые оцинковываются для повышения коррозионной стойкости. Расчетное сопротивление канатов принимается равным 60% от среднего разрывного усилия, определяемого отношением разрывного усилия к площади сечения всех проволок в канате. В зависимости от конструкции каната (одно- или многопрядный, диаметров каната и проволок) модуль упругости предварительно вытянутых стальных канатов колеблется в пределах от 1,3×10⁵МПа до 1,8×10⁵МПа. Модуль упругости канатов, не прошедших предварительной вытяжки, принимается равным 80% от величины модулей упругости предварительно вытянутых канатов.

В процессе эксплуатации (в особенности в ее первые годы) при неизменной нагрузке в канатах возникают удлинения (ползучесть), обусловленные, как правило, конструкцией и геометрией вантовой системы. Величина деформационной ползучести оценивается около 0,04…0,06% от величины упругой деформации. Целесообразно предусматривать устройства, позволяющие подтягивать канаты под нагрузкой.

Для передачи на канат усилий растяжения на его концах устраиваются стальные анкеры, которые могут быть двух типов - стаканные или клиновые. Стаканные анкеры, могут быть выполнены с конической или цилиндрической внутренней полостью. Конец каната заводится в стакан через отверстие в его торцовой стенке; затем стакан заливают цветным сплавом (обычно это сплав цинка с алюминием или медью ЦАМ).

Жесткие ванты обычно применяются в форме висячих больших ферм. Вантовые висячие металлические конструкции раньше всего начали применяться в мостах в XIX в. Наивысшим достижением в мостостроении был Бруклинский мост в г. Нью-Йорке со средним пролетом 486,5 м (1870-1883 гг.). В XX в. началось массовое строительство висячих мостов и к середине 30-х годов достигло перекрытия весьма больших пролетов, напр. мост через залив Золотые Ворота в г. Сан-Франциско пролетом 1280 м (1937 г.).

Применение Вантовые висячие металлические конструкции в покрытиях зданий началось в России в конце XIX в. В. Г. Шуховым - покрытие ГУМа в г. Москве (1813 г.), четыре павильона с различным (прямоугольный, овальный и круглый) в плане и пролетами от 30 до 100 м. Среди наиболее значительных В.В.М.К. в покрытиях, построенных в последнее время, можно назвать Олимпийский стадион в г. Мюнхене (1972 г.) (вантовая сеть), Дворец спорта "Юбилейный" в г. С.-Петербурге диаметром 93 м (1976 г.). Аналогичные покрытия по российским проектам были построены в городах Берлине, Зуле (Германия), Будапеште, Ереване и Баку, плавательный бассейн в г. Москве (висячие фермы с максимальным пролетом 104 м, 1980 г.); универсальный спортивно-зрелищный зал в г. Алма-Ате (висячие фермы пролетом 67 м, 1993 г.).

Можно также назвать большое количество строений консольно-вантовых покрытий ангаров для самолетов.