Большепролетные здания с покрытиями    стальными арками

Большепролетные арочные покрытия используют в зданиях гражданского назначения: павильоны, крытые рынки, стадионы, вокзалы и т.п.; в зданиях производственного назначения: ангары для самолетов, гаражи, цехи производственного назначения и т.п. Конструктивное усложнение геометрической формы пролетной конструкции арки существенно компенсируется снижением влияния изгибающего момента, что дает экономию стали. Арочные конструкции становятся экономичнее рамных при пролетах ≥ 80 м. В большепролетных арочных покрытиях чаще применяют арки трехшарнирные, двухшарнирные и  бесшарнирные. Качественное их различие состоит в следующем:

– трехшарнирные арки (рис. 5.1) [3] не чувствительны к осадкам опор, температурным изменениям; однако они имеют повышенный расход стали и более деформативны. Как видно из анализа изгибающих моментов на рис. 5.4, в трехшарнирных арках он весьма неравномерно распределен на полуарке и приводит или к усложнению изготовления (при переменных сечениях по длине дуги полуарки) или к значительному утяжелению конструкции полуарки (при постоянных сечениях по длине полуарки): в середине дуги полуарки; , в четверти дуги полуарки;

– бесшарнирные арки (рис. 5.3) [3] в определенном смысле имеют противоположные качества по сравнению с трехшарнирными: наибольшую жесткость, наилучшее перераспределение изгибающих моментов в пролетах (рис. 5.4), что приводит к существенному снижению расхода стали.

Рис. 5.1. Конструктивная схема трехшарнирной арки: 1 – полуарка;            2 – ключевой шарнир; 3 – опорные шарниры; 4 – фундаменты;; f ₀ – стрела подъема при l /2; l – пролет в осях опорных шарниров

Рис. 5.2. Конструктивная схема двухшарнирной арки: 1 – арка;                   2 – опорные шарниры; 3 – фундаменты; f ₀ – стрела подъема арки в середине пролета; l – пролет в осях опорных шарниров

Рис. 5.3. Конструктивная схема бесшарнирной арки: 1 – арка;                   2 – фундаменты; 3 – защемленные опорные узлы; f ₀ – стрела подъема оси арки в середине пролета; l – пролет в осях опорных узлов

Рис. 5.4. Изменение изгибающих моментов по длине дуги арки: 2 – трехшарнирной; 3 – двухшарнирной; 4 – бесшарнирной

Рис. 5.5. К поиску рационального (оптимального) очертания оси высокой арки (f / l >> 1/10): 1 – исходное положение оси, f ₀; 2 – положение оси при действии равномерно-распределенной нагрузки (собственный вес снег); 3 – положение оси от ветра (W₀) слева; 4 – положение оси от ветра (W₀) справа; 5 – осредненная кривая оси арки

Однако они максимально реагируют на смещение опор и изменение температуры, требуют более массивных фундаментов при жестких опорных узлах, чем  трехшарнирные;

– двухшарнирные арки (рис. 5.2) [3] в определенной степени сглаживают достоинства и недостатки предыдущих систем: они менее чувствительны к осадкам опор и изменениям температуры по сравнению с бесшарнирными, более экономичны по расходу стали по сравнению с трехшарнирными, их опорные узлы не имеют изгибающих моментов (рис. 5.4: ). Поэтому двухшарнирные арки получили наибольшее распространение в практике проектирования и строительства.

Для улучшения работы арок в слабых грунтах распор передают на затяжки. При этом затяжки располагают как в уровне опорных шарниров, так и выше их, в зависимости от объемно-планировочного решения здания. Так, для увеличения полезной высоты помещений арки с затяжками устанавливают на высоких ограждающих стенах или колоннах каркаса        (рис. 5.6) [3]. Если увеличение полезной высоты в здании не требуется, то затяжки располагают на уровне опорных шарниров ниже уровня пола в специальных коробах (рис. 5.7) [6].

Очертание арок зависит от функционального назначения здания, от его габаритных размеров, действующих нагрузок, технологических условий изготовления, монтажа и т.п. По возможности ось арки целесообразно приближать к кривой давления, зависящей от совокупности влияния основных нагрузок: постоянной, снеговой, ветровой. Поэтому для пологих арок (при ведущем влиянии постоянной и снеговой нагрузок) при  наиболее выгодным может быть очертание арки по квадратной параболе, которую для упрощения изготовления заменяют дугой окружности с радиусом  Для высоких арок при  (при существенном влиянии ветровых нагрузок) очертание оси целесообразно прини-

Рис. 5.6. Дворец спорта в Москве (Лужники) с арочным покрытием, расположенным на вы-       соком каркасе, с затяжками: 1 – арка большепролетная (поперечное сечение – по а-а); 2 – затяжка (поперечное сечение крестовое из 4-х уголков по б-б); 3 - подвески; 4 – железобетонный каркас вспомогательных помещений; 5 – железобетонный каркас трибун

Рис. 5.7. Большепролетное здание с арочным покрытием с затяжкой в коробе ниже отметки пола: 1 – арка большепролетная; 2 – затяжка; 3 – короб для затяжки; 4 – фундаменты; f 0 – стрела подъема; l – пролет

Рис. 5.8. Арочно-блочная система большепролетных арок: 1 - пространственный блок; 2 - главные прогоны из сквозных ферм; 3 - второстепенные прогоны; 4 - горизонтальные связи; 5 - большепролетная арка пространственного блока 1

мать по осредненной кривой между кривыми от ветровой, снеговой и постоянной нагрузок (рис. 5.5). При этом в качестве критерия целесообразно принимать или наименьший расход стали, или наименьшую стоимость всего покрытия.

Шаг арок при пролетах м рекомендуют в пределах м. Это укладывается в принцип концентрации материала, который обусловливает экономичность применения арочно-блочной системы из большепролетных арок и поперечных ферм (рис. 5.8) [3]. В этом случае каркас покрытия компонуется из спаренных арок или из пространственных арок треугольного поперечного сечения, рациональных при шаге м.