Л. Ф. ПАРШИН, С. А. БЕЛОВ, кандидаты техн. наук (Гипротеатр), Применение систем перекрестных балок
Рис. 1. Монолитные железобетонные балки перекрытия театра в Благовещенске Рис. 2. Монтаж сборных балок покрытия театра в Гулистане
Использование перекрестно-ребристых систем позволяет решить задачу устройства рационального, логически обоснованного перекрытия даже при сложных объемно-планировочных схемах. С этим приходится часто сталкиваться при проектировании театрально-зрелищных зданий, поскольку к ним предъявляются высокие градостроительные и эстетические требования. Современные зрелищные здания нередко проектируют с учетом многофункционального использования, а это резко усложняет технологические требования и, следовательно, архитектурно-конструктивные решения.
В проекте драмтеатра в Благовещенске градостроительные условия участка предопределили асимметричное решение планировки здания с устройством основного входа с боковой стороны от сцены, а три четко выраженных направления набережной и прилегающих улиц дали основу для трех осей под углом 60° Это обусловило архитектурно-планировочное и конструктивное решение театра и, в частности, конструкцию междуэтажных перекрытий и покрытия зрительской зоны. В этой части здания практически нет ни одного одинакового пролета и ни одного прямого угла, что исключило применение типовых железобетонных элементов. Наиболее приемлемым вариантом перекрытия была принята пространственная кессонная плита с монолитными железобетонными балками трех направлений и сборными треугольными плитами (рис. 1). Небольшие пролеты (12... 18 м) позволили отказаться от преднапряжения арматуры и выполнить балки с обычным армированием.
В музыкальном театре в Гулистане (УзССР) требовалась конструкция покрытия главного фойе сложной в плане формы при расстояниях между опорами 12... 18 м. К несущим конструкциям покрытия предъявлялись жесткие требования по огнестойкости и надежности в связи с сейсмичностью района (8 баллов). В окончательном варианте принята система перекрестных сборных железобетонных балок двух ортогональных направлений, развернутых под углом 45° к продольной оси здания; по балкам укладывали плоские железобетонные плиты размером 2,9X2,9 м. Балки покрытия с поперечным сечением в форме слегка зауженной книзу трапеции были изготовлены на местном заводе ЖБИ и смонтированы с помощью нескольких инвентарных монтажных стоек (рис. 2).
Системы несущих перекрестных железобетонных балок можно эффективно использовать для перекрытия целых зданий и сооружений либо отдельных помещений при самых разнообразных очертаниях в плане. На рис. 3, 4 показаны конструктивные системы перекрытий круглого в плане зала Национального культурного центра в Багдаде и малого зала с фойе со сложным планом летнего музыкального драмтеатра в Астрахани, запроектированные Гипротеатром.
Вместе с тем при проектировании перекрестно-ребристых систем конструктору приходится решать серьезные проблемы, связанные с выбором рациональной для каждого конкретного случая конструктивной схемы, расчетом, выбором технологии изготовления и возведения конструкций, разработкой отдельных элементов и узлов. Однако практические рекомендации по расчету и проектированию перекрестных систем разрозненны либо отсутствуют. Накопленный в Гипротеатре опыт проектирования и осуществления систем перекрестных балок дает основания для некоторых рекомендаций по решению этих проблем.
Расположением опор можно повлиять на напряженное состояние всей системы. Наиболее благоприятен случай, когда опоры образуют условный контур, близкий к квадрату или кругу; при этом полезно сместить опоры от наружного контура перекрываемого плана с тем, чтобы образовались консоли вылетом в пролета. Нецелесообразно предусматривать опоры на осях симметрии системы и особенно в угловых точках
Шаг балок в перекрестных системах целесообразно принимать 3 .. 4 м. Слишком частая сетка балок невыгодна по расходу материалов, при шаге балок свыше 4 м увеличивается требуемая толщина плиты, а поперечные сечения балок становятся излишне громоздкими. Высоту сечения балок в зависимости от шага и внешней нагрузки можно принять равной Vis — Уго пролета.
При наличии быстродействующих и обладающих большой памятью ЭВМ, а также набора стандартных программ к ним можно рассчитать любую реальную перекрестную систему, независимо от схемы опор, числа элементов и узлов. Однако подготовка и запись исходных данных, расчет с учетом погрешностей и ошибок, разбор и анализ полученных результатов требуют длительного времени (3... 4 недели) и труда квалифицированных инженеров и программистов, а аренда ЭВМ дорога. Опыт проектирования перекрестно-ребристых конструкций для конкретных объектов показал целесообразность расчетов с использованием микрокалькуляторов на предварительных этапах. Это помогает качественно подготовить данные для расчета на ЭВМ, проверить полученные результаты и в целом сокращает общее время проектирования и его стоимость.
Для приближенных расчетов существует несколько методов. Например, для определения усилий в балках регулярных перекрестно-ребристых ортогональных систем разработаны специальные таблицы [1]. Для более сложных систем усилия в отдельных балках можно определять по теории расчета пластин или методом сеток. Однако в первом случае желательна четкая система опирания по контуру. Кроме того, системы перекрестных балок значительно меньше, чем пластины, работают на кручение, а это при расчете может дать заниженные моменты в балках по сравнению с фактическими. Расчет методом сеток громоздок, так как требует составления и решения большого числа уравнений.
Более универсальным является расчет систем произвольных перекрестных балок двух направлений методом сил при условии, что за неизвестные следует принимать взаимные давления балок обоих направлений в узлах их пересечения. Уменьшение числа неизвестных достигается использованием условий симметрии расчетной схемы (если таковая имеется), а также заменой фактической схемы балок некоторой условной, в которой они расположены с большим шагом. В дальнейшем полученные для условных балок усилия несложно распределить между балками фактической схемы.
Учет неупругих деформаций и образования трещин в бетоне изменяет распределение усилий, полученных из расчета упругой системы. Такой подход позволяет при действительном распределении усилий между элементами перекрестно-ребристой системы выравнять расчетные моменты в отдельных балках или их сечениях, что, приводит к экономии материалов. В общем случае системы с учетом переменной жесткости балок можно рассчитывать методом итерации; для регулярных перекрестных систем из балок двух ортогональных направлений можно воспользоваться формулами, полученными на основе метода предельного равновесия [2].
Способ изготовления и возведения проектируемой конструктивной системы перекрытия определяется как характером самой схемы, так и возможностями строительной базы. Плиты следует во всех случаях проектировать сборными, поскольку в ¦ монолитном варианте они требуют большего расхода материалов на опалубку. Балки перекрестной системы, можно предусмотреть как в монолитном, так и в сборном варианте, поскольку каждый из них имеет и достоинства, и недостатки.
Монолитный вариант, несмотря на значительные построечные трудозатраты, обладает большей жесткостью и надежностью из-за отсутствия стыковых соединений отдельных балок. Расход дефицитных материалов на опалубку можно снизить, если исходя из пространственного характера работы перекрестных систем производить бетонирование частями с использованием инвентарной опалубки.
Сборный вариант можно выполнить в сжатые сроки и с минимальным объемом мокрых процессов; кроме того, сами элементы не требуют практически никакой дополнительной обработки и отделки. При компоновке перекрестных систем следует отдавать предпочтение тем схемам, при которых число типоразмеров элементов минимально, а узло-. вые сопряжения не вызывают больших трудностей.
Возможен и сборно-монолитный вариант устройства, перекрестно-ребристой системы с использованием в качестве опалубки тонкостенных железобетонных или асбоцементных коробчатых элементов-кессонов (рис. 5).
Балки перекрестных систем армируют в соответствии с общими правилами конструирования железобетонных конструкций. При монолитном варианте удобнее армирование отдельными стержнями. Продольную арматуру следует располагать по высоте сечения балок так, чтобы обеспечить непрерывность армирования в узлах пересечения. Однако при треугольной сетке послойное размещение арматуры приводит к появлению довольно высоких зон неармированного бетона в балках одного из направлений, что недопустимо с конструктивной точки зрения и нецелесообразно из-за уменьшения плеча внутренней пары силу если в узлах предусмотреть горизонтальную пластину, к которой привариваются сходящиеся арматурные стержни балок, то нижнюю рабочую арматуру можно разместить на одном уровне. Недостатками такого решения являются дополнительный расход металла на закладные детали и большой; объем сварочных работ.
При сборном варианте балки удобно армировать пространственными сварными каркасами. Для, узловых стыков возможны два решения. По первому варианту непрерывность армирования достигается установкой в балках, закладных стержней в направлении, перпендикулярном их продольной оси; при монтаже системы закладные стержни соединяют ванной сваркой с рабочей арматурой стыкуемых балок. Перерезывающие силы в стыках воспринимаются бетонными шпонками, образующимися при их замоноличивании. По второму варианту все продольные и поперечные усилия передаются через стальные закладные детали, а бетонирование не является расчетным. Такой стык обеспечивает включение его в работу сразу после сварки всех соединительных деталей. Однако он металлоемок и значительно усложняет изготовление самих элементов.
При пролетах перекрестных систем, превышающих 18 м, для обеспечения жесткости и трещиностойкости балок необходимо использовать преднапряженную арматуру с натяжением арматуры на бетон. Таким способом было выполнено уникальное большепролетное покрытие драмтеатра в Туле [3]. Необходимо отметить, что метод натяжения арматуры на бетон незаслуженно забыт и в настоящее время используется главным образом в мостостроении. При производстве сборных железобетонных изделий Втбт метод уступает, в основном по трудоемкости, методу натяжения на упоры, однако он эффективен при строительстве крупных общественных, торговых, спортивных и других зданий в большепролетных конструкциях.
При конструировании перекрытий из перекрестных балок целесообразно предусматривать мероприятия, обеспечивающие совместную работу балок и плит (выпуски арматуры, рифление боковых поверхностей плит и т. п.) и в результате повышения прочности и особенно жесткости системы в целой."
Бетон и железобетон, 1988 №02