9

Федеральное агентство по образованию

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Архитектурно-строительный факультет

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

Технология возведения

конструкций покрытия

большепролетных зданий

(учебное пособие)

Уфа -2009

У

ДК 697.3

ББК 31.38

Утверждено решением Ученого Совета УГНТУ в качестве

учебного пособия (протокол от _________№ _______)

Рецензенты:

____________________________________________________________________________________________________________________

Федорцев И.В., Султанова Е.А.

Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий: Учебное пособие / И.В.Федорцев, Е.А. Султанова. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008. – с. ______

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1.

Учебное пособие «Технология возведения конструкций покрытия большепролетных зданий» разработано в качестве основного учебно-методического руководства для студентов специальности – «Промышленное и гражданское строительство» при изучении специальной дисциплины «Технология возведения зданий и сооружений» (ТВЗС).

Содержит систематизированный материал имеющегося опыта строительства таких большепролетных конструкций как: балочные, рамные, арочные, вантовые, мембранные, структурные плиты, купольные, тентовые и др. Организация и технология монтажных процессов при строительстве этих зданий и сооружений изложена в виде четкого технологического регламента работ, выполняемого в определенной технологической последовательности с достаточной «детализацией» монтажных процессов в виде «технологических карт» и схем механизации работ. Последние могут быть использованы как принципиальные рекомендации для разработки организационно-технологической документации при проектировании проекта производства работ для конкретных объектов.

Определенный интерес представляет изложенный в «Пособии» опыт монтажа арочного покрытия ледового дворца в г. Уфе, метод возведения которого был впервые в практике строительства подобных большепролетных зданий реализован строительно-монтажными подразделениями Башкортостана по проекту и силами ОАО «Востокнефтезаводмонтаж». Пособие содержит по каждому типу конструкций выводы и контрольные вопросы, позволяющие пользователю осуществлять самостоятельную оценку усвоения изложенного в нем материала.

Предназначено для студентов строительных специальностей УГНТУ при изучении курсов ТВЗС, ТВБзд и ТСМР, слушателей ИПК УГНТУ и строительных организаций и подразделений, так или иначе, связанных с вопросами возведения большепролетных зданий и сооружений.

И.В. Федорцев, Е.А. Султанова

ISBN – 5 – 9492 – 055 – 1 УДК 697.3

ББК 31.38

С

одержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .							7
	1. Классификация большепролетных конструкций . . . . . . .						8
	2. Классификация методов монтажа большепролетных конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .						17
	3. Технология монтажа блочных покрытий . . . . . . . . . .						22
		3.1 Конструктивная схема зданий с балочными покрытиями . .					22
		3.2 Технология монтажа балочного покрытия . . . . . . .					22
		3.3 Выводы по балочным покрытиям . . . . . . . . . .					32
		3.4 Контрольные вопросы к разделу «Технология монтажа балочных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . .					33
		3.5 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					34
	4. Монтаж арочных покрытий . . . . . . . . . . . . . .						34
		4.1 Конструктивные схемы арок и ее опорных узлов . . . . .					34
		4.2 Обоснование типа фундамента арок . . . . . . . . .					37
			4.2.1 Расчет «затяжки» арочного покрытия . . . . . .				37
			4.2.2 Расчет размера нижней ступени фундамента . . . .				38
		4.3 Монтаж двух- и трехшарнирных арок . . . . . . . . .					39
			4.3.1 Технология возведения двух- и трехшарнирных арок .				39
			4.3.2 Монтаж двухшарнирной арки методом «поворота» . .				45
			4.3.3 Монтаж арок методом «надвига» . . . . . . . .				48
			4.3.4 Технология монтажа арочного покрытия ледового дворца «Уфа-арена» . . . . . . . . . . . . . .				52
					4.3.4.1 Конструктивная схема арочного покрытия и обоснование метода монтажа . . . . . . . . .		52
					4.3.4.2 Технология монтажа арочного покрытия «Уфа-арена» . . . . . . . . . . . . . . .		56
			4.3.5 Обоснование схем механизации монтажных работ при возведении арок . . . . . . . . . . . . . . .				62
					4.3.5.1 Обоснование средств механизации монтажных работ при возведении двухшарнирных арок . . . .		62
					4.3.5.2 Обоснование средств механизации монтажных работ при возведении трехшарнирных арок . . . .		64
					4.3.5.3 Обоснование средств механизации монтажных работ при возведении арок методом «поворота» . . .		66
					4.3.5.4 Обоснование средств механизации монтажных работ при возведении арок методом «надвига» . . .		68
					4.3.5.5 Обоснование средств механизации метода «надвига» арочного покрытия ледового дворца «Уфа-арена» . . . . . . . . . . . . . . .		70
					4.3.5.6 Расчет «оттяжек», обеспечивающих устойчивость арок в монтажном блоке при монтаже их методом «надвига» . . . . . . . . . . . . . . . .		75
					4.3.5.7 Расчет такелажного оборудования для «надвига» монтажного блока арок . . . . . . . . . . . .		76
			4.4 Организация строительных потоков при возведении арочных покрытий . . . . . . . . . . . . . . .				80
			4.5 Выводы по разделу «Монтаж арочных покрытий» . . . .				85
			4.6 Контрольные вопросы по разделу «Монтаж арочных покрытий» . . . . . . . . . . . . . . . . .				86
			4.7Литература . . . . . . . . . . . . . . . .				86
	5. Монтаж структурных плит . . . . . . . . . . . . . . .						87
		5.1 Конструктивные схемы структурных плит и узлов решетки структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					87
			5.1.1 Структурная плита конструкции ЦНИИСК . . . . .				88
			5.1.2 Структурная плита «Кисловодск» . . . . . . . .				89
			5.1.3 Структурная плита «Берлин» . . . . . . . . .				90
		5.2 Технико-экономические показатели структурных плит покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					94
		5.3 Классификация методов монтажа структурных плит . . . .					98
			5.3.1 Поэлементный монтаж . . . . . . . . . . .				99
			5.3.2 Монтаж структурных плит укрупненными блоками . .				104
			5.3.3 Обоснование комплекта средств механизации для укрупненного метода монтажа . . . . . . . . . . .				109
			5.3.4 Конвейерный метод монтажа структурных плит . . .				114
			5.3.5 Обоснование средств механизации при монтаже «структур» конвейерным методом . . . . . . . . . .				118
						5.3.5.1 Обоснование потребности в средствах механицации. . . . . . . . . . . . . . . . . . .	118
			5.3.6 Расчет темпоритма работы конвейерной линии . . . .				122
			5.3.7 Методика технико-экономического обоснования монтажа структурных плит конвейерным методом . . . . . . .				124
		5.4 Выводы по разделу «Монтаж структурных плит покрытия» . .					125
		5.5 Контрольные вопросы к разделу «Монтаж структурных плит покрытия» . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					126
		5.6 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					128
	6. Монтаж купольных покрытий . . . . . . . . . . . . . .						128
		6.1 Конструктивные схемы купольных покрытий . . . . . . .					128
		6.2 Узлы сопряжения купольной оболочки с опорными контурами .					131
		6.3 Классификация методов монтажа купольных покрытий . . .					133
			6.3.1 Технология поэлементного монтажа купольного покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . .				137
			6.3.2 Конструктивная характеристика цирка с купольным покрытием пролетом 64,5 м . . . . . . . . . . . .				139
			6.3.3 Технология монтажа купольного покрытия цирка в г. Москве . . . . . . . . . . . . . . . . .				139
		6.4 Обоснование средств механизации при монтаже купольных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					150
			6.4.1 Обоснование средств механизации для поэлементного монтажа купола . . . . . . . . . . . . . . . . .				150
			6.4.2 Обоснование средств механизации при монтаже купольного покрытия крупноблочным методом . . . . .				151
		6.5 Выводы по разделу «Монтаж купольных покрытий» . . . .					152
		Контрольные вопросы к разделу «Монтаж купольных покрытий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					153
		6.7 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					154
	7. Монтаж вантовых покрытий . . . . . . . . . . . . . .						155
		7.1 Конструктивные схемы вантовых покрытий . . . . . .					155
		7.2 Технология возведения вантовых покрытий . . . . . . .					160
			7.2.1 Технология устройства опалубки опорного контура . .				162
			7.2.2 Технология бетонирования опорного контура . . . .				164
			7.2.3 Методика расчета технологических параметров бетонирования опорного контура . . . . . . . . .				166
		7.3 Технология монтажа вантовой системы . . . . . . . .					171
			7.3.1 Монтаж «прототипа» вантовой системы . . . . . .				172
			7.3.2 Изготовление вант . . . . . . . . . . . .				175
			7.3.3 Монтаж вантовой системы . . . . . . . . . .				176
			7.3.4 Монтаж плит покрытия . . . . . . . . . . .				178
		7.4 Выводы по разделу «Монтаж вантовых покрытий» . . . .					182
		7.5 Контрольные вопросы к разделу «Монтаж вантовых покрытий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					184
		7.6 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					185
	8. Мембранные покрытия . . . . . . . . . . . . . . . .						185
		8.1 Конструктивные характеристики мембранных покрытий . .					185
		8.2 Принципы методов монтажа мембранных покрытий . . . .					190
		8.3 Возведение мембранного покрытия пролетом 228 м Олимпийского стадиона в г. Москве . . . . . . . . . .					192
			8.3.1 Организация строительства мембранного покрытия . .				192
		8.4 Технология монтажных работ при устройстве мембранного покрытия					194
			8.4.1 Технология возведения опорного контура . . . .				194
			8.4.2 Технология возведения конструкции мембранного покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . .				203
		8.5 Выводы по разделу «Мембранные покрытия» . . . .					212
		8.6 Контрольные вопросы к разделу «Мембранные покрытия» . .					215
		8.7 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					216
	9. Монтаж рамных покрытий . . . . . . . . . . . . . .						216
		9.1 Конструктивные схемы рамных покрытий . . . . . . .					216
		9.2 Технология возведения рамных покрытий . . . . . . .					219
		9.3 Выводы по разделу «Монтаж рамных покрытий» . . . .					224
		9.4 Контрольные вопросы к разделу «Монтаж рамных покрытий» .					226
		9.5 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . .					226
	10. Монтаж шатровых покрытий . . . . . . . . . . . . .						227
		10.1 Конструктивная схема шатровых покрытий . . . . . .					227
		10.2 Технология возведения шатровых покрытий . . . . . .					228
		10.3 Выводы по разделу «Монтаж шатровых покрытий» . . .					230
		10.4 Контрольные вопросы к разделу «Монтаж шатровых покрытий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					231
		10.5 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . .					231
	11. Монтаж тентовых покрытий . . . . . . . . . . . . .						232
		11.1 Конструктивные схемы тентовых покрытий . . . . . .					232
		11.2 Технология монтажа тентовых покрытий . . . . . . .					239
				11.2.1 Раскладка оболочки в монтажной зоне . . . . .			240
				11.2.2 Оснащение краевых зон оболочки контурными элементами и монтаж опорной мачты . . . . . . . .			241
				11.2.3 Монтаж тентовой оболочки . . . . . . . . .			243
				11.2.4 Обоснование средств механизации для монтажа тентового покрытия . . . . . . . . . . . . . .			245
		11.3 Выводы по разделу «Монтаж тентовых покрытий» . . .					248
		11.4 Контрольные вопросы к разделу «Монтаж тентовых покрытий» . . . . . . . . . . . . . . . . . . .					249
		11.5 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . .					250

ВВЕДЕНИЕ

Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами несущих конструкций покрытия составляет более 40м.

Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируются чаще всего однопролетными, что вытекает из основного фундаментального требования – отсутствие промежуточных опор.

В промышленном строительстве это, как правило, сборочные цеха судостроительных, авиационных, машиностроительных заводов. В гражданском – выставочные залы, павильоны, концертные залы и спортивные сооружения. Опыт проектирования и строительства большепролетных покрытий показывает, что наиболее сложной задачей их возведения является монтаж конструкций покрытия.

Несущие конструкции покрытий больших пролетов по статической схеме подразделяются на балочные, рамные, арочные, структурные, купольные, складчатые, висячие, комбинированные и сетчатые. Все они выполняются, главным образом, из стали и алюминия, железобетона, дерева, пластмасс и воздухонепроницаемых тканей. Возможности и область применения пространственных конструкций обусловлены их конструктивной схемой и величиной пролета.

При выборе типа здания и сооружения важным, зачастую решающим фактором, является метод их возведения. Это обусловлено тем, что существующие средства механизации и традиционные методы монтажа не всегда пригодны для большепролетных конструкций. Поэтому затраты на строительство таких зданий в значительной мере превышают затраты на возведение типовых традиционных конструкций. Теория и практика строительства большепролетных сооружений у нас в стране и за рубежом показали, что наибольший резерв повышения эффективности такого строительства в современных условиях заключен в совершенствовании организационно-технологических аспектов строительства, монтажной технологичности и архитектурно-конструктивных решений. Под монтажной технологичностью понимается свойство конструкции, определяющее соответствие ее требованиям технологии монтажных работ и позволяющее наиболее просто, с наименьшими затратами труда, времени и средств производства, осуществить их изготовление, транспортировку и монтаж при соблюдении требований безопасности и качества продукции. Примером такого комплексного инженерно-обоснованного организационно-технологического решения монтажа большепролетного здания в «Пособии» является приведенный опыт возведения юбилейного объекта в Башкортостане – ледового дворца «Уфа-арена». Уникальность монтажа арочного покрытия сооружения заключается в предложенной ОАО «Востокнефтезаводмонтаж» оригинальной организации сборочно-монтажных процессов, выполняемых не на земле, как обычно, а на проектных отметках (20м) с последующим «надвигом» полностью укрупненного блока весом более 500т с помощью системы гидродомкратов. Такой метод монтажа, впервые разработанный ОАО ВНЗМ, обеспечил «оптимальные» сроки возведения юбилейного объекта и, главное, позволил имеющимся у подрядчика комплекта тяжелой строительной техники осуществить сборку и монтаж массивных конструкций непосредственно в проектном положении. Использование альтернативного, в этом случае, как вариант, традиционного метода «надвига» потребовал бы привлечения более мощных монтажных кранов (СКГ-160), что в условиях сложившейся инфраструктуры микрорайона города, где строился ледовый дворец, было практически неосуществимо.

Характеристика большепролетных конструкций как совокупность их конструктивных параметров, материала изготовления и габаритных размеров рассматривается ниже согласно следующего типажа этих конструкций, а именно:

- балочные;

- рамные;

- арочные;

- структурные плиты;

- купола;

- вантовые системы;

- мембранные покрытия;

- тентовые сооружения;

- шатровые покрытия.

1 Классификация большепролетных конструкций

Классификация большепролетных конструкций по типам конструктивных схем покрытия зданий и сооружений приведена в табл. 1, содержащей основные сведения, характеризующие область их применения и диапазон пролетов, перекрываемых этими системами. Краткая аннотация по каждому из типов большепролетных конструкций, дифференцированных по величине пролетов, позволяет систематизировать присущие им преимущества и недостатки и, в конечном итоге, определить возможный «рейтинг» того или иного решения «кровельного» покрытия проектируемого здания.

Балочные покрытия - состоят из главных поперечных пространственных и плоских промежуточных балок конструкций – прогонов. Характеризуются отсутствием распора от конструкции покрытия, что существенно «упрощает» характер работы несущих элементов каркаса и фундаментов. Главный недостаток – большой расход стали и значительная строительная высота самих пролетных конструкций. Поэтому они могут применяться в пролетах до 100 м и, главным образом, в производствах, характеризующихся необходимостью применения тяжелых мостовых кранов.

Рамные покрытия характеризуются по сравнению с балочными меньшей массой, большей жесткостью и меньшей строительной высотой. Могут применяться в зданиях пролетом до 120 м.

Арочные покрытия по статической схеме подразделяются на 2^х, 3^х и бесшарнирные. Они имеют меньшую массу чем балочные и рамные, но более

В

озможности применения пространственных конструкций

Таблица 1

Тип конструкции	Пролеты, м								Материал
	20-30	30-40	40-50	50-70	70-100	100-200	200-300	300-500	м/к	ж/б	дерево	пластмасса	ткани
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Арки 1- плиты; 2 – контрфорсы опор; 3 – арки покрытия; L– пролет;b– шаг конструкции в здании.												–	–
Фермы 1 – колонны; 2 – фермы; 3 – плиты; L– пролет;b– шаг конструкции в здании.												–	–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Структуры размером 18х12; 24х12; 30х30; 36х30 1 – колонны; 2 – плиты структуры; L – длина плит; b – ширина плит.												–	–
Складки 1 – колонны; 2 – складки; 3 – тип профиля; L– длина складки;b– шаг (пролет) складки.												–	–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Ребристо-кольцевой купол 1 – опорное кольцо; 2 – верхнее опорное кольцо; 3 – ребра жесткости; 4 – Кольцевые ребра жесткости; B– пролет купола;H– высота купола.												–	–
Вантовые покрытия с арками 1 – арки; 2 – ванты; 3 – оттяжки; 4 – анкер оттяжки; L– длина здания;b– пролет здания, определяемый пролетом арок.													–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Гиперболические параболоиды 1 – опорные колонны; 2 – железобетонная оболочка.												–	–
Вантовые с оттяжными 1 – клоны; 2 – ванты; 3 – стойки-распорки; 4 – оттяжки; 5 – анкерные устои оттяжек.												–	–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Ребристые купола 1 – опорный контур; 2 – опорное верхнее кольцо; 3 – продольные ребра жесткости.												–	–
Пневматические конструкции Размеры оболочек: 36х25, 42х36, 48х36, 72х48 L– длина оболочки;B– пролет оболочки.									–	–	–	–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Тентовые покрытия 1 – мачта, поддерживающая оболочку; 2 – оттяжки мачты; 3 – анкеры оттяжек мачты; 4 – оттяжки тентовой оболочки; 5 – тентовая оболочка; 6 – анкер натяжения тентовой оболочки.									–	–	–
Мембранные покрытия 1 – колоны; 2 – опорный контур; 3 – фермы стабилизирующие; 4 – мембраны из стального листа; B– пролет мембранной оболочки;H– высота здания.										–	–	–	–
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Цилиндрические оболочки 1 – колонны; 2 - контурный элемент из ж/б балок: 3 – контурный элемент – затяжка; 4 – оболочка из сборных плит; L – длина здания; b – пролет оболочки.									–		–	–	–
Висячие вантовые покрытия 1 – колонны каркаса; 2 – опорный контур; 3 – внутренне опорное кольцо; 4 – вантовая система; B– пролет здания;H– высота здания												–	–
	Условные обозначения: -область рационального применения; - область возможного применения; -наиболее применяемый материал изготовляемой конструкции; - возможный вариант материала изготовления конструкции.

сложны в изготовлении и монтаже. Качественная характеристика арок в основном зависит от их высоты и очертания. Оптимальная высота арки – 1/4 …1/6 пролета. Наилучшее очертание, если геометрическая ось совпадает с кривой давления.

Сечения арок делают решетчатыми или сплошными высотой соответственно 1/30 … 1/60 и 1/50 … 1/80 пролета. Арочные покрытия используются при величине пролета до 200 м.

Пространственные покрытия характерны тем, что оси всех несущих элементов не лежат в одной плоскости. Они подразделяются на: купола и оболочки, характеризующиеся как трехмерные несущие конструкции, отличающиеся пространственной работой и состоящие из поверхностей одинарной или двойной кривизны. Под оболочкой понимается структура, форма которой представляет криволинейную поверхность с достаточно малой ее толщиной по сравнению с самой поверхностью. Основное отличие оболочек от сводов состоит в том, что в них возникают и растягивающие и сжимающие усилия.

Ребристые купола состоят из системы плоских ферм, связанных понизу и поверху опорными кольцами. Верхние пояса ферм образуют поверхность вращения (сферическую, параболическую). Такой купол является распорной системой, в которой нижнее кольцо подвергается растяжению, а верхнее – сжатию.

Ребристо-кольцевые купола образуются ребристыми полуарками, опирающимися на нижнее кольцо. Ребра по высоте связывают горизонтальными кольцевыми балками. По несущим ребрам могут быть уложены криволинейные плиты из легкого бетона или стальной настил. Опорное кольцо, как правило, железобетонное и преднапряженное.

Ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями проектируются, главным образом, из металлоконструкций. Введение в систему ребристо-кольцевых элементов диагональных связей позволяет более рационально распределить сжато-растянутые и изгибающие усилия, что обеспечивает малый расход металла и стоимость самого купольного покрытия.

Структурные покрытия применяются для перекрытия больших пролетов промышленного и гражданского назначения. Это пространственно - стержневые системы, отличающиеся тем, что при их формировании появляется возможность применения многократно повторяющихся элементов. Наибольшее распространение получили структуры типа: ЦНИИСК, «Кисловодск», «Берлин», «МАРХИ» и др.

Висячие покрытия (ванты и мембраны) – основными несущими элементами являются гибкие стальные канаты или тонкостенные листовые металлические конструкции ортогонально растянутые на опорные контуры.

Ванты и мембраны существенно отличаются от традиционных конструкций. К их достоинствам относится: растянутые элементы эффективно используются по всей площади сечения; обеспечивается малая масса несущей конструкции, возведение этих конструкций не требует устройства лесов и подмостей висячих покрытий. Чем больше пролет здания, тем более экономична конструкция покрытия. Однако им присуще и свои недостатки:

1. Повышенная деформативность покрытия. Для обеспечения жесткости покрытия приходится принимать дополнительные конструктивные решения за счет введения стабилизирующих элементов;

2. Необходимость устраивать специальную опорную конструкцию в виде опорного контура для восприятия «распора» от вант или мембраны, что увеличивает стоимость покрытия.