Монтаж большепролетных конструкций

1. Область применения большепролётных конструкций

 Технологические и функциональные требования большинства типов общественных и промышленных зданий подразумевает объёмно-планирово-чные решения с перекрытием больших пролётов. К настоящему времени успешно перекрыты производственные цеха до 96м; предприятия торговли до 100м; спортивные сооружения до 224м. В обычной практике строитель-ства применяются различные кровельные системы на пролёты 18…..48м. Конструктивно покрытия выполняются следующих типов (рис.14.1.):

• Металлические фермы и балочные системы (иногда предвари-тельно- напряжённые с затяжками);
• Арочные и купольные системы;
• Перекрёстно-стержневые системы типа структур;
• Железобетонные пространственные покрытия (оболочки, арки, складки ;
• Висячие покрытия (мембранные тонколистовые, с жесткими нитями, подвесные – плоскостные и пространственные);
• Вантовые покрытия (вантовые сетки, вантово-балочные системы, висячие оболочки, вантовые фермы, комбинированные системы);
• Пневматические системы.

По причине больших габаритов и масс конструктивных элементов большепролётных зданий и сооружений их не всегда возможно монтировать в цельно-собранном виде традиционными методами с применением единичных грузоподъёмных средств (крана или мачты). Поэтому нередко монтаж таких элементов выполняют из отдельных частей с использованием временных опор. При предварительном укрупнении элементов и для их монтажа в проектное положение применяют одновременно несколько кранов (мачт), производят монтаж надвижкой (накаткой) укрупнённых блоков или выполняют вертикальный подъём с использованием мощных домкратных систем.

Рассмотрим некоторые технологии монтажа.

2. Возведение зданий с покрытиями в виде оболочек и сводов

Своды и оболочки из сборных железобетонных элементов позволяют перекрывать большие площади одноэтажных промышленных зданий без промежуточных колонн при минимальном расходе материалов.

В настоящее время применяются своды и оболочки следующих типов:

• Длинные цилиндрические оболочки размером 3х12м для сетки колонн 24х12м;
• Короткие цилиндрические оболочки размером 3х12м, 3х18 и 3х24м, перекрывающие пролёт здания;
• Оболочки двоякой положительной или отрицательной кривизны;
• Купола.

Длинные цилиндрические оболочки собирают из плит размером 3х12м (рядовых и торцевых) и бортовых элементов. Панели имеют толщину 40мм и ребро по контуру. Торцевые панели имеют с торцов диафрагмы в виде арок с затяжками. Бортовые элементы выполняют для пролёта 24 м в виде двутавро-вых балок с криволинейным верхним поясом.

Монтаж оболочки начинают с установки на колонны бортовых элемен-тов, которые крепят сваркой к колонам. До установки плит на бортовые эле-менты (при пролёте – 24м) их в четвертях опирают на временные опоры с домкратами. Монтаж панелей начинают с торцевой. При этом затяжку торце-вой плиты приваривают к оголовку колонны, а плиту – к бортовому элемен-ту. Затем устанавливают и приваривают четыре рядовые плиты , а потом торцевую плиту с затяжкой. Монтаж выполняют гусеничным краном грузо-подъёмностью 10т на требуемом вылете. Стропят панели за четыре петли с траверсой. После сварки стыков, замоноличивания всех швов и выдержки бетона бортовые элементы раскружаливают. Нагрузку с временных опор снимают и опоры удаляют, после чего оболочка работает совместно с борто-выми элементами и затяжками.

Короткие цилиндрические предварительно напряжённые панели типа КЖС широко применят для пространственных покрытий промышленных и гражданских зданий. Плиты КЖС выпускают длиной 12, 18 и 14м, равной перекрываемому пролёту. Ширина плиты 3 и 6м, масса до 2т. плиты выпус-кают с торцевыми затяжками, что позволяет их устанавливать непосредственно на заранее смонтированные колоны.

Монтаж плит производится гусеничными кранами. Плиты предварительно подают в пролёт или непосредственно к моменту подъёма на кран. Строповку плит осуществляют траверсой за 4 точки. После установки плиты её приваривают к закладным деталям на колонне.

Оболочки двоякой кривизны применяют для перекрытия крупной квад-ратной сетки колонн: перекрытий складов, механических цехов и других про-изводственных помещений, где требуется обеспечить свободное перемещение транспорта. Такие оболочки состоят из контурных арок-диафрагм с предва-рительно напряжённым нижним поясом и скорлупы. У сборно-монолитных оболочек скорлупа образует многогранник, набираемый из плоских плит ромбической треугольной формы. Сборные оболочки перекрывают ребрис-тыми цилиндрическими панелями размером 3х6м. Поэлементный монтаж сборно-монолитных оболочек со скорлупой из плоских плит требует применения подмостей или кондуктора.

Монтаж выполняют в следующем порядке:

• Контурные арки устанавливаются на колоннах гусеничным краном и закрепляются. Для установки плит скорлупы применяют башен-ные краны грузоподъёмностью 5т или гусеничные краны с башен-но-стреловым оборудованием;
• Выставляются подмости или кондуктор. Каждый угол установ-ленной плиты должен быть опёрт на подмости или кондуктор. Углы оболочки заполняют треугольными плитами, в швы закладывают арматуру, напрягаемую после сварки выпусков, и замоноличивают их. Верхние пояса арок окончательно бетонируют после установки всех плит и заварки выпусков арматуры;
• Раскружаливание оболочки выполняют после достижения бетоном в угловых зонах и швах между плитами 70% проектной прочности. Раскружаливание достигается путём опускания винтовых или гидравлических домкратов, включённых в стойки подмостей или опоры кондуктора;

Кроме поэлементного способа применяется разработанный для типо-вых цилиндрических оболочек серии 1.466-1, бескондукторный метод монтажа. Он заключается в предварительном укрупнении плит в блоки, до требуемого размера, на стенде. Блоки оснащаются двумя времен-ными затяжками с винтовыми стяжками. Монтаж начинается с установки на колонны ферм-диафрагм. Затем траверсой за четыре точки поднимают поочерёдно блоки-покрытия и устанавливают на фермы. После выверки и замоноличивания узлов постепенно отпускают натяжение винтовых стяжек временных затяжек блоков от середины к краям и снимают затяжки.

Конструкции покрытий из сборных железобетонных элементов купольного типа позволяет перекрыть максимально возможные пролёты и применяются в зданиях общественного назначения (спортивные комплексы, рынки, выставочные павильоны). Конструктивно железобетонные элементы опираются на наружное и внутреннее монолитные железобетонные кольца, причём наружное может выполнятся по колоннам. Монтаж колонн и бето-нирование наружного кольца производится по общим технологиям монтаж-ных и бетонных работ. Бетонирование внутреннего кольца производится на проектной отметке на временной опоре, рассчитанной на одновременное опирание кольца и плит-оболочек.

Плиты-оболочки до подъёма укрупняются в блок (из 2…4эл.) на стен-де, обеспечивающем проектную кривизну, и для восприятия распора ставят 2-3 затяжки с винтовыми стяжками, которые натягиваются после сварки стыка между плитами. Подъём и установку блоков осуществляют методом полунавесной сборки башенным краном, перемещающимся по кольцевым путям вокруг здания. Строповка блока производится при помощи траверсы за 4 точки. Установленные блоки крепят к опорным кольцам и между собой сваркой между закладными деталями и выпусками арматуры. Швы между плитами замоноличивают. После набора бетоном 70% прочности ослабляют натяжение затяжек, затем их снимают, работая с катучих подмостей и рас-кружаливают купол путём опускания стоек центральной опоры гидравли-ческими домкратами.

Раскружаливание - операция, в результате которой нагрузка от собст-венной массы монтируемой конструкции полностью передаётся на опорные проектные элементы, а временные монтажные опоры освобождаются от нагрузки. Опоры опускаются ниже уровня затяжки и перемещаются по ходу монтажа в последующие пролёты.

3. Перемещение покрытий на постоянные опоры

При строительстве некоторых типов большепролётных зданий покрытия опираются по периметру на опоры (структуры, оболочки, складки др.). В этом случае, кровельные конструкции полностью собираются или укрупняются до максимально возможной технологической готовности и перемещаются на постоянные опоры. В зависимости от способа установки на опоры различают методы монтажа вертикальным подъёмом, надвижкой и накаткой.

Установку вертикальным подъёмом применяют в тех случаях, когда масса применяемой конструкции не превышает грузоподъёмности и техно-логических возможностей монтажных машин и механизмов. Принципиаль-ным моментом является возможность подведения временных или постоян-ных опор под поднятую конструкцию и способность этих опор сразу вклю-читься в совместную работу с этой конструкцией. Сборка пространственной конструкции (покрытия) осуществляется под местом установки или на специально оборудованной площадке, расположенной в непосредственной близости от возводимого сооружения.

При сборке отдельных блоков, всего покрытия или его основной несущей части под местом установки в проектное положение их подъём на проектную отметку осуществляют специальными гидроподъёмниками или полиспастами с использованием колонн сооружения. Колонны при таком способе монтажа должны быть достаточной высоты с консолями, к которым подвешивают неподвижные блоки подъёмных полисипастов.

Подъём несущего блока покрытия , состоящего из несущих ферм, соединённых вертикальными и горизонтальными связями, осуществляемый с помощью четырёх полиспастов грузоподъёмностью 160т каждый. Пространственную конструкцию укрупняли в горизонтальном положении на земле с установкой всех конструктивных элементов покрытия и устройства кровли. Колонны (пространственные конструкции опор) соби-рали в горизонтальном положении и устанавливали методом поворота вокруг шарнира с помощью тех же полиспастов, которыми затем поднимали блок покрытия.

Под опорные узлы нижних поясов ферм подводили поперечные балки с закреплёнными на концах подвижными блоками полиспастов. После вер-тикального подъёма пространственной конструкции в проектное положение было осуществлено её соединение с несущими колоннами и демонтированы монтажные подкосы.

При методе надвижки конструкции собирают в стороне от постоян-ных опор, а затем устанавливают на эти опоры путём горизонтального перемещения по временным путям. Этот метод широко применяется при монтаже конструкций покрытия промышленных зданий, торговых центров, спортивных сооружений. Процесс надвижки возможен в двух вариантах: скольжением на салазках при массе блока до 250т и накаткой на стальных катках.

В качестве примера рассмотрим монтаж здания спортивного комплек-са пролётом 84м с сигарообразным фермами покрытия. Фермы покрытия, обрамленные по верхнему и нижнему поясам стальными листами толщиной 4мм, собирали на земле на специальных тележках в непосред-ственной близости от перекрываемого сооружения. Тележки имели кондук-торы и приспособления для обеспечения заданной точности сборки элемен-тов покрытия, конструкции тележек позволяли им перемещаться с закре-плёнными фермами по горизонтальным и наклонным рельсовым путям.

Для подъёма тележек на проектную отметку были смонтированы две наклонные монтажные балки. Перемещение тележек с очередным блоком покрытия осуществляли двумя тяговыми полиспастами. После достижения проектной отметки тележки упирались в специальный упор, блок покрытия опускали на стальные клетки и методом накатки с помощью двух лёгких полиспастов надвигали в проектное положение, где с помощью домкратов его сначала приподнимали для освобождения катков, а затем опускали в проектное положение. Одним из достоинств этого способа является отсут-ствие необходимости применять монтажный кран большой грузоподъём-ности с высокой стоимостью эксплуатации.

4.Монтаж зданий с вантовыми и мембранными покрытиями

Висячие покрытия применяют когда нужно перекрыть большие пло-щади без промежуточных опор (стадионы, рынки, концертные залы и др.). Такие покрытия позволяют сократить расход строительных материалов и трудоёмкость возведения. Несущие конструкции висячих покрытий могут быть выполнены в виде предварительно напряжённых железобетонных оболочек, вантовых ферм и мембран.

Висячие растянутые элементы обычно закрепляют за жёсткие массив-ные опорные конструкции. Опорные конструкции могут быть выполнены в виде замкнутого контура (кольца, овала, прямоугольной рамы), опирающее-гося на колонны или наклонные рамы, арки, удерживающие покрытие и передающие нагрузку на фундамент.

Для возведения предварительно напряжённой железобетонной оболочки первоначально монтируют ортогональную или радиальную сетку из стальных канатов, по которым затем укладывают железобетонные плиты. Канаты замо-ноличивают в швах и они в дальнейшем являются напрягаемой арматурой покрытия. Оболочка вступает в работу только после обжатия замоноличенных швов на 20-25% выше напряжений от временной нагрузки, что исключает в дальнейшем появление растягивающих напряжений.

Напряжение канатов выполняется: предварительным натяжением всей системы канатов путём загружения грузами или притягивания канатов к полу здания; предварительным замоноличиванием швов и последующим натяже-нием несущих канатов. После набора прочности бетоном натяжение снимае-тся.

Бетонное покрытие выполняется монолитным или из сборных плит.

В качестве примера, рассмотрим висячее покрытия здания цирка, состоящее из предварительно напряжённой вантовой сети, закре-плённой к опорному контуру и уложенных по ней сборных железобетонных плит 2,4х2,4м. Швы между плитами замоноличены. Вантовая сеть из парных канатов диаметром 52мм образована пересекающимися под прямым углом канатами, соединёнными в местах пересечения металлическими накладками на болтах.

К опорному контуру ванты крепятся металлическими анкерами, в ко-торых концы канатов заливают специальным сплавом. Конструкция закре-пления канатов позволяет осуществлять их натяжение.

Монтаж висячих покрытий состоит из следующих операций:

• изготовление вант. Производится у места монтажа на стенде с натяжной станцией и опрессовочной установкой. Один конец каната заделывают в гильзовый анкер. Канат раскладывают на стенде и вытягивают на усилие 1100-1200кН для его обжатия. После вытяжки канат разрезают на требуемые длины, концы запрессовывают в гильзовые анкеры. Готовые ванты испытывают на усилие 1300-1400 кН;
• монтаж продольных вант и первоначальное их натяжение;
• монтаж поперечных вант и их натяжение;
• монтаж плит покрытия;
• напряжение вантовой сети;
• замоноличивание плит бетонной смесью.

Для подачи к месту установки ванты наматывают на барабаны. При установке ванты вместе с подвесками, соединёнными попарно, поднимают двумя башенными кранами одновременно, концы с гильзовыми анкерами заводят в отверстия в опорном контуре и натягивают домкратными устрой-ствами на заданное усилие. Сначала ставят продольные ванты, потом попе-речные. После натяжения и выверки канаты в узлах соединяют. Для соедине-ния канатов в узлах пересечения используют передвижные люльки и мостики.

Ванты натягивают, дополнительно закрепляя их подвесками и натягивая подвески лебёдками в узлах пересечения вант. При установке канатов необходима их тщательная геодезическая выверка.

Плиты покрытия укладывают на канаты башенными кранами от нижней отметки к верхней, загружая перекрытия равномерно. В швы между плитами укладывают арматуру. До замоноличивания швов ванты натягивают гидродомкратами в третий раз, чем создают предварительное натяжение вантовой сети. После этого производят омоноличивание плит и после достижения бетоном проектной прочности подвески снимают от краёв к середине. В бетоне создаётся предварительное напряжение.

Недостаток метода – высокая трудоёмкость, частые перестановки домкратов и другого оборудования.

Монтаж мембранного покрытия рассмотрим на примере Универсаль-ного спортивного зала в Санкт-Петербурге. Здание диаметром 160м и высотой 33м с центральным кольцом диаметром 24м. Мембранное покрытие из листов толщиной 6мм состояло из 56 секторов, закреплённым к радиаль-ным элементам таврового сечения, условно названным «постель», подве-шенным к центральному и наружному опорным кольцам .

Жёсткость покрытия обеспечивалась 56 стабилизирующими фермами. Состоящими из предварительно напряжённого каната и треугольной жёсткой решётки, прикреплённых с одной стороны к стабилизирующему кольцу диаметром 72м, подвешенному к мембране, и с другой – к колоннам, поддерживающим наружный опорный контур.

Монтаж осуществляли башенными кранами БК – 300 и МСК -10-20, перемещавшимся по кольцевым путям вокруг здания, и гусеничным краном СКГ -50-БС, расположенным внутри здания.

Первоначально были смонтированы наружные колонны и временные опоры под центральное и стабилизирующее кольца. Элементы колец монти-ровали с опиранием на временные опоры, на верху которых были предусмо-трены подмости. Элементы «постели» предварительно укрупняли внизу, поднимали двумя кранами БК – 300 и СКГ – 50 БС и устанавливали сначала по одному диаметру, а затем по перпендикулярному, чтобы не перегружать опорное кольцо. Затем монтировали кольцевые элементы, связывающие между собой элементы «постели».

Мембрана поступала на площадку в рулонах и для её раскатки были предусмотрены станки. Рулон на барабане закрепляли на станке, установлен-ном наверху наружного опорного контура и закреплённым анкерными болтами.

Лист мембраны натягивали лебёдками, установленными на централь-ном кольце. При натягивании и раскатке лист перемещался по роликам, закреплённым к кольцевым элементам постели, а постоянное крепление заклёпками осуществляли после натяжения стабилизирующей системы и выверки геометрии элементов «постели».

Все работы выполнялись с катучих подмостей, обеспечивающих рабо-ту в пределах одного сектора снизу покрытия.

Висячие покрытия монтируют в каждом случае по индивидуальной технологии. Но всегда, по возможности, укрупнёнными блоками . что позво-ляет сократить объём работ на высоте и уменьшить их общую трудоёмкость.

При проектировании и строительстве большепролётных конструкций следует учитывать факт их повышенной аварийности при значительных снеговых нагрузках и низкого уровня эксплуатации. Это диктует необходимость тщательного выполнения нормативных требований.