10.3. Монтаж зданий с арочными и купольными покрытиями

Арочные покрытия преимущественно большого пролета (50—150 м) применяют для зданий промышленного (склады угля, руды, концентрата), а также гражданского назначения (вокзалы, спортивные залы).

Наиболее часто проектируют арки следующих статических схем: с затяжкой, воспринимающей усилие горизонтального распора, благодаря которой колонны здания воспринимают только вертикальные нагруз­ки; двух- либо трехшарнирные, передающие верти­кальные нагрузки и распор на железобетонные фундаменты.

Большая гибкость арок не позволяет монтировать их целиком. Поэтому их монтаж выполняют преимущественно с использованием временных опор и пос­ледующим- раскружаливанием.

Число временных опор зависит от пролета арки, объемно-планировочного решения (не всегда есть возможность установки опор в любом месте) и имеющегося монтажного оборудования.

Монтаж арок с затяжками имеет ряд особенностей, которые должны быть учтены при разработке конструктивных решений. Минимальное количество монтажных элементов будет в том случае, если отправочные элементы арки и затяжки могут быть укрупнены в один блок. Это возможно только при условии жесткого крепления подвески (элемент, поддержива­ющий затяжку) к арке, так как при шарнирном узле весьма затрудняется кантовка укрупненного блока из горизонтального положения (положение укрупнительной сборки) в вертикальное (положение подъема в проектное положение).

Подвеска затяжки должна быть запроектирована с учетом ее работы на сжатие от опорной реакции блока. В конструкции арок покрытия Дворца спорта на центральном стадионе имени В. И. Ленина в Лужниках (Москва) эти требования выполнены не были. В результате элементы арки и затяжки пришлось поднимать и устанавливать отдельно, а временные опоры — выполнить телескопическими, простран­ственными для одновременной сборки двух смежных арок. Нижняя наружная конструкция временной опоры служила для опирания монтажных элементов затяжки, внутренняя телескопическая — для опирания элементов арки (рис. 10.11)

Раздельное опирание арки и затяжки исключило работу гибкой подвески затяжки на сжатие, но суще­ственно усложнило и утяжелило временные опоры, потребовало раздельного монтажа арки и затяжки, уве­личило объем работ, который пришлось выполнить на высоте. Конструкции были смонтированы гусеничным краном. После сборки, выверки, строительного подъема и сварки монтажных стыков двух арок и двух затяжек, установки и проектного закрепления распорок и связей между ними производили раскружаливание арок с помощью винтовых домкратов, расположенных на оголовках внутренних секций временных опор.

Разгруженные внутренние секции опускали краном в крайнее нижнее положение и по рельсовым путям временные опоры передвигали на следующую стоянку для монтажа двух очередных арок.

Рис. 10.11. Схема монтажа арки с затяжкой:

1 — гусеничный кран; 2 — телескопические временные опоры; 3 — опорные узлы с винтовыми домкратами

Бесшарнирные арки. Такие арки пролетом 168 м применены в конструкции покрытия велотрека в Крылатском (Москва). Покрытие в плане овальной формы размером 132 х 168 м состоит из четырех несущих арок: двух наружных и двух внутренних по большой оси. Арки замкнутого коробчатого сечения 2х3 м сварены из низколегированной листовой стали 10Г2С1 толщиной 20 и 40 мм. Стык элементов арок — через фрезерованную стальную прокладку с обваркой торцов по контуру. Наружные и внутренние арки опираются на общие железобетонные устои. Наружные арки наклонены на 14° к горизонту и поддерживаются бал­ками и колоннами трибун. Внутренние арки не имеют промежуточных опор, они наклонены к горизонту на 56° и объединены системой ферм и связей. Фермы с параллельными поясами пролетами 5%3-25,3 м установлены с шагом 6,3 м. Распор арок воспринимают две железобетонные затяжки, расположенные ниже уровня чистого пола.

Каждую арку (рис. 10.12) собирали из 17 отдельных объемных блоков (секций) длиной до 12,3 м и массой

Рис. 10.12. Схема монтажа арок внутреннего контура (показа­на только левая часть до оси симметрии): 1 — железобетонный устой; 2 — блок арки; 3 — кран СКГ-100БС; 4 — временная опора; 5 — фермы

До 40 т, используя два гусеничных крана СКГ-100/40 в башенно-стреловом исполнении, грузоподъемностью 40 т, со стрелами 35 м и гуськом 19 м.

К монтажу внутренних арок приступали после завершения бетонирования их устоев и железобетонных затяжек. Устои были оборудованы проектными узлами для крепления опорных секций арок.

Секции арок монтировали в направлении от устоев к середине пролета на предварительно выверенных решетчатых стальных временных опорах сечением в плане 2x3 м, установленных под монтажными стыками секций. Базы временных опор защемлялись в железобетонных фундаментах. Верхние части опор имели рабочую площадку — специальную подставку, которая служила для установки, выверки и временного крепления секций арок в проектном положении, а в дальнейшем — и для раскружаливания арок. Расход металла на изготовление временных опор с подставками составил 460 т.

Фермы и связи между арками монтировали параллельным потоком с отставанием от сварки на одну секцию.

После установки всех секций арки, кроме центральной (замыкающей), замеряли расстояние между торцами смонтированных секций по каждому из четырех ребер и по этим замерам обрезали замыкающие секции, изготовленные с припуском по длине, что обеспечило совпадение сопрягаемых полуарок. Из-за изменения величины зазора между центральной секцией и полуарками (вследствие колебаний окружающей температуры) замыкающие стыки выполняли путем сварки с накладками.

Технология монтажа наружных арок была такой же, как и внутренних. Временные опоры, расположенные под монтажными стыками в пределах трибун, были установлены непосредственно на наклонные балки верхнего яруса трибун. По окончании монтажа арок производили их раскружаливание. Для наружных арок, имеющих промежуточные опоры на конструкциях трибун, раскружаливание не представ­ляло затруднений. Так, деформации арок в вертикальном направлении составляли несколько миллиметров. Работы по одновременному раскружаливанию двух внутренних арок выполняли в два этапа с помощью гидравлических домкратов ручного действия грузоподъемностью по 100 т. На первом этапе домкраты устанавливали на четырех парах временных опор (по две пары с каждой стороны) и вели раскружаливание в направлении от центра к железобетонным устоям. На втором этапе домкраты устанавливали на следующих четырех парах опор и производили раскружаливание. Были изготовлены наборы прокладок для каждой временной опоры.

Для раскружаливания арок на величину, равную толщине одной прокладки, последовательно выполняли три операции: образование зазора в 1 мм между арками и временными опорами, удаление одной прокладки и опускание арок на толщину одной прокладки. По ходу работ осуществляли постоянный геодезический контроль. После раскружаливания арок демонтировали временные опоры.

Двухшарнирные арки. Примерно такая же технология, которая изложена выше, использована при монтаже двухшарнирных арок наружного контура пролетом 120 м покрытия плавательного бассейна «Олимпийский» на проспекте Мира в Москве (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Схема монтажа наклонных несущих арок Олимпийского бассейна в Москве: 1 —железобетонный монолитный устой; 2—монтируемый элемент арки; 3 — башенный кран БК-1000; 4 — полностью смонтированная стальная арка, подготовленная к заполне­нию армокаркасами и бетоном; 5 — колонны здания

Элементы арки в виде открытого сверху (для возможности последующего заполнения бетоном) короба сечением 2,0x3,3 м из стали 14Г2 толщиной 12 и 20 мм, длиной до 12 м и массой до 37 т устанавливали в проектное положение краном БК-ЮОО вместе с при-варенными заранее оголовками колонн (для обеспечения плотного опирания арки на колонны). Оголовки представляли собой разрезные направляющие пластины, которыми, как обоймой, они охватывали верхнюю опорную часть колонны. Направляющие пластины после выверки смежных блоков арки приваривали к угловым элементам колонн. Каждый блок арки, кроме центрального (замыкающего), опирали консольно на две постоянные опоры-колонны и стыки блоков в пролете между колоннами выполняли сваркой с накладками по стенкам короба. Для выполнения сварочных работ на стенки короба навешивали специальные подмости. Монтаж блоков арки-опалубки вели в направлении от опор к центру.

Трехшарнирные арки. Арочные покрытия находят также широкое применение при строительстве складов сыпучих материалов. Обычно в таких зданиях применяют трехшарнирные арки пролетом до 60 м. В частности, покрытие складов для хранения карбами­да представляет собой систему из трехшарнирных арок пролетом 58,3 м с шагом 10,5 м на железобетонных контрфорсах (рис. 10.14).

Рис.10.14. Схема механизации монтажа крупными блоками арочного покрытия склада карбамида: 1 — железобетонный контрфорс; 2 — подмости переставные; 3 — ригель арки; 4 — гусеничный кран СКГ-63БС; 5 — временная опора; 6 — гусеничный фан МКГ-25БС; 7 — укрупняемый блок

Арки состоят из двух прямолинейных ригелей переменного двутаврового сечения высотой до 1,2 м, длиной 36 м. Ригели поступают тремя частями, стыки которых выполняют сварными или на высокопрочных болтах. Эффективен монтаж покрытия плоскими блоками, укрупняемыми на земле с помощью гусеничного крана. Покрытие укрупняют непосредственно в монтажной зоне в плоские блоки размером 10,5 х 36 м и массой до 26 т, состоящие из двух ригелей, балок, прогонов, тяжей и связей — всего до 250 элементов. После укрупнения и выверки размеров выполняют химзащитную окраску конструкций блока.

Блоки монтируют через один гусеничным краном СКГ-63БС со стрелой 25,5 м. Блок стропят за четыре точки двумя парами тросов разной длины, поднимают и опирают на контрфорсы, а вверху — на временную пространственную опору высотой 25 м размером в плане 10,5х4,5 м, соответствующим двум ригельным элементам.

Опору оборудуют площадками для опирания ригелей и оформления монтажных стыков, маршевой лестницей. При необходимости блок рихтуют с помощью домкратов. Уложенные ригели до расстроповки крепят к временной опоре болтами, которые устанавливают в отверстия в нижнем поясе ригеля, предназначенные для крепления подвесной галереи. Временную опору устанавливают на рельсы, уложенные вдоль оси пролета, и передвигают трактором или с помощью лебедки грузоподъемностью 5 т. В качестве путей можно использовать четыре инвентарных металлических зве­на, перекладываемых краном по ходу монтажа.

Конструкции межблочного пространства монтиру­ют гусеничным краном МКГ-25БС со стрелой 27,5 и гуськом 10 м. Поднимают с помощью специальной траверсы одновременно по семь прогонов. Кран заез­жает сбоку между смонтированными блоками.

Для покрытия складов минеральных удобрений и других химикатов эффективно применение деревянных арок. Монтаж таких арок аналогичен вышеизложенному и производится с применением передвиж­ной центральной временной опоры. Альбом рабочих чертежей «Трехшарнирные стрельчатые клееные де­ревянные арки пролетом 12,18 и 24 м, серия 1.863-3» выпущен ЦНИИЭПсельстроем.

Купольные покрытия. Купола применяют для покрытия как зрелищных сооружений (цирков, спортивных залов), так и отдельных производственных объектов (литейных дворов доменных печей объемом 3200 м³ и больше, зданий испытательных стендов).

Известны два типа куполов, принципиально отличающиеся своими конструктивными решениями и схемой работы: ребристые и сетчатые.

Ребристые купола всегда монтируют с применением временной опоры, которую располагают по оси купола.

Первым на временной опоре собирают верхнее опор­ное кольцо, являющееся конструктивным элементом купола. Для возможности выверки его положения по высоте, а в последующем — раскружаливания всего собранного купола, между временной опорой и опор­ным кольцом устанавливают домкраты. Обслужива­ние домкратов, сборку опорного кольца и раскружаливание выполняют с рабочей площадки, организуемой на временной опоре. Опорное кольцо должно быть точно выверено не только по высоте, но и в плане, так как его положение во многом определяет геометрию всего купола.

Далее монтируют в определенном порядке несущие элементы — ребра купола, которые предварительно укрупняют на всю длину, чтобы исключить необходимость устройства дополнительных промежуточных опор.

Сначала устанавливают по любому диаметру одно ребро против другого, затем — два других в перпен­дикулярной плоскости.

Далее в каждом из четырех образовавшихся секторов последовательно монтируют по одному ребру, равномерно заполняя всю окружность купола. Такая последовательность установки ребер исключает одностороннюю нагрузку на опорное кольцо, что уменьшает деформации временной опоры (отклонение от вертикали) и облегчает выверку и соблюдение заданной геометрической формы купола.

При малой жесткости ребер из плоскости устойчивость одного ребра не обеспечивается. В этом случае ребра либо попарно укрупняют вместе с распорками и связями и, сохраняя общий порядок, монтируют блоками, либо (при недостаточной грузоподъемности крана) устанавливают в проектное положение не по одному, а по два ребра, соединяя их наверху связями в жесткий блок.

До установки постоянных связей устойчивость ребер обеспечивают парными расчалками. Раскружаливание выполняют после проектного закрепления всех конструкций, включая нижнее опорное кольцо, воспринимающее распор, при опирании ребер купола не на землю, а на вышерасположенные конструкции. На рис. 10.15. показана схема монтажа ребристого купола нового цирка в Москве (на 3000 мест).

Монтаж конструкций выполнен радиально-поворот-ным устройством (РПУ) грузоподъемностью 30 т, скомплектованным из элементов козлового крана К-184.

Рис. 10.15. Схема монтажа купола цирка в Москве: 1 — временная опора; 2 — радиально-поворотное устройство; 3 — подкрановая кольцевая эстакада; 4 — верхнее опорное кольцо; 5 — ребра купола с козырьком; 6 — нижнее опорное кольцо; 7 — домкраты

Вначале с помощью мачты были смонтированы центральная временная опора высотой 34 м, а на ней — верхнее опорное кольцо купола. Затем на кольцевой рельсовый путь радиусом 51,5 м установили и временно расчалили наружную опору РПУ. Ригель крана, предварительно собранный вместе со шпренгелем на земле, подняли и установили в проектное положе­ние монтажным порталом.

Радиально-поворотным устройством осуществлен монтаж не только несущих конструкций купола, но и ограждающих панелей, изготовленных из легких сплавов.

В зависимости от размеров купола (пролета, высоты) для монтажа конструкции могут быть применены гусеничные, башенные или рельсовые краны, располагаемые либо снаружи на двух параллельных или на одном кольцевом пути, либо внутри купола при отсутствии подземных сооружений.

Сетчатые купола не имеют определенной схемы монтажа. Методы их возведения определяют конструктивные решения, которые в свою очередь, зависят от принципиальной схемы монтажа.

Сетчатые купола необходимо проектировать с участием монтажных организаций. На рис. 10.16 показана схема монтажа самого большого в нашей стране сетчатого купола, предназначенного для размещения высоковольтного испытательного стенда Всесоюзного энергетического института (ВЭИ) имени В. И. Ленина.

Рис. 10.16. Схема монтажа сетчатого купола ВЭИ им. В.И. Ленина:

1 — подъемник ПГС-800; 2 — башенный кран БК-300В; 3 — конструкции купола; 4 — конструкции подвала; 5 — рельсовый кран СКР-2200; 6 — машинный зал; 7 — подъем­ник на канатных направляющих; 8 — арка обслуживания

Оболочка купола диаметром 231,7 м (в основании) и высотой 114 м состоит из нескольких рядов пространственных блоков ромбической формы, которые укрупняли из двух равносторонних треугольных секций с длиной стороны около 9 м. Каждая сторона треугольной секции представляет собой плоскую ферму высотой 2,5 м, а все б ферм составляют каркас блока. К наружным поясам ферм каркаса приварена предварительно напряженная обшивка (мембрана) из рулонной стали марки 10ХНДП толщиной 1,5 мм. С внутренней стороны к поясам каркаса прикреплены панели подвесного потолка.

Между обшивкой и подвесным потолком расположе­ны постоянные площадки и лестницы для прохода на верх купола к местам крепления различного оборудования. Соединение элементов каркаса блока и блоков меж­ду собой осуществлено на высокопрочных болтах. Сбор­ка блоков, масса которых достигала 10 т, осуществлена на специальной площадке, расположенной в 500 м от места монтажа, куда полностью собранные и окрашен­ные блоки подавали на тележке по рельсовым путям.

Купол смонтирован в три этапа. Конструкции до отм. 70,0 поднимали и устанавливали в проектное положение поярусно двумя башенными кранами БК-300В, установленными снаружи купола на кольцевых путях радиусом 125,5 м.

Такое расположение кранов позволило одновременно с монтажом оболочки выполнить строительные работы по подвалу и обеспечить на втором этапе установку и работу рельсового крана СКР-2200 на отм. 7,85, который был использован для монтажа остальной части оболочки.

Машинный зал массой 450 т поднят блоком с помощью полиспастов, подвешенных к верхнему кольцу купола.

При огромных параметрах купола сложная проблема подъема монтажников к рабочим местам была решена благодаря установке на первом этапе трех грузопассажирских подъемников ПГС-800, а на втором и третьем этапах — специального подъемника на канатных направляющих, рассчитанного на 4-6 чел.

Конструкции купола массой 12980 т (включая 130 т высокопрочных болтов и 560 т арки обслуживания) были смонтированы за 33 месяца.

В зависимости от геометрических и весовых параметров купола монтажные краны (гусеничные, башенные, рельсовые и специальные) можно располагать внутри или снаружи купола.

На рис. 10.17 показана принципиальная схема монтажа и подъема целиком на проектную отметку купола диаметром 57 м, массой 720 т, со стрелой подъема 21 м. Этот купол был смонтирован при сооружении музея на Поклонной горе в Москве.

Рис. 10.17. Схема монтажа купола здания на Поклонной горе:

1 — башенные краны КБ-674; 2 — монтажные подкосы; 3 — колонны купола; 4 — электромеханические подъемники Q = 500 кН; 5 — тяги подъемников; 6 — арки купола; 7 — верхнее кольцо купола; 8 — временная опора для сборки купола; 9 — нижнее кольцо купола; 10 — нижнее кольцо купола во время сборки; 11 — монтажные тумбы

На перекрытии (на отметке 10,5 м) на восьми тумбах высотой 1,2 м собрали нижнее опорное кольцо из 16 отправочных марок с соединением на высокопрочных болтах. Установили центральную временную опору и смонтировали на ней верхнее кольцо. Затем двумя башенными кранами установили симметрично противоположные накрест лежащие полуарки купола, связи и распорки. После этого смонтировали восемь колонн (в квадратных сквозных проемах нижнего опорного кольца) с распределением их в двух плоскостях монтажными подкосами.

Колонны нарастили временными оголовками с касающимися траверсами, к которым присоединены по два электромеханических подъемника грузоподъемностью 50 т каждый.

Тяги подъемника соединили с нижним опорным кольцом и электроподъемниками, включенными синхронно, кольцо вместе с куполом было поднято на проектную отметку (ход подъемника — 11,6 м). Кольцо закрепили на колоннах, электромеханические подъемники и всю временную оснастку демонтировали.

В дальнейшем башенными кранами закончили монтаж конструкций кровли и стен.

При проектировании сетчатых куполов конструктивные решения должны учитывать намеченную схему их монтажа. Пологие сетчатые купола большого пролета могут монтироваться с использованием центральной и кольцевых промежуточных опор. Известен случай, когда для монтажа пологого сетчатого купола была сделана соответствующая планировка холма, устроены фундаменты, уложены конструкции сетчатого купола большого пролета, а затем механизированным способом грунт холма был удален, т.е. купол раскружален.

Возможен навесной способ монтажа крупных сетчатых куполов (без промежуточных опор). При этом в процессе монтажа необходимо строго следить за геометрией и напряженным состоянием всех основных несущих конструктивных элементов купола.

Это можно осуществить только с помощью современных компьютерных средств с соответствующим программным обеспечением.