Сравнение напряженно-деформированного состояния комбинированной арочной конструкции при различных условиях опирания

Введение. В комбинированных арочных системах опоры часто выполняют шарнирными для исключения передачи момента на нижележащие конструкции. Среди шарнирных опор для арочных комбинированных систем рассматривают либо шарнирно-неподвижные опоры с обеих сторон, либо шарнирно-подвижную с одной стороны и нижнюю затяжку для восприятия распора. Рассмотрены преимущества и особенности применения обоих вариантов опор на примере анализа напряженно-деформированного состояния арки с лучевыми затяжками.

Материалы и методы. Сравнение проведено с помощью предварительного теоретического исследования и последующих численных расчетов. Расчетные модели реализованы в программном конечно-элементном комплексе SCAD с учетом геометрически нелинейного характера работы конструкции. Подбор усилий натяжения в затяжках выполнен по ранее опубликованному алгоритму.

Результаты. На основе анализа проведенных исследований и численных расчетов определены напряжения и перемещения в сечениях арки, а также установлены силы предварительного напряжения в стяжках для достижения минимального расхода металла. Наглядно продемонстрировано влияние шарнирной и жесткой опоры с одной стороны арки на напряжения, деформации и расход металла.

Выводы. По результатам сравнения комбинированной арочной системы с двумя неподвижными шарнирными опорами и арочной системы с одной шарнирно-подвижной опорой и нижней затяжкой выявлено, что в арке с подвижной опорой горизонтальные и вертикальные перемещения пояса арки выше. После подбора и перераспределения усилий преднапряжения в затяжках возникающие продольные и поперечные усилия в поясах обеих арок сопоставимы, однако изгибающий момент в арке с подвижной опорой вдвое меньше. По металлоемкости пояса обе арки имеют практически одинаковый расход стали, а по металлоемкости материала на затяжки в арке с подвижной опорой требуется в полтора раза больше количества материала на затяжки, так как необходимо больше усилия натяжения затяжек. Если нижняя затяжка отсутствует, если распор от арки воспринимается другими опорными конструкциями, то целесообразно использовать арки с неподвижными опорами. В случае отсутствия такой возможности следует применять арку с нижней затяжкой и с одной подвижной опорой.

1. Долгополов В.Е., Гринев Д.Д. Классификация и технологическая эффективность арочных конструкций // Научные труды КубГТУ. 2026. № 1. С. 67–78. DOI: 10.26297/2312-9409.2026.1.5. EDN MLSZZJ.

2. Ситников И.Р., Голиков А.В. Регулирование усилий в большепролетных конструкциях при разработке рациональной конструктивной формы здания дельфинария в Волгограде // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14. № 4. С. 278–292. DOI: 10.22363/1815-5235-2018-14-4-278-292. EDN XXRMGL.

3. Лебедева Н.В. Фермы, арки, тонкостенные пространственные конструкции. М. : Архитектура-С, 2006. EDN QNMBCF.

4. Crocetti R. Timber Structures for Large-Span Structures // Proceedings of the World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering (CSEE'16). 2016. DOI: 10.11159/icsenm16.124

5. Karnovsky I.A. Theory of Arched Structures. London : Springer New York, 2012. 429 p. DOI: 10.1007/978-1-4614-0469-9

6. Инженерные конструкции / под ред. Ермолова В.В. М. : Высшая школа, 1991. 408 с.

7. Burford N.K., Smith F.W., Gengnagel C. The Evolution of Arches as Lightweight Structures A History of Empiricism and Science // Proceedings of the Third International Congress on Construction History. 2009. Pp. 267–274.

8. Грефе Р., Перчи О., Шухов Ф., Щербо Г., Гаппоев М., Беленя Е. и др. В.Г. Шухов (1853–1939). Искусство конструкции. М. : Мир, 1994. 192 с. EDN UHDRMZ.

9. Киселев Д.Б. Арочно-вантовые комбинированные конструкции. Численные и экспериментальные исследования // Современное промышленное и гражданское строительство. 2006. Т. 2. № 1. С. 17–27. EDN LALAXJ.

10. Кривошапко С.Н. Вантовые структуры // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2016. № 1. С. 9–22. EDN VCHTHN.

11. Сыч С. Проектирование вантовых конструкций в Autodesk Robot Structural Analysis Professional // CADmaster. 2012. № 6. С. 84–86.

12. Коряков А.С., Евстафьева Е.Б. Современное состояние светопрозрачных конструкций Шухова // Вестник МГСУ. 2013. № 12. С. 84–92. EDN RQAWIB.

13. Кожевников Е.Н. Предварительно напряженные фермы с жестким криволинейным верхним поясом и решеткой из гибких элементов // Труды III Междунар. конф. по предварительно напряженным металлическим конструкциям. 1971. С. 141–155.

14. Сингаевский П.М., Кожевников К.М., Караджи К.М. К определению оптимальной геометрической схемы некоторых комбинированных арочных ферм с гибкой решеткой // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. 1971. № 4. С. 14–18.

15. Синицин Ю.Н. О конструктивных схемах и особенностях работы некоторых стальных стропильных ферм комбинированной системы // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. 1964. № 2. С. 33–41.

16. Королева Е.Ю., Трянина Н.Ю. Напряженно-деформированное состояние двухшарнирной арки с системой сходящихся затяжек // XIII Всеросс. фестиваль науки : сб. тез. 2023. С. 89–90. EDN MQRRUQ.

17. Королева Е.Ю., Трянина Н.Ю. Исследование работы сетчатого арочного свода с системой сходящихся затяжек // Междунар. конф. Нижегородского фестиваля науки : сб. тез. докл. 2025. С. 104–105. EDN WFPOWA.

18. Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M. Comparing two types of combined arch-cable systems operation // AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2791. P. 030021. DOI: 10.1063/5.0143530

19. Долгушева В.В., Ибрагимов А.М., Долгушев Т.В. Рациональное конструктивное решение комбинированной арочной системы с наклонными тягами // Academia. Архитектура и строительство. 2023. № 2. С. 168–174. DOI: 10.22337/2077-9038-2023-2-168-174. EDN GCKCKR.