Полисистемная ферма

Изобретение относится к строительству, в частности к металлостроительному производству стальных балочных безраскосных полисистемных ферм покрытий промышленных и гражданских зданий, сооружений и пролетных строений автомобильных и железнодорожных мостов. Полисистемная ферма представляет собой конструктивную систему, скомпонованную из жесткого несущего вантового элемента, верхнего пояса на двух опорах и нижнего пояса, жестко соединенных между собой стойками. Ферма состоит из четырех взаимодействующих конструктивных систем, объединенных в единую систему безраскосной решеткой из стоек и/или подвесок и двумя опорными частями с опорной стойкой и двумя опорными узлами в каждой части. Первая система включает вантовый элемент и верхний пояс, жестко соединенные в верхних опорных узлах; составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности вантового элемента и панельных узлах верхнего пояса. Вторая система содержит арочный элемент и нижний пояс, жестко связанные в нижних опорных узлах; составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко соединенные в узлах полигональности арочного элемента и панельных узлах нижнего пояса. Третья система включает вантовый и арочный элементы, жестко соединенные между собой в плоскости фермы в двух точках их пересечения; верхний и нижний пояса и опорные стойки, жестко объединенные в верхнем и нижнем опорных узлах с вантовым и арочным элементами; составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности с вантовым и арочным элементами и в панельных узлах с верхним и нижним поясами. Четвертая система включает верхний и нижний пояса, опорные стойки, жестко соединенные в верхнем и нижнем опорных узлах; стойки и/или подвески, жестко связанные в панельных узлах верхнего и нижнего поясов и в узлах полигональности вантового и арочного элементов. Технический результат - осуществление новых условий взаимодействия элементов фермы, повышение технико-экономической эффективности. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к строительству, в частности к металло-строительному производству стальных ферм зданий, сооружений и мостов.

Известна балочная ферма с параллельными поясами, включающая верхний прямолинейный сжатый пояс и параллельный с ним нижний растянутый, жестко соединенные между собой в плоскости фермы крестовой решеткой с двумя системами раскосов: сжатых нисходящих от верхнего сжатого пояса и растянутых восходящих от нижнего растянутого пояса; нагрузки на опоры фермы передаются сжатым верхним поясом через сжатые опорные стойки и крайними нисходящими сжатыми раскосами, а также непосредственно растянутым нижним поясом и крайними восходящими растянутыми раскосами через сжатые опорные стойки (см. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Е.Н. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Веденников и др. Под общей редакцией Е.И. Беленя. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. С.207-209).

Недостатками фермы являются: нерациональность конструктивной схемы, значительный расход стали в ее опорных частях, крупноразмерность поперечных сечений и металлоемкость конструктивных элементов, область применения ограничивается в основном покрытиями промышленных и гражданских зданий и других сооружений.

Известна балочная ферма с параллельными поясами, включающая верхний прямолинейный сжатый пояс и нижний растянутый, жестко соединенные между собой в плоскости фермы ромбической решеткой, состоящей из двух жестко объединенных треугольных с дополнительными полустойками и полуподвесками полурешеток, нагрузки на опоры фермы передаются сжатым верхним поясом через сжатые опорные стойки и крайними нисходящими сжатыми раскосами, а также непосредственно растянутым нижним поясом и крайними восходящими растянутыми раскосами через сжатые опорные стойки, (см. Металлические конструкции: Спец. курс. Учебн. пос. для вузов / Е.И. Беленя, Н.Н. Стрелецкий, Г.С. Веденников и др. Под общ. ред. Е.И. Беленя - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат. 1982. С.410-411).

Недостатками фермы являются: ограничение области применения большепролетными строениями железнодорожных мостов; нерациональность конструктивной схемы; крупноразмерность поперечных сечений и металлоемкость конструктивных элементов; существенная металоемкость в опорных частях; наличие фактического количества раскосов, полустоек, полуподвесок, сложных узлов и крупноразмерных конструктивных элементов фермы повышают массу стали, трудозатраты и капитальные вложения на ее изготовление и текущее содержание.

Известна комбинированная ферма, включающая верхний жесткий прямолинейный и параллельные с ним жесткие нижние пояса, соединенные жесткими вертикальными стойками; несущий элемент, объединяющий спаренные вертикальные стойки по кривой второго порядка, внутри несущего элемента расположен преднапрягаемый трос; верхний пояс и стойки объединены между собой малыми подкосами; нижние пояса расположены с двух сторон равноудаленными на длину панели решетки от середины криволинейного несущего элемента, каждый из которых одним концом крепится к несущему элементу, а другим концом к нижнему концу подвески опорного узла (см. Патент на изобретение RU №2072414 C1, МПК E04C 3/04 «Комбинированная ферма»; автор: Чаадаев В.К.; заявка: 94025633/33, 08.07.1994; опубликовано: 27.01.1997), принята за прототип.

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известной комбинированной фермы, принятой за прототип, являются то, что данная ферма имеет ограниченную область применения; имеется возможность нагружения фермы только на верхний жесткий прямолинейный пояс и отсутствует на нижних поясах; криволинейность несущего элемента на участках между стойками способствует увеличению его деформации и прогиба за счет выпрямления при нагрузке; наличие только одной пары опор на уровне прямолинейного пояса и отсутствие опор на уровне нижних поясов способствует концентрации металла в опорах; нижние пояса представлены отдельными жесткими прямолинейными отрезками, соединенными концами в средней части с участком жесткого несущего криволинейного элемента, а свободными концами с подвесками в опорах; несущий криволинейный элемент состоит из жесткой гнутой профильной балки и расположенного в ней напрягаемого троса, что усложняет его конструкцию и повышает затраты на изготовление и текущее содержание.

Сущность изобретения заключается в следующем:

- заявленное изобретение направленно на решение задачи - внедрение в металлостроительное производство покрытий промышленных зданий, сооружений и в мостостроение стальных балочных безраскосных полисистемных ферм, включающих четыре системы, скомпонованные из несущего жесткого ломаного полигонально-дугового затяжного растянутого вантового элемента, или для краткости и единства терминологии «вантового элемента», из несущего жесткого ломаного полигонально-дугового распорного сжатого арочного элемента, или «арочного элемента», и из двух несущих жестких прямолинейных параллельных поясов внецентренно-сжатого распорного верхнего пояса, или «верхнего пояса», и внецентренно-растянутого затяжного нижнего пояса, или «нижнего пояса»; с безраскосной решеткой из стоек и/или подвесок; с двумя опорными частями, состоящими из двух опорных узлов арочного и вантового элементов, нижнего и верхнего поясов и опорной стойки;

- техническим результатом является осуществление новых условий взаимодействия двух вантового и арочного элементов и двух верхнего и нижнего поясов, скомпонованных в четырех системах, в совокупности с безраскосной решеткой и двумя опорными частями, каждая из которых включает по опорной стойке и по два опорных узла, что позволяет повысить рациональность конструктивной схемы, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность полисистемной фермы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения фермы достигается тем, что:

- признаки известной комбинированной фермы, состоящей из конструктивной системы, скомпонованной из жесткого несущего вантового элемента, верхнего прямолинейного пояса на двух опорах и нижнего параллельного пояса, жестко соединенные между собой стойками, включены в полисистемную ферму;

- ферма состоит из четырех систем, объединенных в единую полисистему с помощью безраскосной решетки из стоек и/или подвесок и двух опорных частей с опорной стойкой и двумя опорными узлами в каждой части;

- первая система включает вантовый элемент и верхний пояс, жестко соединенные в верхних опорных узлах, и составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности вантового элемента и панельных узлах верхнего пояса;

- вторая система содержит арочный элемент и нижний пояс, жестко связанные в нижних опорных узлах, и составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко соединенные в узлах полигональности арочного элемента и панельных узлах нижнего пояса;

- третья система включает вантовый и арочный элементы, жестко соединенные между собой в плоскости фермы в двух точках их пересечения; верхний и нижний пояса и опорные стойки, жестко объединенные в верхнем и нижнем опорных узлах с вантовым и арочным элементами; составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности с вантовым и арочным элементами;

- четвертая система включает верхний и нижний пояса, опорные стойки, жестко соединенные в верхнем и нижнем опорных узлах, и стойки и/или подвески решетки, жестко связанные в панельных узлах верхнего и нижнего поясов;

- вантовый и арочный элементы имеют равнозначные усилия; равноразмерные поперечные сечения; одинаковое по кривизне полигонально-дуговое очертание, вписанное в отрезок дуги окружности; жесткие прямолинейные отрезки, заключенные между узлами полигональности; при этом третья система сохраняет неизменной длину пролета фермы в процессе прогиба;

- верхний и нижний пояса имеют равнозначные усилия; равноразмерные поперечные сечения; взаимодействуют во всех четырех системах с опорными стойками, обеспечивая их устойчивое статическое состояние;

- стойки и/или подвески безраскосной решетки состоят из трех отдельных, различной длины отрезков, соосно расположенные в плоскости фермы, жестко соединенные между собой в узлах полигональности вантового и арочного элементов, и в панельных узлах верхнего и нижнего поясов;

- опорные части фермы содержат по два опорных узла, жестко соединяющие в верхнем узле опорную стойку, вантовый элемент и верхний пояс и в нижнем - опорную стойку, арочный элемент и нижний пояс;

- арочный элемент с верхним поясом и вантовый элемент с нижним поясом, максимально приближенные в середине пролета, попарно расположены соответственно в верхней зоне сжатия фермы и в нижней зоне ее растяжения; при этом сжатый арочный элемент плавно и последовательно переходит в нижний опорный узел растянутой зоны фермы, растянутый вантовый элемент переходит так же, но в верхний опорный узел ее сжатой зоны;

- центрально-растянутый вантовый и центрально-сжатый арочный элементы, центрально-сжатые стойки и/или центрально-растянутые подвески выполнены из круглых труб, а верхний внецентренно-сжатый и нижний внецентренно-растянутый пояса и опорные стойки - из прямоугольных труб;

- узел полигональности выполнен из круглого ядра, отрезков полигональности несущих элементов и стоек и/или подвесок, жестко примыкающие фигурно обработанными торцами к наружной цилиндрической поверхности ядра по осям геометрической схемы фермы; при этом ядро выполнено из отрезка трубы длиной, несколько превышающей диаметр труб, примыкающих отрезков полигональности элементов и внутри содержит диафрагму жесткости в виде круга, ортогонально размещенную в плоскости, проходящей через середину длины отрезка ядра, и жестко соединенные по контуру с его внутренней поверхностью.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше, и вышеизложенным техническим результатом заключается в следующем:

- полисистемная ферма, состоящая из четырех систем, объединенных в единую систему с помощью безраскосной решетки из сжатых стоек и/или растянутых подвесок, двух опорных частей с опорной стойкой и двумя опорными узлами в каждой части, позволяет осуществить новые условия взаимодействия между вантовым и арочным элементами, верхним и нижним поясами, с повышением рациональности конструктивной схемы, технико-экономической эффективности и конкурентной способности;

- первая система содержит вантовой элемент и верхний пояс, жестко соединенные между собой составными отрезками стоек и/или подвесок и в верхних опорных узлах с опорными стойками; несет половинную долю всей нагрузки на ферму; геометрическая схема имеет рациональное статическое очертание, соответствующее виду эпюры пролетного изгибающего момента, и упрощенные опорные узлы; осуществление признаков первой системы позволяет уменьшить размеры поперечного сечения верхнего пояса, т.к. на него будет действовать усилие, производное от четвертой части значения всей нагрузки на ферму; облегчить конструкцию опорных узлов; применить достоверный метод расчета внецентренно-сжатого стержня, что в общем значительно уменьшит массу стали, трудозатраты и финансирование на изготовление;

- вторая система включает арочный элемент и нижний пояс, жестко соединенные между собой составными отрезками стоек и/или подвесок и в нижних опорных узлах с опорными стойками, несет половинную долю всей нагрузки на ферму; геометрическая схема имеет рациональное статическое очертание, соответствующее виду эпюры пролетного изгибающего момента, и конструктивно упрощенные опорные узлы; осуществление признаков второй системы позволяет уменьшить размеры поперечного сечения нижнего пояса, т.к. на него будет действовать усилие, производное от четвертой части величины всей нагрузки на ферму; облегчить конструкцию опорных узлов; использовать объективный метод расчета внецентренно-растянутого стержня, что также ощутимо уменьшит расход стали, трудозатраты и финансирование на изготовление;

- третья система включает размещенные в плоскости фермы между верхним и нижним поясами и опорными стойками, вантовый и арочный элементы, жестко связанные между собой в двух точках их пересечения, с опорными стойками и верхним и нижним поясами в опорных узлах; основная часть всей нагрузки на ферму воспринимается данной системой и распределяется пополам на вантовый и арочный элементы; элементы имеют равнозначные усилия, равноразмерные поперечные сечения, прямолинейные отрезки между узлами полигональности, одинаковую кривизну, ввиду этого длина пролета системы при прогибе остается неизменной, что упрощает конструкцию опор, существенно уменьшает деформативность, особенно при односторонней нагрузке, и значение прогиба; реализация признаков третьей системы позволяет значительно уменьшить размеры поперечных сечений несущих элементов, упростить конструкцию опорных узлов, что существенно снижает расход стали, трудозатрат и капиталовложений на изготовление, значительно повысить рациональность конструктивной схемы, жесткость системы, а следовательно, в совокупности с уменьшением расхода стали, получить возможность увеличения длины пролета и уменьшения высоты системы;

- четвертая система включает верхний и нижний пояса, стойки и/или подвески, опорные стойки и опорные узлы, жестко связанные в плоскости фермы с вантовым и арочным элементами стойками и/или подвесками из составных отрезков и опорными стойками в верхнем и нижнем опорных узлах; некоторая часть всей нагрузки на ферму воспринимается данной системой и распределяется пополам на верхний и нижний пояса; верхний и нижний пояса имеют равнозначные усилия сжатия и растяжения и равноразмерные поперечные сечения; при этом верхний и нижний пояса работают соответственно как внецентренно-сжатый и внецентренно-растянутый стержни; способствуют уменьшению прогиба фермы за счет дополнительного растяжения сжатого верхнего пояса и растянутого нижнего; при односторонней нагрузке фермы пояса дополнительно препятствуют и исключают развитие существенных деформаций как собственных, так и вантового и арочного элементов;

- вантовый элемент с нижним поясом и арочный элемент с верхним поясом, попарно расположенные в середине пролета фермы с плавным и последовательным переходом вантового и арочного элементов соответственно в верхний опорный узел ее сжатой зоны и в нижний опорный узел ее растянутой зоны, повышают рациональность конструктивной схемы и жесткость фермы, уменьшают ее прогиб;

- элементы и пояса четырех систем в плоскости фермы, жестко связанные сжатыми стойками и/или растянутыми подвесками безраскосной решетки, обеспечивают надежную устойчивость из плоскости фермы вантового и арочного элементов; при этом сами стойки и/или подвески, разделенные на отдельные короткие отрезки, обладают требуемой устойчивостью в процессе сжатия, при относительно незначительном расходе стали по прочности; в стойках и поясах отсутствуют изгибающие моменты в связи с тем, что стойки в процессе прогиба фермы поворачиваются синхронно с поворотом поперечных сечений вантового и арочного элементов и поясов, что упрощает расчетную схему, экономит расход металла, снижает трудозатраты и капиталовложения на их изготовление;

- вантовый и арочный элементы, стойки и/или подвески выполнены из круглых труб, потому что такие поперечные сечения при центральном осевом сжатии или растяжении являются самыми эффективными в работе и экономичными по расходу стали, а верхний и нижний пояса - из прямоугольных труб, потому что их поперечные сечения являются наиболее эффективными в работе и экономически целесообразными при внецентренном сжатии или внецентренном растяжении; кроме того, за счет осуществления поперечных сечений конструкций элементов, стоек и/или подвесок и поясов замкнутыми повышается их качество, долговечность и надежность, сокращаются трудовые и капитальные затраты на их текущее содержание;

- круглое ядро узла полигональности, состоящее из отрезка трубы проектной длины и круглой диафрагмы жесткости, ортогонально расположенной в плоскости, проходящей через его середину, и жестко соединенные по контуру с его внутренней поверхностью, обладает универсальностью при применении в узлах полигональности с различными углами примыкания отрезков полигональности элементов, согласно их геометрической схеме, прочные, жесткие, конструктивно рациональные, легкодоступные в текущем содержании;

- опорная часть, включающая два опорных узла, жестко объединяющих вантовой и арочный элементы, пояса и опорные сжатые стойки, надежно сохраняет свое статическое состояние взаимодействием с верхним и нижним поясами, что относится к рациональности конструктивной схемы;

- опорные реакции распора вантового и арочного элементов вызывают производные горизонтальные усилия сжатия в верхнем поясе и растяжения в нижнем, а также вертикальные усилия на верхний и нижний опорные узлы только от четвертой части всей нагрузки на ферму, что является рациональной стороной конструктивной и расчетной схем и способствует наименьшему расходу стали, уменьшению трудозатрат и стоимости изготовления опорных частей фермы;

- расширение области применения фермы от покрытий зданий до пролетных строений мостов, возможность увеличения длины и уменьшение высоты фермы, возможность осуществления нагрузки и движения по верху и по низу фермы, упрощение конструктивной и расчетной схемы и методики расчета существенно повышают конкурентную способность полисистемной фермы.

На чертежах представлен перечень фигур: на фиг.1 - общий вид фермы; на фиг.2 разрез А-А фиг.1; на фиг.3 узел 20 фиг.1; на фиг.4 узлы 4, 17 фиг.1; на фиг.5 узлы 12, 14 фиг.1; на фиг.6 узел 15 фиг.1; на фиг.7 узел 18 фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления объекта изобретения с получением вышеуказанного технического результата, характеризуются тем, что ферма включает:

- первую систему 1, которая состоит из вантового элемента 2 и верхнего пояса 3, жестко соединенные в верхних опорных узлах 4; несет половину величины всей нагрузки на ферму; при этом вантовой элемент 2 входит в компоновку третьей системы 5, а верхний пояс 3 - в компоновку четвертой системы 6; имеет очертание геометрической схемы, соответствующее виду эпюры пролетного изгибающего момента и рациональную конструкцию верхних опорных узлов 4; в плоскости фермы система 1 жестко связана с остальными тремя системами 5, 6, 7 с помощью составных отрезков 8 и 9 стоек и/или подвесок 10; при этом вантовый элемент 2 выполнен жестким полигонально-дугового очертания, вписанным по проектной длине отрезка дуги окружности радиусом R; отрезки полигональности 11 - прямолинейными жесткими, по длине ограниченные узлами полигональности 12; составные отрезки различной проектной длины 8 и 9 стоек и/или подвесок 10, жестко присоединенные к вантовому элементу 2 в узлах полигональности 12, к арочному элементу 13 в узлах полигональности 14 и к поясу 3 в панельных узлах 15; верхний пояс 3 от усилия сжатия Pв, равного горизонтальной составляющей усилия распора Fв вантового элемента 2, работает как центрально-сжатый стержень, однако включение пояса 3 в совместную работу с третьей системой 5 через посредство составных отрезков 8 стоек и/или подвесок 10 обусловливает его изгиб от прогиба f системы 5; в этом случае пояс 3 работает дополнительно, как изгибаемая балка с напряжениями сжатия в верхней и растяжения в нижней зонах поперечного сечения, которые суммируются с напряжениями центрального сжатия, в результате чего получается эксцентриситет, равный значению прогиба f, а пояс 3 в этом случае работает как несущий некоторую долю нагрузки внецентренно-сжатый стержень, что уменьшает ее величину на вантовый элемент 2;

- вторую систему 7, которая состоит из арочного элемента 13 и нижнего пояса 16, жестко связанных в нижних опорных узлах 17; несет половину величины всей нагрузки на ферму; при этом несущий арочный элемент 13 входит в компоновку третьей системы 5, а нижний пояс 16 - в компоновку четвертой системы 6; имеет очертание геометрической схемы, соответствующее виду эпюры пролетного изгибающего момента, и рациональную конструкцию нижних опорных узлов 17; в плоскости фермы система 7 жестко связана с остальными тремя системами 1, 5, 6 с помощью составных отрезков 8 и 9 общих стоек и/или подвесок 10; при этом арочный элемент 13 выполнен жестким полигонально-дугового очертания, вписанным по проектной длине отрезка дуги окружности радиусом R; отрезки полигональности 11 - прямолинейными жесткими, по длине ограниченные узлами полигональности 14; составные отрезки различной проектной длины 8 и 9 стоек и/или подвесок 10, жестко присоединенные к арочному элементу 13 в узлах полигональности 14, к вантовому элементу 2 в узлах полигональности 12 и к поясу 16 в панельных узлах 18; нижний пояс 16 от усилия растяжения Pа, равного горизонтальной составляющей усилия распора Fa арочного элемента 13, работает как центрально-растянутый стержень, но включение пояса 16 в совместную работу с третьей системой 5 через посредство стоек и/или подвесок 8 вызывает его изгиб от прогиба f системы 5; в этом случае пояс 16 работает дополнительно как изгибаемая балка с напряжениями сжатия в верхней и растяжения в нижней зонах поперечного сечения, которые суммируются с напряжениями центрального растяжения, в результате чего усилие растяжения получает эксцентриситет, равный значению прогиба f, а пояс 16 при этом работает как несущий некоторую долю нагрузки внецентренно-растянутый стержень, что уменьшает его величину на арочный элемент 13;

- третью систему 5, которую образуют вантовой 2 и арочный 13 элементы, расположенные в плоскости фермы между параллельными поясами 3 и 16 и опорными стойками 19 соответственно снизу верхнего пояса 3 и сверху нижнего 16, жестко связанные между собой в узлах 20 их двух пересечений, с опорными стойками 19 и поясами 3 и 16 в опорных узлах - верхнем 4 и нижнем 17; система несет основную часть всей нагрузки на ферму, а каждый из элементов 2 и 13 - ее половинную долю, передаваемых на них составными отдельными отрезками 8 и 9 стоек и/или подвесок 10, жестко связанные с вантовым 2 в узлах полигональности 12 и арочным 13 в узлах полигональности 14; имеет очертание геометрической схемы, соответствующее виду эпюры опорно-пролетного изгибающего момента; элементы имеют равнозначные усилия Fв=Fa, равноразмерные поперечные сечения, одинаковую кривизну по дуге окружности радиусом R и прямолинейные отрезки 11 между узлами полигональности 12 и 14; длина пролета L системы при прогибе остается неизменной, что упрощает конструкцию опорных частей и их узлов 4 и 17; при этом прогиб системы f формируется от удлинения вантового элемента 2, жестко соединенного с арочным 13, за счет его осевой деформации растяжения и совместно от укорочения арочного элемента 13, жестко связанного с вантовым 2, за счет его осевой деформации сжатия, что значительно повышает жесткость конструкции системы 5 и относительно уменьшает значение ее прогиба f;

- четвертую систему 6, которую представляют верхний 3 и нижний 16 пояса, жестко объединенные с опорными стойками 19 в верхнем 4 и нижнем 17 опорных узлах; с безраскосной решеткой из стоек и/или подвесок 10, составленных отрезками 8 и 9, жестко соединенных между собой в узлах полигональности 12 вантового элемента 2 и в узлах полигональности 14 арочного элемента 13, и с верхним поясом 3 в панельных узлах 15 и с нижним поясом 16 в панельных узлах 18; при этом верхний 3 и нижний 16 пояса имеют равнозначные усилия сжатия Pв и растяжения Pа и равноразмерные поперечные сечения; верхний пояс 3 центрально сжимается механизмом распора вантового элемента 2 и одновременно изгибается и удлиняется своими узловыми нагрузками Ni на него в пределах функциональной зависимости от величины прогиба f третьей системы 5; нижний пояс 16 центрально растягивается механизмом распора арочного элемента 13 и одновременно изгибается и удлиняется своими узловыми нагрузками Ni на него в тех же пределах функциональной зависимости от значения прогиба f третьей системы 5, что и верхний пояс 3; при этом верхний 3 и нижний 16 пояса работают соответственно как внецентренно-сжатый и внецентренно-растянутый стержни; поперечные сечения укороченных составных отрезков 8 и частично 9 стоек и/или подвесок 10 рассчитываются по прочности и поэтому имеют одинаковые минимальные размеры поперечных сечений; удлиненные составные отрезки 9 рассчитываются и по устойчивости, поэтому имеют различные минимально необходимые размеры поперечных сечений; данный подход к конструктивному решению стоек и/или подвесок 10 позволяет достичь минимального расхода стали на решетку; таким образом, четвертая система 6 фермы уменьшает ее прогиб f, составные из отрезков 8 и 9 стойки и/или подвески 10 способствуют снижению расхода стали на их изготовление; исключение изгибающих моментов в стойках и/или подвесках 10 и в поясах 3 и 16, от неизгибаемых стоек и/или подвесок 10, за счет синхронной кинематики (линейных перемещений и поворотов) поперечных сечений вантового 2 и арочного 13 элементов и верхнего 3 и нижнего 16 поясов под действием их усилий сжатия Fa, Pв и растяжения Fв, Pа, способствует уменьшению поперечных размеров как стоек и/или подвесок 10, так и поясов 3 и 16, что уменьшает их металлоемкость.

- вантовый элемент 2 с нижним поясом 16 и арочный элемент 13 с верхним поясом 3 размещены соответственно в растянутой и сжатой зонах фермы, попарно приближены в середине пролета L фермы с помощью составного отрезка минимальной длины 8 стойки и/или подвески 10 с плавным последовательным переходом арочного элемента 13 и вантового элемента 2, соответственно, в нижний опорный узел 17 ее растянутой зоны и в верхний опорный узел 4 сжатой зоны с жестким пересечением в узлах 20, способствуют повышению жесткости конструктивной системы 5;

- вантовый элемент 2 и арочный элемент 13, стойки и/или подвески 10 выполнены из круглых труб, а верхний пояс 3, нижний пояс 16 и опорные стойки 19 - из прямоугольных замкнутых гнутосварных или коробчатых профильносварных труб; такой подбор конструктивных элементов 2, 13 и 10 в совокупности упрощает конструкцию полигональных узлов 12 и 14, панельных узлов 15 и 18 и опорных узлов 4 и 17, способствует надежности и эффективности работы полисистемной фермы;

- узлы полигональности 12 и 14 включают круглое ядро 21, состоящее из отрезка трубы 22 проектной длины и круглой диафрагмы жесткости 23, расположенной внутри отрезка в плоскости, ортогонально проходящей через его середину, и жестко соединенные по контуру диафрагмы 23 с внутренней поверхностью отрезка 22; кроме того, круглое ядро 21 совокупно жестко соединено с полигональными отрезками 11 вантового 2 и арочного 13 элементов и с составными отрезками 8 и 9, стоек и/или подвесок 10. Следовательно, осуществление полисистемной фермы с получением вышеуказанного технического результата является реально возможным.

Заявленное изобретение предназначено для применения в металлостроительстве стальных ферм покрытий промышленных и гражданских зданий, сооружений и пролетных строений в автодорожном и железнодорожном мостостроении. В настоящее время известны все средства и методы для осуществления заявленного изобретения.

Использование изобретения ведет к снижению материальных, трудовых и капитальных затрат на металлостроительство стальных ферм покрытий зданий и сооружений, а также пролетных строений мостов путем их изготовления из четырех взаимодействующих конструктивных систем, выполняемых из вантового и арочного элементов, верхнего и нижнего поясов, с применением опорных стоек, составных стоек и/или подвесок безраскосной решетки, двух верхнего и нижнего опорных узлов. На основании новизны технических решений изобретения стальных полисистемных ферм для металлостроительства и мостостроения осуществляются новые условия взаимодействия между их вантовым и арочным элементами и верхним и нижним поясами, повышающие рациональность конструкции, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность стальных балочных безраскосных полисистемных ферм.

1. Полисистемная ферма, включающая конструктивную систему, скомпонованную из жесткого несущего вантового элемента, верхнего пояса на двух опорах и нижнего пояса, жестко соединенных между собой стойками, отличающаяся тем, что ферма состоит из четырех взаимодействующих конструктивных систем, объединенных в единую систему безраскосной решеткой из стоек и/или подвесок и двумя опорными частями с опорной стойкой и двумя опорными узлами в каждой части; первая система включает вантовый элемент и верхний пояс, жестко соединенные в верхних опорных узлах, и составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности вантового элемента и панельных узлах верхнего пояса; вторая система содержит арочный элемент и нижний пояс, жестко связанные в нижних опорных узлах, и составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко соединенные в узлах полигональности арочного элемента и панельных узлах нижнего пояса; третья система включает вантовый и арочный элементы, жестко соединенные между собой в плоскости фермы в двух точках их пересечения, верхний и нижний пояса и опорные стойки, жестко объединенные в верхнем и нижнем опорных узлах с вантовым и арочным элементами, составные отрезки различной длины стоек и/или подвесок, жестко связанные в узлах полигональности с вантовым и арочным элементами и в панельных узлах с верхним и нижним поясами; четвертая система включает верхний и нижний пояса, опорные стойки, жестко соединенные в верхнем и нижнем опорных узлах, и стойки и/или подвески, жестко связанные в панельных узлах верхнего и нижнего поясов и в узлах полигональности вантового и арочного элементов.

2. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что вантовый и арочный элементы имеют равнозначные усилия, равноразмерные поперечные сечения, одинаковое по кривизне полигонально-дуговое очертание, вписанное в отрезок дуги окружности, жесткие прямолинейные отрезки, заключенные между узлами полигональности, при этом третья система сохраняет неизменной длину пролета фермы в процессе прогиба.

3. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что верхний и нижний пояса имеют равнозначные усилия, равноразмерные поперечные сечения, взаимодействуют во всех четырех системах с опорными стойками, обеспечивая их устойчивое статическое состояние.

4. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что стойки и/или подвески безраскосной решетки состоят из трех отдельных, различной длины отрезков, соосно расположенные в плоскости фермы, жестко соединенные между собой в узлах полигональности вантового и арочного элементов, и в панельных узлах верхнего и нижнего поясов.

5. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что опорные части фермы содержат по два опорных узла, жестко соединяющие в верхнем узле опорную стойку, вантовый элемент и верхний пояс, и в нижнем - опорную стойку, арочный элемент и нижний пояс.

6. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что арочный элемент с верхним поясом и вантовый элемент с нижним поясом, максимально приближенные в середине пролета, попарно расположены соответственно в верхней зоне сжатия фермы и в нижней зоне ее растяжения, при этом сжатый арочный элемент плавно и последовательно переходит в нижний опорный узел растянутой зоны фермы, растянутый вантовый элемент переходит так же, но в верхний опорный узел ее сжатой зоны.

7. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что центрально-растянутый вантовый и центрально-сжатый арочный элементы, центрально-сжатые стойки и/или центрально-растянутые подвески выполнены из круглых труб, а верхний внецентренно-сжатый, нижний внецентренно-растянутый пояса и сжатые опорные стойки из прямоугольных труб.

8. Ферма по п.1, отличающаяся тем, что узел полигональности выполнен из круглого ядра, полигональных отрезков элементов, поясов и стоек и/или подвесок, жестко примыкающих фигурно обработанными торцами к наружной цилиндрической поверхности ядра по осям геометрической схемы фермы; при этом ядро выполнено из отрезка трубы длиной, несколько превышающей диаметр примыкающих полигональных элементов, и внутри содержит диафрагму жесткости в виде круга, ортогонально размещенную в плоскости, проходящей через середину длины отрезка ядра, и жестко соединенные по контуру с его внутренней поверхностью.