КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

УДК 69.035.4:711.7

Людмила Митрофановна ШОХИНА,главный инженер проекта

УП "Минскпроект"

Тимофей Максимович ПЕЦОЛЬД,доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель наукиРеспублики Беларусь,

научный руководитель проекта,заведующий кафедрой

Белорусского национальноготехнического университета

Дмитрий Николаевич ЛАЗОВСКИЙ,доктор технических наук, профессор,

конструктор проекта,ректор Полоцкого государственного

университета

Анатолий Иванович ПОПОВ,главный конструктор проекта,

ЗАО "Белпроектстальконструщия"

Владимир Анатольевич ПОТЕРЩУК,главный конструктор проекта,

главный конструкторУП "Институт НИПТИС"

Иван Васильевич СМЕХ,кандидат технических наук,

доцент кафедры"Железобетонные и каменные

конструкции"Белорусского национального

технического университета

STRUCTURAL-TECHNOLOGICAL DETAILS

OF ERECTING HIGH-RISEBOOK STORAGE OF THE

NATIONAL LIBRARY OF THEREPUBLIC OF BELARUS

ВВЕДЕНИЕ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕОСОБЕННОСТИВОЗВЕДЕНИЯВЫСОТНОГО ЗДАНИЯКНИГОХРАНИЛИЩАНАЦИОНАЛЬНОЙБИБЛИОТЕКИБЕЛАРУСИ

Рассмотрен один из самых сложных разделов проекта Национальной библиотеки Беларуси — возве-дение многоэтажного здания книгохранилища. Приведены результаты поиска и принятого проектно-го решения технологии возведения здания сложной геометрической формы, исследования работы кон-струкции при раскружаливании.

The most complex part of the Belarusian National Library project — erection of a high-rise book storage hasbeen considered. The results of search and acceptance of the technological approach to construction of thebuilding of an intricate geometric shape are given and the analysis of the construction behavior at striking ispresented.

Здание Национальной библиотеки Беларуси состоитиз двух основных объемов: 2—4-этажного круглого вплане стилобата и 23-этажного здания книгохранили-ща, которые технологически и функционально соедине-ны между собой*.

Многоэтажное здание книгохранилища запроектиро-вано и построено как пространственная каркасная кон-структивная система из монолитного железобетона свыполнением отдельных элементов из сталежелезобе-тонных конструкций. Подробное описание архитектур-но-конструктивной схемы здания Национальной биб-лиотеки приведено в статье [1].

ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАНТА КОНСТРУКТИВНОЙСХЕМЫ ЗДАНИЯ

В предлагаемой сегодня статье нами рассмотрены прин-ципиальные конструктивное и технологическое решенияздания книгохранилища, которое имеет сложную геомет-рическую форму в виде ромбокубооктаэдра (рисунок 1).

Как отмечалось ранее, принятая конструктивная схе-ма здания книгохранилища и фундамента была выбранав результате научного и проектного анализа ряда воз-можных вариантов строительства [ 1 , 3, 5].

Но во всех возможных вариантах строительства кни-гохранилища во главу угла было поставлено главное ус-ловие — это сохранение оригинальной архитектуры"кристалла", который имеет в нижней части сравнитель-но малую площадку опирания — 24x24 м и максималь-ный вылет консольной части —18 м (максимальная ши-рина в плане восьмиугольника — 60 м) (рисунок 2).

Принятая конструктивная схема здания книгохрани-лища имеет общую высоту 88,6 м и запроектирована какпространственная каркасная система, работающая со-вместно с фундаментом, на который опирается ядрожесткости и колонны, поддерживающие платформу24x24 м, на которой монтируются конструкции ромбоку-бооктаэдра (см. рисунок 2).

Ядро жесткости по всей высоте здания состоит издвух объемов: цилиндра диаметром Э м и восьмиуголь-ника размером 15 м с толщиной монолитных железобе-тонных стен 400 мм (рисунок 3).

* Архитекторы В.В Крамаренко и М.К. Виноградов.

СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА

BUILDING STRUCTURES

Рисунок 1. Общий вид здания Национальной библиотеки после облицовки спайдерным стеклом

5

1 - книгохранилище; 2 - стилобат; 3 - лестнично-лифтовая башня; 4 - коробчатый фундамент; 5 - переходные галереи;6 - опорное кольцо; 7 - поддерживающая система опор кружал; 8 - балки покрытия атриума;

9 - наклонная сталежелезобетонная балка; 10 - обвязочная железобетонная балка; 11 - трубобетонная колонна

Рисунок 2. Продольный разрез здания по оси 5

C O N S T R U C T I O N S C I E N C E Е E N G I N E E R I N G

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИИ

Рисунок 3. Система кружал, монтаж опалубки ядра и диафрагм жесткости на отметке 24,6 м

В образовавшемся пространстве между цилиндром имногоугольником ядра жесткости расположена лест-ничная клетка, лифт и все технологическое оборудова-ние для жизнеобеспечения библиотеки.

Пространственная жесткость каркаса здания обеспе-чивается монолитными железобетонными диафрагма-ми жесткости:

— четыре диафрагмы жесткости имеют высоту 60 м ирасположены под углом 90° ;

— дополнительные четыре диафрагмы жесткостисмонтированы в нижней наклонной части каркаса с от-метки 12,6 до 30,6 м (см. рисунок 3);

— дополнительные четыре диафрагмы жесткостисмонтированы в верхней наклонной части каркаса с от-метки 66,6 до 72,6 м.

Устройство дополнительных диафрагм жесткости наверхних этажах связано с необходимостью уменьшениядеформативности монолитных железобетонных кон-струкций каркаса на внешнем контуре здания до норма-тивных значений в связи с последующей облицовкойздания книгохранилища стеклом. В проекте было рас-смотрено два возможных конструктивных решения об-лицовки здания стеклом — это так называемые структу-риальное и спайдерное остекления. Последнее сегодняи реализовано (см. рисунок 1).

Таким образом, была принята окончательная конструк-тивная схема здания. Это монолитный железобетонныйпространственный каркас с дисками перекрытий, которыеимеют разные размеры в плане и опираются на колонны сячейкой 6x6 м и ромбическую часть ядра жесткости.

После введения в конструктивную схему дополни-тельно 4-х верхних диафрагм жесткости расчетная схе-ма пространственного каркаса изменилась. Колонны,

начиная с отметки 54,6 до 72,6 м, стали восприниматьрастягивающие усилия разной величины, а до отметки54,6 м колонны работают как в обычном каркасе, вос-принимая сжимающие усилия. Такое напряженно-де-формированное состояние конструкции верхних этажейздания потребовало решения целого ряда сложных кон-структорских вопросов [1]*.

РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА ОТДЕЛЬНЫХЧАСТЕЙ ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Одним из самых сложных конструктивных вопросовпроекта строительства книгохранилища явилась разра-ботка технологии монтажа наклонной части каркаса("отрицательный наклон") ромбокубооктаэдра, распо-ложенного на отметках 12,6—30,6 м (см. рисунок 2).

Эта часть общей конструктивной схемы здания являет-ся опорной зоной книгохранилища, т. е. своеобразнымвторым фундаментом. Практически вся вертикальная на-грузка от вышележащих 20 этажей здания сосредотачи-вается в уровне отметки 12,6 м, где предусмотрена опор-ная железобетонная балка на контуре 24x24 м, на кото-рую опираются наклонные сталежелезобетонные балкивнешнего контура здания. Балка опирается на 16 трубо-бетонных колонн нижних этажей, которые, в свою оче-редь, передают нагрузку на железобетонные стены фун-дамента на отметке 0,00. Обвязочная железобетоннаябалка соединена с ядром жесткости диском перекрытия,толщина которого составляет 300 мм (см. рисунок 2).

Самым простым вариантом была бы установка по всемупериметру нижней части каркаса на отрицательном уклонес отметки 12,6 до отметки 30,6 м наклонной опалубки с си-

* Вторая часть статьи будет посвящена поиску, расчетам и конструированию каркаса верхней части здания книгохранилища.

СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА

BUILDING STRUCTURES

Рисунок 4. Опорное кольцо после замоноличивания и системаподдерживающих опор

стемой стоек и кружал. Стойки системы кружал должныбыли бы опираться на диск перекрытия с отметки 0,00. Учи-тывая недостаточную несущую способность диска перекры-тия, в работу должно было быть включено и перекрытие ни-жележащего этажа, расположенное на отметке минус 5,6 м.И хотя это предложение технически могло быть реализовано,но оно имело и серьезные недостатки, главные из которых:

— в помещениях, начиная с отметки минус 5,6 м, располо-женных в зоне атриума, до окончания возведения каркасаздания нельзя было вести общестроительные и отделочныеработы, что значительно удлинило бы срок строительства;

— отсутствие полной гарантии получения минимальныхперемещений узлов каркаса здания на отметке 30,6 м, пос-ле которой начиналась вертикальная часть каркаса;

— большая стоимость опалубочной оснастки со специ-альными опорами, которая оценивалась более чем в3 млн. евро и проблема дальнейшего использования этойоснастки.

Рассматривались и другие предложения по возведе-нию наклонной части каркаса такие, как поэтажное бе-тонирование с устройством специальных тяжей в уров-не дисков перекрытия и четырех диафрагм жесткости,удерживающих распор, или опережающее возведениеядра жесткости и поддержка наклонных элементов кар-каса специальными арматурными тяжами под углом,

1 - наружная ветвь опоры; 2 - внутренняя ветвь опоры;3 - связи; 4 - песчаный домкрат; 5 - опорное кольцо;

6 - наклонная балка атриума; 7 - железобетонные пояса жесткости;8 - распорка; 9 - колонна обвязки каркаса;

10 - колонны каркаса; 11 - сталежелезобетонная балка;12 - трубобетонная колонна; 13 - обвязочная железобетонная балка;

14 - диск перекрытия

Рисунок 5. Поддерживающие опоры системы кружал(см. рисунок 11, разрез 1 - 1 )

прикрепленными к стенам ядра жесткости. Все они вдальнейшем не рассматривались, т. к. удлиняли срокстроительства и нарушали архитектурно-технологичес-кую схему здания книгохранилища.

Как отмечалось ранее [1] в архитектурно-конструктив-ной схеме здания входная группа (атриум) расположенанепосредственно в зоне каркаса, начиная с отметки 0,00и до отметки 12,6 м. Покрытие атриума выполнено изстекла и его несущими элементами должны были бытьнаклонные балки, расположенные равномерно по всемупериметру нижних наклонных плоскостей ромбокубоок-таэдра (см. рисунок 2, поз. 8).

Кроме этого, в проекте предусмотрено устройство повсему периметру фундамента монолитной железобетон-ной стены толщиной 400 мм со световыми проемами и ко-лоннами, на которые должны опираться наклонные балкипокрытия атриума (рисунок 5, поз. 6 и рисунок 8). Стенавыполняет функцию противопожарной защиты междукнигохранилищем и стилобатом (см. рисунок 2, поз. 11).

Компьютерное моделирование показало, что наклонныебалки при действии эксплуатационной нагрузки будут вос-принимать усилия, достигающие 3560 кН. Такое усилие немогло быть передано непосредственно на колонны и моно-литную железобетонную стену на отметке 12,6 м без уст-ройства специального замкнутого пояса жесткости.

I

C O N S T R U C T I O N S C I E N C E & E N G I N E E R I N G Г2006

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

1 - арматура 10040 мм класса S500;2 - наклонная пространственная металлическая балка

Рисунок 6. Сечение 1-1 (см. рисунок 5):а - сталежелезобетонной наклонной балки, расположенной в угловых зонах каркаса;

б - сталежелезобетонной наклонной балки, расположенной на прямых участках

Рисунок 7. Узел сопряжения наклонной сталежелезобетонной балки с обвязочной железобетонной балкой и опорным кольцом

СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА

^ B U I L D I N G STRUCTURES

Д1 —Д28 — песчаные домкраты; 1 — опорное кольцо; 2 — ядро жесткости;3 — трубобетонные колонны; 4 — диафрагма жесткости

Рисунок 8. Схема расстановки песчаных домкратов наопорном кольце на отметке 12,6м

Необходимость устройства такого пояса жесткостинатолкнула на мысль запроектировать его в виде метал-лического замкнутого опорного кольца с последующимобетонированием, опирающегося на железобетонныеколонны и монолитную кольцевую стену на отметке12,6 м (в дальнейшем отметка верха кольцевого поясабыла уточнена и составила 11,4 м (см. рисунок 2)).

После появления в проекте кольцевого опорногопояса стало ясно, что необходимость устройства под-держивающей кружально-стоечной системы с пере-дачей усилий на диски перекрытия, расположенныена отметке 0,00, может быть заменена устройствомсистемы поддерживающих опор, которые непосред-ственно в период строительства воспринимают на-грузку от колонн каркаса здания на отметках 24,6 и30,6 м и передают ее через опорное кольцо на колон-ны и железобетонную стену и далее на внешний пери-метр фундамента книгохранилища (рисунки 2 и 4).

Как показало проектирование и строительство, такое ре-шение возведения нижней наклонной части пространствен-ного каркаса здания книгохранилища оказалось достаточнопростым, четким в работе и позволило сэкономить большиесредства не увеличивая сроки строительства.

Раскружаливание ветвей опорной системы послезавершения возведения каркаса здания могло бытьосуществлено при помощи гидравлических и песча-ных домкратов. Наиболее успешным оказался вари-ант с применением песчаных домкратов.

Рисунок 9. Фрагмент опорного кольца (см. рисунок 8, узел А)

C O N S T R U C T I O N S C I E N C E a E N G I N E E R I N G

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

1 — наружная ветвь опоры; 2 — внутрення ветвь опоры;3 — песчаный домкрат; 4 — набетонка; 5 — наклонная балка атриума

6 — опорное кольцо; 7 — трубобетонная колоннаРисунок 10. Узел А (см. рисунок 5)

30.600

Наклонные сталежелезобетонные балки внешнегоконтура каркаса были запроектированы на двухстадий-ную схему работы (рисунки 5 и 6):

— для восприятия нагрузки от подвесной опалубки, све-жеуложенного бетона и технологического оборудования;

— как сталежелезобетонные несущие конструкции всоставе пространственного каркаса здания, восприни-мающие эксплуатационную нагрузку [1,2] .

Стеновое ограждение здания предполагалось выпол-нить из облегченных трехслойных навесных панелей ти-па "сэндвич". Однако, уже в процессе возведения зда-ния книгохранилища, из-за отсутствия в республикемассового производства панелей типа "сэндвич" при-шлось перейти на стеновое ограждение из ячеистобе-тонных блоков с наружным утеплением термошубой иоблицовкой алюминиевыми панелями.

В процессе проектирования наклонной части с отмет-ки 12,6 и до 30,6 м специалисты Министерства по чрез-вычайным ситуациям потребовали выполнить сплош-ную железобетонную наклонную оболочку толщиной200 мм по всему периметру нижней части каркаса с от-метки 12,6 м до 21,6 м в связи с необходимостью защи-ты книгохранилища от возможного возникновения по-жара в атриуме здания (см. рисунок 4).

Появление в конструктивной схеме такого простран-ственного элемента в виде сплошной контурной оболочкиизменило работу наклонных сталежелезобетонных балок,существенно повысив общую пространственную жест-кость нижней части ромбокубооктаэдра. Было приняторешение контурную оболочку бетонировать в несъемнойопалубке из профнастила одновременно с поэтапным бе-тонированием всех элементов каркаса [2].

В окончательной расчетной схеме каркаса здания, какотмечалось ранее, в связи с необходимостью обеспече-ния нормативной жесткости колонны внешнего контуракаркаса запроектированы сечением 300x400 мм с ша-гом 3 м. Наклонные сталежелезобетонные балки (рису-нок 7), являясь также единым целым поддерживающейкружальной системы опор, при возведении каркаса мон-

Наружные ветви опор

1 — наружные ветви; 2 — внутренние ветви; 3 — опорное кольцо; 4 — набетонка под песчаными домкратами; 5 — песчаные домкраты; 6 — колонныРисунок 11. Развертка ветвей опор и связей системы кружал

12006 СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА

BUILDING STRUCTURES

'̂'"•V.V#/.*'..':----'4"'i>»5

1 — отверстие для выпуска песка;2 — песок; 3 — ребро жесткости;

4 — стяжные болты; 5 — герметик (силикон 300N);6 — монтажная пена

Рисунок 12. Разрез песчаного домкрата

Рисунок 13. Испытание песчаного домкратав лаборатории БИТУ

Рисунок 14. Общий вид смонтированного песчаного домкрата иподдерживающих опор

тировались с шагом 6 м, а дополнительные сталежеле-зобетонные наклонные балки монтировались в проме-жутке между балками кружальных опор с шагом 3 м. Этибалки поддерживались горизонтальными металлически-ми балками, которые монтировались в уровне дисковперекрытия на отметках 15,6; 18,6 м и т. д. и опиралисьна наклонные сталежелезобетонные балки каркаса, ус-тановленные с шагом 6 м, которые являются одновре-менно и системой поддерживающих опор для монтажакаркаеа здания (рисунок 5, поз.11 и рисунки 6, 15в).

После окончательного конструктивного определенияпространственного каркаса здания книгохранилищабыло выполнено повторное компьютерное моделирова-ние, расчет сечений и армирования железобетонных исталежелезобетонных конструкций, определены усилияв опорах поддерживающей кружальной системы в ста-лежелезобетонном опорном кольце и колоннах, дефор-мации элементов и узлов.

С целью уменьшения поперечных деформаций опор-ное кольцо было запроектировано в виде ломаного мно-гоугольника, состоящего из отдельных элементов, впи-

санных в окружность с радиусом 27,65 м (рисунки 8 и 9),а в узлах перелома пояса прикладывались усилия распо-ра, достигающие 15 000 кН, создаваемого нагрузкой, пе-редаваемой от наклонных металлических балок покры-тия атриума, расположенных на отметках 12,6—18,6 м иузлов опирания ветвей системы кружал, которые монти-ровались на песчаных домкратах (рисунки 10 и 11).

Введение в расчетную схему опорного кольца с на-клонными металлическими балками атриума повысилопространственную жесткость каркаса здания книгохра-нилища, особенно при действии ветровых и динамичес-ких нагрузок, обеспечило более равномерную передачунагрузки на нижнюю плиту пространственного фунда-мента. Не менее важно и то, что введение в расчетнуюсхему опорного кольца позволило не нарушить архитек-турную идею атриума, соединив в единое целое стило-бат и многоэтажное здание книгохранилища.

Расчеты показали, что на отметке 30,6 м в зоне уста-новки поддерживающих опор системы кружал усилиераспора при действии эксплуатационной нагрузки моглодостигать 20 000 кН. Поэтому было проанализировано

C O N S T R U C T I O N S C I E N C E & E N G I N E E R I N G

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ;

несколько конструктивных вариантов,которые позволили бы свести до мини-мума перемещения узлов внешнего кон-тура наклонной части каркаса на отмет-ках 12,6—30,6 м.

Это вариант с использованием пред-варительно напряженных затяжек вуровнях дисков перекрытий с располо-жением арматуры в специальных кана-лах и ее натяжением на бетон с после-дующим инъецированием.

Как отмечалось ранее, на стадии по-иска конструктивного решения этойсложной инженерной задачи рассмат-ривались и другие предложения [ 1 , 5].

Заслуживает особого внимания пред-ложение Брестского государственноготехнического университета по исполь-зованию самонапрягающего бетона длябетонирования дисков перекрытия сцелью включения предварительно на-пряженной арматуры в восприятие уси-лий распора. При этом предлагалосьиспользовать высокопрочную арматурукласса S800. Это конструктивное реше-ние позволило бы существенно умень-шить расход арматуры, в том числе и вдиафрагмах жесткости, но не было при-нято, т. к. ранее в таком объеме подоб-ные конструкции не применялись и нуж-но было провести дополнительные ис-следования, а календарный графикстроительства не позволял этого сде-лать*.

Как отмечалось ранее, для включения вработу несущих конструкций простран-ственного каркаса здания необходимобыло после завершения бетонированияконструкции на отметке 72,6 м осущест-вить плановое снятие нагрузки со всехподдерживающих опор. Для этой целибыло предложено использовать 28 песча-ных домкратов. В нашем случае — как на-иболее технически простой и дешевый ва-риант, тем паче, что авторы проекта имелиопыт возведения сборно-монолитнойоболочки Комаровского рынка, где быливпервые в республике стройтрестом № 7использованы для раскружаливания под-держивающих опор из центрифугирован-ных стоек песчаные домкраты. В нашемслучае задача была гораздо более слож-ной, т. к. нагрузка, передаваемая на песча-ный домкрат, составляла более 5000 кН, апри строительстве Комаровского рынкатолько 600 кН.

Был изготовлен опытный образец пе-счаного домкрата и проведены его ла-бораторные испытания в БИТУ (рисунок13)**, которые позволили скорректиро-

в —

Р и с у н о к 1 5 :а — м о н т а ж первого э л е м е н т а с и с т е м ы к р у ж а л ;б — м о н т а ж второго э л е м е н т а с и с т е м ы к р у ж а л ;

полностью смонтированные п о д д е р ж и в а ю щ и е опоры с и с т е м ы к р у ж а л

* Предложение по применению самонапрягающегго бетона было разработано под руководствомд.т.н., профессора Тура В.В., проректора Брестско-го государственного технического университета.

** Исследования песчаного домкрата и раскружа-ливание конструкции каркаса проводились с учас-тием лаборатории БНТУ — к.т.н. Минченя Т.П. ист.н.с. Баранчик В.Г.

BUILDING STRUCTURES

1 — сталежелезобетонная балка;2 — колонна каркаса;

3 — распорка;4 — железобетонная обвязочная балка;

5 — трубобетонная колонна;6 — ванная сварка арматуры;

7— арматура 036 мм класса S500Рисунок 16. Узел сопряжения сталежелезобетонных

наклонных балок с железобетоннойобвязочной балкой(см. рисунок 5, узел Б)

вать рабочие чертежи, отработать методику засыпкипеска, его герметизацию и выпуск при раскружаливаниичерез специальные отверстия (рисунки 12 и 14).

В домкраты засыпался специально подготовленный ипрокаленный до 800 °С песок. Далее в прессе производи-лось циклическое нагружение домкратов до 5000 кН с по-следующей его разгрузкой до 500 кН. В течение 10-15циклов, когда остаточные деформации песка составляли0,2-0,5 мм, при нагрузке, равной 5000 кН, производиласьзатяжка специальных стяжных болтов. После этого зазо-ры между наружной стенкой и цилиндром домкрата гер-метизировались и в "заряженном" состоянии домкратмонтировался на опорное кольцо (см. рисунок12). В течение всего периода строительства,т. е. с отметки 12,6 до 72,6 м за перемещениямипоршня домкрата велось систематическое на-блюдение и перед раскружапиванием, в январе2005 г., дополнительные перемещения поршня(по мере возрастания нагрузки до 5000—5200 кН) составили приблизительно 1 мм. Об-жатие песка происходило равномерно во всехдомкратах и контролировалось путем измере-ния зазора А в четырех диаметрально противо-положных точках (см. рисунки 12 и 14).

В отдельных домкратах, где герметизация пес-ка была выполнена некачественно, во внутрен-нюю полость проникла атмосферная влага и прираскружаливании при отрицательных температу-рах от минус 5 °С до минус 10 °С мокрый песокпревратился в ледяной массив, который при-шлось разогревать газовыми горелками (техно-логия раскружаливания будет изложена ниже).

СМУ-77 и ЗАО "Белпроектстальконструкция" разрабо-тали оригинальный проект производства работ по мон-тажу поддерживающей системы опор с песчаными дом-кратами с учетом непрерывного поэтажного бетониро-вания каркаса здания*.

Вся поддерживающая система опор была разбита надва укрупненных монтажных элемента (рисунки 15а, б, в).Нижний элемент включал часть наклонной сталежелезо-бетонной балки каркаса до отметки 21,6 м с прикреплен-ной к ней наклонной металлической балкой атриума(см. рисунки 5 и 15а).

После установки первого монтажного элемента, свар-ки и закрепления на болтах всех узлов и связей начинал-ся монтаж поддерживающих V-образных опор, соеди-ненных со второй частью наклонной сталежелезобетон-ной балки каркаса здания (второй укрупненный монтаж-ный элемент) (см. рисунки 5 и 156).

После завершения монтажа поддерживающих опорсистемы кружал были установлены дополнительные на-клонные сталежелезобетонные балки каркаса. Такимобразом, как отмечалось ранее, шаг наклонных стале-железобетонных балок, расположенных по периметру,составил 3 м (см. рисунок 15в).

Очень сложными в исполнении оказались узлы сопря-жения наклонных сталежелезобетонных балок каркаса смонолитной обвязочной балкой на отметке 12,6 м (рису-нок 16). Стыки выпусков арматуры 10040 мм с рабочейарматурой наклонных балок осуществлялись на ваннойсварке (см. рисунки 6, 7, 16).

Монтаж конструкции нижнего наклонного уровня кар-каса и поддерживающей системы опор с домкратамибыл осуществлен с точностью, соответствующей требо-ваниям норм на допуски при монтаже стальных и желе-зобетонных конструкций [4].

Сталежелезобетонные наклонные балки на стадии строи-тельства и эксплуатации здания книгохранилища воспри-нимают нагрузку от собственного веса монолитных железо-бетонных конструкций, в том числе бетонируемых в подвес-ной опалубке.

На каждом уровне перекрытия с отметки 15,6 до 30,6 мсталежелезобетонные балки соединены с монолитными же-лезобетонными дисками с помощью специальных заклад-ных деталей и арматурных выпусков. Кроме этого, наклон-ные балки составляют единое целое с восемью диафрагма-

* СМУ-77, инж. Милюша А.К и Гамболевский В.В.

2 —Р и с у н о к

1 — опоры, поддерживающие колонны каркаса здания;опоры, установленные под диафрагмами жесткости (оси 5 и П)17. Средние значения роста сжимающих усилий в опорах

кружал по мере возведения здания книгохранилища

C O N S T R U C T I O N S C I E N C E f i E N G I N E E R I N G

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

этап раскружалнвания

Этапы раскружаливания

Рисунок 18. Рост сжимающих усилий в наклонных балках атриума при раскружаливании

числе позволяющее сокра-тить сроки строительства.

Компьютерные расчетысодержат большой объеминформации, поэтому, из-закраткости статьи, мы оста-новимся только на основныхрезультатах [5, 6]. Первое —это определение усилий вподдерживающей системеопор наружных и внутреннихветвей (см. рисунки 5 и 11).Расчеты показали, что помере строительства нагруз-ка, воспринимаемая опора-ми, возрастает равномернодо отметки 54,6 м каркасаздания (рисунок 17).

После отметки 54,6 м, из-заверхнего "положительного"наклона каркаса, уменьшает-ся нагрузка, воспринимаемаяопорами, и идет ее перерас-пределение на средние ко-лонны каркаса. Кроме этого,нижележащие несущие кон-струкции включаются в рабо-ту, частично снимая часть на-грузки с поддерживающихопор (см. рисунок 17).

В поддерживающих опорах, которые установлены подвертикальными диафрагмами жесткости, по осям П и 5сжимающие усилия возрастают равномерно. Здесь четкопрослеживается совместная работа железобетонных вер-тикальных диафрагм жесткости с поддерживающими опо-рами кружал, начиная с отметки 30,6 м (см. рисунок 17).

Совместная работа диафрагм жесткости с поддержи-вающими опорами также четко прослеживается и на ра-боте металлических наклонных балок атриума, располо-женных на отметках 12,6—18,6 м.

Перед началом раскружаливания сжимающие усилия вбалках, которые поддерживают диафрагмы жесткости наотметке 18,6 м, составили 600 кН, а в рядом расположен-ных — 1100 кН (рисунок 18). В наклонных балках, которыевоспринимают нагрузку от колонн каркаса здания на от-метке 18,6 м, сжимающие усилия перед раскружалива-нием составляли 1800—2100 кН, а при действии эксплуа-

1 — график роста перемещений узлов каркаса здания при раскружаливании,начиная с опор, поддерживающих диафрагмы жесткости, расположенные по осям П и 5;2 — то же, начиная с опор кружал, поддерживающих колонны на отметках 21,6 и 30,6 м

Рисунок 19. Максимальные вертикальные перемещения узлов расчетной схемыкаркаса здания на отметке 54,6 м при поэтапном раскружаливании

ми жесткости (четыре короткие с отметки 12,6 до 30,6 м) иподдерживаются наклонной железобетонной противопо-жарной оболочкой, включенной в работу каркаса, располо-женной по периметру наклонной части ромбокубооктаэд-ра, и замкнутыми обвязочными балками, расположеннымив уровне каждого диска перекрытия до отметки 69,6 м.

Кроме того, для уменьшения деформативности наклон-ной части каркаса в каждой диафрагме жесткости на уров-не дисков перекрытия устанавливалось по два стержня040 мм из арматуры класса S500 под углом 90° к наклон-ным балкам. Эти своего рода тяжи соединялись с наклон-ными балками и внешней железобетонной ромбическойстеной ядра жесткости каркаса здания.

Как отмечалось ранее, все технологические переделывозможных конструктивных схем поддерживающей систе-мы кружал были тщательно проанализированы на компью-тере и только после этого было принято к разработке на-иболее оптимальное по всем параметрам решение, в том

СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА

BUILDING STRUCTURES

тационной нагрузки достигают 3560 кН (см. рисунок 18).Самой сложной технической операцией оказалась

подготовка и непосредственно разгрузка поддержива-ющих опор кружал с равномерным включением в работуконструкций пространственного каркаса.

В момент окончания бетонирования каркаса здания наотметке 72,6 м поддерживающие опоры (или все песча-ные домкраты) воспринимали общую нагрузку, приблизи-тельно равную 140 000 кН; и главная задача заключалась втом, чтобы при раскружаливании все несущие конструк-ции пространственного каркаса здания включились в ра-боту в соответствии с расчетной схемой без возникнове-ния в узлах железобетонных конструкций концентраций

Этапы раскружаливания

М7 - колонна, расположенная в осях— - расчетные усилия в колонне— - фактические средние значения сжимающих усилий

в колоннах при раскружаливании

Рисунок 20. Графики роста сжимающих усилий в трубобетонных колоннахI этажа в процессе раскружаливания и эксплуатации зданиякнигохранилища

Таблица 1

напряжений, трещин с равномерным перемещением(осадкой) всех узлов по периметру каркаса здания.

Система раскружаливания была разработана нами с уче-том положительной температуры наружного воздуха, т. е.на сентябрь 2004 г. Однако сроки строительства были сме-щены и бетонирование диска покрытия на отметке 72,6 мбыло произведено в январе 2005 г. уже при отрицательнойтемпературе. Таким образом, раскружаливание необходи-мо было выполнить в феврале 2005 г. при отрицательнойтемпературе наружного воздуха.

Было проведено компьютерное моделирование рабо-ты конструкции пространственного каркаса здания и си-стемы поддерживающих опор при температуре наруж-

ного воздуха минус 10 °С, что позво-лило внести коррективы в методикураскружаливания. Больше всего отри-цательная температура влияла на ра-боту металлических поддерживающихопор, что было учтено при контроле поприборам фактических относительныхдеформаций и перемещений при сня-тии нагрузки с опор.

Было изучено несколько возможныхсхем последовательности разгрузкиподдерживающих опор. Анализ резуль-татов компьютерных расчетов показал,что наиболее оптимальной, в условияхотрицательных температур наружноговоздуха является приведенная в таблице1 схема последовательности поэтапнойразгрузки песчаных домкратов.

Процесс раскружаливания был раз-делен на три основных этапа и семьподэтапов (см. схему расстановки пе-счаных домкратов на рисунке 8).

Для сравнения приведен график мак-симальных вертикальных перемещенийузлов расчетной схемы каркаса здания,расположенных на отметке 54,6 м, припоэтапном раскружаливании, из которо-го следует, что если начало раскружали-вания производить с выключения из ра-боты опор, поддерживающих диафраг-мы жесткости, то после второго этапанаблюдается резкий рост перемещений,что могло бы привести даже к потере ус-тойчивости отдельных опор, поддержи-вающих колонны каркаса здания (рису-нок 19). При начале раскружаливания,когда последними разгружаются опоры,поддерживающие диафрагмы жесткое-

Этапы

I

II

III

Подэтапы

а

б

в

г

а

б

а

Номера домкратов

3

10

7

2

11

4

1

6

13

9

28

12

5

15

17

24

21

14

25

18

8

20

27

23

16

26

19

22

1 4 C O N S T R U C T I O N S C I E N C E & E N G I N E E R I N G Г2006

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ти, а разгрузка начинается с наиболее нагруженных опоругловых зон каркаса, рост вертикальных перемещений про-исходит равномерно, без скачков (см. рисунок 19). Пра-вильность принятого решения по последовательности вы-ключения из работы поддерживающих опор была подтвер-ждено в процессе раскружаливания.

Разработанную схему измерения относительных де-формаций металлических и сталежелезобетонных кон-струкций не удалось реализовать полностью из-за пло-хих погодных условий: сильного ветра, снегопада и тем-пературы до минус 10 °С в январе-феврале 2005 г.

Однако результаты отдельных измерений показали доста-точно близкую сходимость с теоретическими расчетами.

Например, измеренный рост сжимающих усилий вкруглых трубобетонных колоннах диаметром 900 мм,расположенных в осях М-С/3-7 на отметке 0,00, хорошосовпал в процессе раскружаливания с теоретическимизначениями (рисунок 20).

Весьма близко (в диапазоне 10 %) совпали значенияперемещений Д поршня песчаного домкрата после выпу-ска песка с рассчитанными теоретическими величинами.С учетом измеренных относительных деформаций ме-таллических опор и наклонных балок атриума после пол-ного раскружаливания были определены сжимающиеусилия, воспринимаемые этими конструкциями, которыеоказались ниже теоретических значений на 15 %—20 %.

В процессе возведения пространственного каркаса кни-

гохранилища специалисты БНТУ вели постоянный конт-роль за перемещениями узлов на внешнем контуре много-этажного здания в разных точках по высоте, в том числе и впроцессе раскружаливания. Компьютерное моделирова-ние показало, что при действии монтажных и эксплуатаци-онных нагрузок наибольшие вертикальные перемещенияузлов каркаса находятся на отметке 54,6 м. По данным гео-дезических измерений после раскружаливания величинавертикальных перемещений узлов составила 2—4 мм, а го-ризонтальных перемещений — 1 мм, что достаточно близ-ко соответствует теоретическим расчетам [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования работы конструкции про-странственного каркаса здания в период его раскружали-вания показали, что разработанная и реализованная в нату-ре конструктивная система опор, поддерживающих 18-ме-тровый вылет ромбокубооктаэдра, песчаных домкратов иопорного кольца обеспечила включение в работу конструк-ции в строгом соответствии с проектным решением [6].

Не менее оригинальным конструктивным решением яви-лась разработка и реализация в натуре верхней части (вы-ше отметки 54,6 м) ромбокубооктаэдра, где колонны карка-са воспринимают растягивающие усилия разного значенияна стадии раскружаливания и при эксплуатации. Этот мате-риал будет изложен авторами в следующей статье.

ЛИТЕРАТУРА ?''

1. Виноградов М.К., Крамаренко В.В., Шохина Л.М., Пецольд Т.М., Лазовский Д.Н., ПотерщукВ.А. Архитектурно-конструктивные решения уникального здания Национальной библиотеки Бе-ларуси.Строительная наука и техника. — № 1, 2005. — С. 8—13.2. Марковский М.Ф. Теория и практика создания опалубочных систем и технологий интенсив-ного возведения зданий из монолитного железобетона. Строительная наука и техника. — № 1,2005. — С. 43—52.3. СНиП 2.03.01 -84* Бетонные и железобетонные конструкции — 80 с.4. СНиП 3.03.01-87 Несущие и ограждающие конструкции.5. Компьютерное моделирование и расчеты высотного здания фондохранилища Национальнойбиблиотеки Беларуси. Том 1—39. Научные руководители Пецольд Т.М., Лазовский Д.Н. Объект№ 98-003 ПКУП "Минскпроект". — Мн.: 2002-2004 гг.6. Научное сопровождение проектирования, строительства и наблюдения за поведением кон-струкций здания Национальной библиотеки Беларуси. Отчеты о НИР, БНТУ. Научный руководи-тель Пецольд Т.М. — Мн: 2002-2005 гг.7. Нестеренок М.С., Нестеренок В.Ф., Вексин В.Н. Методы и результаты контрольных геодези-ческих работ при строительстве высотного книгохранилища Национальной библиотеки Рес-публики Беларусь. Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. — № 3(18),2005.—С. 15—18.

СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА