Вантовое покрытие здания арены воспринимает различные нагрузки от веса кровли, ходовых мостиков, медиакуба, осветительных прожекторов, всевозможного инженерного оборудования, а также снеговую нагрузку, которая является преобладающей. Поэтому информация о напряженно-деформированном состоянии (НДС) несущих элементов покрытия, к которым относятся прежде всего несущие и стабилизирующие ванты и пространственное центральное металлическое кольцо, объединяющее все ванты в единую несущую напряженную систему, необходима для постоянного ее диагностирования. Это обстоятельство легло в основу разработки системы непрерывного наблюдения, или мониторинга (СМ), за НДС покрытия, состоящей из двух подсистем, – мониторинга вант и нижнего несущего металлического кольца.

Наиболее ответственными элементами вантового покрытия являются несущие и стабилизирующие ванты, а также центральные металлические кольца, за которыми необходимо системное инструментальное наблюдение. От усилий в несущих вантах зависит прочность всего вантового покрытия, в стабилизирующих вантах – устойчивость системы и состояние кровли.

Монтаж металлических колец вантового покрытия

Металлическое пространственное кольцо диаметром 12 м в осях, высотой 7,7 м в осях и общим весом 120 т было собрано и смонтировано на временную монтажную металлическую опору (башню) высотой 29 м, расположенную в центре арены на монолитном кольцевом фундаменте в декабре 2008 г.

Исследование проведено с целью изучения на физической модели устойчивости вантовой фермы, принятой в проекте конструкции, в процессе монтажа и создания предварительного напряжения при отсутствии кольцевых связей. Рассматривается состояние, когда вантовая ферма закреплена в анкерных устройствах на опорных железобетонных и центральных металлических кольцах, опирающихся на временную монтажную башню. Предварительное напряжение вантовой фермы осуществляется в 3 этапа до опускания монтажной башни.

Основной конструктивной формой анкеров вант большепролетных висячих систем являются шарнирные устройства, состоящие из проушин и цилиндрических шарниров – цапф. Их основные преимущества – простота конструктивной формы, четкость передачи усилий от вант и отсутствие изгибающих моментов в узле сопряжения вант с опорным контуром. Однако при их расчете и конструировании необходимо учитывать ряд факторов:

В верхнем и нижнем металлических кольцах центрального барабана (рис. 1) закрепляется по 48 радиальных несущих и стабилизирующих вант. Внутренние металлические кольца из условия размещения вант имеют номинальный диаметр 12 м по оси центра тяжести поперечного сечения.

Пояса нижнего кольца приняты толщиной 50 мм и общей шириной 1120 мм, а пояса верхнего – толщиной 25 мм и общей шириной также 1120 мм. Расстояние между верхним и нижним кольцами по центрам тяжести сечений 7,7 м.

Расчет и исследование напряженно-деформированного состояния пространственного двухпоясного радиального вантового покрытия многофункционального спортивно-зрелищного комплекса “Минск-Арена” выполнены на основе метода конечных элементов в нелинейной постановке как единой пространственной нелинейно деформируемой системы. Вантовые покрытия подобного типа характеризуются повышенной деформативностью вследствие больших упругих деформаций вант, выполненных из высокопрочной стали, и кинематических перемещений, свойственных мгновенно-жестким системам и проявляющихся при изменении характера нагружения. Кроме того, ванты и другие гибкие элементы не способны работать на сжатие и изгиб и должны рассматриваться как односторонние связи. Таким образом, расчет покрытия велся с учетом геометрической и конструктивной нелинейности итерационными и шаговыми методами.

Главная особенность спортивно-зрелищной арены – современное большепролетное вантовое покрытие, впервые примененное в Беларуси.

Оно запроектировано 2-поясным и выполнено из высокопрочных канатов в виде “велосипедного колеса” диаметром 116,0 м в осях колонн. Расчетный пролет вантового покрытия в осях шарнирных опор составляет 115 м, высота в центре – 7,7 м (на опоре 3,3 м). Точка пересечения вант находится на расстоянии 6,2 м от опоры вантового покрытия. Стрела провисания несущей ванты f принята 6 м.