Металлические предварительно напряженные балки
Обновлено: 18.05.2024
Прогиб предварительно напряженных балок
Прогибы предварительно напряженных, как и обычных железобетонных элементов при действии нормативных нагрузок, определенные с учетом (в необходимых случаях) длительного действия всей постоянной и части временной нагрузки, не должны превышать величин, указанных в действующих нормах.
Для предварительно напряженных железобетонных элементов и конструкций 3-й категории и для отдельных зон элементов и конструкций 2-й категории трещиностойкости ширина раскрытия нормальных и наклонных к оси элемента трещин должна быть не более:
а) для элементов, находящихся под давлением жидкости и работающих на центральное или внецентренное растяжение, если все сечение элемента растянуто - 0,1 мм;
б) для элементов, находящихся под давлением жидкости и работающих на изгиб и на внецентренное сжатие, а также на внецентренное растяжение, если часть сечения элемента сжата, а также для элементов, находящихся под давлением сыпучих материалов - 0,2 мм;
в) в остальных случаях - 0,3 мм.
Допускаемая ширина раскрытия трещин в железобетонных элементах, находящихся в условиях агрессивной среды, устанавливается по специальным нормативным документам для упругого тела с последующим сравнением полученных напряжений с расчетными сопротивлениями.
Прогиб предварительно напряженных балок
Приведенные результаты испытания подтвердили, что при длительном действии нагрузки прогиб предварительно напряженных балок, имеющих трещины в бетоне растянутой зоны, в зависимости от срока действия нагрузки увеличивается в 2-3 раза и более. Такое же увеличение прогиба наблюдается и в балках с ненапрягаемой арматурой. Однако абсолютная величина прироста прогиба предварительно напряженных балок существенно меньше, чем в балках с ненапрягаемой арматурой.
Таким образом, при длительном действии нагрузки предварительное напряжение оказало положительное влияние на уменьшение прогиба балок.
В рассмотренных исследованиях длительно действующей была внешняя нагрузка, от которой произошло увеличение прогиба балок и кривизны.
В тех случаях, когда основная внешняя нагрузка временная и действует непродолжительно, как, например, на подкрановых балках, пролетных строениях мостов малых пролетов и т. п., а собственный вес конструкции составляет небольшую долю от общей расчетной нагрузки, изменение прогиба и кривизны конструкции предопределяется усилием предварительного обжатия бетона. Для таких конструкций равнодействующая усилий напрягаемой арматуры является постоянно действующим фактором, вызывающим предварительное напряжение бетона. В период действия временно возникающей внешней на-грузки напряжения обжатия бетона снижаются, а после ее удаления бетон оказывается снова обжатым.
Оценка проекта
Ваша заявка принята.
Мы скоро свяжемся с Вами!
Все статьи
Ваша заявка принята. Мы скоро свяжемся с Вами.
Спасибо!
Согласие на обработку персональных данных
Металлические предварительно напряженные балки
Предварительно-напряженные балки
Для чего нужны предварительно-напряженные балки? Ответ прост: за счет их предварительного напряжения уменьшаются затраты металла на изготовление балки в среднем на 10 - 20 процентов, да и стоимость самой установки становится дешевле на 12 процентов. Добавим к этому понижение высоты строительных опор и лучшее распределение материала по длине самой балки. Результативность предварительного напряжения состоит в том, что при сборке конструкции в ней создаются напряжения, обратные по знаку напряжения от нагрузки. То есть во время эксплуатации конструкции эти напряжения будут задействованы в первую очередь, и только после того, как они достигнут лимита восприятия нагрузки, нагрузку начнет воспринимать материал. Предварительное напряжение увеличивает продолжительность упругой работы материала, из которого выполнена основная часть конструкции, и уменьшает стоимость предварительно-напряженных балок, так как высокопрочные материалы для них частично могут заменить основной материал конструкции и они дешевле конструкционной стали.
Стоимость одной тонны стали (удельная стоимость) уменьшается с повышением прочности стали.
Создание предварительного напряжения в балках
Существуют несколько методов создания предварительного напряжения в опорных брусьях. Во-первых, предварительное напряжение появляется за счет изгиба отдельных элементов в пределах их работы на упругость, в направленности, обратной их прогибу под грузом с последующим сочленением выгнутых компонентов между собой продольными швами. Когда брус освобождается от вынужденного излома, в нем остается предварительное напряжение, противоположное напряжению от нагрузки.
Что касается неразрезных балок, то их напряжение получают за счет принудительного вертикального перемещения точек их опоры. Такой способ хорош при возведении балочных мостов. Он уменьшает расчетный момент в середине расстояния между соседними опорами и увеличивает моменты на средних опорах, за счет чего материал перераспределяется по длине пролета.
В большинстве случаев предварительное напряжение осуществляется с помощью высокопрочного стягивания, которое находится вблизи растянутого пояса опорных брусьев. Если это разрезная балка, то затяжку располагают в средней части нижнего пояса, в неразрезных балках – в пролетах у нижнего пояса и в зонах верхнего пояса у промежуточных опор.
Высокопрочное стягивание делает балку наиболее устойчивой. При внешней нагрузке несущая способность опорных брусьев увеличиватеся по двум причинам. Во-первых, сначала исчерпывается предварительное напряжение, за счет этого повышается площадь упругой работы материала опорных брусьев. Во-вторых, опорные брусья с затяжкой работают как устойчивая статичная система, увеличивают напряжение в затяжке (оно складывается из предварительного натяжения и самонапряжения под грузом), уравновешиваются натугами от сжимающих напряжений в балке. Это увеличивает момент внутренних сил, уравновешивающих часть внешнего изгибающегося момента. Суммарное растягивающее усилие в затяжке позволяет изготавливать затяжку из очень прочных материалов, будь то стальные канаты или проволока.
Как проходит предварительное напряжение однопролетных балок, использующих высокопрочную затяжку? Как правило, в опорных брусьях используют несимметричный разрез с уменьшенным нижним поясом, потому что затяжка наполовину заменяет его работу. Нижний пояс выполняется из листа либо профильного металла, за счет чего улучшается сжатие пояса во время предварительного напряжения.
Затяжки скрепляют анкерными креплениями на концах в виде колодки с пробкой, стаканов, которые заполняются легкоплавким материалом, стаканов с клиньями. Затяжки размещают рядом с нижним поясом. Их легко можно пропустить через приспособления, которые приварены к поясу балки на расстоянии одного-двух метров друг от друга. В итоге создаются условия для скрепления сжатого в результате предварительного напряжения нижнего пояса для сохранения его устойчивости. Длину затяжки делают меньше длины балки и располагают ее под зонами, где разрез балки без предварительного напряжения не может воспринимать действующий в этих зонах расчетный момент от внешней нагрузки. В места анкерного соединения затяжки подаются немалые силы, которые вызывают большое напряжение в стенке и поясе балок. Дополнительно поставленные здесь ребра жесткости и специальные упорные пластины усиливают стенку опорных брусьев.
Расчет предварительно-напряженных балок
Расчет балки в самом напряженном разрезе (обычно в половине расстояния между соседними опорами) осуществляется в два этапа. Прикладываем усилие к балке X от затяжки, затем подвергаем балку сжатию вне центра, при этом напряженным оказывается ее нижний пояс. Сила напряжения X будет ограничена устойчивостью этого пояса. Когда балка будет находиться под нагрузкой, то предварительное напряжение в ней будет исчерпано, а в хорошо подобранной балке усилия в поясах и затяжке будут стремиться к своим расчетным сопротивлениям. Как узнать, что подбор сечения балки выбран верно? Это будет зависеть от возможности принимать большой изгибающийся момент при заданной площади сечения. Прогиб балки в середине пролета высчитывают, исходя из действий нормативных нагрузок и согласно инструкции по проектированию предварительно-напряженных конструкций. Отсчет прогиба начинается от хорды, соединяющей стойки балки. Также следует учитывать и обратный выгиб балки от усилий предварительного натяжения и от самонатяжения затяжки. Необходимо при этом проверить стенки предварительно-напряженных балок; в отдельных случаях – пластические изменения в самой балке. Деформации в затяжке не допускаются, а в предварительно-напряженных опорных брусьях деформации ограничены условиями обычных балок.
Предварительное напряжение балок из алюминиевых сплавов стальными затяжками дает больший результат, чем в стальных балках, из-за большего модуля упругости и меньшей цены стальной затяжки. Правда, имеется и существенный недостаток – меньшая устойчивость балки и ее усилий температур, возникающих вследствие коэффициентов линейного расширения алюминия и стали.
Предварительно напряжённый железобетон. История развития конструкции, изготовление, области применения
В настоящей книге даётся общий краткий обзор развития способов производства предварительно напряжённого железобетона и .применяемого для этого оборудования. Способы изготовления предварительно напряжённых железобетонных конструкций и деталей зависят от последовательности осуществления совместной работы бетона с арматурой после предварительного её натяжения.
Особый раздел книги посвящён некоторым способам предварительного натяжения, не получившим пока широкого распространения, а именно: предварительному напряжению, создаваемому в конструкции за счёт нагрузки от собственного веса, натяжению арматуры в результате укорочения её после нагрева и предварительному напряжению железобетонных изделий путём применения расширяющегося цемента.
Наряду с характеристикой стальной арматуры, применяемой для предварительно напряжённых конструкций, в книге описываются различные типы арматурных пучков, а также стеклянные волокна, обладающие высокой прочностью на растяжение. Очевидно, их применение получит распространение в недалёком будущем. Кроме того, приводятся примеры сооружений из предварительно напряжённого железобетона.
В книге даётся перечень немецких патентов в области предварительно напряжённого железобетона, заявленных после 1930 года.
Книга рассчитана на лиц, работающих в области производства предварительно напряжённого железобетона как сборного, заводского изготовления, так и монолитного, а также на конструкторов, рационализаторов и изобретателей. Автор стремился предоставить специалистам сводный, обобщённый материал о состоянии техники в данном вопросе. Более подробные сведения можно получить из литературы, перечень которой приведён в конце книги.
В целях освещения развития техники предварительно напряжённого железобетона были использованы издания немецкого патентного ведомства в Мюнхене. Эти материалы в значительной мере пополнены и обогащены данными, представленными в распоряжение автора инженерами и строительными организациями, занимающимися проектированием и возведением сооружений из предварительно напряжённого железобетона. Автор выражает глубокую благодарность всем, кто помог ему в работе над книгой.
Оглавление
Предисловие 4
1. Основные определения предварительно напряжённого железобетона 6
2. Краткий исторический очерк развития предварительно напряжённого железобетона 9
3. Предварительное напряжение с натяжением арматуры до затвердения бетона 18
3.1. Предварительно напряжённые строительные детали 18
3.1.1 Плиты Веттштейна 18
3.1.2. Предварительно напряжённые железобетонные детали и мачты Глезера 20
3.1.3. Предварительно напряжённые балки системы Фрейссине 21
3.1.4. Однослойные и многослойные пустотелые плиты системы Шефера 29
3.1.5. Комбинированные плиты фирмы Рем и из пемзобетона и тяжёлого бетона с предварительно напряжённой арматурой 32
3.1.6. Предварительно напряжённый железобетон без анкеров по Xойеру 33
3.2. Способы заводского производства предварительно напряжённых сборных железобетонных деталей и применяемые устройства 37
3.2.1. Напряжение стальных проволок путём растяжения их на определённую длину 37
3.2.2. Натяжение стальных проволок при помощи натяжных салазок и упоров 38
3.2.3. Натяжение стальных проволок путём скручивания или свивания 40
3.2.4. Способ натяжения с непрерывным армированием 42
3.3. Предварительно напряжённый железобетон в сочетании с керамическими блоками 43
4. Предварительное напряжение арматуры без сцепления с бетоном 47
4.1. Расположение напрягаемой арматуры вне сечения бетона 47
4.2. Напряжённые элементы, расположенные вне сечения бетона 53
4.2.1. Треугольные фермы 53
4.2.2. Железобетонные арки со стальной или железобетонной затяжкой 53
4.2.3. Несущая конструкция заданного очертания в виде балок на двух и более опорах 54
4.2.4. Защемлённая балка 57
4.2.5. Защемлённая плоская арка 58
4.2.6. Предварительно напряжённая трёхшарнирных плоская арка 60
4.2.7. Конструкция неразрезной балки, предложенной в Англии 61
4.2.8. Предварительно напряжённые, балки Бетеа 61
5. Предварительное напряжение с натяжением арматуры на затвердевший бетон 66
5.1. Немецкие способы натяжения 66
5.1.1. Анкеровка при помощи натяжных муфт и пластин, предварительно напряжённый железобетон «дивидаг» 66
5.1.2. Анкеровка клиньями и зажимами 72
5.1.2.1. Способ натяжения фирмы Поленски и Целльнер 72
5.1.2.2. Способ натяжения фирмы Филипп Гольцман 75
5.1.2.3. Крепление проволочных пучков стальной арматуры, выпускаемых металлургическим заводом Рейнгаузен 78
5.1.2.4. Способ натяжения фирмы Гельд и Франке 82
5.1.2.5. Способ натяжения фирмы Хохтиф 84
5.1.2.6. 40-тонная арматура фирмы Грюй и Бильфингер 89
5.1.3. Петлевая анкеровка 89
5.1.3.1. Способ натяжения Баур - Леонгардта 89
5.1.3.2. Способ натяжения Кани и Хорват. Предварительно напряжённая деталь из двух сопряжённых или смежных, взаимно подвижных составных элементов 98
5.1.4. Анкеровка арматуры за счёт использования сил сцепления и трения 102
5.1.4.1. Способ натяжения фирмы Бетон и Моньебау 102
5.1.4.2. Способ натяжения фирмы Грюни Бильфингер 106
5.2. Предварительно напряжённый железобетон системы Фрейссине, фирмы Вайс-Фрейтаг и Гийона 107
5.3. Бельгийские способы натяжения арматуры 113
5.3.1. Предварительно напряжённый железобетон по Маньель Блатон 113
5.3.2. Способ натяжения Франки-Смет 116
5. 4. Швейцарский способ напряжения В. В. R. V. 118
5.5. Предварительно напряжённый железобетон в Англии 121
5.5.1 Способ натяжения Ли-МакКолл 121
5.5.2. Анкеровка стальных проволок с помощью клиньев 124
5.6. Предварительно напряжённый железобетон в Швеции 125
5.7. Развитие предварительно напряжённого железобетона с натяжением арматуры на бетон в Италии 127
5.8. Предварительно напряжённый железобетон с натяжением арматуры на бетон в Советском Союзе 130
5.9. Предварительно напряжённый железобетон в Америке 132
6. Влияние сил трения при криволинейной арматуре 139
7. Особые случаи предварительного напряжения арматуры или бетона 141
7.1. Предварительное напряжение конструкций за счёт использования собственного веса 141
7.2. Натяжение арматуры путём её нагрева 146
7.3. Предварительное напряжение бетона за счёт расширяющегося цемента 147
8. Напряжённая арматура 155
8.1. Стали для напряжённого армирования 155
8.2. Армирование с применением предварительно напряжённых элементов 162
8.2.1. Гибкая предварительно напряжённая арматура по Шореру (США) 162
8.2.2. Предварительно напряжённый арматурный элемент конструкции Ленка (Германия) 164
8.2.3. Предварительно напряжённый арматурный стержень конструкции Беккера (Голландия) 167
8.2.4. Гибкая предварительно напряжённая арматура, конструкции Шало и Бет ей (Франция) 169
8.3. Арматура из стекла и нейлона 172
9. Области применения предварительно напряжённого железобетона 177
9.1. Многоэтажное строительство 177
9.2. Мостостроение 194
9.2.1. Мосты из сборных предварительно напряжённых железобетонных элементов 195
9.2.2. Мосты из монолитного предварительно напряжённого железобетона 201
9.2.3. Навесная сборка (без подмостей) мостов из предварительно напряжённого железобетона 217
9.2.4. Висячие мосты 230
9.3. Дорожное строительство 231
9.4. Гидротехническое строительство 241
9.5. Предварительно напряжённые железобетонные трубы 252
9.6. Железнодорожные шпалы 262
9.7. Сваи 272
Дополнение 276
5.1.2.6. 40-тоннын пучок напряжённой арматуры фирмы Грюн и Бильфингер 276
5.1.2.7. Способ натяжения фирмы Загер и Вёрнер 278
Приложение. Перечень немецких патентов в области предварительно напряженного железобетона, заявленных после 1930 г. 281
Литература 296
Оглавление 304
Способ изготовления предварительно напряженной двутавровой балки
Изобретение относится к области строительства, а именно к способу изготовления предварительно напряженных металлических балок. Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств балки. Способ изготовления предварительно напряженной двутавровой балки предусматривает конструкцию, которая состоит из нижней полки, стенки и верхней полки, которые соединены сварным швом. Для получения двутавровой балки с напряжением краев стенки и полок двутавра, работающих на сжатие, без изгиба изделия после предварительного напряжения, производят следующий процесс: сваренные нижнюю полку и стенку выгибают в сторону стенки, к растянутой части стенки приваривают верхнюю полку, далее нижнюю полку отделяют от конструкции, которую в свою очередь выгибают в обратную сторону, и нижнюю полку приваривают к растянутой стороне стенки. Напряжение в верхней и нижней полках и краях стенки одинаковые, балка принимает прямолинейное положение. 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления металлических строительных конструкций, а именно к изготовлению предварительно напряженных балок.
Известен способ изготовления конструкций предварительно напряженной металлической балки, которая состоит из составной балки, состоящей из верхнего пояса, стенки и нижнего пояса, к которому закреплены преднапряженные элементы - затяжки из высокопрочной стали, которые растягивают механическим или электротермическим методом (см. Е.И. Беленя «Предварительно напряженные несущие металлические конструкции», М., Стройиздат, 1975 г., стр. 119-121).
Недостатком известного способа изготовления балки является низкая эффективность напряжения, расход металла, при этом сам процесс натяжения очень сложный.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления балки двутаврового сечения с возможностью создания предварительного напряжения, изготавливаемого изгибом тавра внешней нагрузкой, приложенной к поясу тавра, до появления в крайней нижней зоне стенки напряжений, равных расчетному сопротивлению малоуглеродистой стали с последующим присоединением к предварительно изогнутому тавру недостающего пояса (см. Иодчик А.А. Диссертация на соискание уч. степ. к. т.н. ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет «Исследования напряженно-деформированного состояния стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра», г. Улан-Удэ, 2013 г., специальность 05.23.01, с. 32-40).
Недостатком известного способа изготовления металлической балки двутаврового сечения является то, что напряженное состояние стенки только с одной стороны (на сжатие, а с другой стороны, низ, на растяжение, а желательно, чтобы оба пояса имели равный знак, например, на сжатие). Балка имеет изогнутый профиль и ее крайние части опираются краями (концами балки) на опору не плоскостью, а линейно, что увеличивает нагрузку на 1 см 2 . Такую балку ввиду ее изогнутости невозможно использовать как крановую - тельфер будет буксовать при его движении на подъеме, самопроизвольно скатываться при движении под уклон.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств двутавровой балки с напряжением краев стенки и полок двутавра, работающих на сжатие, без изгиба изделия после предварительного напряжения, что дает двойное напряжение балки.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления предварительно напряженной двутавровой балки, состоящей из стенки и нижней и верхней полок, включающей выгиб стенки и нижней полки, крепление верхней полки к растянутой верхней части стенки, согласно изобретению после крепления верхней полки к стенке нижняя полка отделяется от двутавра, а верхнюю полку и стенку дополнительно выгибают в обратную сторону, после чего нижнюю полку крепят к растянутой нижней части стенки.
Таким образом, отличием способа изготовления предварительно напряженной двутавровой балки, от прототипа, является:
- дополнительный выгиб балки, что позволяет повысить ее несущую способность;
- прямолинейное положение балки, что упрощает ее использование в конструкциях.
Изобретение поясняется чертежами, где:
а) изображены полка и стенка в исходном состоянии;
б) изображены полка и стенка со сваркой в исходном состоянии в поперечном разрезе;
а) изображен выгиб конструкции в сторону стенки;
б) изображен поперечный разрез выгиба конструкции в сторону стенки;
а) изображено крепление полки к растянутой стенке;
б) изображено крепление полки к растянутой стенке в поперечном разрезе;
а) изображено, как отделяется нижняя полка;
б) изображено, как отделяется нижняя полка в поперечном разрезе;
а) изображен выгиб балки в обратную сторону;
б) изображен поперечный разрез выгиба балки в обратную сторону;
а) изображено крепление к растянутой зоне нижней полки;
б) изображено крепление к растянутой зоне нижней полки в поперечном разрезе;
а) изображена готовая предварительно напряженная балка с двойным выгибом в прямолинейном положении;
б) изображена готовая предварительно напряженная балка с двойным выгибом в прямолинейном положении в поперечном разрезе.
Конструкция предварительно напряженной металлической двутавровой балки состоит из нижней полки 1, стенки 2 и верхней полки 3, которые соединены сварным швом 4.
Процесс напряжения двутавровой балки осуществляют следующим образом: приваренные нижнюю полку 1 и стенку 2 выгибают в сторону стенки, к растянутой части стенки 2 приваривают верхнюю полку 3, далее нижнюю полку 1 отделяют от конструкции, которую в свою очередь выгибают в обратную сторону, и нижнюю полку 1 приваривают к растянутой стороне стенки 2. Напряжение в верхней и нижней полках 1, 3 и краях стенки 2 одинаковые, балка принимает прямолинейное положение. В связи с тем, что двутавровая балка имеет двойное напряжение, это позволяет резко повысить ее эксплуатационные качества. Так как средняя часть стенки 2 менее напряжена, по сравнению с ее верхней и нижней частями, это позволяет более равномерно передавать нагрузку от верхней полки 3 к нижней 1 и наоборот. Двутавровая балка равномерно ложится на опоры, так как она не изогнута (раньше она ложилась только крайними частями). Двутавровую балку можно использовать как крановую, тельфер будет равномерно двигаться по всей ее длине, а на изогнутой балке буксовать на подъеме и самопроизвольно двигаться под уклон.
В процессе напряжения в балке возникают напряжения, обратные по знаку напряжениям, которые возникают при действии эксплуатационной нагрузки. Во время работы балки эти напряжения используются в первую очередь, увеличивая таким образом упругую работу балки.
Механизмы для выгиба балки - пригрузы, анкеры и домкраты (на фиг. 1-7 не показаны).
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом (см. Иодчик А.А. Диссертация на соискание уч. степ.к. т.н. ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет «Исследования напряженно-деформированного состояния стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра», г. Улан - Удэ, 2013 г., специальность 05.23.01, с. 32-40) имеет следующие преимущества:
- повышение эксплуатационных качеств;
- равномерная передача нагрузки от верхней полки к нижней и наоборот;
- использование двутавровой балки как крановой.
Балка является основным и простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб, где подвергается действию поперечной нагрузки или внешних пар, при этом в ее сечениях возникают изгибающие моменты, т.е. внутренние моменты, плоскость действия которых перпендикулярна плоскости поперечного сечения балки.
Способ изготовления предварительно напряженной двутавровой балки, состоящей из стенки и нижней и верхней полок, включающей выгиб стенки и нижней полки, крепление верхней полки к растянутой верхней части стенки, отличающийся тем, что после крепления верхней полки к стенке нижняя полка отделяется от двутавра, а верхнюю полку и стенку дополнительно выгибают в обратную сторону, после чего нижнюю полку крепят к растянутой нижней части стенки.
стальная предварительно напряженная балка
Изобретение относится к области строительства, в частности к предварительно напряженным металлическим балкам. Техническим результатом изобретения является снижение усилия в затяжке. В стальной предварительно напряженной балке с верхним и нижним поясами, торцовыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости, затяжка расположена по верхнему поясу балки. Анкерные упоры закреплены на крайних торцевых ребрах жесткости, снабженных распорными пластинами, расположенными под анкерными упорами, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора. 3 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Стальная предварительно напряженная балка с верхним и нижним поясами, торцевыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, и расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости, отличающаяся тем, что затяжка расположена по верхнему поясу балки, анкерные упоры закреплены на крайних торцевых ребрах жесткости, снабженных распорными пластинами, расположенными под анкерными упорами, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в качестве балок покрытия и подкрановых балок при строительстве сооружений.
Известна стальная предварительно напряженная «Шпренгельная конструкция» (см. А.С. СССР № 1622552), состоящая из балки с затяжкой и раздвижной стойки шпренгеля, упертой через прокладки в верхний пояс балки и через прокладки - в затяжку. В опорных частях балки имеются поперечные распорные элементы, состоящие из верхнего и нижнего стержней, объединенных шарнирным узлом, обеспечивающим поворот стержней и при натяжении затяжки и закрепления ее концов гайками. Концы стержней упираются в упоры.
Рассмотренная конструкция имеет два основных недостатка:
величина натяжения затяжки на стадии предварительного напряжения ограничивается несущей способностью на сжатие нижнего пояса;
балка испытывает суммарное сжатие от предварительного натяжения затяжки и усилия ее самонатяжения.
Известна стальная предварительно напряженная балка из описания изобретения «Шпренгельная конструкция» (см. А.С. СССР № 1117385), которая содержит балку, затяжку шпренгеля, распорную стойку шпренгеля и жесткое распорное устройство, которое может быть выполнено в виде прочного свода из толстой пластины, передающей распорные усилия растяжения на верхнюю полку, или в виде двух стержней, соединенных под углом. Распорная стойка присоединена к вершине распорного устройства.
Данная конструкция имеет два шпренгеля, один обычного типа, состоящий из стойки и гибкой затяжки, прикрепленной к нижнему поясу балки и передающей усилие обжатия на него, и второй - из той же стойки и распорного устройства, передающего усилия растяжения на верхний пояс балки.
Однако и эта конструкция имеет недостатки:
на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвергается нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки; усилие натяжения в предварительно напряженной затяжке увеличивается после приложения внешней нагрузки.
Наиболее близка предлагаемому решению конструкция стальной предварительно напряженной балки с затяжкой по нижнему поясу внешнего изгибающего момента (см. Веденников Г.С. «Металлические конструкции». М., 1998, стр.246).
В стальной предварительно напряженной балке с верхним и нижним поясами, торцовыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости, затяжка размещена по нижнему поясу, а длина затяжки меньше длины балки и расположена только под теми участками, где само сечение балки без предварительного напряжения не может воспринять действующий в этом месте расчетный момент от внешней нагрузки.
В месте анкерного закрепления затяжки на балку передаются большие сосредоточенные силы, вызывающие значительные местные напряжения в стенке и поясе балки.
К недостаткам прототипа относится то, что на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвержен нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки; усилие натяжения в предварительно напряженной затяжке увеличивается после приложения внешней нагрузки, что требует увеличения сечения затяжки, вследствие этого увеличивается металлоемкость конструкции.
Задачей настоящего изобретения является создание стальной предварительно напряженной балки, сжатой по верхнему поясу и имеющей растяжение по нижнему поясу, чтобы нижний пояс предлагаемой балки на стадии предварительного напряжения испытывал сжатие от натяжения затяжки и растяжение от изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При этом при действии внешней поперечной нагрузки на балку нижний пояс дополнительно будет испытывать растяжение от самоослабления затяжки и сжатие от изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением, что обеспечит снижение расчетного усилия в затяжке и, как следствие, снижение сечения затяжки. Снижение сечения затяжки снижает металлоемкость конструкции в целом.
Целью изобретения является снижение металлоемкости конструкции балки.
Поставленная цель достигается тем, что в стальной предварительно напряженной балке с верхним и нижним поясами, торцовыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости равномерно по длине балки, затяжка расположена по верхнему поясу балки, анкерные упоры закреплены на крайних торцевых ребрах жесткости, снабженных распорными пластинами, расположенными под анкерными упорами, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора.
Сущность изобретения поясняется следующим.
Предлагаемая конструкция обеспечивает сжатие верхнего пояса и растяжение нижнего пояса. При действии внешней нагрузки происходит самоослабление затяжки. Эффект самоослабления затяжки эквивалентен приложению к балке дополнительного растягивающего усилия и разгружающего изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением.
На стадии предварительного напряжения верхний пояс предлагаемой балки испытывает сжатие от натяжения затяжки и изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При действии внешней поперечной нагрузки на балку к ее верхнему поясу прикладывается растягивающее усилие от самоослабления натяжения затяжки и от момента, создаваемого этим самоослаблением.
Нижний пояс предлагаемой балки на стадии предварительного напряжения испытывает сжатие от натяжения затяжки и растяжение от изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При действии внешней поперечной нагрузки на балку нижний пояс дополнительно испытывает растяжение от самоосбления затяжки и сжатие от изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением.
Подбор компоновочных параметров затяжки по верхнему поясу позволяет создать величину самоослабления затяжки от внешней нагрузки равной или меньше величины ее предварительного натяжения. В этом случае, предварительно напряженная балка испытывает после приложения внешней нагрузки действие балочного изгибающего момента и разгружающего изгибающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки. В результате, натяжение затяжки исключено, сечение балки испытывает действие только балочного момента без влияния натяжения затяжки.
На фиг.1, 2, 3 изображена заявляемая конструкция стальной предварительно напряженной балки.
Стальная предварительно напряженная балка содержит верхний пояс 1, нижний пояс 2, стенку 3, снабженную торцевыми 4 ребрами жесткости и равномерно установленными промежуточными 5 ребрами жесткости. На верхнем поясе 1 расположена затяжка 6 с концевыми анкерными креплениями 7. Затяжка 7 в виде троса расчетного диаметра свободно пропущена через направляющие 8, закрепленные на торцах ребер жесткости 5, а концевые анкерные крепления 7 закреплены в анкерных упорах 9. Для усиления жесткости анкерные упоры 9 расположены на торцевых ребрах жесткости 4 и усилены распорными пластинами 10, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора. При этом длина затяжки соответствует длине верхнего пояса.
Для подтверждения достижения поставленной цели - снижения металлоемкости предлагаемой конструкции были рассчитаны два варианта конструктивного решения стальной предварительно напряженной балки с верхним и нижним поясами.
По предлагаемому техническому решению:
- однопролетная, с шарнирными опорами, с равномерно распределенной нагрузкой, предварительно напряженная затяжкой по верхнему поясу балки;
- однопролетная, с шарнирными опорами, с равномерно распределенной нагрузкой, предварительно напряженная затяжкой по нижнему поясу балки.
Пример 1. Подобрать сечение однопролетной шарнирно опертой балки с затяжкой по верхнему поясу, с равномерно распределенной погонной расчетной нагрузкой q p =10,35 кН/м, с равномерно распределенной погонной нагрузкой для определения прогибов q н =5,55 кН/м и пролетом =12 м. Шаг балок - 3 м. Затяжку принимаем из - 200×8 мм; А з =16,0 см 2 ; Е з =2,06·10 4 кН/см 2 . Расстояние от оси затяжки до оси балки d=25 см (постоянное по всей длине балки). Усилие предварительного напряжения принимаем N пр =213 кН. Сечение балки примем I35Б1; А=49,53 см 2 ; W х =581 см 3 ; J х =10060 см 4 ; m б =38,9 кг/м; i х =14,25 см. Масса затяжки - m з =12,56 кг/м 2 . Сталь С - 375, R у =36,5 кН/см 2 . Усилие самоослабления определим методом сил:
Выражение для прогиба балки с учетом разгружающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки Х 1 , имеет следующий вид:
Величину предварительного натяжения затяжки примем:
Величина относительной разгружающей нагрузки - х 1 , возникающей при самоослаблении затяжки, зависит только от соотношения жесткостей балки и затяжки:
Прогиб балки от нормативной нагрузки, с учетом х 1 , имеет значение:
Условие жесткости выполняется.
Условие прочности балки после приложения внешней нагрузки имеет вид:
На стадии предварительного напряжения верхний пояс балки испытывает сжатие от натяжения затяжки и изгибающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки. На стадии предварительного напряжения предельное состояние балки определяется условием устойчивости:
- условная гибкость сжатого стержня
- коэффициент формы сечения
- приведенный относительный эксцентриситет
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии e =0,23;
Условие устойчивости в плоскости изгибающего момента (в вертикальной плоскости) выполняется. Устойчивость сжатого верхнего пояса балки в горизонтальной плоскости обеспечивают прогоны и слой профилированного настила, расположенного по верхним поясам балок.
Нижний пояс балки на стадии предварительного напряжения испытывает также растяжение:
Расход стали составляет - 17,15 кг/м 2 .
Пример 2. Расчет однопролетной шарнирно опертой балки с затяжкой по нижнему поясу, имеющей пролет и нагрузку аналогично примеру 2. Сечение балки и затяжки принимаем также аналогично примеру 2. Величину предварительного напряжения примем также как в предыдущем примере - N пр =200 кН Х 1 . При одинаковых компоновочных параметрах балок величина самонатяжения будет равна также - 213 кН. Условие устойчивости балки на стадии предварительного натяжения при сжатом нижнем поясе будет аналогично условию устойчивости балки в предыдущем примере при сжатом верхнем поясе. После приложения внешней нагрузки сжатие балки увеличится на величину самонатяжения:
N b =N пр +X 1 =200+213=413 кН.
В опорной части балки изгибающий момент создается только усилием затяжки. Поэтому параметры, определяющие условие устойчивости, будут иметь те же значения, что и в предыдущем примере:
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии по [4] е =0,23.
Условие устойчивости имеет вид:
Условие устойчивости выполняется.
Прогибы от нормативной нагрузки будут равны прогибам балки из предыдущего примера.
Кроме этого, в рассматриваемом примере требуются дополнительные конструктивные элементы, раскрепляющие нижний пояс в горизонтальной плоскости.
Изгибающий момент в середине пролета равен:
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии e =0,27.
Анализ напряженного состояния балки с затяжкой по нижнему поясу на стадиях предварительного напряжения и при действии внешней нагрузки показывает ее перегрузку в сравнении с балкой, напрягаемой затяжкой по верхнему поясу. Для выравнивания характеристик напряженного состояния сравниваемых типов предварительно напряженных балок в примере 2 заменим сечение балки на I35Б2, имеющее характеристики сечения: А=55,17 см 2 ; m=43,3 кг/м; J x =11550 см 4 ; W x =662,2 см 3 ; i x =14,47 см.
Определим величину самонатяжения балки:
Проверим условие устойчивости балки с новым сечением:
Определим прогиб балки от нормативной нагрузки по:
Расчетные напряжения в сравниваемых вариантах предварительно напряженных балок по своим значениям сблизились:
- в балке с затяжкой по верхнему поясу после приложения внешней нагрузки напряжения в поясах - max =±32,06 кН/см 2 ;
- в балке с затяжкой по нижнему поясу после приложения внешней нагрузки напряжение в верхнем поясе - max =-31,44 кН/см 2 .
Расход стали по 2 варианту составляет - 18,62 кг/м 2 .
Сравнение результатов расчета в рассмотренных вариантах приведем в таблице 1, в относительных величинах. Материалоемкость первого варианта - 17,15 кг/м 2 примем за 100%.
| Таблица 1 | |
| Балка предварительно напряженная затяжкой по верхнему поясу | Балка предварительно напряженная затяжкой по нижнему поясу |
| 100% | 108% |
Результаты исследования предлагаемой конструкции показывают преимущества балок с затяжками по верхнему поясу:
1) уменьшение материалоемкости;
2) уменьшение действующих усилий в затяжке;
3) характер напряженного состояния поясов балки не меняется до и после приложения внешней нагрузки;
4) уменьшение амплитуды напряжений от временной нагрузки;
5) исключение сжатия нижнего пояса балки на стадии предварительного напряжения.
Читайте также: