Стык металлических колонн разного сечения

Обновлено: 18.05.2024

Для упрощения процесса монтажа колонны должны доставляться на строительную площадку возможно большей длины. Место, в котором отдельные участки колонн соединяются друг с другом, называется монтажным стыком, а отправляемые с завода участки называются отправочными марками. Длины отправочных марок ограничены транспортными возможностями и не превышают в общем случае 20—22 м. Отрезки колонн, определяемые длиной прокатных элементов, имеют в большинстве случаев длину до 15 м; при больших длинах металлургические заводы начисляют наценку. Размеры отправочных марок очень мощных колонн часто ограничиваются грузоподъемностью используемых транспортных и монтажных механизмов.

Часто возникает необходимость устройства стыков в процессе изготовления колонн на заводе, например из-за изменения поперечного сечения или по другим причинам.

В месте стыка отрезки колонны должны иметь плоские резы, строго перпендикулярные к оси стержня. При незначительных усилиях эти резы делают пилой. При больших усилиях торцы колонн должны быть фрезерованы. По действующим нормам часть усилия в месте стыка может быть передана непосредственно через торцы. Остаток усилия передается с помощью сварки или болтов. При наличии изгибающих моментов растягивающие напряжения должны полностью восприниматься соединениями.

1 и 2. Наипростейший сварной стык — стыковыми швами (рис.1), который может быть применен и при стыковании однотипных профилей разной площади сечения (рис. 2). Если такой стык выполняется на монтаже, то для временной фиксации положения до начала сварки необходима установка вспомогательных клиньев, подкладок и т. п.

3. Соединение встык на болтах. Усилия передаются через накладки, крепящиеся болтами. При изменении поперечного сечения требуется установка прокладок (заштрихованная часть). Этот стык хотя и не требует выполнения сварки на монтаже, но из-за увеличения габарита колонны в месте стыка не всегда приемлем.

4. В колоннах наиболее часто применяют стык с торцовыми пластинами. Пластины, приваренные к торцам обеих колонн, должны плотно прилегать друг к другу. Так как торцовые пластины при сварке коробятся, то иногда требуется повторная строжка их поверхностей после сварки. Этот тип стыка также используют при выполнении заводских стыков, если поперечные сечения стыкуемых частей колонны значительно отличаются друг от друга. В этом случае пластины свариваются друг с другом.

5. Часто бывает необходимо пропустить в стыке колонн прогон. Колонны имеют приваренные торцовые пластины по типу стыка 4. Прогон укрепляется ребрами жесткости, через которые усилия с верхнего участка колонны передаются на нижний участок. Ребра жесткости должны плотно прилегать вверху и внизу и вследствие наличия допусков в прокатных профилях обязательно пригоняются. При сварных профилях такая подгонка не требуется.

Примыкание балок

обеспечивать передачу усилий; во время монтажа допускать некоторую подвижку;
быть выполнима простыми средствами, по возможности без лесов и подмостей.

1. Примыкание, обеспечивающее передачу только поперечных сил. Поперечные силы, передающиеся с балок, вызывают в колоннах только продольные силы. Примыкание можно рассматривать как шарнирное, если оно выполнено на болтах, так как болтовые соединения несколько податливы.

2. Примыкание неразрезных балок, передающих на колонны только вертикальные усилия и не передающие изгибающие моменты. Это достигается тем, что колонна имеет под балкой и над балкой шарниры

3. Очень часто колонны так гибки по сравнению с балками, что и при жестком примыкании балок к колоннам можно с достаточной точностью считать, что колонны не воспринимают изгибающего момента от балок.

4. В рамах поперечные силы и изгибающие моменты передаются с балок на колонны. Крепления балок в этом случае рассчитываются на оба усилия.

Стыки и детали колонн

Стыки колонн бывают заводские и монтажные. Заводские стыки устраиваются из-за ограниченности длины прокатных профилей (смотрите раздел Сортамент). Монтажные стыки устраиваются из-за ограниченных транспортных возможностей (9 — 13 м при перевозке на одной платформе и 19 — 27 мм при перевозке на сцепе).

Заводские стыки элементов обычно располагают вразбежку, не концентрируя их в одном месте, поскольку соединение отдельных элементов можно произвести до общей сборки стержня. Примеры сварных заводских стыков отдельных элементов колонн показаны на фигуре.

Заводские сварные стыки

Заводские сварные стыки: а — поясов сварного двутавра; б — двутавровых ветвей
сплошной колонны; в — ветви сквозной колонны на планках.

Основным условием образования прочного стыка является обеспечение передачи усилия с одного элемента на другой. При сварке встык это обеспечивается соответствующей длиной сварных швов (смотрите раздел Сварные соединения), а при стыковании накладками, кроме необходимой длины сварных швов, также и соответствующей площадью сечения накладок, которая должна быть не меньше площади сечения основных стыкуемых элементов.

Простейшим и потому наиболее рекомендуемым является прямой стык со сваркой встык. Осуществление такого стыка возможно во всех случаях, поскольку во внецентренно сжатых колоннах всегда можно найти сечение с пониженными растягивающими напряжениями.

Монтажные стыки колонн располагают в местах, удобных для монтажа конструкций. Для колонн переменного сечения таким местом является уступ на уровне опирания подкрановых балок, где меняется сечение колонны.

Стыки верхней и нижней частей одностенчатой оплошной колонны

На фигуре показаны типы стыков верхней и нижней частей одностенчатой сплошной колонны: заводского и монтажного.

Прикрепление

Прикрепление надкрановой частя колонны к сквозной подкрановой.

На фигуре показано прикрепление верхней части колонны к нижней сквозной при помощи двухстенчатой и одностенчатой траверсы.

Длина швов (l_ш на фигуре выше), необходимая для прикрепления внутреннего пояса верхней части колонны, определяется из того условия, чтобы действующие в верхней части колонны в месте прикрепления ее к нижней части момент М и продольная сила N воспринимались сварными швами, прикрепляющими пояса верхней части колонны; при этом швы, прикрепляющие стенку, обычно не учитываются.

Усилие в поясе, равное

передается через четыре шва, присоединяющих деталь 1 к стенке нижней части колонны. Деталь 1 имеет прорезь, которая позволяет насадить ее на стенку нижней части колонны (прорезь делают на 2 — 3 мм больше толщины листа). В случае монтажного стыка эту деталь делают отдельно от поясного листа, приваривая ее к нижней части колонны.

В колоннах с нижней решетчатой частью верхняя часть прикрепляется при помощи детали, называемой траверсой. Траверса работает на изгиб как балка на двух опорах и должна быть проверена на прочность; эпюра моментов в траверсе показана на фигуре. Прикрепление траверсы к ветвям колонны осуществляется сплошными швами и рассчитывается на опорную реакцию траверсы. Для обеспечения общей жесткости узла сопряжения верхней и нижней частей колонны ставятся горизонтальные диафрагмы или ребра жесткости.

Монтажный стык колонн сплошного сечения

Монтажный стык колонн сплошного сечения, передающий преимущественно сжимающие усилия, может быть осуществлен с помощью фрезерованных торцов. Такой тип стыка применен на московских высотных зданиях.

В случае передачи колонной также и момента возможен показанный на фигуре б сварной стык, не требующий фрезеровки торцов. Устройство здесь прямого сварного стыка возможно при условии обеспечения равнопрочности сварного и основного металла.

Обычно предполагается, что в колоннах, работающих преимущественно на сжатие, все же возможно появление растяжения на любом крае сечения. Поэтому в стыках требуется обеспечить восприятие условной растягивающей силы, которая обычно принимается равной 15% от расчетной нормальной сжимающей силы (конечно, если нет реальных сил растяжения, превышающих эту величину).

Опирание подкрановых балок на консоль

Опирание подкрановых балок на колонны постоянного сечения (в легких цехах) осуществляется путем устройства консоли из сварного двутавра (из листов) или из двух швеллеров.

Консоль рассчитывается на момент от давления двух сближенных кранов, расположенных на подкрановых балках: М = Ре, где е — расстояние от оси подкрановой балки до ветви колонны.

Швы, прикрепляющие одностенчатую консоль, рассчитываются на действие момента М и перерезывающей силы Р.

Швы, прикрепляющие консоль, состоящую из двух швеллеров, обнимающих колонну, рассчитываются на реакцию S, найденную как в одноконсольной балке:

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Nothing found

It seems we can’t find what you’re looking for. Perhaps searching can help.

Сквозные колонны

Стержень сквозной колонны состоит из двух или нескольких прокатных профилей, соединенных между собой в плоскостях полок планками или решетками.

Сквозная колонна с планками

Основным преимуществом сквозных колонн является возможность соблюдения в них условия равноустойчивости.

Сквозные колонны достаточно экономичны по расходу металла. В то же время они более трудоемки в изготовлении, так как обилие коротких швов затрудняет применение автоматической сварки.

Сечение стержня сквозных колонн образуется обычно из двух швеллеров, расположенных полками внутрь сечения. Расположение швеллеров полками наружу при одних и тех же габаритных размерах сечения менее выгодно с точки зрения расхода материала и применяется только в клепаных колоннах из соображений удобства клепки.

Сечения сквозных колонн

Сечение, составленное из двутавров, применяется только при значительных нагрузках, исключающих применение швеллеров.

Сечение, составленное из четырех, уголков, применяется в сжатых элементах большой длины (мачтах, стрелах кранов и т. п.), требующих определенной жесткости в обоих направлениях. Это сечение весьма экономично, и конструкция получается относительно легкой, но наличие решеток в четырех плоскостях делает ее трудоемкой.

Типы решеток сквозных колонн

Решетка сквозных колонн обычно конструируется из одиночных уголков с предельной гибкостью элемента λ = 150. Решетка применяется треугольная, простая и с распорками, или раскосная.

Крепление решетки к ветвям колонны можно осуществлять на сварке или на заклепках; при этом разрешается центрировать уголки на наружные кромки ветвей. Колонны с планками проще в изготовлении, не имеют выступающих уголков решетки и более красивы. Колонны с решетками значительно жестче, особенно против кручения.

Работа стержня сквозной колонны под нагрузкой

Две ветви стержня сквозной колонны соединяются планками или решетками в единое целое. При отсутствии такого соединения каждая ветвь под нагрузкой испытывала бы продольный изгиб относительно собственной оси (ось 1 — 1). При наличии планок или решеток

К расчету сквозных центрально сжатых колонн

Значительно увеличивается жесткость стержня в целом, так как обе ветви работают слитно, подобно единому сечению, испытывая продольный изгиб относительно оси у — у. Эта ось в отличие от материальной оси х — х, которая пересекает тело колонны, называется свободной осью.

Гибкость сквозного стержня относительно материальной оси λ_х равна гибкости одной ветви, относительно той же оси х — х, так как r_x = √2J_x/2F = √J_x/F. Гибкость же относительно свободной оси у — у зависит от расстояния между ветвями (размер 2а).

Момент инерции J_y сечения из двух ветвей выражается формулой

где J₀ — момент инерции одной ветви относительно собственной оси 1 — 1;

F_B — площадь сечения одной ветви;

а — расстояние от оси ветви 1 — 1 до свободной оси стержня у — у.

Казалось бы, что гибкость стержня колонны относительно свободной оси должна определяться по формуле

где l_у — расчетная длина стержня колонны относительно оси y — y.

Однако в действительности гибкость колонны относительно свободной оси оказывается большей вследствие упругой податливости планок или решеток. Эта так называемая приведенная гибкость равна

Где μ_пр > 1 — коэффициент приведения составного стержня, зависящий от деформативности (податливости) планок или решеток; для колонн с планками

а для колонн с решетками

* Вывод этих коэффициентов см. курс «Стальные конструкции» под редакцией проф. Н. С. Стрелецкого, Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952.

Таким образом, приведенная гибкость будет равняться:

для колонн с планками

для колонн с решетками

Здесь λ_у = l_y/r_y — гибкость всего стержня относительно свободной оси, определяемая по формуле (4.VIII);

λ_в = l_в/r_в — гибкость участка ветви между планками относительно собственной оси 1 — 1;

F — площадь сечения всего стержня;

F_p — площадь сечения двух раскосов решеток (в двух плоскостях).

Второй член в подкоренном выражении формул (5.VIII) и (6.VIII) учитывает гибкость ветвей и податливость планок или решеток и, таким образом, определяет необходимую расстановку последних, поскольку с изменением этих величин изменяется и приведенная гибкость.

Расчетной гибкостью, по которой определяется коэффициент φ, является наибольшая из двух гибкостей λ_х или λ_пр. Так как путем раздвижки ветвей (т. е. увеличением расстояния а на фигуре, а) легко можно добиться уменьшения λ_пр без существенной затраты металла и тем самым удовлетворить требованию λ_пр ≤ λ_х то при подборе сечения стержня составной колонны, как правило, исходят из необходимой гибкости относительно материальной оси.

Для сжатых стержней, состоящих из четырех ветвей, приведенная гибкость равна

где λ — наибольшая гибкость всего стержня относительно свободной оси;

F_B1 иF_B2 — площади сечения пары ветвей с общей осью 1 — 1 и 2 — 2;

F_р1 и F_р2 — площади сечения раскосов решеток, лежащих в плоскостях, перпендикулярных соответственно осям 1 — 1 и 2 — 2.

Соединительные элементы — планки, или решетки — в центрально сжатых колоннах рассчитывают на поперечную силу, могущую возникнуть при изгибе от критической силы, которая, как известно, для данного материала зависит только от геометрических размеров стержня.

По нормам и техническим условиям, величина этой условной поперечной силы определяется в зависимости от сечения стержня по формулам:

где F_бр — сечение стержня брутто в см 2 .

Поперечная сила Q принимается постоянной по высоте стержня и распределяется поровну между плоскостями планок (решеток).

К расчету колонн с планками и решетками

Под действием поперечной силы колонна изгибается, причем планки работают на изгиб и срез в своей плоскости как элементы безраскосной фермы, а элементы решеток — на осевые усилия как раскосы и стойки фермы. Колонны с решетками менее деформативны, чем колонны с планками, а потому они получили преимущественное применение при тяжелых нагрузках.

Сопряжение колонн

Выбор конструкции стыка зависит от соотношения между наибольшим эксцентриситетом и ядровым расстоянием сечения. Если е>ρ, то стык испытывает большие растягивающие усилия, поэтому болты рассчитывают на растяжение от изгибающего момента. При этом, если стыкуются колонны одного сечения их торцы должны свариваться. Если же разного сечения, то между ними устраивается опорная плита, к которой и привариваются обе колонны.

Стык колонн одинакового сечения в одном уровне не делают, если ее длина менее 10м. В данной работе длина колонн в III уровне составляет 8,4м, а во II и I уровнях по 12,6 м.

III-II уровни: крайняя колонна :

Стык колонн разного сечения.

М=71 кНм, N=589 кН, Q=34 кН.

ρ=W/A=809*10 -6 /83,08*10 -4 = 0,097м

Рассчитываем кол-во болтов на срез:

где Q – поперечная сила,

R_BS – расчетное сопротивление болтов срезу,

n_s – необходимое число болтов.

Принимаем в узле болты нормальной точности, по классу прочности 8,8 МПа, d=24мм, А_в =3,59см 2 , R_BS =25кН/см 2 , R_B_Т =40 кН/см 2 .

Расстояние между болтами h=H-2t-4d, где Н-высота двутавра, t-толщина полки двутавра.

h=255 – 2*12 – 4*24 =135 мм.

Рассчитываем кол-во болтов на растяжение:

где Nв – продольное усилие, воспринимаемое болтами;

R_B_Т – расчетное сопротивление болтов растяжению;

А_в – площадь сечения болта;

Окончательно принимаем 4 болта d = 24 мм.

Т.к. для данных колонн имеется большая разница сечения ярусов, то плиты должна поддерживаться снизу ребрами жесткости, идущими под полками верхней колонны. Высота ребра определяется требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень нижней колонны.

Применяем полуавтоматическую сварку Св-08А, d=1,4-2мм, k_ш=10мм. Расчетные характеристики:

II уровень: крайняя колонна :

Стык колонн одного сечения.

М=113 кНм, N=1492 кН, Q=53 кН.

ρ=W/A=1035*10 -6 /105,9*10 -4 =0,09м

Расстояние между болтами h=H-2t-4d=348 – 2*17,5 – 4*24 =217 мм.

II-I уровни: крайняя колонна :

М=110 кНм, N=1993 кН, Q=56,7 кН.

ρ=W/A=2132*10 -6 /160,4*10 -4 =0,13м

Расстояние между болтами h=H-2t-4d =348 – 2*17,5 – 4*24 =217 мм.

I уровень: крайняя колонна:

М=362 кНм, N=3056 кН, Q=164 кН.

ρ=W/A=2132*10 -6 /160,4*10 -4 = 0,13м

Принимаем в узле болты нормальной точности, по классу прочности

8,8 МПа, d=32мм, А_в =6,71см 2 , R_BS =25кН/см 2 , R_B_Т =40 кН/см 2 .

Расстояние между болтами

h=H-2t-4d=409 – 2*24,5 – 4*32 =232мм.

Окончательно принимаем 4 болта d = 32 мм.

III-II уровни: средняя колонна :

М=8 кНм, N=1800 кН, Q=4 кН.

ρ=W/A=809*10 -6 /83,08*10 -4 =0,09м

Принимаем в узле болты нормальной точности, по классу прочности 8,8 МПа, d=16мм, А_в =1,6 см 2 , R_BS =25кН/см 2 , R_B_Т =40 кН/см 2 .

Расстояние между болтами h=300 мм.

Окончательно принимаем 2 болта d = 16 мм.

II уровень: средняя колонна :

М=38 кНм, N=4565 кН, Q=18,3 кН.

ρ=W/A=2435*10 -6 /184,1*10 -4 = 0,13м

Принимаем в узле болты нормальной точности, по классу прочности 8,8 МПа, d=16мм, А_в =1,6см 2 , R_BS =25кН/см 2 , R_B_Т =40 кН/см 2 .

Расстояние между болтами h=350мм.

II-I уровни: средняя колонна :

М=42 кНм, N=5944 кН, Q=20 кН.

ρ=W/A=4694*10 -6 /308,6*10 -4 = 0,15м

8,8 МПа, d=24мм, А_в =3,59 см 2 , R_BS =25кН/см 2 , R_B_Т =40 кН/см 2 .

Расстояние между болтами h=350 мм.

Окончательно принимаем 2 болта d = 24 мм.

I уровень: средняя колонна :

М=58 кНм, N=8492 кН, Q=27 кН.

Раздел: Строительство
Количество знаков с пробелами: 40171
Количество таблиц: 26
Количество изображений: 25