Основные элементы составных балок

08.07.2016

Сварные балки. Сварные одностенчатые балки состоят из стенки и двух поясов, соединенных угловыми или К-образными швами со сплошным проваром. Стенки двустенчатых балок соединяют с поясами односторонними наружными швами. Пояса балок в основном испытывают нормальные напряжения и в ничтожно малой мере участвуют в восприятии перерезывающих сил. Стенки, наоборот, главным образом работают на восприятие сил сдвига. Величина скалывающих напряжений в некоторых случаях может стать решающей при назначении толщины стенки. Чаще толщину стенок назначают конструктивно с таким расчетом, чтобы по условиям местной устойчивости не потребовалось очень часто размещать ребра жесткости или диафрагмы в двустенчатых балках. В одностенчатых балках толщину стенки δст принимают не менее 8 мм, а в двустенчатых — не менее 6 мм. Для назначения толщины δст одностенчатых балок при высоте их h до 3 м можно пользоваться эмпирической формулой IV—9:
Основные элементы составных балок

Наименьшую толщину стенки можно определить из условия ее прочности на срез на опоре:
Основные элементы составных балок

где А — опорная реакция, a k =I:S = 1,15-1,2 при опирании балки всем сечением и 1,5 — только стенкой.
В балках, подверженных действию больших сосредоточенных подвижных грузов, а также в элементах, работающих одновременно на изгиб и сжатие, применяют более толстые стенки, чем указано выше (формула IV—9). В двустенчатых балках малой и средней высоты суммарная толщина двух стенок обычно оказывается больше, чем требуется по формуле IV—9 для одностенчатых балок, а при большой высоте их и наличии подвижных грузов иногда оказывается, наоборот, меньше.
Высоту стенки назначают такой, чтобы полностью без обрезки использовать прокатываемые на заводе листы универсальной и толстолистовой стали.
Ширину пояса в одностенчатых балках назначают от 1/3 до 1/5 высоты балки, а в двустенчатых — от 1/2 до 1/3 той же высоты, учитывая имеющиеся в стандарте размеры листов. Увеличивать ширину поясов желательно для повышения общей устойчивости балок, а в двустенчатых балках — в целях повышения их мощности для восприятия крутящих и горизонтальных изгибающих моментов. Однако следует учитывать, что с увеличением ширины пояса возрастает неравномерность напряжений по краям и в средней его части, а в одностенчатых балках появляется опасность местной потери устойчивости краев сжатого пояса. Кроме того, жесткость пояса одностенчатой балки при кручении пропорциональна его толщине в третьей степени и ширине лишь в первой степени.
Для повышения устойчивости одностенчатых составных балок их иногда делают несимметричными с более развитым сжатым поясом (рис. IV—3,в).
Наиболее распространенный тип сварных балок — из трех листов (рис. IV—3,а).
Изготовление поясов сварных балок из нескольких листов весьма нежелательно, так как оно требует большого количества дополнительных швов, часть которых при широких поясах устраивают сквозным проваром, точечной сваркой, впрорезь или в виде электропробок. Это повышает трудоемкость, расход электродов и электроэнергии, удлиняет сроки изготовления и в итоге увеличивает стоимость таких балок. Кроме того, распределение напряжений в составных поясах весьма неравномерно, например при двух листах в поясе (рис. IV—4) средняя часть наружного листа испытывает напряжение на 20% меньше, чем внутреннего. При наличии в поясе двух листов разницу в ширине их назначают не менее 40 мм. В конструкциях, эксплуатируемых при расчетных температурах -40° и ниже, применять пояса из нескольких листов в сварных балках не допускается.
Основные элементы составных балок

Ограничение ширины листа в сжатом поясе одностенчатой балки диктуется условиями обеспечения его местной устойчивости, а в растянутом — неравномерностью напряжений в поперечном сечении широких и тонких поясов. При ширине листов около 10 толщин разница между максимальными напряжениями (посредине листа) и минимальными (у краев) доходит до 10—20%, а при ширине листа пояса около 30 толщин разница перед разрушением в напряжениях доходит до 40% (испытывавшиеся балки имели малую высоту, равную ширине пояса).
Наибольшую ширину свеса bсв (рис. IV—3, а) сжатого пояса из условий его местной устойчивости определяют по формуле:
Основные элементы составных балок

где δп — толщина пояса.
В случае расчетного напряжения σ в балке менее R значение bсв:δп можно увеличить пропорционально √R/σ, но не более чем в 1,25 раза.
В балках из сталей высокой прочности bсв:δп колеблется от 11 до 9, в зависимости от класса стали.
Применение для поясов листов большой толщины (сверх 40 мм) связано с перенапряжением поясных швов их усадкой, так как толстые листы оказывают большое сопротивление усадочным деформациям. Кроме того, толстые листы при прокатке получают меньшее обжатие, обладают большей неоднородностью химического состава и меньшей вязкостью, вследствие чего под влиянием местного нагрева они легче могут перейти в хрупкое состояние.
Особенности компоновки сечений двустенчатых балок. Высоту h двустенчатых балок (рис. IV—3, г) назначают, исходя из тех же соображений, что и одностенчатых, — по допускаемому в балке прогибу и по наименьшему расходу металла. В крановых балках высота их колеблется от 1/13 до 1/18 пролета l, а в подкрановых — от 1/14 до 1/16 l, в редких случаях при легком режиме работы высоту крановых балок уменьшают до 1/20. При высоте крановых и других подвижных балок менее 1/18 l проверяют время затухания собственных колебаний конструкции.
Относительно малая рекомендуемая высота балок пролетных строений мостовых кранов объясняется тем, что прогиб их вычисляют и проверяют только от веса тележки и груза с захватным приспособлением, без учета коэффициентов перегрузки, динамичности и условий работы. Напряжения, вызываемые этими нагрузками, обычно составляют 55— 70% расчетного сопротивления, принимаемого в мостовых кранах равным 2000 кг/см2, то есть σ = 1100-1400 кг/см2.
Ширину балок b назначают не менее 1/50 l. Обычно b = (1/30-1/40)l и b = (1/2-1/3)h. Свесы поясных листов за стенки следует назначать, как правило, небольшими, обычно одна-две толщины поясного листа. Свешивающиеся части поясных листов принимают малое участие в работе балки на кручение. При расположении продольных ребер жесткости с внешней стороны стенок свесы поясов назначают так, чтобы они были несколько больше ширины ребер жесткости.
Расстояние b0 в свету между стенками должно обеспечивать удобство производства работ (постановка и крепление диафрагм и др.). Лист сжатого пояса закреплен стенками почти у самых кромок. Поэтому работа его в отношении местной устойчивости протекает в значительно более благоприятных условиях, чем пояса одностенчатых балок. Свободную ширину пояса b0 (то есть расстояние в свету между стенками) можно довести до 60 его толщин (b0≤60δп). При этом неравномерность распределения нормальных напряжений по ширине пояса под грузом достигает значительной величины (σмакс = 1,33 σcр). Однако эта неравномерность напряжений быстро выравнивается и на расстоянии 1/10 пролета от сосредоточенного груза составляет всего 7% (σмакс = 1,07 σсp).
Толщину стенок δст назначают возможно меньшей с учетом интенсивности поперечных сил (от 6 до 12 мм). Она обычно составляет от 1/180 до 1/250 высоты стенки. Столь малая относительная толщина создает необходимость в довольно сложных мерах по обеспечению их местной устойчивости поперечными сплошными и короткими диафрагмами и продольными ребрами жесткости. Для примера приведена толщина стенок, принимаемых в мостовых кранах: при грузоподъемности Q крана до 20 т δст = 6 мм; при Q = 30-75 т δст = 8 мм; при Q = 100-200 n δcт =10 мм и при Q = 250 т δст = 12 мм. Площадь поперечного сечения обеих стенок двустенчатых балок составляет примерно (0,5-0,6) площади всей балки.
Клепаные балки (рис. IV—5) состоят из стенки, поясных листов и уголков. Последние служат для соединения поясных листов со стенкой и входят в состав пояса.
Толщину стенки назначают с учетом указаний, которые были сделаны для сварных балок (формула IV—9).
Ширину поясов клепаных балок, как и сварных, назначают с учетом влияния этого размера на общую устойчивость балок, одновременно стремясь к обеспечению местной устойчивости свободных краев сжатого пояса не ниже общей устойчивости балки.
При назначении размеров поясных элементов необходимо тщательно учитывать характерные особенности клепаных соединений. В соответствии с рекомендуемой шириной пояса b около 1/4 высоты балки (h) ширину полок уголков назначают около 1/10 h, с тем чтобы свес поясных листов над полкой уголков был не менее 10—20 мм с каждой стороны. Этот свес необходим для перекрытия выступающих частей уголковых накладок в стыках.
Основные элементы составных балок

Можно выполнить пояс только из двух уголков. В таких случаях для повышения степени использования материала и общей устойчивости балки следует применять неравнобокие уголки, располагая меньшие полки у стенки (рис. IV—5,а). Пояса из двух уголков легко деформируются как под воздействием нагрузок, приложенных не строго по оси балки, так и под влиянием сил, растягивающих нижний пояс. Чтобы уменьшить эти деформации, целесообразно ставить толстые уголки (толщина не менее 1/8 ширины свободной полки). Наименьшая ширина полки уголка зависит от принятого диаметра заклепок. Площадь двух уголков должна быть не менее 30% всей площади пояса. В мощных балках желательно применять наиболее широкие двухрядные уголки. Для удобства размещения заклепок в стыках не следует применять самые толстые уголки каждого номера. Для удобства конструирования стыков стенки лучше назначать толщину уголков равной толщине стенки.
В поясе ставят один — три листа. Наибольшая толщина отдельных листов диктуется возможностью продавливания отверстий и составляет при современном оборудовании заводов 22—24 мм. Наибольшая толщина пояса, включая толщину стыковых накладок (листовой и уголковой), должна не превышать 5 диаметров заклепок с обычной головкой или 7 диаметров заклепок с повышенной головкой.
При расстоянии от крайнего ряда заклепок по уголку до края листов более 4d или 8δ'л (отдельного листа) необходимо ставить связующие заклепки. При очень широких поясах для уменьшения количества связующих заклепок и для повышения местной устойчивости сжатого пояса ставят окаймляющие уголки (рис. IV—5,г).
При выборе ассортимента профилей для изготовления балок необходимо учитывать специфические особенности организации работ на предполагаемом заводе-изготовителе, реальные возможности получения того или иного проката, уменьшение числа номеров заказываемых профилей и увязку профилей для балок, с профилями для остальных частей сооружения.