Стойки, мачты, стрелы и другие сжатые элементы

Общие сведения. Стойки, мачты, стрелы, башенные опоры, башни и другие сжатые элементы весьма часто встречаются в металлических конструкциях. На их изготовление расходуется значительное количество стали, поэтому проектированию их должно быть уделено большое внимание. Такие конструкции состоят из следующих основных частей (рис. VI—1):
- стержень (ствол) — основной несущий элемент;
- база — устройство, передающее давление от стержня (ствола) на. нижележащие части или на фундамент и обеспечивающее в случае надобности подвижность стержня;
- оголовок — устройство для принятия основных нагрузок на стержень и для закрепления второго (верхнего) конца стержня;
- промежуточные устройства для восприятия значительных нагрузок, передающихся на длине стержня, и для промежуточных креплений стержня.
В зависимости от способа загружения различают стержни (стволы) центрально сжатые и внецентренно сжатые с малыми или с большими эксцентриситетами в одной или в двух плоскостях. Стержни могут быть нагружены по своим концам постепенно возрастающей по длине стержня нагрузкой или нагрузкой, возрастающей по длине стержня резко выраженными. ступенями.

Центрально сжатые стержни и сжатые стержни с малыми эксцентриситетами одинаковой свободной длины (lx=ly) обычно делают симметричного поперечного сечения относительно обеих осей (круг, прямоугольник, двутавр, крест и т. п., рис. VI—2, а—д). У сжато-изгибаемых стержней с большими моментами, переменными по направлению, сечения обычно удлиняют в плоскости действия этих моментов (рис. VI—2, е—и, VI—3,5). Если большие моменты в сжато-изгибаемых стержнях имеют постоянное направление, то, чтобы уменьшить, влияние изгиба (уменьшить величину эксцентриситета), сечение таких стержней делают в плоскости действия больших моментов резко несимметричными, располагая более развитую часть ближе к направлению сжимающей силы (рис. VI—2,к и VI—1,в).

В зависимости от способа образования сжатых элементов их разделяют на сплошные (рис. VI—2) и сквозные (рис. VI—3). Ceчения сплошных элементов могут быть открытыми и закрытыми (рис. VI—2, а, з, и).
Сжатые стержни могут иметь постоянное по длине сечение или в целях экономии металла и облегчения веса плавно меняющееся (рис. VI—4,а, б, в). В местах приложения больших нагрузок, например давлений от подкрановых балок, сечения резко увеличивают. Такие стойки получают ступенчатое очертание (рис. VI—1, б, в и VI—4, г).
Характер закрепления стержней в двух взаимно перпендикулярных плоскостях может быть одинаковым (lx-ly) или разным, когда приведенная длина стержня lx значительно отличается от ly. Особую группу составляют элементы, закрепленные лишь одним концом. У некоторых элементов в одной плоскости закреплены оба конца, а в другой — только один. Например, у стрел грузоподъемных кранов (см. рис. VI—1,а) в вертикальной плоскости оба конца закреплены шарнирно, а из этой плоскости верхний конец не закреплен, а нижний — защемлен.
Поперечные сечения центрально сжатых стержней с lx=ly желательно иметь одинаково развитыми в обоих направлениях, чтобы rx=ry и, следовательно, λx=λy. Сечения стержней с lx≠ly должны быть развиты больше в том направлении, в котором приведенная длина больше. Сечения стержней с одним свободным концом, а другим защемленным значительно увеличивают по мере удаления от свободного конца (рис. VI—4, в).

Преимущество сквозных стержней перед сплошными заключается в возможности, назначая соответствующее расстояние между ветвями, получить стержень, равноустойчивый относительно обеих главных осей как при одинаковых приведенных длинах их (lx=ly), так и при резко различных. Это обеспечивает более эффективное использование материала ветвей, меньший расход металла и несколько меньший вес сквозных стержней. Поэтому их часто применяют в мачтах и стрелах. Однако значительная часть сэкономленной стали расходуется на решетку. Последняя в отличие от стенок сплошных стержней не принимает непосредственного участия в передаче сжимающих сил, а служит лишь для связи ветвей между собой. Поэтому вес сплошных и сквозных стержней с относительно малыми размерами поперечных сечений мало отличается, чего нельзя сказать о стержнях с большими поперечными размерами. Изготовление сквозных стержней более сложно, трудоемко и стоит дороже. Для изготовления сплошных стержней преимущественно используют автоматическую и полуавтоматическую сварку, а для сквозных — из-за малой длины отдельных швов —ручную сварку. Части, составляющие сплошные элементы, получаются более массивными, и повреждение их при монтаже или тяжелых условиях эксплуатации менее вероятно, чем сквозных элементов с большим количеством мелких и тонких частей.
Устойчивость сжатых составных стержней проверяют с учетом приведенной (расчетной) длины lпр. Последнюю определяют по формуле lпр=kпрl в зависимости от способов закрепления стержня в каждой из проверяемых плоскостей и от способов загружения его. Переменное по длине сечение стержня влияет на величину критической силы, при которой происходит потеря устойчивости сжатого стержня, несколько уменьшая ее величину по сравнению с критической силой у стержня постоянного сечения, работающего в аналогичных условиях. Стержни переменного сечения рассчитывают с учетом коэффициентов продольного изгиба φ (табл. II—2), определяемого по приведенной длине lпр = kпрk'прl, где k'пр — коэффициент, учитывающий способ изменения сечения стержня и соотношение наибольшего и наименьшего моментов инерции поперечных сечений. Для ряда наиболее часто применяемых способов изменения сечения сквозных сжатых стержней, нагруженных сжимающими силами по концам, значения коэффициентов k'пр приведены в таблице VI—1.

При предварительном назначении отношения Iмин:Iмакс для определения k'пр (до подбора сечений) следует помнить, что при постоянном сечении поясов и переменном расстоянии с между их центрами тяжести отношение Iмин:Imакс почти пропорционально отношению квадратов этих расстояний, то есть Iмин:Iмакс = с2мин:с2макс. Это дает:
при смин:смакс = 0,6 0,5 0,4 0,3
Iмин:Iмакс = 0,36 0,25 0,16 0,09.
При относительно большой длине l1 участка с постоянным сечением мачты по сравнению с полной длиной ее l(l1≥0,6l) влияние переменности сечения концевых участков мало сказывается на устойчивости всей мачты, а следовательно, и на величине коэффициента приведения k'пр.. Последний колеблется в относительно небольших пределах (1,01+1,08).
Значения коэффициентов для стоек многоэтажных свободных рам, для одноступенчатых и двуступенчатых стоек одноэтажных рам см. СНиП II-B.3-62. Другие способы изменения сечения, закрепления и загружения см. А.Н. Динник «Устойчивость упругих систем», 1950.