Типы балочных клеток

12.8 Регулировочный винт холостых оборо­тов (отмечен стрелкой)

ла, указатели поворота и воздушный кон­диционер выключены, а на автомобилях с автоматической трансмиссией устано­вите рычаг выбора режима движения в положение «Park» или «Neutral».

Запустите двигатель со слегка нажа­
той педалью управления подачей топли­
ва. Установите частоту вращения двига­
теля на уровне 1000 об/мин, затем
медленно отпускайте педаль, пока дви­
гатель не станет устойчиво работать на
холостом ходу.

Проверьте частоту холостого хода
по тахометру.

Если холостые обороты требуют ре­
гулировки, извлеките пластмассовую заг­
лушку из регулировочного отверстия
сверху корпуса дросселя и вставьте плос­
кую отвертку. Вращая регулировочный
винт, добейтесь нужных оборотов холо­
стого хода (см. иллюстрацию).

Заглушите двигатель. Подключите
электропроводку к клапану IAC.

13.4 Чтобы инициализировать инерционный выключатель, нажмите в центр круглой ре­зиновой оболочки(отмечен стрелкой)- цен­тральная консоль удалена для наглядности

При разъединении электропроводки
клапана IAC в памяти модуля управле­
ния двигателем будет зарегистрирован
код неисправности. Этот код необходи­
мо удалить из памяти - описание этой
процедуры можно найти в Главе 4.

Запустите двигатель и повторно про­
верьте частоту холостого хода.

Включитефарыдальнегосветаиобо-
грев заднего стекла, затем убедитесь в
стабильности холостых оборотов.

Где имеется, включите воздушный
кондиционер и установите мотор нагне­
тателя на максимальные обороты (HI) и
в течение нескольких минут позвольте
двигателю работать на холостом ходу.
Убедитесь в правильности и стабильно­
сти холостых оборотов, включая и вык­
лючая компрессор воздушного конди­
ционера.

В заключение, закройте регулировоч­
ное отверстие в корпусе дросселя новой
пластмассовой заглушкой.

15 Если не удается добиться правиль­ного значения холостых оборотов и их стабильности, или если обороты на­столько низки, что двигатель в течение этих тестов глохнет, проведите считы­вание кодов неисправностей из памяти электронного модуля управления (см. Главу 4) и обратитесь на станцию Rover или к специалисту по системам впрыска топлива.

13 Инерционный

выключатель подачи топлива - регулировка

Инерционный выключатель (где име­
ется) установлен на кронштейне под при­
борной панелью. Добраться к нему мож­
но из-за центральной консоли со стороны
ниши для ног водителя.

Подача электропитания к топливно­
му насосу системы PGM-FI проходит
через инерционный выключатель. В слу­
чае столкновения инерционный выклю­
чатель срабатывает, прерывая подачу
питания к топливному насосу.

Если автомобиль попал в аварию,
прежде чем начать работу, убедитесь в
отсутствии повреждений компонентов
топливной системы.

Чтобы инициализировать инерцион­
ный выключатель, нажмите центр круг­
лой резиновой оболочки на нем (см. ил­
люстрацию).

Включите зажигание и проверьте
наличие электропитания на топливном
насосе. В течение нескольких секунд в
области топливного бака должен быть
слышен гул работающего бензонасоса.

Типы балочных клеток

а — упрощенный; б — нормальный; в — усложненный; 1 — балки настила;

2 — вспомогательные балки; 3 — главные балки

Рис. 7.3

При проектировании конструкции балочного перекрытия, рабочей площадки цеха, проезжей части моста или другой аналогичной конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, обычно называемую балочной клеткой.

Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный.

В упрощенной балочной клетке (рис. а) нагрузка на перекрытие передается через настил на балки настила, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок), и через них — на стены или другие несущие конструкции. Из-за небольшой несущей способности плоского настила поддерживающие его балки приходится ставить часто, что рационально лишь при небольших пролетах балок. При частом размещении длинных балок возникает противоречие между получаемой несущей способностью и требуемой жесткостью, что неэкономично. Поэтому в балочной клетке нормального типа (рис. б) нагрузка с настила передается на балки настила, которые, в свою очередь, передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции. Балки настила обычно принимают прокатными. В усложненной балочной клетке (см. рис. в) вводятся еще дополнительные вспомогательные балки, располагаемые под балками настила и опирающиеся на главные балки. В балочной клетке этого типа нагрузка передается на опоры наиболее длинным путем. Для уменьшения трудоемкости изготовления балочной клетки балки настила и вспомогательные балки обычно принимаются прокатными.

Сопряжения балок

а — поэтажное; б — в одном уровне; в — пониженное; h_стр — высота перекрытия; h₆ — высота балки; D— прогиб балки; 1 — балки настила; 2 — вспомогательные балки; 3 — главные балки; 4 — настил; 5 — железобетонные плиты

Рис. 7.4

Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте, определяющим строительную высоту перекрытия (расстояние между верхом и низом перекрытия). Сопряжение балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное.

При поэтажном сопряжении (рис. а) балки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на главные или вспомогательные. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует наибольшей строительной высоты. При сопряжении в одном уровне (рис. б ) верхние полки балок настила и главных балок располагаются в одном уровне, а на них опирается настил. Этот способ позволяет увеличить высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но существенно усложняет конструкцию опирания балок.

Пониженное сопряжение (рис. в) применяется в балочных клетках усложненного типа. В нем вспомогательные балки примыкают к главной ниже уровня верхнего пояса главной, на них поэтажно укладывают балки настила, а на них и на главные балки укладывают настил. Этот тип сопряжения, так же как и сопряжение в одном уровне, позволяет иметь наибольшую высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия.

Размеры балочной клетки

Основные размеры балочной клетки в плане и по высоте, т.е. полные размеры площадки, расстояния между промежуточными опорами-колоннами, высота помещения под перекрытием и отметка верха настила (разница между которыми с учетом прогиба главной балки определяет возможную строительную высоту перекрытия) обычно задаются технологами или архитекторами исходя из требований размещения оборудования и удобной эксплуатации помещений.

Главные балки обычно опирают на колонны и располагают вдоль больших расстояний между ними.

Расстояние между балками настила а (см. рис. 7.3) определяется несущей способностью настила и обычно составляет 0,6—1,6 м при стальном и 2 — 3,5 м при железобетонном настиле. Расстояние между вспомогательными балками обычно назначается в пределах 2 —5 м, оно должно быть кратно пролету главной балки и меньше ширины площадки. При выборе этого расстояния надо стремиться получить минимальное число вспомогательных балок, они должны быть прокатными. Установив пролет главных балок и расстояние между балками настила, выбирают тип и компонуют балочную клетку таким образом, чтобы общее число балок было наименьшим, балки под настилом и вспомогательные балки были прокатными, а сопряжения между балками были простыми и удовлетворяли имеющейся строительной высоте перекрытия. При этом следует принимать наиболее простой тип балочной клетки с наиболее коротким путем передачи усилий от нагрузки на опоры.

Таким образом, выбор рационального типа балочной клетки и типа сопряжении балок в ней зависит от многих факторов и целесообразность выбора для данных конкретных условий может быть установлена только сравнением возможных вариантов конструктивного решения.

Настилы балочных клеток

Рис. 7.5 Щитовой настил: Б — блок; Щ — щит

В качестве несущего настила чаще всего применяют плоские стальные листы или настил из сборных железобетонных плит. В последнее время начинают использовать щитовой настил, состоящий из несущего стального листа, имеющего сверху защитный слой и подкрепленного снизу продольными и поперечными ребрами. Щиты настила имеют размер до 3x12 м и укладываются на балки перекрытий. Такой настил является индустриальным и значительно ускоряет монтаж.

Конструкция щитового настила для тяжелых нагрузок состоит из системы продольных и поперечных ребер, образующих балочный ростверк с ячейками около 0,5x1,5 м, к которому сверху приварен листовой настил. Балки ростверка — ребра, поддерживающие настил, — часто делают из гнутых профилей, а приварка их к настилу делает возможным включать в их расчет полосу настила шириной в качестве верхнего пояса балки-ребра.

Сам листовой настил, опираясь на ребра, работает как пластина, опертая на четыре стороны и закрепленная по контуру.

Полезная нагрузка настила перекрытий задается равномерно распределенной, интенсивностью до 40 кН/м², а предельный относительный прогиб принимают не более 1/150.

Балки и балочные конструкции

Простейшая конструкция несущего настила состоит из стального листа, уложенного на балки и приваренного к ним (рис. а). Расстояние между балками, поддерживающими настил, определяется его несущей способностью или жесткостью.

Наиболее выгодное решение по расходу материала получается при минимальной толщине настила, так как в двутавровых балках, работающих на изгиб, материал используется лучше, чем в настиле прямоугольного сечения. Однако увеличение числа балок при тонком настиле резко увеличивает трудоемкость монтажа перекрытия, что нежелательно.

Поэтому для настилов рекомендуется использовать листы толщиной 6 — 8 мм при нагрузке; 8—10 мм при; 10—12 мм при; 12—14 мм при. Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой, что вызывает в нем растягивающие цепные усилия H, уменьшающие изгибающий момент и тем самым улучшающие работу настила в пролете (рис.б).

Опирание настила на параллельные балки позволяет считать, что он изгибается по цилиндрической поверхности. Для расчета такого настила мысленно вырежем из него полоску единичной ширины, закрепленную по концам неподвижными шарнирами (см. рис. б) и тогда ее прогиб под нагрузкой

где — - балочный прогиб в середине полоски от нормативной поперечной нагрузки qⁿ;

E₁I — цилиндрическая изгибная жесткость полоски, когда поперечные деформации невозможны; ;

υ — коэффициент Пуассона (для стали υ = 0,3);

H— сила растяжения полоски (распор);

— Эйлерова сила;

х — расстояние от левой опоры до места определения прогиба;

l — пролет настила.

А.Л. Телоян получил уравнение для определения отношения наибольшего пролета настила к его толщине (l/t) из условия заданного предельного прогиба

откуда приближенно

отношение пролета настила к его предельному прогибу.

Цепное усилие H, на действие которого надо проверить поддерживающую настил конструкцию и сварные швы, прикрепляющие настил к балкам, можно определить по приближенной формуле

коэффициент надежности для действующей на настил временной нагрузки.

Прокатные балки

В качестве прокатных балок, работающих на изгиб, обычно применяются двутавры по ГОСТ 8239 — 89, нормальные двутавры по ГОСТ 26020 — 83 типа Б, широкополочные двутавры типа Ш, и для прокатных прогонов скатных кровель — швеллеры по ГОСТ 8240 — 89. Разнообразие прокатываемого сортамента достаточно велико, и прокатные балки широко используются в конструкциях, где требуется момент сопротивления W< 13000 см³.

Прокатные балки из условий проката получаются достаточно «толстостенными», что обеспечивает лучшую устойчивость их поясов и стенки, так как их критические напряжения потери местной устойчивости получаются всегда больше предела текучести материала. Толстостенность балок позволяет также получать некоторый эффект за счет использования упругопластической работы их материала.

Подбор сечения и поверка несущей способности прокатных балок

У металлических балок основным типом является двутавровое сим­метричное сечение. Мерой эффективности, т. е. выгодности сечения балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию ρ=W/A. Сравнение ядровых расстояний круглого, прямоугольного и двутаврового сечений показывает, что двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в 2 и круглого в 3 раза, так как в этом сечении распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных напряжений от изгиба балки. Поэтому металлические балки конструируют главным образом двутаврового сечения, чему способствует хорошая работа металла на касательные напряжения, позволяющая делать стенку балки достаточно тонкой.

Чаще применяются балки однопролетные, разрезные, которые наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа.

Расчет на прочность прокатных балок, изгибаемых в одной из главных плоскостей, производится по изгибающему моменту по формуле

,

Или требуемый момент сопротивления балки можно определить по формуле

,

где R_у - расчетное сопротивление стали по изгибу;

γ_с - коэффициент условий работы конструкции.

Выбрав тип профиля балки по требуемому моменту сопротивления, по сортаменту подбирают ближайший больший номер балки. Для разрезных балок сплошного сечения из стали с пределом текучести до 580 МПа, находящихся под воздействием статической нагрузки, обеспеченных от потери общей устойчивости и ограниченной величине касательных напряжений в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочетанием М и Q, следует использовать упругопластическую работу материала и проверять их прочность по формулам:

при изгибе в одной из главных плоскостей и τ 0,9∙R_s

;

при изгибе в двух главных плоскостях и τ 0,5∙R_s

где М_max, М_х, М_у — значения изгибающих моментов; при τ 0,5∙R_s c₁ = с; при 0,5∙R_s < τ <0,9∙R_s c₁ = l,05∙β∙c;

R_s - расчетное сопротивление срезу (сдвигу);

W, W_x, W_y - моменты сопротивления сечения относительно главных осей;

; ;

α = 0,7 - для двутаврового сечения, изгибаемого в плоскости стенки, α=0 для других типов сечений.

Для случая учета упругопластической работы при изгибе балки к одной из главных плоскостей подбор сечений можно производить по требуемому моменту сопротивления по формуле:

,

где первоначально принимается c₁ = 1,l, а затем это значение уточняется.

Подобранное сечение проверяют на прочность от действия касательных напряжений по формуле

,

где Q_maх - наибольшая поперечная сила на опоре;

S и I - статический момент и момент инерции сечения;

t_w - толщина стенки балки.

Кроме проверок прочности балки необходимо в местах с большими нормальными напряжениями проверять их общую устойчивость.

,

где W_c – момент сопротивления для сжатого пояса;

γ_с = 0,95 - коэффициент условий работы при проверке общей устойчивости балок;

φ_b – принимается по СНиП.

Примечание. Устойчивость балок можно не проверять при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный.

Если при проверке выясняется, что общая устойчивость балки не обеспечена, то следует уменьшить расчетную длину сжатого пояса, изменив схему связей.

Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечивается их толщинами, принятыми из условий проката.

Проверка жесткости балок

Проверка второго предельного состояния (обеспечение условий для нормальной эксплуатации сооружения) ведется путем определения прогиба балки от действия нормативных нагрузок при допущении упругой работы материала. Полученный относительный прогиб является мерой жесткости балки и не должен превышать нормативного, зависящего от назначения балки

.

Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка деформативности производится по формуле

,

где Е – модуль упругости;

I – момент инерции сечения.

Если проверка по формуле не удовлетворяется, то следует увеличить сечение балки, взяв менее прочный материал, или допустить недоиспользование прочности балки, что менее выгодно.

Учет пластической работы материала в неразрезных и защемленных балках

Эпюры расчетных моментов в балках, использующих упругую Му и упругопластическую Муп стадии работы материала: а — неразрезная балка; б — защемленная балка

В неразрезных и защемленных балках упругопластическую работу материала часто можно доводить до состояния, близкого к образованию шарнира пластичности в пролете или на опоре, при этом система продолжает сохранять свою геометрическую неизменяемость и может воспринимать дальнейшее увеличение нагрузки при плавном возрастании прогибов. Однако при увеличении нагрузки момент в шарнире пластичности остается постоян­ным (растет лишь деформация системы), в то время как моменты в сечениях балки, работающих упруго, будут постепенно увеличиваться. Происходит выравнивание моментов в различных сечениях в процессе нагружения балки. Такая работа системы продолжается вплоть до образования трех шарниров в одном пролете балки, когда система становится изменяемой и ее деформации начинают недопустимо быстро расти.

Рассмотрим неразрезные балки постоянного двутаврового сечения (прокатные и сварные), несущие статическую нагрузку, со смежными пролетами, отличающимися не более чем на 20 %. В таких балках, обеспеченных от потери общей и местной устойчивости, изгибаемых в плоскости наибольшей жесткости и имеющих касательные напряжения, не превышающие 0,9R_s в месте наибольших изгибающих моментов, нормы разрешают определять расчетный изгибающий момент из условия перераспределения опорных и пролетных моментов.

Составные балки. Компоновка и подбор сечения

Составные балки, как правило, выполняют сварными. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального (стенки) и двух горизонтальных (полок), которые сваривают на заводе автоматической сваркой. Для экономии материала в составных балках часто изменяют сечение по длине в соответствии с изменением эпюры изгибающих моментов. В составных балках из однородного материала можно также использовать упругопластическую работу материала стенки балки с теми же ограничениями, что и для прокатных балок. Однако в составных балках гибкость стенки (отношение ее высоты к толщине) всегда больше, чем в прокатных; эффект увеличения несущей способности получается меньше, чем в прокатных. Ухудшение местной устойчивости стенки при увеличении ее гибкости часто требует дополнительных конструктивных мероприятий по ее обеспечению, что еще больше уменьшает положительный эффект от использования упругопластической работы материала балки.

Высота балок

Высота балки определяется экономическими соображениями, мак­симально допустимым прогибом балки и в ряде случаев строительной высотой конструкции перекрытия, т.е. разностью отметок верха настила и верха помещения под перекрытием. Обычно строительная высота задается технологами или архитекторами. Оптимальная рекомендуемая высота в большинстве случаев диктуется экономическими соображениями.

Масса балки состоит из массы ее поясов, стенки и некоторых дополнительных элементов (стыковых накладок, ребер жесткости и др.), учитываемых конструктивным коэффициентом, причем с увеличением высоты балки масса поясов уменьшается, а масса стенки возрастает.

Рис. Зависимость массы балки от высоты ее сечения: 1— балка; 2 — стенка; 3 — пояса

Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей устой­чивости.

Составные балки применяют, как правило, сварными. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок, которые сваривают на заводе автоматической сваркой.

Задача компоновки сечений составных балок вариантна, и от ее пра­вильного решения во многом зависят экономичность и технологичность балок. Начинать компоновку сечения надо с определения высоты балки, от которой зависят все остальные параметры балок.

Высота балки определяется экономическими соображениями, мак­симально допустимым прогибом балки и в ряде случаев строительной высотой конструкции перекрытия.

Наибольшая высота h_opt в большинстве случаев диктуется экономи­ческими соображениями.

Масса балки состоит из массы ее поясов, стенки и некоторых конст­руктивных элементов, учитываемых конструктивным коэффициентом, причем с увеличением высоты балки масса поясов уменьшается, а масса стенки увеличивается.

h_opt – оптимальная высота, при которой суммарный вес поясов и стенки наименьший. Она определяет наименьший расход материала на балку.

,

где k – коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения балки; для сварной – k = 1,2…1,1,15.

Возможно определять h_opt по формуле:

,

где λ_w – гибкость стенки; .

Наименьшая рекомендуемая высота балки h_min определяется жесткостью балки – ее предельным прогибом (второе предельное состояние): определяется по формуле:

,

где Рⁿ и gⁿ – временная и постоянная нормативные нагрузки на единицу длины балки;

L – пролет балки;

E∙I – жесткость балки на изгиб.

Минимальная высота балки обеспечивает необходимую жесткость при полном использовании несущей способности материала.

Примечание: Если полученную по этой формуле высоту балки нельзя принять, то требуемую норму прогиба можно удовлетворить, лишь снижая расчетное сопротивление материала, принимая менее прочный материал.

Наиболее целесообразно принимать высоту балки близкой к h_opt, определенной из экономических соображений и не меньше h_min, установленной из условия прогиба балки. Желательно, чтобы стенка по высоте выполнялась из одного листа шириной не более 2000 – 2200 мм.

В целях унификации высоту составной балки рационально принимать кратной 100 мм.

Толщина стенки балки

Наименьшая толщина стенки из условия ее работы на касательные напряжения определяется из формулы Н.Г. Журавского:

,

где Q - максимальная поперечная сила;

S - статический момент полусечения балки относительно нейтральной оси;

I - момент инерции сечения балки;

t_w - толщина стенки;

R_s - расчетное сопротивление материала стенки на срез.

Для определения толщины стенки можно также воспользоваться формулой

.

Чтобы обеспечить местную устойчивость стенки без дополнительного укрепления ее продольным ребром, необходимо иметь λ_w < 5,5: тогда

.

В высоких балках толщина стенки берется меньшей и достигает 1/200 - 1/250 высоты, что требует укрепления стенки, способного обеспечить ее устойчивость.

Таким образом, задача определения толщины стенки оказывается вариантной, влияющей на экономичность сечения балки и требующей очень внимательного к себе отношения. Для балок высотой 1 - 2 м рациональное значение толщины стенки можно определить по эмпирической формуле:

(мм).

Толщина стенки должна быть согласована с имеющимися толщинами проката листовой стали. Обычно минимальную толщину стенки принимают не менее 8 мм (очень редко 6 мм).

Горизонтальные листы поясов балки

В сварных балках пояса обычно принимают из одиночных листов универсальной стали. Изготовлять пояса из двух и более листов в сварных балках нерационально, так как, скрепляя между собой листы по краям фланговыми швами, мы увеличиваем неравномерность работы листов из-за роста длины передачи усилий от стенки к наружным листам. Резко увеличивается при этом и число сварных швов.

Толщину горизонтального поясного листа сварной балки обычно принимают не более 2 - 3 толщин стенки, так как в поясных швах при приваривании толстых поясных листов к стенке развиваются значительные усадочные растягивающие напряжения. Применение поясных листов толщиной более 30 мм нерационально еще и потому, что толстые листы имеют пониженные значения предела текучести и, следовательно, пониженные расчетные сопротивления.

Ширину горизонтальных листов обычно принимают равной 1/2-1/5 высоты балки из условия обеспечения ее общей устойчивости.

По конструктивным соображениям ширину пояса не следует принимать меньше 180 мм или h/10.

Наибольшую ширину горизонтальных листов определяют их местной устойчивостью и равномерностью работы по ширине.

В балках отношение ширины свеса сжатого пояса b_ef к его толщине t_f не должно превышать:

в сечениях, работающих упруго

.

в сечениях, работающих с учетом развития пластических деформаций,

, но не более ,

где h_ef - расчетная высота балки;

t_w - толщина стенки балки.

Для растянутых поясов балок не рекомендуется принимать ширину поясов более 30 толщин пояса из условия равномерного распределения напряжений по ширине полки.

Изменение сечения балки по длине

Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибаю­щему моменту, можно уменьшить в местах снижения моментов (в разрезных балках - у опор). Однако каждое изменение сечения, дающее экономию материала, несколько увеличивает трудоемкость изготовления балки, и потому оно экономически целесообразно только для балок пролетом 10-12 м и более.

Изменить сечение балки можно, уменьшив ее высоту или сечение поясов. Изменение сечения уменьшением высоты стенки балки (рис. а) более сложно, может потребовать увеличения толщины стенки для восприятия касательных напряжений, а потому применяется редко. Сечение балки можно изменить уменьшением ширины или толщины пояса. В сварных балках распространено изменение ширины пояса (рис. б), высота балки при этом сохраняется постоянной (при этом возможны как поэтажное опирание балок, поддерживающих настил, так и укладка рельса подкрановой балки); менее удобно изменять толщину пояса, так как балка оказывается неодинаковой вы­соты.

Рис. Изменение сечения балок по длине

а - изменением высоты балки; б - изменением ширины поясов; в - изменением толщины поясов; г - изменением количества горизонтальных листов; д - непрерывным изменением ширины поясов

В клепаных балках и балках с поясными соединениями на высокопрочных болтах сечения изменяют уменьшением или увеличением числа горизонтальных листов (рис. г).

В разрезных сварных балках пролетом до 30 м принимается одно изменение сечения пояса (по одну сторону от оси симметрии балки по длине). Введение второго изменения сечения поясов экономически нецелесообразно, так как дает дополнительную экономию материала лишь на 3-4 %. Более значительной экономии стали можно достигнуть путем непрерывного изменения ширины поясов (рис. д), получаемого диагональным раскроем широкополосной стали кислородной резкой. Однако оно связано с увеличением трудоемкости изготовления балки и применяется редко.

При равномерной нагрузке наивыгоднейшее по расходу стали место изменения сечения поясов однопролетной сварной балки находится на расстоянии примерно 1/6 пролета балки от опоры. Действующий в этом месте момент может быть найден графически по эпюре моментов или по формуле:

M_i(x) = q_x (l - x) / 2.

В балках переменного сечения развитие пластических деформаций следует учитывать только в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочетанием М и Q, в остальных сечениях развитие пластических деформаций не допускается.

По моменту М₁ (х) определяют необходимый момент сопротивления сечения балки исходя из упругой работы материала и подбирают новое сечение поясов. Ширина поясов при этом должна отвечать следующим условиям:

; мм.

Стык различных сечений пояса может быть прямым или косым. Прямой шов удобнее, но он будет равнопрочен основному металлу в растянутом поясе только при обязательном выводе концов шва на подкладки и автоматической сварке или при ручной сварке с применением физических методов контроля. Иногда, желая упростить стык растянутого пояса балки, делают его прямым с ручной или полуавтоматической сваркой без применения сложных методов контроля шва. В этом случае уменьшенное сечение пояса балки принимают из условия прочности стыкового шва на растяжение.

Проверка прочности, прогибов и устойчивости составных балок.

Проверка прочности и прогиба балки

Проверка прочности сводится к проверке наибольших нормальных, касательных напряжений, их совместного действия и при упругопластической работе материала балки к устойчивой работе стенки в области пластических деформаций.

В разрезных балках места наибольших нормальных и касательных напряжений обычно не совпадают, их проверяют раздельно.

Однако по всей длине балки изгибающие моменты и поперечная сила действуют совместно. Поэтому в дополнение к раздельным проверкам σ и τ необходима проверка совместного действия нормальных и касательных напряжений, при которой определяются приведенные напряжения. Эту проверку делают в сечениях наиболее неблагоприятного сочетания изгибающих моментов и поперечных сил: на опоре неразрезной балки, в месте изменения сечения разрезной составной балки и т. п.

Приведенные напряжения определяют по формуле:

где и - расчетные нормальные и касательные напряжения в краевом участке стенки балки на уровне поясных швов.

По этой формуле проверяют переход материала в данной точке в пластичное состояние от совместного действия нормальных и касательных напряжений.

При опирании на верхний пояс балки конструкции, передающей не­подвижную сосредоточенную нагрузку, необходима дополнительная проверка стенки балки на местные сминающие стенку напряжения:

,

где - напряжения смятия в стенке под грузом;

F - расчетная сосредоточенная нагрузка;

t_w и t_f - толщины стенки и пояса балки;

b - длина участка передачи местной нагрузки на балку.

Приведенные напряжения в этом случае проверяют в сечении под нагрузкой:

.

Если эта проверка не выполняется, то стенку балки необходимо ук­репить ребром жесткости, верхний конец которого пригоняется к на­груженному поясу балки.

Прогиб балок определяют от действия нормативной нагрузки, методами строительной механики; прогиб не должен превышать значений, указанных в СНиП. Прогиб составных балок можно не проверять, если фактическая высота балки больше минимальной.

Проверка и обеспечение общей устойчивости балки

Общую устойчивость составных балок проверяют по формуле:

Общую устойчивость балок можно не проверять при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также при удовлетворении условий фор­мулы об отношении расчетной длины к ширине сжатого пояса.

Для составных главных балок, находящихся в системе балочной площадки и связанных между собой поперечными балками, на которых лежит настил, за расчетную длину сжатого пояса следует принимать расстояние между поперечными балками.

Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов балок

В балках потерять устойчивость могут сжатый пояс от действия нор­мальных напряжений и стенка от действия касательных или нормальных напряжений, а также и от их совместного действия. Потеря устойчивости одним из элементов балки полностью или частично выводит его из работы, рабочее сечение балки уменьшается, часто становится несимметричным, центр изгиба смещается, и это может привести к преждевременной потере несущей способности всей балки.

Элементы балки могут потерять устойчивость, только если действую­щие в балке напряжения или их совместное воздействие больше критических напряжений потери устойчивости.

Рассмотрим отдельно устойчивость пояса и стенки балки.

Устойчивость сжатого пояса. Сжатый пояс представляет собой длинную пластинку, шарнирно прикрепленную своей длинной стороной к стенке балки и нагруженную равномерно распределенным по сечению пластины нормальным напряжением, действующим вдоль длинной стороны пластины. Потеря устойчивости такой пластины происходит путем волнообразного выпучивания ее краев. Шарнирное закрепление пояса стенкой принимается в запас прочности потому, что гибкая стенка не способна оказать сильное противодействие повороту пояса при потере устойчивости его свободных краев.

Для обеспечения устойчивости пояса при его упругой работе необходимо соблюдать отношение свеса пояса к его толщине, не превышающее значений, полученных по формуле:

,

где b_ef – свес пояса (половина ширины пояса).

t_f – толщина пояса.

Рекомендуемые из условия устойчивости размеры пояса для мало­углеродистых сталей близки к рекомендуемым размерам из условия его равномерной работы по ширине, потому специальные конструктивные мероприятия по обеспечению увеличения ширины свеса нецелесообразны.

Устойчивость стенки. Стенка представляет собой длинную тонкую пластину, испытывающую действие касательных и нормальных напряжений, которые могут вызвать потерю ее устойчивости. Но устойчивости стенки обычно добиваются не увеличением ее толщины (из-за больших размеров стенки этот путь привел бы к большому перерасходу материала), а укреплением ее специальными ребрами жесткости, расположенными нормально к поверхности выпучивания листа и увеличивающими жесткость стенки

Согласно СНиП, требуется укреплять стенку балки поперечными ребрами жесткости при:

отсутствии местной нагрузки на пояс балки

>3,2;

при действии местной нагрузки на пояс балки

>2.2;

при действии больших сосредоточенных грузов - под каждым грузом.

Расстояние между поперечными ребрами жесткости не должно превышать 2 ∙ h₀.

Ширина каждого из парных симметричных ребер жесткости должна быть не менее b_p= h₀/30 + 40 мм.

Ребра жесткости следует приваривать в стенке сплошными односторонними швами минимальной толщины, не доводя их на 40 - 50 мм до поясных швов с целью уменьшения воздействия зон термического влияния швов.

Стыки балок

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укрупнительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки (стенки, пояса), выполняемые из-за недо­статочной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с ребрами жесткости и т. п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тогда, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симметрично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средствами.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными.

Стыки составных балок на высокопрочных болтах

В последнее время монтажные стыки сварных балок во избежание сварки на монтаже иногда выполняют на высокопрочных болтах с накладками. В таких стыках накладки сильно прижимаются болтами к стыкуемому элементу и усилие в элементе силами трения передается на накладки.

Каждый пояс балки желательно перекрывать тремя накладками с двух сторон, а стенку — двумя вертикальными накладками, площади сечения которых должны быть не меньше площади сечения перекрываемого ими элемента. Ослабление сечения поясов балки учитывается следующим образом. При статических нагрузках, если площадь сечения нетто А_n составляет меньше 85% площади брутто, т.е. принимается условная площадь сечения

Болты в стыке следует ставить на минимальных расстояниях друг от друга - 2,5 — 3 диаметра отверстия для болта, чтобы уменьшить размеры и массу стыковых накладок.

Расчет стыка каждого элемента балки ведут раздельно, а изгибающий момент распределяют между поясами и стенкой пропорционально их жесткости. Тогда расчетное усилие в поясе может быть определено по формулам:

где M и I — соответственно полный расчетный изгибающий момент и момент инерции всего сечении в месте стыка балки;

I_f — момент инерции поясов балки;

- расчетная высота поясов.

Число болтов для прикрепления стыковых накладок к поясу балки

Q_bh — расчетное сдвигающее усилие, которое может быть воспринято одним высокопрочным болтом.

Это число болтов ставят по каждую сторону от центра стыка балки.

Опирания и сопряжения балок

В месте передачи касательных напряжений со стенки балки на опорное ребро закон распределения напряжений Журавского по высоте нарушается, они концентрируются в нижней части стенки, причем степень концентрации зависит от соотношения толщин стенки и площади поперечного сечения ребра. При относительно мощных ребрах и допущении местных пластических деформаций передачу касательных напряжений на опорное ребро можно принять равномерным по всей высоте стенки. Ребро жесткости для передачи опорной реакции надежно прикрепляют к стенке сварными швами, а торец ребер жесткости либо плотно пригоняют к нижнему поясу балки, либо строгают для непосредственной передачи опорного давления на стальную колонну. Для правильной передачи давления на колонну центр опорной поверхности ребра надо совмещать с осью полки колонны.

Размеры опорных ребер жесткости определяют обычно из расчета на смятие торца ребра:

где F — опорная реакция балки;

А_р — площадь смятия опорного ребра, в сварных балках принимается равной всей пристроганной части площади ребра;

R_p — расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности.

Ширина выступающей части ребра из условий его местной устойчивости не должна превышать

Выступающая вниз часть опорного ребра не должна превышать а< 1,5t_оп и обычно принимается равной 15 — 20 мм.

Помимо проверки на смятие торца опорного ребра производится также проверка опорного участка балки на устойчивость из плоскости балки как условного опорного стержня, включающего в площадь своего сечения опорные ребра и часть стенки балки шириной по в каждую сторону и длиной, равной высоте стенки балки:

где j — коэффициент продольного изгиба стойки с гибкостью определенной относительно оси z— z, направленной вдоль балки.

Опирание балок на стены и железобетонные подкладки

При опирании балок на каменные стены и железобетонные подкладки обычно применяют специальные стальные опорные части, которые служат для равномерного распределения давления балки на большую площадь менее прочного, чем сталь, материала опоры (камень, железобетон). Кроме того, опорные части должны обеспечить свободу деформации концов балки — поворот при прогибе балки, продольное смещение от температурных и силовых деформаций; в противном случае в опоре возникнут нежелательные дополнительные напряжения.

В соответствии с требованиями применяют неподвижные и подвижные опорные части следующих типов: при пролетах до 20 м — плоские опорные плиты (рис. а и б); до 40 м — тангенциальные опорные плиты (рис. в); более 40 м — катковые опорные части (рис. г). Опорные части изготовляют из литой или толстолистовой стали.

Площадь опирания плоских и тангенциальных опорных плит должна быть достаточной для передачи опорного давления балки на кладку стены или на бетон. Отсюда определяют размеры плиты

Расчетный изгибающий момент в среднем сечении плиты

Момент сопротивления этого сечения плиты

Отсюда легко определить толщину плиты где F — расчетное давление балки на опору.

Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают этажные, в одном уровне верхних поясов и с пониженным расположением верхних поясов второстепенных балок.

Этажное сопряжение (рис., а) является простейшим, но из-за возможного отгиба пояса главной балки оно может передавать лишь небольшие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба. Сопряжения в одном уровне и пониженное способны передавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис., б) заключается в необходимости выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и увеличивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Можно избежать этих неудобств, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки коротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. в).