ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОСТАВНЫХ БАЛОК
1. Соединение поясов балки со стенкой
3. Опирания и сопряжения балок
1. Соединение поясов балки со стенкой
Соединение поясов составной балки со стенкой осуществляют в сварных балках поясными швами, в клепаных и болтовых - поясными заклепками или болтами (см. рис. 7.23).
При изгибе балки это соединение предотвращает сдвиг поясов относительно стенки балки (см. рис. 7.23, а), который был бы при раздельной самостоятельной работе элементов балки на изгиб. Такое соединение поясов со стенкой превращает все сечение в монолитно работающее. В сварных балках, работающих без учета пластических деформаций, при хорошей обеспеченности местной устойчивости стенки, когда значения левой части формул (7.46), (7.47), (7.50), (7.54) не превышают 0,9?, возможно применение односторонних поясных швов. В балках, работающих с учетом пластических деформаций, применение односторонних поясных швов не допускается.
Расчет соединений ведется на силу сдвига пояса относительно стенки (см. рис. 7.23, б). В сварных балках сдвигающую силу Т, приходящуюся на 1 см длины балки, определяют через касательные напряжения
Сдвигающая сила стремится срезать поясные швы, а потому сопротивление этих швов срезу должно быть не меньше силы Т:
2. 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.
В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универсальным.
Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными. Возможные конструктивные решения их показаны на рис. 7.24
Наиболее просто и удобно непосредственное соединение балок встык (см. рис. 7.24, а). Чтобы уменьшить усадочные сварочные напряжения, необходимо варить стык быстрее; чтобы охлаждение шло более равномерно, следует начинать варить с менее жесткого элемента - стенки. Однако при ручной сварке такого стыка с применением обычных способов контроля сварки растянутый пояс балки в стыке будет иметь меньшую прочность, чем вне стыка, так как расчетное сопротивление сварного шва встык на растяжение меньше расчетного сопротивления основного металла
При необходимости устройства стыка в сечении, где действует больший изгибающий момент, делают прямое соединение балок встык, а полки усиливают накладками (см. рис. 7.24, б). Изгибающий момент в таком стыке воспринимается швами и накладками. Расчет момента производится по формуле:
Отсюда определяем расчетное усилие в накладке:
затем площадь поперечного сечения накладки
Угловые швы, прикрепляющие накладку к балке, должны быть рассчитаны на усилие в накладке. Чтобы уменьшить сварочные напряжения, эти швы не доводят до оси стыка на 25 мм с каждой стороны.
При изготовлении конструкций в полевых мастерских, когда трудно обработать торцы балок под сварку, можно осуществить стык толькое помощью накладок (см. рис. 7.24, в). Однако из-за большой концентрации напряжений в таком стыке применять его можно в конструкциях, работающих только на статическую нагрузку и при положительных температурах.
Почти весь изгибающий момент в этом стыке передается через поясные накладки, а поперечная сила - через парные накладки на стенке. Учитывая это, производят расчет усилия и площади поперечного сечения в накладке по формулам:
Накладки на стенку конструктивно принимают шириной 100 - 150 мм, толщиной, приблизительно равной толщине стенки, и высотой, равной высоте прямолинейного участка стенки (до закруглений около полок).
Угловые швы, прикрепляющие накладки к стенке, следует проверять на действие поперечной силы
Стыки составных сварных балок. Заводские стыки поясов и стенки составных сварных балок осуществляют соединением листов до сборки их в балку (рис. 7.25,a). Основным типом сварных соединений листов является соединение встык. Стык растянутого пояса, если он расположен в зоне балки, где напряжения в поясе превышают расчетное сопротивление сварного шва на растяжение, устраивают косым или сваривают автоматической сваркой, выводя начало и конец шва на технологические планки. Такое усложнение производства часто делает более целесообразным перенос прямого заводского стыкового шва в то место балки, где напряжения в поясе не превышают расчетного сопротивления сварного шва на растяжение. Заводские стыки сжатого пояса и стенки балки всегда делают прямыми.
На монтаже сжатый пояс и стенку всегда соединяют прямым швом встык, а растянутый пояс - косым швом под углом 60 °, так как при монтаже автоматическая сварка и повышенные способы контроля затруднены. Такой стык будет равнопрочен основному сечению балки и может не рассчитываться. Некоторым перенапряжением стенки вблизи растянутого пояса балки обычно пренебрегают, так как этот участок стенки расположен между двумя упруго работающими зонами балки, работает в условиях стесненной деформации и пластическое его разрушение невозможно. Применявшееся раньше усиление этого участка накладками, как показали исследования, приводит лишь к дополнительным сварочным напряжениям и не увеличивает несущей способности балки.
Чтобы уменьшить сварочные напряжения, сначала сваривают поперечные стыковые швы стенки 1 (рис. 7.25, б) и поясов 2, имеющие наибольшую поперечную усадку. Оставленные не заваренными на заводе участки поясных швов длиной около 500 мм дают возможность поясным листам несколько вытянуться при усадке швов 2. Последним заваривают угловые швы 3, имеющие небольшую продольную усадку.
Стыки составных балок на высокопрочных болтах. В последнее время монтажные стыки сварных балок, чтобы избежать сварки при монтаже, иногда выполняют на высокопрочных болтах (рис. 7.26). В таких стыках каждый пояс балки желательно перекрывать тремя накладками с двух сторон, а стенку - двумя вертикальными накладками, площадь сечения которых должна быть не меньше площади сечения перекрываемого ими элемента. Ослабление сечения поясов балки учитывается при статических нагрузках, если площадь сечения нетто составляет меньше 85 % площади брутто АНТ< 0,85А; тогда принимается условная площадь сечения АУСЛ=1,18АНТ; при динамических нагрузках АНТ принимается независимо от величины ослабления.
Болты в стыке ставят на минимальных расстояниях друг от друга: (2,5-3)d болта (при d = 24 мм удобно иметь шаг 80 мм), чтобы уменьшить размеры и массу стыковых накладок.
Расчет 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:
Количество болтов для прикрепления стыковых накладок к поясу балки
Это количество болтов ставят по каждую сторону от центра стыка. Момент, приходящийся на стенку, может быть найден по формуле:
Этот момент уравновешивается суммой внутренних пар усилий, действующих на болты, расположенные на стыковой полунакладке симметрично относительно нейтральной оси балки (см. рис. 7.26):
Отсюда максимальное горизонтальное усилие от изгибающего момента, действующее на каждый крайний, наиболее нагруженный болт, будет:
Для упрощения расчета выражаем сумму 2а/через aw и количество болтов в вертикальном ряду стыка - k:
Тогда формула (7.65) окончательно примет вид:
Кроме изгибающего балку момента в стыке может действовать поперечная сила Q, которая условно полностью передается на стенку и принимается распределенной равномерно на все болты, расположенные на полунакладке:
Тогда на наиболее напряженные крайние болты будет действовать равнодействующая усилий от момента и поперечной силы, и они будут определять прочность стыка стенки:
3. Опирания и сопряжения балок
Сопряжение балок со стальными колоннами осуществляется путем их опирания сверху или примыканием сбоку к вдвойне. Такое соединение может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию балки, или жестким, передающим на колонну кроме опорной реакции еще и момент защемления балки в колонне. Шарнирное соединение широко применяется в большинстве балочных конструкций, жесткое - в каркасах многоэтажных зданий. Примеры опирания балок на колонны сверху показаны на рис. 7.28. Конец балки в месте опирания ее на опору укрепляют опорными ребрами, считая при этом, что вся опорная реакция передается с балки на опору через эти ребра жесткости Ребра жесткости для передачи опорной реакции надежно прикрепляют к стенке сварными швами, а торец ребер жесткости либо плотно пригоняют к нижнему поясу балки (рис. 7.28, а), либо строгают для непосредственной передачи опорного давления на стальную колонну (рис. 7.28,6). Для правильной передачи давления на колонну (при конструктивном решении по рис. 7.28, а) центр опорной поверхности ребра надо совмещать с осью полки колонны.
Размер опорных ребер жесткости определяют обычно из расчета на смятие торца ребра
Выступающая вниз часть опорного ребра (рис. 7.28, б) не должна превышать a < 1,5 tOP и обычно принимается 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 расчетного сечения опорные ребра и часть стенки балки шириной по 0,65 в каждую сторону (на рис. 7.28, б, а эта площадь заштрихована) и длиной, равной высоте стенки балки:
Прикрепление опорных ребер к стенке балки сварными швами должно быть рассчитано на полную опорную реакцию балки с учетом максимальной рабочей длины сварного Шва. Шарнирное примыкание балок сбоку по рис. 7.28, в) по своему конструктивному оформлению, работе и расчету не отличается от описания балок сверху по рис. 7.28, б.
Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с пониженным расположением верхних поясов второстепенных балок (рис. 7.30).
Этажное сопряжение (рис. 7.30, а) является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки 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 сопряжение способны передавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис. 7.30, б) - необходимость 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. Избежать этих неудобств можно, 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. 7.30, в).
В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспомогательной балки передается через болты или монтажную сварку на специальное ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве работающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок - высокопрочные болты.
Расчет сопряжения балок заключается в определении размеров сварных швов или числа болтов, работающих. На срез и прикрепляющих балки друг к другу. Расчетной силой является опорная реакция вспомогательной балки, увеличенная на 20 % вследствие внецентренности передачи усилия на стенку главной балки.
Все рассмотренные сопряжения балок работают как шарнирные. При необходимости жесткого сопряжения балок (рис. 7.31) вводят "рыбки" (при одинаковой высоте балок) или "рыбку" и столик (при различной высоте балок). В таком сопряжении возникает не только поперечная сила, передающаяся на болты, прикрепляющие стенку вспомогательной балки к ребру главной балки или непосредственно на столик, но и опорный момент, передающийся через специальные накладки-рыбки или через "рыбку" и столик.
[ К следующей главе | Вверх по странице | К оглавлению | К предыдущей главе ]
