КОМБИНИРОВАННАЯ БАЛКА

Полезная модель относится к строительству и может быть использована для пролетных строений мостов, перекрытий больших пролетов зданий, подкрановых балок и др.
Известны комбинированные балки, включающие элементы сечения, выполненные из материалов разной прочности, например /1/, листовые пояса (полки) из стали с большим, а стенка - из стали с меньшим пределом текучести (классом прочности). Основным их недостатком является то, что указанные материалы размещены в сечениях из условия их упругого деформирования и принадлежат разным элементам, равным по своей длине всей длине балки. В результате этого недостаточно полно в балках используются резервы по несущей способности применяемых материалов и осуществляется неоправданный перерасход более дорогого материала большей прочности.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, при котором в комбинированных балках, включающих элементы сечения, выполненные из материалов разной прочности, пояса из материала большей прочности имеют либо вид несимметричных двутавров /2/, либо - коробчатого сечения /3, 4/. Преимущество таких балок состоит в том, что более прочный материал занимает больший объем по высоте сечения, что существенно увеличивает их несущую способность. Однако, и в данном случае предназначенность применяемых материалов только для упругого деформирования, их размещение в элементах сечения равных по своей длине всей длине балки не исключает ранее указанные недостатки предыдущих комбинированных балок.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи повышения несущей способности комбинированных балок и эффективности использования в них применяемых материалов.
Для решения поставленной задачи в комбинированной балке, включающей элементы сечения, выполненные из материалов разной прочности, в элементах сечения из материала меньшей прочности размещена и неразрывно связана с ним вставка из материала большей прочности, имеющая размеры по высоте и длине балки не менее параметров распределения по высоте и длине балки прямоугольных координат предельно допустимых деформаций, например пластических, материала меньшей прочности, возникающих от заданной нагрузки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 показан пример сечения комбинированной балки.
На фиг.2 - пример схемы распределения по высоте и длине разрезной комбинированной балки с сечением по фиг.1 упруго-пластических деформаций, возникающих от заданной нагрузки.
На фиг.3 и фиг.4 показаны примеры размещения в материале меньшей прочности вставок из материала большей прочности соответственно постоянной и переменой высоты для разрезной комбинированной балки с сечением по фиг.1, в элементах которой от заданной нагрузки допускаются только упругие деформации.
На фиг.5 и фиг.6 - примеры размещения в материале меньшей прочности вставок из материла большей прочности для комбинированной балки с сечением по фиг.1, в элементах которой соответственно в одном (стенке) и двух (стенке и поясе) допускаются ограниченные пластические деформации.
1
2
3
1, 2, 3 соответственно стенка, верхний и нижний пояса - элементы сечения разрезной комбинированной балки, ε, ε; ε - предельно допустимые деформации соответственно: упругая для материала большей прочности, пластическая и упругая для материала меньшей прочности. 4, 5, 6 - эпюры деформаций от заданной нагрузки Р - соответственно в сечениях I-I, II-II, III-III балки. 7, 8 - граница зон предельно допускаемых соответственно упругих и пластических деформаций по высоте и длине балки от нагрузки Р в материале меньшей прочности. 9, 10, 11 и 12 - вставки из материала большей прочности в материале меньшей прочности, соответствующие характеру распределения допускаемых в нем предельно допустимых деформаций от нагрузки Р.
1
1
2
2
3
1
2
1
3
2
3
2
2
1
2
I
I
II
I
I
В предлагаемой полезной модели комбинированной балки размеры вставок из материала большей прочности обусловливаются параметрами распределения в элементах ее сечений прямоугольных координат предельно допустимых деформаций для материала меньшей прочности. Так например, нагружение разрезной балки с сечением по фиг.1 сосредоточенной силой Р при справедливости гипотезы плоских сечений предопределяет в ее центральном сечении I-I распределение 4 деформаций, максимальная из которых величиной ε находится на нижнем поясе; на высоте h  этого же сечения - деформация величиной ε, а на высоте h  - деформация величиной ε. На каком-то расстоянии L/2 от центрального сечения I-I в сечении II-II распределение 5 деформаций следующее: на нижнем поясе максимальна величина деформации ε, а на высоте h  от нее величина деформации ε. Соответственно на расстоянии L/2 от центрального сечения в сечении III-III распределение 6 характеризует максимальная деформация на нижнем поясе величиной ε. Так как эта величина деформации является предельной для упругого деформирования материала меньшей прочности, то распределение 7 координат ее расположения по высоте и длине балки фактически является границей, ниже которой по высоте балки, целиком выполненной из данного материала, протекали-бы пластические деформации. Полностью предотвратить их появление позволяет включение в состав балки вставки 9 с аналогичным замещаемому профилем части сечения высотой не менее h  и длиной не менее L из материала большей прочности с предельно упругой деформацией не ниже величины ε. Однако, выполнение вставки постоянной высоты, в частности h , в ряде случаев может привести к перерасходу более дорогого материала большей прочности. Поэтому
I
II
2
1
1
2
1
целесообразнее выполнение вставки с переменной высотой, например, в виде ступенчатой вставки 10, в частности, с высотами h  на длине L и не менее h  на длине не менее (L-L). Более значительная экономия дорогого материала может быть достигнута при увеличении количества ступеней вставки по сечениям балки, расположенным между сечениями I-I, II-II и III-III, в соответствии с эпюрой 7 или при повторении координат ее очертания по высоте и длине контуром вставки. Но в этих случаях усложнится технология изготовления комбинированной балки, в связи с чем каждый из вариантов ее выполнения должен быть экономически обоснован.
2
2
3
1
1
2
1
1
I
Так же может быть повышена и эффективность использования резервов по несущей способности материала меньшей прочности за счет допуска возникновения в нем ограниченных пластических деформаций величиной не более ε, например, предопределяющих появление относительных остаточных деформаций величиной 0,0006 (См. кн. Потапкин А.А. Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций. - М.: Транспорт, 1984). В данном случае величина ε=ε+0,0006. Распределение координат указанной предельно допустимой пластической деформации для материала меньшей прочности по высоте и длине балки описывается эпюрой 8. Ниже этой границы в балке целиком выполненной из материала меньшей прочности при ее нагружении заданной силой Р появились - бы недопустимые пластические деформации. Тогда если по условиям эксплуатации ограниченные пластические деформации допускаются только в стенке 1 и вообще не допускаются в поясе 3, то вставка из материала большей прочности с соответствующим профилем всей замещаемой части сечения на длине не менее L должна быть высотой не менее h  и на длине не менее (L-L) только высотой (толщиной) сечения пояса 3. Если же в последнем так же допускаются ограниченные пластические деформации, то вставка может быть ограничена длиной L. Очевидно, что и для этих двух рассматриваемых случаев вставки могут быть выполнены ступенчатыми или криволинейными в соответствии с распределением координат деформаций по эпюре 8. Однако и здесь необходима соответствующая экономическая обоснованность.
Прикрепление вставок из материала большей прочности к материалу меньшей прочности может быть осуществлено любым известным на современном уровне техники методом, например, сваркой, на болтах и др., обеспечивающим требуемую надежность применяемого в комбинированной балке соединения.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет существенно увеличить несущую способность комбинированных балок при значительном снижении их материалоемкости, трудозатрат и стоимости изготовления.
Пример. Разрезное пролетное строение высотой 3, 644 м и длиной 147 м с поперечным сечением из двух коробчатых балок, объединенных ортотропной плитой проезжей части шириной 26,352 м. Нижние ребристые плиты коробчатых балок имеют ширину 3,808 м. Рассмотрим варианты выполнения части этих плит и примыкающих к ним вертикальных листов из сталей высокопрочных классов С50,
С60 и С70. За базовый вариант примем выполнение из стали обычного класса прочности С35.
3
2
1
Величина упругой деформации стали класса С35 составляет ε=0,00167. С учетом ранее упомянутой допустимой величиной остаточной деформации 0,0006 величина допустимой пластической деформации для стали класса С35 ε=0,00227. Для сталей классов С50, С60, С70 величины упругой деформации ε соответственно равны 0,00238; 0,00286; 0,00333.
Соответственно классу применяемой стали можно уменьшить сечение элементов пролетного строения (в которых варьируется класс применяемой стали) пропорционально коэффициентам: К=С35/С50; К=С35/С60; К=С35/С70. Поскольку по конструктивным соображениям толщины вертикальных листов менять нецелесообразно, то, несмотря на применение в них высокопрочной вставки в зонах примыкания к ребристыми плитам, оставим их без изменения. Элементы ортотропной плиты также оставим без изменения в силу того, что из-за несимметричности сечения самого пролетного строения напряжения в этой плите не достигают предела упругости. Уменьшение сечения пролетного строения осуществим только за счет ребристых плит. Полученные по вариантам параметры их сечения показаны в табл.1.
Таблица 1
Параметры сечения ребристой плиты в зависимости от класса стали
Класс Стали
Расчетный коэффициент уменьшения сечения
Расчетная площадь сечения, м<sup>2</sup>
Толщина горизонтального листа и продольных ребер, м
Фактическая площадь сечения плиты, м<sup>2</sup>
расчетная
фактическая
С35
1,00
0,1744
0,032
0,032
0,1744
С50
0,70
0,1221
0,022
0,025
0,1363
С60
0,58
0,1012
0,019
0,020
0,1090
С70
0,50
0,0872
0,016
0,016
0,0872
Примечание: фактические толщина листов и ребер и площадь сечения плиты определены с учетом толщины поставляемого проката.
Расчетной для пролетного строения примем нагрузку НК-80 (см. СНиП 2.05.3-84). Параметры пролетного строения, полученные для анализа эффективности использования полезной модели с высокопрочной вставкой по
фиг.5 на основе численных расчетов напряженно-деформированного состояния, приведены по вариантам в табл.2.
Таблица 2
Анализируемые параметры пролетного строения
Класс Стали
Размеры (в м) высоко прочной вставки
Площадь (в м<sup>2 </sup>сечения из стали
Объем (в м<sup>3</sup>) стали в пролетном строении
Снижение металлоемкости, пролетного строения, %
Объем высокопрочной стали, %
h<sup>I</sup> <sub>1</sub>
L<sub>1</sub>
L<sub>2</sub>
С35
Высокопрочной
С35
Высокопрочной
Суммарный
С35
-
-
-
1,0206
-
150,0
-
150,0
-
-
С50
0,10
16
45
0,6662
0,2782
126,4
12,4
138,8
7,5
8,9
С60
0,48
31
60
0,6450
0,2448
116,8
14,0
130,8
12,8
10,7
С70
0,78
47
78
0,6282
0,2182
109,0
15,4
124,4
17,1
12,4
Примечание: размеры h<sup>I</sup> <sub>1</sub>, L<sub>1</sub>, L<sub>2</sub> показаны на фиг.1 и фиг.5
Из приведенных данных следует, что предлагаемая полезная модель, при сравнительно небольшом расходе высокопрочной стали и даже не самом экономичном ее воплощении (фиг.6), обеспечивает реальное сокращение металлоемкости пролетного строения, обусловливая снижение стоимости его изготовления на 5-6%. Отметим, что ранее применение комбинированных балок в пролетных строениях, подобных рассмотренному, считалось экономически неоправданным.
Список использованной литературы
1. Беленя Е.И. И др. Металлические конструкции. М.: СТРОЙИЗДАТ, 1973, с.207-209.
2. А.С. СССР №635195, М. Кл. Е04С 3/02, опубл. 30.11.1978, Бюл. №44.
3. Пат. Франция №7811612, М. Кл. Е04С 3/04, 19.04.1978.
4. Пат. ФРГ №2727711, М. Кл. Е04С 3/06, 09.11.1978