Многопролетная несущая балка

Полезная модель относится к строительству, а именно к балкам неразрезных крановых эстакад, пролетных строений и других элементов, работающих преимущественно в условиях пространственного изгиба на открытом воздухе.
Известна металлическая неразрезная балка прямоугольного, коробчатого или двутаврового сечения, включающая балку, изготовленную из прокатных или сварных профилей, опорные устройства, изготовленные по схеме шарнирного опирания или жесткого защемления ее концов, при этом балка выполнена ступенчато-переменной жесткости, а участки с большей изгибной жесткостью расположены под эпюрой изгибающих моментов с экстремальными ординатами (RU 2336397, Е04С 3/00, 20.10.2008 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки вследствие большого расхода стали на элементы балки и необходимости установки дополнительных элементов в ряде случаев для обеспечения местной устойчивости.
Известна сталебетонная балка, включающая верхний и нижний пояса, стенки и опорные диафрагмы, образующие замкнутый контур, заполненный бетоном, стенки криволинейной формы двоякой кривизны, расстояние между которыми уменьшается от верхнего поясу к нижнему, в стенках имеются отверстия и вырезы, которые расположены с переменным шагом по длине балки в соответствии с эпюрой сдвигающих напряжений, при этом стенки объединены предварительно напряженными стяжными шпильками (RU 2621247, Е04С 3/07, 01.06.2017 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона по пролету балки вследствие постоянного поперечного сечения.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является многопролетная несущая балка, включающая пустотелый профиль, часть которого заполнена бетоном, балка снабжена поперечными диафрагмами, установленными в полости балки, на концах и у промежуточных опор, в зоне нулевых изгибающих моментов, причем концы диафрагм раздвинуты к сжатой и сближены к растянутой зонам, а в сжатых зонах между диафрагмами выше горизонтальной оси балки, в ее полости установлены пластины, ограничивающие замкнутую полость, заполненную бетоном (SU 897993, Е04С 3/00, 15.01.1982 г.).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет нерационального использования бетона по высоте сечения, так как ширина бетона по высоте сечения балки остается постоянной, что не соответствует эпюре нормальных сжимающих напряжений в бетоне и приводит к повышению материалоемкости, наличию внутри балки стальных диафрагм, мало влияющих на несущую способность балки, и недостаточному сцеплению бетона с поверхностью стальных элементов, т.к. отсутствуют специальные элементы для повышения сцепления, что приводит к снижению эффективности совместной работы стали и бетона.
Задача полезной модели - снижение материалоемкости многопролетной несущей балки.
Технический результат достигается тем, что многопролетная несущая балка, включающая пустотелый профиль из двух стенок, верхнего и нижнего поясов, часть которого заполнена бетоном, поперечные диафрагмы, установленные над крайними опорами на концах балки и у промежуточных опор в зоне нулевых изгибающих моментов, имеет дугообразную вогнутую вовнутрь балки форму поперечного сечения стенок, которые объединены стяжными шпильками в зоне их контакта, при этом бетон расположен в верхней части сечения по всей длине балки, а в нижней - только у промежуточных опор.
Многопролетная несущая балка может дополнительно включать упоры, жестко соединенные с внутренними поверхностями опорных верхнего и нижнего поясов на участках балки с бетоном.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 - общий вид балки;
- на фиг. 2 - эпюра изгибающих моментов в балке от распределенной нагрузки;
- на фиг. 3-поперечное сечение 1-1;
- на фиг. 4 - поперечное сечение 2-2;
- на фиг. 5 - поперечное сечение 3-3;
- на фиг. 6 - поперечное сечение 4-4;
- на фиг. 7 - эпюра нормальных напряжений в бетоне в поперечном сечении 1-1;
- на фиг. 8 - эпюра нормальных напряжений в бетоне в поперечном сечении 3-3.
Многопролетная несущая балка (фиг. 1) включает пустотелый профиль 1 составного поперечного сечения, состоящий из двух стенок 2, верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4, часть которого заполнена бетоном 5. Пустотелый профиль 1 снабжен по концам над крайними опорами 6 поперечными опорными диафрагмами 7 и у промежуточных опор 8 в зоне нулевых изгибающих моментов (фиг. 2) поперечными промежуточными диафрагмами 9.
Стенки 2 в поперечном сечении имеют дугообразную вогнутую вовнутрь пустотелого профиля 1 форму и объединены стяжными шпильками 10 в зоне их контакта (фиг. 3, 4, 5, 6). Бетон 5 расположен в верхней части сечения пустотелого профиля 1 по всей длине балки и находится в замкнутом контуре, образованном стенками 2 верхним поясом и поперечными опорными диафрагмами 7. Бетон 5 расположен в нижней части сечения пустотелого профиля 1 у промежуточных опор 8, и находится в замкнутом контуре, образованном стенками 2, нижним поясом 4 и поперечными промежуточными диафрагмами 9 (фиг. 5).
К внутренним поверхностям верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4 прикреплены упоры 11 в виде стержневой арматуры, пластин или уголковых профилей.
Наличие бетона 5 внутри пустотелого профиля 1 обеспечивает местную устойчивость стенок 2 и сжатых участков верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4 по всей длине балки, что приводит к снижению стали и материалоемкости балки в целом.
Наличие бетона 5 внутри пустотелого профиля 1 по всей его длине обеспечивает распределение местного давления от внешней нагрузки, например, подвижной, что приводит к уменьшению толщин стенок 2 и, как следствие, к снижению материалоемкости балки в целом.
Расстояние между стенками 2 уменьшается от верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4 к центру сечения пустотелого профиля 1, что обеспечивает уменьшение объема бетона 5 в малонапряженной части сечения балки (фиг. 7, 8) и, как следствие, снижает расход материала на балку в целом.
Наличие стяжных шпилек 10 обеспечивает восприятие стенками 2 бокового давления от бетона 5 и, как следствие, позволяет отказаться от дополнительных элементов фиксации положения стенок 2 на этапе изготовления балки и в процессе эксплуатации, что приводит к снижению расхода материалов.
Очертание стенок 2 пустотелого профиля 1 имеет криволинейную форму, соответствующую форме эпюры нормальных напряжений в бетоне 5 сжатой зоны поперечного сечения балки (фиг. 7, 8). Параметры очертания кривых стенок 2 подбираются таким образом, чтобы обеспечить в этой зоне равнонапряженность бетона, что позволяет наиболее полно использовать его прочностные свойства и, как следствие, приводит к снижению материалоемкости балки в целом.
Очертание стенок 2 пустотелого профиля 1 обеспечивает хорошие аэродинамические характеристики сечения при действии ветрового воздействия, что приводит к снижению материалоемкости балки при ее использовании на открытом воздухе.
Наличие упоров 11 обеспечивает эффективную совместную работу верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4 с бетоном 5 при действии касательных напряжений. Упоры 11, как промежуточные опоры, уменьшают расчетную длину верхнего пояса 3 и нижнего пояса 4, что приводит к увеличению устойчивости при действии эксплуатационных нагрузок и позволяет уменьшить их толщину, а также снизить материалоемкость балки в целом.
Несущая способность многопролетной несущей балки обеспечивается подбором класса бетона, марок стали, размеров поперечного сечения балки и ее элементов, шага упоров и стяжных шпилек.