СТАЛЬНАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ДВУТАВРОВАЯ БАЛКА

Полезная модель относится к строительству, а именно к балкам перекрытия или покрытия зданий и сооружений различного функционального назначения.
Известны традиционные конструктивные решения, позволяющие увеличить несущую способность металлических конструкций путем предварительного напряжения стальных балок, ферм, арок, изложенные в книге «Металлические конструкции» под общей редакцией В.В. Кузнецова (ЦНИИ проект сталь конструкция им. Н.П. Мельникова М. Издательство АСВ, 1998, 512 стр.).
Недостатками таких конструкций являются: низкая общая устойчивость балок, отсутствие совместной работы между стальными и железобетонными конструктивными элементами, что уменьшает надежность конструкции в целом.
Известна шпренгельная конструкция, которая содержит балку, затяжку шпренгеля, распорную стойку шпренгеля и жесткое распорное устройство, которое может быть выполнено в виде прочного свода из толстой пластины, передающей распорные усилия растяжения на верхнюю полку, или в виде двух стержней, соединенных под углом. Распорная стойка присоединяется к вершине распорного устройства (см. а.с. СССР №1117385, МПК Е04С 3/10, опубл. 07.10.1984 г.).
Недостатком данной конструкция является то, что на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвергается нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция стальной предварительно напряженной балки, включающая верхний и нижний пояса (см. Веденников Г.С. «Металлические конструкции» М., 1998, стр. 246).
Недостатками прототипа является то, что на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвергается нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки, что приводит к увеличению напряжения в затяжке, и росту сечения затяжки, вследствие чего увеличивается металлоемкость конструкции. Длина затяжки меньше длины балки и расположена под теми участками, где само сечение балки без предварительного напряжения не может воспринять действие внешней нагрузки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение несущей способности двутавровой балки, работающей на изгиб и снижение металлоемкости конструкции.
,
Данный технический результат достигается тем, что в стальной предварительно напряженной двутавровой балке, включающей верхний и нижний пояса, согласно полезной модели в центре нижнего пояса двутавровой балки выполнен продольный сварной шов по всей её длине.
Данное техническое решение позволит увеличить несущую способность двутавровой балки при снижении металлоемкости конструкции за счет исключения затяжек.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена двутавровая балка со сварным продольным швом, а на фиг. 2 - разрез по А-А.
Стальная предварительно напряженная двутавровая балка состоит из стенки 1, верхнего пояса 2, нижнего пояса 3 и сварного продольного шва 4, выполненного по всей длине двутавровой балки.
Стальная предварительно напряженная двутавровая балка работает следующим образом.
ус
ус
В процессе сварки вследствие термо-механических процессов нижний пояс балки 3 испытывает сжатие от действия продольного сварного шва 4, расположенного по центру тяжести вдоль нижнего пояса 3. При этом протекают упруго-пластические деформации укорочения сварного продольного шва 4 c образованием усадочной силы Р. Величина усадочной силы Р определяется в зависимости от режима сварки и свойства металла. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей формула для определения усадочной силы следующая [см. Винокуров В.А. «Сварочные деформации и напряжения». Москва, «Машиностроение» 1968 г. Стр. 112]:
,
св
где ; D=30000 при автоматической сварке; D=40000 при ручной дуговой сварке; V - скорость сварки (см/мин); К - катет шва (см), величина погонной энергетики при сварке (Дж/см).
1
После укладки продольного сварного шва вдоль нижнего пояса 3 возникает прогиб - ƒ (см. фиг. 1).
,
ус
ус
x
2
4
где М - изгибающий момент (кг·см); M=Рe; Р - усадочная сила (кг); e - эксцентриситет двутавровой балки (см), L - длинна двутавровой балки (см), E - модуль упругости (кг/см), J - момент инерции балки (см).
1
Таким образом, возникающая усадочная сила от продольного сварного шва 4 посередине нижнего пояса 3 приводит к образованию сжимающих напряжений в нижнем поясе двутавровой балки и приводит к прогибу балки - ƒ, в направлении обратного действию от внешней нагрузки на балку (см. фиг. 1).
ус
В предлагаемой полезной модели сжимающие напряжения в нижнем поясе 3 возникают вследствие усадочной силы Р от продольного сварного шва 4 по середине нижнего пояса 3 двутавровой балки. В зависимости от геометрических размеров двутавровой балки, определена несущая способность балки со сварным продольным швом 4 расчетно-экспериментальным путем, результаты которых на 40-70% выше, чем у балки без сварного шва.
Использование предлагаемой стальной предварительно напряженной двутавровой балки позволит по сравнению с прототипом повысить её несущую способность и снизить металлоемкость конструкции.