СТАЛЬНАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ БАЛКА
PRESTRESSED STEEL BEAM

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в качестве балок покрытия и подкрановых балок при строительстве сооружений.
Известна стальная предварительно напряженная «Шпренгельная конструкция» (см. А.С. СССР №1622552), состоящая из балки с затяжкой и раздвижной стойки шпренгеля, упертой через прокладки в верхний пояс балки и через прокладки - в затяжку. В опорных частях балки имеются поперечные распорные элементы, состоящие из верхнего и нижнего стержней, объединенных шарнирным узлом, обеспечивающим поворот стержней и при натяжении затяжки и закрепления ее концов гайками. Концы стержней упираются в упоры.
Рассмотренная конструкция имеет два основных недостатка:
величина натяжения затяжки на стадии предварительного напряжения ограничивается несущей способностью на сжатие нижнего пояса;
балка испытывает суммарное сжатие от предварительного натяжения затяжки и усилия ее самонатяжения.
Известна стальная предварительно напряженная балка из описания изобретения «Шпренгельная конструкция» (см. А.С. СССР №1117385), 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 присоединена к вершине распорного устройства.
Данная конструкция имеет два шпренгеля, один обычного типа, состоящий из стойки и гибкой затяжки, прикрепленной к нижнему поясу балки и передающей усилие обжатия на него, и второй - из той же стойки и распорного устройства, передающего усилия растяжения на верхний пояс балки.
Однако и эта конструкция имеет недостатки:
на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвергается нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки; усилие натяжения в предварительно напряженной затяжке увеличивается после приложения внешней нагрузки.
Наиболее близка предлагаемому решению конструкция стальной предварительно напряженной балки с затяжкой по нижнему поясу внешнего изгибающего момента (см. Веденников Г.С. «Металлические конструкции». М., 1998, стр.246).
В стальной предварительно напряженной балке с верхним и нижним поясами, торцовыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости, затяжка размещена по нижнему поясу, а длина затяжки меньше длины балки и расположена только под теми участками, где само сечение балки без предварительного напряжения не может воспринять действующий в этом месте расчетный момент от внешней нагрузки.
В месте анкерного закрепления затяжки на балку передаются большие сосредоточенные силы, вызывающие значительные местные напряжения в стенке и поясе балки.
К недостаткам прототипа относится то, что на стадии предварительного напряжения максимальному сжатию подвержен нижний пояс балки, работающий на растяжение при действии внешней нагрузки; усилие натяжения в предварительно напряженной затяжке увеличивается после приложения внешней нагрузки, что требует увеличения сечения затяжки, вследствие этого увеличивается металлоемкость конструкции.
Задачей настоящего изобретения является создание стальной предварительно напряженной балки, сжатой по верхнему поясу и имеющей растяжение по нижнему поясу, чтобы нижний пояс предлагаемой балки на стадии предварительного напряжения испытывал сжатие от натяжения затяжки и растяжение от изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При этом при действии внешней поперечной нагрузки на балку нижний пояс дополнительно будет испытывать растяжение от самоослабления затяжки и сжатие от изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением, что обеспечит снижение расчетного усилия в затяжке и, как следствие, снижение сечения затяжки. Снижение сечения затяжки снижает металлоемкость конструкции в целом.
Целью изобретения является снижение металлоемкости конструкции балки.
Поставленная цель достигается тем, что в стальной предварительно напряженной балке с верхним и нижним поясами, торцовыми и равномерно расположенными промежуточными ребрами жесткости и затяжкой с концевыми анкерными креплениями, установленными в анкерных упорах, расположенной в направляющих, закрепленных на ребрах жесткости равномерно по длине балки, затяжка расположена по верхнему поясу балки, анкерные упоры закреплены на крайних торцевых ребрах жесткости, снабженных распорными пластинами, расположенными под анкерными упорами, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора.
Сущность изобретения поясняется следующим.
Предлагаемая конструкция обеспечивает сжатие верхнего пояса и растяжение нижнего пояса. При действии внешней нагрузки происходит самоослабление затяжки. Эффект самоослабления затяжки эквивалентен приложению к балке дополнительного растягивающего усилия и разгружающего изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением.
На стадии предварительного напряжения верхний пояс предлагаемой балки испытывает сжатие от натяжения затяжки и изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При действии внешней поперечной нагрузки на балку к ее верхнему поясу прикладывается растягивающее усилие от самоослабления натяжения затяжки и от момента, создаваемого этим самоослаблением.
Нижний пояс предлагаемой балки на стадии предварительного напряжения испытывает сжатие от натяжения затяжки и растяжение от изгибающего момента, создаваемого этим натяжением. При действии внешней поперечной нагрузки на балку нижний пояс дополнительно испытывает растяжение от самоосбления затяжки и сжатие от изгибающего момента, создаваемого этим самоослаблением.
Подбор компоновочных параметров затяжки по верхнему поясу позволяет создать величину самоослабления затяжки от внешней нагрузки равной или меньше величины ее предварительного натяжения. В этом случае, предварительно напряженная балка испытывает после приложения внешней нагрузки действие балочного изгибающего момента и разгружающего изгибающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки. В результате, натяжение затяжки исключено, сечение балки испытывает действие только балочного момента без влияния натяжения затяжки.
На фиг.1, 2, 3 изображена заявляемая конструкция стальной предварительно напряженной балки.
Стальная предварительно напряженная балка содержит верхний пояс 1, нижний пояс 2, стенку 3, снабженную торцевыми 4 ребрами жесткости и равномерно установленными промежуточными 5 ребрами жесткости. На верхнем поясе 1 расположена затяжка 6 с концевыми анкерными креплениями 7. Затяжка 7 в виде троса расчетного диаметра свободно пропущена через направляющие 8, закрепленные на торцах ребер жесткости 5, а концевые анкерные крепления 7 закреплены в анкерных упорах 9. Для усиления жесткости анкерные упоры 9 расположены на торцевых ребрах жесткости 4 и усилены распорными пластинами 10, при этом верхний торец распорной пластины закреплен под торцом анкерного упора. При этом длина затяжки соответствует длине верхнего пояса.
Для подтверждения достижения поставленной цели - снижения металлоемкости предлагаемой конструкции были рассчитаны два варианта конструктивного решения стальной предварительно напряженной балки с верхним и нижним поясами.
По предлагаемому техническому решению:
- однопролетная, с шарнирными опорами, с равномерно распределенной нагрузкой, предварительно напряженная затяжкой по верхнему поясу балки;
по прототипу:
- однопролетная, с шарнирными опорами, с равномерно распределенной нагрузкой, предварительно напряженная затяжкой по нижнему поясу балки.
p
н
з
з
пр
х
х
б
х
з
у
2
4
2
2
3
4
2
2
Пример 1. Подобрать сечение однопролетной шарнирно опертой балки с затяжкой по верхнему поясу, с равномерно распределенной погонной расчетной нагрузкой q=10,35 кН/м, с равномерно распределенной погонной нагрузкой для определения прогибов q=5,55 кН/м и пролетом ℓ=12 м. Шаг балок - 3 м. Затяжку принимаем из - 200×8 мм; А=16,0 см; Е=2,06·10 кН/см. Расстояние от оси затяжки до оси балки d=25 см (постоянное по всей длине балки). Усилие предварительного напряжения принимаем N=213 кН. Сечение балки примем I35Б1; А=49,53 см; W=581 см; J=10060 см; m=38,9 кг/м; i=14,25 см. Масса затяжки - m=12,56 кг/м. Сталь С - 375, R=36,5 кН/см. Усилие самоослабления определим методом сил:
1
Выражение для прогиба балки с учетом разгружающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки Х, имеет следующий вид:
Величину предварительного натяжения затяжки примем:
1
Величина относительной разгружающей нагрузки - х, возникающей при самоослаблении затяжки, зависит только от соотношения жесткостей балки и затяжки:
1
Прогиб балки от нормативной нагрузки, с учетом х, имеет значение:
Условие жесткости выполняется.
Условие прочности балки после приложения внешней нагрузки имеет вид:
На стадии предварительного напряжения верхний пояс балки испытывает сжатие от натяжения затяжки и изгибающего момента, создаваемого самоослаблением затяжки. На стадии предварительного напряжения предельное состояние балки определяется условием устойчивости:
- условная гибкость сжатого стержня
- относительный эксцентриситет
- коэффициент формы сечения
- приведенный относительный эксцентриситет
e
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии φ=0,23;
Условие устойчивости в плоскости изгибающего момента (в вертикальной плоскости) выполняется. Устойчивость сжатого верхнего пояса балки в горизонтальной плоскости обеспечивают прогоны и слой профилированного настила, расположенного по верхним поясам балок.
Нижний пояс балки на стадии предварительного напряжения испытывает также растяжение:
2
Расход стали составляет - 17,15 кг/м.
пр
1
Пример 2. Расчет однопролетной шарнирно опертой балки с затяжкой по нижнему поясу, имеющей пролет и нагрузку аналогично примеру 2. Сечение балки и затяжки принимаем также аналогично примеру 2. Величину предварительного напряжения примем также как в предыдущем примере - N=200 кН ≈ Х. При одинаковых компоновочных параметрах балок величина самонатяжения будет равна также - 213 кН. Условие устойчивости балки на стадии предварительного натяжения при сжатом нижнем поясе будет аналогично условию устойчивости балки в предыдущем примере при сжатом верхнем поясе. После приложения внешней нагрузки сжатие балки увеличится на величину самонатяжения:
b
пр
1
N=N+X=200+213=413 кН.
В опорной части балки изгибающий момент создается только усилием затяжки. Поэтому параметры, определяющие условие устойчивости, будут иметь те же значения, что и в предыдущем примере:
- условная гибкость сжатого стержня
- относительный эксцентриситет
- коэффициент формы сечения
- приведенный относительный эксцентриситет
е
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии по [4] φ=0,23.
Условие устойчивости имеет вид:
Условие устойчивости выполняется.
Прогибы от нормативной нагрузки будут равны прогибам балки из предыдущего примера.
Кроме этого, в рассматриваемом примере требуются дополнительные конструктивные элементы, раскрепляющие нижний пояс в горизонтальной плоскости.
Изгибающий момент в середине пролета равен:
- Относительный эксцентриситет
- коэффициент формы сечения
- приведенный относительный эксцентриситет
e
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии φ=0,27.
Условие устойчивости имеет вид:
Условие устойчивости выполняется.
2
4
3
x
x
x
Анализ напряженного состояния балки с затяжкой по нижнему поясу на стадиях предварительного напряжения и при действии внешней нагрузки показывает ее перегрузку в сравнении с балкой, напрягаемой затяжкой по верхнему поясу. Для выравнивания характеристик напряженного состояния сравниваемых типов предварительно напряженных балок в примере 2 заменим сечение балки на I35Б2, имеющее характеристики сечения: А=55,17 см; m=43,3 кг/м; J=11550 см; W=662,2 см; i=14,47 см.
Определим величину самонатяжения балки:
Проверим условие устойчивости балки с новым сечением:
- условная гибкость сжатого стержня
- относительный эксцентриситет
- коэффициент формы сечения
- приведенный относительный эксцентриситет
e
- значение коэффициента продольного изгиба при внецентренном сжатии φ=0,23;
Определим прогиб балки от нормативной нагрузки по:
Условие жесткости выполняется.
Расчетные напряжения в сравниваемых вариантах предварительно напряженных балок по своим значениям сблизились:
max
2
- в балке с затяжкой по верхнему поясу после приложения внешней нагрузки напряжения в поясах - σ=±32,06 кН/см;
max
2
- в балке с затяжкой по нижнему поясу после приложения внешней нагрузки напряжение в верхнем поясе - σ=-31,44 кН/см.
2
Расход стали по 2 варианту составляет - 18,62 кг/м.
2
Сравнение результатов расчета в рассмотренных вариантах приведем в таблице 1, в относительных величинах. Материалоемкость первого варианта - 17,15 кг/м примем за 100%.
Таблица 1
Балка предварительно напряженная затяжкой по верхнему поясу
Балка предварительно напряженная затяжкой по нижнему поясу
100%
108%
Результаты исследования предлагаемой конструкции показывают преимущества балок с затяжками по верхнему поясу:
1) уменьшение материалоемкости;
2) уменьшение действующих усилий в затяжке;
3) характер напряженного состояния поясов балки не меняется до и после приложения внешней нагрузки;
4) уменьшение амплитуды напряжений от временной нагрузки;
5) исключение сжатия нижнего пояса балки на стадии предварительного напряжения.