ШПРЕНГЕЛЬНАЯ БАЛКА Российский патент 1994 года по МПК E04C3/02 

Изобретение относится к строительным и мостовым конструкциям. Оно может быть использовано при перекрытии пролетов промышленных и гражданских зданий и пролетов мостов, а также для усиления эксплуатируемых конструкций.

Известна шпренгельная балка, шпренгель которой имеет растянутый элемент и одну, две или большее количество сжатых стоек.

Недостатком известной шпренгельной балки, преднапряженной постоянным усилием с помощью специальной связи, включенной в растянутый элемент шпренгеля, является то, что в ней усилие преднапряжения используется недостаточно полно для создания отрицательных изгибающих моментов в балке (отрицательных по знаку).

Целью настоящего изобретения является создание такой шпренгельой балки, преднапряженной постоянным усилием с помощью специальной связи, в которой постоянно усилие преднапряжения использовалось бы более полно для создания отрицательных изгибающих моментов в балке. Иначе говоря, в которой бы он одного и того же усилия преднапряжения, создаваемого специальной связью, и при прочих равных условиях, отрицательные изгибающие моменты в балке имели бы большую величину.

Поставленная цель достигается постановкой связи, создающей постоянное усилие преднапряжения шпренгеля в сжатую стойку и за счет нового соотношения основных размеров балки и шпренгеля.

На фиг. 1 схематично изображена шпренгельная балка; на фиг. 2 показаны силы, с который действуют на балку элементы шпренгеля, преднапряженного постоянным усилием с помощью специальной связи.

Элементы шпренгеля 0-3 и 2-3 (см. фиг. 1) растянуты, стойка шпренгеля 1-3 сжата. Растянутые элементы шпренгеля наклонены к нижнему поясу балки под углом γ и под углом α к стойке 1-3.

Отрицательные изгибающие момент в балке возникают от силы Nс и от горизонтальных сил Нш. Отрицательный момент от сил Нш равен произведению Нш·Z, где Z - плечо сил Нш относительно нейтральной оси 0-0.

Предлагаемая балка отличается от прототипа тем, что связь, создающая постоянное усилие преднапряжения в растянутых элементах шпренгеля, переставлена из растянутого элемента шпренгеля 0-3 или 3-3 в сжатую стойку 1-3, а также новым соотношением основных размеров балки и шпренгеля.

В стойке связь создает сжимающее усилие преднапряжения Nc, а в растянутых элементах шпренгеля - постоянное усилие преднапряжения S. Эти усилия находятся по формулам
N_c= 2Scosα= 2S·sinγ , (1)
S= = const (2).

Изменение угла γ при температурах удлинениях и сокращениях растянутых элементов шпренгеля и балки не будут оказывать влияния на усилие S, если в стойку поставить связь, создающую усилие Nс, находящееся в такой же функциональной зависимости от угла γ , как в формуле (2).

Допустим, что связь в прототипе и связь в предлагаемой балке создает одинаковое по абсолютной величине усилие, равное Р (это значит, что стоимость связей примерно одинаково). Перестановка связи из растянутого элемента шпренгеля в сжатую стойку приводит к увеличению силы Nc от Nc' = 2Pcos α = 2Psin γ до Nc'' = Р и к увеличению силы Нш от Нш1 = Pcos γ до Нш' = 0,5сtg γ · P. При этом отрицательный изгибающий момент в середине балки увеличивается на
ΔM= P[0,5l(0,5-sinγ)+Z(0,5ctgγ-cosγ)]
Увеличение отрицательных изгибающих моментов снижает положительные изгибающие моменты, возникающие в балке от действия на нее нагрузки. Это приводит к повышению несущей способности балки.

Новое соотношение основных размеров балки и шпренгеля определяется системой двух дифференциальных уравнений
(3) где Х1 - усилие в растянутых элементах шпренгеля, возникающее от действия на балку нагрузки.

В шпренгельной балке, имеющей γ и Z, полученные из уравнений (3), от одной и той же нагрузки и при прочих равных условиях усилие Х1 будет максимальным, а масса балки - минимальной.

В растянутых элементах шпренгеля связь может создавать усилие преднапряжения S, большее усилия Х1. Обозначим степень преднапряжения шпренгеля через ν . Она равна ν= .

Потенциальная энергия шпренгельной балки, преднапряженной постоянным при температурных и других перемещениях усилием, определяется по формуле
U= U_o- x₁Δ_1p+ηνx₁Δн1

_p (4) где Uо - потенциальная энергия основной системы;
Δн1_p - перемещение силы Х1 по ее направлению, возникающее от действия на балку нагрузки;
Δн1_p - перемещение силы Х1 по ее направлению, условно названное перемещением теневой геометрической нелинейности;
η - коэффициент полноты диаграммы P= f(Δ) при теневой геометрической нелинейности.

Связь, сохраняющая постоянное усилие Х1 при температурных перемещениях, сохраняет его постоянным и при перемещениях теневой геометрической нелинейности. Исходя из этого, записано уравнение (4).

При увеличении γ и Z от нуля до значений, полученных из уравнений (3), увеличивается усилие Х1 и увеличивается перемещение Δ_1p . Поскольку при этом перемещение теневой геометрической нелинейности Δн1

_p уменьшается, то потенциальная энергия шпренгельной балки, как это показывает уравнение (4), уменьшается. Уравнение (4) показывает также, что с увеличением степени преднапряжения шпренгельной балки потенциальная энергия ее от одной и той же нагрузки и при прочих равных условиях уменьшается. Уменьшение потенциальной энергии, как известно, дает возможность повысить экономичность конструкции.

Перестановка связи, создающей постоянное усилие преднапряжения, из растянутого элемента шпренгеля в сжатую стойку дает новый результат. Только за счет такой перестановки (прочие условия равны) отрицательный изгибающий момент в балке увеличивается. А это дает возможность повысить экономичность балки, сохранив ее прочность и жесткость. Кроме этого, перестановка связи приводит к упрощению конструкции. Включение связи, создающей постоянное усилие преднапряжения, в сжатую стойку практически означает замену стойки связью. Отпадает необходимость делать стойку. Шпренгель получается экономичнее и проще. Что касается нового соотношения основных размеров балки и шпренгеля, то оно дает дополнительную экономию материала.

Использование: изобретение относится к строительным и мостовым конструкциям. Оно может быть использовано при перекрытии пролетов зданий и мостов, а также для усиления эксплуатируемых конструкций. Сущность изобретения: предлагаемая балка / стальная, из алюминиевых сплавов, из клееной древесины и др. / имеет стальной шпренгель, состоящий из двух растянутых элементов и одной сжатой стойки. С помощью специальной связи балка преднапряжена постоянным при температурных и других перемещениях усилием. В изобретенной балке специальная связь, создающая постоянное усилие преднапряжения в растянутых элементах шпренгеля, выполняет роль сжатой стойки. Кроме этого, в ней новое соотношение основных размеров балки и шпренгеля, которое определяется системой дифференциальных уравнений. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ШПРЕНГЕЛЬНАЯ БАЛКА, содержащая сжатую стойку, отличающаяся тем, что она снабжена включенной в стойку связью для создания при температурных и других перемещениях постоянного усилия предварительного напряжения в растянутых элементах шпренгеля. 2. Балка по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение основных размеров балки и шпренгеля определяется системой двух дифференциальных уравнений
,
где x_i - усилие в растянутых элементах шпренгеля, возникающее от действия на балку нагрузки;
γ - угол наклона растянутых элементов шпренгеля к горизонтали;
Z - плечо горизонтальных сил, сжимающих балку, относительно нейтральной оси балки.