ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ШПРЕНГЕЛЬНАЯ БАЛКА Российский патент 2002 года по МПК E04C3/08 

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений, а именно в качестве главных балок перекрытий, покрытий, конструкций специального назначения, например несущих элементов путепроводов, пешеходных переходов, технологических эстакад и т.п.

Известна конструкция балки, подкрепленная затяжкой, которая состоит из жесткой балки постоянного сечения (верхнего пояса), стоек и затяжки (нижнего пояса) [1] . При этом затяжка очерчена по кривой, выпуклой по отношению к продольной оси жесткой балки, и соединена с ней через вертикально ориентированные стойки.

Недостатком такого технического решения является сравнительно большая материалоемкость системы при действии распределенных нагрузок (преимущественно равномерно распределенных), обусловленная выпуклой формой очертания затяжки, при которой результирующий изгибающий момент в жесткой балке постоянного сечения, возникающий от внешней нагрузки и уменьшенный упругим отпором затяжки, распределяется по пролету неравномерно, принимая максимальные значения в средней части пролета и уменьшаясь к опорам. Это приводит к перегрузке средней части жесткой балки и недонапряжению на ее приопорных участках, что обуславливает значительные размеры ее поперечного сечения и, как следствие, повышает материалоемкость системы в целом.

Также известна шпренгельная ферма (балка) с балкой жесткости постоянного сечения и с криволинейным нижним поясом, стойками и косыми тяжами, причем косые тяжи соединяют опорные узлы фермы с узлами нижнего пояса на противоположной половине фермы (принято за прототип) [2].

Недостатком такого технического решения является значительная материалоемкость системы при действии распределенных нагрузок (преимущественно равномерно распределенных). Это обусловлено выпуклой по отношению к оси балки жесткости формой затяжки (нижнего пояса), при которой конечная эпюра изгибающих моментов в балке жесткости имеет криволинейную форму с максимальными величинами моментов в средней части пролета, которые и определяют необходимые размеры ее поперечного сечения. При этом приопорные участки балки являются недогруженными. Это приводит к повышению расхода материалов на балку жесткости и, следовательно, на всю шпренгельную систему в целом.

Задача изобретения - снижение материалоемкости предварительно напряженной шпренгельной балки при действии распределенных нагрузок (технический результат).

Технический результат достигается тем, что в предварительно напряженной шпренгельной балке, включающей балку жесткости, затяжку, пропущенную в направляющих на концах стоек и подвесок шпренгелей, и натяжные устройства, узлы сопряжения стоек и подвесок шпренгелей с затяжкой расположены на кривой, выпуклой по отношению к продольной оси балки жесткости в средней части пролета и вогнутой на его приопорных участках, на которых расположены подвески шпренгелей с натяжными устройствами, причем оси стоек и подвесок совмещены с биссектрисами углов, образуемых затяжкой на их концах.

Предлагаемое техническое решение позволяет после приложения к предварительно напряженной шпренгельной балке нагрузок (например, равномерно распределенных, симметричных относительно середины пролета и т.п.) за счет формы очертания затяжки перераспределить действующие в балке жесткости изгибающие моменты. При этом в средней части длины балка жесткости в наибольшей степени разгружается, а на приопорных участках - догружается, что приводит к уменьшению максимальных величин изгибающих моментов и, как следствие, к снижению материалоемкости балки жесткости и системы в целом. Кроме того, наклон стоек и подвесок шпренгелей по биссектрисам углов, образуемых затяжкой в местах ее пересечения со стойками и подвесками шпренгелей, обеспечивает выравнивание усилий по длине затяжки и уменьшает их максимальные значения, что, как следствие, приводит к снижению материалоемкости системы в целом.

Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
- на фиг.1 изображен общий вид предварительно напряженной шпренгельной балки;
- на фиг.2 - узел "А" на фиг.1;
- на фиг.3 - разрез по 1-1 на фиг.2;
- на фиг.4 - узел "Б" на фиг.1;
- на фиг.5 - разрез по 2-2 на фиг.4.

Предварительно напряженная шпренгельная балка (пролетом L) включает балку жесткости 1, затяжку 2, вписанную в кривую 3, стойки 4 шпренгелей из жестких профилей (например, труб, двутавров и т. п.) с направляющими 5 (например, трубчатого сечения) и подвески 6 шпренгелей из гибких элементов (например, тросов, арматурных стержней и т.п.) с направляющими 7 (выполненными, например, в виде кольцевых петель). Через направляющие 5 и 7 пропущена затяжка 2, закрепленная у опор балки жесткости 1 с помощью анкерных элементов 8. Узлы пересечения стоек 4 и подвесок 6 шпренгелей с затяжкой 2 расположены на кривой 3. Кривая 3 имеет знакопеременную кривизну по длине пролета: в средней части пролета (l_ср) она выполнена выпуклой по отношению к продольной оси балки жесткости 1 (центры кривизны расположены выше оси балки жесткости 1), а на приопорных его участках (l_{приопорн.}) - вогнутой (центры кривизны, расположены ниже оси балки жесткости 1). В местах соединения затяжки 2 со стойками 4 шпренгелей она образует углы 2α_i, а с подвесками 6 шпренгелей - 2β_i, при этом оси стоек 4 шпренгелей и подвесок 6 шпренгелей совпадают с биссектрисами указанных углов.

Подвески 6 шпренгелей снабжены натяжными устройствами 9 (например, стяжными муфтами).

Натяжные устройства 9 обеспечивают натяжение подвесок 6 шпренгелей и через них предварительное напряжение затяжки 2.

При загружении предварительно напряженной шпренгельной балки распределенной по пролету нагрузкой (например, равномерно распределенной) в затяжке 2 возникают растягивающие усилия, распор от которых передается на балку жесткости 1 через анкерные элементы 8. В балке жесткости 1 при этом возникают сжимающие и изгибные усилия: сжимающие - от тяжения затяжки 2, изгибные - от внешней поперечной нагрузки, уменьшенной на величину упругого отпора стоек 4 шпренгелей, возникающего в узлах соединения затяжки 2 со стойками 4 шпренгелей. В стойках шпренгелей 4 возникают сжимающие усилия от упругого отпора затяжки 2. В подвесках 6 шпренгелей возникают растягивающие усилия, обусловленные растягивающими усилиями в затяжке 2.

В средней части пролета (в зоне выпуклой части кривой 3) упругий отпор затяжки 2 направлен в сторону к продольной оси балки жесткости 1 (вверх) и передается на нее через стойки 4 шпренгелей. На приопорных участках пролета (в зоне вогнутых частей кривой 3) упругий отпор затяжки 2 направлен от продольной оси балки жесткости 1 (вниз) и передается на нее через подвески 6 шпренгелей.

При определенных (фиксированных) величинах пролета шпренгельной балки и стрелы выноса затяжки в случае выпуклой по всему пролету кривой (на которой расположены точки перелома затяжки), она имеет большие радиусы кривизны, чем радиусы кривизны выпукло-вогнутой кривой 3 (выпуклой только в средней части пролета). Таким образом, выпуклая только в средней части пролета затяжка 2 имеет меньшие величины радиусов кривизны (ρст1

,ρст2,ρст3,...,ρстi).
Уменьшение радиусов кривизны кривой 3, в которую вписана затяжка 2, приводит к уменьшению углов α_i между осями стоек 4 шпренгелей и затяжки 2 и соответствующему повышению значений их косинусов - cosα_i. При этом увеличивается упругий отпор затяжки 2 (N_отпора = N_з•2cosα_i) в местах ее сопряжения со стойками 4 шпренгелей, что и уменьшает величины результирующих изгибающих моментов в средней, наиболее нагруженной части балки жесткости 1.

В то же время на приопорных участках балки жесткости 1 (наименее напряженной ее части) затяжка 2 вогнута, а в подвесках 6 шпренгелей возникают растягивающие усилия (N_подв), догружающие балку жесткости 1 и увеличивающие изгибающие моменты в ней на приопорных участках.

Такое перераспределение усилий позволяет выравнивать величины ординат эпюр результирующих изгибающих моментов по длине балки жесткости 1 с уменьшением максимальных изгибающих моментов в средней, наиболее нагруженной части длины балки жесткости 1 (в средней части пролета). Что, как следствие, приводит к снижению материалоемкости балки жесткости 1 и системы в целом.

Оси стоек 4 шпренгелей и подвесок 6 шпренгелей в узлах их сопряжения с затяжкой 2 делят углы, образуемые затяжкой 2, пополам 2α_i = α_i+α_i; 2β_i = β_i+β_i, что обеспечивает равенство усилий (N₃) в смежных панелях затяжки 2 и, следовательно, ее равнонапряженность, при которой, как известно, расход материала минимален.

При совмещении осей стоек 4 шпренгелей с биссектрисами углов 2α_i в стойках 4 шпренгелей возникают наибольшие при данном угле перелома затяжки 2α_i усилия отпора N_отпора = N_ст = 2N_з•cosα_i, что приводит к уменьшению изгибающих моментов в балке жесткости 1 и соответствующему снижению материалоемкости системы в целом.

Совмещение осей подвесок 6 шпренгелей с биссектрисами углов 2β_i, образуемых затяжкой 2, позволяет увеличивать в них (подвесках 6 шпренгелей) растягивающие усилия и повысить эффект перераспределения изгибающих моментов в балке жесткости 1 по пролету.

Так как величины острых углов β_i сравнительно мало отличаются от прямого угла (90^o), то малые приращения усилий в натяжных устройствах 9, установленных на подвесках 6 шпренгелей, приводят к появлению значительных растягивающих усилий предварительного напряжения в затяжке 2 N_з = N_подв/2cosβ_i. Такое решение повышает эффективность искусственного регулирования усилий и снижает расход материала на натяжные устройства 9.

К преимуществам предлагаемого технического решения относится снижение материалоемкости предварительно напряженных шпренгельных балок при действии нагрузок, в основном равномерно распределенных по пролету.

Технико-экономический эффект предлагаемого решения заключается в снижении расхода материала, особенно, при больших пролетах, что позволяет уменьшить материалоемкость до 8-17%.

Источники информации
1. Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции. - Изд. 2-е, доп. Пер. с польск. Под ред. С.С. Кармилова. - М.: Стройиздат, 1974, 342 с. Рис. 9-40 а, б, с. 329.

2. А. С. СССР 65455, М. Кл.² Е 04 С 03/02. Шпренгельная ферма (балка). Заявлено 4 апреля 1944 г. в Наркомстрой за 1612 (334043), опубл. 31 декабря 1945 г.

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в покрытиях зданий и сооружений в качестве главных балок покрытий, конструкций специального назначения, например несущих элементов путепроводов, пешеходных переходов, технологических эстакад и т.п. Технический результат - снижение материалоемкости предварительно напряженной шпренгельной балки при действии распределенных нагрузок. Для этого в предварительно напряженной шпренгельной балке, включающей балку жесткости, затяжку, пропущенную в направляющих на концах стоек и подвесок шпренгелей, и натяжные устройства, узлы сопряжения стоек и подвесок шпренгелей с затяжкой расположены на кривой, выпуклой по отношению к продольной оси балки жесткости в средней части пролета и вогнутой на его приопорных участках, на которых расположены подвески шпренгелей с натяжными устройствами, причем оси стоек и подвесок совмещены с биссектрисами углов, образуемых затяжкой на их концах. 5 ил.

Предварительно напряженная шпренгельная балка, включающая балку жесткости, стойки и затяжку, отличающаяся тем, что узлы сопряжения стоек и подвесок шпренгелей, снабженные направляющими, в которых пропущена затяжка, расположены на кривой, выпуклой по отношению к продольной оси балки жесткости в средней части пролета и вогнутой на его приопорных участках, на которых расположены подвески шпренгелей с натяжными устройствами, причем оси стоек и подвесок совмещены с биссектрисами углов, образуемых затяжкой на их концах.