Сварная двутавровая балка Советский патент 1986 года по МПК E04C3/08 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве несущих конструкций перекрытий, ригелей рам, главных балок пролетных строений мостов и других конструкций. Цель изобретения - снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления. На фиг. 1 изображена сварная двутавровая балка, подкрепленная непересекаюпдимся набором наклонных ребер, общий вид; на фиг. 2 - фрагмент балки с отверстием; на фиг. 3 - график зависимости суммарной массы и длины ребер жесткости в зависимости от угла их наклона к поясам; на фиг. 4 - график зависимости доли поперечной силы, воспринимаемой наклонными ребрами, от отнощения площади сечения пары крестообразно расположенных ребер жесткости к площади сечения стенки между отверстиями; на фиг. 5 - эпюры напряжений в наклонных ребрах в зоне иосшречного и чистого изгибов балки; на фиг. 6 - эпюры нормальных напряжений по высоте тавра в плоскости углов отверстия для балки с неподкрепл.енной стенкой и для балки со стенкой, подкрепленной наклонными ребрами жесткости; на фиг. 7 - эпюры нормальных бх и касательных fx,y напряжений по кромкам отверстия и но длине перемычки между отверстиями для случаев неподкрепленной стенки и подкрепленной предлагаемым способом. Сварная двутавровая балка включает верхний 1 и нижний 2 пояса и подкрепленную системой ребер 3 и 4 жесткости стенку 5, выполненную с имеющими верхний и нижний горизонтальные участки многоугольными отверстиями 6. Стенка 5 балки получена из исходного листа путем его зигзагообразной разрезки с последуюнлей раздвижкой и сваркой по выступам обеих половин с заданным коэффициентом роспуска, равным отношению полученной высот1л стенки к ширине исходного листа. Возможен вариант предварительной сварки поясов 1 и 2 с исходным листом в качестве стенки и последующей зигзагообразной разрезки ее, раздвижки частей балки и сварки их по выступам стенки по аналогии со сквозной развитой но высоте балкой, полученной из исходного прокатного двутавра. Сквозная с отверстиями стенка 5 сварной балки с гибкостью порядка .Я 150- 250 подкреплена с обеих сторон ребрами 3 и 4 жесткости с минимальным взаимным углом наклона Р 80-90° и под углом Л 40-45° к плоскости поясов. Ребра жесткости, расположенные с обеих сторон стенки, образуют крестообразную решетку в виде системы непересекающихся сжатых и растянутых раскосов и прикреплены торцами непосредственно или через вставку (не показана) к поясам 1 и 2 вблизи вертикальных осей симметрии (у -YI) отверстий 6 (фиг. 2). При этом наклонные ребра 3 и 4 жесткости пересекают горизонтальную ось симметрии (х, - Xi) отверстий посредине длины перемычек стенки между ними и расположены на минимальном расстоянии от углов отверстий, равном С (3-6), где & - толщина участка стенки вблизи рассматриваемого угла отверстия. Суммарная площадь сечения нары ребер 3 и 4 жесткости, образующих ячейку крестообразной решетки в виде непересекающихся сжатого и растянутого раскосов, составляет 2Ар (0,1 - 0,3) ACT, где АСТ Ьст площадь стенки балки между отверстиями, а hc,T - высота стенки. Высота тавра, образованного частью стенки между горизонтальными участками отверстий 6 и соответствующим поясом 1 или 2, составляет Ьт (- у) hoTB, где hoTB - высота отверстия, равная расстоянию между горизонтальными егч) участками. Угол нш ;лона ребер к поясам, равный сС 40-41э°, является оптимальным в отно1пении металлоемкости ребер и погонажа щвов крепления их к стенке (фиг. 3). Здесь G и Омакс - массы ребер жесткости соответственно нри углах 50° и оС 50°, Z1 и 2:1макй - длины швов крепления ребер жесткости к стенке соответственно при углах 35°sioC 50° и оС 50°. При этом определяющим параметром является масса ребер. Минимальное расстояние между ребрами жесткости и ближайшим к ним углом отверстия (фиг. 2), регламентируемое величиной С (3-Q}5, определяется из условия минимизации влияния сварочных напряжений, вследствие термического влияния швов крепления ребер, на интенсивность напряжений в углах отверстий. С уммарная площадь сечения пары ребер жесткости 3 и 4, образующих единичную ячейку крестообразной решетки в виде непересекаюшихся сжатого и растянутого раскосов, является оптимальной в диапазоне 2Ар (0,1-0,3) А„ (фиг. 4). В этом случае доля поперечной силы Q, воспринимаемой наклонными ребрами жесткости, составляет QP (0,5-0,8)Q. Остальная часть поперечной силы QtT Q-Qp (0,2-0,5)Q воспринимается стенкой сквозной балки. Такое распределение поперечной силы между наклонными ребрами и стенкой является оптимальным в отношении рационального нагружения ребер 3 и 4 жесткости и снятия избыточных нормальных и касательных напряжений в сквозной стенке от вторичного изгиба, т.е. от влияния поперечной силы. Дополнительным условием обеспечения подобного рационального распределения нормальных и касательных напряжений в сквозной стенке балки является соотношение между высотой hjтавра, образованного частью стенки между 1оризонтальными участками отверстий и соответствующим поясом.

и высотой отверстия Но,, а именно: hj. ( g)hoi6. Данное соотношение отвечает рациональному коэффициенту роспуска (развития высоты сквозной балки по отношению к исходной), равному Кр 1,45-1,6.

Характерной особенностью предлагаемой балки с крестообразной решеткой ребер жесткости является работа конструкции как балки-фермы с выраженным плоским напряженным состоянием стенки балки и возникновением значительных усилий в наклонных ребрах жесткости, работающих как решетка фермы. Распределение напряжений по длине наклонных ребер, как раскосов фермы, в зоне чистого и поперечного изгиба представлено на фиг. 5, откуда следует, что напряжения по длине наклонных ребер неравномерны с увеличением их величины вблизи верхних и нижних углов отверстий. Кроме того, в зоне чистого изгиба напряжения по длине наклонных ребер меняют знак на противоположный с уменьшением абсолютной величины напряжений по сравнению с ребрами в зоне поперечного изгиба в 8-12 раз.

Подкрепление предлагаемым образом стенки сквозных балок обеспечивает существенное (на 12-20%) уменьшение вертикальных прогибов, что полностью компенсирует добавочную величину прогиба от поперечной силы. Подкрепление стенки сквозной балки непересекающимся набором наклонных ребер в виде крестообразной решетки приводит к суплественному ( в 2-4 раза) уменьшению пиков нормальных напряжений бх в углах отверстий, являющихся резкими концентраторами напряжений (фиг. 6), обеспечивает существенное снижение уровня касательных напряжений у в плоскости перемычки стенки между отверстиями 6 (фиг. 7 справа), а также приводит к резкому уменьшению нормальных бх. и касательных 2лу напряжений по кромкам отверстий (фиг. 7 слева).

Последнее исключает возможность возникновения значительных напряжений сжатия (растяжения) по наклонным кромкам отверстий, а следовательно, исключается потеря устойчивости плоской формы сквозной стенки, в то время как в неподкрепленных крестообразно стенках в известных сквозных балках винтообразная форма потери устойчивости стенки инициируется с сжатых кромок отверстий по аналогии работы их с работой сжатых раскосов. На фиг. 6 и 7 эпюры напряжений 7 и 8 построены соответственно для сквозной балки с неподкрепленной стенкой и для сквозной балки, подкрепленной непересекаюшимся набором ребер 3 и 4 жесткости в виде крестообразной решетки. Графики и эпюры распределения напряжений в стенке и наклонных ребрах сквозной балки (фиг. 3-7) получены с использованием метода конечных элементов. Рациональная высота сварных балок со сквозной гибкой стенкой, подкрепленной непересекающимся набором наклонных ребер в виде крестообразной решетки, составляет преимущественно 2,0-4,0 м. В качестве ребер жесткости в весьма высоких балках могут быть использованы гнутые или горячекатаные профили.

Применение предлагаемой конструк0ции позволит распространить преимущества сквозных балок, получаемых из исходных прокатных двутавров, на сварные балки с гибкой сквозной стенкой с соответствующим снижением их металлоемкости как по сравнению со сплощностенчатыми сварными

5 балками, подкрепленными вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, так и по сравнению с известными сварными сквозными балками с подкреплением стенок в виде обечаек, укрепленных по кон0туру отверстий, или с полткреплением вертикальными ребрами жесткости. По сравнению с указанными сварными сквозными балками обеспечивается, кроме того, снижение трудоемкости изготовления.

Использование предлагаемой сварной

5 балки со сквозной стенкой весьма рационально в конструкциях, подверженных воздействию перемещающейся по верхнему их поясу переменной нагрузки, например, в мостах и тому подобных сооружениях,

0 вследствие рассеяния локально приложенной нагрузки на всю высоту сквозной стенки балки через наклонные ребра и разгрузки тем самым участков стенки вблизи нагруженного пояса. Являясь бимоментными связями, крестообразная решетка ребер увеличивает, кроме того, крутильную жесткость балкл в 3-6 раз.

Формула изобретения

Сварная двутавровая балка, имеющая

0 стенку с многоугольными отверстиями, обрамленными ребрами жесткости, отличающаяся тем, что, с целью снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления, ребра жесткости выполнены в виде системы сжа5тых и растянутых раскосов, образующих крестообразную решетку с взаимным углом наклона элементов рещетки 80-90° и размещением узлов пересечения раскосов на продольной оси балки, причем сжатые раскосы расположены по одну сторону стенки,

0 а растянутые - по другую и прикреплены торцами к поясам, при этом су.ммарная площадь каждой пары сжатого и растянутого раскосов, образующих ячейки крестообразной рещетки,составляет 2Ар (0,1-0,3)Аст

5 где ACT - площадь стенки балки между отверстиями, а высота сечения балки над отверстием равна 1, 6- 1,8 высоты отверстия.

f J

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущих конструкций. Целью изобретения является снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления. Ребра 3 и 4 жесткости выполнены в виде системы сжатых и растянутых раскосов, образующих крестообразную решетку. Элементы решетки установлены с взаимным углом наклона 80- 90°. Цлощадь каждых сжатого и растянутого раскосов составляет 2 Ар

(Puz.5 Зона nonepet ffzo A. фиг. 5 Фиг. Зона i ucmoeo t/((