Сварная двутавровая балка

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (11) 689 04 С 3 08 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ К А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЪСТВ(71) Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций им. Н. П, Мельникова ЦНИИ- проектстальконструкция.(54) СВАРНАЯ ДВУТАВРОВАЯ БАЛКА (57) 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. Площадь каждых сжатого и растянутого раскосов составляет 2 Ар = (0,1 - 0,3) Аст, где А ст - площадь стенки 5 между много- угольными отверстиями 6. Высота сечения балки над отверстием равна 1/6 - 1/8 высоты отверстия 6. 7 ил.Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве несущих конструкций перекрытий, рнгелей рам, главных балок пролетных строений мостов и других конструкций. 5Цель изобретенияснижение металлоемкости и трудоемкости изготовления.На фиг. 1 изображена сварная двутавровая балка, подкрепленная непересекающимся 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. 4график зависимости доли поперечной силы, воспринимаемой наклонными реб рами, от отношения плошади сечения пары крестообразно расположенных ребер жесткости к площади сечения стенки между отверстиями; на фиг. 5 - эпюры напряжений в наклонных ребрах в зоне поперечного и чистого изгибов балки; на фиг. 6 - эиюры нормальных напряжений по высоте тавра в плоскости углов отверстия для балки с неиодкреиленной стенкой и для балки со стенкой, подкрепленной наклонными ребрами жесткости; на фиг. 7 - эпюры нормаль ных б, и касательных Рх,т напряжений по кромкам отверстия и ио длине перемычки между отверстиями для случаев неиодкреиленной 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 последующей раздвижкой и сваркой ио выступам обеих половин с заданным коэффициентом роспускаравным отношению полученной высоты стенки к ширине исходного листа. Возможен вариант 4 О 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 ио высоте балкой, полученной из исходного прокатного лвутавра.Сквозная с отверстиями стенка 5 сварной балки с гибкостью порядка 3 = 150 - 250 подкреплена с обеих сторон ребрами 3 и 4 жесткости с минимальным взаимным 50 углом наклона Р = 80 - 90 и иод углом А = 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, - у,) отверстий 6(фиг. 2). При этом наклонные ребра 3 и 4 жесткости пересекают горизонтальную ось симметрии (х, -- х,) отверстий посредине длины перемычек стенки между ними и расположены на минимальном расстоянии от углов отверстий, разном С = (3 - 6) 6; где Г - толщина участка стенки вблизи рассматриваемого угла отверстия.Суммарная плошадь сечения пары ребер 3 и 4 жесткости, образующих ячейку крестообразной решетки в виде непересекающихсяся сжатого и растянутого раскосов, составляет 2 А,== (0,1-0,3)А, где А= =- Й б - плошадь стенки балки между отверстиями, а Ь, - высота стенки. Высота тавра, образованного частью стенки между горизонтальными участками отверстий 6 и соответствующим поясом 1 или 2, составляет )р = (- 6 - - ) )хоть, где )отв - высота от 1.верстия, равная расстоянию между горизонтальными его участками.Угол иклона ребер к поясам, равный с. = 40 - 45, является оптимальным в отношении металлоемкости ребер и погонажа швов крепления их к стенке (фиг. 3). Здесь Еб и Омахе - массы ребер жесткости соответственно ири углах 35(сг.50 и сС = = 50,:Е и .Емадлины швов крепления ребер жесткости к стенке соответственно при тлах 35( с. 50 и К = 50. При этом определяюгцим параметром является масса ребер. Минимальное расстояние между ребрами жесткости и ближайшим к ннм углом отверстия (фиг. 2), регламентируемое величиной С -- (3 - 6)1, определяется из условия минимизации влияния сварочных напряжений, вследствие термического влияния швов крепления ребер, на интенсивность напряжений в углах отверстий.Суммарная площадь сечения пары ребер жесткости 3 и 4, образующих единичную ячейку крестообразной решетки в виде непересекающихся сжатого и растянутого раскосов, является оптимальной в диапазоне 2 Ар = (0,1 - 0,3) А(фиг. 4). В этом случае доля поперечной силы (.), воспринимаемой наклонными ребрами жесткости, составляет Яр = (0,5 - 0,8) Я. Остальная часть поперечной силы Я= ЯЯр = = (0,2 - 0,5) Я 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 Ь тавра, образованного частью стенки между горизонтальными участками отверстий и соответствующим поясом, 1268689= (- 8 - ) 110,. 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/О) 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 существенному ( в 2 - 4 раза) уменьшению пиков нормальных напряжений б в углах отверстий, являющихся резкими концентраторами напряжений (фиг, 6), обеспечивает существенное снижение уровня касательных напряжений 6 у в плоскости перемычки стенки между отверстиями 6 (фиг. 7 справа), а также приводит к резкому уменьшению нормальных б и касательных Йху 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 непересекающимся 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) по 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лучены 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 конструкции 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 сплошностенчатыми сварными балками, подкрепленными вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, так и по сравнению с известными сварными сквозными балками с подкреплением стенок в виде обечаек, укрепленных по контуру отверстий, или с подкреплением вертикальными ребрами жесткости. По сравнению с указанными сварными сквозными балками обеспечивается, кроме того, снижение трудоемкости изготовления.Использование предлагаемой сварной балки со сквозной стенкой весьма рационально в конструкциях, подверженных воздействию перемещающейся по верхнему их поясу переменной нагрузки, например, в мостах и тому подобных сооружениях, 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, крутил ьную жесткость балки в 3 - 6 раз. Сварная двутавровая балка, имеющая стенку с многоугольными отверстиями, обрамленными ребрами жесткости, отличаюиаяся тем, что, с целью снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления, ребра жесткости выполнены в виде системы сжатых и растянутых раскосов, образующих крестообразную решетку с взаимным углом наклона элементов решетки 80 - 90 и размещением узлов пересечения раскосов на продольной оси балки, причем сжатые раскосы расположены по одну сторону стенки, а растянутые - по другую и прикреплены торцами к поясам, при этом суммарная площадь каждой пары сжатого и растянутого раскосов, образующих ячейки крестообразной решетки, составляет 2 АР = (0,1 - 0,3)А где Аст - площадь стенки балки между отверстиями, а высота сечения балки над отверстием равна 1, 6 - 1,8 высоты отверстия.мио Составитель И. Ермоа Техред И. ВересТираж 718ВНИИПИ Государственного копо делам изобретений и113035, Москва, Ж - 35, Раушскафилиал ППП Патент, г. Ужгород,оваКорректор Е. РошПодписноетета СССРкрытийнаб., д. 4/5л Проектная 4