Общая характеристика балочных конструкций

Балочные конструкции

Балки присутствуют в составе многих сварных конструкций (рамные, мостовые краны, строительные конструкции) и, как элементы этих конструкций, работают в основном на поперечный изгиб и передают действующую на балку нагрузку; в некоторых конструкциях балки работают на косой изгиб, на кручение или могут передавать продольные усилия.

По статической схеме балки могут быть однопролетные и многопролетные, разрезные и неразрезные. Однопролетные балки имеют две опоры, обычно одна - шарнирно-неподвижная, другая - шарнирно-подвижная. Многопролетные балки имеют по несколько опор и бывают разрезными и неразрезными. Разрезные балки прерываются над опорами и являются статически определимыми, неразрезные балки не прерываются над опорами и являются статически неопределимыми. Наиболее распространены разрезные балки в связи с определенностью их работы, простотой изготовления и монтажа.

Балки (стальные) бывают прокатные и составные. Составные балки применяют, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости и устойчивости или когда применение прокатных балок влечет за собой значительный перерасход металла.При больших пролетах и нагрузках, когда требуемый момент сопротивления W_ТР > 2560 см ³, вследствие ограниченности прокатного сортамента проектируют и изготовляют составные балки – сварные или клепаные. По сравнению с прокатными составные балки имеют ряд преимуществ: более равномерное распределение напряжений; возможность придания балке формы, наиболее соответствующей назначению конструкции; эстетичный внешний вид; меньшая масса. Сварные составные балки экономичнее клепаных, поэтому последние имеют ограниченное применение в строительных конструкциях (главным образом, при больших подвижных нагрузках).

Составные балки изготавливают из нескольких прокатных или гнутых профилей и главным образом двутаврового или коробчатого сечения (рис.2.1).

Изготавливать балки из алюминиевых сплавов экономически нецелесообразно вследствие высокой стоимости этих сплавов. К тому же

y y у

x x x x х

y y у

Рис.2.1.Типы сечений составных балок

более низкий по сравнению со сталью модуль упругости ( Е _ал ≈ 0,3 Е _СТ ) осложняет их использование в тех случаях, когда должна быть обеспечена значительная жесткость, а невысокое значение предела выносливости ограничивает использование в условиях многократно повторяющихся нагрузок. Поэтому применять алюминиевые несущие конструкции вообще и балки в частности следует только в особых случаях ( например, при наличии агрессивной среды или при строительстве в сейсмическом районе).

Требуемая работоспособность балки достигается при максимальном соблюдении принципов равнопрочности и равноустойчивости элементов конструкции, а также при обеспечении требуемой жесткости (например, прогибы балки не должны превышать определенной величины, установленной нормами). Удовлетворяя требованиям прочности, жесткости и устойчивости, балки должны одновременно быть возможно меньшей массы, технологичными в изготовлении и долговечными.

Из возможных типов сечений нужно выбрать такое, которое наилуч-шим образом удовлетворяет основным требованиям проектирования: обеспечение экономии металла; снижение трудоемкости изготовления и монтажа; удобство и длительность эксплуатации. Проведенные эксперименты с балками, имеющими различные сечения и параметры, показали, что на несущую способность балок влияет прежде всего величина изгибной жесткости поясов ( или тип сечения), затем прочность металла стенки и поясов.

Наиболее часто применяют сварные составные балки двутаврового и коробчатого профилей: балки симметричного сечения ( рис.2.2, а), при действии вертикальной N и горизонтальной Т нагрузок на верхний пояс – несимметричного сечения ( с развитым верхним поясом) ( рис.2.2, б), при работе балки на кручение двутавровый профиль нецелесообразен, тогда применяют балки коробчатого сечения (рис.2.2, в).

При изгибе форма сечения играет существенную роль, так как прочность балки характеризуется значением момента сопротивления W, а W зависит как от размеров, так и от очертания сечения. Можно получить большой W при малой площади или малый W – при большой. Очевидно, первый вариант выгоднее с точки зрения более благоприятной работы на изгиб и расхода металла, хотя он и не всегда возможен конструктивно.

Рациональны те формы поперечного сечения, у которых основная часть площади удалена как можно дальше от нейтральной линии. Этому условию в первую очередь удовлетворяют балки двутаврового сечения: у них основная масса металла сконцентрирована в удаленных от нейтрального слоя поясах.

N N N

T T

x x

x x x x

M _x

y y y

а) б) в)

Рис.2.2. Схемы нагружения составных балок

Мерой эффективности сечения балки, как конструкции, работающей на изгиб, является отношение W / F ( F – площадь поперечного сечения), чем оно выше, тем экономичнее по расходу материала сечение; за критерий экономичности профилей, работающих на поперечный изгиб, принимают безразмерный удельный момент сопротивления ω = W / F ³ ( W – момент сопротивления профиля) или безразмерное соотношение η = ( W ² / F ³ ) ^1/3 .

Двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в два и круглого в три раза, так как в этом сечении распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных σ и касательных τ напряжений от изгиба балки (рис. 2.3).

b_П δ_П

1 1 σ = 0 τ_1-1

h h _{c т} х х

σ _1-1 τ_max

δ _СТ

у

Рис.2.3.Распределение напряжений в сечении балки при изгибе

Касательные напряжения τ могут иметь существенное значение в балках двутаврового сечения с малой толщиной стенки. Для двутаврового сечения с очень тонкой стенкой и компактными поясами (рис.2.4) распределение τ по высоте будет постоянным:

Q F_п H / 2 Q

τ = =

2 F_п ( H ² / 4 ) b_cт H b_cт

Здесь F_п – площадь сечения пояса; Н – расстояние между центрами тяжести сечений поясов; b_cт – толщина стенки. Касательные напряжения τ в поясах в этом случае можно считать равными нулю ( это не относится к широким поясам с малой толщиной листа ).

Н

δ _ст

Рис.2.4.К определению касательных напряжений в тонкостенной балке

При проектировании балки необходимо обеспечить:

а) прочность и экономичность, в этом случае σ _max ≤ [σ]_P ± 5% при минимальных затратах материала и минимальной стоимости. Иначе говоря, из условия прочности расчетные напряжения σ не должны превышать 1,05 [σ ]_P; с другой стороны, при экономном подходе к расходу металла расчетные напряжения σ должны быть больше 0,95 [σ ]_P.

б) жесткость не ниже заданной, которая зависит от назначения балки и задается в виде [f / L] ( L – длина балки, f- прогиб);

в) устойчивость общую (всей сжатой части балки) и местную (отдельных сжатых элементов) балки.

Поиск по сайту: