8247
.pdf
|
20 |
|
|
3. Расчет и конструирование сварных балок |
|
||
Теория вопроса |
|
|
|
Общие сведения |
|
|
|
Балки составного сечения применяют в случаях, когда про- |
|||
катные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, об- |
|||
щей устойчивости, т.е. при больших пролетах и больших изгибающих |
|||
моментах, а так же если они экономичнее. |
|
|
|
Составные балки применяют, как правило, сварными,их се- |
|||
чение состоит из трех листов (см. рис.3.1). |
|
|
|
|
|
верхний пояс балки |
|
|
"у" |
(bf х tf ) |
|
|
|
|
|
/2 |
|
f |
|
f |
|
|
|
t |
|
t |
|
стенка балки |
b |
|
|
(hw х tw ) |
|
|
|
ef |
tw |
|
|
|
|
|
|
|
bh |
bh |
|
o |
|
w |
h |
h |
|
h |
|
|
|
"х" |
|
парные промежуточные |
|
|
|
ребра жесткости |
|
|
|
(bh х th ) |
|
|
|
/2 |
|
f |
|
|
t |
|
|
f |
в |
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
нижний пояс балки |
|
|
60 |
||
|
(bf х tf ) |
|
|
|
40 |
|
|
Рис. 3.1. Сечение составной сварной балки |
|
||
Сварные балки изготавливают на заводах металлических конструкций, оборудованных технологическими линиями для изготовления сварных двутавров. Соединение стенки и поясов двутавров осуществляется с помощью автоматической сварки. Стенку и пояса балок
21
изготавливают из стальных листов, выпускаемых по ГОСТ 19903-74* или по ГОСТ 82-70*.
Для экономии материала в составных балках изменяют сечение по длине, как правило, за счет изменения ширины поясов балки в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.
Упругопластическая работа материала в таких балках допускается с теми же ограничениями, что и для прокатных балок.
Масса балки состоит из массы стенки и из массы поясов, массы некоторых конструктивных элементов (ребер жесткости). При увеличении высоты сечения балки масса стенки увеличивается, а масса поясов снижается. И, наоборот, при уменьшении высоты сечения балки масса стенки снижается, а масса поясов увеличивается. Таким образом, сварные балки, как правило, проектируют оптимальной высоты, при которой расход стали на них минимальный.
Компоновка и подбор сечения составных балок
Порядок подбора сечения однопролетной шарнирно опертой сварной балки в виде симметричного двутавра.
1. Задаются гибкостью стенки w = hw 
tw . Гибкость стенки для различных балок принимает значения от 100 до 150 (меньшее значение при пролетах балок 6 8м, большее – при пролетах балок 20 24м). При этих значениях гибкости, как правило, обеспечивается местная устойчивость стенки балки. Наиболее часто балки проектируют с гибкостью 110 130.
2. Определяется оптимальная высота сечения балки, обеспечивающая минимальный расход стали на балку из условия прочности по формуле:
hопт = 3
3 λw Wr 2
где – требуемый момент сопротивления сечения балки, определяемый по формуле:
W |
= |
Mmax γn |
, |
r |
|
Ry γc |
|
3. Определяется минимальная высота сечения балки из условия жесткости по формуле:
22
|
|
|
|
|
|
hmin= |
5 Ry γc l γn |
|
l qdn |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
24 E |
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|||||||
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
|
|
|
– обратная величина нормируемого относительного прогиба. |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Назначаются размеры стенки балки |
|
|
.Высота стенки |
|
||||||||||||||
балки |
|
4.должна быть не менее |
|
, близка к ×, иметь гибкость |
|
||||||||||||||||||
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
опт |
|
|
|
|
|||||
|
диапазоне 110 130 при постановке только поперечных ребер жест- |
|
|||||||||||||||||||||
кости и с целью унификации кратна 100мм. Учитывая существующие |
|
||||||||||||||||||||||
толщины листового сортамента, возможные размеры стенки балки |
|
||||||||||||||||||||||
приведены в таблице 3.1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.1 |
|
||
|
Возможные размеры стенки балки и соответствующая им гибкость |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
hw,см |
|
|
60 |
70 |
80 |
|
80 |
|
|
90 |
|
|
|
100 |
110 |
110 |
|
120 |
|||||
tw, см |
|
|
0,5 |
0,6 |
0,6 |
|
0,8 |
|
|
0,8 |
|
|
0,8 |
0,8 |
1,0 |
|
1,0 |
||||||
w= |
|
|
120 |
116,7 |
113,3 |
|
100 |
|
|
112,5 |
|
125 |
137,5 |
110 |
|
120 |
|||||||
hw/tw |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
hw,см |
|
|
130 |
140 |
150 |
|
160 |
|
|
170 |
|
|
180 |
190 |
190 |
|
200 |
||||||
tw, см |
|
|
1,0 |
1,2 |
1,2 |
|
1,2 |
|
|
1,4 |
|
|
1,4 |
1,4 |
1,6 |
|
1,6 |
||||||
w= |
|
|
130 |
116,7 |
125 |
|
133,3 |
|
121 |
|
|
128 |
135,7 |
118,8 |
|
125 |
|||||||
hw/ tw |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5.Определяется момент инерции стенки балки по формуле:
=12 ,
6.Находится требуемый момент инерции сечения балки:
|
|
|
= |
+2∙ |
|
|
|
|
где |
– |
∙2, |
|
|||||
|
- высота балки |
=, |
= |
|||||
2см. |
|
толщина полки балки. |
Предварительно задаются |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
7.Вычисляется требуемый момент инерции поясов балки:
,= −
8.Требуемая площадь одного пояса находится из выражения:
23
|
|
|
|
|
Af,r = 2 If,r |
|
|
h02 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Где – расстояние между центрами тяжести поясов балки |
|
|
|
|
|
. |
||||||||||||||||||||||||||
|
9. Назначаются размеры поясов балки |
|
|
|
|
. |
|
При этом сле- |
||||||||||||||||||||||||
|
× |
|
|
|
|
= − |
|
|
||||||||||||||||||||||||
дует учитывать: |
|
|
|
|
= |
|
|
|
∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
больше |
а);площадь пояса |
|
|
|
|
|
|
|
|
должна быть равна или чуть |
||||||||||||||||||||||
|
б,) ширина поясных листов принимается равной: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
- из условия обеспечения общей устойчивости балки |
|
|
|
; |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
- из условия равномерного распределения |
нормальных на- |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
≥ |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
- из условия |
|
|
|
|
≤ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
≤ 600 мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
пряжений по ширине листа |
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
обеспечения местной устойчивости |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bef |
|
|
Ryf |
|
|
|
|
|
|
|
Ryf |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
λ =0,5 |
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
f |
|
tf |
|
|
|
|
E |
|
|
|
uf |
|
|
σc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
- из условия наиболее конструктивных границ по ширине |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
bf = |
|
|
|
|
|
h; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
- как правило, ширину поясных листов |
|
|
принимают кратно |
||||||||||||||||||||||||||||
2см.
в) толщину поясных листов назначают в соответствии с сортаментом листового проката в пределах от 8 до 40мм, при этом из условия свариваемости должно выполняться условие ≤ 3∙ .
При назначении размеров поясов следует помнить, что у листового проката толщиной более 20мм понижается расчетное сопротивление, поэтому применение листов толщиной более 20мм экономически не целесообразно.
10.Выполняется проверка местной устойчивости пояса балки по формуле:
|
|
|
|
bef |
|
Ryf |
|
|
|
Ryf |
|
||
|
λ |
|
|
|
λ =0,5 |
; |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
f |
|
tf |
|
E |
|
uf |
σc |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где -свес полки балки, |
|
= |
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
24
– расчетное сопротивление стали полки растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;
– напряжение в сжатом поясе, определяется по формуле:
= |
∙ |
, |
∙ |
Здесь – момент сопротивления сечения нетто для сжатого пояса сечения относительно оси «х».
11. Определяются геометрические характеристики сечения
балки:
- момент инерции относительно оси «х»:
|
t |
w |
h3 |
|
|
|
hw+tf |
2 |
|
||
I= |
|
w |
+2 b |
f |
t |
f |
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
12 |
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
- момент сопротивления относительно оси «х»:
2∙ = ;
- площадь поперечного сечения балки:
- статический |
= |
∙ +2∙ |
|
∙ |
; |
|
|
|
момент полусечения: |
|
|
||||
|
|
tw hw2 |
|
hw+tf |
|
||
|
|
|
+bf tf |
|
|
|
|
S = |
|
|
|||||
|
2 |
|
|||||
|
8 |
|
|
|
|||
12. Производится расчет на прочность балки в сечении с мак-
симальным изгибающим моментом: |
|
||
|
, |
∙ |
≤ 1, |
где |
- расчетный максимальный, ∙ ∙ |
изгибающий момент в балке с |
|
учетом, |
ее собственного веса. |
|
|
13. Производится проверка прочности балки в сечении с максимальной поперечной силой (условие среза на опоре) по формуле:
, |
∙ |
∙ |
|
∙ |
∙ |
∙ , |
≤ 1 |
|
|
25 |
где |
- расчетная максимальная поперечная сила в балке (на опо- |
|
ре) с учетом, |
ее собственного веса. |
|
14. Производится проверка жесткости балки:
f f l l
где / – относительный максимальный прогиб балки от нагрузки;
–максимальный прогиб балки, см;
–пролет балки, см.
= |
5∙ ∙ |
∙ |
, |
384 ∙ |
∙ |
где - нормативная равномерно распределенная нагрузка, действующая на балку, включающая постоянные и временные длительные нагрузки с учетом фактического веса балки.
– нормируемый относительный прогиб балки, принимается по таблице E.1 1 или см. §2.
15. Производится проверка местной устойчивости стенки
балки.
Приведенная гибкость стенки определяется по формуле:
|
|
|
|
|
|
= |
hef |
|
Ry |
; |
|
|
|
|
|
|
λ |
w |
|
|
|||||
|
|
|
|
tw |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|||
где - расчетная высота стенки балки. Для сварных балок |
|
. |
||||||||||
Если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
обеспечен- |
||
λw |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
3,5, то устойчивость стенки считается |
= |
|
||||||||
ной (при отсутствии местных напряжений в сварной балке с двухсторонними поясными швами).
Если λw 3,5, то необходимо проверить местную устойчи-
вость стенки по методике [2]. Указанная проверка в настоящихпримерах с целью сокращения объема работы не производится.
16. Выполняется расстановка поперечных ребер жесткости
балки.
В работе принимаются парные поперечные ребра жесткости. Установка промежуточных поперечных ребер жесткости не-
обходима, если λw 3,5 (при отсутствии подвижной нагрузки). Пре-
26
дельное расстояние между промежуточными поперечными ребрами
жесткости определяется по формуле: |
|
|
. Шаг промежуточ- |
|
ных поперечных ребер жесткости |
должен быть кратен пролету бал- |
|||
|
, |
= 2∙ |
|
|
ки.
17. Назначаются размеры парных промежуточных поперечных ребер жесткости.
Ширина ребра жесткости определяется по формуле:
≥ 30 +25 мм,
Ширина ребра жесткости принимается кратной 5мм. Толщина ребра жесткости определяется по формуле:
t |
|
2 b |
|
|
Ry |
; |
r |
r |
|
||||
|
|
|
E |
|||
Толщина ребра жесткости принимается в соответствии с сортаментом листовой стали.
18. Выполняется проверка общей устойчивости балок. Проверку общей устойчивости балок см. §2.
27
Задание
Подобрать сечение сварных двутавровых балок перекрытия при упругой работе материала(балка Iкласса). Тип балочной клетки упрощенный (см. рис.1.1). Район строительства – г. Архангельск.
Группа конструкций – 2. Здание второго уровня ответственности |
|
||||
балок( |
, |
= 1,0) |
|
= 1,0 |
Шаг |
сти |
|
|
. Коэффициент условий работы принять |
.( |
|
|
|
= |
|||
материал балок, нагрузку от собственного веса конструкций перекрытия и временную нагрузку на перекрытие принять по таблице 2.1 в соответствии с трехзначным шифром, который выдается преподавателем. Пролет балок принять увеличенным на 6 м по сравнению с заданным значением пролета в табл. 2.1 по заданному шифру.
Пример
Исходные данные для варианта задания с шифром «142»:
1.Район строительства – г. Архангельск.
2.Группа конструкций – 2.
3. |
Здание второго уровня ответственности |
( |
= 1,0) |
. |
|
4. |
Коэффициент условий работы |
= 1,0 |
|
||
. |
|
||||
5.Пролет балок = 6+6 = 12 м.
6.Шаг балок = 6м.
7.Материал балок сталь – С245 по ГОСТ 27772-88*.
8.Тип перекрытия – 2 (см. приложение 1).
9.Нормативное значение временной нагрузки на пере-
крытии – полное = 3,0 кН/м , пониженное |
= 1,0кН/м . |
Пример выполнения упражнения для задания с шифром «142».
1. Нагрузка от собственного веса перекрытия для типа перекрытия «2» (см. приложение 1) определяется в таблице 2.2.
Численно нагрузки равны:
gсв=8,23 к Н
м2 ;
n |
2 |
; |
gсв=7,15 кН м |
|
2. Равномерно-распределенные нагрузки, действующие на балку, определяются по формулам:
-нормативное значение, включающее постоянные и временные длительные нагрузки (пониженное значение):
|
|
|
|
28 |
|
|
qdn= (gсвn +gadn |
) a=1,03 (7,15+1,0) 6=50,37 кН м |
|
|
|
- расчетное значение: |
||
|
|
qdn= (gсв+ga |
) a=1,03 (8,23+3,6) 6=73,11 кН м |
|
где |
- коэффициент, учитывающий собственный вес металлической |
|||
балкипри; = 1,02 при; |
= 6м, = 1,03 при =1,03 при = 12м, = |
|||
1,05 |
– = 18м |
|
|
|
|
|
расчетное значение временной нагрузки на перекрытие, |
||
кН/м², определяется по формуле: |
||||
где |
- |
= |
, |
∙ = 1,2∙3,0 = 3,6кН/м , |
ветствии, |
коэффициент надежности по нагрузке, принимается в соот- |
|||
с требованиями п.8.2.2 [1]. |
||||
3. Расчетная схема балок перекрытия представляет собой однопролетную шарнирно опертую балку, загруженную равномернораспределенной нагрузкой (см. рис. 1.2).
Максимальные расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы соответственно определяются по формулам:
|
= |
∙ |
|
= |
73,11∙12,0 |
= 1315,98 кН ∙м; |
|
|||||
|
8 |
|
8 |
|
|
|||||||
|
|
= |
|
∙ |
= |
73,11∙12,0 |
= 438,66 кН |
Wr |
|
|||
4. |
Требуемый |
момент сопротивления сечения |
определя- |
|||||||||
2 |
2 |
|
|
|
|
|
||||||
ется по формуле, полученной из выражений (1): |
|
|
|
|||||||||
|
|
∙ |
|
|
1315,98∙10 |
∙1,0 |
|
|
|
|||
5. |
= |
∙ |
= |
|
24∙1,0 |
|
= 5483,25см ; |
|||||
|
Задаются гибкостью стенки |
|
|
|
. |
|
|
|||||
6. |
Определяется оптимальная |
высота сечения балки, обеспе- |
||||||||||
|
= 120 |
|
|
|
||||||||
чивающая минимальный расход стали на балку из условия прочности по формуле:
h =3 |
3 λ |
|
|
Wr |
3 |
3 120 |
5483,25 |
99,6 см |
|
|
|
||||||
опт |
|
w |
2 |
|
2 |
|
||
Определяется минимальная высота сечения балки из условия жесткости по формуле:
29
hmin= |
5 Ry γc l γn |
|
l |
|
|
qdn |
|
|
5 24 1,0 12 102 1,0 |
250 |
|
50,37 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50,17 см |
||||||
|
|
24 E |
|
|
|
q |
|
|
|
24 20600 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
73,11 |
|
||||||||||||
0,8см |
(см6.. табл. 3.1). |
|
|
|
|
размеры |
стенки |
балки |
|
× |
|
|
= 100× |
||||||||||||||||||||
|
|
|
Назначаются |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
7. Определяется момент инерции стенки балки по формуле: |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
|
0,8∙100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
8. |
|
|
|
= |
|
12 |
|
,= |
12 |
|
= 66666,7 см |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Находится требуемый момент инерции сечения балки: |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
∙ |
|
= 5483,25∙ |
103,2 |
= 282935,7 см , |
|
|
|
|
||||||||||||||||
где |
|
|
|
|
– |
|
|
= |
|
+2∙ = 100+2∙1,6 = 103,2 см |
, |
|
|
||||||||||||||||||||
|
- высота балки |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
||||||||||
1,6см. |
|
|
толщина полки балки. Предварительно задаются |
||||||||||||||||||||||||||||||
9. Вычисляется требуемый момент инерции поясов балки: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
10., = |
|
− |
|
= 282935,7− 66666,7 = 216269 см |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
ния: |
|
|
|
|
Требуемая площадь одного пояса находится из выраже- |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
A |
f,r |
=2 I |
f,r |
|
h2 |
=2 216269 101,62 =41,9 см2 , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Где – расстояние между центрами. |
тяжестей поясов балки |
|||||||||||||||||||||||||||
= −11.= 103,2− 1,6 = 101,6 см |
|
|
|
|
× |
. При этом сле- |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Назначаются размеры поясов балки |
|||||||||||||||||||||||||||
дует учитывать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
= ∙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
больше |
а) площадь пояса; |
должна |
быть |
равна |
или чуть |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
б,) |
= 41,9 см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ширина поясных листов принимается равной: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
-из условия обеспечения общей устойчивости балки
≥= ∙103,2 = 17,2 см;
-из условия равномерного распределения нормальных напряжений по ширине листа
≤ = ∙103,2 = 34,4 сми ≤ 60 см;