Ажермачев С.Г. Усиление балок с перфорированными стенками

8
.
9, 2004 .
УДК 624.023.93
С.Г. Ажермачев, инженер
Крымская академия природоохранного и курортного строительства
А
Усиление балок с перфорированными стенками
ж
Г
.С
р
м
е.ч
в
а е
Рассматривается напряженно-деформированное состояние балок с перфорированной стенкой. Приводится
методика расчета усиления таких балок. Предлагается применять такие балки в палубных конструкциях
морских платформ
балка с перфорированной стенкой, нагрузка, напряжение, прогиб, усиление, испытание, хрупкое разрушение
Стальные балки с перфорированной стенкой
находят широкое применение в качестве конструкций покрытий и перекрытий, ездовых балок подвесных кранов и т.п. Они достаточно экономичны по
расходу материала и стоимости. Такие балки с успехом применяют в сооружениях под распределенную
и сосредоточенную нагрузки. Однако, в отдельных
случаях при увеличении нагрузки или при значительных сосредоточенных нагрузках, в поясах, в зонах,
примыкающих к опорам, могут возникнуть значительные суммарные напряжения, большую долю которых вызывают поперечные силы. Это может привести к отказу применения балок с перфорированной стенкой или потребует их усиления.
Экспериментальные исследования, а также опыт
проектирования и эксплуатации балок с перфорированными стенками показывает, что наиболее эффективное усиление дает постановка наклонных ребер
жесткости из уголков или круглой стали. При сосредоточенных нагрузках на балки (прогоны, опирание
других конструкций и т.п.) лучшим оказывается вариант с восходящими раскосами, так как в этом случае перемычки стенки работают на растяжение и не
требуется их укрепление от потери устойчивости.
В настоящей работе предложен приближенный
метод расчета балок с усиленной перфорированной
стенкой (рис.1).
Введем следующие обозначения:
Q - поперечная сила в рассматриваемом сечении; M
- изгибающий момент ; E - модуль упругости материала; I - момент инерции балки; I 0 - момент инерции ослабленного отверстием сечения балки; I П -
жести пояса до верхней или нижней фибры; h - расстояние от центра тяжести ослабленного отверстием сечения балки до точки, в которой определяется
напряжение; b - шаг отверстий; - угол наклона раскоса к поясу балки; f 0 - прогиб в середине пролетаа
однопролетной двутавровой балки с постоянной жесткостью.
Момент инерции перфорированной балки
I1 
1
I 0 b  I L  l 0  .
L
Усилие в раскосе можно записать
Np 
Q
.
24 I n l
sin  
A p a 3 sin 
Максимальные нормальные напряжения в поясе от местного изгиба
M 
6N pl Z
a 2 A p sin 
лах отверстия; L - пролет балки; l 0 - суммарная длина отверстий в стенке; Z - расстояние от центра тя-
.
(2)
Нормальные напряжения в балке от общего изгиба
0 
Mh
.
I
(3)
Прогиб балки в середине пролета
момент инерции пояса балки; A p - площадь сечения
раскоса; l - длина раскоса; a - длина пояса в преде-
(1)
f  f0  
N pl
2 EA p sin 
.
(4)
.
9
9, 2004 .
Рис.1. Балка с перфорированной стенкой до и после усиления.
Предлагаемая методика была использована при расчете усиления балок с перфорированными стенками, примененных в качестве ригелей промышленного объекта.
Балки пролетом 12 м, изготовленные из двутавра №36, имели высоту 610 мм, по ним
укладывали прогоны и легкую кровлю из
профилированного настила. На расстоянии
одного метра от опор к балкам подвешивали пути подвесного транспорта.
Проверочный расчет показал, что несущая способность и жесткость смонтированных балок значительно ниже требуемой.
Потребовалось усиление балок в крайних
третях пролета (рис. 1).
Для определения действительной несущей способности и жесткости сквозных ригелей, а также оценки точности выполненных расчетов были проведены натурные
испытания существующей и усиленной балок.
Натурные испытания балок проводили
на специальном стенде. Схема испытаний
соответствовала действительным условиям
работы ригелей в покрытии. Нагрузку прикладывали при помощи гидравлических
домкратов в местах установки прогонов и
прикрепления путей подвесного транспорта. Значение нагрузок контролировали манометрами и динамометрами. Напряжения
в элементах балок замеряли тензометрами
ТА- 2, прогибы - прогибомерами ПАО-6.
Экспериментальные исследования неусиленной балки подтвердили, что несущая
способность сквозного ригеля ниже расчетной. Напряжения в поясах значительно превосходили расчетное сопротивление стали.
Балка имела недопустимые прогибы. Высокий уровень напряжений и большие проги-
бы балки вызывались местными изгибами
поясов от поперечных сил, что обычно не
учитывается при расчете балок с перфорированными стенками.
Испытания усиленной балки показали,
что при расчетной нагрузке она обладает
достаточной несущей способностью и жесткостью. Экспериментальные значения напряжений в поясах и раскосах и прогибы
балки в середине пролета приводены в таблице. Там же даны теоретические значения
этих величин, определенные по предложенной выше методике.
Таблица
Элемент, место
Первый раскос
Второй раскос
Пояс
Середина пролета
Напряжения, МПа Прогиб, мм
эксп.
теорет.
эксп. теорет.
77.1
81
84
79.5
73.5
74
30.8
30
Из таблицы видно, что теоретические
напряжения и прогибы усиленной раскосами балки близки к экспериментальным.
Хорошее совпадение теоретических напряжений и прогибов с экспериментальными позволяет рекомендовать предложенную
методику расчета перфорированных балок,
усиленных раскосами, в инженерной практике.
Несколько другая картина напряженнодеформированного состояния для балок с
перфорированной стенкой должна быть в
случае работы этих балок совместно со
стальным настилом. Такое конструктивное
решение мы будем иметь в случае использования таких балок в качестве несущих
конструкций технологических палуб и пло-
10
щадок для приема вертолетов в морских
платформах для разведки и добычи углеводородов на континентальном шельфе морей. Однако прежде чем балки с перфорированной стенкой рекомендовать к применению в таких сооружениях необходимо исследовать влияние включения в работу
стального настила и исследовать картину
напряженного состояния в стенке балки, в
углах вырезов. Здесь наблюдаются высокие
значения концентраторов напряжений, а
учитывая, что балки будут воспринимать
динамическую нагрузку, в этих зонах могут
наблюдаться хрупкие разрушения. Предложенный способ усиления несколько смягчает влияние концентраторов напряжений,
но в какой степени, можно будет судить
после проведения исследований.
.
9, 2004 .
ВЫВОДЫ
. После образования балки с перфорированной стенкой
необходимо делать проверку напряженного состояния
с учетом всех компонентов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Металлические конструкции. /Под ред. Е.И. Беленя. –
м. Стройиздат. 1985. 560 с.
2. Проектирование металлических конструкций. /Под ред.
В.В. Бирюлева. – Л. Стройиздат. 1990. 432 с.
3. Справочник проектировщика. Металлические конструкции /Под ред. В.В. Кузнецова. Т.1. – М. АСВ. 1998.
576 с.