Балки с перфорированной стенкой: общие положения
Современные прокатные двутавры с параллельными гранями полок, в том числе широкополочные высотой до 1 м, дают возможность перекрывать пролеты 13 ... 15 м при значительных нагрузках. Удельная трудоемкость изготовления их по основным операциям в 2 ... 2,5 раза меньше, чем в аналогичных по пролету фермах. Однако расход металла на сопоставимые конструкции в 1,5 раза больше, чем в фермах, а высота двутавров в 2,5 раза меньше. Снижение высоты конструкции всегда выгодно, но при малой высоте уменьшается плечо изгибающего момента, а следовательно, возрастает усилие в поясах и площадь последних. К тому же стенки в двутаврах по условиям прокатки довольно толстые (1/50 ... 1/65 высоты).
Поиски путей повышения эффективности прокатных двутавров привели исследователей еще в первые десятилетия нашего века к оригинальной идее. Стенка прокатного двутавра разрезается по зигзагообразной линии с помощью газорезки или методом прессования. Затем разрезные части балки соединяются в местах примыкания выступов с помощью сварки, образуя сплошные перемычки. Получается своеобразная конструктивная форма — двутавр с отверстиями в стенке. В технической литературе он получил несколько названий - двутавр с перфорированной стенкой, двутавр с развитым сечением, сквозной двутавр .Далее будет употребляться первое наименование, использованное в нормах. Эффективность двутавра с перфорированной стенкой по сравнению с исходным объясняется тем, что высота первого увеличивается примерно в 1,5 раза, толщина стенки составляет 1/75 - 1/95 от высоты и, наконец, благодаря отверстиям в стенке нового двутавра из нее как бы изымается до 35 ... 40 % материала; |
Рисунок 11.1 – Тип реза стенки (симметричный и несимметричный) |
Двутавры с перфорированной стенкой обеспечивают 20 ... 30 % экономии металла по сравнению с прокатнымидвутаврами и дешевле последних на 10 ... 18 %. По трудоемкости изготовления они на 25 ... 35 % эффективнее, чем сварные двутавры, за счет сокращения операций обработки и объема сварки.
Особенности работы
Работа двутавров с перфорированной стенкой отличается от работы сплошностенчатых балок. Эпюры нормальных напряжений, выявленных в результате многочисленных испытаний балок, показаны на рисунке. По поясам по сечению 1—1 нормальные напряжения в упругой стадии распределяются по линейному закону. У углов отверстий в сечении 2—2 вследствие влияния концентраторов напряжений (резкое изменение сечения) имеет место нарушение линейного закона. На небольшом участке напряжения существенно возрастают и пластические деформации могут появляться сравнительно рано, хотя в целом на несущую способность балки это не оказывает заметного влияния. При низких температурах, действии циклических или ударных нагрузок пластичность в углах сковывается, в этих местах могут зарождаться трещины. На сплошном участке (сечение 3—3) хотя и имеет место некоторое искривление эпюры нормальных напряжений, но это довольно близко к тому, как распределяются нормальные напряжения в обычных двутаврах. Наконец, в сечении 4—4 показана эпюра нормальных напряжений.
Работа поясов балок с перфорированной стенкой осложняется тем, что они испытывают дополнительный изгиб от поперечных сил в пределах отверстий. Предельное состояние наступает тогда, когда пластичность пронизывает сечение пояса, причем при поперечном изгибе могут появиться шарниры пластичности в четырех углах отверстия. Эти шарниры возникают и при сложном напряженном состоянии в поясах. Прогибы балок с перфорированной стенкой превышают на 5 ... 40 % прогибы, вычисленные, как в обычных балках, с учетом момента инерции по ослабленному сечению. Потеря местной устойчивости перемычек происходит в основном от сдвига. Испытания показывают, что перемычка при потере местной устойчивости закручивается пропеллерообразно. Растянутая часть остается в плоскости стенки, сжатая выгибается из плоскости. В связи с тем, что стенка одного из тавровых поясов сжата или сжато-изогнута, она также может потерять местную устойчивость, после чего исчерпывается несущая способность всей балки. На основе данных экспериментальных исследований были разработаны методики расчета. |
Рисунок 11.2 – Эпюры нормальных напряжений в поясах и перемычке балки |
