книги из ГПНТБ / Толмачев, К. Х. Регулирование напряжений в металлических пролетных строениях мостов

В металлических конструкциях также может быть достигнут большой эффект за счет введения в систему элементов из высоко­ прочной проволоки или тросов. Поскольку модуль упругости сталей разных марок примерно одинаков, деформативность высокопроч­ ных сталей возрастает настолько, насколько повышаются расчет­ ные напряжения. Поэтому так же, как и в железобетоне, рацио­ нальное использование высокопрочной проволоки в металлических конструкциях возможно лишь при наличии предварительного растя­ гивающего напряжения.

На этом, однако, аналогия кончается, так как ® результате предварительного напряжения в бетоне практически можно вы­ звать только сжатие, а в металлических, помимо этого, изгиб и кру­ чение. Последнее расширяет возможности применения предвари­ тельного напряжения в металлических конструкциях по сравнению с железобетоном.

Предварительное напряжение металлических конструкций преследует цель достичь такого перераспределения усилий или на­ пряжений, чтобы они по знаку были бы обратны усилиям и напря­

ное напряжение, можно сократить размеры поперечных сечений. Рассмотрим напряженное состояние предварительно напряжен­

ного усилия Z растянутого стержня1 с площадью поперечного сече­ ния Рпр,в котором возникают усилия Sq и Sp от постоянной и вре­ менной нагрузок.

1 Е. Е. Гибшман. Применение железобетона для усиления металлических мостов. Издательство Минкомхоза РСФСР, 1954.

Напряжение в сечении стержня от постоянной нагрузки

придается конструкции предварительное напряжение. Причем, бла­

годаря предварительному напряжению, достигается полное исполь­ зование прочности высокопрочной стали.

На примере элемента, работающего на растяжение, покажем,

какую эффективность возможно получить при переходе от обычно­ го сечения к предварительно напряженному. Допустим, что обыч­

высокопрочной проволоки f, будет способно выдержать напряже­ ние, равное сумме напряжений

где — предварительное сжимающее напряжение элемента. Если предположить, что основная сталь и сталь высокопрочной

проволоки обладают одинаковыми модулями упругости, то можно

50

Таблица 5

При определении экономического эффекта, получаемого при переходе от обычного к предварительно напряженному сечению, необходимо учесть, что стоимость высокопрочной проволоки выше стоимости обычной стали. Если даже предположить, что стоимость высокопрочной проволоки в 3 раза выше стоимости обычной стали, то получим, что при переходе к предварительно напряженному се чению снижение стоимости не превышает 43%.

Если для предварительного напряжения элемента вместо высо­ копрочной проволоки применить трос, то будет иметь место разни­

Соотношение площадей поперечных сечений троса и основного металла будет равным

модуля упругости металлического сечения Е = 2 100 000 кг/см2, то,

естественно, отношение f 4- Fnp к F в этом случае будет несколько больше, чем это было при применении высокопрочной проволоки.

52

I1роцентное же содержание троса в сечении будет меньше, чем со­ держание высокопрочной проволоки.

Этот анализ указывает на то, что применение стальных кон­ струкций, предварительно напряженных при помощи высокопроч­ ной проволоки или тросов, является экономически выгодным и тех­ нически целесообразным. Именно по этой причине предварительно напряженные конструкции находят себе все. большее и большее распространение и являются наиболее перспективными в своем дальнейшем развитии.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ БАЛОЧНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ НАТЯЖЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЛИ ТРОСОВ

Предварительно напряженные балки можно получить путем на­ тяжения высокопрочной проволоки, стальных стержней или тросов, расположенных в уровне нижнего пояса. Стальные стержни под­ вергают растяжению силой S и закрепляют их в торцах балки. Та­

ким образом, балка в уровне расположения этих стержней под­ вергается сжимающему усилию S. Одновременно вследствие экс­ центричного приложения силы S в балке возникает изгибающий момент

A1S = Se,

который по знаку будет обратным изгибающим моментам от посто­

что, естественно, скажется на уменьшении их сечения. Изложенный выше принцип создания предварительно напря­

женных балок может быть использован как при изготовлении ба­ лок на металлургических заводах, так и в процессе сборки их на строительных площадках.

Для постройки мостов небольших пролетов в США и Англии серийно изготовляют двутавровые предварительно напряженные балки типа «Грэт»1, несущая способность которых на 36% выше,

чем ненапряженных балок тех же размеров. В нижнем поясе этих балок (высотой до 1 м) при прокатке предусматривают специаль­ ные канавки для размещения высокопрочной арматуры, которая при натяжении вдавливается в балку и сцепляется с ней. Для луч­ шего сцепления арматуры с балкой в канавки засыпают порошок карборунда.

После предварительного напряжения балки подвергают вторич­ ной прокатке при температуре около 200°, во время которой зака­ тываются гребни канавок и тем самым обеспечивается закрепление арматуры. Последнее дает возможность разрезать балки на части

,* The Structural Engineer. Ноябрь 1950. В. И. Овсянкин. «Новая техника и передовой опыт в строительстве». 1956, № 5.

53

любой длины, не нарушая при этом эффекта предварительного на­ пряжения.

Предварительное напряжение балок в процессе их сборки мо­

жет быть осуществлено, например, высокопрочной проволокой или тросом при расположениях их в зоне нижнего пояса (рис. 28). При­ чем трос или высокопрочная проволока может находиться над полкой нижнего пояса (рис. 28, а) или под нижним поясом

(рис. 28, б).

Неккаре, которое состоит из двух главных балок со сплошной стен­

этих балок создается при помощи четырех тросов, расположенных по нижним поясам, имеющим трубчатое сечение. Тросы составлены из 52 проволок диаметром 5,3 мм, уложенных параллельно, с вре­ менным сопротивлением 160 кг)мм2. Сила натяжения на каждую балку составила 310 т, что соответствует напряжению в проволоке

6750 кг!см2. Напрягали тросы после установки пролетного строения в пролет продольной накаткой через монтажную промежуточную

опору.

Предварительное напряжение при помощи тросов и применение

пряжения наибольшее напряжение в поясах было бы равным со­ ответственно —1780 кг!см2 и 4-3850 кг/см2.

Каждая из балок подвергнута предварительному сжатию сила­ ми, приложенными эксцентрично относительно центра тяжести по­ перечных сечений. Причем, прилагая разную по величине силу к гибкому напрягаемому элементу, можно регулировать напряжен­ ное состояние балки. Таким образом, до загружения балку можно

рассматривать как статически определимую с произвольным назна­ чением силы предварительного напряжения.

При загружении остальной частью постоянной нагрузки в на­ прягаемом элементе будет возникать дополнительное растягиваю-

54

Подставляя выражение момента сопротивления балки, получим, предварительное сжимающее напряжение в нижнем поясе

верхнем поясе балки. Поэтому чем больше это отношение, тем боль­ ше конечный эффект, полученный от предварительного напряжения балок. Из формулы (30) явствует, что отношение напряжений верх­ него и нижнего поясов зависит от т и k. При т = 0,5, что соответ­ ствует расположению высокопрочной проволоки в уровне нижнего пояса,

т. е. чем больше k, тем больше отношение напряжений. Это указы­ вает на то, что предварительное напряжение особенно эффективно для балок с малой площадью поперечного сечения поясов.

Исследования, произведенные инж. В. М. Вахуркиным, привели к следующим данным увеличения несущей способности балок в за­

висимости от коэффициента k:

Таким образом, оптимальное значение k = 0,5 для обычных ба­ лок не является оптимальным для предварительно напряженных. Наибольшее увеличение несущей способности балок 23% получает­ ся при k = 0,658. Этим же исследованием доказано, что предваригельное напряжение балок снижает расход стали до 19%, не учи­ тывая затраты высокопрочной проволоки, что несколько снизит размер достигнутой экономии.

Площадь поперечного сечения высокопрочной проволоки

где т — полное напряжение в проволоке.

56

мента Л1, по отношению к моменту от постоянной нагрузки в сере­ дине пролета. Как видно, распределение изгибающих моментов получается весьма неравномерным. При Ali<^Afq имеем двузначную эпюру (см. рис. 29,6?). В случае M1>Mq изгибающие моменты со­ средоточиваются в зонах балок, прилегающих к опорам.

При шпренгельном расположении тросов (рис. 29, г) в средней части балки на протяжении Ц эксцентриситет е\ является постоян­ ным, поэтому эпюра моментов, вызываемых предварительным на­

пряжением, будет иметь вид прямоугольника. На протяжении участков балки /г изгибающие моменты будут уменьшаться от се-

58