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

По причине упругости произошло уменьшение предварительного

прогиба и соответствующее •перераспределение напряжений. Далее балки устанавливают в рабочее положение так, чтобы балка № 2 (рис. 45, в) заняла верхнее положение, а балка № 1 •— нижнее. За

гружение этой балки силой Р вызывает напряжения, распределяю щиеся по высоте балок по трапецеидальным эпюрам (см. рис. 45, в)

Рис. 45. Схема регулирования напряжений в этажно расположенных балках

Применяя этот прием, несущую способность балок можно новы • сить на 25% по сравнению с двумя балками, работающими само­ стоятельно.

Напряженное состояние и деформации составных балок опреде­ ляются по двум стадиям: предварительного напряжения и напряжения от расчетных нагрузок. Величина на­

чальных напряжений и деформаций в балке может быть определе­ на по формулам:

ЛМД 2/, \

которые возникают при предварительном вы­ гибе;

79>

второй части постоянной и временной нагрузок — эпюра II, возни­ кающих в объединенном сечении балки. В этом случае в плите воз­ никает сжимающее напряжение, которое на эпюре II изображено

увеличенным в т раз, где т— отношение величин модулей упруго­ сти стали и бетона. Это напряжение в мостах малых и средних про­ летов далеко не достигает допускаемых. Таким образом, в объеди­ ненных балках прочность бетона, за исключением балок больших пролетов, как правило, недоиспользуется.

Рис. 47. Эпюра напряжений в объединенной балке при предварительном выгибе балки кверху

Использование полной прочности бетона связано с увеличением напряжений в металлической части объединенного сечения — эпю­ ра // (см. рис. 46). Последнее может сказаться на необходимости

увеличения этой части поперечного сечения балки или же вызовет

переход к применению более прочной стали. Тот и другой путь свя­ зан или с увеличением расхода металла, или с увеличением стоимо­ сти балки. Поэтому при проектировании объединенных балок обыч­

но прочность бетона недоиспользуют, что является резервом для до­ стижения еще большей экономии в металле объединенной балки. Это положение дает возможность создать в металлической части

сечения объединенной балки предварительный момент, обратный по знаку моментам от постоянной и эксплуатационных нагрузок, т. е. создать предварительное напряжение, выражающееся эпюрой I

(рис. 47).

Такое напряженное состояние балка получает до укладки желе­

зобетонной плиты. После приобретения бетоном надлежащей проч­

ности и удаления силы, вызывающей предварительное напряжение, возврату балки в свое первоначальное положение будет препят­ ствовать плита, соединенная с верхним поясом балки пои помощи упоров. В результате этого в плите возникнет предварительное сжатие , и напряженное состояние объединенной балки будет выражаться эпюрой II (см. рис. 47). Причем напряжение збп будет сжатием, а напряжения в поясах металлической балки о^п и онп будут по знаку обратны напряжениям от постоянной и временной нагрузок.

Предварительные напряжения, распределенные по сечению объ-

6 К X. Толмачев

в нижнем и верхнем волокнах стальной балки по причине проведен­ ного регулирования напряжений будут иметь меньшую величину

Рис. 48. Схема внутренних сил и эпюра напряжений, возникающих при наличии усадки или разности температуры в плите и балке

по сравнению с соответствующими напряжениями обычной объеди­

ненной балки. Последнее же с успехом может быть использовано для создания балки с меньшей затратой металла. Эта экономия ме­

талла достигается за счет использования запаса прочности плиты

в обычной объединенной балке, так как напряжение в железобетон­

ной плите, как видно из выражения (46), при применении регули­ рования будет возрастать.

Предварительное напряжение объединенной балчси может так­ же преследовать следующие цели:

устранение влияния усадки и ползучести бетона на напряжен­ ное состояние балки;

возбуждение в металлической части объединенной балки пред­

сжатие.

Принимая гипотезу плоских сечений в рассматриваемой балке,

получим деформацию сечения согласно эпюре, изображенной на

82

рис. 48,6. Для любого сечения балки будут действительны условия:

Д — относительное укорочение бетонной плиты от усадки.

На рис. 48, в изображена эпюра напряжений в сечении объеди­

совпадающие с напряжениями от эксплуатационной нагрузки. Та­ ким образом,’усадка бетона сказывается на уменьшении несущей способности объединенной балки и снижает эффект предваритель­ ного напряжения, приданного ей в процессе регулирования.

Как сказано выше, регулирование вызывает в плите предвари­ тельное сжатие, используя резерв прочности бетона плиты. Таким

образом, усадка бетона плиты будет происходить совместно с его ползучестью, что окажет влияние на изменение напряженного со­ стояния во времени.

ста бетона в момент загружения конструкции; р — практический коэффициент.

Проф. Е. Е. Гибшман1*делает вполне обоснованное предположе­ ние, что закон изменения напряжений в бетоне, вызванный ползу­

После интегрирования получим:

найти внутренние усилия в элементах объединенного сечения:

Из приведенных формул видно, что ползучесть бетона снижает усилия, вызванные усадкой бетона, но увеличивает потерю началь­ ных напряжений.

1 Е. Е. Гибшман. Проектирование стальных конструкций, объединенных с железобетоном. Автотрансиздат, 1956.

84

В обычных объединенных балках, когда ползучесть бетона воз­ никает только от второй части постоянной нагрузки, вызывающей небольшие сжимающие напряжения в плите, влияние ползучести бетона на напряженное состояние балок незначительно.

При регулировании напряжений, направленном на усиление ра­ боты плиты, влияние ползучести сказывается весьма существенно на напряжениях как в самой плите, так и в металлической балке. Поэтому при применении регулирования необходимо учитывать влияние ползучести бетона. Если преследуется цель устранить влия­ ние усадки и ползучести бетона на напряженное состояние метал­

лической части объединенной балки, то регулирование будет сво­ диться к приложению таких усилий, чтобы компенсировать напря­

жение от усадки и ползучести бетона.

При усадке бетона в металлической балке объединенного се­ чения возникают изгибающий момент Л1‘т и продольная сила ЛР,

которые вызывают напряжения при соответствующих значениях

моментов сопротивлений для верхних IV в и нижних W„ поясов:

в верхнем поясе

Эти напряжения будут неодинаковой величины, т. е. пв>>он.

Поэтому для компенсации усадочных напряжений следует к рас­ сматриваемому сечению металлической части балки приложить от­ рицательный изгибающий момент:

Mp = -c0WB.

При этом моменте в нижнем поясе возникает напряжение

что в конечном итоге даже обеспечивает в нижнем поясе возникно­ вение начальных напряжений % — которые по знаку будут

обратны эксплуатационным напряжениям.

Рассмотрим схему изменения напряженного состояния, когда

имеется необходимость вызвать в металлической части объединен­

ной балки предварительные напряжения, обратные по знаку напря­ жениям от постоянной и временной нагрузок.

Во время регулирования стальной балке придается изгибающий момент Мр, который вызывает напряжения:

85

Соответствующие напряжения в металлической балке от изги­ бающего момента М\, возникающего от первой части постоянной

Напряжения в объединенной балке от второй части постоянной и от временной нагрузок:

где Гн и WB ■— моменты сопротивления объединенного сечения

для нижнего и верхнего поясов;

Гб —момент сопротивления для крайней зоны бетона; т —отношение модулей упругости стали и бетона.

86

Полные расчетные напряжения в сечениях объединенной балки:

°н ~ °нр °н! стн11 СГун)

ОБЪЕДИНЕННЫХ РАЗРЕЗНЫХ БАЛКАХ СО СПЛОШНОЙ СТЕНКОЙ

Регулирование напряжений в объединенных балках, как видно из изложенного выше, достигается приданием металлической части объединенного сечения предварительного изгибающего момента. Таким образом, приемы регулирования напряжений в объединен­ ных балках будут отличаться друг от друга в зависимости от мето­ дов придания балкам предварительных моментов.

Прежде всего следует заметить, что улучшения напряженного состояния объединенных балок можно достигнуть бетонированием плиты проезжей части при положении пролетного строения на под­ мостях. В этом случае работа балки из двухстадийной превращает­

ся в одностадийную, т. е. изгибающий момент от полной постоян­ ной и от временной нагрузок будет восприниматься объединенным сечением. Таким образом, может быть достигнут выигрыш в сече­ нии, а значит может быть получена и экономия в металле. Однако

этот выигрыш достигается ценой больших затрат материальных и денежных ресурсов. К тому же в балке не будут вызваны предва­ рительные изгибающие моменты, противодействующие моментам от эксплуатационной нагрузки.

Большого технико-экономического эффекта можно добиться

применением регулирования напряжений, которое прежде всего

сводится к искусственному приложению изгибающих моментов в металлической части. Эти моменты можно получить приложением к балке временных сил, направленных нормально к ее оси, и введе­ нием в систему дополнительных элементов, вызывающих предвари­ тельное напряжение балки.

Принципиальным отличием этих путей регулирования является

не только направление действующих усилий, но и то, что в первом случае принудительная сила является временной, а во втором слу­

чае постоянно действующей.

На рис. 49 приведены возможные приемы создания изгибаю­ щих моментов приложением к балке временных сил, направленных

нормально к ее оси. В результате применения этих приемов дости­

гается возникновение в сечениях балки изгибающих моментов, об­ ратных тем, которые будут возникать в эксплуатационных усло­

виях.

Отрицательный изгибающий момент в середине пролета метал-

87

лической балки АВ (см. рис. 49) можно получить бетонированием плиты при наличии временной опоры С. В этом случае однопролет­ ная балка временно превращена в двухпролетную неразрезную с соответствующим распределением изгибающих моментов по ее длине. Существенным недостатком этого приема является не толь­

По Н По ЛЛ

Рис. 49. Схема регу­ лирования напряже­ ний в однопролетной объединенной балке:

1 — временная опора

ко то, что в сечениях возникают положительные моменты, по знаку совпадающие с моментами от второй части постоянной и времен­ ной нагрузок, но и ограниченность возможностей этого приема ре­ гулирования. Наибольшее возможное значение отрицательного из-

гибающего момента в середине пролета равно ——-, что не всегда

может удовлетворить требованиям проектирования.

Большей величины отрицательных моментов на всем протяже­ нии балки, а значит и лучшего напряженного состояния в объеди­

часть постоянной нагрузки равна q т/м, то изгибающий момент в середине пролета будет:

8 4

88