Металлические конструкции в транспортном строительстве

5.8.Центрально-сжатые колонны

5.8.1.Конструирование сплошностенчатых колонн

Колонны – вертикально расположенные конструктивные элементы, передающие нагрузку от вышележащих конструкций, например фундаменты. Центрально сжатые колонны могут быть сплошностенчатыми или сквозными, состоящими из двух ветвей, соединенных решеткой (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Типы сечений сплошностенчатых колонн:

а– сплошное двутавровое сечение; б – сечение из двутавра и двух швеллеров;

в– сечение из двух двутавров и листа; г – сечение из двух уголков; д – сечение из трех листов; е – сечение из круглой трубы; ж – сечение из квадратной трубы

Внастоящем разделе рассматриваются конструктивные решения только ствола (средней части) колонн. Конструирование базы (нижней части) и оголовки (верхней части) колонн будет рассмотрено

впоследующих разделах.

Возможные сечения сплошностенчатых колонн приведены на рис. 5.12. Выбор сечения колонны определяется технологическими и конструктивными соображениями, расходом металла, а также наличием соответствующих профилей.

Прокатные профили позволяют изготовить колонны с меньшими трудозатратами, составные профили дают возможность наиболее

90

рационально распределять металл в зависимости от расчетных длин и конструктивных требований.

Для получения сечений, экономичных по расходу металла, основополагающим является принцип: чем дальше металл расположен от центра тяжести, тем лучше. С этой точки зрения, наиболее рациональными являются трубчатые профили (рис. 5.12, е, ж).

Однако они, как правило, дороже двутавровых профилей, их сортамент ограничен и при использовании трубчатых профилей осложняется конструктивное оформление узлов сопряжений колонн с другими элементами.

Сопряжения элементов в составных сплошностенчатых колоннах осуществляются на сварке в виде поясных швов, которые, как и в составных балках, могут быть двусторонними и односторонними.

Применение односторонних поясных швов не допускается в колоннах, воспринимающих динамическую нагрузку, эксплуатируемых в средне- и сильноагрессивной среде, а также при температуре эксплуатации ниже –40 ºС.

Стенки составных балок (рис. 5.12, а, в) усиливаются поперечными ребрами жесткости, если hw / tw 2,3 E / f yd .

Расстояние между ребрами жесткости должно быть не более 3hw, а количество ребер на одной колонне (отправочном элементе) – не менее двух.

Размеры ребер жесткости определяются по аналогии с составными балками.

5.8.2. Расчет сплошностенчатых колонн

Наиболее распространенным сечением сплошностенчатых колонн является двутавр, поэтому в дальнейшем все расчетные формулы будут ориентированы на этот тип сечения.

Размеры составного двутавра определяются в процессе проектирования.

В центрально-сжатых колоннах поперечные ребра жесткости не оказывают существенного влияния на трудоемкость и металлоемкость конструкции. Для прокатных профилей после определения гибкости по формуле (5.16) вычисляются требуемые радиусы инерции относительно оси Y и Х и требуемая площадь сечения:

91

где λx принимается равной λy, а коэффициент продольного изгиба φ определяется в зависимости от условной гибкости и расчетного сопротивления.

Затем по сортаменту подбирается профиль, имеющий соответствующие характеристики.

Далее вычисляется ширина полки b и высота стенки hw.

По нормативным документам в зависимости от найденной гибкости λy определяются предельные значения отношения стенки tw

исвеса полки bef к толщине полки tf и вычисляются толщины стенки

иполок:

Полученные значения приводятся в соответствие с сортаментом. На заключительной стадии расчета определяются геометрические характеристики подобранного сечения (А, Jx, Jy, ix, iy) и делается проверка общей и местной устойчивости.

5.8.3. Конструирование сквозных колонн

Наиболее часто используемые сечения сквозных колонн приведены на рис. 5.13.

Ветви колонн изготавливают из прокатных швеллеров, уголков или двутавров. В некоторых случаях – из труб, например когда ветровая нагрузка оказывает решающее влияние на напряженно-дефор- мированное состояние конструкции. Соединение ветвей между собой осуществляется с помощью планок (рис. 5.13, д) или раскосов (рис. 5.13, е). Как правило, раскосы используются при расстоянии между ветвями (b) более 0,8 м.

Центрирование раскосов допускается производить на наружную кромку ветви. Угол наклона раскосов рекомендуется принимать в пределах 35–55°.

Для увеличения поперечной жесткости на кручение колонны усиливаются диафрагмами (см. деталь «Д» на рис. 5.12, а).

92

Рис. 5.13. Типы сквозных колонн:

а, д – сквозное сечение с планками; б, е – сквозное сечение с раскосами; в – сечение из двух двутавров; г – сечение из трех труб

Диафрагмы предусматривают через 3–4 м по длине колонны. Расстояние «в свету» между ветвями не должно быть менее 100 мм с тем, чтобы был обеспечен доступ к внутренним поверхностям колонны для возобновления антикоррозийного покрытия.

5.8.4. Расчет сквозных колонн

При проектировании сквозных колонн требуется определить прежде всего сечение ветвей и расстояние между ветвями (b).

Определяется требуемый радиус инерции относительно оси Y и площадь поперечного сечения ветви, предварительно задавшись гибкостью:

Исходя из найденных значений, по сортаменту выбирается соответствующий профиль. Гибкость относительно оси Х определяется

93

с учетом возможности сближения ветвей между точками крепления соединительных элементов (планок или раскосов) и называется приведенной гибкостью.

Расстояние между ветвями колонны может быть определено по формуле:

Следующим этапом расчета является подбор сечений и проверка прочности и устойчивости соединительных элементов (планок или раскосов).

5.8.5. Расчет соединительных деталей сквозных колонн

При центральном сжатии усилия в соединительных планках так же, как и в раскосах, от внешней нагрузки не возникают, и поэтому при их расчете используется фиктивная поперечная сила:

где φ – коэффициент продольного изгиба, определяемый в зависимости от гибкости относительно «свободной» оси Х.

Расчет соединительных планок сводится к определению их сечения и к расчету сварных швов. Перерезывающая сила в соединительной планке определяется по аналогии с расчетом поясных швов в составных балках:

Если статический момент и момент инерции выразить через площадь ветви, то формула (5.20) примет вид:

Изгибающий момент в соединительной планке определяется через перерезывающую силу:

94

Сечение соединительных планок предварительно назначается, исходя из конструктивных соображений: d = (0,5–0,75)b, t ≥ d / 30, но не меньше 6 мм.

Проверка прочности соединительных планок выполняется по нормальным и касательным напряжениям.

Катет сварного шва рассчитывается на равнодействующее напряжение от изгибающего момента и перерезывающей силы.

Расчет раскосов сводится к определению сечения и расчету сварного соединения раскосов с ветвями колонны. Усилие в раскосе определяется от фиктивной поперечной силы:

Требуемый радиус инерции и требуемая площадь определяются по формуле (5.18), где в качестве расчетной длины принимается длина оси раскоса между узлами, а гибкость предварительно назначается в пределах 100–150. Если соединительная решетка кроме раскосов включает в себя также горизонтальные элементы (стойки), то их расчет ведется аналогичным образом, а усилие в них принимается равным Qfic / 2. Из условия унификации рекомендуется сечение раскосов и стоек принимать одинаковым. Крепление раскосов и стоек к ветвям осуществляется с помощью сварных швов, расчет которых выполняется как для обычных сварных соединений.

После расчета соединительных элементов производится проверка общей устойчивости ветвей относительно собственных осей: l1 и Y, а также проверка устойчивости всей колонны относительно оси Х. При этом за расчетную длину отдельной ветви принимается расстояние «в свету» при использовании планок (l1 на рис. 5.13, д) и расстояние между геометрическими центрами узлов при использовании раскосов (l2 на рис. 5.13, е).

5.8.6. Конструктивные решения баз центрально сжатых колонн

Нагрузка, воспринимаемая колонной, передается на нижележащие конструкции (на фундамент) через базу. Как правило, базы располагаются ниже уровня пола с тем, чтобы не загромождать производственную площадь сооружения. Конструктивное решение баз

95

зависит от сечения колонны и вида сопряжения колонны с фундаментом, которое может быть шарнирным или жестким.

Вариант шарнирной базы приведен на рис. 5.14, а. В общем случае шарнирная база может состоять из четырех конструктивных элементов: опорной плиты 1, траверс 2, ребер 3 и диафрагм 4. Опорная плита служит для передачи нагрузки на фундамент 6 через выравнивающий слой (подливку) из цементного раствора. Конструктивные элементы 1, 2, 3 служат для уменьшения изгиба опорной плиты от реактивного давления.

Рис. 5.14. Конструктивные решения баз:

а– база колонны с траверсами; б – база колонны с траверсами

идополнительными ребрами

Взависимости от конкретных условий опирания диафрагмы, ребра и траверсы могут отсутствовать. Для пропуска анкерных болтов

в опорной плите предусматриваются вырезы, размеры которых в 2–2,5 раза превышают диаметр анкерных болтов. Это превышение делается с целью компенсации возможных смещений анкерных болтов от проектного положения.

После установки колонны на анкерные болты надеваются шайбы, которые затем привариваются к опорной плите.

96

Вбазах центрально-сжатых колонн анкерные болты не испытывают каких-либо силовых воздействий, и их диаметр назначается конструктивно (без расчета) в интервале 20–30 мм. Предполагается, что шарнирность таких баз обеспечивается за счет изгиба опорной плиты в местах крепления анкеров.

Конструктивные решения баз, обеспечивающих жесткое сопряжение колонн с фундаментом, приведены на рис. 5.14, б и 5.15.

Здесь используются те же конструктивные элементы, что и для шарнирных баз. Отличительная особенность состоит в том, что

вжестких базах анкерные болты закрепляются не к опорной плите, а к траверсам, имеющим значительно большую изгибную жесткость.

Вжестких базах добавляется еще один конструктивный элемент – анкерная пластинка (уголок), которая может опираться непосредственно на траверсы (рис. 5.15) или на анкерные ребра, приваренные к траверсам (рис. 5.14, б). Во втором случае наиболее эффективно обеспечивается жесткое сопряжение колонны с фундаментом относительно обеих главных осей колонны. В жестких базах неточность установки анкерных болтов компенсируется возможностью смещения анкерных пластинок, которые привариваются к траверсам только после установки колонн в проектное положение. Сечение анкерных болтов так же, как и для шарнирных баз назначается конструктивно в интервале 24–36 мм.

5.8.7. Расчет баз

Расчет баз для сплошностенчатых, сквозных, а также шарнирных

ижестких колонн не имеет принципиальных отличий и сводится к определению размеров опорной плиты, траверс, ребер, диафрагм

икатетов сварных швов. Требуемая площадь опорной плиты определяется, исходя из работы бетона фундамента на смятие:

где fcd – призменная прочность бетона;

k – коэффициент перехода от призменной прочности к сопротивлению бетона при местном смятии. Как правило, k = 12.

97

98

Рис. 5.15. Конструктивные решения баз колонны с траверсами и анкерными плитками

98

Размеры опорной плиты в плане назначаются с учетом полученного значения требуемой площади (BL ≥ Aтр), а также с учетом размеров сечения колонны:

где b и h – ширина и высота сечения колонны.

Толщина опорной плиты определяется из условия прочности при ее изгибе под действием реактивного давления:

где Mmax – наибольший изгибающий момент в опорной плите.

Для выявления наибольшего момента необходимо определить наибольшие моменты в пределах каждого участка опорной плиты, отличающие друг от друга способом опирания. Таких участков, как правило, три (на рис. 5.14, а участки пронумерованы цифрами в кружках): 1-й участок имеет опирание с одной стороны и является консолью, 2-й участок опирается по трем сторонам, 3-й участок – по четырем. Наибольшие изгибающие моменты в 1-м, 2-м и 3-м участках определяются по формулам:

с – вылет консоли;

b2 – длина свободной стороны участка, опертого по трем сторонам;

a3 – меньшая сторона участка (пластинки), опертого по четырем сторонам. Значения коэффициентов и приведены в норматив-

ной литературе в зависимости от соотношения сторон.

При конструировании базы следует стремиться к тому, чтобы изгибающие моменты М1, М2, М3 были примерно одинаковыми, т. к. в этом случае расход металла на опорную плиту будет наименьшим. Равномерное распределение моментов может быть достигнуто за счет варьирования размеров опорной плиты в плане (B и L), а также

99