Металлические конструкции в транспортном строительстве

с помощью ребер и диафрагм. При этом следует иметь в виду, что увеличение количества конструктивных деталей базы приводит к увеличению трудозатрат. Рекомендуется толщину опорной плиты принимать не более 40 мм (при больших толщинах снижается прочность и увеличивается расход металла) и не менее 20 мм.

Траверсы рассчитываются как двухконсольные балки (рис. 5.16, а). Нагрузка на траверсу собирается с грузовой площади, ширина которой определяется расстоянием между смежными вертикальными элементами базы. Грузовая площадь между параллельными элементами распределяется между ними поровну, например для базы, изображенной на рис. 5.15 (грузовая площадь заштрихована), погонная нагрузка на консольные участки и на среднюю часть траверсы будет равна:

Рис. 5.16. Расчетные схемы:

а – траверсы; б – ребра; в – диафрагмы

Изгибающие моменты (М1, М2) и опорные реакции (V) определяются как для обычных консольных балок. Высота или толщина траверсы определяется из условия прочности по нормальным напряжениям:

где tТ – толщина траверсы, назначается предварительно. Рекомендуемая высота траверсы находится в интервале 200–500 м. Приня-

100

тое сечение траверсы проверяется на прочность по касательным напряжениям:

Катет сварных швов, прикрепляющих траверсу к полкам колонны, определяется на действие опорной реакции (V1):

Расчетные схемы ребра и диафрагмы приведены на рис. 5.16, б, в. Расчет этих конструктивных элементов производится по аналогии с расчетом траверсы. Толщину ребер и диафрагм рекомендуется принимать такой же, как и толщину траверсы. При расчете сварных швов, прикрепляющих ребра, учитываются два силовых воздействия – изгибающий момент (М3) и поперечная сила (V2).

Сварные горизонтальные швы, прикрепляющие ствол колонны и вертикальные элементы базы к опорной плите, рассчитываются на суммарное усилие:

где lw – суммарная расчетная длина сварных швов;

N1 – усилие на колонну с учетом собственного веса.

Если при изготовлении колонны обеспечивается с помощью механической обработки (строжки) плотное сопряжение торца колонны, включая траверсы, ребра и диафрагмы, с опорной плитой, то при определении k f 4 по формуле (5.33) учитывается только 15 %

суммарного усилия.

5.8.8.Оголовки колонн. Узлы сопряжения колонн

сбалками

Оголовок – верхняя часть колонны, служащая для опирания балок. Сопряжение балок с колоннами может быть шарнирным или жестким. В зависимости от вида сопряжения определяется конструктивное решение оголовки.

101

На рис. 5.17 приведены шарнирные узлы сопряжений колонн с балками. Опирание балок на колонну может быть сверху

(рис. 5.17, а, б, д) и сбоку (рис. 5.17, в, г).

При опирании сверху между балками предусматривается зазор 10–12 мм для компенсации возможного смещения колонн при их установке, который затем заполняется стальными прокладками. Фиксация балок на колонне и между собой осуществляется на болтах, диаметр которых назначается конструктивно: 16–20 мм. Для увеличения шарнирности болты, размещенные на опорном ребре балки, смещаются вниз – верхняя часть опорного ребра размером не менее 0,4 высоты балки должна быть свободна от болтов.

Опорная плита оголовка является конструктивной деталью: ее размеры в плане назначаются в зависимости от габаритов сечения колонны и ширины опорных ребер балок (опорная плита должна покрывать верхний торец колонны и не должна быть меньше ширины опорного ребра балки), а толщина (tп) принимается равной 20–25 мм.

Суммарная ширина опорных ребер колонны (bk) принимается в интервале: bp–(bp + 2tп), а толщина определяется из условия прочности при их работе на смятие:

где V – суммарное давление на колонну.

При этом должно быть соблюдено условие местной устойчивости:

Высота опорного ребра колонны определяется из двух условий:

– из условия прочности сварного шва:

– из условия прочности опорного ребра оголовка или стенки колонны на срез:

где t – меньшая толщина опорного ребра или стенки колонны.

102

д

Рис. 5.17. Шарнирные узлы сопряжения колонн с балками:

а– опирание разрезныхбалок насплошнуюколонну сверху; б– опирание разрезных балок на сквозную колонну сверху; в – опирание разрезных балок на сплошную колонну сбоку; г – опирание разрезных балок на сквозную колонну сбоку;

д – опирание разрезных балок с поперечными ребрами жесткости на колонну сверху; 1 – прокладка; 2 – опорная плита; 3 – опорное ребро оголовка; 4 – вставка;

5 – ребро жесткости; 6 – опорный столик

103

Если высота опорного ребра из-за малой толщины стенки колонны получается чрезмерной (больше полторы высоты сечения колонны) или длина сварного шва получается больше 85 f k f , то

в верхней части колонны делают вставку (рис. 5.17, а).

Стыковой шов вставки со стенкой колонны должен располагаться от низа опорного ребра на расстоянии, равном или большем десяти толщинам вставки. Размеры горизонтальных ребер жесткости назначается конструктивно. Если верхний торец ребер жесткости колонны не строгается, то сварные швы, прикрепляющие эти ребра к опорной плите, рассчитываются. Катеты остальных сварных швов оголовка колонны назначается конструктивно.

При опирании балок сбоку (рис. 5.17, в, г) давление на колонну передается через опорный столик, ширина и толщина которого принимаются соответственно на 30–40 мм и на 5–10 мм больше соответствующих размеров опорного ребра балки. Верхний торец опорного столика строгается.

Опорный столик может быть изготовлен из уголка, в этом случае строжка не требуется. В сквозных колоннах оголовок на высоту примыкающих балок усиливается вертикальной вставкой, толщина которой назначается из условия обеспечения местной устойчивости, как для стенки колонны.

Суммарная расчетная длина сварных швов, прикрепляющих опорный столик, рассчитываются на усилие, равное опорному давлению балки:

где V1 – опорное давление одной балки.

Коэффициент 1,3 учитывает возможный эксцентриситет передачи опорного давления на опорный столик.

Размеры остальных сварных швов назначаются конструктивно. Вариант сопряжения колонн с балками, изображенный на рис. 5.17, д, предопределяет наиболее простую конструкцию оголовки: здесь, кроме опорной плиты, никакие другие конструктив-

ные детали не требуются.

Опорные ребра балок располагаются над полками колонны. При этом толщина и ширина полок колонны должны быть не меньше

104

соответствующих размеров опорных ребер балок. Нижние торцы опорных ребер могут быть строганы, и тогда сварные швы в этом месте отсутствуют. Болтовые соединения назначаются конструктивно с учетом рекомендаций, изложенных выше.

Варианты узлов жесткого сопряжения колонн с балками приведены на рис. 5.18. При жестком сопряжении в узле действуют два усилия: поперечная сила (опорная реакция) и изгибающий момент. Поперечная сила в узле, изображенном на рис. 5.18, а, передается на колонну через вертикальное ребро, которое может быть изготовлено из уголка. Длина и толщина ребра определяется из его работы на срез:

Кроме того, длина уголка определяется длиной сварного шва:

Болты, используемые в этом узле, являются монтажными. Их диаметр принимается в интервале 16–20 мм, а количество – не менее двух. Изгибающий момент раскладывается на пару сил, которые воспринимаются верхней и нижней горизонтальными накладками. Сечение накладок определяется прочностью на сжатие или растяжение:

Сварные швы рассчитываются на то же усилие.

Cтенки колонны в плоскости нижних накладок усиливаются горизонтальными ребрами жесткости, размеры которых назначаются конструктивно.

В узле, изображенном на рис. 5.18, б, изгибающий момент и поперечная сила воспринимаются болтами.

Усилие в болтах от изгибающего момента распределяется прямо пропорционально расстоянию от оси рассматриваемого болта до центра вращения (hi). За центр вращения можно принять нижний ряд болтов, тогда наибольшее усилие в верхнем ряду болтов будет равно:

105

а

б

Рис. 5.18. Жесткие узлы сопряжения колонн с балками:

а – узел сопряжения с горизонтальными накладками; б – узел сопряжения с вертикальными ребрами и опорными фланцами;

1 – вертикальное ребро; 2 – горизонтальные накладки; 3 – ребро жесткости; 4 – опорный фланец

На этом этапе расчета диаметр болтов, а также количество болтов по вертикали назначаются конструктивно. Диаметр болтов принимается в интервале (1,5–2)t, где t – меньшая толщина соединяемых деталей, а расстояние между болтами и от центра болта до края детали назначаются в зависимости от диаметра отверстий и толщи-

106

ны соединяемых деталей. Количество болтов в горизонтальном ряду определяется по формуле:

где Nbt – несущая способность одного болта на растяжение.

Предполагается, что поперечная сила распределяется равномерно между болтами, и тогда расчет на срез и смятие болтового соединения производится на усилие, равное Q / n, где n – количество болтов. Толщина опорного фланца определяется исходя из его работы на изгиб.

107

6.ФЕРМЫ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

6.1.Общая характеристика ферм

Ферма – это плоская, геометрически не изменяемая конструкция, составленная из отдельных прямолинейных стержней. Фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, между которыми располагаются элементы решетки – раскосы и стойки (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Ферма:

1 – верхний пояс; 2 – нижний пояс; 3 – раскосы; 4 – стойки

Основными геометрическими параметрами ферм являются: пролет (l), расстояние между узлами верхнего пояса – размер панели (lп), уклон верхнего пояса (i) и высота фермы на опоре (hоп).

Преимущественно фермы используются в качестве несущих элементов покрытий. Кроме того, фермы используются в качестве пролетных строений мостов и транспортных галерей, граней башен и мачт.

Наиболее употребительные очертания ферм приведены на рис. 6.2. Для крутоуклонных кровель используются фермы треугольного очертания.

К их недостаткам можно отнести следующие: сопряжение с колонной может быть только шарнирным; в средней части раскосы получаются чрезмерно длинными и их сечение приходится часто назначать по предельной гибкости, т. е. прочность металла в них недоиспользуется.

Кроме того, очертание треугольных ферм не в полной мере соответствует эпюре изгибающих моментов, которая при равномерной нагрузке будет очерчена по квадратной параболе.

108

Рис. 6.2. Очертания ферм:

а, б – треугольное; в – трапецеидальное; г – полигональное; д – с параллельными поясами

Трапецеидальные фермы являются наиболее распространенными, они в лучшей степени соответствуют эпюре моментов и лишены недостатков, указанных для треугольных ферм. Полигональные фермы в еще большей степени соответствуют эпюре изгибающих моментов. Однако при этом увеличивается количество переломов верхнего пояса, т. е. верхний пояс собирается из большего количества элементов. Увеличение количества сборочных элементов существенно увеличивает трудоемкость изготовления. Фермы полигонального очертания находят применение преимущественно для пролетных строений мостов. Преимуществами ферм с параллельными поясами являются одинаковые углы наклона раскосов (т. е. узлы собираются по одному шаблону) и одинаковые длины элементов решетки.

Для большинства ферм нижний пояс при отсутствии нагрузки имеет прямолинейное очертание. Однако в некоторых случаях нижний пояс может иметь обратный выгиб, называемый строительным подъемом (риc. 6.2, д). Строительный подъем компенсирует прогиб фермы под нагрузкой и предусматривается для ферм пролетом более 36 м и для ферм с плоской кровлей. В первом случае значение строительного подъема принимается равным прогибу фермы от постоянных и длительных нагрузок, а во втором случае – прогибу фермы от всех нагрузок плюс 1/200 пролета.

Типы решеток, используемых в фермах, приведены на рис. 6.3. Треугольный тип решетки состоит из одних только раскосов, которые работают и на растяжение, и на сжатие. Количество раскосов равно удвоенному количеству панелей верхнего пояса. Поскольку

109