4.3. Основные способы создания предварительного напряжения конструкций

Существующие в настоящее время способы предварительного на­пряжения можно разбить на следующие большие группы:

1. Упругое деформирование (растяжением, сжатием, выгибом) от­ дельных частей конструкций с последующим их соединением в единую конструкцию большей жесткости, чем суммарная жесткость отдельных час­тей.

2. Введение затяжек из арматуры, канатов или других элементов из высокопрочных сталей. Затяжки располагают над или под конструкцией или в пределах ее конструктивной высоты.

3. Армирование предварительно растянутой проволокой металли­ческих, железобетонных, деревянных и других конструкций, с последую­ щей анкеровкой, замоноличиванием, приклеиванием или завальцовкой.

4. Постановка шпренгелей.

5. Введение распорных систем, в том числе вместе с затяжками.

6. Изменение уровня опор для статически неопределимых систем.

7. Смещение или поворот концов элементов в рамах, арках и дру­гих конструкциях.

8. Временное загружение в процессе монтажа.

9. Притягивание гибких конструктивных элементов (мембран) к более жестким (балкам, фермам, рамам и т. д.).

10. Комбинации вышеуказанных способов для создания большего эффекта.

Идея предварительного напряжения все время развиваются и могут реализовываться указанными или другими способами. Ниже приведеныпримеры приемов преднапряжения в их развитии.

4.4. Предварительное напряжение выгибом

При изготовлении балок составного сечения можно предваритель­но до их объединения создавать в отдельных ее частях начальные напряже­ния. Покажем это на примере составной балки, выполняемой из двух по­ставленных друг на друга двутавров (рис. 4.4).

69

Предварительное напряжение выгибом осуществляют следующим способом.

На стенде устанавливают два двутавра друг на друга и опирают нижние по краям. Прикладывают нагрузку выгиба (одну или несколько сил вдоль пролета балки, в зависимости от требуемой эпюры моментов) на верхний двутавр, при этом напряжения в двутаврах, работающих самостоя­тельно, не должны быть больше расчетного сопротивления материала. Со­единяют полки двутавров сваркой или на высокопрочных болтах, т. е. соз­дают единое сечение, балку большей жесткости, чем отдельно работающие двутавры. Освобождают балку от нагрузки выгиба, снимают со стенда и переворачивают. При этом балка получает предварительное напряжение, так как в ее сечениях осталась часть напряжений от предварительного вы­гиба. Это произошло потому, что жесткость и момент сопротивления сече­ния составной балки больше, чем отдельных двух двутавров, и балка после снятия сил выгиба не вернулась в исходное состояние, а имеет остаточныйвыгиб.

Такая предварительно напряженная балка может воспринимать в стадии эксплуатации больший момент, и, следовательно, большую нагруз­ку. Либо при одной расчетной нагрузке получают балки меньшего сечения, чем без выгиба.

Если проанализировать, за счет чего увеличилась несущая способ­ность балки, то наглядно видно по эпюре напряжений, что вблизи ней­тральной оси полки и часть стенок оказались напряжены и, следовательно,они также воспринимают изгибающий момент. Отсюда эффект повышения несущей способности балки.

Эффективность этого способа покажем на примере. Пусть балка пролетом 6 м загружена равномерной нагрузкой q = 120 кН/м. Запроектиру­ем ее составного сечения из прокатных двутавров, установленных друг на друга и приваренных по нейтральной оси (рис. 4.4). В обычной балке без предварительного напряжения расчетный изгибающий момент в серединебалки равен:

70

71

Рассмотрим использование этого приема предварительного выгиба для балки двутаврового сечения. Как можно повысить ее несущую способ­ность? Двутавровую балку устанавливают на опоры стенда по краям и за­гружают силами выгиба, приложенными одновременно на верхнюю и ниж­нюю полки (рис. 4.5). Одновременно по нейтральной оси прогревают ме­талл стенки до пластического состояния. При этом он теряет несущую способность и не воспринимает усилий сдвига по нейтральной оси [72]. Всвязи с этим в сечениях балки с зонами прогрева работает уже не двутавро­вое сечение, а как бы два тавровых. Тавры от нагрузки самостоятельно из­гибаются и в них напряжения достигают расчетного сопротивления.

После выгиба тавров дают возможность металлу остыть, балка вновь работает как двутавровая. Затем силы выгиба убирают, и в балке ос­таются напряжения обратные по знаку тем, что будут в стадии эксплуата­ции.

Еще больше повысить несущую способность этого сечения можно усилением стенки балки с обеих сторон от нейтральной оси инвентарными элементами, например, парными уголками, а разогрев осуществлять по нейтральной оси балки в щели между полками уголков. Это временноеусиление позволяет в период выгиба получить не два тавра, а уже сечение, состоящее из двух двутавров, что, в свою очередь, позволяет увеличить эффект преднапряжения. На уголках можно разместить трубы с водой дляохлаждения зоны прогрева после выгиба. В дальнейшем силы выгиба и ин­вентарные уголки убирают [72].

Предложенные способы предварительного напряжения металличе­ской балки двутаврового профиля позволяют повысить их несущую спо­собность на 20—30 %.