книги из ГПНТБ / Кикин, А. И. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном

5.Особенности трубобетонных конструкций

Вотличие от обычного стального стержня трубобе­ тонный стержень эффективно работает только на сжа­ тие. При работе на растяжение он обладает значитель­ но меньшей несущей способностью. В этом отношении трубобетонный стержень, как первичный элемент конст­ рукции, аналогичен железобетонному. Поэтому в тру­ бобетонных конструкциях стержни, образующие несущие каркасы, должны быть сжаты. Растянутые стержни в принципе не должны быть трубобетонными. Однако не­ которые конструктивные соображения оправдывают при­ менение растянутых трубобетонных стержней; например,

н его стальной стенки в особенности (для уменьшения общих и местных начальных погибей), увеличение соб­ ственного веса конструкции, унификация сортамента при заказе металла. .

В дальнейшем будем называть трубобетонными кон­ струкции, в которых имеются трубобетонные стержни не­ зависимо от наличия других стержней.

Конструктивная форма трубобетонных сооружений обусловлена развитием стальных конструкций из не за­ полненных бетоном труб и имеющимися решениями тру­ бобетонных каркасов.

Технология изготовления трубобетонных стержней с помощью внешнего вибрирования расширяет возмож­ ности конструирования мощных узлов сквозных конст­ рукций за счет использования прорезных фасонок и дру­ гих деталей, располагаемых в полости трубы (рис. 26). Применение же глубинного вибрирования затрудняет постановку этих деталей в трубе.

Выявляются два подхода к построению схем несущих каркасов. Первый заключается в использовании трубо­ бетонного стержня в традиционных конструктивных схе­ мах сооружений для элементов, работающих преимуще­ ственно на сжатие. К таким элементам относятся колон­ ны производственных и общественных зданий, стойки в различных конструкциях, пилоны висячих покрытий и сооружений, пояса опор линий передач, сжатые стер­ жни ферм и арок. На рис. 27 показана конструктивная схема колонны производственного здания с кранами ма­ лой грузоподъемности. Применение труб здесь не услож-

30

Рис. 26. Использование внутренних фасонок в узлах

►

Рис. 27. Использование трубобетонных стержней в качестве ветвей сквозных колонн производственных зданий

няет конструкции по сравнению с традиционной схемой. В традиционных схемах производственных зданий рас­ ход металла на сжатые элементы, в частности на колон­ ны, достаточно велик. Если принять массу планировоч­ ной ячейки здания за 100%, то колонны составляют в прокатных цехах 20—30%, в мартеновских цехах— 15%,

в цехах тяжелого машиностроения — 35Ре­ конструкция колонн сложная, что является одной из

существенных причин увеличения их шага и уменьшения количества. Препятствием к применению здесь железо­ бетона может быть несоответствие свойств бетона тем­ пературно-влажностным режимам цехов, монтажно-кон­ структивные трудности (вследствие большой массы и высоты железобетонных колонн) и сложность сопряже­ ния частей сталежелезобетонных рам.

При проектировании необходимо учитывать конструк­ тивные преимущества трубчатых конструкций, в кото­ рых трубы можно прикреплять друг к другу без соедини­ тельных и переходных деталей, что существенно сни-

31

жает массу конструкций. Однако такое соединение элементов требует более точной и сложной по форме об­ резки торцов труб.

Второй подход к конструированию каркасов состоит в разработке новых схем, в которых основные расчетные нагрузки воспринимаются сильно сжатыми трубобетон­ ными элементами. При таком подходе учитываются: вопервых, принцип концентрации материала, согласно ко­ торому укрупненные элементы облегчаются за счет более быстрого роста несущей способности конструкции, неже­ ли ее массы, во-вторых, принцип упрощения конструк­ тивной формы—исключение из конструкции некоторых второстепенных деталей и, в-третьих, известный прин­ цип совмещения функций.

На рис. 28 показаны большепролетные подкрановые балки (для пролетов 48 м), состоящие из небольшого количества очень мощных стержней, а на рис. 29 — пред­ варительно-напряженные подкрановые безраспорные эстакады с тяжело нагруженными сжатыми стойками и раскосами. Сжатые стержни этих конструкций могут быть выполнены из труб, заполненных бетоном. Некото­ рое утяжеление конструкции вследствие заполнения труб бетоном не считается недостатком, так как строи­ тельные конструкции неподвижны и снижение их

трубобетонных конструкций можно получить, используя предварительное напряжение растянутых трубобетон­ ных стержней.

В ряде случаев весьма эффективными оказываются составные трубобетонные стержни разнообразных сече­ ний (рис. 30), для которых могут применяться разные системы решеток: раскосного и безраскосного типа, пер­ форированные и сплошные листы. При применении трех первых типов соединений получаются сквозные состав­ ные стержни; при применении последнего типа — сплош­ ные. Трубобетонные составные стержни обладают всеми свойствами пространственных составных стержней вооб­ ще, находящих широкое применение в конструкциях. Та­ кие стержни целесообразно применять в качестве колонн,

3 2 ,

балочных площадок, междуэтажных перекрытий, эста­ кад, путепроводов, трубопроводов и т. д.

Двухтрубные стержни (см. рис. 30, а) оказываются це­ лесообразными в сжатых поясах ферм, когда необходимо увеличить несущую способность пояса из плоскости фер­ мы, составные трехгранные трубобетонные стержни — в вантовых опорах воздушных линий электропередачи, где стойки работают в основном на сжатие.

Рис. 30. Основные типы сечении составных трубобетониых стержней

При использовании составных трубобетонных колонн в промышленных одноэтажных зданиях с кранами гру­ зоподъемностью 10—30 г рациональны стержни постоян­ ного сечения (см. рис. 30,а, б). Для наружной колонны наиболее сжатая ветвь должна иметь трубу большего диаметра; у колонны среднего ряда ветви могут быть одинакового диаметра.

В цехах с тяжелой крановой нагрузкой (при кранах грузоподъемностью более 1 0 0 т) составные стержни применяются в колоннах раздельного типа. Подкрано­ вая трубобетонная составная стойка раздельной колон­ ны выполняется сплошной (см. рис. 30, а) . К шатровой ветви она присоединяется рядом планок. Сама шатровая ветвь может быть трубобетонной или стальной обычного типа.

Если колонна работает на внецентреиное схажие, то функцию растянутой части сечения может выполнять обычный лист, швеллер или двутавр; трубобетон здесь работает в основном на сжатие (см. рис. 30, в — д).

Колонны переменного сечения выполняются сплош­ ными и сквозными (см. рис. 30, а—в). Сечения наружных колонн, имеющих одну подкрановую ветвь, могут быть несимметричными (см. рис. 30, а, б). Стенку с Лучше вы-

34

поднять сплошной. Если в шатровой ветви усилие сжатия не велико, то она выполняется пустотелой. Сечения сред­ них колонн симметричны, поэтому их следует делать по рис. 30, е.

Стальная труба как элемент строительных конструк­ ций завоевывает все более широкое признание. Исполь­ зование трубобетонных конструкций способствует увели­ чению применения труб, что в конечном итоге приведет к значительной экономии стали.

Г л а в а II

РАБОТА ТРУБОБЕТОННЫХ СТЕРЖНЕЙ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СЖАТИИ

1. Первое предельное состояние по прочности

Первое предельное состояние трубобетонного стер­ жня может наступить вследствие больших необратимых деформаций, разрушения или потери устойчивости.

Представим на рис. 31 график продольных и попереч­ ных деформаций на наружной поверхности трубы в за­ висимости от осевой сжимающей силы. Отметим на оси абсцисс некоторое значение продольной относительной деформации е2:

превышение которого означает переход стержня в пер­ вое предельное состояние по большим необратимым де­ формациям. Этот подход соответствует тому случаю в трактовке Н. С. Стрелецкого, при котором «...предель­ ная деформация является главенствующей, определяю­ щей предельное состояние, а силовой фактор лишь под­ бирается по предельной деформации. По существу, та­ кой подход является более правильным. Эксплуатация заканчивается на некоторой деформации А, после кото­ рой она становится невозможной по тем или другим тех­ ническим или хозяйственным соображениям»1.

Норму непредельности продольной деформации мож­ но установить постоянной ( 1), не зависящей от прочност­

1 Н. С. С т р е л е ц к и й. Развитие методики расчета конструкции по предельным состояниям. МИСИ, 1965.

ных характеристик стержня [71]. Тогда несущая способ­ ность стержня Ф[ будет характеризоваться силой Ри соответствующей на рис. 31 продольной деформации 62 = const:

При этом одна и та же величина продольной дефор­ мации может быть достигнута на разных этапах работы

Рис. 31. График для определения первого предельного состоя­ ния трубобетонного стержня по прочности

I — кривая продольных деформаций; 2—кривая поперечных деформаций

стержня в зависимости от того, какие бетон и сталь при­ менены для его изготовления. Например, если применять высокопрочные стали, то при продольной относительной деформации 0 ,0 0 2 стержень будет работать около сере­ дины упругой стадии и его несущая способность окажет­ ся использованной не до конца. По этой причине жела­ тельно иметь переменную величину предела продольной деформации [74], связав ее с развитием текучести в обо­ лочке. Тогда условие непредельное™ стержня и его де­ формаций будет иметь вид (2 ), а несущая способность стержня Ф% будет характеризоваться силой Р%, соответ­ ствующей на рис. 31 продольной деформации Б2 = бт:

Условие непредельное™ стержня можно установить и по развитию больших необратимых поперечных отно­ сительных деформаций [26, 58], приняв в качестве

36

предельного состояния развитие текучести оболочки в поперечном направлении:

Тогда условие непредельное™ стержня и его деформа­ ций будет характеризоваться силой Рг, соответствующей на рис. 31 продольной деформации е2 при аі = сгт:

В табл.4 и на рис. 32 представлены некоторые вари­ анты трактовки предельных усилий в форме Ри Р2 и Р3. Следует подчеркнуть существенную особенность опреде-

37

ления усилий Р\ и Р3, состоящую в том, что расчетные сопротивления бетона берутся без коэффициента одно­ родности (&<1). В связи с этим на рис. 32 приведены два графика предельных усилий в форме Рг, построен­ ные по формуле (62) при къ— \ и Мз —0,7, из которых видно, что учет неоднородности бетона по величине рас­ четного сопротивления значительно уменьшает предель­ ные усилия.

Рис. 32. Предель­ ные усилия тру­ бобетонных стерж­ ней по прочности при центральном сжатии и форме

Ри Р2, Ръ

Наконец, предельным можно полагать то состояние стержня, при котором он выдерживает наибольшую силу безотносительно к его деформациям. Тогда условие не­ предельное™ стержня будет иметь вид

а-несущая способность стержня будет характеризовать­ ся силой Р4, соответствующей на рис. 31 наибольшей ве­ личине сжимающей силы Р4= РМакс'-

■' Рассматривая рис. 31, видим, что прочность трубобе­ тонного стержня можно характеризовать четырьмя раз­ личными силами в зависимости от того состояния стер­ жня, которое принимается за предельное. Силы Р3 и Р4 мало отличаются по величине и, учитывая разнообрази?

38

где ос и а0— продольное и радиальное напряжение в бе­ тонном ядре трубобетонного стержня. Интенсивность напряжений трубы примем

Пренебрегая радиальными напряжениями и учиты­ вая, что труба работает в условиях сложного загружения (растяжение-сжатие), получаем для продольных напря­ жений трубы

Условие совместности деформаций ядра и трубы записываем с учетом отношения ц площадей попереч­ ных сечений трубы Fс и ядра Fо:

в целом, найдем как сумму продольных сил ядра и трубы:

39