книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)

а именно: при а ^ 0 ,5 — как для стенок центрально сжатых эле­ ментов; при а > 1 и элементах двутаврового сечения из выраже­ ния

по линейной интерполяции между значениями, вычисленными при а=0,5 и а = 1.

В указанных выражениях Ь — наибольшее сжимающее напря­ жение в т/сл£2 у расчетной границы стенки, определяемое 'без учета срвп, tpB” или с<р ; а' — соответствующее напряжение у лро-

отсеке в т/см2\ к3— коэффициент, определяемый следующим об­ разом:

В практике проектирования центрально сжатых элементов, на­ пример при подборе сечений колонн двутаврового сечения, по­ является необходимость укрепления стенок продольным ребром, расположенным посередине стенки. В этом случае найденная по

Для промежуточных значений у допускается линейная интер­ поляция при нахождении величин ß.

Продольными ребрами можно также укреплять стенки внецентренно сжатых элементов. Такое ребро устанавливается по­

73

середине стенки и наиболее напряженная часть стенки между поясом и осью продольного ребра рассматривается как самосто-

„ ho

ятельная пластинка, для которой ^ определяется в соответствии с приведенными выше рекомендациями для стенок внецентренно

и внецентренно сжатых элементах устойчивость стенки не может быть обеспечена, в расчет вводится не вся стенка, а только два крайних ее участка шириной по пб (рис. III. 5). Коэффициент п принимается в зависимости от класса стали.

Кроме местной устойчивости стенок, в центрально сжатых и внецентренно сжатых элементах необходимо обеспечить устойчи­ вость как неокаймленных, так и окаймленных свесов сжатых ли­ стов (полок). Указанное определяется отношением ширины све­

са (полки) b к толщине б и зависит от гибкости стержня и вида

ь

поперечного сечения элемента. Наибольшие значения ^ для по­

лок одиночных равнобоких уголков и полок гнутых профилей даны в табл. III. 7, для полок двутавров — в табл. III. 8. Расчет-

74

b

Следует иметь ввиду, что предельные значения ^ , приведенные

в табл. III. 7, не предусматривают усиления элементов планками. Если такое усиление осуществляется в гнутых элементах и в случае укрепления полок гнутых профилей ребром, то предельные

значения А„ определяются по формуле (III. 10), в которой вме­

сто Іг0 подставляется величина Ь. При этом наименьшая расчет­ ная высота ребра полок а0 гнутых элементов (см. рис. III. 4) при­ нимается: в элементах, усиленных планками, а0=02,6, без усиления планками, а0=0,ЗЬ.

В тавровых сечениях ^ для стенок определяется по табл. III. 7 с умножением на коэффициент

значений из табл. III. 7 и III. 8.

Изгибаемые элементы. Применение сталей высокой прочности в изгибаемых элементах, с одной стороны, неизбежно приводит, к облегчению сечения балки, а с другой — к увеличению ее деформативности (прогиба). Чем выше прочность используемой стали, тем прогибы будут больше. Вместе с тем на все изгибаемые эле­ менты установлены предельно допускаемые относительные про­ гибы, и прогибы в реальных конструкциях не должны их превы­ шать. Исследования показывают, что применение сталей высокой прочности и необходимость обеспечения заданного прогиба в ряде случаев • приводит к искуооственному увеличению высоты ■балки, к утолщению поясов и стенок, а значит, и к перерасходу

75

металла и снижению эффективности применения высокопрочных сталей.

Таким образом, создание рациональных сплошных изгибаемых элементов с использованием высокопрочных сталей связано, с одной стороны, с изысканием новых прогрессивных конструктив­ ных форм, а с другой — с пересмотром установленных нормами относительных прогибов. Изучение осуществленных за рубежом автодорожных мостов со сплошными неразрезными балками ко­ робчатого типа из сталей высокой прочности показало, что для таких мостов были допущены прогибы от временной нагрузки в пределах до 1/250 пролета, в то время как отечественными нор­ мами для аналогичных конструкций максимальный прогиб уста­ новлен в размере 1/400 пролета. Естественно, что при увеличении нормативного прогиба эффективность сполшностенчатых изги­ баемых элементов из высокопрочных сталей будет резко возра­ стать.

Одним из возможных путей уменьшения деформативности изги­ баемых элементов из сталей высокой прочности является при­ менение предварительного напряжения и создание предваритель­ ного строительного подъема. В последнем случае прогиб от постоянной нагрузки и половины временной может не учитывать­ ся, если он не превышает величины строительного подъема. Если он больше, то учитывается только разность между этими вели­ чинами.

Изыскание новых конструктивных форм балок из высокопроч­ ных сталей в основном сводится к разработке конструкций со •стенками минимальной толщины.

Решение этого вопроса может быть осуществлено различно, прежде всего обычным способом — путем полного обеспечения местной устойчивости стенки при помощи соответствующей уста­ новки подкрепляющих элементов. При этом следует стремиться к

ственной практике проектирования гибкость стенки принимается от 100 до 200 (для стали СтЗ и низколегированных сталей по­ вышенной прочности).

За рубежом в балках из высокопрочных сталей гибкость стен­ ки обычно принимается большей и может составлять 350. Сле­ дует иметь в виду, что постановка значительного числа ребержесткости во многом снижает эффективность применения высо­ копрочных сталей.

Могут быть и иные пути обеспечения надежной работы тонких стенок балок. Так, в последнее время рядом ученых выдвигает­ ся идея создания изгибаемых конструкций, в которых стенка балки будет терять устойчивость и работать на растяжение как раскосы в решетках ферм. При этом сжимающие усилия должны восприниматься ребрами жесткости, которые будут выполнять. функции стоек ферм. При такой конструкции балок эффектив­

76

ность применения сталей высокой прочности может быть увели­ чена. В США (Питтсбург) были разработаны сварные балки для мостов с двумя выгнутыми вдоль оси балки стенками из стали толщиной 1,78 мм. В указанных балках гибкость одной стенки составила 600. Стенки изогнуты по окружности и поставлены выпуклостью друг к другу. При такой форме стенок лучше обе­ спечивается их местная устойчивость и общий вес балок получа­ ется меньше обычных [19, 20].

Возможно также применение составных балок с гофрирован­ ными стенками. Гофрирование стенок может быть как вертикаль­ ным, так и наклонным, с непрерывными и разреженными гофра­ ми. По данным [21], непрерывное гофрирование стенки не вклю­ чает стенку в работу балки на изгиб, значительно повышает устойчивость стенки и жесткость всей балки. При этом наклон­ ное гофрирование более чем вдвое повышает критические на­ пряжения устойчивости стенки.

Весьма перспективны балки из двух марок стали (бистальные). В таких балках рационально попользовать в поясах высокопроч­ ную сталь, в стенках — менее прочную, например углеродистую 'или низколегированную.

В настоящее время проведенные исследования позволяют дать некоторые практические рекомендации по оценке эффективности ■применения высокопрочных сталей в сплошностенчатых изгиба­ емых элементах и по выбору общих параметров сечений балок. Одним из основных генеральных размеров балок является их высота h, определение оптимального размера которой произво­ дится исходя из трех положений; прочности, прочности и жест­ кости и только жесткости, т. е. величины допускаемого относи­

тельного прогиба h~ (отношение прогиба [ к пролету балки I).

Короткие сильно нагруженные балки должны рассчитываться по прочности, так как прогиб будет всегда .меньше допустимого. При увеличении пролета и уменьшении нагрузки могут оказать­ ся решающими два фактора: прочность и жесткость. И, наконец, в длинных балках на величину высоты в основном будет оказы­

вать влияние жесткость, т. е. заданный допускаемый п

Таким образом, в первом случае применение сталей высокой прочности будет наиболее эффективным, во втором — менее эф­ фективным, а в третьем может оказаться бессмысленным, ибо необходимость увеличения высоты для обеспечения заданного от­ носительного прогиба (а значит, и увеличения веса балки) созда­ ет иедонапряжеиие в принятом сечении и ликвидирует преиму­ щества высокопрочных сталей. С другой стороны, при применении высокопрочных сталей с соответственным уменьшением высоты балок их деформативность будет резко возрастать. Так, по срав­ нению с балками из стали класса С38/23 применение стали клас­ са С52/40 увеличит прогиб в 2,01 раза, при сталях С70/60 и

77

100/90 — соответственно в 3,34 и 6,1 раза (прогибы прямо про­ порциональны рабочему напряжению а или расчетному сопро­ тивлению стали R и обратно пропорциональны высоте балки Н).

Следовательно, представляет практический интерес еще до выполнения проектных работ иметь представление об эффектив­ ности применения той или иной высокопрочной стали в рассмат­ риваемой конструкции, а также о том, какой из факторов — прочность или жесткость — будет оказывать влияние на выбор высоты балки.

Исследованием эффективности применения сталей высокой прочности в изгибаемых элементах занимаются ряд организаций и ученых *. Ниже приводится методика расчета сплошных изги­ баемых элементов, изложенная в работе [22]. Пользуясь этой методикой, вес' 1 м балки, сечение которой одновременно удов­ летворяет требованиям прочности и жесткости, определ-яется по формуле

где g„ — единичный вес балки, сечение которой подобрано по условию прочности;

—коэффициент увеличения веса при учете фактора жест­ кости, определяемый в функции параметра нагрузки

z “ Тут ' <ш м>

Здесь q — расчетная нагрузка, т[м; I — пролет балки, м;

k — коэффициент, зависящий от класса стали, статической схемы, предельного прогиба j и других факторов,

определяется по работе [22].

В соответствии с этим составные балки имеют наименьший вес

и рассчитываются только на прочность при q ^kV ^l, имеют не­ сколько повышенный вес и рассчитываются одновременно на прочность и жесткость при

\Ѵ Т < ч < к Ѵ Т

изначительно больший вес и тогда рассчитываются только на жесткость при

■ч < \ ѵ т ,

Зная схему балки, пролет и нагрузки по принятому классу ста­ ли, по формуле (II1.14) находится параметр нагрузки %, по вели­

* ЦНИИПроектстальконструкцня, ЦНИИСК, кафедра строительных кон­ струкции Макеевского инженерно-строительного института, кафедра металличе­ ских и деревянных конструкций Киевского инженерно-строительного института и др.

78

чине которого определяется значение коэффициента 5«г и по фор­

муле (III. 13) вычисляется вес балки.

Оптимальную компоновку поперечного сечения балок из высо­ копрочных сталей можно вести пользуясь обычной, известной

в литературе, методикой.

Полагая, например, толщину стенки б независящей от высоты стенки, оптимальную высоту балки с учетом-влияния ограничения деформаций можно определить по формуле

а вес 1 м балки — по формуле

В балках из обычных углеродистых сталей (класс С38/23) пло-

2 F n

щадь поясов примерно равна площади стенки ( т;— =0,982, где Ггт

Fп и Fcr— площади пояса и стенки соответственно).

В балках из высокопрочных сталей при оптимальной компонов­ ке распределение металла между поясами и стенкой в попереч­ ном сечении изменяется. Отношение площадей обоих поясов 2Fn к площади стенки Fст при применении вместо стали С38/23 стали

2F n

класса С85/75 увеличивается с — =0,982 до 1,21 (при расчете

по жесткости).

Таким образом, при использовании в балках сталей высокой прочности площади поясов увеличиваются в зависимости от клас­ са стали на 20—25% (при некотором уменьшении высоты стен­ ки).

При применении вместо стали С38/23 высокопрочных сталей класса С60/45—С85/75 наибольшее снижение высоты (при ре­ шающем для подбора сечений условий прочности) соответственно составляет 22 и 38% при одновременном снижении веса балки на 25 и 42% [23,24].

Вышесказанное дает возможность проектировщикам перед вы­ полнением расчетных и проектных работ определять по обыч­ ным принципам проектирования балок параметры сварных со­ ставных изгибаемых элементов и оценить целесообразность при­ менения в них сталей высокой прочности.

Расчет на прочность изгибаемых элементов (балок) из сталей высокой прочности осуществляется по общеизвестным формулам

79

где М — наибольший расчетный изгибающий момент; Q — наибольшая поперечная сила;

5 — статический момент (брутто) сдвигающейся части;

/— момент инерции сечения балки относительно ней­ тральной оси;

бст — толщина стенки балки;

R и R cp — расчетные сопротивления принятой стали изгибу и срезу.

Сечения балок могут быть ослаблены отверстиями для болтов. В этом случае касательные напряжения т, определяемые по фор­ муле (III. 16), должны быть уточнены путем умножения на отно-

стий) .

Стенки балок могут находиться в сложном (плоском) напря­ женном состоянии под действием трех компонентов напряжен­ ного состояния: основного нормального напряжения оЛ.; местно­ го напряжения а,, и касательного напряжения т ѵу. Поэтому не­ обходима проверка приведенных напряжений апр по формуле

где ах и ау — нормальные напряжения параллельно и перпенди­ кулярно оси балки;

тгу— касательные напряжения;

т— коэффициентусловия работы, принимаемый для подкрановых балок т = 0,9, для прочих т = 1 .

п— коэффициент, принимаемый на опорах неразрез­ ных подкрановых балок п=1,30, для всех прочих

,балок п= 1,15.

Проверку приведенных напряжений следует проводить для се­ чений балки под сосредоточенными грузами, в местах изменения сечения балки (обрыв горизонтальных листов, изменение высо­ ты) , а также на опорах неразрезных балок.

В последнем случае и в местах изменения сечения балки при отсутствии сосредоточенного груза определение приведенных на­ пряжений может быть осуществлено но формуле (принимая

<гу= 0 )

апр = V ад -f ЗтдУ-< nRm. (III. 18)

Следует учесть, что во всех случаях при определении приве­ денных напряжений величины* компонентов напряженного со­ стояния Од, ау и Тду определяются для одного и того же сечения и загружен™ балки.

Проверка общей устойчивости узких длинных балок, не раскре­ пленных в горизонтальной плоскости, а также балок местной устойчивости производится в соответствии со СНиП П-В. 3—72. При применении для разрезных балок постоянного сечения, во-

80

^принимающих только статическую нагрузку, сталей классов С38/23, С44/29, С46/33, С52/40 и С60/45 возможен учет работы материала и в пластической стадии. В этом случае проверка на прочность производится по пластическому моменту сопротивле­ ния Wп при обязательном соблюдении требований п. 4. 15 СНиП ІІ-В. 3—72.

Наибольшая расчетная ширина неокаймленного сжатого свеса листа (полки, пояса балки) принимается в зависимости от клас­ са стали.

К Л 2QQ

Здесь b — выступающая часть листа, б — толщина листа.

Ь

Если рассчитываемая балка недонапряжена, то значения ^ ,

указанные выше, могут быть увеличены у —раз, но не более

чем на 25%. При этом наибольшее значение напряжения с при­ нимается по формуле

М

а = ------- или о

Конструирование балок из сталей высокой прочности требует всемерного уменьшения концентраторов напряжений и особенно в растянутых зонах (нижние части стенок балок). Поэтому реко­ мендуется выполнять пояса балок из одного листа, все сварные швы — только непрерывными. Стыки стенок и поясов, как за­ водские, так и монтажные, следует выполнять в стык, как пра­ вило, двухсторонней сваркой без накладок и угловых швов. При применении односторонних швов подварка корня шва обя­ зательна.

Все поверхности стыковых швов, как поясов, так и стенок, рекомендуется защищать заподлицо с основным металлом. Кон­ цы швов в стык следует выводить за пределы стыка на выводные планки. Количество стыков в растянутых поясах должно быть по возможности ограничено. Выполнять такие стыки рекомендуется автоматической сваркой.

Установка вертикальных ребер жесткости в балках из высо­ копрочной стали может быть осуществлена двумя способами.

В балках, нагруженных, в основном постоянной статической нагрузкой, ребра рекомендуется устанавливать через подкладки, как показано на рис. III. 6. Ребра жесткости вместе с подкладка­ ми ставятся в проектное положение путем точной подгонки к поясам (тугой посадкой или приторцовкой). Подкладки привари­ ваются только к верхнему сжатому поясу продольными фланго­ выми швами с выводом концов швов на торцы подкладки на ве­

личину 20 мм (для уменьшения концентраций напряжений у концов фланговых швов). К нижним растянутым поясам, как наиболее подверженным хрупким и усталостным разрушениям в местах концентраторов напряжений, подкладки не приварива­ ются вообще.

Рис. III. 6. Примыкание ребер жесткости к поясам свар­ ных балок из высокопрочных сталей.

При динамических переменных, знакопеременных и вибрацион­ ных нагрузках ребра жесткости следует устанавливать так, как

Увеличение нижних скосов желательно для уменьшения отри­ цательного влияния поперечных швов в наиболее напряженной растянутой части стенки.

Горизонтальные ребра жесткости (если они необходимы по условиям местной устойчивости стенок) устанавливаются в со­ ответствии с рис. III. 7.

Применять высокопрочную сталь для ребер жесткости балок нет необходимости (кроме опорных ребер) и поэтому в целях удешевления конструкции материалом ребер, как правило, долж­ на служить сталь СтЗ.

Ширина выступающей части вертикального ребра жесткости

Опорные ребра балок выполняются из высокопрочных.сталей.

82