Резервы увеличения несущей способности стальных балок

Введение. Балки в качестве несущих конструкций применяются в течение многих столетий. Широкое распространение балок обусловлено простотой конструкции, изготовления и монтажа, а также надёжностью при эксплуатации. В гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданиях балки применяются в качестве несущих элементов перекрытий и покрытий. Также применяются балочные конструкции в сооружениях химической и газовой промышленности, гидротехнических сооружениях (затворы шлюзов) и некоторых других областях. Наименее материалоёмкими являются балки двутаврового сечения. Рациональные значения пролётов для перекрытия стальными балками – до 20 м. При пролётах более 20м экономически целесообразно применение стропильных ферм, характеризующихся меньшим расходом стали по сравнению с балками.

В строительстве используются два вида балок: однопролётные (разрезные) на один шаг колонн и многопролётные. Наибольшее применение в практике получили разрезные балки. Оба вида балок имеют преимущества и недостатки. По сравнению с многопролётными балками разрезные балки менее трудоёмки при изготовлении и удобны для установки в проектное положение, но более материалоёмки при одной и той же полезной нагрузке.

В процессе эксплуатации сооружения может возникнуть необходимость усиления балок, вызванная увеличением действующих на них нагрузок.

Целью работы является установление способов повышения несущей способности однопролётных балок как наименее трудоёмких в процессе изготовления и монтажа.

Результаты исследования. Применяется ряд способов повышения несущей способности однопролётных балок, к которым относятся жёсткое закрепление их опорных частей и изменение статической схемы балки в процессе её эксплуатации [1, 2]. Так, при проектировании целесообразно предусматривать не шарнирную (рис. 1, а, в), а жёсткую заделку балок (рис. 1, б, г) в стене и при опирании их на стальные колонны. Жёсткая заделка позволяет в полтора раза уменьшить изгибающий момент в середине пролёта и повысить полезную нагрузку на конструкцию не увеличивая материалоёмкость балки.

а) б)

в)                г)

Рисунок 1 – Шарнирное (а, в: 1 – вертикальное ребро,2 – монтажный столик) и жёсткое (б, г: 1 – прокладка, 2- заводской сварной шов) закрепление балок

Преобразование разрезных балок в неразрезные многопролетные (рис. 2, а) также позволяет повысить их несущую способность. Такое преобразование не требует увеличения строительной высоты балочной конструкции, но для его осуществления необходимо достаточное свободное пространство у опорных узлов балок для проведения сварочных работ. Изменение разрезных балок в неразрезную многопролётную конструкцию осуществляется путем жесткого крепления (сваркой) внутренней и наружной стороны полок металлическими пластинами. Металлические накладки должны заходить на каждый элемент не менее чем на 100 мм от стыка. При этом способе в балках возникает изгибающий момент меньшей величины (рис.2,б), что способствует повышению несущей способности усиливаемых конструкций [3] .

б)

O.lp!2          OJpI2

^{1              -}---2         ¹—Т

0,08pl           0,025р1         0,08рГ

Рисунок 2 – Схема усиления трёхпролётной металлической балки путем замены шарнирной заделки на жесткую (а) и эпюра моментов в балке (б): 1- элемент усиления

Более эффективным способом повышения несущей способности металлических балок (прогонов) является изменение их конструктивной схемы за счет установки в пролете балки дополнительной опоры (рис. 3, а) или дополнительных усиливающих элементов в виде подкосов (рис. 3, б). В этих случаях уменьшается величина пролета балок с превращением их в многократно статически неопределимые системы и значительно увеличивается несущая способность усиливаемых конструкций вследствие уменьшения изгибающих моментов.

Усиление по схеме (рис. 3, а) связано с постановкой в пролете балки дополнительной опоры, но применять такой способ не всегда допустимо по технологическим причинам. Установка подкосов более целесообразно, так как не загораживает центр пролета и не нуждается в устройстве дополнительного фундамента (рис. 3, б) [4] .

Рисунок 3 – Усиление балок установкой дополнительных опор (а) или подкосов (б): 1 – усиливаемая балка; 2 – колонна; 3 – дополнительная опора; 4 – элемент усиления;

5 – подкос

Наряду с дополнительными опорами и длинными подкосами для усиления металлических балок применяют подвески, короткие подкосы и кронштейны, за счет установки которых также уменьшается величина пролета балок (рис. 4).

Рисунок 4 – Усиление металлических балок постановкой подвесок (а), подкосов (б), и кронштейнов (д): 1– подкосы; 2 – существующие колонны; 3 – подвески; 4 – стяжные устройства; 5 – кронштейны

Для подкосов рекомендуется устраивать предварительное напряжение, осуществляемое за счет стяжных устройств (рис.4, б), которые необходимы в связи с тем, что при разной загрузке балок (например, при движении мостового крана) в колоннах возникают дополнительные изгибающие моменты от горизонтальных составляющих усилий в подкосах [5,6] . Предварительное напряжение в кронштейнах (рис.4,в) создаётся посредством оттяжки консолей кронштейнов подвеской к ним монтажных грузов с последующей постановкой прокладок. Изменяя величину грузов, можно регулировать величину предварительного напряжения в кронштейнах.

Вывод. Обобщение методов усиления разрезных стальных балок показало, что изменением конструктивной схемы балок можно до 50% повысить их несущую способность по отношению к первоначальной.