Сделай Сам Свою Работу на 5

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Тема 1.Цели и основные идеи предварительного напряжения металлических конструкций……………………………………………………………4

Тема 2.Стержни, предварительно напряженные затяжками, работающие на растяжение, центральное и внецентренное сжатие………………….11

Тема 3.Балки и балочные системы…………………………………………….26

Тема 4.Фермы, предварительно напряженные затяжками…………………..47

Тема 5.Строительные конструкции из алюминиевых сплавов……………...61

Тема 6.Основные положения проектирования висячих покрытий………….75

Тема 7.Однопоясные покрытия и мембраны………………………………....80

Тема 8.Покрытия с растянутыми изгибно-жесткими элементами…………..85

Тема 9.Металлические конструкции многоэтажных зданий. Общие вопросы проектирования многоэтажных зданий………………………………91

Тема 10.Основные положения проектирования стальных конструкций многоэтажных зданий………………………………………………...102

Тема 11.Особенности металлических мостов и их место в мостостроении116

Тема 12.Особенности норм проектирования и общих методов расчета металлических пролетных строений………………………………...119

Тема 13.Сплошностенчатые сталежелезобетонные проллетные строения..126

Тема 14.Сплошностенчатые цельностальные пролетные строения……….133

 

Список использованной литературы............................................................141

 

 

ТЕМА 1. ЦЕЛИ И ОСНОВНЫЕ ИДЕИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

 

Предварительное напряжение металлических конструкций используется как метод регулирования напряженного состояния конструкций для повышения их эффективности, т. е. снижения расхода материала в проектируемой конструкции при заданной несущей способности или жесткости. Существуют разнообразные способы создания предварительного напряжения, и все они связаны с дополнительными затратами труда, а иногда и материала на дополнительные элементы. Предварительное напряжение целесообразно, если эффект, получаемый от него, полностью окупает дополнительные затраты.



Основной идеей предварительного напряжения является создание искусственным путем в конструкции, стержне или наиболее напряженном сечении стержня напряжений обратного знака тем напряжениям, которые возникают при действии эксплуатационной нагрузки.

Из рис. 1.1 видно, что при растяжении ненапряженного стержня напряжения в нем достигают расчетного сопротивления при нагрузке . При создании в стержне предварительного напряжения сжатия расчетное сопротивление достигается при нагрузке . В последнем случае вначале под действием нагрузки погашается предварительное сжимающее напряжение, а затем возникает растягивающее. Расчетное усилие стержня с площадью сечения без предварительного напряжения ; с предварительным напряжением .

 

 

Рис. 1.1. Повышение несущей способности стержня, работающего на растяжение

1 – без предварительного напряжения; 2 – с предварительным напряжением

 

При заданном усилии требуемые площади сечения стержня будут соответственно равны: без предварительного напряжения с предварительным напряжением .

Аналогично повышается несущая способность изгибаемого элемента, если в сечении с наибольшим изгибающим моментом создать эпюру предварительных напряжений обратного знака тем напряжениям, которые возникают от нагрузки (рис. 1.2). Тогда максимально допустимый изгибающий момент в сечении , в то время как максимальный момент того же сечения без предварительного напряжения . Соответственно при заданном максимальном изгибающем моменте требуемый момент сопротивления сечения при предварительном напряжении будет меньше, чем без предварительного напряжения.

Рис. 1.2. Напряжения в предварительно напряженной балке

а – сечение балки; б – эпюра предварительного напряжения; в – эпюра напряжений от нагрузки

Снижение перемещений конструкций от заданных нагрузок. Во многих случаях предельное состояние конструкции определяется не предельными напряжениями, а заданными предельными перемещениями , устанавливаемыми требованиями эксплуатации. В этих случаях предварительное напряжение может уменьшить перемещение от заданной нагрузки и соответственно позволит спроектировать конструкцию более экономичной.

Предварительным напряжением можно вызвать в конструкции начальные перемещения , обратные по знаку перемещениям от нагрузки (рис. 1.3,а). Тогда при действии эксплуатационной нагрузки сначала погашаются начальные перемещения , и лишь затем конструкция начинает перемещаться в направлении, вызываемом нагрузкой. Получаемый при этом эффект аналогичен строительному подъему в балочных системах. Он позволяет снизить расход металла при заданных значениях нагрузки и перемещения . В рассматриваемом случае жесткость конструкции не увеличивается, а лишь уменьшаются конечные перемещения под нагрузкой. Однако предварительным напряжением можно увеличить и жесткость конструкции, т. е. уменьшить перемещения от единичной нагрузки (рис. 1.3,б). Этот прием, используемый весьма часто в строительной практике, будет рассмотрен далее.

 

Рис. 1.3. Уменьшение конечных перемещений (а) и повышение жёсткости (б) конструкций методом предварительного напряжения

Создание предварительного напряжения затяжками из высокопрочных материалов. Этот способ предварительного напряжения может быть использован практически во всех конструкциях. Рассмотрим его принципиальные положения на стержне, работающем на осевое растяжение (рис. 1.4). Конструкция состоит из жесткого стержня (двух швеллеров, трубы и т. п.) и затяжки, расположенной по центру тяжести сечения стержня (рис. 1.4,а). Получается комбинированная конструкция. Жесткий стержень выполнен из обычной малоуглеродистой стали, затяжка – из высокопрочного материала (стальной канат, пучок из высокопрочной проволоки, высокопрочный арматурный стержень и т. п.). При введении затяжки конструкция становится один раз статически неопределимой. Натяжением затяжки до приложения нагрузки создается сжимающее напряжение в жестком стержне, которое уравновешивается растягивающими напряжениями в затяжке. Стержень становится предварительно напряженным.

 

 

Рис. 1.4. Работа на растяжение стержня, предварительно напряженного затяжкой

а – стержень; б – диаграмма напряжений; в – диаграмма деформаций; 1 – жесткий стержень; 2 - затяжка

 

При приложении нагрузки жесткий стержень и затяжка работают совместно на растяжение, при этом в жестком стержне сначала погашаются предварительные сжимающие напряжения, а затем появляются растягивающие, а в затяжке к предварительным растягивающим напряжениям добавляются растягивающие напряжения от нагрузки (рис. 1.4,б). Если правильно подобрать расчетные значения предварительного напряжения жесткого стержня , затяжки и их площади и , то при расчетном усилии одновременно в жестком стержне напряжения достигнут расчетного сопротивления , а в затяжке её расчетного сопротивления . Несущая способность комбинированного стержня, равная , будет такой же, как и несущая способность комбинированного стержня с теми же параметрами без предварительного напряжения, однако удлинение стержня от нагрузки окажется при предварительном напряжении значительно меньшим.

При предварительном напряжении удлинение комбинированного стержня от нагрузки

,

без предварительного напряжения , что значительно больше (рис. 1.4, в). Меньшее удлинение комбинированного стержня объясняется тем, что в процессе предварительного напряжения затяжка уже вырабатывает значительную часть деформаций, определяемых ее расчетным сопротивлением. В комбинированном стержне без предварительного напряжения жесткий стержень и затяжка работают под нагрузкой совместно, начиная с нулевых напряжений. При напряжениях, равных пределу текучести материала жесткого стержня, он выключается из работы, и нагрузку продолжает воспринимать одна затяжка до исчерпания ее несущей способности. Удлинение стержня под нагрузкой определяется расчетным сопротивлением затяжки: .

Большие деформации зачастую препятствуют применению высокопрочных сталей в конструкциях. В комбинированном стержне с предварительным напряжением удлинение от нагрузки не зависит от расчетного сопротивления затяжки и не может быть больше, чем удвоенное удлинение стержня из обычной малоуглеродистой стали, так как не может быть больше . Следовательно, в предварительно напряженном комбинированном стержне эффективно используется материал затяжки, что дает экономию материала. Это относится ко всем конструкциям (балкам, фермам, рамам и др.), предварительно напрягаемым затяжками. Кроме того, введение в работу затяжек изменяет расчетную схему конструкции, повышает ее статическую неопределимость, что в свою очередь повышает эффективность использования материала в конструкции.

Создание предварительного напряжения (растяжения) в гибких элементах для придания им жесткости. Гибкие металлические элементы – канаты, тонкие листы, проволока, арматурные стержни – обычно могут воспринимать только растягивающие усилия, несущая способность их на сжатие равна нулю.

Однако если гибкие элементы предварительно натянуть, то они могут работать на сжатие в пределах погашения созданных в них растягивающих напряжений (рис. 1.5). На рис. 1.5,б показана балка с гибкой средней опорой, в которой предварительным напряжением создано растягивающее усилие и опора работает как жесткая стойка. Это широко используется в различного вида металлических конструкциях для повышения жесткости конструкции и эффективного использования гибких высокопрочных элементов, особенно в висячих системах, где предварительное напряжение гибких нитей обеспечивает жесткость системы (см. разд. III [1]).

 

 

Рис. 1.5. Работа на сжатие гибких стержней при предварительном растягивающем напряжении

а – схема работы; б – балка с опорой из гибкого сечения

Регулирование усилий в конструкции смещением опор. В статически неопределимых системах можно искусственным смещением опор создать предварительное напряжение в конструкции и, значит, изменить начальную эпюру усилий (моментов, осевых сил и т. п.), которая складывается с эпюрой усилий от нагрузки, выравнивает расчетные усилия, уменьшая их в наиболее напряженных сечениях и увеличивая в менее напряженных (рис. 1.6). Примером может служить понижение средней опоры у двухпролетной балки (рис. 1.6, в), чем достигается выравнивание моментов в пролетах и на опоре (рис. 1.6,а). На опоре момент от нагрузки уменьшается, а в пролетах – увеличивается. Результирующий расчетный момент меньше расчетного момента на опоре в балке без предварительного напряжения смещением опоры. Иногда (например, в пролетных строениях неразрезных мостов) целесообразно поднятием средней опоры

увеличить опорный момент и уменьшить пролетный (рис. 1.6,б). Этот способ предварительного напряжения требует минимальных затрат.

 

 

 

 

Рис. 1.6. Регулирование моментов в неразрезной балке смещением опор

а – эпюра моментов от нагрузки; б – моменты при подъёме средней опоры; в – моменты при опускании средней опоры

 

Создание предварительного напряжения упругими деформациями элементов конструкции. Предварительное напряжение можно создать изгибом или растяжением отдельных элементов конструкции в пределах их упругой работы, а затем соединением элементов между собой в напряженном состоянии. После снятия с конструкции приложенных усилий в ней остаются предварительны напряжения, которые можно получить обратными по знакам напряжениям от нагрузки. Этот прием широко используется при изготовлении несущих панелей, состоящих из каркаса и стальной обшивки (рис. 1.7). Обшивка прикрепляется к предварительно изогнутым верхним и нижним частям каркаса. При образовании панели соединением двух частей в одну элементы конструкций получают обратный принудительный изгиб, причем в тонкой обшивке возникают растягивающие напряжения, что обеспечивает ее работу на сжатие при загружении панели.

Если составленную из двух тавров балку сварить в изогнутом состоянии, то после освобождения ее от искусственно приложенного изгибающего момента балка будет иметь эпюру напряжений с растяжением в верхней полке и сжатием в нижней – обратными по знаку напряжениями от нагрузки (см. рис. 3.17).

 

 

Рис. 1.7. Создание упругим изгибом предварительного напряжения в обшивках панелей

Многоступенчатое предварительное напряжение. Эффект от предварительного напряжения можно повысить, если применять его многоступенчатым способом, при котором приложение усилий предварительного напряжения и нагрузки чередуются (рис. 1.8). Сначала создается предварительное напряжение , приближающееся к расчетному сопротивлению материала, затем прикладывается нагрузка , погашающая предварительное напряжение. Затем опять создается преднапряжение и вновь прикладывается нагрузка . Циклы предварительное напряжение – нагрузка повторяются несколько раз. Суммарная нагрузка может быть в несколько раз больше нагрузки , воспринимаемой конструкцией без предварительного напряжения. Однако нужно учитывать, что все циклы загружения, кроме последнего, должны осуществляться постоянной нагрузкой. Временной может быть лишь нагрузка последнего цикла.

 

 


Рис. 1.8. Повышение несущей способности стержней при многоступенчатом предварительном напряжении

 

Если нагрузка нескольких циклов в процессе эксплуатации будет снята, то усилия нескольких циклов предварительного напряжения суммируются, они превзойдут предельное значение и конструкция разрушится.

Существуют разнообразные способы создания предварительного напряжения, что позволяет применить его к любому виду конструкции. Предварительное напряжение можно создать в отдельных элементах на заводе или на монтаже как при укрупнительной сборке, так и в проектном положении.

 



©2015- 2021 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.