Идея предварительного напряжения − создание в расчетных сечениях балки или ее элементах напряжений или прогибов, противоположных по знаку тем, которые возникают от расчетной нагрузки. Предварительное напряжение вызывает в элементах и конструкции в целом начальные деформации, обратные по знаку деформациям от нагрузки. При действии эксплуатационной нагрузки сначала исчерпываются начальные деформации и лишь затем, конструкция начинает деформироваться в направлении, вызываемом этой нагрузкой. Жесткость конструкции при этом не увеличивается, а получаемый эффект от предварительного напряжения аналогичен строительному подъему, и если по условиям эксплуатации нагрузку лимитируют конечные деформации [∆], то можно повысить несущую способность конструкции. Предварительное напряжение может создаваться на стадиях изготовления, монтажа или усиления конструкций. При предварительном напряжении на стадии изготовления его влияние распространяется лишь на элементы данной конструкции (внутреннее преднапряжение). Внутреннее преднапряжение позволяет при заданной схеме и параметре нагрузки, уменьшить металлоемкость балки. Однако это достигается либо усложнением технологического процесса изготовления с дополнительными энерго и трудозатратами, либо включением в работу дополнительных, как правило, высокопрочных элементов. В связи с этим понятие эффективности предварительного напряжения не носит однозначного характера. В отдельных случаях дополнительные затраты могут превысить стоимость снижения металлоемкости.
Внутреннее преднапряжение может быть осуществлено по следующим вариантам:
1. Технологически, без использования дополнительных конструктивных элементов.
2. Конструктивно-технологически, на основе определенных технологических приемов при изменении конструктивных решений в локальных зонах конструкции.
3. Включением дополнительных предварительно-напряженных конструктивных элементов (затяжек, шпренгелей и других).
Вариант 1. Предварительное напряжение реализуется посредством деформирования частей сечения относительно друг друга с последующим объединением в единое целое. Деформирование (предварительный изгиб, растяжение или сжатие) отдельных элементов или частей балки может выполняться путем механических, тепловых (электронагревом) и других воздействий. На рис. 6.12 − 6.17 представлены примеры схем, иллюстрирующие способы создания преднапряженных балок, и эпюры нормальных напряжений на различных стадиях: а − преднапряжение элемента; б −преднапряжение конструкции (балки); в − загружение внешней нагрузкой в предположении отсутствия преднапряжения; г − суммарная эпюра. Цифрами 1,2,3 обозначен порядок сборки конструкции.
Рисунок 6.12 – Балка с предварительно изогнутой стенкой
Рисунок 6.13 − Балка с предварительно изогнутыми полусечениями
Рисунок 6.14 − Балка с предварительно растянутым нижним поясом
Рисунок 6.15 − Балка с предварительно сжатой стенкой (растянутые верхние и нижние пояса).
Рисунок 6.16 − Балка с предварительно растянутым верхним поясом.
Рисунок 6.17 − Балка с верхним поясом - распоркой (предварительно-сжатый верхний пояс).
В рассматриваемых примерах на всех стадиях все элементы балок работают упруго. Доказана эффективность преднапряженных балок при их эксплуатации в упругопластической стадии с пластическими деформациями в растянутой части стенки.
В балках с предварительно растянутой стенкой целесообразно допускать пластические деформации на стадии работы под нагрузкой. В этом случае стенка балки выполняется не из высокопрочной стали, как в известных ранее решениях, а из обычной. При первом загружении в нижней части стенки развиваются пластические деформации, пояса работают упруго (рис.6.18). После снятия нагрузки эпюра предварительных напряжений а трансформируется в эпюру е. При последующих нагружениях балка работает упруго и эпюры е и г на рис.6.18 не изменяются. На рис.6.18 д и е - соответственно эпюры напряжений от нагрузки и предварительных напряжений после разгрузки балки.
Рисунок 6.18 − Напряженное состояние асимметричной балки с предварительно растянутой стенкой
В некоторых работах утверждается, что в балках с предварительно сжатыми верхним поясом, целесообразно допускать пластические деформации на стадии преднапряжения, чтобы после сварки стенка выше центра тяжести сечения была растянута пластически. Тогда после приложения расчетной нагрузки напряжения ниже центра тяжести будут приближаться к расчетному сопротивлению при упругой работе всех элементов сечения (рис. 6.19). При определенных геометрических размерах вся стенка оказывается растянутой, что дает возможность значительно увеличить ее гибкость по сравнению с обычными балками.
а б в г
Рисунок 6.19 − Напряженное состояние асимметричной балки с предварительно сжатым верхним поясом.
В других работах предложена предварительно напряженная составная балка (рис. 6.20), в которой пояса свободны от предварительного напряжения. Предварительно упруго деформированная растяжением перпендикулярно оси балки стенка закрепляется на ребрах жесткости. Перед постановкой на месте будущего прикрепления ребра слегка выгибаются, затем с помощью прихваток подсоединяются к поясам. После этого домкратами ребра прижимаются во встречном направлении к стенке и привариваются к ней. В результате усилия от предварительного напряжения стенки передаются только на ребра жесткости; направлены они перпендикулярно напряжениям, возникающим от внешней нагрузки, что приводит к повышению несущей способности стенки по сравнению со стенкой, предварительно растянутой в продольном направлении.
Классическим примером варианта I является балка из двух тавровых элементов, совместно изогнутых в сторону, противоположную ожидаемому прогибу от эксплуатационной нагрузки (рис. 6. 21). В изогнутом состоянии элементы сваривают по всей длине, а затем разгружают. В результате разгрузки балка частично распрямляется. Разгрузке сопротивляется уже объединенное сечение, жесткость которого больше, чем у его отдельных элементов. Эпюра напряжений от разгруживающих факторов обозначена через а1.
Рисунок 6.20 − Схема создания предварительного напряжения в балке:
а − предварительно напряженная составная балка; б − схема приложения растягивающих усилий; в − стенка, закрепленная на ребрах жесткости; г − способ напряжения стенки балки в перпендикулярном направлении; 1 − стенка; 2 − ребра; 3 – пояса.
Рисунок 6.21 − Предварительно напряженная балка из двух тавровых элементов
Вариант 2. Предварительное напряжение, осуществляемое конструктивно-технологически, проиллюстрировано на рис. 6.22. В нижней части балки (рис. 6.22 а) устраивают вертикальную прорезь, над которой к стенке прикрепляют продольные ребра для восприятия сечением с прорезью усилий предварительного напряжения. После изгиба балки соединяют сблизившиеся кромки прорезей с помощью сварки.
Рисунок 6.22 − Предварительно напряженная балка
а − перед изгибом с вертикальными прорезями и продольными ребрами; б - в процессе напряжения; в – общий вид; 1 − балка; 2 − опоры; 3 − прорезь; 4 − продольные ребра; 5 – домкрат; 6 − жесткий упор
Вариант 3. Одним из наиболее распространенных и эффективных приемов создания внутреннего преднапряжения является введение в балочную конструкцию затяжек из стали более прочной, чем основной металл. Путем напряжения затяжек в стадии изготовления балки получают выгиб в сторону, противоположную прогибу от эксплуатационной нагрузки. При загружении внешней (эксплуатационной) нагрузкой такие балки работают совместно с затяжками как статически неопределимые. Растягивающие усилия в затяжке (суммарные усилия от предварительного напряжения и внешней нагрузки) совместно с уравновешивающими их сжимающими усилиями в балке создают дополнительный момент, противоположный по знаку моменту от внешней нагрузки.
Отметим, что предварительное натяжение затяжек является приемом, повышающим область упругой работы конструкции, однако на ее предельную несущую способность не влияет.
Различные схемы расположения и очертания затяжек показаны на рис. 6.23, типы сечений предварительно напряженных балок − на рис.6.24.
Рисунок 6.23 − Некоторые типы однопролетных балок, напряженных затяжками
Рисунок 6.24 − Поперечные сечения предварительно напряженных балок с затяжками
Натяжение затяжек осуществляется электротермическим или механическим (при помощи гидравлических или винтовых домкратов винтовых стяжных муфт, полиспастов и т.д.) способами. Применяют и распорные элементы, например, в виде стоек, приваренных к нижнему поясу, или в виде катка. В первом случае сварные швы крепления распорного элемента являются дополнительным очагом концентрации напряжений в растянутом нижнем поясе балки. Второй случай позволяет избежать сварки при установке распорного элемента и соответственно повысить прочность балки. Кроме того, несмотря на ломаное очертание затяжки, потери устойчивости в ней из-за перегиба не происходит. Чем больше диаметр распорного элемента, тем меньше угол перелома и больше величина предварительного напряжения затяжки.
Рисунок 6.25 − Предварительно напряженная балка с распорным элементом в виде катка:
1 − балка; 2 − затяжка из полосовой стали; 3 − распорный элемент
В балках со шпренгелями (рис. 6.26, 6.27) предварительное напряжение может создаваться напряжением шпренгельной цепи. У высоких шпренгельных балок (рис 6.26, а), высота которых составляет 1/3-1/5 пролета полигональная затяжка крепится по оси балки и располагается от нее на значительном удалении. При её предварительном напряжении балка может работать на осевую нагрузку и имеет небольшую высоту. В низких шпренгельных конструкциях (рис.6.27 б), у которых высота от 1/8 до 1/10 пролета, затяжка крепится внецентренно и балка работает на изгиб.
|
Рисунок 6.26 − Шпренгельные балки, напрягаемые затяжкой
а − высокие; б – низкие
Рисунок 6.27 − Поперечные сечения шпренгельных балок