Глава 2 Типы балок для строительных конструкций

Балки являются основным и простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб. Их широко применяют в конструкциях гражданских, общественных и промышленных зданий, в балочных площадках, междуэтажных перекрытиях, мостах, эстакадах, в виде подкрановых балок производственных зданий, в конструкциях гидротехнических шлюзов и затворов и в других сооружениях.

Широкое распространение балок определяется простотой конструкции изготовления и надежностью в работе.

В конструкциях небольших пролетов длиной до 15-20 м наиболее рационально применять сплошные балки. При увеличении нагрузки длина пролетов увеличивается, известны примеры применения сплошных подкрановых балок пролетом 36 м и более. Такие балки часто бы вают двустенчатыми, т. е. имеют коробчатое сечение.

В автодорожных и городских мостах пролеты сплошных балок достигают 200 м и более.

У металлических балок основным типом является двутавровое симметричное сечение. Мерой эффективности, т. е. выгодности сечения балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию p=W/A. Сравнение ядровых расстояний круглого, прямоугольного и двутаврового сечений, показывает, что двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в 2 и круглого в 3 раза, так как в этом сечении распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных напряжений от изгиба балки. Поэтому металлические балки конструируют главным образом двутаврового сечения, чему способствует хорошая работа металла на касательные напряжения, позволяющая делать стенку балки достаточно тонкой.

В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сечения, прокатные или составные - сварные, болтовые или клепаные. Предпочтение отдается прокатным балкам как менее трудоемким, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах.

В строительстве нашли применение тонкостенные балки, балки из гнутых профилей, прессованные, составные из алюминиевых сплавов, а также бистальные балки, т. е. балки, сваренные из двух марок стали, и балки предварительно напряженные.

Чаще применяются балки однопролетные, разрезные, которые наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа. Однако по расходу металла они менее выгодны, чем неразрезные и консольные. Неразрезные балки благодаря наличию опорного момента, разгружающего основные моменты в пролетах, более экономичны по материалу. Они обладают большой чувствительностью к изменениям температуры и осадкам опор, а поскольку в практике строительства рекомендуют делать крайние пролеты меньше средних для сохранения постоянства сечения, то их конструкции являются немассовыми (индивидуальными), а применение их - сравнительно редким.

Типы сечения балок со сплошной стенкой

1. Узкополочные двутавры с уклоном внутренних граней полок после введения двутавров РЕ с параллельными гранями полок применяются редко, и производство их ограничено. Эти профили применяются преимущественно для легких балок, особенно прогонов.
2. Двутавровый РЕ-профиль прокатывают высотой от 80 до 600 мм и в многоэтажном строительстве используют в основном для балок. Благодаря тонкой стенке эти двутавры очень экономичны. Такие профили удобнее стыковать и крепить благодаря тому, что их полки имеют параллельные грани.
3. Три типа двутавровых РВ-профилей (IPBI, IPB и IPBv) высотой от 100 до 1000 мм являются идеальными для тяжело нагруженных балок. Благодаря наличию широких полок они обладают достаточной жесткостью из своей плоскости, они пригодны также для балок перекрытий и прогонов.
4. Если несущая способность прокатного двутаврового профиля недостаточна при заданной строительной высоте перекрытия, то балка в зоне действия больших изгибающих моментов может быть усилена приваренными к поясам листами.
5. Удобным балочным профилем являются также швеллеры, которые применяются для окаймляющих балок перекрытия (рандбалок) или в качестве прогонов.
6. Прогон из двух швеллеров.
7. Прокатный двутавр с приваренным к верхней полке швеллером для увеличения горизонтальной жесткости балки. Применяются для подкрановых балок или в шедовых покрытиях.
8. Более низкие, но тяжелые балки коробчатого сечения из двух швеллеров и двух горизонтальных листов.
9. Если несущая способность прокатного профиля при имеющейся строительной высоте оказывается недостаточной, то применяются сварные балки. Пояса изготовляют чаще всего из широкополосной стали, стенки — из листовой. Выбор оптимальных толщин листов дает возможность эффективно использовать материал.
10. Асимметричный сварной двутавр. Применяется, как правило, в случае, когда уложенные поверху железобетонные плиты работают совместно с верхним поясом балки (ста-лежелезобетонные балки).
11. В сварных балках очень больших пролетов может оказаться выгодным изменять толщину поясных листов по длине балки. Этот прием распространен, например, в строительстве мостов.
12. Двухстенный сварной коробчатый профиль для больших нагрузок, как-то: опорные балки под высокими зданиями, консольные элементы каркаса или основные балки каркасов в зданиях с подвесными перекрытиями. Возможна сварка профиля без свесов полок.

Составные балки из прокатных профилей

13. При изготовлении балок покрытий нижний пояс и стенку двутавра срезают клином, после чего сваривают по плоскостям резки и, если необходимо, усиливают ребрами жесткости, или двутавр разрезают полностью и скошенные плоскости сваривают через стальной лист.
14 и 15. Прокатные двутавры разрезают по стенке наклонно и после разворота сваривают так, что получаются балки переменной высоты, как показано на рисунках.
16. Увеличение высоты концевого участка балки может быть достигнуто вставкой листа клинообразного очертания после разреза стенки и отгиба полки.

Формы сварных балок

17. Балки переменной высоты могут быть сварены из поясных листов и стенки, вырезанной из листа любого размера и формы.
18. Сварная балка с уменьшающейся к концам высотой.
19. Стенка сварной балки большой высоты должна быть укреплена против выпучивания приваренными к ней вертикальными ребрами жесткости. Кроме вертикальных ребер стенки очень высоких балок могут быть укреплены горизонтальными ребрами. Над опорами стенка должна быть усилена опорными ребрами жесткости.
20. Пример тяжелой опорной балки ломаного очертания. Стенка балки должна быть укреплена ребрами жесткости в местах приложения больших сосредоточенных нагрузок. Пояса укрепляют ребрами, поставленными по направлению равнодействующих усилий в местах перегиба.