МДК02.01.Основы расчета и проектирования сварных конструкций — Лекция 3 .Стержневые сварные конструкции

Балки

Балками называют элементы конструкций, работающие на поперечный изгиб.

Балки входят в состав рам различного назначения (вагонов, кранов, станин, каркасов зданий), перекрытий, мостов и других металлических конструкций и машин.

• Рис. 7.1. Типы поперечных сечений сварных балок:

а) открытый тип сечения; б), в) г) закрытые профили

Наиболее часто применяют сварные балки двутаврового (Рис. 7.1, а) и коробчатого (Рис. 7.1, б, в) профилей,

Более редко — с профилями, указанными на Рис. 7.1 г.

Двутавровые балки хорошо сопротивляются изгибу в плоскости своей наибольшей жесткости.

Коробчатые — изгибу в разных плоскостях и кручению.

Балки с профилями, указанными на Рис. 7.1, удобны в изготовлении, рациональны с позиции использования материала.

Поперечные сечения балок иногда изменяются по длине, если последняя значительна.

В некоторых случаях изменяют толщину или ширину горизонтальных листов (Рис. 7.2, а) (что более целесообразно).

Иногда применяют несколько пар горизонтальных листов, если толщина каждого из них s≥30-35 мм, при этом в менее нагруженных участках число листов уменьшают (Рис. 7.2, в).

В некоторых случаях изменяют высоту вертикальных листов (Рис. 7.2, б).

• Рис. 7.2 Балки с переменными поперечными сечениями:

а) изменяется толщина листов; б) изменяется высота балки; в) изменяется число листов в поясах

Балки переменного сечения по сравнению с постоянным позволяют лучше использовать несущую способность металла по всей их длине.

Балки переменного сечения экономичнее по весу в сравнении с балками постоянного профиля, у которых значительная их часть работает при напряжениях, значительно меньше допускаемых.

В технологическом отношении балки переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается с экономических позиций, а иногда и с учетом общей компоновки и эстетики. Значительное большинство типовых балок имеют профиль, постоянный по длине.

При расчете балок встречаются с тремя видами задач:

1. Заданы размеры балки, известны расчетные усилия —изгибающие моменты и поперечные силы. Требуется проверить прочность балки. В этом случае по правилам курса «Сопротивление материалов» определяют нормальные и касательные напряжения.

2. Задана балка и заданы допускаемые напряжения. Требуется определить допускаемую нагрузку на балку. Эта задача также легко решается с использованием общеизвестных формул из курса «Сопротивление материалов».

3. Требуется спроектировать балку, обеспечивающую требуемую грузоподъемность.

Эта задача является наиболее трудной по сравнению с первыми двумя. Решать ее надо следующим образом:

от заданной нагрузки определяют опорные реакции, строят эпюры поперечных сил Q, изгибающих моментов М по длине и крутящих моментов, если последние имеют место.

При наличии подвижных нагрузок чертят линии влияния опорных реакций, затем Q и М для сечений х=0; х=0,1L;

х=0,2L и т. д. до х=0,5L.

В указанных сечениях вычисляют максимальные значения усилий при самом опасном для них положении подвижных нагрузок.

После этого подбирают размеры поперечных сечений балки, обеспечивающие прочность.

Расчет жесткости и прочности

Балка должна удовлетворять требованию жесткости, т. е. ее прогиб от наибольшей нагрузки не должен превышать предельно допускаемого.

Обычно в балках предельная величина отношений fmax/L(где fmax —стрела прогиба балки) регламентируется нормами.

Норма жесткости fmax/L для балок разных назначений различна, например, в подкрановых балках она должна быть не более 1/600—1/700, в главных балках междуэтажных перекрытий—около 1/400 и т. д.

Размеры поперечного сечения выбираются в соответствии с рекомендациями методических указаний. Затем осуществляются проверочные расчеты на жесткость и прочность.

Общая устойчивость

ли установлены параллельно две изгибаемых балки 1 и 2, то их следует взаимно соединить связями (Рис. 7.3), особенно сжатые пояса.

Такие связи ставят в подкрановых балках, мостовых кранах и т. п. Момент инерции двух балок, соединенных связями, во много раз больше момента инерции в горизонтальной плоскости каждой из балок в отдельности.

Рис. 7.4 К вопросу расчета местной устойчивости вертикальных листов балок.

а) образование напряжений σ и τ, вызывающих потерю устойчивости,

б),  постановка вертикальных ребер жесткости

где φ — коэффициент уменьшения допускаемых напряжений в балке с учетом обеспечения ее устойчивости.

Рис. 7.5 К расчету балки на кручение:

а) двутаврового открытого профиля;

б) трубчатого закрытого профиля

ai —наибольший размер стороны прямоугольника (вертикального или горизонтального листа);

si—наименьший размер стороны того же прямоугольника;

smax—наибольшая толщина профиля.

Так как момент сопротивления оказывается, как правило, малым, то напряжение τ значительно.

При кручении целесообразно применение сварных балок коробчатого поперечного сечения.

В присоединительном файле полная версия лекции с расчётами по формулам