Балка композиционной структуры с гофрированными элементами

Изобретение относится к области строительства, в частности к балке композиционной структуры с гофрированными элементами. Технический результат заключается в снижении металлоемкости и увеличении несущей способности балки. Балка содержит сжатый и растянутый пояса и стенку. Стенка состоит из металлических листов, перпендикулярных плоскостям поясов. Металлические листы имеют на части длины поперечное к продольной оси балки традиционное или переменное гофрирование. Образованные между металлическими листами полости на участках интенсивных поперечных сил заполнены бетоном. Гофры на данных участках остаются постоянного по высоте стенки сечения. 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к строительству, более конкретно - к несущим конструкциям (с возможностью выполнения ограждающих функций) промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Из уровня техники (Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева. - 3-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 2004. - 551 с. С.271-273, рис.5.44) известен класс коробчатых металлических балок, применяемых, как правило, в случаях воздействия существенных крутящих моментов. Недостатком таких конструкций является повышенная металлоемкость, обусловленная назначением толщины листов стенки из условий прочности на срез от действия поперечных сил (как правило - приопорные участки) и местной устойчивости. При этом представляется затруднительным реализовать один из основных критериев оптимальности балочных конструкций - тонкостенность поперечных сечений.

Из уровня техники (Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева. - 3-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 2004 - 551 с. С.294-298, рис.5.60) известна металлическая балка двутаврового сечения с гофрированной стенкой. Недостатком указанной балки является повышенная материалоемкость, что вызвано необходимостью устройства относительно частого шага гофров для обеспечения местной и общей устойчивости стенки, а также назначением толщины стенки из условия прочности на срез от действия максимальных поперечных сил.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является балка Селиванова Н.П. (патент на изобретение RU 2029040 С1. Опубликовано 20.02.1995). Недостатком указанной балки является повышенная металлоемкость, вызванная необходимостью назначения высоты и толщины гофрированных листов условиями прочности на срез от действия максимальных поперечных сил, а также относительно частого шага гофров для обеспечения местной и общей устойчивости стенок. Кроме того, в данной конструкции гофрированные стенки связаны между собой только в уровне поясов (отсутствуют промежуточные связи), что откладывает определенные ограничения на шаг и высоту гофров из условий устойчивости стенок и ведет к перерасходу металла на них.

Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в снижении металлоемкости балок, повышении прочности и устойчивости (как формы, так и положения), что увеличивает их несущую способность. Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих строительных конструкциях и достигается за счет того, что стенка балки состоит из нескольких традиционно- или переменно-гофрированных в поперечном направлении листов, при этом образованные между гофрированными листами полости на участках интенсивных поперечных сил заполняются бетоном. (Под традиционным понимается гофрирование металлических листов гофрами с постоянным шагом и высотой. Под переменным подразумевается гофрирование металлических листов гофрами с изменяемым шагом и/или высотой в соответствии с изменениями поперечных сил, т.е. на участках относительно интенсивных поперечных сил шаг гофров минимальный, а их высота - максимальная, а на участках относительно малых поперечных сил - обратная ситуация: шаг гофров - максимальный, высота гофров - минимальная). В этом случае на срез от действия поперечных сил (как правило, на приопорных участках) работает сечение стенки, состоящее из металлических гофрированных листов и бетонного участка - сердечника. Это предоставляет возможность уменьшить толщину металлических листов стенки, высоту поперечного сечения балки на участках преобладания поперечных сил, а также снизить высоту и увеличить шаг гофров, обеспечивающих устойчивость стенки. Кроме этого повышается сопротивление конструкции на действие крутящих моментов и снижается влияние собственных напряжений и начальных несовершенств стенки и сжатого пояса. Вес бетонного сердечника вызывает незначительные усилия в элементах конструкции, т.к. концентрируясь, как правило, вблизи опор, создает малые изгибающие моменты. Представленные особенности предлагаемой конструкции приводят к тому, что при меньшем расходе металла повышается изгибно-крутильная жесткость конструкции, прочность от действия поперечных сил, устойчивость формы и положения, а следовательно, и несущая способность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 - балка композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой и параллельными металлическими поясами;

на фиг.2 - вид сбоку на балку на фиг.1;

на фиг.3 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.2;

на фиг.4 - балка композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой, верхний пояс состоит из металлической полосы, сопряженной с железобетонным настилом (армирование железобетонного настила условно не показано);

на фиг.5 - вид сбоку на балку на фиг.4 (армирование железобетонного настила условно не показано);

на фиг.6 - продольные сечения А-А, Б-Б, поперечные сечения В-В и Г-Г на фиг.5 (армирование железобетонного настила условно не показано);

на фиг.7 - сечение Д-Д на фиг.6 (армирование железобетонного настила условно не показано);

на фиг.8 - балка трапецеидального очертания, композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой;

на фиг.9 - вид сбоку на балку на фиг.8;

на фиг.10 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.9;

на фиг.11 - балка полигонального очертания, композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой, усиленной продольным ребром жесткости;

на фиг.12 - вид сбоку на балку на фиг.11;

на фиг.13 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.12.

Балка композиционной структуры с гофрированными элементами состоит из сжатого пояса 1 и растянутого пояса 2, соединенных стенкой 3, которая состоит из металлических листов 4 и бетонных участков, образованных заполнением бетонным раствором полостей в стенке 3 между листами 4 на участках преобладания поперечных сил. Листы 4 по всей длине или на некоторых участках гофрированы поперечными (перпендикулярными продольной оси балки) гофрами 5 и/или 6.

Гофры 5, 6 на участках стенки 3, заполненных бетоном, остаются постоянного по высоте стенки 3 сечения.

Гофры 5, 6 могут быть односторонними и двусторонними. Устройство двусторонних гофров 5, 6 предпочтительнее ввиду их симметрии относительно срединной плоскости металлических листов 4.

Профиль гофров 5, 6 может быть различным: волнистый (синусоидальный, параболический, эллипсоидный и т.п.), треугольный, трапецеидальный (в частном случае - прямоугольный). Возможно изменение профиля гофров 5, 6 по длине стенки 3.

Объемом изобретения предусмотрен вариант балки, в которой применяются гофры 5 как выходящие на обе кромки листов 4, так и не выходящие, или гофры 6, выходящие только на одну кромку (глухие).

Стенка 3 может иметь перфорацию 7, которую предпочтительно предусматривать в пролетном участке, где интенсивность поперечных сил, как правило, невелика, а интенсивность изгибающих моментов достигает своего максимума. Устройство перфорации 7 позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход металла на стенку и расширить область применения таких конструкций, например, за счет прокладки через отверстия коммуникаций.

Толщина металлических листов 4 стенки 3, расстояние между ними, а также класс бетона и размеры участков, заполненных бетоном, согласуются с условиями прочности стенки на срез и назначаются при проектировании конструкции по конкретным условиям эксплуатации. Возможно применение расширяющихся бетонов и фибробетонов. Таким образом, максимальную толщину металлических листов 4 стенки 3 следует предусматривать на участках действия интенсивных поперечных сил (как правило, приопорные участки) с учетом силового сопротивления бетонных элементов стенки 3.

При относительно малых крутящих моментах, действующих на балку в пролетной части, возможно клиновидное в плане расположение листов 4 стенки 3 по отношению друг к другу с максимальным расхождением на участках максимальных поперечных сил и схождением к участку с относительно малыми поперечными силами. Такая конструкция балки лучше отвечает принципу концентрации материала в зависимости от интенсивности и характера действующих усилий (в данном случае - поперечных сил и изгибающих моментов). При относительно большом расстоянии (соизмеримым с высотой поперечного сечения балки) в плане между наружными листами 4 на опоре описанное выше клиновидное расположение листов 4 позволяет уменьшить сечения связей, раскрепляющих сжатый пояс 1 балки на опоре из их плоскости, или вообще отказаться от устройства таких связей.

Предусмотрен вариант балки, в которой на участках относительно малых поперечных сил и интенсивных изгибающих моментов стенка 3 представляет собой один гладкий или гофрированный металлический лист 4 с вырождением поперечного сечения балки на данных участках в двутавровое (фиг.8-13).

Балка композиционной структуры с гофрированными элементами может иметь по длине стенки поперечные ребра жесткости 8 и/или продольные ребра жесткости 9, а также торцевые опорные ребра 10.

Бетонная смесь (раствор) с армирующими (в случае необходимости) элементами укладывается в соответствующие полости между металлическими листами 4 после их приварки к одному из поясов 1 или 2 или закачивается через отверстия 11 в поясе 1 или 2 после сварки металлических листов 4 с поясами 1 и 2.

Для лучшего сцепления бетона с металлическими листами 4 последние могут иметь соответствующие выштампованные засечки 12 на участках гофров 5. Засечки 12 могут быть направлены как вдоль, так и под углом к продольной оси балки. Не исключена возможность устройства анкерующих элементов 13 в виде гнутых стержней, приваренных к листам 4.

Для обеспечения лучшей совместной работы металлических листов 4 стенки 3 возможно устройство стягивающих болтов 14 и/или поперечных диафрагм 15.

Пояса 1 и 2 балки композиционной структуры с гофрированными элементами могут быть параллельными или не параллельными между собой. В последнем случае очертание поясов 1 и 2 представляет собой треугольную, трапецеидальную, полигональную или сегментную форму.

Сжатый пояс 1 и растянутый пояс 2 балки композиционной структуры с гофрированными элементами могут выполняться с различным поперечным сечением.

Для дополнительного снижения материалоемкости рассматриваемых балок возможно изменение сечения поясов 1 и 2 по длине. Изобретением предусмотрен вариант балки, в которой сжатый пояс 1 выполнен из нескольких материалов: металлического элемента 16 и железобетонного настила 17, скрепленных между собой анкерующими болтами 18. Возможен обрыв металлического элемента 16 над участками устройства бетонных сердечников с устройством арматурных каркасов 19, работающих по принципу нагелей и связывающих железобетонный настил 17 со стенкой 3.

Эффективность балки композиционной структуры с гофрированными элементами обосновывается характером ее работы, который заключается в следующем:

при загружении балки внешней нагрузкой, действующей на один или два пояса 1 и 2 и направленной в плоскости стенки 3, наблюдается поперечный изгиб конструкции. Поперечные силы воспринимаются практически полностью композиционной стенкой 3, а изгибающие моменты - практически полностью поясами 1 и 2. Бетонные участки стенки 3, работая совместно с гофрированными металлическими листами 4, значительно увеличивают жесткость и устойчивость всего сечения в продольном (вдоль гофров 5, 6) его направлении. Это предоставляет возможность уменьшить толщину металлических листов 4 стенки 3, уменьшить высоту и увеличить шаг гофров 5, 6 (запроектировать более пологое и, следовательно, более экономичное гофрирование), а также в ряде случаев отказаться от установки поперечных ребер жесткости 8. При этом, за счет разноса (в плане) металлических листов 4 от продольной оси балки и обеспечения лучшей устойчивости стенки 3 благодаря совместной работе с бетоном, повышаются крутильная и изгибно-крутильная жесткости конструкции, устойчивость ее формы и положения.

Балка композиционной структуры с гофрированными элементами изготавливается из металлов, преимущественно из сталей групп обычной и повышенной прочности с заполнением соответствующих полостей стенки 3 бетонным раствором. Ввиду того, что изгибающие моменты воспринимаются преимущественно поясами 1 и 2, их возможно изготавливать из металлов с разными физико-механическими свойствами (в частности - бистальное решение). Металлические листы 4 стенки 3 соединяются с поясами 1 и 2 с помощью непрерывных, односторонних сварных швов, что необходимо учитывать при выборе конкретных материалов по критериям свариваемости и условиям эксплуатации.

Придание листовым заготовкам необходимой традиционно- или переменно-гофрированной формы возможно с помощью штамповки - прессования заготовок между двумя матрицами, прокатки на профилирующих станах, гибки с помощью профилегибочных машин, а также комбинированием данных способов.

Предлагаемое изобретение может применяться в конструктивных системах несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения, предназначенных для эксплуатации в различных снеговых и ветровых районах, а также в районах с сейсмичностью до 9 баллов.

1. Балка композиционной структуры, содержащая сжатый и растянутый пояса и стенку, отличающаяся тем, что стенка состоит из металлических листов, перпендикулярных плоскостям поясов и имеющих, по крайней мере, на части длины поперечное к продольной оси балки традиционное или переменное гофрирование, а образованные между металлическими листами полости на участках интенсивных поперечных сил заполнены бетоном, причем гофры на данных участках остаются постоянного по высоте стенки сечения.

2. Балка композиционной структуры по п.1, отличающаяся тем, что наружные металлические листы стенки в плане расположены клиновидно по отношению друг к другу с максимальным расхождением на участках максимальных поперечных сил и схождением к участку с относительно малыми поперечными силами.

3. Балка композиционной структуры по п.1 или 2, отличающаяся тем, что на участках относительно малых поперечных сил и интенсивных изгибающих моментов стенка представляет собой один гладкий или гофрированный металлический лист с вырождением поперечного сечения балки на данных участках в двутавровое.

4. Балка композиционной структуры по п.3, отличающаяся тем, что профиль гофров изменяется по длине стенки.

5. Балка композиционной структуры по п.4, отличающаяся тем, что сжатый и растянутый пояса не параллельны между собой, при этом очертание поясов представляет собой треугольную, трапецеидальную, полигональную или сегментную форму.

6. Балка композиционной структуры по п.5, отличающаяся тем, что сжатый и растянутый пояса выполняются с различным поперечным сечением и/или из различного набора материалов.

7. Балка композиционной структуры по п.6, отличающаяся тем, что по длине стенки предусмотрена постановка поперечных и/или продольных ребер жесткости и/или торцевых опорных ребер.

8. Балка композиционной структуры по п.7, отличающаяся тем, что в стенке предусмотрена перфорация.

9. Балка композиционной структуры по п.8, отличающаяся тем, что металлические листы стенки имеют переменную толщину по длине балки.