Рассмотрим скелет небоскреба или основу моста - как эти конструкции сохраняют устойчивость и безопасность, выдерживая огромные нагрузки? Ответ часто кроется в сложной конструктивной разработке, особенно в проектировании стальных и композитных балок. Эта статья исследует основные принципы, процессы проектирования и практическое применение стальных и композитных балок, служа всеобъемлющим справочником для инженеров и архитекторов.

В современном строительстве и мостостроении стальные балки широко используются благодаря своей высокой прочности, пластичности и простоте изготовления. Однако обычные стальные балки не всегда могут соответствовать требованиям к конструктивным характеристикам. Композитные балки были разработаны для повышения несущей способности, уменьшения прогиба и оптимизации эффективности использования материалов путем эффективного объединения стальных балок с бетонными плитами для формирования интегрированной конструктивной системы, которая использует преимущества обоих материалов.

Проектирование стальных балок является основой строительной механики. Являясь конструктивными элементами, воспринимающими поперечные нагрузки, стальные балки в основном сопротивляются силам сдвига и изгибающим моментам. Целью проектирования является выбор подходящих форм и размеров поперечного сечения при проведении необходимых проверок для соответствия требованиям прочности, устойчивости и деформации.

Стальные балки выпускаются в различных формах поперечного сечения, включая двутавровые балки, швеллерные балки и коробчатые балки. Двутавровые балки особенно распространены благодаря своей превосходной устойчивости к изгибу и экономичности. Выбор сечения требует всестороннего рассмотрения величины нагрузки, длины пролета, условий опоры и прочности материала. Как правило, большие нагрузки и пролеты требуют больших поперечных сечений.

Проверка прочности представляет собой основу проектирования стальных балок. Поскольку стальные балки должны выдерживать как изгибающие, так и сдвиговые усилия, требуются отдельные проверки прочности на изгиб и прочности на сдвиг.

• Проверка прочности на изгиб: Это оценивает сопротивление балки деформации при изгибе, учитывая предел текучести стали, пластическое развитие поперечного сечения и возможные виды потери устойчивости. Для пластически рассчитанных балок проверка гарантирует, что сечение может образовывать пластические шарниры с достаточной вращательной способностью. Для упруго рассчитанных балок проверка подтверждает, что максимальные напряжения не превышают допустимые пределы.
• Проверка прочности на сдвиг: Это оценивает сопротивление деформации при сдвиге, учитывая прочность стали на сдвиг и площадь сечения на сдвиг. Для балок с тонкой стенкой также необходимо проверить устойчивость стенки к выпучиванию.

Устойчивость относится к способности балки сохранять равновесие под нагрузкой. Возможные виды потери устойчивости включают:

• Общая потеря устойчивости: Включает в себя поперечно-крутильную потерю устойчивости всей балки, на которую влияют свойства сечения, длина пролета, условия опоры и боковые связи. Стратегии смягчения включают уменьшение длины пролета, увеличение жесткости на кручение или добавление боковых опор.
• Местная потеря устойчивости: Возникает, когда отдельные компоненты (полки или стенка) теряют устойчивость. Критическое напряжение зависит от соотношения ширины к толщине. Методы предотвращения включают уменьшение этих соотношений, увеличение толщины компонентов или добавление ребер жесткости.

Прогиб относится к деформации под нагрузкой. Чрезмерный прогиб может ухудшить функциональность и эстетику. Проверка включает ограничение максимального прогиба в соответствии с требованиями норм. Стратегии уменьшения включают увеличение момента инерции сечения, уменьшение длины пролета или повышение жесткости опоры.

Композитные балки объединяют стальные балки с бетонными плитами с помощью механических соединителей, сочетая прочность стали на растяжение с прочностью бетона на сжатие для достижения высокой несущей способности, значительной жесткости и уменьшенного веса.

Проектирование композитных балок следует следующим основным принципам:

• Совместная работа: Соединители объединяют стальные и бетонные компоненты для совместной работы под нагрузкой.
• Распределение напряжений: Напряжения, вызванные нагрузкой, распределяются соответствующим образом между материалами, чтобы максимизировать их соответствующие прочности.
• Передача сдвига: Соединители передают силы сдвига между материалами для поддержания совместной работы.

Соединители являются критическими компонентами, которые передают сдвиг между сталью и бетоном. Распространенные типы включают шпильки с головками, швеллеры и арматурные стержни. Требования к проектированию включают:

• Прочность: Адекватное сопротивление сдвигу для передачи максимальных сил сдвига.
• Жесткость: Достаточная жесткость для обеспечения совместной работы.
• Долговечность: Устойчивость к коррозии и усталости окружающей среды.

Поскольку бетонные плиты обычно шире стальных балок, не весь бетон в равной степени участвует в совместной работе. Эффективная ширина относится к той части, которая, как предполагается, работает совместно со стальной балкой, определяемой положениями норм с учетом длины пролета, расстояния между балками и толщины плиты.

Проверка прочности композитных балок включает:

• Прочность на изгиб: Учитывает предел текучести стали, прочность бетона на сжатие, прочность соединителя на сдвиг и пластическое развитие сечения. Расчеты варьируются в зависимости от положения пластической нейтральной оси (внутри бетонной плиты, полки стали или стенки стали).
• Прочность на сдвиг: Оценивает несущую способность стальной балки на сдвиг и сопротивление сдвигу соединителя, с дополнительными проверками на выпучивание стенки для балок с тонкой стенкой.

Как и для стальных балок, прогиб композитных балок должен соответствовать нормативным ограничениям. Их большая жесткость обычно приводит к меньшим прогибам.

Практика строительства существенно влияет на окончательные характеристики. Основные факторы включают:

• Строительные нагрузки: Стальные балки должны выдерживать строительные нагрузки (собственный вес, мокрый бетон, рабочие и оборудование) до затвердевания бетона, требуя адекватной временной прочности и устойчивости.
• Методы опалубки: Опалубка с опорами использует временные опоры во время укладки бетона, в то время как опалубка без опор полагается исключительно на стальную балку. Строительство без опор ускоряет графики, но требует более тщательной проверки балок.
• Установка соединителей: Правильное позиционирование, качество сварки и защита от коррозии необходимы для производительности.

В зависимости от несущей способности соединителей на сдвиг композитные балки классифицируются как:

• Полное взаимодействие: Соединители передают весь сдвиг, достигая полного взаимодействия и максимальной несущей способности.
• Частичное взаимодействие: Соединители передают только частичный сдвиг, что приводит к снижению несущей способности, но потенциально к меньшему количеству соединителей и затратам.

В неразрезных балках или рамах отрицательные моменты вызывают растяжение в верхней части и сжатие в нижней части. Поскольку прочность бетона на растяжение незначительна, сопротивление зависит от стальной балки и армирования. Методы улучшения включают увеличение размера стального сечения, добавление армирования или использование высокопрочной арматуры.

Нормы проектирования стальных конструкций предоставляют основные рекомендации. В Китае основным справочником является GB 50017 (Кодекс проектирования стальных конструкций), который определяет выбор материала, проектирование сечения, проверку прочности, проверки устойчивости и проектирование соединений. Строгое соблюдение норм обеспечивает безопасность конструкции.

Специализированное программное обеспечение, такое как ASDIP STEEL, повышает эффективность и точность проектирования стальных и композитных балок, предлагая:

• Комплексные возможности для различных типов балок (простых, неразрезных, консольных, рамных)
• Удобный интерфейс
• Передовые методы расчета
• Подробная отчетность (расчеты, результаты проверки, количество материалов)

Стальные и композитные балки незаменимы в современном строительстве и мостостроении. Тщательно понимая принципы их проектирования и применения, а также используя передовые инструменты, специалисты могут создавать более безопасные, экономичные и эстетически привлекательные конструкции. По мере развития технологий проектирование стальных конструкций развивается в сторону большей интеллектуальности и точности, в то время как соображения устойчивости способствуют использованию экологически чистых материалов и процессов. С помощью информационного моделирования зданий (BIM), обеспечивающего лучшую междисциплинарную координацию, стальные конструкции будут продолжать играть жизненно важную роль в формировании застроенной среды.