напряжения, обратные по знаку напряжениям от нагрузки. Во время работы конструкции эги предварительные напряжения используются в первую очередь, и только после их исчерпания материал начинает воспринимать основные напряжения, вплоть до величины расчетного сопротивления. Таким образом, предварительное напряжение увеличивает протяженность упругой работы основного материала конструкции. Дополнительным источником экономии стоимости предварительно напряженных балок служит то, что применяемые для создания предварительного напряжения высокопрочные материалы, частично заменяющие основной материал конструкции, относительно дещевле обычной конструкционной стали.

Нужно иметь в виду, что удельная стоимость стали, т. е. стоимость 1 т, отнесенная к пределу текучести, уменьщается с увеличением прочности стали.

Существует несколько приемов создания предварительного напряжения в балках, и каждый из них влияет на конструктивную форму балки.

Предварительное напряжение можно создать изгибом отдельных элементов в пределах их упругой работы, в направлении, противоположном их прогибу под нагрузкой, с последующим соединением изогнутых элементов между собой продольными швами (рис. 7.33). После освобождения конструкции от принудительного изгиба в ней остаются предварительные напряжения, обратные по знаку напряжению от нагрузки. Такой прием увеличивает область упругой работы балки, причем напряжения в ней достигают размера, соответствующего пластическому шарниру, минуя упругопластическую стадию работы.

Наиболее часто предварительное напряжение осуществляют высокопрочной затяжкой, помещаемой вблизи растянутого пояса балки: в разрезных балках в средней части нижнего пояса, в неразрезных в пролетной части у нижнего пояса и на участках верхнего пояса у промежуточных опор.

Затяжка превращает балку в статически неопределимую систему. При действии внешней нагрузки несущая способность ее повышается, во-первых, потому, что сначала в ней исчерпываются предварительные напряжения, что увеличивает область упругой работы материала балки. Во-вторых, потому, что балка с затяжкой работает как статически неопределимая система и растягивающее усилие в затяжке, складывающееся из предварительного натяжения и самонапряжения под нагрузкой, уравновешивается усилиями от сжимающих напряжений в балке. В результате в такой балке образуется дополнительный момент внутренних сил, уравновешивающий часть внешнего изгибающего момента.

Значительное суммарное растягивающее усилие в затяжке от ее предварительного натяжения и от действия внешней нагрузки делают рациональным изготовление ее из высокопрочных материалов (стальных канатов, пучков проволоки и т. п.).

Наиболее полно разработаны вопросы предварительного напряжения однопролетных балок высокопрочной затяжкой. Пример конструктивного решения такой балки показан на рис. 7.34. В этих балках принимают несимметричное сечение с уменьшенным нижним поясом, так как напрягающая затяжка частично заменяет его работу. Сам нижний пояс осуществляют из листа или профильного металла - труб, уголков, швеллеров, что улучшает его работу на сжатие во время предварительного напряжения.

Затяжки имеют анкерные крепления на концах в виде колодки с пробкой, стаканов, заливаемых легкоплавким сплавом, стаканов с клиньями или стаканов с пластическим обжатием троса. Затяжки размещают вблизи нижнего пояса. Во всех случаях затяжку свободно пропускают через направляющие устройства, приваренные к поясу балки на расстояниях 1-2 м друг от друга. Эти направляющие устройства

Рис. 7.33. Предварительное напряжение балок изгибом элементов с последующим сплачиванием в изогнутом состоянии

Рис. 7.34. Предварительно напряженная балка

иитш-ттпиии......iiimiiiiiiiii

dx F

Рис. 7.35. К расчету предварительно напряженных балок

а - предварительное напряжение балки; б - нагружение балки внешней нагрузкой

создают благоприятные условия для сжатого в процессе предварительного напряжения нижнего пояса и предохраняют его от возможной потери устойчивости из плоскости балки. Длину затяжки принимают меньше длины балки и располагают ее только под теми участками, где само сечение балки без предварительного напряжения не может воспринять действующий в этом месте расчетный момент от внешней нагрузки. В месте анкерного закрепления затяжки на балку передаются большие сосредоточенные силы, вызывающие значительные местные напряжения в стенке и поясе балки. Это место усиливают постановкой дополнительных ребер жесткости и специальных упорных пластин, усиливающих стенку балки.

Расчет балки в наиболее напряженном сечении, обычно в середине пролета, ведут в два этапа. Прикладывая к балке усилие X от затяжки (рис. 7.35, а), подвергаем балку внецентренному сжатию, причем наиболее напряженным в ней оказывается нижний пояс. Сила натяжения

X ограничивается прочностью или устойчивостью сжатого при этом нижнего пояса:

u„-=-nX/A - nXhJ\VffR, (7.74)

где «1= 1,1 - коэффициент перегрузки силы предварительного натяжения; при обеспечении надежного прямого контроля силы X принимают ni = l; Л - площадь сечения балки, Wh - момент сопротивления сечения балки для нижней кромки; ср - коэффициент продольного изгиба нижнего пояса балки относительно вертикальной оси, принимается из условия равенства свободной длины нижнего пояса расстоянию между местами соединения нижнего пояса с затяжкой между направляющими устройствами; R -- расчетное сопротивление материала балки.

Во время работы балки под нагрузкой (рис. 7.35,6) предварительное напряжение в ней исчерпывается и в идеально подобранной балке напряжения в поясах и затяжке стремятся к своим расчетным сопротивлениям, определенным по формулам:

= - ~А ~ ! [

+ , Щ-(пХ + Х) Ла „

Л Гц

п,Х -f Xi Оа =-;- <-Ry,

(7.75)

причем усилие самонапряжения затяжки определяется по формуле

<д -j I (7.76)

Eh Еа Ла ЕА /

где Ml и Mq - значения моментов в основной системе балки от единичного усилия в затяжке Х=\ и от внешней нагрузки q\ fi/e - жесткость балки при изгибе; £аЛа- жесткость затяжки при растяжении; «2=0,9-коэффициент недогрузки усилий предварительного натяжения; при обеспечении надежного прямого контроля значения А принимается па = 1; R- расчетное сопротивление материала затяжки (см. гл. 3).

Критерием оптимального подбора сечения таких балок следует считать возможность воспринимать наибольший изгибающий момент прн заданной площади сечения балки.

Проверка прочности балки в месте теоретического обрыва затяжки по касательным и приведенным напряжениям производится так же, как и в обычных балках.

Прогиб балки в середине пролета определяют от действия нормативных нагрузок и по «Инструкции по проектированию предварительно напряженных стальных конструкций», его следует отсчитывать от хорды, соединяющей опоры балки. При определении прогиба необходимо учитывать обратный выгиб балки от усилий предварительного натяжения и от самонатяжения затяжки. Тогда

/ = /р-/х-/«<[/]- (7.77)

где fp-прогиб балкн от действующих нор.иативных нагрузок без учета работы затяжки; /х и 1х, - обратные выгибы балкн соответственно от усилий предварительного натяжения и самонатяжения затя.жки; [/-предельный прогиб по СНиП.

Обратный выгиб балки от усилий в затялске

f = Xh[2ll-QmiQ. (7.78)

Весьма существенна для предварительно напряженных балок проверка местной устойчивости стенки, причем наиболее опасной может оказаться область стенки вблизи нижнего пояса, так как в процессе предварительного напряжения здесь будет действовать наиболее неблагоприятная эпюра сжимающих напряжений.

В предварительно напряженных балках, так же как и в обычных балках, в отдельных случаях может быть допущено развитие пластических деформаций, но только в самой балке. Пластические деформации в затяжке не допускаются, так как текучесть затяжки, мгновенно наступающая по всему сечению, приводит к недопустимому развитию