Общая характеристика

В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны или стержни, входящие в состав конструктивных комплексов.

Центрально-сжатые стержни (колонны) (рис. 7.1 а)применяются для поддержа­ния междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, на рабочих площадках, путепро­водах, эстакадах и т.п. Центрально-сжатые стержни также работают в составе конструк­тивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам (рис. 7.1 б), сжатых элементов вантовых систем и т.п.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состо­ят из трех частей, определяемых их назначением:

- оголовка, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну;

- стержня - основного конструктивного элемента, передающего нагрузку от оголов­ка к базе;

- базы, передающей нагрузку от стержня на фундамент (рис. 7.1 а).

Расчет и конструирование основного элемента центрально-сжатых колонн и стерж­ней производятся одинаково.

Узлы примыкания центрально-сжатых стержней к другим элементам конструктив­ного комплекса (рис. 7.1 б) зависят от вида конструкции и рассмотрены в соот­ветствующих главах. Колонны и сжатые стержни проектируют почти исключительно стальными. Применять алюминиевые сплавы в сжатых стержнях, как правило, не ра­ционально из-за плохой работы сплавов на продольный изгиб вследствие низкого модуля упругости. Однако в общем конструктивном комплексе, выполняемом из алюминиевого сплава, могут быть запроектиро­ваны и сжатые стержни из сплава на основе Al.

Рис. 7.1. Схемы стержней, работающих на центральное сжатие:

а - колонна; б - сжатый стержень тяжелой фер­мы; 1- фундамент; 2 - база; 3 - стержень; 4 - оголовок

Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из стальной трубы, заполненной бетоном. Однако большого распространения эти колонны не получили из-за сложности плотного заполне­ния труб бетоном.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусными и многоярусными. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

Сплошные колонны

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочного двутав­ра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автомати­ческой сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых кон­струкций. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 8.2 и 8.3.

Рис. 7.2. Открытые сечения сплошных стержней:

а - прокатный двутавр; б - сварной составной двутавр; в - крестовое из прокатных уголков; г - то же, сварное из полос; д - то же, с усиливающими элементами; е - из швеллеров и двутавров

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкости ее относительно осей х- λ_xи у - λ_y должны быть равны, т.е. λ_x = λ_y, или l_x/i_x = l_y/i_y.

Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах /_х = l_y это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении (табл. 7.1) радиус инерции относительно оси х

i_x = 0.43·h,

радиус инерции относительно оси у

i_y. = 0,24·b.

Следовательно, для получения равноустойчивого сечения необходимо, чтобы 0.43·h = 0,24·b или b ≈ 2h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически не применяемым.

Прокатный двутавр балочного типа при равных расчетных длинах вследствие незна­чительной ширины его полок не отвечает требованию равноустойчивости и поэтому применяется редко. У прокатного широкополочного двутавра колонного типа (рис. 7.2 а) b = h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, впол­не пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. 7.2 б), достаточно экономичны по затратам материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн. Автоматическая сварка обеспечивает дешевый индустриальный способ изго­товления таких колонн. Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изготовлении явля­ются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут состоять из двух уголков крупного калибра (рис. 7.2 в); из трех листов сваривают тяжелые колонны (рис. 7.2 г). Из условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15 - 22 толщин листа (в зависимости от общей гибкости колонны). Крестовое сечение можно усилить дополнительными листами (рис. 7.2, д). Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу ста­ли получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 7.2 е). Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 7.3 а) с радиусом инерции i = 0,35d, где d -диаметр окружности по оси листа, образующего колонну. Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров (рис. 7.3 б), которые при больших нагрузках могут быть усилены листами (рис. 7.3 в), или из уголков (рис. 7.3 г). Экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнутых профилей (рис. 7.3 д).

Рис. 7.3. Замкнутые сечения сплошных стержней:

а - трубчатое; 6 - составное из швеллеров; в - то же, с усилениями; г - из прокатных угол­ков без усиления и с усилением; д - гнуто-сварные профили (ГСП)

Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, ком­пактность и хороший внешний вид. К недостаткам относятся недоступность внутренней полости для окраски. Чтобы избежать коррозии, такие колонны должны быть защище­ны от проникания внутрь влаги. При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей попе­речные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона при сжатии значительно увеличивается, исключаются потери мест­ной устойчивости трубы и коррозия ее внутренней поверхности. Рационально применять достаточно тонкие трубы (толщина стенки 1/50- 1/150 ди­аметра трубы), но по условиям эксплуатации и возможности прикрепления примыка­ющих элементов стенки должны быть не тоньше 3-4 мм. В трубобетонном стержне бетон работает в основном на сжатие, а труба - на поперечное растяжение. Трубы могут быть как из низкоуглеродистой, так и из низколегированной стали; бетон приме­няют высокой прочности В25 и выше.

Таб л и ца 7.1

Типы сечений центрально-сжатых колонн

Сквозные колонны

7.3.1. Типы сквозных колонн.Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обыч­но состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой решетка­ми (рис. 7.4 а-в). Ось, пересекающая ветви, называется материальной; ось, парал­лельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. 7.4 а), так как в этом в случае лучше используется габарит колонны. Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров (рис. 7.4 в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходимо обеспечивать свободный зазор меж­ду ветвями (100-150 мм) для возможности окраски внутренних поверхностей.

Стержни большой длины, несущие небольшие нагрузки, должны иметь для обеспе­чения необходимой жесткости развитое сечение, поэтому их рационально проектиро­вать из четырех уголков, соединенных решетками в четырех плоскостях (рис. 7.4 г). Такие стержни при небольшой площади сечения обладают значительной жесткостью, однако трудоемкость их изготовления больше трудоемкости изготовления двухветвевых стержней.

При трубчатом сечении ветвей возможны трехгранные стержни (рис. 7.4 д), доста­точно жесткие и экономичные по затрате металла.

Рис. 7.4. Сечения сквозных стержней:

а - из швеллеров полками внутрь; б - то же, полками наружу; в - из двутавров; г - из угол­ков; д - из труб; 1 - свободная ось; 2 - материальная ось

Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Применяются решетки разнооб­разных систем: из раскосов (рис. 7.5 а), раскосов и распорок (рис. 7.5 б) и безраскос­ного типа в виде планок (рис. 7.5 в).

Рис. 7.5. Типы решеток стержней: а – раскосная; б – раскосная со стойками; в – с планками

В случае расположения решеток в четырех плоскостях (рис. 7.4 г)возможны обыч­ная схема (рис. 7.6 а)и более экономичная треугольная схема «в елку» (рис. 7.6 б).

Рис. 7.6. Расположение решеток в четырех плоскостях:

а – со стойками; б – без стоек

В колоннах, нагруженных центральной силой, возможен изгиб от случайных эк­сцентриситетов. От изгиба возникают поперечные силы, воспринимаемые решетка­ми, которые препятствуют сдвигам ветвей колонны относительно ее продольной оси.

Треугольные решетки, состоящие из одних раскосов (см. рис. 7.5, а), или треуголь­ные с дополнительные распорками (см. рис. 7.5, б) являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости грани колонны ферму, все элементы ко­торой работают на осевые усилия; однако они более трудоемки в изготовлении.

Планки (см. рис. 7.5, в)создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой.