Статическая работа комбинированных балок

В комбинированных конструкциях достигается совместная работа материалов, обладающих различными свойствами. Комбинированная балка в рассматриваемом случае — изгибаемый элемент, состоящий из стальной балки и совместно работающей с ней железобетонной плиты (сталежелезобетонная балка). При этом на участке положительных моментов железобетонные плиты выполняют функцию сжатого верхнего пояса, а нижняя часть стальной балки — растянутого нижнего пояса.

На участке отрицательных моментов железобетонные плиты только тогда могут включиться в работу, когда растягивающие усилия, появляющиеся при этом в бетоне, будут преодолены с помощью предварительного напряжения. Предварительно-напряженные сталежелезобетонные балки выгодны только при больших пролетах.

Соединение, воспринимающее сдвиг

Для достижения совместной работы в комбинированной конструкции необходимо соединить стальные балки с лежащими на них железобетонными плитами так, чтобы обеспечить надежное восприятие появляющихся между ними сил сдвига. Если плиты не соединены с балками, а свободно лежат на них, то несущие способности обоих элементов просто суммируются, тогда как несущая способность объединенного сечения существенно возрастает. Это можно пояснить на примере штабеля свободно лежащих друг на друге досок (рис. 1.1 и 1.2), которые имеют такую же общую несущую способность, как если бы они лежали рядом друг с другом. Только соединение досок гвоздями, которые воспринимают силы сдвига, обеспечивает большую несущую способность балки, сбитой из досок (рис. 1.3).

Преимущества сталежелезобетонных балок

При совместной работе железобетонной плиты перекрытия со стальной балкой достигается снижение массы стальной балки (до 50%), увеличение жесткости конструкции и тем самым уменьшение прогиба перекрытия.

Напряжения и прогиб

2.1 В ребристом железобетонном перекрытии плита, находящаяся в сжатой зоне поперечного сечения, рассчитывается совместно с балкой. Сжимающие усилия воспринимаются бетоном, растягивающие — арматурой.

2.2 Если стальная балка не объединена с железобетонной плитой, то она несет нагрузку одна. Нейтральная ось находится посередине высоты балки h.

2.3 В объединенном поперечном сечении нейтральная ось передвигается вверх. Верхняя полка стальной балки находится близко к нейтральной оси и может иметь меньшую площадь, чем нижняя. При этом при одинаковых наибольших напряжениях в нижнем поясе угол а эпюры напряжений и прогиб балки значительно меньше, чем в 2.2.

Усадка и ползучесть

Свежий бетон при твердении уменьшается в объеме вследствие происходящих в нем химических процессов (усадка). При длительном действии нагрузки в бетоне со временем проявляются неупругие деформации (ползучесть). В сталежелезобетонных балках этим явлениям подвержена только железобетонная плита (но не стальная балка). Если в объединенной со стальной балкой железобетонной плите происходят деформации в результате явлений усадки и ползучести (последняя вследствие постоянного действия изгибающего момента), то ее несущая способность в известной мере снижается. При этом доля нагрузки передается стальной балке. Происходит перераспределение усилий. Это явление должно учитываться при расчете комбинированных несущих конструкций большого пролета.

Монтажные соединения

Преимущество применения стальных каркасов — в возможности быстрого монтажа конструкций независимо от погоды. Это преимущество не может быть полностью использовано для дальнейших работ по возведению ограждающих конструкций здания, если плиты перекрытия по стальным балкам бетонируются на месте строительства. Общий период строительства сокращается, если в качестве плит перекрытий использовать сборные железобетонные, заранее изготовленные элементы. Для надежного соединения сборных железобетонных плит со стальными балками в комбинированную конструкцию требуется в процессе строительства тщательное выполнение работ при соблюдении жестких допусков.

Способы соединения

В сталежелезобетонных балках высотных зданий применяются два способа соединения бетонных плит со стальными балками, обеспечивающего передачу сдвигающих усилий.

1. Штыревая шпонка (рис. 3.1). Приварка их к стальным балкам не вызывает затруднений при использовании полуавтоматического электронно-управляемого способа сварки. Стержни штырей воспринимают сдвиг, головки препятствуют отрыву железобетонных плит. На штырь надевается проволочная спираль (рис. 3.2), повышающая его несущую способность на 20—25%. Пространство внутри спирали полностью заполняется бетоном. Штыри привариваются заранее на заводе или на месте строительства в процессе монтажа. Оказывается возможным приваривать штыри и сквозь заранее уложенные стальные листы перекрытия (например, профилированный настил).

2. Соединение за счет сил трения. Железобетонные плиты плотно притягиваются к стальным балкам высокопрочными болтами, так что усилия сдвига воспринимаются силами трения. Плиты укладывают на раствор или без него. Применение склеивающего раствора значительно улучшает сопротивление сдвигу.