RU2401921C1

RU2401921C1 - Method for manufacturing of prestressed metal structures and device for its realisation

Info

Publication number: RU2401921C1
Application number: RU2009109575/03A
Authority: RU
Inventors: Виктор Аршакович Кеворков (RU); Виктор Аршакович Кеворков
Original assignee: Виктор Аршакович Кеворков
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-10-20

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: prestressed metal structure - beam - is made of previously bent upper belt, to which support elements are fixed in advance with slots for stressed elements, and lower belt from stressed elements. At initial stage of manufacturing, auxiliary composite beam is assembled from overlying upper belt of manufactured beam and rigidly fixed underlying power thermal element for mechanical action at upper belt of manufactured beam. Power thermal element is detachable and is made of upper and lower zones of heating. At the initial stage power thermal element is heated up to rated high temperature. Afterwards elements - tie bars with anchors at the ends - are installed in slots of support elements, and lower unstressed belt of manufactured metal beam is produced. To develop prestressing in this belt and to further removal of manufactured beam from power thermal element, in the latter upper zone of heating is cooled down to normal temperature, and temperature of lower heating zone is increased, where additionally power thermal element is bent, and therefore forces of rigid connection of upper and lower parts of auxiliary composite beam are thus reduced. In process of installation and after tensioning of stressed elements - tie bars - along length of middle part of manufactured beam, between its upper and lower belts, stabilisers of prestressing are installed and rigidly fixed. Afterwards power thermal element is disconnected with manufactured prestressed metal beam, which is removed, canted and installed into design position. Device is proposed for prestressing of metal structures.

EFFECT: method improvement.

3 cl, 16 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления строительных материалов и конструкций, в частности для изготовления предварительно напряженных металлических конструкций, например балок, арок, ферм и т.д.The invention relates to the manufacture of building materials and structures, in particular for the manufacture of prestressed metal structures, such as beams, arches, trusses, etc.

Известен способ изготовления предварительно напряженных металлических балок, где предварительно изготавливают составную балку, состоящую из верхнего пояса, стенки и нижнего пояса, к которому крепят предварительно напряженные элементы-затяжки из высокопрочной стали, которые затем растягивают механическим или электротермическим методом (Е.И.Беленя Предварительно напряженные несущие металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1975, с.119-121).There is a known method of manufacturing prestressed metal beams, where a composite beam consisting of an upper belt, a wall and a lower belt is preliminarily fabricated, to which pre-tensioned fastening elements are fastened from high-strength steel, which are then stretched mechanically or electrothermally (E.I. Belena Pre tensile load-bearing metal structures. - M.: Stroyizdat, 1975, p.119-121).

Известно устройство по данному способу, включающее обычную составную металлическую балку, которая содержит верхний пояс, стенку и нижний пояс, по которому расположены и закреплены предварительно напряженные затяжки из высокопрочной стали.A device according to this method is known, comprising a conventional composite metal beam, which contains an upper belt, a wall and a lower belt, along which prestressed tightenings made of high-strength steel are located and fixed.

Недостатком данного способа и устройства является низкая эффективность как методов напряжения, так и по расходу металла и трудоемкости. Здесь необходимо предварительно изготовить составную металлическую балку, выполнить по нижнему поясу необходимые крепления и далее натяжение предварительно напрягаемых затяжек механическим или электротермическим методами. При этом при механическом натяжении необходимы дорогостоящие домкраты с их сложной установкой и эксплуатацией, а при электротермическом методе натяжения имеет место большой расход электроэнергии. Известен способ изготовления предварительно напряженных металлических балок, где составную балку, имеющую верхний и нижний пояса и стенку, изготавливают из нескольких профилей и изгибают в пределах упругой стадии работы материала, а затем изогнутые профили жестко соединяют между собой (Е.И.Беленя Предварительно напряженные несущие металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1975, с.256-259).The disadvantage of this method and device is the low efficiency of both voltage methods and metal consumption and labor intensity. Here it is necessary to pre-fabricate a composite metal beam, perform the necessary fastenings on the lower belt and then tension the pre-tensioned puffs by mechanical or electrothermal methods. At the same time, mechanical jacks require expensive jacks with their complex installation and operation, and with the electrothermal method of tensioning, there is a large consumption of electricity. A known method of manufacturing prestressed metal beams, where a composite beam having an upper and lower chords and a wall, is made of several profiles and bent within the elastic stage of the material, and then the curved profiles are rigidly connected to each other (E.I. Belena Pre-stressed carriers metal constructions. - M.: Stroyizdat, 1975, p. 256-259).

Известно устройство по данному способу, включающее составную балку, имеющую верхнюю и нижнюю полки и стенку и которая содержит несколько предварительно изогнутых профилей с жесткими соединениями между собой.A device according to this method is known, comprising a composite beam having upper and lower shelves and a wall and which contains several pre-curved profiles with rigid connections to each other.

Недостатком данного способа и устройства является низкая эффективность и большая трудоемкость, так как для создания обратного выгиба составной балки необходимы очень большие механические усилия, которые в конечном итоге не обеспечат плавного параболического изгиба в целом всей балки.The disadvantage of this method and device is low efficiency and high laboriousness, since very large mechanical forces are required to create the reverse bending of the composite beam, which ultimately will not ensure smooth parabolic bending of the whole beam.

Техническим решением задачи предлагаемого изобретения является повышение эффективности изготовления предварительно напряженных металлических балок, которая выражается в повышении производительности, значительным снижением трудоемкости и расхода металла за счет использования естественного природного свойства металла при неравномерном нагреве по сечению - температурного изгиба.The technical solution to the problem of the present invention is to increase the manufacturing efficiency of prestressed metal beams, which is expressed in increased productivity, a significant reduction in the complexity and consumption of metal due to the use of the natural property of the metal during uneven heating over the cross section — temperature bending.

Задача достигается тем, что в известном способе изготовления предварительно напряженных металлических балок, включающем составную металлическую балку, имеющую верхний и нижний пояса и которую изготавливают из нескольких профилей и изгибают в пределах упругой стадии работы материала, а затем изогнутые профили жестко соединяют между собой, предварительно напряженную металлическую балку изготавливают из двух поясов - предварительно изогнутого верхнего пояса, к которому заранее крепят опорные элементы с пазами для напрягаемых элементов, и нижнего пояса из напряженных элементов-затяжек из высокопрочной стали. Причем при изготовлении данной балки предварительно собирают вспомогательную составную балку, состоящую из вышележащего верхнего пояса изготавливаемой верхней балки и жестко закрепленную к нему через термоизоляцию нижележащего силового термоэлемента замкнутого сечения, используемого в качестве механического воздействия на верхний пояс изготавливаемой балки. Сам силовой термоэлемент является съемным и его выполняют по сечению и по длине из верхней и нижней зон нагрева, которые на начальном этапе и нагревают до высокой температуры, обеспечивая изгиб верхнего пояса изготавливаемой балки на заданный расчетный изгибающий момент за счет разности температур нагретого силового термоэлемента и верхнего пояса изготавливаемой балки при нормальной температуре, после чего в пазы опорных элементов верхнего пояса устанавливают и плотно закрепляют напрягаемые элементы-затяжки с анкерами на концах и получают тем самым нижний ненапряженный пояс изготавливаемой балки. Причем при установке и после натяжения напрягаемых элементов-затяжек, по длине средней части изготавливаемой предварительно напряженной металлической балки, между верхним и нижним ее поясами устанавливают и жестко крепят к ним стабилизаторы предварительного напряжения.The objective is achieved in that in the known method of manufacturing prestressed metal beams, comprising a composite metal beam having an upper and lower chord and which is made of several profiles and bent within the elastic stage of the material, and then the curved profiles are rigidly connected to each other, prestressed a metal beam is made of two belts - a previously curved upper belt, to which support elements with grooves for prestressed elements are pre-mounted And a lower zone of intense high-strength steel elements-puffs. Moreover, in the manufacture of this beam, an auxiliary composite beam is pre-assembled, consisting of the overlying upper belt of the manufactured upper beam and rigidly fixed to it through thermal insulation of the underlying closed-circuit power thermoelement used as a mechanical action on the upper belt of the manufactured beam. The power thermocouple itself is removable and it is made in cross section and length from the upper and lower heating zones, which are heated to a high temperature at the initial stage, providing bending of the upper belt of the fabricated beam for a given calculated bending moment due to the temperature difference between the heated power thermocouple and the upper the belts of the manufactured beam at normal temperature, after which, in the grooves of the supporting elements of the upper belt, tensioned tightening elements with anchors at the ends and uchayut thereby lower belt manufactured unstressed beam. Moreover, when installing and after tensioning the tensioned puff elements, along the length of the middle part of the manufactured prestressed metal beam, prestressing stabilizers are installed and rigidly attached to them between the upper and lower belts.

Для создания в нижнем ненапряженном поясе предварительного напряжения и дальнейшего съема изготовленной предварительно напряженной балки с силового термоэлемента в последнем верхнюю зону нагрева охлаждают до нормальной температуры, а температуру нижней зоны нагрева повышают, где дополнительно и изгибают силовой термоэлемент и тем самым снижают усилия жесткого соединения верхней и нижней частей вспомогательной составной балки. На конечном этапе изготовления силовой термоэлемент разъединяют с изготовленной предварительно напряженной металлической балкой, которую снимают, переворачивают и устанавливают в проектное положение.To create a prestress in the lower unstressed zone and then remove the pre-stressed beam from the power thermocouple in the latter, the upper heating zone is cooled to normal temperature, and the temperature of the lower heating zone is increased, where the power thermocouple is additionally bent and, therefore, the hard connection of the upper and lower parts of the auxiliary composite beam. At the final stage of manufacturing, the power thermocouple is disconnected from the pre-tensioned metal beam manufactured, which is removed, turned over and installed in the design position.

А устройство, на базе которого изготавливают предварительно напряженную металлическую балку, включающее составную балку, имеющую верхний и нижний пояса и стенку и которая содержит несколько предварительно изогнутых профилей с жестким соединением между собой, - это изготавливаемая балка, которая состоит из двух поясов - верхнего предварительно изогнутого сжатого пояса, который снабжен опорными элементами с пазами для напрягаемых элементов, и нижнего растянутого пояса в виде напряженных затяжек из высокопрочной стали с анкерами на концах. При этом изготавливаемая балка предварительно находится в составе вспомогательной составной балки, в нижней части которой расположен элемент для механического изгиба верхнего пояса изготавливаемой балки в пределах упругой стадии работы материала, выполненный в виде съемного силового термоэлемента замкнутого сечения и который содержит по сечению и по длине верхнюю и нижнюю зоны нагрева. Сам силовой термоэлемент жестко соединен через термоизоляцию к верхнему поясу изготавливаемой балки, расположенной в верхней части составной балки, а приспособление для стабилизации предварительного напряжения - стабилизаторы предварительного напряжения - состоят из сопряженных деталей, жестко закрепленных к верхнему и нижнему поясам балки, имеющих пазы для напрягаемых элементов-затяжек.And the device, on the basis of which a prestressed metal beam is made, including a composite beam having an upper and lower zone and a wall and which contains several pre-curved profiles with a rigid connection between each other, is a manufactured beam, which consists of two belts - the upper pre-curved a compressed belt, which is equipped with supporting elements with grooves for prestressed elements, and a lower stretched belt in the form of tensile puffs of high-strength steel with anchors at the end x. At the same time, the manufactured beam is previously part of the auxiliary composite beam, in the lower part of which there is an element for mechanical bending of the upper belt of the manufactured beam within the elastic stage of the material, made in the form of a removable closed-circuit power thermocouple and which contains an upper and a cross section in length lower heating zone. The power thermoelement itself is rigidly connected through thermal insulation to the upper belt of the manufactured beam located in the upper part of the composite beam, and the device for stabilizing the prestress - prestressing stabilizers - consist of interfaced parts rigidly fixed to the upper and lower belt of the beam having grooves for the prestressed elements puffs.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что способ отличается тем, что предварительно напряженную металлическую балку изготавливают из двух поясов - предварительно изогнутого верхнего пояса, к которому заранее крепят опорные элементы с пазами для напрягаемых элементов, и нижнего пояса из напряженных элементов - затяжек из высокопрочной стали. Причем при данном изготовлении предварительно собирают вспомогательную составную балку, состоящую из вышележащего верхнего пояса изготавливаемой балки и жестко закрепленного к нему через термоизоляцию нижележащего силового термоэлемента замкнутого сечения, используемого в качестве механического воздействия на верхний пояс изготавливаемой балки. Сам силовой термоэлемент является съемным и его выполняют по сечению и по длине из верхней и нижней зон нагрева, который на начальном этапе и нагревают до высокой температуры, обеспечивая изгиб верхнего пояса изготавливаемой балки на заданный расчетный изгибающий момент за счет разности температур нагретого силового термоэлемента и верхнего пояса изготавливаемой балки при нормальной температуре, после чего в пазы опорных элементов верхнего пояса устанавливают и плотно закрепляют напрягаемые элементы-затяжки с анкерами на концах и получают тем самым нижний ненапряженный пояс изготавливаемой балки. Причем при установке и после натяжения напрягаемых элементов-затяжек, по длине средней части изготавливаемой предварительно напряженной металлической балки, между верхним и нижним ее поясами устанавливают и жестко крепят к ним стабилизаторы предварительного напряжения. Для создания в нижнем ненапряженном поясе предварительного напряжения и дальнейшего съема изготовленной балки с силового термоэлемента в последнем верхнюю зону нагрева охлаждают до нормальной температуры, а температуру нижней зоны повышают, где дополнительно и изгибают силовой термоэлемент и тем самым снижают усилия жесткого соединения верхней и нижней частей вспомогательной составной балки. На конечном этапе изготовления силовой термоэлемент разъединяют с изготовленной предварительно напряженной металлической балкой, которую снимают, переворачивают и устанавливают в проектное положение.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the method is characterized in that the pre-stressed metal beam is made of two belts - a pre-curved upper belt, to which support elements with grooves for prestressed elements are pre-mounted, and a lower belt of tension elements - puffs of high strength become. Moreover, in this manufacture, an auxiliary composite beam is pre-assembled, consisting of the overlying upper belt of the fabricated beam and rigidly fixed to it through thermal insulation of the underlying closed-circuit power thermoelement used as a mechanical action on the upper belt of the fabricated beam. The power thermocouple itself is removable and it is made along the cross-section and length from the upper and lower heating zones, which are heated to a high temperature at the initial stage, providing bending of the upper belt of the fabricated beam for a given calculated bending moment due to the temperature difference between the heated power thermocouple and the upper the belts of the manufactured beam at normal temperature, after which, in the grooves of the supporting elements of the upper belt, tensioned tightening elements with anchors at the ends and uchayut thereby lower belt manufactured unstressed beam. Moreover, when installing and after tensioning the tensioned puff elements, along the length of the middle part of the manufactured prestressed metal beam, prestressing stabilizers are installed and rigidly attached to them between the upper and lower belts. To create a pre-stress in the lower unstressed zone and then remove the fabricated beam from the power thermocouple in the last, the upper heating zone is cooled to normal temperature, and the temperature of the lower zone is increased, where the power thermocouple is additionally bent, and thereby reduce the hard connection of the upper and lower parts of the auxiliary compound beams. At the final stage of manufacturing, the power thermocouple is disconnected from the pre-tensioned metal beam manufactured, which is removed, turned over and installed in the design position.

Таким образом, заявленный способ соответствует критерию «новизна». Сравнительный анализ заявляемого способа с другими решениями в данной области не позволил выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».Thus, the claimed method meets the criterion of "novelty." A comparative analysis of the proposed method with other solutions in this area did not allow to identify in them the signs that distinguish the claimed solution from the prototype. This allows us to conclude that it meets the criterion of "inventive step".

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что изготавливаемая балка состоит из двух поясов - верхнего предварительно изогнутого сжатого пояса, который снабжен опорными элементами с пазами для напрягаемых элементов, и нижнего растянутого пояса в виде напрягаемых затяжек из высокопрочной стали с анкерами на концах. При этом изготавливаемая балка предварительно находится в составе вспомогательной составной балки, в нижней части которой расположен элемент для механического изгиба верхнего пояса изготавливаемой балки в пределах упругой стадии работы материала, выполненный в виде съемного силового термоэлемента замкнутого сечения и который содержит по сечению и по длине верхнюю и нижнюю зоны нагрева. Сам силовой термоэлемент жестко соединен через термоизоляцию к верхнему поясу изготавливаемой балки, расположенной в верхней части составной балки, а приспособление для стабилизации предварительного напряжения - стабилизаторы предварительного напряжения - состоят из сопряженных деталей, жестко закрепленных к верхнему и нижнему поясам балки и имеющих пазы для напрягаемых элементов-затяжек.A comparative analysis of the inventive device with the prototype shows that the manufactured beam consists of two belts - the upper pre-curved compressed belt, which is equipped with supporting elements with grooves for the tensile elements, and the lower stretched belt in the form of tensile braces of high-strength steel with anchors at the ends. At the same time, the manufactured beam is previously part of the auxiliary composite beam, in the lower part of which there is an element for mechanical bending of the upper belt of the manufactured beam within the elastic stage of the material, made in the form of a removable closed-circuit power thermocouple and which contains an upper and a cross section in length lower heating zone. The power thermocouple itself is rigidly connected through thermal insulation to the upper belt of the manufactured beam located in the upper part of the composite beam, and the device for stabilizing the prestress - prestressing stabilizers - consist of mating parts, rigidly fixed to the upper and lower belt of the beam and having grooves for prestressed elements puffs.

Таким образом, заявляемое устройство для изготовления предварительно напряженных металлических конструкций соответствует критерию «новизна». Сравнительный анализ заявляемого устройства с другими решениями в данной области позволил выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».Thus, the claimed device for the manufacture of prestressed metal structures meets the criterion of "novelty." A comparative analysis of the claimed device with other solutions in this field revealed the signs that distinguish the claimed solution from the prototype. This allows us to conclude that it meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, согласно которым предварительно напряженная металлическая балка изготавливается в перевернутом состоянии (верхний сжатый пояс - внизу, нижний растянутый напряженный пояс - вверху), что очень удобно в данной технологии. На данных чертежах (см. фиг.1 ÷ фиг.8) представлены общие виды составной балки с соответствующими разрезами на различных стадиях изготовления.The invention is illustrated by drawings, according to which a prestressed metal beam is manufactured in an inverted state (upper compressed belt at the bottom, lower stretched tension belt at the top), which is very convenient in this technology. In these drawings (see Fig. 1 ÷ Fig. 8), general views of a composite beam with corresponding sections at various stages of manufacture are presented.

Фиг.1 - разрез А-А (фиг.2) - 1-й этап изготовления.Figure 1 - section aa (figure 2) - the 1st stage of manufacture.

Фиг.3 - разрез Б-Б (фиг.4) - 2-й этап изготовления.Figure 3 - section BB (figure 4) is the 2nd stage of manufacture.

Фиг.5 - разрез В-В (фиг.6) - 3-й этап изготовления.Figure 5 - section bb (Fig.6) is the 3rd stage of manufacture.

Фиг.7 - разрез Г-Г (фиг.8) - 4-й этап изготовления.Fig.7 is a section GG (Fig.8) is the 4th stage of manufacture.

Причем на фиг.5 и фиг.7 показан один из стабилизаторов предварительного напряжения (позиции 11, 12, 13), расположенных в зоне чистого изгиба балки.Moreover, figure 5 and figure 7 shows one of the prestressing stabilizers (positions 11, 12, 13) located in the zone of clean bending of the beam.

Устройство для изготовления предварительно напряженных металлических балок включает на начальном этапе изготовления вспомогательную составную металлическую балку, которая состоит из вышележащего верхнего пояса 1 изготавливаемой балки, принятого, например, из прокатного двутавра, имеющего по торцам опорные элементы 2 с пазами 3 для напрягаемых элементов, и из нижележащего силового металлического термоэлемента 4, принятого, например, коробчатого сечения и имеющего по сечению и по длине зоны нагрева 5 и 6. При этом вышележащий верхний пояс 1 жестко соединен, например, болтами 7 через термоизоляцию 8 к силовому термоэлементу 4 (1-й и 2-й этапы изготовления).A device for the manufacture of prestressed metal beams includes at the initial stage of manufacturing an auxiliary composite metal beam, which consists of an overlying upper belt 1 of the fabricated beam, adopted, for example, from a rolled I-beam having ends 2 supporting elements with grooves 3 for prestressed elements, and from underlying power metal thermocouple 4, adopted, for example, box-shaped section and having a section and the length of the heating zone 5 and 6. Moreover, the overlying upper belt 1 is rigidly connected, for example, by bolts 7 through thermal insulation 8 to a power thermocouple 4 (1st and 2nd stages of manufacture).

В пазах 3 опорного элемента 2 верхнего пояса балки 1 расположены напрягаемые элементы 9 - затяжки из высокопрочной стали с анкерами на концах 10 (3-й и 4-й этапы изготовления), образующие нижний пояс изготавливаемой балки.In the grooves 3 of the supporting element 2 of the upper belt of the beam 1, there are tensioned elements 9 - tightening of high-strength steel with anchors at the ends 10 (3rd and 4th stages of manufacture), forming the lower belt of the beam being manufactured.

По длине средней части балки, между верхним и нижним поясами изготавливаемой балки расположены стабилизаторы предварительного напряжения, состоящие, например, из двух сопряженных деталей - деталь 11 с пазами для напрягаемых затяжек 9, жестко закрепленной к верхнему поясу балки 1 до установки данных затяжек, для целей обеспечения их проектного положения (см. фиг.5, фиг.6), и деталь 12 также с пазами для напрягаемых затяжек, устанавливаемая после укладки и натяжения напряженных затяжек 9 (см. фиг.7, фиг.8). Назначение детали 12 жестко крепить болтами 13 нижний пояс изготавливаемой балки (затяжки 9) к верхнему поясу 1 через деталь 11.Pre-voltage stabilizers are located along the length of the middle part of the beam, between the upper and lower chords of the fabricated beam, consisting, for example, of two mating parts - part 11 with grooves for tensioned puffs 9, rigidly fixed to the upper chord of beam 1 before installing these puffs, for ensuring their design position (see Fig. 5, Fig. 6), and part 12 also with slots for tensioned puffs, installed after laying and tensioning the tensioned puffs 9 (see Fig. 7, Fig. 8). The purpose of the part 12 is to be rigidly bolted 13 the lower belt of the manufactured beam (tightening 9) to the upper belt 1 through the part 11.

Предлагаемое устройство для изготовления предварительно напряженных металлических балок работает следующим образом:The proposed device for the manufacture of prestressed metal beams works as follows:

В собранной составной металлической балке, состоящей из вышележащего верхнего пояса 1 с опорными элементами 2 и с пазами 3 и нижележащего силового термоэлемента 4, зоны нагрева последнего 5 и 6 нагревают до высокой температуры T₂ при сохранении в верхнем поясе 1 нормальной температуры T₁=20°C. За счет разности температур верхнего и нижнего поясов составной балки происходит ее температурный изгиб и соответственно равномерный механический изгиб верхнего пояса 1 по параболе на расчетный изгибающий момент в упругой стадии работы материала. После крепления к поясу 1 нижнего элемента 11 стабилизатора предварительного напряжения в пазы 3 опорных элементов 2 пояса 1 устанавливают и плотно закрепляют напрягаемые затяжки 9 с анкерами на концах 10 и получают тем самым ненапряженный нижний пояс изготавливаемой напряженной балки.In the assembled composite metal beam, consisting of an overlying upper belt 1 with supporting elements 2 and with grooves 3 and an underlying power thermocouple 4, the heating zones of the latter 5 and 6 are heated to high temperature T ₂ while maintaining normal temperature T ₁ = 20 in upper zone 1 ° C. Due to the temperature difference between the upper and lower zones of the composite beam, its temperature bending occurs and, accordingly, uniform mechanical bending of the upper belt 1 along the parabola for the calculated bending moment in the elastic stage of the material. After attaching to the belt 1 the lower element 11 of the prestressing stabilizer in the grooves 3 of the supporting elements 2 of the belt 1, the tensioned brackets 9 with anchors at the ends 10 are fixed and tightly fixed, thereby obtaining an unstrained lower belt of the produced stressed beam.

Охлаждая зону нагрева 5 до температуры T₁=20°C и одновременно повышая температуру зоны нагрева 6 до температуры T₂+ΔT силового термоэлемента 4, создают в нижнем поясе изготавливаемой балки предварительное напряжение и одновременно снижают усилие в болтах 7 - жесткого соединения верхнего и нижнего поясов составной балки. После чего деталь 12 стабилизатора предварительного напряжения крепят через напряженные затяжки 9 болтами 13 к детали 11, жестко закрепляя между собой верхний и нижний пояса изготавливаемой балки. Готовую предварительно напряженную металлическую балку механически снимают с силового термоэлемента 4, переворачивают и ставят в проектное положение.Cooling the heating zone 5 to a temperature of T ₁ = 20 ° C and at the same time increasing the temperature of the heating zone 6 to a temperature of T ₂ + ΔT of the power thermocouple 4, create a preliminary voltage in the lower belt of the fabricated beam and at the same time reduce the force in the bolts 7 - rigid joints of the upper and lower belts of a composite beam. After that, part 12 of the prestressing stabilizer is fixed through tightening puffs 9 with bolts 13 to part 11, rigidly fixing the upper and lower zones of the manufactured beam to each other. The finished pre-stressed metal beam is mechanically removed from the power thermocouple 4, turned over and put in the design position.

Предлагаемый способ изготовления предварительно напряженных металлических балок осуществляется следующим образом:The proposed method of manufacturing prestressed metal beams is as follows:

На первом этапе изготовления (см. фиг.1, фиг 2) изготавливают верхний пояс 1 балки определенной длины ℓ=ℓ₁ из расчетного прокатного двутавра, после чего к его торцам (опорам) крепят, например, сваркой торцевые элементы 2, имеющие в верхней части пазы или отверстия 3 для напрягаемых элементов нижнего пояса-затяжек. При этом элементы 2 крепят к основному сечению пояса (опорам) под некоторым углом α, чтобы при изгибе пояса элементы 2 приняли вертикальное положение. Для крепления элементов дальнейшей составной балки, например, болтами в нижней полке пояса 1 согласно чертежу выполняют с определенным шагом отверстия под болты 7.At the first stage of manufacturing (see Fig. 1, Fig. 2), the upper belt 1 of a beam of a certain length ℓ = ℓ _{1 is} manufactured from the design rolling I-beam, after which end elements 2 are mounted, for example, by welding, with end elements 2 having in the upper parts of the grooves or holes 3 for the tensioned elements of the lower belt-puffs. At the same time, the elements 2 are attached to the main section of the belt (supports) at a certain angle α, so that when the belt bends, the elements 2 take a vertical position. To fasten the elements of a further composite beam, for example, with bolts in the lower shelf of the belt 1 according to the drawing, holes for bolts 7 are made with a certain step.

Вместе с изготовлением верхнего пояса 1 изготавливают и силовой термоэлемент 4, принятый, например, из высокопрочной термостойкой стали и состоящий по сечению, например, из замкнутого металлического профиля коробчатого сечения длиной ℓ=ℓ₁. По сечению и по длине в силовом термоотсеке 4 размещают замкнутые отсеки - зоны нагрева 5 и 6. В верхней стенке элемента 4 выполняют снаружи несквозные отверстия с резьбой под болты 7 с тем же шагом, что и отверстия в нижней полке пояса 1. Поверх верхней стенки силового термоэлемента 4 укладывают термоизоляцию 8, принятую, например, из паранитовой прокладки с отверстиями под болты 7, и далее уже на нее устанавливают готовый верхний пояс 1. В совпавшие отверстия элементов 1, 4 и 8 надевают через шайбы и плотно закручивают болты 7, обеспечивая тем самым жесткое сопряжение поясов 1 и 4 полученной составной металлической балки. Силовой термоэлемент 4 теплоизолируют.Together with the manufacture of the upper belt 1, a power thermocouple 4 is also made, adopted, for example, from high-strength heat-resistant steel and consisting of a section, for example, of a closed box-shaped metal profile with a length of ℓ = ℓ ₁ . Closed bays — heating zones 5 and 6 — are placed along the cross-section and length in the power thermo-compartment 4. In the upper wall of the element 4, through holes are threaded through the bolts 7 from the outside with the same step as the holes in the lower shelf of the belt 1. Above the upper wall power thermocouple 4 lay the thermal insulation 8, adopted, for example, from a paranitic gasket with holes for bolts 7, and then the finished upper belt 1 is already installed on it. They are put through washers through the matching holes of the elements 1, 4 and 8 and the bolts 7 are tightened, providing thereby of a tight pair of belts 1 and 4 obtained composite metal beams. Power thermocouple 4 is insulated.

На втором этапе изготовления (см. фиг.3, фиг.4) зоны нагрева 5 и 6 силового термоэлемента 4 нагревают до высокой температуры Т₂, определяемой расчетным путем. Данный нагрев можно выполнить, например, с помощью постоянной циркуляции в зоны 5 и 6 высокотемпературного теплоносителя, который может быть в жидком или газообразном состоянии. Данные технологии нагрева широко используются в нефтехимии. За счет наличия термоизоляции 8 тепло от силового термоотсека 4 не передается верхнему поясу 1 составной балки, имеющему температуру T₁=20°C. Разность температур верхнего пояса 1 и нижнего пояса 4 и наличие между ними жесткого сопряжения приводит к температурному изгибу всей составной балки и вместе с ней к равномерному механическому изгибу верхнего пояса 1 изготавливаемой предварительно напряженной металлической балки. Следует отметить, что полученный изгибающий момент в поясе 1 должен соответствовать расчетному изгибающему моменту, при котором материал пояса - сталь должна работать только в упругой стадии. Все расчеты данного этапа изготовления представлены ниже в расчете экономической эффективности предлагаемого способа и устройства по изготовлению предварительно напряженных металлических балок.In the second stage of manufacture (see Fig. 3, Fig. 4), the heating zones 5 and 6 of the power thermocouple 4 are heated to a high temperature T ₂ determined by calculation. This heating can be performed, for example, by means of constant circulation to zones 5 and 6 of a high-temperature coolant, which may be in a liquid or gaseous state. These heating technologies are widely used in petrochemicals. Due to the presence of thermal insulation 8, heat from the power thermal compartment 4 is not transferred to the upper belt 1 of the composite beam having a temperature T ₁ = 20 ° C. The temperature difference between the upper belt 1 and the lower belt 4 and the presence of a rigid interface between them leads to temperature bending of the entire composite beam and, together with it, to uniform mechanical bending of the upper belt 1 of the manufactured prestressed metal beam. It should be noted that the obtained bending moment in the belt 1 should correspond to the calculated bending moment at which the material of the belt - steel should work only in the elastic stage. All calculations of this stage of manufacture are presented below in the calculation of the economic efficiency of the proposed method and device for the manufacture of prestressed metal beams.

На третьем этапе изготовления (см. фиг.5, фиг.6) в средней части верхнего пояса 1 устанавливают и жестко закрепляют к нему, например, сваркой деталь 11 стабилизатора предварительного напряжения. После чего в пазы 3 опорного элемента 2 и детали 11 устанавливают и плотно закрепляют предварительно напрягаемые элементы 9 - затяжки из высокопрочной стали с анкерами на концах и получают тем самым ненапряженный нижний пояс изготовляемой балки.In the third stage of manufacture (see Fig. 5, Fig. 6), in the middle part of the upper belt 1, a pre-voltage stabilizer component 11 is mounted and rigidly fixed to it, for example by welding. Then, in the grooves 3 of the support element 2 and the part 11, pre-tensioned elements 9 are installed and tightly fixed — tightening made of high-strength steel with anchors at the ends, thereby obtaining an unstrained lower belt of the beam being manufactured.

Четвертый этап изготовления (см. фиг.7, фиг.8)The fourth stage of manufacture (see Fig.7, Fig.8)

Чтобы передать усилия от изгиба верхнего пояса 1 изготавливаемой балки на ее нижний пояс - напрягаемые затяжки 9 и получить тем самым предварительно напряженную металлическую балку, а также обеспечить дальнейший ее съем с силового термоэлемента 4, зону его нагрева 5 охлаждают до температуры T₁=20°C, например, через этот отсек обеспечивают циркуляцию холодного теплоносителя. При этом температуру в зоне 6 термоэлемента 4 несколько повышают, что приводит к его дополнительному изгибу и соответственно к ослаблению жесткого соединения верхнего и нижнего поясов составной балки именно в болтах 7. Далее деталь 12 стабилизатора предварительного напряжения крепят через затяжки 9 к детали 11 болтами 13 и получают окончательно изготавливаемую балку. После этого, открутив механически болты 7, данную балку снимают с поста изготовления, переворачивают и ставят в проектное положение. Силовой термоэлемент 4 полностью охлаждают, создавая в отсеках 6 температуру T₁=20°C, где он принимает рабочее положение для дальнейшего многократного использования.In order to transfer the forces from the bending of the upper belt 1 of the manufactured beam to its lower belt - tensioned puffs 9 and thereby obtain a prestressed metal beam, as well as to ensure its further removal from the power thermocouple 4, its heating zone 5 is cooled to a temperature T ₁ = 20 ° C, for example, through this compartment circulate cold coolant. In this case, the temperature in zone 6 of thermoelement 4 is slightly increased, which leads to its additional bending and, accordingly, to weakening of the rigid connection of the upper and lower belts of the composite beam precisely in bolts 7. Next, the part 12 of the prestressing stabilizer is fastened through tightenings 9 to part 11 with bolts 13 and get the final manufactured beam. After that, mechanically unscrewing the bolts 7, this beam is removed from the manufacturing site, turned over and put in the design position. The power thermocouple 4 is completely cooled, creating a temperature T ₁ = 20 ° C in the compartments 6, where it assumes the operating position for further reuse.

Элемент изготовленной предварительно напряженной металлической балки - стабилизатор предварительного напряжения (детали 11 и 12) несет целый ряд следующих функций: обеспечивает проектное положение напрягаемых элементов-затяжек; распределяет предварительное напряжение между верхним и нижним поясами балки, например при падении усилий от изгиба в верхнем поясе происходит через данный стабилизатор дополнительное натяжение нижнего пояса - напрягаемых затяжек и наоборот; а также обеспечивает местную устойчивость элементов балки за счет уменьшения расчетной длины поясов.The element of the manufactured prestressed metal beam - the prestressing stabilizer (parts 11 and 12) carries a number of the following functions: provides the design position of the tensioned puff elements; distributes the prestress between the upper and lower girders of the beam, for example, when the forces from bending drop in the upper girdle, additional tension of the lower girdle — tensioned puffs and vice versa — occurs through this stabilizer; and also provides local stability of the beam elements by reducing the estimated length of the belts.

Предлагаемый способ изготовления предварительно напряженных металлических конструкций и устройство для его осуществления, включающее составную металлическую балку, состоящую из верхнего пояса изготавливаемой балки и жестко соединенного с ним силового термоэлемента, в котором создают разные температуры нагрева, и, используя естественное природное свойство металла - температурный изгиб при неравномерном нагреве по сечению составной балки, изгибают верхний пояс балки, после чего на его опоры устанавливают напрягаемые элементы-затяжки и получают нижний пояс изготавливаемой балки. Для создания в нем предварительного напряжения ослабляют жесткое соединение поясов составной балки за счет дополнительного изгиба силового термоэлемента.The proposed method of manufacturing prestressed metal structures and a device for its implementation, comprising a composite metal beam, consisting of the upper belt of the fabricated beam and a thermocouple rigidly connected to it, in which different heating temperatures are created, and using the natural natural property of the metal, temperature bending at uneven heating over the cross section of the composite beam, the upper belt of the beam is bent, after which tensioned tightening elements are installed on its supports and receive the lower belt manufactured beams. To create a preliminary stress in it, the rigid connection of the belts of the composite beam is weakened due to the additional bending of the power thermocouple.

Все это позволяет значительно упростить существующие технологии изготовления предварительно напряженных металлических конструкций, обеспечить надежность и простоту решения и создать эффективность как по времени изготовления, так и по расходу металла.All this allows us to significantly simplify existing technologies for the manufacture of prestressed metal structures, to ensure the reliability and simplicity of the solution, and to create efficiency both in terms of manufacturing time and in metal consumption.

Расчет экономической эффективности предлагаемого способа и устройства по изготовлению предварительно напряженных металлических конструкций, в частности балокThe calculation of the economic efficiency of the proposed method and device for the manufacture of prestressed metal structures, in particular beams

Данный расчет основан на технико-экономическом сравнении трех вариантов балок: 1-й вариант - обычная составная ненапряженная металлическая балка; 2-й вариант - предварительно напряженная металлическая балка, запроектированная по существующим технологиям и расчетам; 3-й вариант - предварительно напряженная металлическая балка, запроектированная по предлагаемым технологиям и расчетам.This calculation is based on a technical and economic comparison of the three beam options: option 1 — the usual composite unstressed metal beam; 2nd option - a prestressed metal beam, designed according to existing technologies and calculations; The third option is a prestressed metal beam designed according to the proposed technologies and calculations.

Исходные данные для расчета данных балок:Initial data for calculating these beams:

Пролет балки

=12,0 м, нормативная погонная нагрузка q

=74,8 кН/м, расчетная погонная нагрузка q

=89,0 кН/м. Материал балки - сталь C345 с расчетным сопротивлением для листового и фасонного проката R_y=32 кН/см², модуль упругости E=2,06·10⁴ кН/см². Для предварительно напряженных балок в качестве напряженных элементов приняты затяжки из высокопрочной проволоки ⌀5 мм класса B-II с расчетным сопротивлением R₅₃=110 кН/см² и E=2,0·10⁴кН/см².Beam span

= 12.0 m, standard linear load q

= 74.8 kN / m, calculated linear load q

= 89.0 kN / m. The beam material is steel C345 with the design resistance for sheet and shaped products R _y = 32 kN / cm ² , the elastic modulus E = 2,06 · 10 ⁴ kN / cm ² . For prestressed beams, tensile elements made of high-strength wire ⌀5 mm of class B-II with a design resistance of R ₅₃ = 110 kN / cm ² and E = 2.0 · 10 ⁴ kN / cm ^{2 are} accepted as stressed elements.

Вариант 1. Расчет обычной составной металлической балки пролетом

=12,0 м (Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: - М.: Стройиздат, 1991. - 431 с):Option 1. Calculation of a conventional span metal beam span

= 12.0 m (A.P. Mandrikov. Examples of calculation of metal structures: - M .: Stroyizdat, 1991. - 431 s):

Максимальный момент в балкеThe maximum moment in the beam

Поперечная силаShear force

Требуемый момент сопротивленияThe required moment of resistance

Из условия жесткости

определим минимальную высоту балкиFrom the stiffness condition

define the minimum beam height

толщину стенки балки находимwe find the wall thickness of the beam

Принимаем согласно сортаменту на листовую стальAccepted according to the assortment for sheet steel

t_ω=10 мм=1,0 см.t _ω = 10 mm = 1.0 cm.

Оптимальная высота балки составляетThe optimal beam height is

Принимаем окончательную высоту балки h=80 см. Чертеж обычной составной балки представлен на фиг.9.We take the final beam height h = 80 cm. A drawing of a conventional composite beam is shown in Fig.9.

Выполняем компоновку сечения балки.We carry out the layout of the beam section.

Назначаем ширину поясов - b_f Assign the width of the belts - b _f

принимаемaccept

Для нахождения толщины полок находим требуемый момент инерции сеченияTo find the thickness of the shelves we find the required moment of inertia of the section

где Y_тp=Y_f+Y_w,where Y _tp = Y _f + Y _w ,

принимаемaccept

h_w=h-2t_f=h-5=80-5=75 см,h _w = h-2t _f = h-5 = 80-5 = 75 cm,

отсюдаfrom here

тогдаthen

Y_f=Y_тp-Y_ω=182045,6-35156,25=146889,35 см³.Y _f = Y _tp -Y _ω = 182045.6-35156.25 = 146889.35 cm ³ .

Площадь одной полкиThe area of one shelf

где h=h_p-t_f=80-2,5=77,5 см.where h = h _p -t _f = 80-2.5 = 77.5 cm.

отсюда толщина полкиhence the thickness of the shelf

по сортаменту принимаем t_f=25, м=2,5 см.according to the assortment, we take t _f = 25, m = 2.5 cm.

Проверяем полку на местную устойчивостьCheck the shelf for local stability

где ширина свеса полкиwhere is the width of the overhang of the shelf

; 3,4<12,68.

; 3.4 <12.68.

Геометрические характеристики сечения балкиGeometrical characteristics of the beam section

A_ω=t_ω·h_ω=1,0·77,5=77,5 см²,A _ω = t _ω · h _ω = 1.0 · 77.5 = 77.5 cm ² ,

A_f=t_f·b_f=2,5·20=50,0 см² A _f = t _f · b _f = 2.5 · 20 = 50.0 cm ²

итого площадь поперечного сечения балкиtotal beam cross-sectional area

A_δ=A_ω+2A_f=77,5+2·50=177,5 см².A _δ = A _ω + 2A _f = 77.5 + 2 × 50 = 177.5 cm ² .

Проверку местной устойчивости стенки балки не выполняем.We do not check the local stability of the beam wall.

Вариант 2. Предварительно напряженная металлическая балка, запроектированная по существующим технологиям и расчетам (Е.И.Беленя. Предварительно напряженные металлические несущие конструкции. - М., 1963, с.101-160):Option 2. Pre-stressed metal beam, designed according to existing technologies and calculations (EI Beleny. Pre-stressed metal supporting structures. - M., 1963, p.101-160):

Назначаем сечения балки из четырех элементов: верхняя полка - A₁нижняя полка - A₂, стенка балки A_ω, затяжка - A₃. Чертеж составной предварительно напряженной металлической балки представлен на фиг.10.We assign beam sections of four elements: upper shelf - A ₁ lower shelf - A ₂ , beam wall A _ω , tightening - A ₃ . A drawing of a composite prestressed metal beam is shown in FIG. 10.

Расчетный изгибающий моментEstimated bending moment

M_max=160200 кН·см.M _max = 160200 kN · cm.

Подбор сеченияSection selection

Вычисляем значения коэффициента приведенияWe calculate the values of the coefficient of reduction

По таблице III.5 для случая равномерно распределенной нагрузки находим оптимальные параметры расчета A и C, т.е. A=1,99; C=0,381.According to table III.5 for the case of a uniformly distributed load, we find the optimal calculation parameters for A and C, i.e. A = 1.99; C = 0.381.

Задаваясь гибкостью стенки λ_ω=100, определяем основные площади балки и ее элементов.Given the wall flexibility λ _ω = 100, we determine the main areas of the beam and its elements.

Площадь балкиBeam area

Площадь верхней полки - A₁ Top Shelf Area - A ₁

Площадь нижней полкиBottom shelf area

Площадь стенкиWall area

A_ω=0,55·A

=0,55·120=66,0 см².A _ω = 0.55

= 0.55 · 120 = 66.0 cm ² .

Высота сечения балкиBeam height

Компонуем сечение балкиWe compose the beam section

A₁=24×2=48,0 см²,A ₁ = 24 × 2 = 48.0 cm ² ,

A₂=10×1=10 см²,A ₂ = 10 × 1 = 10 cm ² ,

A_ω=80×1=80 см².A _ω = 80 × 1 = 80 cm ² .

Полная площадь сечения балкиFull beam cross-sectional area

A_δ=A₁+A₁+A_ω=48+10+80=138,0 см².A _δ = A ₁ + A ₁ + A _ω = 48 + 10 + 80 = 138.0 cm ² .

Длина затяжкиTightening length

λ₃=λ

=12

=9,3 м.λ ₃ = λ

= 12

= 9.3 m.

Площадь затяжкиTightening Area

A₃=60⌀5=11,76 см².A ₃ = 60⌀5 = 11.76 cm ² .

Вариант 3. Предварительно напряженная металлическая балка, запроектированная по предлагаемым технологиям и расчетам:Option 3. Pre-stressed metal beam, designed according to the proposed technologies and calculations:

Так как изготавливаемая по предлагаемому способу и устройству преднапряженная металлическая балка состоит из двух несущих элементов - изогнутого верхнего пояса балки и предварительно напряженного нижнего пояса, то действующий изгибающий момент от внешней нагрузки M=160200 кН·см можно разделить в равной степени между поясами.Since the pre-stressed metal beam manufactured by the proposed method and device consists of two load-bearing elements - a curved upper beam zone and a prestressed lower belt, the effective bending moment from the external load M = 160,200 kN · cm can be divided equally between the belts.

Подбираем верхний пояс изготавливаемой балки по моментуWe select the upper belt of the manufactured beam according to the moment

Требуемый момент сопротивления сечения данного пояса составитThe required moment of resistance of the section of this belt is

Учитывая, что предварительное напряжение повышает несущую способность балки (таблица 29.1. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1980), принимаем сечение верхнего пояса балки из широкополочного двутавра типа - 55Б1 (Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций. - М.: Стройиздат, 1991) со следующими характеристиками, представленными на фиг.11.Given that the prestressing increases the load-bearing capacity of the beam (table 29.1. Designer's guide. Metal structures. - M.: Stroyizdat, 1980), we take the section of the upper belt of the beam from the wide-shelf I-beam type - 55B1 (A. P. Mandrikov. Examples of calculation of metal structures. - M .: Stroyizdat, 1991) with the following characteristics, presented in Fig.11.

Рассмотрим теорию температурного изгиба балки.Consider the theory of temperature bending of a beam.

Представим балку длиной

сплошного сечения с размерами b×h, изогнутую внешним изгибающим моментом M (см. фиг.12).Imagine a beam of length

a solid section with dimensions b × h, curved by an external bending moment M (see Fig. 12).

А и Б - верхняя и нижняя зоны балки.A and B are the upper and lower zones of the beam.

От действия момента M данная балка получает кривизнуFrom the action of the moment M, this beam receives curvature

где ρ - радиус кривизны; B - жесткость балки; E - модуль упругости материала балки; Y - момент инерции сечения балки.where ρ is the radius of curvature; B - beam stiffness; E is the elastic modulus of the beam material; Y is the moment of inertia of the beam section.

Возьмем такую же балку и изогнем ее на ту же кривизну

, но только температурным изгибом (см. фиг.13).Take the same beam and bend it to the same curvature

but only by temperature bending (see FIG. 13).

В данном случае температура балки со стороны A нормальная T₁=20°C, а со стороны Б-повышенная - T₂, т.е. T₂>T₁.In this case, the beam temperature from side A is normal T ₁ = 20 ° C, and from side B-raised it is T ₂ , i.e. T ₂ > T ₁ .

За счет разности температур внутренних и наружных волокон произойдет температурный изгиб и балка получит ту же кривизну, что и в первой балке, но определяемую по формуле (Строительная механика. Под ред. А.В.Даркова. М., 1976, таблица 2.11, пункт 10, с.391)Due to the temperature difference between the inner and outer fibers, temperature bending will occur and the beam will receive the same curvature as in the first beam, but determined by the formula (Structural Mechanics. Edited by A.V. Darkov. M., 1976, table 2.11, paragraph 10, p. 391)

где α - коэффициент температурного расширения материала балки; ΔT - разность температур волокон балки А и Б, h - высота сечения балки.where α is the coefficient of thermal expansion of the beam material; ΔT is the temperature difference between the fibers of the beam A and B, h is the height of the cross section of the beam.

Так как конечный результат этих балок - кривизна

одинакова, то приравниваем формулы 3.1 и 3.2, т.е.Since the end result of these beams is curvature

equal, then we equate formulas 3.1 and 3.2, i.e.

откудаwhere from

в этой формуле можно задаваться геометрией сечения балки и разностью температур и получать заданный изгибающий момент.in this formula, you can specify the geometry of the beam section and the temperature difference and obtain a given bending moment.

Это простой случай решения задачи.This is a simple case of solving the problem.

Рассмотрим более сложный вариант по предлагаемому изобретению, когда балка непостоянного сечения, а переменного - составная балка, состоящая из двух балок (см. фиг.14), верхняя балка - верхний пояс изготавливаемой предварительно напряженной балки, а нижний пояс - балка замкнутого профиля коробчатого сечения - силовой термоотсек. Данные балки жестко соединены между собой болтами через термоизоляцию (см. фиг.1 ÷ фиг.8).Consider the more complex version of the invention, when the beam is of non-constant cross section, and the variable is a composite beam consisting of two beams (see Fig. 14), the upper beam is the upper belt of the prestressed beam being manufactured, and the lower belt is a beam of a closed box section profile - power thermal compartment. These beams are rigidly interconnected by bolts through thermal insulation (see Fig. 1 ÷ Fig. 8).

Верхний пояс балки подобран - 155Б1,The upper belt of the beam is selected - 155B1,

h₁=55 см; A₁=113,37 см²; Y₀₁=55680 см⁴.h ₁ = 55 cm; A ₁ = 113.37 cm ² ; Y ₀₁ = 55 680 cm ⁴ .

Нижний пояс - площадь сечения - A₂, высота сечения - h₂, собственный момент инерции Y₀₂.The lower zone is the cross-sectional area is A ₂ , the cross-sectional height is h ₂ , the proper moment of inertia is Y ₀₂ .

В формуле 3.4 для данного случая высота h=h₁+h₂; а момент инерции Y есть момент инерции всего сечения составной балки.In the formula 3.4 for this case, the height h = h ₁ + h ₂ ; and the moment of inertia Y is the moment of inertia of the entire section of the composite beam.

Рассмотрим статический момент инерции всего сечения относительно оси 2-2 (ось геометрического центра силового термоотсека). Расстояние между центрами балокConsider the static moment of inertia of the entire section relative to the axis 2-2 (axis of the geometric center of the power thermo-compartment). Distance between beam centers

Площадь сечения составной балкиSectional area of a composite beam

A=A₁+A₂,A = A ₁ + A ₂ ,

тогда расстояния от оси 2-2 до оси центра тяжести всего сечения балкиthen the distances from the axis 2-2 to the axis of the center of gravity of the entire beam section

;

а расстояние от оси 1-1 до оси z-z будетand the distance from the axis 1-1 to the z-z axis will be

Отсюда момент инерции всего сечения составной балкиHence the moment of inertia of the entire cross section of the composite beam

где Y₀₁ и Y₀₂ - собственный момент инерции верхней и нижней балок.where Y ₀₁ and Y ₀₂ - own moment of inertia of the upper and lower beams.

Задаемся сечением силового термоотсека 25×50 см (см. фиг.15).We set the cross section of the power thermal compartment 25 × 50 cm (see Fig. 15).

Площадь сеченияCross-sectional area

А₂=25·50-23·48=146,0 см².And ₂ = 25 · 50-23 · 48 = 146.0 cm ² .

Собственный момент инерции по оси x-x(см. фиг.15)Own moment of inertia along the x-x axis (see Fig. 15)

Определим момент инерции всего сечения балкиDetermine the moment of inertia of the entire beam section

=52,5-22,9=29,6 см

= 52.5-22.9 = 29.6 cm

отсюдаfrom here

Y_z-z=55680+113,37·29,6²+37889,75+146·22,9²=269463,6 см⁴.Y _zz = 55680 + 113.3729.6 ² + 37889.75 + 146.22.9 ² = 269463.6 cm ⁴ .

Рабочий температурный диапазон работы сталиOperating temperature range of steel

T°C=200-300°C.T ° C = 200-300 ° C.

Рассмотрим изгибающий момент по формуле 3.4 для данного сечения силового термоотсека - Y_z-z=269463,6 см⁴ и в диапазоне температур T°=200-300°C:Consider the bending moment according to formula 3.4 for a given section of the power thermo-compartment - Y _zz = 269463.6 cm ⁴ and in the temperature range T ° = 200-300 ° C:

при T°C=300°C-M=633,4·280=177632 кН·см,at T ° C = 300 ° C-M = 633.4 · 280 = 177632 kN · cm,

при T°C=250°C-M=633,4·230=14591,2 кН·см,at T ° C = 250 ° C-M = 633.4 · 230 = 14591.2 kN · cm,

при T°C=200°C-M=633,4·180=114192 кН·см.at T ° C = 200 ° C-M = 633.4 · 180 = 114192 kN · cm.

С учетом возможных теплопотерь и некоторой деформации в жестком соединении балок - в болтах принимаем окончательно силовой термоотсек сечением 25×50 (t=1,0) с температурой нагрева для изгиба на изгибающий момент M₁=80100 кН·см.Taking into account possible heat losses and some deformation in the rigid connection of the beams - in the bolts, we finally take the force thermo-section with a cross section of 25 × 50 (t = 1.0) with a heating temperature for bending at the bending moment M ₁ = 80 100 kN · cm.

T°=200°C - на этапах изготовления 2 и 3, на этапе 4 (фиг.7, фиг.8) температуру в зоне нагрева 6 силового термоотсека 4 повышают до T°≥250°C.T ° = 200 ° C - at manufacturing steps 2 and 3, at step 4 (Fig. 7, Fig. 8), the temperature in the heating zone 6 of the power thermo-compartment 4 is increased to T ° ≥250 ° C.

Для подбора площади сечения затяжки - нижнего пояса изготавливаемой балки определим усилие изгиба балки от M₂=80100 кН·см (см. фиг.16).To select the cross-sectional area of the tightening - the lower belt of the manufactured beam, we define the bending force of the beam from M ₂ = 80 100 kN · cm (see Fig. 16).

Без учета самонапряжения затяжкиExcluding tightening self-tension

Площадь напрягаемых затяжекPull puff area

Так как нижний пояс балки состоит из двух напряженных затяжек, то площадь однойSince the lower belt of the beam consists of two strained puffs, the area of one

диаметр напрягаемой затяжки из спирального канатаdiameter of a tightening tightening from a spiral rope

.

Таким образом, нижний пояс изготавливаемой балки - 2 каната ⌀2,0 см.Thus, the lower belt of the manufactured beam is 2 ropes ⌀ 2.0 cm.

Анализ расчетов трех вариантов балок по итогам - площадям поперечного сечения - A_δ:Analysis of the calculations of the three options for beams based on the results - cross-sectional areas - A _δ :

1 вариант - A_δ=178 см²,Option 1 - A _δ = 178 cm ² ,

2 вариант - A_δ=138 см²,Option 2 - A _δ = 138 cm ² ,

3 вариант - A_δ=113,0 см² Option 3 - A _δ = 113.0 cm ²

показывает экономию металла второго варианта по отношению к первому на 22%, третьего варианта по отношению к первому - на 36,5%, а третьего по отношению ко второму - на 18%.shows the metal saving of the second option in relation to the first by 22%, the third option in relation to the first - by 36.5%, and the third in relation to the second - by 18%.

Claims

1. A method of manufacturing prestressed metal beams, comprising a composite metal beam having an upper and lower zone and a wall, and which is made of several profiles and bent within the elastic stage of the material, and then the curved profiles are rigidly connected to each other, characterized in that a pre-stressed metal beam is made of two belts - a previously curved upper belt, to which supporting elements with grooves for prestressed elements are pre-mounted, and a lower of the first belt of tensioned fastening elements made of high-strength steel, where in this manufacture an auxiliary composite beam is pre-assembled, consisting of the overlying upper belt of the fabricated beam and rigidly fixed to it through thermal insulation of the underlying closed-circuit power thermoelement used as a mechanical action on the upper belt of the fabricated beams, while the power thermocouple itself is removable and it is performed along the section and along the length of the upper and lower heating zones, which At the initial stage, they are heated to high temperature, ensuring bending of the upper belt of the fabricated beam for a given calculated bending moment due to the temperature difference between the heated power thermocouple and the upper belt of the fabricated beam at normal temperature, after which tension elements are installed and tightly fixed in the grooves of the supporting elements of the upper belt -tightenings with anchors at the ends and thereby receive the lower unstressed belt of the manufactured beam, and to create a preliminary tension in it and further removal of the fabricated prestressed beam from the power thermocouple to the last upper heating zone is cooled to normal temperature, and the temperature of the lower heating zone is increased, where the power thermocouple is additionally bent and, thereby, the hard connection of the upper and lower parts of the auxiliary composite beam is reduced, then the power thermocouple is disconnected from the pre-tensioned metal beam, which is removed, turned over and installed in the design position.

2. The method according to claim 1, characterized in that when installing and after tensioning the tensioned elements-puffs along the length of the middle part of the manufactured prestressed metal beams between its upper and lower belts, prestressing stabilizers are installed and rigidly attached to them.

3. A device for the manufacture of prestressed metal structures, comprising a composite beam having an upper and lower zones and a wall, and which contains several pre-curved profiles with a rigid connection between each other, characterized in that the manufactured beam consists of two belts - the upper pre-curved compressed a belt, which is equipped with supporting elements with grooves for prestressed elements, and a lower stretched belt in the form of tensile puffs of high-strength steel with anchors at the end where the manufactured beam is previously part of the auxiliary composite beam, in the lower part of which there is an element for mechanical bending of the upper belt of the manufactured beam within the elastic stage of the material, made in the form of a removable closed-circuit power thermocouple, and which contains a section and a length upper and lower heating zones, while the power thermocouple is rigidly connected through thermal insulation to the upper zone of the manufactured beam located in the upper part of the composite beams, and the device for stabilization of prestressing - stabilizers of prestressing - consist of interfaced parts rigidly fixed to the upper and lower zones of the beam and having grooves for tensioned puff elements.