предварительно напряженная подкрановая балка

Формула изобретения

Предварительно напряженная подкрановая балка, содержащая основную двутавровую балку и затяжку из стали, в 2...3 раза более прочную, чем сталь основной балки, отличающаяся тем, что основная балка выполнена прокатной с парой напрягающих двутавровых прокатных рычагов по ее концам, причем каждый из упомянутых напрягающих рычагов имеет выступающий хвостовик, являющийся упругим шарниром, соединенный с нижней полкой основной балки полыми заклепками с замыкающими сердечниками, затяжка выполнена из листовой стали и соединена по концам с нижними поясами пары напрягающих рычагов также полыми заклепками, а свободный конец каждого напрягающего рычага взаимодействует с колонной цеха снизу, зафиксирован на колонне посредством зубьев фиксаторов, соединен с ней анкерными болтами и напрягает всю систему при взаимодействии мостового крана с подкрановой балкой.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к подкрановым конструкциям со средним режимом работы кранов (5К...6К).

Известна однопролетная преднапряженная стальная балка [1, с. 173]. Балка выполнена из стали С255 ГОСТ 27772-88 (ВСт3 сп5-1 ТУ 14-1-3023-80) несимметричного двутаврового сечения, затяжка - пучок высокопрочных проволок диаметром 5 мм по ГОСТ 7348-55. Расстояние от опор до анкерных узлов затяжки 120 см, от низа балки до оси затяжки 14 см. Балка рассчитана на подвижную нагрузку от двух кранов грузоподъемностью 50 т. Примем эту балку за аналог. Преднапряжение позволяет достичь экономии стали порядка 18%, но, однако, при действии подвижных силовых импульсов Р, Т, М_кр, передаваемых от колес крана на подкрановые конструкции, возможно появление трещин в зоне анкерных узлов для затяжек ввиду сильной концентрации напряжений, достигающей 4-х единиц [2, с.141, табл.1.5.1, п.25].

Поэтому преднапряженные подкрановые балки остерегаются применять при интенсивной динамической нагрузке от кранов.

За аналог примем преднапряженную балку в книге профессора Белени Е.И. [1, c. 173].

Технический результат изобретения - повышение выносливости преднапряженной подкрановой балки и механизация процесса предварительного напряжения ее.

Технический результат достигнут тем, что предварительно напряженная подкрановая балка содержит основную балку и затяжку из стали в 2...3 раза более прочную, чем сталь основной балки. Основная балка выполнена прокатной с парой напрягающих двутавровых прокатных рычагов по ее концам. Каждый из пары напрягающих рычагов имеет выступающий к середине пролета балки хвостовик, являющийся упругим шарниром, соединенный с нижней полкой основной балки полыми заклепками с замыкающими сердечниками [5].

Затяжка выполнена из листовой стали и соединена по концам с нижними поясами пары напрягающих рычагов также полыми заклепками. А свободный конец каждого напрягающего рычага взаимодействует с колонной цеха снизу, зафиксирован на колонне посредством зубьев фиксаторов, соединен с ней анкерными болтами и напрягает всю систему при взаимодействии мостового крана с подкрановой балкой.

Сопоставление разработанной предварительно напряженной подкрановой балки с аналогом показывает следующие ее существенные отличия:

1. Подкрановая балка снабжена элементом, напрягающим всю конструкцию, при взаимодействии мостового крана с подкрановой балкой выступающий хвостовик напрягающего рычага является упругим шарниром;

2. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений сведены к своему минимуму, и этим значительно в 2...3 раза повышена надежность всей конструкции;

3. Подкрановая балка самонапрягается при действии массы двух мостовых кранов, с максимальным грузом на крюке каждого;

4. Конструкция крепления затяжки и пары напрягающих рычагов с балкой исключает уменьшение усилий в затяжке;

5. Снижена трудоемкость изготовления, так как основная двутавровая балка, напрягающие рычаги и листовая затяжка прокатные;

6. Расширена возможность применения прокатных профилей для кранов грузоподъемностью 50...100 т, так как листовая затяжка обеспечила увеличение момента сопротивления W_x в 1.23 раза.

На фиг.1 показана балка перед наездом на нее крана; на фиг.2 - предварительно напряженная балка с краном; на фиг.3 - узел соединения основной балки с напрягающими рычагами; на фиг.4 - узел соединения затяжки из листа с основной балкой в середине пролета; на фиг.5 - вид А-А; на фиг.6 - схема крановых нагрузок; на фиг.7 - полая заклепка с замыкающим сердечником; на фиг.8 - поперечное сечение предварительно напряженной подкрановой балки.

Предварительно напряженная подкрановая балка содержит основную балку 1, выполненную из прокатного двутавра. Основная балка 1 снабжена опорными ребрами 2, соединенными со стенкой основной балки 1 посредством полых заклепок 3, с замыкающими сердечниками 4.

Основная балка 1 имеет пару напрягающих рычагов 5 с выступающим к середине пролета балки хвостовикам 6 и являющимися упругими шарнирами и затяжку 7 из листовой стали в 2...3 раза более прочную, чем сталь основной балки 1 и регулируемый столик 8.

Каждый напрягающий рычаг 6 соединен с балкой 1 с одного конца по средствам фрикционных болтов 9, а с другого конца полыми заклепками 3 с замыкающими сердечниками 4 в каждой.

По концам пары напрягающих рычагов 5 расположены ребра 10, соединенные с их стенками упомянутыми заклепками.

Предварительно напряженная подкрановая балка 1 оперта на колонны 11 напрягающими рычагами 5.

Последние зафиксированы на колонне 11 посредством зубьев фиксаторов 12, входящих в отверстие в нижнем поясе каждого напрягающего рычага 5, а также анкерных болтов 13.

Затяжка 7 выполнена из стали в 2...3 раза более прочной, чем сталь основной прокатной балки, и соединена по концам с парой напрягающих рычагов 5 посредством полых заклепок 3 с замыкающими сердечниками 4.

Для упрочнения зоны соединения хвостовика 6 с напрягающим элементом 5 предусмотрен лист 14, усиляющий упругий шарнир.

В середине пролета затяжка к балке крепится с помощью регулируемого столика 8, выполненного из двух втулок 15 с фланцами 16 одного диаметра с внутренней резьбой и кольца 17 меньшего диаметра с внешней резьбой.

Регулируемый столик 8 соединяют болтами 9 с нижним поясом балки 1 и затяжкой 7. Он предназначен для компенсации дефектов изготовления конструкции.

Последовательность монтажа и способ напряжения подкрановой балки массой двух кранов с максимальным грузом на крюке у каждого.

После окончания монтажа подкрановых балок и рельсовых путей преднапряжение их производят следующим образом.

1. Загружают два крана максимальным грузом и своим ходом перегоняют краны размещая их над одной из колонн. Первое колесо крана 18 для полного закрытия зазора необходимо разместить на расстояние 137,34 см от левой опоры (см. пример конкретной реализации).

2. Тележку каждого из кранов приближают к напрягаемой подкрановой балке на минимальное расстояние, постепенно, с остановками одновременно затягивая пневмогайковертом фрикционные болты 9. Напрягающие рычаги 5, взаимодействуя с колонной 11, хвостовики 6, являющиеся упругими шарнирами, поворачиваются и упруго растягивают листовую затяжку 7, преднапрягая подкрановую балку. Зазор между нижним поясом основной балки 1 и верхним поясом напрягающего рычага 5 закрывается. Величину зазора контролируют, например, посредством индикатора часового типа [4, с 54].

3. Циклы преднапряжения подкрановых балок выполняются над каждой из колонн цеха аналогично описанному процессу.

4. Регулируемый столик 8 компенсирует неточности изготовления напрягающих рычагов 5 и листовых затяжек 7.

Работа преднапряженной подкрановой балки с максимальной расчетной нагрузкой от двух кранов.

При одновременной работе двух сближенных кранов затяжка дополнительно упруго напрягается и прочность высокопрочной стали затяжки используется полностью.

При перегрузке же балки сверх расчетной нагрузки включается концевой выключатель 5 и подается звуковой и световой сигнал "перегрузка".

Пример конкретной реализации.

Балка рассчитывается в упругой стадии работы.

1. Исходные данные для расчета

Пролет балки l=12 м.

Материалы: балка выполнена из двутавра 100 Б3 - сталь С255 ГОСТ 27772-88 (ВСт3 сп5-1 ТУ 14-1-3023-80), R=230 МПа, Е=206000 МПа; затяжка листовая сталь - С590 ГОСТ 27772-88 (12Г2СМФ), R=515 МПа, Е=206000 МПа.

Коэффициенты перегрузки (недогрузки) для расчета усилия в напрягающем рычаге: n₁=1.1; n₂=0.9.

Допустимый прогиб

Кран грузоподъемностью 50 т, крановая нагрузка - согласно схеме фиг.6, а.

Расчетная сила, передающаяся на балку от колеса крана, определена в табл.1.

таблица 1.
Ориентация и значение силы	Нормативная, гН	Коэффициенты надежности, динамичности, сочетаний			Расчетная, гН
Вертикальная Р	5500	1,1	1,2	0,85	6171

2. Определение максимального изгибающего момента М.

Для упрощения вычислений применим следующие размерности системы СИ:

гН - для сосредоточенной силы Р;

гН·см - для изгибающего момента М;

1 гН=100 Н=0,1 кН.

Максимальный изгибающий момент от вертикальной нагрузки определяем по правилу Винклера.

R_B=8294,83 гН;

М=R_А·(6+0,6235)-Р·5,25=35283,8 гН·м.

С учетом собственного веса и нагрузки от тормозной балки расчетный изгибающий момент

М⁰=·М=1,05·39434,9=37050,09 гН·м,

где коэффициент учитывающий собственный вес подкрановой балки и временной нагрузки на тормозной площадке.

3. Назначение сечения балки.

Геометрические характеристики двутавра 100 Б3 [6, с. 261].

I_В=595560 см⁴; W_В=11820 см³; А_В=358 см².

Момент инерции и радиус инерции нижнего пояса

где А_Н.П. - площадь сечения нижнего пояса.

Принимаем длину затяжки равной 8,6 метра. Несущая способность балки в месте крепления затяжки

прочность балки в месте крепления затяжки достаточна.

Затяжку к балке крепим в трех местах по краям и в середине, расстояние между точками крепления будет 430 см.

=0,871 [6, табл.78].

Усилие самонапряжения в напрягающем рычаге по [1, III. 114]

где l_з - длина затяжки;

х₁ , х₂, x_з - см. фиг.6;

с - расстояние от центра тяжести затяжки до центра тяжести сечения балки;

Величина усилия предварительного напряжения, исходя из устойчивости предварительно сжимаемого пояса балки

Проверяем прочность затяжки

Прочность затяжки обеспечена.

4. Проверка напряжений в подкрановой балке

а) В стадии создания предварительного напряжения:

нормальные напряжения в верхнем поясе ее

нормальные напряжения в нижнем поясе ее

б) В стадии загружения подкрановой балки:

нормальные напряжения сжатия в верхнем поясе ее

нормальные напряжения растяжения в нижнем поясе

Проверка напряжений в месте крепления затяжки

Изгибающий момент М на расстоянии 1,7 метра от опоры М=15353,363 гН·см.

Нормальные напряжения:

5. Проверка прогиба балки.

Здесь

При предварительном напряжении имеем выгиб вверх

6. Расчет болтового соединения напрягающего элемента с основной балкой.

Соединение осуществляем фрикционными болтами d=16 мм из стали 40Х «селект», имеющей по [3, табл.6.2] ; обработка поверхности газопламенная. Несущая способность болта, имеющего одну поверхность трения, по формуле:

где ;

_Б=0,85, так как разница в номинальных диаметрах отверстия и болта больше 1 мм; =0,42 и _н=1,02 [3, табл.6.4], k=1 одна плоскость трения.

Усилие в затяжке

X₁+Х=13825,02+19509,7=33334,72 гН.

Определяем количество болтов

Принимаем 52 болта и размещаем их в четыре ряда в шахматном порядке согласно фиг.3.

7. Определение зазора

Зазор определяем по формуле Гука

Следовательно, отверстия под заклепки в затяжке со стороны подвижного напрягаемого элемента необходимо выполнить на 1,12 см ближе к оси симметрии. Экономический эффект достигнут за счет:

1. Снижения эффективных концентраторов напряжений до своего минимума и повышения надежности всей конструкции в 2...3 раза;

2. Снижения трудоемкости изготовления, так как применены прокатные двутавровые профили;

3. Расширения применения прокатных профилей для кранов грузоподъемности 50...100 т, так как листовая затяжка повысила момент сопротивления всей конструкции в 1.23 раз.

4. Механизации предварительного напряжения балки.

Литература

1. Беленя Е.И. Предварительно напряженные металлические несущие конструкции. - М.: 1963.

2. Гохберг М.М. Справочник по кранам.

3. Беленя Е.И. и др. Металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1976.

4. Лужин О.В. и др. Обследование и испытание сооружений.

5. Нежданов К.К. Васильев А.В. Калмыков В.А. Нежданов А.К. Патент России №2114328 «Способ и устройство для неподвижного соединения металлических элементов». Бюл. №18, 1998. Зарегистрирован 27 июля 1998 г.

6. Васильченко В.Т. Рутман А.Н. Справочник конструктора металлических конструкций. - Киев: Бущвельник, 1980.

7. СНиП II-23-81* Стальные конструкции. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.