ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ КЛЕТЬ ПРОКАТНОГО СТАНА, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ НАВИВКОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

В статье даются сведения о конструировании, расчете, изгото­влении и основных результатах испытания железобетонной клети прокатного стана «Кварто».

Клеть представляет собой пространственную конструкцию (фиг. 1), состоящую из шести железобетонных элементов двух типов: четырех одинаковых стоек и двух одинаковых толстых круглых ригелей — архитравов (фиг. 2). Сборка клети осущест­вляется на сварке (фиг. З, а — в), для чего в местах соединения стоек с ригелями имеются закладные металлические детали. Стойки и ригели конструктивно армированы. Рассматриваемая конструкция клети может быть выполнена как в сборном, так и в монолитном вариантах.

Станины рабочей клети, воспринимающие все давление металла на валки при прокате, являются весьма ответственными элемен­тами прокатного стана. Поэтому к конструкции станин предъ­являются довольно высокие требования как по прочности, так и по жесткости.

В металле станины изготовляются обычно из стального литья с пределом прочности 4500—6000 кГ/см[13]. Так как по условию ра­боты станины должны обладать высокой жесткостью, то напряже­ния в них, как правило, невелики и составляют в среднем 350— 450 кГ/см2.

В процессе работы стана возможны случаи значительного воз­растания давления металла на валки, вследствие непрерывной подачи или остывания прокатываемой полосы. Это может привести даже к поломке валков, но напряжения в станинах при этом не должны превышать предела пропорциональности, чтобы не вы­звать остаточную деформацию. Для этого коэффициент запаса клети должен быть [6 ]

Kg — коэффициент запаса валков, принимаемый рав­ным 5;

Rh и Оу — нормативное сопротивление (предел прочности) и предел пропорциональности материала стальной клети, причем Оу = 0,5 RhH\ с — коэффициент, учитывающий возможные неточ­ности в определении прочности материала валков и клети, принимаемый равным 1,25—1,5.

Таким образом, коэффициент запаса прочности стальной клети получается равным k = = 12,5ч-15.

./I

Т

В случае изготовления клети прокатного стана из предвари­тельно напряженного железобетона, армированного высокопроч­ной проволокой, коэффициент запаса клети по прочности можно несколько снизить, приняв более высокое значение предела про­порциональности материала проволоки по отношению к норматив­ному сопротивлению.

Высокопрочная проволока, применяемая для предваритель­ного напряжения бетона, не имеет ярко выраженного предела про­порциональности. Условно можно принять о у = 0,8 Ra, так как это напряжение соответствует остаточному удлинению всего лишь на 0,2%, которое не повлияет существенно на дальнейшую эксплуа­тацию клети.

По аналогии с предыдущим, принимая с = 1,2-М,5, полу­чим k = 8-ИО.

Следует отметить, что в стадии изготовления клети натяжение проволоки осуществляется при напряжении не менее 0О = 0,65 ов,

А для повышения выносливости конструкции желательно увели­чить величину предварительного напряжения до 0,75 ое 12 ]. Это напряжение уже вызовет некоторую остаточную деформацию; следовательно, можно допустить, что при последующих кратко­временных перегрузках возрастание напряжений в арматуре до этих значений не вызовет ощутимых остаточных деформаций в ней.

В рассматриваемой железобетонной клети архитрав хотя и является пространственной конструкцией, но, так как нагрузка приложена симметрично и в плоскостях вертикальной обмотки (фиг. 2, сечение Б — Б), то для расчета клеть можно расчленить на две плоские рамы. Кроме того, так как клеть представляет со­бой сборную конструкцию, то можно принять свободное опира - ние архитрава на стойки. Тогда ригель выбранной нами рамы ста­нет балкой переменного сечения на двух опорах пролетом / = 2г, а стойки окажутся центрально сжатыми (фиг. 4, а). Такое расчле­нение клети содержит известные допущения, но в некоторых слу­чаях, например при эскизном и эскизно-техническом проектиро­вании, можно ограничиться приближенным расчетом.

В расчетах клети рассматриваются три расчетных случая, соот­ветствующие трем напряженным состояниям:

1) при действии расчетной нагрузки;

2) в момент натяжения арматуры;

3) при эксплуатационных нагрузках.

В первом случае предельным состоянием будет момент появле­ния трещин, а в остальных двух случаях — момент появления ра­стягивающих напряжений; при этом для всех трех случаев расчет следует вести по упругой стадии с использованием коэффициента приведения металла к бетону.

При действии расчетной нагрузки (расчетные схемы на фиг. 4, б) ригель отделяется от стоек и напряжения в плоскости сопряжения стоек с ригелем равны нулю. Следовательно, равнодействующая усилий в предварительно напряженной арматуре вертикального пояса в этом случае будет меньше таковой после окончания предварительного обжатия из-за потерь предварительного напря­жения

Л'1 = %(oH + 300)FH = Ґ-=4l л (1)

Где Л71 — равнодействующая усилий в предварительно напряжен­ной арматуре вертикального пояса обмотки станины при действии расчетной нагрузки; Рр — расчетная нагрузка на станину. За Рр принимается такая нагрузка, которая вызывает появление трещин в бетоне;

300 — приращение напряжения в арматуре, отвечающее пре­дельной относительной растяжимости бетона; ок — установившееся напряжение в арматуре с учетом всех потерь;

Fк — площадь сечения напрягаемой арматуры; k — коэффициент запаса; Р — эксплуатационная нагрузка;

Q1 — нагрузка на ригель от вертикальной обмотки при дейст­вии расчетной нагрузки; г — радиус вертикальной намотки.

При определении установившегося напряжения в арматуре учитываются потери предварительного напряжения, происходя­щие от усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками напрягаемой арматуры, от релаксации арматуры и воздействия многократно повторной нагрузки (в случае расчета конструкций на выносливость).

А - архитрав железобетонной клети; б — действие расчетной HarDvixn - в - предварительное обжатие; г _ эксплуатационная стадия; / - р": гель станины; 2 — обмотка станины.

Ригели имеют высоту, равную половине их пролета. Поэтому распределение нормальных напряжений в среднем сечении ригелей можно принять, как в балке-стенке [4], по приближенной эпюре, показанной на фиг. 5. Легко убедиться, что напряжения будут максимальными в среднем сечении полудиска.

Принятый вид эпюры нашел экспериментальное подтвержде­ние (см. статью Окунева Г. Н.).

По условию равновесия момент внешних сил должен равняться мо­менту внутренних сил.

Приравнивая эти моменты, по­лучим

А\ = _ 2,33-І-. (2) ri — ri

Учитывая горизонтальные силы qlr (фиг. 4, б), напряжения в точ­ках І и 2 на внешней и внутренней поверхностях архитрава будут

3,19

Г 2-

-3,33

Ъ — г і

При действии возможной наиболь­шей перегрузки растягивающие на­пряжения в ригелях будут максимальными. Чтобы не произошло преждевременного разрушения ригеля в растянутой зоне, необходимо эти растягивающие напряжения погасить, создав рав­ные им предварительные напряжения путем радиального обжа­тия ригеля горизонтальной обмоткой. Возникающие при этом от предварительного радиального обжатия сжимающие тангенциаль­ные напряжения в данной конструкции ригеля с цилиндрическим отверстием в центре можно определить, пользуясь формулами сопротивления материалов для расчетов толстостенных цилиндров. Число слоев при сплошной навивке горизонтального пояса в верх­ней части ригеля как раз и определится из условия равенства тангенциальных сжимающих напряжений от горизонтальной об­мотки растягивающим напряжениям от расчетной нагрузки. При­чем на внешней грани ригеля, как следует из формулы Ламе [1 ], напряжения будут меньше, чем на внутренней; они то и будут ра­счетными при определении величины бокового обжатия. Число слоев а напрягаемой арматуры, а следовательно, и величину боко­вого обжатия рассматриваемого, ригеля на уровне верхних
волокон следует назначать с учетом потерь предварительного напряжения

Dr2 3,2 у1 (г2 + гд)

А = а~1------------------------- '

ОнТа + Г\

Где d и /а—диаметр и площадь сечения навиваемой проволоки; г 2 и гг — наружный и внутренний диаметры ригеля (фиг. 4, с). Предварительное напряжение. Расчет в этом случае состоит в определении в элементах конструкции клети напряжений, воз­никающих от предварительного обжатия клети обмоткой. Расчет­ные схемы предварительного напряжения ригелей клети пока­заны на фиг. 4, в:

No =■ 0о ЛІ — oaFa = 0б F„\ (6)

P)

.1

К - ®

Где 0o — предварительное напряжение арматуры, контроли­руемое в момент натяжения;

N о1 — суммарное усилие в напрягаемой арматуре; <7П — нагрузка на ригель от напрягаемой арматуры вер­тикального пояса; оа — сжимающее напряжение в ненапрягаемой арматуре, принимаемое в стадии обжатия конструкции равным потерям напряжений от усадки бетона; Fa — площадь ненапрягаемой арматуры; q\l — распределенная нагрузка на опоре (среднее напря­жение в плоскости сопряжения ригеля со стойкой, принимаемое по прямоугольной эпюре); b и Ьх — размеры сечения стойки.

После проявления всех потерь в напрягаемой арматуре уси­лие jV" определится ПО ТОЙ же формуле (6), НО вместо 0О следует подставить он. Величина д11 с учетом потерь (т. е. ql„) определится по формуле (7) после подстановки нового значения іV".

Точно так же, как это было сделано выше, исходя из принятой эпюры напряжений, приведенной на фиг. 5, приравнивая между собой моменты внутренних и внешних сил, можно получить выра­жение для определения напряжений бетона в ригеле только от вертикальной обмотки.

При предварительном напряжении клети максимальные растя­гивающие напряжения на уровне нижних волокон ригеля могут быть погашены впоследствии горизонтальной обмоткой.

Число слоев горизонтальной обмотки для обжатия нижней части ригеля определится на этот раз из условия равенства растя - 414
гивающих напряжении от усилия предварительного напряжения вертикального пояса и тангенциальных сжимающих напряжений от усилия горизонтальной обмотки.

[^"(3,2-4,2-f)] (r2 + ri)dr2

{4 + r\)cH fa

Суммарные напряжения для верхних волокон на наруж - ной (о}') и внутренней (сг1^) гранях архитрава приближенно можно получить, складывая соответственно напряжение от горизонталь­ной обмотки с напряжениями от вертикальной обмотки:

А'1 = — 3,19 —^---------------- ч— f3,33 — 2,33—); (10)

А1' = — 3,19 —. - j—2 ^—Г 3,33 — 2,33 — ) . (11)

Напомним, что величина бокового обжатия для верхних воло­кон будет определяться величиной растягивающих напряжений, возникающих от расчетной нагрузки.

Суммарные напряжения для нижнего волокна на внутренней грани архитрава приближенно можно получить, складывая на­пряжения от горизонтальной обмотки с напряжениями от верти­кальной обмотки:

2

3,2-4,2-4-) ( 1-^р). (12)

Суммарные напряжения для нижнего волокна внешней грани будут равны нулю, так как именно из условия равенства их нулю, как уже указывалось, и подбирается величина бокового обжатия.

При вычислении напряжений следует учитывать потери для каждой стадии предварительного обжатия.

Таким образом, величина бокового обжатия и количество слоев навиваемой проволоки при обжатии архитрава для верхних воло­кон будет определяться величиной растягивающих напряжений, возникающих от расчетной нагрузки, а для нижних волокон — величиной растягивающих напряжений, возникающих при на­вивке вертикальной арматуры.

Эксплуатационное напряженное состояние в элементах клети возникает при действии эксплуатационной нагрузки. Для расчетов на однократную и повторную нагрузки необходимо знать напря­жения, возникающие в элементах клети как от предварительного обжатия, так и при действии эксплуатационной нагрузки.

При действии на станину эксплуатационной нагрузки Р (фиг. 4, г) бетон в стойках и напрягаемая арматура вертикальной
обмотки станины будут испытывать от силы Р растяжение; при этом будут иметь место зависимости

АІП Е

= — (13)

Е

Р = 2{olu FH + с1би F6), (14)

Где а'11 и аУ — напряжение в предварительно напряженной арматуре вертикального пояса обмотки и в бе­тоне стойки, вызванные только эксплуатацион­ной нагрузкой.

Из выражений (13) и (14) легко получить дополнительное усилие растяжения в вертикальной обмотке N3a = Рнва1 и растягиваю -

TOC \o "1-3" \h \z Э III

Щее усилие в стойке Ng — Рбоб ■

Э _ Р /гц. (15)

УУа _ 2 " 1 + П|І '

»/» _ Р I (16)

FH

Где (х-^.

Дополнительные равномерно распределенные нагрузки на ри­гель и на стойку от эксплуатационной нагрузки будут

К

<? = -f\ (17)

Ч

Суммарные напряжения на внешней и внутренней гранях ри­геля в эксплуатационной стадии определяются по той же эпюре напряжений, которая была использована для первой и второй ста­дии, и складываются из напряжения от горизонтальной обмотки, напряжения от вертикальной обмотки и напряжения от эксплуата­ционной нагрузки. Первые два напряжения следует определять с учетом потерь предварительного напряжения.

Для верхних волокон внешней и внутренней граней архитрава

А1 о11 -3,19—------ — f 3,33 — 2,33—\ +

Гг — Гі гг — г І V ' f J

* Г*.2<'-»>. + 3,2І; (19)

Гг — L ГЩ

І 2г?

„м.—а,9 _ (здз _

-*»+)+[й^й + 8,2]. (20,

Для нижних волокон внешней и внутренней граней архитрава

5,32] ; (21)

# / И 2,2

" - (3,2 — 4,2

1 \ Г 'r2+rl

Я- (3.2 - 4,2 —)----------------- 2L. Г2.32(/-6) 1 _

1 — а \ Г ) Г2 — Г! І ГПЦ J V >