Проектирование и расчет стальных балочных клеток. О. В. Евдокимцев. О. В. Умнова

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛОК И БАЛОЧНЫХ КЛЕТОК
1.1 Общая характеристика балочных конструкций.
Типы балочных клеток и их компоновка
Балки – наиболее распространенные строительные конструкции. Они нашли широкое примене-
ние в строительстве самых различных сооружений: в общественных, гражданских и промышленных
зданиях; мостах; эстакадах; гидротехнических сооружениях и т.д. Балки просты по конструкции,
недороги в изготовлении и надежны в работе. Они предназначены для восприятия нагрузок, прило-
женных в пролете, передачи их на опоры и работают, в основном, на поперечный изгиб. По стати-
ческой схеме балки разделяют на разрезные, неразрезные и консольные. С точки зрения расхода ма-
териала наиболее эффективна двутавровая форма сечения балок.
Стальные балки бывают прокатными и составными. Прокатные балки, чаще всего, имеют двутавро-
вое сечение с параллельными или наклонными гранями полок, реже применяют горячекатаные или хо-
лодногнутые швеллеры. Такие балки менее трудоемки в изготовлении, чем составные, но ограничен-
ность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах. Составные
балки изготавливают сварными, реже болтовыми и клепаными. Основной тип сечения балок – двутав-
ровое из трех листов: вертикального – стенки и двух горизонтальных – полок.
Балочная клетка представляет собой конструктивный комплекс, образованный системой балок одно-
го или нескольких направлений, предназначенный для восприятия нагрузок и передачи их на колонны
или стены. Балочные клетки применяют в рабочих площадках, покрытиях и перекрытиях зданий, в про-
летных строениях мостов, в затворах гидротехнических сооружений и т.д. На балочную клетку уклады-
вают несущий настил (стальной или железобетонный).
В зависимости от назначения, габаритных размеров, значения и схемы расположения нагрузок, типа
настила выбирают схему балочной клетки. При этом рассматривают разные типы балочных клеток и
выбирают наилучший, исходя из наименьших затрат металла и труда на изготовление и монтаж конст-
рукций. Сравнение вариантов производится на основании эскизного проектирования и приближенных
расчетов нескольких вариантов.
По схеме компоновки в плане различают три типа балочных клеток: упрощенный, нормальный и ус-
ложненный.
Упрощенный тип основан на использовании балок одного направления, передающих нагрузку на
опоры.
Нормальный тип (рис. 1) состоит из главных балок и балок настила, по которым укладывают настил.
В балочной клетке нормального типа нагрузка с настила передается последовательно на балки настила
(БН), на главные балки, а затем на колонны.
В усложненном типе (рис. 2) балочной клетки имеется три вида балок – главные (ГБ), вспомогатель-
ные (ВБ), воспринимающие нагрузку от балок настила, и балки настила. Усложненный тип целесооб-
разно использовать, когда необходимо перекрыть сравнительно большие пролеты, а число внутренних
колонн свести к минимуму.
Главные балки проектируют, как правило, составными, а вспомогательные балки и балки настила –
прокатными. Главные балки ориентируют вдоль большей стороны ячейки (часть балочной клетки в
пределах четырех соседних колонн), размер которой является пролетом главных балок L.

Расстояние между вспомогательными балками назначают 2…5 м, и оно должно быть кратно проле-
ту главной балки. ВБ также могут смещаться с оси колонн на половину их шага (рис. 2). Устанавли-
вая шаг балок, необходимо соблюдать условие: ни одна из балок не должна опираться на главную в
месте ее монтажного (укрупнительного) стыка. При компоновке балочной клетки можно ориентиро-
ваться на данные табл. 1.
Размеры балочной клетки в плане и по высоте (отметка верха настила (ОВН) и отметка низа конст-
рукций (ОНК)) увязывают с требованиями технологической части проекта (габаритом). Если такие тре-
бования отсутствуют, то все размеры, в том числе и строительную высоту, назначают из экономических
соображений. Строительная высота перекрытия (покрытия) Hстр включает высоту главных балок, балок
настила (при их этажном сопряжении с главными балками (рис. 3, а), толщину рабочего настила и кон-
структивный зазор (25…50 мм).

Рациональность выбора типа балочной конструкции зависит от принятого способа сопряжения
главных и вспомогательных балок.
Возможны три варианта сопряжений балок: этажное, в одном уровне и пониженное (рис. 3). Конст-
рукция этажного сопряжения (рис. 3, а) наиболее проста, но ведет к увеличению строительной высоты.
Такое сопряжение следует применять, когда позволяет строительная высота покрытия (перекрытия)
площадки. Сопряжение в одном уровне (рис. 3, б) и пониженное (рис. 3, в) рекомендуется применять в
случае ограничения строительной высоты покрытия (перекрытия): первое – в нормальном типе балоч-
ной клетки, второе – только в усложненном типе балочной клетки.
Таким образом, выбор рационального типа балочной клетки, типа сопряжения балок зависит от мно-
гих факторов, и целесообразность выбора для заданных условий может быть установлена только срав-
нением вариантов конструктивного решения.
1.2 Настил
Настилы балочных клеток бывают весьма разнообразными в зависимости от назначения и конструк-
тивного решения перекрытия. Из различных типов настилов, применяемых в рабочих площадках
промышленных зданий, наиболее распространенными являются стальные сплошные настилы из
плоского или рифленого листа, железобетонные из сборных плит или монолитной плиты и сталеже-
лезобетонные. Часто поверх несущего настила устраивают защитный настил (асфальтовый или бе-
тонный пол толщиной 40...60 мм на железобетонном настиле, деревянный из торцевых брусков – на
стальном).
Выбор материала настила и его конструктивное решение зависит от многих факторов (технологиче-
ское назначение площадки, характер и величина нагрузки, температурно-влажностный режим эксплуа-
тации, агрессивность среды, экономический фактор).
Стальной настил (СН) может быть стационарным или съемным щитовым. Щитовой настил состоит
из несущего стального листа, подкрепленного снизу продольными и поперечными ребрами (рис. 4) и
может иметь размеры в плане до 3 × 12 м.
Для стального настила применяют плоские листы толщиной 6…16 мм из стали С235, привариваемые к
поясам балок.
В конструктивном отношении стальной настил представляет собой пластину, приваренную по
двум, трем или четырем сторонам к балкам и нагруженную вертикальной нагрузкой. Приварка настила
Hстр
а) б) в)
Hстр
Hстр
ОВ
ОВ
габарит 1 1 1
3
2
2
2
4
4
4
ОНК
к балке делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой и вызывает в нем
растягивающие цепные усилия H, улучшающие работу настила.
Расчет настила при равномерно распределенной нагрузке зависит от отношения размеров боль-
шей стороны пластины к меньшей. При отношении меньшем или равном двум, пластина считается
"короткой", в противном случае, что встречается в большинстве случаев, "длинной".
Для "длинных" пластин можно считать, что настил работает в условиях цилиндрического изгиба
только вдоль короткой стороны.