При подборе сечений сжатых стержне^ желательно, чтобы моменты инерции относительно осей х и у были приблизительно равны.

За расчетную длину элементов ферм принимают: для поясов как в плоскости, так и из плоскости фермы — расстояние между смежными узлами или местами крепления связей; для элементов решетки: из плоскости фермы — расстояние, равное полной геометрической длине элемента; в плоскости фермы — расстояние, равное 0,8 полной геометрической длине стержня, а для опорных стоек и раскосов — расстояние, равное полной длине.

При конструировании металлоконструкций необходимо соблюдать следующие условия:
1) продольные оси стержней, подходящих к данному узлу, должны пересекаться в центре узла;
2) необходимо обеспечить прочность соединения, что проверяют расчетом сварных швов или заклепок;
3) для растянутых стержней рекомендуется применять максимальные длины проката с целью уменьшения количества стыков;
4) стержни и узлы следует проектировать без резких изменений сечений; переходы к измененному сечению делают плавными, чтобы избежать концентрации напряжений;
5) сечения составных стержней необходимо составлять из возможно меньшего числа профилей;
6) если сечение состоит из двух элементов, не примыкающих друг к другу вплотную, то эти элементы надо соединить планками. Расстояния между планками для растянутых стержней выбирают такими, чтобы гибкость ветви стержня не превышала 100, а для сжатого стержня — 50. Гибкость отдельных ветвей составных стержней из алюминиевых сплавов на участках между планками или узлами решеток не должна превышать 30 для сжатых стержней и 80 — для растянутых.

очень малых нагрузках, так как такое сечение обладает малой жест-костью и вследствие эксцентричного присоединения к элементам металлоконструкций создает дополнительные изгибные усилия.

При проверке сжатых и растянутых сечений, состоящих из одиночных профилей, прикрепленных эксцентрично, в формулах расчета на прочность расчетную площадь сечения условно уменьшают в d раз. Значение коэффициента уменьшения расчетного сечения принимают равным: для одиночного неравнобокого угольника, прикрепленного только узкой полкой, d — 0,7; прикрепленного только широкой полкой, d = 0,8; для одиночного равнобокого уголка, прикрепленного одной полкой, d ~ 0,75 и для одиночного швеллера, прикрепленного стенкой, d = 0,9.

Рис. 1. Основные типы составных сечений стержней ферм и сечений балок

Для основных рабочих элементов не рекомендуется брать листы тоньше 4 мм, уголки менее 45 X 45 X 5 мм при сварном исполнении и менее 50 X 50 х 5 мм при клепаном исполнении. Все большее применение вместо нерациональных угловых и швеллерных профилей, широкое использование которых в прежние годы объяснялось использованием заклепочных соединений, находят гнутые и штампованные профили незамкнутого и замкнутого типа и трубчатые профили. Гнутые профили изготовляют профилированием полосового, листового и ленточного металла на профилегибочных станках. При этом получаются профили с наиболее рациональным распределением металла по сечению, что позволяет при минимальном расходе металла получить прочные и жесткие металлоконструкции (экономия веса достигает 25%). При профилировании металла в холодном состоянии вследствие явления наклепа прочность гнутых профилей значительно выше прочности горячекатанных профилей.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает около 200 типоразмеров гнутых профилей. Эти профили обладают при том же весе более высокими моментами инерции и лучше сопротивляются поперечному и продольному изгибу и кручению. Кроме того, подобные профили позволяют сократить время изготовления металлоконструкций, благодаря применению для соединения элементов контактной точечной сварки и повысить коэффициент использования металла.

В решетчатых конструкциях, благодаря использованию труб, можно сократить расход металла на дополнительные связи, что особенно важно для стержней, сечения которых назначаются из условии предельной гибкости. Преимуществом труб является возможность применения стенок меньшей толщины. Так, если толщина полок уголков обычно не менее 0,05—0,1 ширины полки, то для труб эта величина уменьшается до 0,02—0,05 диаметра. Замкнутые профили при одной и той же площади сечения имеют меньшую внешнюю поверхность, подверженную коррозии, а в результате уменьшения боковой поверхности и лучшей обтекаемости снижается ветровая нагрузка на металлоконструкцию.

Рис. 2. Основные типы профилей и сечений балок из гнутых профилей

Стоимость труб в Советском Союзе примерно на 30% выше стоимости уголков, но стоимость конструкций, сваренных из труб, вследствие снижения количества вспомогательных элементов всего на 8—15%, выше стоимости конструкции из уголков. Если же учесть, что уменьшение веса, достигаемое при применении трубчатых конструкций, влияет на остальные элементы крана (ходовые колеса, механизм передвижения, противовес, подкрановые пути и т. п.), то замена уголков трубами становится эффективной даже при снижении веса до 8%. Некоторые конструкции узлов ферм, изготовленных из труб, и различные конструкции стыков труб показаны на рис. 3.

Рис. 3. Узлы ферм с трубчатыми стержнями и стыки труб

Рис. 4. Прессованные профили из легких сплавов для поясов балок кранов и сечения пролетных балок

Для металлоконструкций из алюминиевых сплаврв целесообразно использовать тонкостенные элементы, устойчивость которых обеспечивается благодаря достаточному количеству ребер жесткости. Эти жесткие тонкостенные элементы получают преимущественно прокаткой или прессованием. Широкое применение находят также гнутые профили, штампованные и гофрированные элементы из алюминиевых сплавов.

Применение прессованных профилей позволяет без использования косынок и других дополнительных элементов образовывать наиболее экономичные сечения балок. Так, для трехгранных пролетных балок в качестве ездовой балки монорельсовой тележки используется двутавровый профиль, к утолщенным полкам которого болтами прикреплены сменные рельсы, также изготовленные из легкого сплава. Верхние полки двутавра выполнены наклонными для удобства стыкования со стенками балки.

Для решетчатых трехгранных пролетных балок применяется профиль, обеспечивающий лучшее восприятие горизонтальных нагрузок и позволяющий создать весьма технологичную конструкцию нижнего пояса балки. Профили позволяют обеспечить легкую стыковку с раскосами или боковыми стенками балки. Так, верхний пояс балки образован при помощи профиля. Повышенная толщина листового материала уменьшает возможность деформаций при сварке и устраняет опасность местного выпучивания, которая у листов из алюминиевых сплавов значительно больше, чем у стальных.

Рельсы для грузовой тележки выполнены из стали; они крепятся посредством зажимов, обеспечивающих некоторое перемещение рельса относительно моста. Между рельсами и балками моста предусмотрены подкладки из тонкого алюминиевого листа.

Металлические конструкции мостовых кранов. Мосты кранов могут быть двухбалочными или однобалочными. В двухбалочных мостах металлоконструкцию выполняют обычно либо в виде пространственной системы, составленной из двух вертикальных и двух горизонтальных ферм, либо в виде двух коробчатых пространственно жестких балок, соединенных по концам пролета с концевыми балками.

Рис. 5. Металлоконструкции крановых мостов:
а — решетчатая ферма; 6 — балка; в — сечение моста с балками коробчатого типа; Вт — колея тележки; L — пролет моста

В случае пространственной системы вертикальная ферма непосредственно воспринимающая через рельсы, уложенные на ее верхнем поясе, основную нагрузку от веса тележки с грузом, является главной фермой. Параллельно главной ферме располагают вспомогательную вертикальную ферму, соединяющуюся с главной фермой двумя вспомогательными горизонтальными фермами, воспринимающими горизонтальные нагрузки, возникающие при торможении крана. Главные и вспомогательные фермы крепятся к концевым балкам, в которых располагаются ходовые колеса крана. Механизм передвижения моста этого типа обычно располагается на верхней горизонтальной вспомогательной ферме. Скручивающие моменты, возникающие при нагружении главных балок, воспринимаются пространственной системой состоящей из главных балок, вспомогательных ферм, горизонтальных и поперечных связей. Вследствие этого главные балки четырехферменных мостов могут иметь меньшую горизонтальную изгибную и крутильную жесткость, чем коробчатые балки однобалочных и двубалочных мостов Часто главные балки четырехферменных мостов выполняются одностенчатыми.

Вспомогательная стенка коробчатой балки иногда выполняется в виде безраскоснои фермы; основная несущая стенка для обеспечения устойчивости снабжается продольными зигами, а отверстия во вспомогательной стенке — отбортовкой.

Рис. 6. Мосты с безраскосными фермами:
а – с балками коробчатого сечения; б-с одностенчатыми балками

Крановая тележка перемещается по рельсам, уложенным на верхних поясах основных балок. Механизм передвижения крана и троллеи располагаются на консольных площадках, что обеспечивает легкий доступ к выкатным буксам ходовых колес, расположенных в концевых балках.

В настоящее время в производство все шире внедряются сплошные листовые металлоконструкции, так как они имеют меньшую трудоемкость и меньшую стоимость, вследствие возможности применения при их изготовлении автоматической сварки и использования листа вместо прокатных профилей. Благодаря большей плавности передачи силового потока в листовых конструкциях по сравнению с решетчатыми конструкциями, обеспечивается меньшая концентрация напряжения в стыках и повышается надежность работы конструкции при переменных нагрузках. Необходимо иметь в виду, что при малых грузоподъемностях использовать полностью площадь сечения сплошных листов практически невозможно, поэтому применение листовых конструкций наиболее рационально при наличии больших усилий. Перспективным является применение для крановых мостов (грузоподъемностью до 15 т) конструкций балок «оболочкового» типа из гнутых элементов, в которых устойчивость тонких стенок обеспечивается самой формой сечения без применения диафрагм.

Наиболее установившимся типом кранового моста является двух-балочный мост с перемещением тележки по верхнему поясу. Однако он имеет сравнительно большую высоту, большой вес и трудоемкость изготовления. Поэтому в мостовом краностроении все шире применяются однобалочные цельнолистовые коробчатые мосты с боковым расположением подъемного механизма.

По сравнению с двухбалочными мостами однобалочные мосты обладают меньшим весом (из-за лучшего использования материала вертикальных стенок), уменьшенным числом вспомогательных элементов и более определенным статическим расчетом. В ряде случаев снижение веса достигает 40%, что позволяет увеличить грузоподъемность крана без усиления существующих подкрановых путей. Для сокращения объема сварочных работ в однобалочных мостах применяются также трубчатые пролетные балки. К торцам трубы приваривают щиты с ходовыми колесами, а механизм передвижения моста может быть даже встроен внутрь трубы. Для ходовых колес тележки устанавливаются на трубчатые поперечины швеллера, используемые в качестве рельса.

Рис. 7. Балки «оболочкового» типа

Коробчатые балки могут изготовляться также из гнутых листов. Основные профили имеют в нижней части отбортовки для сварочного шва. В верхней части профили соединены швами, причем отогнутые полки скреплены со стенками электрозаклепками и выполняют роль горизонтальных ребер жесткости, поддерживая стенки в сжатых верхних зонах. Вертикальные участки поддерживают подтележечный рельс. Поперечные ребра, обеспечивающие устойчивость стенок и распределяющие нагрузку от рельса на стенки балки, также прикреплены к основному профилю электрозаклепками. В этой конструкции уменьшено количество продольных швов (по сравнению с обычными, сваренными из двух вертикальных и двух горизонтальных листов) и использовано минимальное количество дополнительных элементов — горизонтальных ребер жесткости.

Рис. 8. Коробчатая балка из гнутых элементов

Аналогичная конструкция коробчатой балки из гнутых элементов образована из одного листа и днища. Подтележечный рельс поддерживается дополнительным гнутым листом, распорные нагрузки в котором воспринимаются горизонтальным листом. Коробка из листов предварительно сваривается и заводится в полость гнутого листа главной балки. Элементы балки скрепляются между собой точечной сваркой (включая и отбортованное днище).

Так как изготовление коробчатых балок трудоемко, то созданы одностенчатые пролетные балки с коробками жесткости, расположенными обычно вдоль сжатой зоны стенки. В таких балках функции элементов сечения четко распределены: стенки вместе с поясами работают на вертикальные нагрузки, боковой настил и верхний пояс воспринимают горизонтальные нагрузки, а коробка обеспечивает необходимую крутильную жесткость сечения. Коробка жесткости образована наклонными ребрами, приваренными к стенке, что устраняет сосредоточение сварных швов в узле примыкания верхнего пояса к стенке.

Кроме того, верхняя сжатая зона стенки подкреплена двумя разнесенными по высоте продольными ребрами, благодаря чему стенка приобретает большую устойчивость. Лист горизонтального настила поддерживается ребрами. В сечении предусмотрены также вертикальные ребра, обеспечивающие общую жесткость стенки. В другой конструкции верхний пояс представляет собой треугольную коробку жесткости, надетую и приваренную к стенке. Верхний сжатый поясной лист хорошо подкреплен наклонными стенками коробки. Горизонтальная жесткость сечения обеспечивается отбортованным листом настила, поддерживаемым гнутыми кронштейнами, связанными со стенкой и с коробкой жесткости. В козловых кранах, в которых применяются подвесные тележки, перемещающиеся по монорельсу, используются различные сечения однобалочного пролетного строения в зависимости от грузоподъемности и пролета крана и конструкции тележки.

Рис. 9. Одностенчатые пролетные балки с коробками жесткости

Рис. 10. Поперечные сечения пролетного строения однобалочных козловых кранов с подвесными тележками:
а — двутавровая конструкция с усилением; б — трехгранная трубчатая конструкция; е — трехгранная листовая конструкция с ребрами жесткости; г, д — трубчатая трехгранная конструкция для тележек с раздвинутыми колесами; е — листовая конструкция для тележек с раздвинутыми колесами

Сечение балок моста и конструкцию ферм выбирают по условиям жесткости моста (ограничения прогиба).

Главным балкам (фермам) при пролете моста свыше 17 м придают строительный подъем, равный 1 : 1000 пролета. В кранах малой грузоподъемности и кран-балках часто ограничиваются применением одной балки, являющейся основным несущим элементом. Обычно это прокатная двутавровая балка, выбор размера которой производят по условиям обеспечения необходимой жесткости и возможности прохода тележки или электротали по нижнему поясу балки.

Для увеличения высоты балки и ее момента сопротивления без увеличения ее веса иногда производят контурную разрезку прокатных двутавровых балок, как это показано на рис. 11, а. Затем разрезанные половинки раздвигают, смещают на полшага вырезов и сваривают. Выступающие по концам балки консольные части отрезаются.

Если увеличение сечения этой балки при увеличении грузоподъемности и пролета приводит к существенному утяжелению металлоконструкции моста, то двутавровую балку прикрепляют к фермам, причем балку либо подвешивают к ферме моста снизу, либо ферму устанавливают в плоскости основной балки. Для обеспечения необходимой горизонтальной жесткости конструкции моста применяют горизонтальные фермы или дополнительные раскосы, используемые для размещения механизма передвижения моста.

При применении горизонтальных ферм жесткости (при пролете крана более 10 м) элементы горизонтальной фермы выбирают по гибкости так, чтобы гибкость установленных элементов не превышала 250.

Рис. 11. Составная двутавровая балка

Рис. 12. Кран-балки с элементами горизонтальной жесткости

Так как рама тележки состоит из ряда жестко соединенных балок, установленных на четыре опоры, то она является многократно статически неопределимой системой. Точный расчет рамы методами строительной механики весьма трудоемок. Поэтому используют приближенные методы расчета, расчленяя конструкцию рамы на отдельные двухопорные, свободнолежащие продольные и поперечные балки.

Так как действительные деформации и напряжения отличаются от расчетных, то для компенсации допущенных погрешностей и повышения жесткости обычно расчеты балок рамы тележки ведут по пониженным допускаемым напряжениям, принимаемым при материале рамы сталь Ст. 3 для продольных балок, располагаемых перпендикулярно к валам механизма подъема, равными 1000—1100 кГ/см2, и для поперечных балок, располагаемых параллельно валам механизма подъема, равными 800—900 кГ/см2.

Для обеспечения безопасности обслуживания тележка имеет перила, проходящие с двух сторон, перпендикулярных направлению движения тележки. Значения веса тележек мостовых кранов общего назначения, необходимые для проведения предварительных расчетов металлоконструкции моста и механизмов, могут быть приняты по рис. 13.

Шпренгельные балки. В металлических конструкциях грузоподъемных машин большое применение находят так называемые шпренгельные балки, представляющие жесткую в отношении прогиба балку, опирающуюся шарнирно на концевые опоры и подпертую системой стержней (шпренгелем), соединенных шарнирными узлами. Назначением шпренгеля является уменьшение прогиба основной балки и, следовательно, ее разгрузка. Весьма целесообразно применение шпрен-гельных систем при изготовлении металлических конструкций из алюминиевых сплавов, обладающих пониженным по сравнению со сталью модулем продольной упругости.