Балка представляет собой конструктивный элемент сплошного сечения, предназначенный для работы на поперечный изгиб. Балки применяют в различных перекрытиях, рабочих площадках, эстакадах, мостах, подкрановых балках и других конструкциях. Наиболее широкое применение сплошностенчатые балки находят для небольших пролетов при больших нагрузках. В случае больших пролетов и малых нагрузок рациональнее использовать сквозные балки или фермы, так как получаемая в данном случае экономия металла более существенна, чем увеличение трудоемкости.
Сварные балки обычно состоят из трех элементов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - поясов (полок), присоединяемых к стенке при помощи сварки, как правило, автоматической. Возможны и другие конструктивные решения составных балок.
Устройство поясов из нескольких листов, сваренных по продольным кромкам, менее предпочтительно ввиду необходимости сварки протяженных швов, сложности обеспечения плотного прилегания поясных листов друг к другу, неравномерности распределения напряжений - заштрихована эпюра нормальных напряжений в верхнем листе, не заштрихована - в нижнем).
В настоящее время все более широко применяют сквозные (перфорированные) двутавровые балки. Роспуск стенки горячекатаного двутавра по ломаной линии с последующим совмещением и сваркой выступающих гребней обеспечивают получение элемента двутаврового сечения с шестиугольными отверстиями, напоминающими пчелиные соты. Иногда такие балки называют «сотовыми». Они имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными сплошностенчатыми.
Следует, однако, отметить, что изготовление «сотовых» балок связано с определенными трудностями (коробление балок после роспуска сплошностенчатого прокатного двутавра, необходимость применения специального кондуктора для сборки таких балок и последующей сварки).
Благодаря повышенной несущей способности «сотовые» балки конкурентоспособны не только с обычными сплошностенчатыми балками, но и с решетчатыми конструкциями. Однако применяют их все же ограниченно в условиях статического нагружения.
По статической схеме балки классифицируются на разрезные, консольные и неразрезные. В металлических конструкциях чаще применяют разрезные свободно опертые (без защемления) балки. Неразрезные балки и однопролетные защемленные балки более экономичны по расходу металла, однако сложнее в изготовлении и особенно в монтаже.
Балки разделяют по способу соединения элементов на сварные и клепаные. Наибольшее распространение получили сварные балки, так как они более экономичны по расходу металла и менее трудоемки при изготовлении. Клепаные балки применяют редко, как правило, для конструкций, работающих в условиях тяжелых динамических или вибрационных нагрузок.
Составные балки могут изготовляться из элементов с разными марками стали. Стенку балки, работающую в большей части на изгиб с незначительными напряжениями изготовляют из менее прочной и более дешевой углеродистой стали, а пояса - из низколегированной. Наибольший эффект достигается при использовании в растянутых элементах высокопрочной стали.
Используются и металлические предварительно напряженные балки, в которых в результате предварительного напряжения стенки обеспечивается экономия металла.
Система несущих балок, образующих конструкцию перекрытий, рабочих площадок, проезжей части мостов и других конструкций, называется балочной клеткой.
Балочные клетки могут быть трех типов: упрощенные, нормальные и усложненные.
В упрощенной балочной клетке нагрузка на покрытие или площадку передается через настил на балки настила и с балок настила - на стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку.
В нормальной балочной клетке нагрузка с балок настила передается через главные балки на опоры.
В усложненной балочной клетке нагрузка передается многоступенчато: настил опирается на балки настила, балки настила - на вспомогательные балки и вспомогательные балки - на главные.
Размер от нижнего пояса главной балки до верха настила называют строительной высотой балочной клетки.
Сопряжение балок в клетке может быть этажным, в одном уровне и пониженным. Самое простое этажное соединение. Его применяют при достаточной строительной высоте. Сопряжение в одном уровне и пониженное используются в случае необходимости получения меньшей строительной высоты.
Для настила балочных клеток применяют либо стальные листы, либо сборные железобетонные плиты.
Стыки балок
В случае когда имеющийся в наличии прокат меньше требуемой длины балки, используют так называемые заводские стыки балок. В процессе выполнения монтажных работ для соединения отдельных отправочных элементов применяют монтажные или укрупнительные стыки балок. Если заводские стыки делают, как правило, сварными, то монтажные могут быть сварными, болтовыми, а в некоторых случаях и клепаными.
Наиболее простой тип стыковочного соединения - встык. Этот тип применяют как для заводских, так и для монтажных соединений прокатных и составных балок. В случае прямых стыков полок, выполняемых ручной дуговой сваркой, и применения обычных способов контроля качества шва несущая способность стыка меньше, чем основного сечения, так как расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению без осуществления физических способов контроля качества шва меньше расчетного сопротивления стали.
Обычно стараются расположить такие стыки в месте действия минимального изгибающего момента. Для получения равнопрочного стыка стык нижнего пояса выполняют косым.
С целью уменьшения сварочных напряжений в стыках крупных составных балок применяют некоторые конструктивные и технологические мероприятия - определенный порядок наложения сварных швов. В первую очередь сваривают стыковые швы стенки, после этого - поясов, которые дают максимальную поперечную усадку.
На заводе при изготовлении составных балок оставляют незаверенными участки поясных швов длиной 500 мм, что позволяет несколько вытягиваться при сварке стыка поясным листам при усадке поперечных швов. Если не оставлять незаваренные участки, то в поперечных швах могут появиться трещины. В последнюю очередь заваривают угловые швы.
В случае необходимости получения равнопрочного стыка с основным сечением балки применяют соединение встык с усилением полок накладками.
В этом случае расчетный момент стыка воспринимают швы (стыковые) и накладки.
Более просты в исполнении соединения при помощи накладок на полки и стенку, так как в этом случае не требуется подготовки торцов и разделки кромок. Однако такой способ имеет и недостаток, заключающийся в наличии большого количества концентраторов напряжений, поэтому может быть рекомендован только для работы в условиях статических нагрузок.
Изгибающий момент в этом случае передается через поясные накладки, а поперечная сила - через двухсторонние накладки стенки.
Швы, прикрепляющие накладку к поясу, рассчитывают на усилие.
Сечение накладки на стенках принимается конструктивно: толщина накладки примерно равна толщине стенки балки, ширина - 150-200 мм. В случае большой поперечной силы швы, прикрепляющие накладки к стенке, проверяют на срез.