Коробчатая балка или трубчатая балка (или коробчатая балка ) — это балка , которая образует закрытую трубу с несколькими стенками, в отличие от двутавровой или двутавровой балки . Первоначально они изготавливались из кованого железа, соединенного клепкой , теперь они изготавливаются из катаной или сварной стали, алюминиевых профилей или предварительно напряженного бетона .
По сравнению с двутавровой балкой преимуществом коробчатой балки является то, что она лучше сопротивляется кручению . Имея несколько вертикальных перемычек , она также может выдерживать большую нагрузку, чем двутавровая балка равной высоты (хотя для этого потребуется больше материала, чем для более высокой двутавровой балки эквивалентной мощности).
Различие в названиях коробчатой и трубчатой балок неточно. Обычно используется термин коробчатая балка, особенно если она имеет прямоугольное сечение. Если балка несет свое «содержимое» внутри «коробки», как, например, мост Британия , ее называют трубчатой балкой. Трубчатая балка также используется, если балка имеет круглое или овальное поперечное сечение, например, мост Королевского Альберта .
Если большая коробчатая балка содержит более двух стенок, т. е. несколько коробок, ее называют ячеистой балкой.
Теоретическая основа коробчатой балки во многом была работой инженера сэра Уильяма Фэйрберна с помощью математика Итона Ходжкинсона около 1830 года. Они стремились спроектировать максимально эффективную балку из нового материала, состоящего из клепаных пластин из кованого железа .
Большинство балок статически нагружены, так что одна стенка находится в сжатом состоянии, а другая в растяжении. В оригинальных кранах Fairbairn использовалась ячеистая конструкция компрессионной поверхности стрелы, чтобы предотвратить коробление. Эта стрела была изогнутой, сужающейся и состояла из клепаных пластин кованого железа. Внутри вогнутой (нижней) грани этой балки образовались три ячейки, опять же из клепанных пластин. [1]
Если трубчатая балка используется в качестве пролета моста (т.е. нагружена в центре, а не на одном конце, как у крана), сжимающая сила приходится на верхнюю стенку балки, поэтому ячейки располагаются вверху. Динамические силы (подвижные нагрузки, ветер) также могут потребовать, чтобы обе грани были ячеистыми. (Сохранившаяся секция моста Британия показывает, что и верхняя, и нижняя полки имели ячеистую конструкцию, но (согласно Фэйрберну) ячеистая конструкция нижней полки была принята не из-за характера сил, которым она должна была противостоять, [2 ] : 206 , но из-за их величины и вытекающих из этого «практических трудностей, с которыми пришлось бы столкнуться, если бы была попытка достичь необходимой площади сечения в сплошной массе») [2] : 183
В некотором смысле это не «ячеистая балка» как таковая (по сравнению с пространственной рамой или геодезической конструкцией ), поскольку ячейки не распределяют нагрузки от всей балки, а просто придают жесткость одной изолированной пластине. Проектирование таких сложных интегрированных структур требует методов математического моделирования, предшествующих временам Фэйрберна.
.jpg/1280px-Third_Mandovi_bridge_(38700203495).jpg)
Теоретическая балка Фэйрберна появилась как раз вовремя, учитывая растущий спрос на длинные железнодорожные мосты. Роберт Стивенсон нанял его и Ходжкинсона в качестве консультантов для помощи в строительстве мостов Британия и Конви , оба из которых содержали железнодорожные пути внутри большой трубчатой балки. Вскоре после этого Брюнель также решил использовать пару круглых балок небольшого диаметра как часть более крупной фермы в Чепстоу . Однако, хотя во многих железнодорожных мостах с самыми длинными пролетами, использовавшихся в 1860-х годах, использовались трубчатые или коробчатые балки [3], Бенджамин Бейкер в своей книге «Железнодорожные мосты с длинными пролетами» уже отвергал «коробчатую балку с перемычками» как «наиболее неблагоприятный тип». для длиннопролетных железнодорожных мостов, которые нам необходимо будет обследовать». [4] Мост через залив Коронадо имеет самую высокую коробчатую балку.
Мосты с коробчатыми балками с неглубоким прямоугольным поперечным сечением и аэродинамическими характеристиками стали широко использоваться в автодорожных мостах с 1960-х годов, таких как мост Северн , поскольку они намного легче, чем более глубокая балочная конструкция ферменного типа , использовавшаяся на предыдущих мостах, таких как мост Золотые Ворота. .
В начале 1970-х годов во время строительства обрушилось несколько мостов с коробчатыми балками: мост Кледдау в Уэльсе, мост Вест-Гейт в Австралии и мост Кобленц в Германии. Это привело к серьезным опасениям по поводу продолжающегося использования коробчатых балок и обширных исследований их безопасности, которые включали раннее использование компьютерного моделирования и послужили стимулом для развития анализа методом конечных элементов в гражданском строительстве .
Котел Фэйрберн.