Коробчатая балка или трубчатая балка (или коробчатая балка ) представляет собой балку , которая образует замкнутую трубу с несколькими стенками, в отличие от Ɪ- или H-образной балки . Первоначально изготовленные из кованого железа, соединенного заклепками , теперь они изготавливаются из прокатной или сварной стали, алюминиевых профилей или предварительно напряженного бетона .
По сравнению с Ɪ-балкой преимущество коробчатой балки в том, что она лучше сопротивляется кручению . Имея несколько вертикальных стенок , она также может нести большую нагрузку, чем Ɪ-балка такой же высоты (хотя она будет использовать больше материала, чем более высокая Ɪ-балка эквивалентной грузоподъемности).
Различие в наименовании коробчатой балки и трубчатой балки неточно. Обычно используется термин коробчатая балка, особенно если она прямоугольного сечения. Когда 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, как, например, мост Королевского Альберта .
Если большая коробчатая балка содержит более двух стенок, т. е. имеет несколько коробок, ее называют ячеистой балкой.
Теоретическая основа коробчатой балки была в значительной степени разработана инженером сэром Уильямом Фейрберном при содействии математика Итона Ходжкинсона около 1830 года. Они стремились спроектировать максимально эффективную балку из нового материала — клепаных кованых пластин.
Большинство балок статически нагружены, так что одна стенка находится в сжатом состоянии, а другая в растянутом. Оригинальные краны Fairbairn использовали ячеистую конструкцию для сжатой поверхности стрелы, чтобы противостоять выпучиванию. Эта стрела была изогнутой, конической и образована из заклепанных кованых железных пластин. Три ячейки были образованы внутри вогнутой (нижней) поверхности этой балки, снова из заклепанных пластин. [1]
Если трубчатая балка используется в качестве пролета моста (т. е. нагружена в центре, а не на одном конце, как кран), сжимающее усилие находится в верхней стенке балки, и поэтому ячейки размещаются наверху. Динамические силы (движущиеся нагрузки, ветер) также могут потребовать, чтобы обе поверхности были ячеистыми. (Сохранившийся разрез моста Британия показывает, что и верхний, и нижний пояса имели ячеистую конструкцию, но (согласно Фейрберну) ячеистая конструкция нижнего пояса была принята не из-за характера сил, которые он должен был выдерживать, [2] : 206 , а из-за их величины и вытекающих из этого «практических трудностей, которые возникли бы, если бы была предпринята попытка достичь требуемой 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 разделяют нагрузки от всей балки, а просто действуют, чтобы укрепить одну пластину в изоляции. Проектирование таких сложных интегрированных структур требует математических методов моделирования, опережающих время Фейрберна.
.jpg/1280px-Third_Mandovi_bridge_(38700203495).jpg)
Теоретическая балка Фейрберна появилась как раз в нужное время для растущего спроса на длинные железнодорожные мосты. Роберт Стефенсон нанял его и Ходжкинсона в качестве консультантов для помощи с его мостами Британия и Конви , оба из которых содержали железнодорожный путь 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 многие из самых длинных пролетов железнодорожных мостов, использовавшихся в 1860-х годах, использовали трубчатые или коробчатые балки [3], Бенджамин Бейкер в своей книге «Железнодорожные мосты с длинными пролетами » уже отвергал «коробчатую балку с перегородками» как «наиболее неблагоприятный тип для железнодорожных мостов с длинными пролетами, который нам необходимо будет исследовать». [4] У моста через залив Коронадо самая высокая коробчатая балка.
Мосты с коробчатыми балками неглубокого прямоугольного сечения и аэродинамическими характеристиками стали широко использоваться в автодорожных мостах с 1960-х годов, например, на мосту Северн , поскольку они намного легче, чем более глубокая конструкция ферменного типа , которая использовалась на предыдущих мостах, например, на мосту Золотые Ворота .
В начале 1970-х годов несколько мостов с коробчатыми балками рухнули во время строительства: мост Кледдау в Уэльсе, мост Вест-Гейт в Австралии и мост Кобленц в Германии. Это привело к серьезным опасениям по поводу дальнейшего использования коробчатых балок и обширным исследованиям их безопасности, которые включали раннее использование компьютерного моделирования и стали толчком к развитию конечно-элементного анализа в гражданском строительстве .
котел Фэрберна.