Сварные балки: типы, нормы, принципы расчёта

Сварная балка из листового проката — основной тип несущей балки тяжёлых металлоконструкций, где прокатные двутавры по геометрии или несущей способности не подходят. Применяют их в подкрановых путях, монолитных перекрытиях большой пролётности, мостовых конструкциях, эстакадах и каркасах промышленных зданий. В отличие от прокатного двутавра, сварную балку можно проектировать под конкретное распределение нагрузок: варьировать высоту, толщину стенки и поясов, делать ступенчатое сечение. Эта статья рассматривает типы сечений, принципы компоновки, нормы поясных швов и порядок расчёта по СТБ EN 1993-1-1.

Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.

Когда сварная балка экономичнее прокатного двутавра

Прокатные двутавры по ГОСТ Р 57837 и СТБ EN 10034 ограничены размерным рядом: высота до 1000 мм для серий Б, Ш и К, до 700 мм для серий с узкой полкой. Когда расчётный изгибающий момент или прогиб требует большего сечения, единственное решение — сварная балка из листа.

Сварная балка выгодна и при умеренных пролётах, если расход металла на прокатный двутавр избыточен. Соотношение полок и стенки в прокатном сортаменте фиксировано, а в сварной балке поясное и стеновое сечение подбирают раздельно. Для длинных балок с переменным моментом по длине применяют ступенчатое сечение — увеличение толщины пояса в зоне максимального момента и уменьшение к опорам.

Условия, при которых сварная балка предпочтительна:

требуемая высота сечения превышает 1000 мм;
нагрузки требуют нестандартного соотношения полок и стенки;
пролёт более 12–15 м с переменным моментом по длине;
наличие крутящих усилий — целесообразно коробчатое сечение;
подкрановые балки с локальными нагрузками от колеса крана;
заводы располагают сварочным оборудованием для автоматической сварки под флюсом.

Типы сечений сварных балок

В практике металлоконструкций применяют четыре основных типа сечений сварных балок.

Тип сечения	Принципиальная область	Особенности
Симметричный двутавр	Балки перекрытий, прогоны, главные балки	Равные полки сверху и снизу; работает на симметричный изгиб
Бисимметричный (несимметричный) двутавр	Подкрановые балки, балки под асимметричной нагрузкой	Верхняя полка шире для восприятия колёсной нагрузки
Коробчатое	Изгиб с кручением, мостовые и подкрановые конструкции	Замкнутый контур из двух стенок и двух поясов; высокая жёсткость на кручение
Тавровое	Вспомогательные балки, прогоны, рёбра жёсткости плит	Только стенка и одна полка; для несимметричных нагрузок

Двутавровое сечение в металлоконструкциях используется приблизительно в 80 % случаев. Коробчатое применяют там, где балка работает на изгиб совместно с кручением — типично для криволинейных в плане элементов и подкрановых путей с эксцентричной нагрузкой.

Геометрия двутаврового сечения

Сварная двутавровая балка характеризуется четырьмя основными размерами:

h — общая высота сечения;
t_w — толщина стенки;
b_f — ширина пояса;
t_f — толщина пояса.

Высота назначается из условия жёсткости — типичное соотношение h/L (высота к пролёту) составляет 1/12–1/20. Толщина стенки подбирается из условия восприятия поперечной силы и местной устойчивости: соотношение h_w/t_w ограничивается классом сечения по СТБ EN 1993-1-1. Ширина пояса определяется требуемым моментом инерции и устойчивостью пояса из плоскости. Толщина пояса согласовывается с принимаемыми листовыми сортаментами: 10, 12, 14, 16, 20, 25, 30, 40 мм.

Принцип рациональной компоновки: в большинстве случаев около 70–80 % площади сечения должно приходиться на пояса, около 20–30 % — на стенку. Чем выше балка, тем эффективнее работает стенка на сдвиг и тем меньше относительная толщина пояса.

Поясные швы: типы и нормы

Поясной шов соединяет стенку с поясом и передаёт сдвигающее усилие в горизонтальной плоскости. Конструктивно применяют три типа:

угловой шов без разделки кромок — стандартное решение для балок небольших и средних размеров;
тавровый шов с односторонней или двусторонней разделкой кромки стенки — для тяжёлых балок;
тавровый шов с полным проплавлением — для подкрановых балок, динамически нагруженных конструкций и при действии знакопеременных усилий.

Катет углового поясного шва назначается по расчёту, но не менее минимального, регламентированного СТБ EN 1993-1-8 в зависимости от толщины более толстого свариваемого элемента:

Толщина более толстого элемента, мм	Минимальный катет, мм
до 10	4
11–20	5
21–30	6
31–40	7
свыше 40	8 и более по расчёту

Прерывистые поясные швы допускаются в статически нагруженных балках при невысоких сдвигающих усилиях, но запрещены в подкрановых и других динамически нагруженных конструкциях. Соотношение длины проварки к длине пропуска и величина шага должны соответствовать СТБ EN 1993-1-8.

Рёбра жёсткости

Рёбра жёсткости обеспечивают устойчивость стенки и передачу местных нагрузок. По функции и расположению различают:

поперечные основные рёбра — устанавливаются с шагом, кратным 2–2,5 высоты стенки, и предотвращают потерю устойчивости от сдвига;
поперечные дополнительные рёбра — между основными, при высокой стенке;
продольные рёбра — параллельно поясам, при отношении h_w/t_w более допустимого по классу сечения;
опорные рёбра — в местах опирания балки или приложения сосредоточенной нагрузки, рассчитываются как сжатые стойки;
рёбра в зоне крепления второстепенных балок — для распределения местной нагрузки.

Опорные рёбра выполняются на полную высоту стенки, привариваются угловыми швами к стенке и плотно пригоняются к нижнему поясу. Размер ребра рассчитывается на местное смятие и продольную устойчивость по СТБ EN 1993-1-1.

Принципы расчёта по прочности

Сварная балка проверяется по двум группам предельных состояний. Первая группа — несущая способность, включает:

прочность по нормальным напряжениям от изгибающего момента;
прочность стенки на сдвиг от поперечной силы;
совместное действие момента и поперечной силы в опасном сечении;
местная прочность стенки при сосредоточенной нагрузке;
общая устойчивость балки из плоскости изгиба;
местная устойчивость стенки и сжатого пояса.

Вторая группа предельных состояний — пригодность к нормальной эксплуатации, включает проверку прогиба и вибраций. Допустимые значения прогиба зависят от типа конструкции и регламентированы СНБ 5.03.01 и СТБ EN 1993-1-1 — от L/200 до L/400.

В подкрановых балках добавляется расчёт на выносливость от циклических нагрузок и проверка местной усталостной прочности зоны опирания колеса крана.

Местная устойчивость стенки

Местная устойчивость стенки определяется отношением высоты стенки к её толщине h_w/t_w. По СТБ EN 1993-1-1 сечения классифицируются на четыре класса:

класс 1 — пластические сечения, работающие за пределом упругости без потери устойчивости;
класс 2 — пластические сечения с ограниченным поворотом;
класс 3 — упругие сечения, при которых достигается предел текучести без потери устойчивости;
класс 4 — тонкостенные сечения, требующие учёта закритической работы.

Граничные значения h_w/t_w между классами определяются маркой стали и коэффициентом ε = √(235/f_y). Для стали S235 при чистом изгибе предельные отношения для классов составляют примерно 72ε, 83ε и 124ε.

При выходе за пределы класса 3 стенку усиливают продольными рёбрами или увеличивают толщину. Принципиальный выбор: толстая стенка без продольных рёбер либо тонкая стенка с системой рёбер. Решение принимается с учётом экономики проекта и технологии завода-изготовителя.

Технология сборки и сварки

Изготовление сварной балки выполняется по ТКП 45-5.04-274 и СТБ EN 1090-2. Технологический процесс включает следующие операции:

раскрой листов на гильотинных ножницах или газорезкой по чертежам деталировки;
правка элементов после раскроя — устранение коробления;
обработка кромок: фрезерование, строжка, разделка под сварку;
сборка на стенде с прихватками — обеспечение геометрии сечения;
сварка поясных швов автоматом под флюсом или полуавтоматом в среде защитных газов;
сварка рёбер жёсткости — после поясных швов или одновременно;
правка готовой балки — устранение остаточных сварочных деформаций;
обработка торцов, фрезерование под опирание;
антикоррозионная подготовка и нанесение покрытия.

Автоматическая сварка под флюсом — основной способ для поясных швов средней и большой длины. Производительность в 4–6 раз выше ручной дуговой, качество шва выше, остаточные деформации меньше за счёт стабильности режима.

Контроль качества и приёмка

Контроль сварных швов балки включает несколько видов в зависимости от ответственности конструкции:

визуальный и измерительный — все швы 100 %, обнаружение наружных дефектов, замер катета и шага;
ультразвуковой контроль (УЗК) — для тавровых швов с полным проплавлением, не менее 25 % длины, в подкрановых — 100 %;
радиографический контроль — для ответственных стыковых швов поясов и стенки;
магнитопорошковый или капиллярный — выявление поверхностных и подповерхностных дефектов;
контроль геометрии — отклонение прямолинейности оси, перекос полок, скручивание балки.

Допустимые отклонения регламентированы СТБ EN 1090-2 и заводскими техническими условиями. Класс исполнения EXC2 — стандарт для обычных промышленных конструкций, EXC3 — для подкрановых и динамически нагруженных, EXC4 — для критически важных объектов.

Типовые ошибки проектирования

Назначение слишком тонкой стенки без проверки местной устойчивости — приводит к выпучиванию стенки между рёбрами при достижении расчётной нагрузки.
Отсутствие опорных рёбер в зоне приложения сосредоточенной нагрузки — местное смятие стенки и потеря устойчивости.
Применение прерывистых поясных швов в подкрановых балках — концентраторы напряжений приводят к усталостным трещинам.
Несоблюдение последовательности сварки — большие остаточные деформации, балка получается с прогибом или скруткой.
Игнорирование строительного подъёма для длинных балок — после монтажа балка имеет проектный прогиб от собственного веса.
Назначение пояса слишком широким относительно высоты — потеря устойчивости пояса из плоскости.
Сварка без термообработки в стыковых соединениях толстого пояса — высокие остаточные напряжения, хрупкое разрушение при низкой температуре.
Отсутствие центровки рёбер с местами приложения нагрузок — местное смятие в стенке.

Часто задаваемые вопросы

Когда применять коробчатое сечение вместо двутаврового? При наличии крутящих усилий, при работе балки в условиях больших боковых нагрузок (мостовые, криволинейные конструкции), при необходимости высокой жёсткости на кручение. Коробчатое сечение в 10–50 раз жёстче двутаврового на кручение при той же массе.

Можно ли сваривать балку из стали разных марок? Возможно, но требует обоснования: пояса и стенка часто выполняются из одной марки. Применение в одной балке сталей С245 и С345 допустимо при соответствующем подборе сварочных материалов и режимов.

Каков типовой расход металла на сварную балку относительно прокатной? При прочих равных сварная балка позволяет экономить 10–25 % металла за счёт рационального распределения сечения. Однако трудозатраты на изготовление выше, что учитывается при технико-экономическом сравнении.

Какая минимальная высота сварной балки? Технологически — около 250–300 мм. При меньших высотах прокатные двутавры всегда экономичнее по стоимости изготовления.

Что такое строительный подъём и когда он нужен? Это начальное обратное искривление балки при изготовлении на величину расчётного прогиба от постоянных нагрузок. Назначается для пролётов более 15 м или при отношении прогиба к пролёту, близком к предельному. После приложения нагрузки балка занимает горизонтальное положение.

Чем класс исполнения EXC2 отличается от EXC3? EXC2 — стандартный класс с базовыми требованиями к точности и контролю. EXC3 включает дополнительные требования к материалам, технологии сварки, объёму неразрушающего контроля, документации. EXC3 применяется в динамически нагруженных конструкциях.

Сокращения и обозначения

ТНПА — технические нормативные правовые акты;
СТБ — стандарт Беларуси;
ТКП — технический кодекс установившейся практики;
СНБ — строительные нормы Беларуси;
EN — европейский стандарт (Euronorm);
УЗК — ультразвуковой контроль;
EXC — Execution Class, класс исполнения по СТБ EN 1090-2;
h_w — высота стенки;
t_w — толщина стенки;
b_f — ширина пояса;
t_f — толщина пояса;
f_y — предел текучести стали;
М — изгибающий момент;
Q — поперечная сила.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.