автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование кручения тонкостенных балочных конструкций пролетных строений кранов

полтавский инженерно г строительный институт

На правах рукописи ' -

скала Геннадий Федосеевич

УДК 624. отд. 7

исследование кручения тонкостенных балочшх • конструкций' пролетных строении'кранов '

•05.23.01 - Строительные конструкции. здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученс-п степени кандидата технических - нау-к

Полтава -

Работа выполнена в Харьковской инженерно-строительном

институте

научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Липовский Давид Евсеевт.

Официальные оппоненты

доктор технический наук, профессор чехладзе Эдуард Давидович;

кандидат технических наук, додент Пичугин Сергей Федорович,

Ведушая организация - научно-исследовательский

и пр и-т Промстроиниипроект

Зашита состоится -н^-гёясрб 1992 'года, • в • 14- час. на заседании специализированного совета к 0бв,4б.01 в Полтавском инженерно-строительном институте по . адресу; 314011, г. Полтава. Первомайский проспект, 24.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Полтавского инженерно-строительного института

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, прошу направлять в адвес специализированного совета. Автореферат разослан ч^-октяда»~199г года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Б. А. Бондарь

- 3 -

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

актуальность темы. Одним из направлений снижения материалоёмкости. конструкций является применение облегчённых пространственных систем, оболочек и тонкостенный стержней. Последние занимают особое место в авиастроении, судостроении, строительстве и машиностроении.

конструкции класса тонкостенных стержней имеют малую материалоемкость, высокую жесткость и хорошую- технологичность изготовлений, применение их. например, в качестве балок пролетных строений мостов козловых и мостовых кранов дало по сравнению с другими решениями значительную экономию.

Ранее применяемые балки пролетных строений мостов кранов в виде тонкостенных стержней закрытого профиля, в настоящее время заменяются, балками в виде тонкостенных стержней открытого профиля (ТСОШ. Это существенно снижает их вес, уменьшает трудозатраты на изготовление и упрощает эксплуатационное обслуживание, но при этой, для лучшего сопротивления кручению необходима постановка бимоментных связей (БС) либо других конструктивных элементов, например, преднапрягаших.

Созданию таких конструкций и методик их расчетов посвящена настояшая работа.

Эти конструкции (рис. 1), в обшем случае, испытывают

сжатие (растяжение), изгиб в двух плоскостях и кручение.

/

Учитывая, что сжатие (растяжение) и изгиб этих конструкций хорошо изучен, настоящая работа посвяшается исследованию кручения'тонкостенных балочных конструкций пролетных строений кранов.

/

Рис. 1. Обший вид тонкостенного балочного пролетного строения открытого профиля.

- ц. -

* дели исследования заключаются в следуктем:

- создании новых конструкций металлических пролетных строения мостов грузоподъемных кранов; .

- разработке методик расчёта конструкций указанного типа;

для достижения этих целей были решены следующие ЗАДАЧИ;

- единообразия подхода к определению компонентов напряженно -деФормированного состояния (НДС; при кручении ТС.ОП с вс любого типа, нерегулярно расположенными по его длине;

- создания методики расчета ТСОП с разнотипными БС;

- создания методик расчета предварительно напряженных ТСОП;

- алгоритмизации разработаннных методик с целью создания пакета проблемных программ для ЭВМ.

Кроме, того выполнены;

- численные исследования конструкция балок пролетных строений различных размеров, грузоподъемности и конструктивных решения;

- проведена экспериментальная проверка предлагаемых методик для подтверждения их достоверности.

'научная новизна работы состоит в том, что в результате проведенных исследований:

- предложены новые, облегченные конструкции металлических балок пролетных строений грузоподъемных кранов;

.- теоретически решена задача расчета нй кручение балочных конструкций, выполненных в виде ТСОП, с произвольно расположенными ЕС;

- теоретически решена задача расчёта на кручение' предварительно напряженйых конструкций выполненных в виде ТСОП;

- в результате исследований получены \и проанализированы данные о НДС при кручении конструкций пролетных строения кранов и сделаны выводы об эффективности различных конструктивный решений,

практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем: .

- основные научные результаты, полученные в настояшей работе нашли реализацию в конструкциях балок металлических пролетных строений-грузоподъемных кранов;

- получено авторское .свидетельство на изобретение новой конструкции металлического пролетного строения грузоподъемного КРаНЗ .(Н 1541179).

- разработана достаточно простая для инженерной практик!

. ; -■/ v 5 - • v -

методика расчета конструкция выполненных в виде тсоп с ЕС;

■ разработана методика расчета- ■• предварительно напряженных конструкций балок пролетных строений грузоподъемных кранов;

- разработаны алгоритмы и программы, для эбм. позволявшие

Р у

производить расчеты конструкций этого типа;.

- по разработанной методик?' выполнены расчеты ' конструкии 'пролетного строения крана КМ 100 нгд. работающего" на строительстве Рязанской АЭС; - ■

■ - результатн'работы внедрены харьковским Филиалом института "энергоионтаяспроект" при проектировании пролетных строений •кранов в виде ТСОП с ВС, "а так же при предпроектных проработках предварительно' напряженных балок пролетных строений кранов.

Подтвержденный экономический эффект составил 94. 5 тыс, рублей (по данным на 1965 год).

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ полученных теоретически подтверждена сравнением с решениями в. 3. влас®а (совпадение в, пяти значащих цифрах). а так же сравнением- с результатами экспериментальных исследовании

. Достоверность-результатов экспериментальных исследований .

обеспечена использованием ври испытания:? поверенной аппара-

/

туры, конструкция которой отвечает современный ~тебованиям:

- регистрация НДС осуществлялась электронным "тензомостом;

- тензометрирование производилось тщательно отсортированными тензорезисторами;

- обработка результатов проводилась с помошью специально разработанных'программ на ЕС эрн.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы исследований докладывались и обсуждались на 5 Всесоюзной конференции по статике и динамике пространственных конструкций гг. Киев. 15-17 "октября 1985г.). на Украинской республиканской научно-технической конференции "Экономика и рациональное использование сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов в строительстве"- (г, Харьков, 24-26-апреля 1986 года), на 37 -4б научно-технических конференциях хиси с участием представителей производства, проектных и научно-исследовательских организаций (г,- Харьков. 1975-1991 годы), на постоянно дея-„ ствуетем семинаре "Статика и динамика сооружений" лиси (г. Ленинград. 1991 г.), а так хё отражены в шести публикациях.

- б -

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. '

во введении кратко описаны'предмет исследований и развитие конструкций рассматриваемого типа, показана актуальность выбранного направления исследований, дается анализ ранее проведенных работ по изучению конструкций пролётных енкй кранов и методов их расчетов.

Как следует из обзора литературных источников, вопросами ндс яри кручении тсоп занималось многие исследователи. Имеется значительный объём теоретического и экпериментального'материала. позволяющего сделать оценочные расчеты ндс тсоп с БС или предварительным напряжением при кручении- Их расчет с 4 БС- различного типа (планки, диафрагмы, трубы и т. д. ) нерегулярно расположенными по длине, известными ранее- методами в инженерной практике не представлялся возможным.

основываясь на теории Б. 3. .Власова, учитывая ■ работы Е. А. Бейлина. в. н. Демокритова. в. и. р'еута, г. п. соболевско-. го и др. авторов, поставлен ряд задач, решение которых ** дает инженрнои практике, достаточно простой аппарат для расчетов и проектирования конструкций типа тсоп с произвольно расположенными, любого типа БС и преднапряжением. существенно" влияшим на ндс при кручении.

первая глава посвяшена рассмотрению обших схем конструкций выполненных в виде тонкостенных стержней, анализу расчетных схем и характера НДС. По результатам некоторых численных примеров произведено сравнение вариантов конструктивных решений. Так, рассмотрение НДС некоторых, предлагаемых ранее конструкций, показало, что предполагаемое НДС их не соответствует реальному. БС в виде с - образных диафрагм, расположенные по длине конструкции, не дают в сечениях, где они установлены, нулевых значений депланачий и бимоментов. кроме того, эффективность таких диафрагм ' черезвычайно мала, здесь же показано, что вариант конструкции пролётного строения, со сплошными плоскими диафрагмами так же непригоден. БС в виде таких диафрагм являются малоэффективными.

Расчет прлётного строения представляющего - собой ТСОП с планоками показал воможность принятия и развития этого решения, кроме того. БС в виде планок,' как правило, ставятся в сочетании с конструктивно 'устанавливаемыми диафрагмами. что повышает эффективность связи депланаиий.

- 7- - ' ■

здесь же показано, что регулярное расположение равно-, жестких ВС так же' малоэффективно. - зто привело к "решенир. ■ что- ЕС целесообразно, выполнять различной жесткости и. устанавливать их следует нерегулярно.■

Рассмотрен вариант предварительного напряжённа с- по- ; мошью БС. _ - ' '.''-•.•*■■

По выводам этой главы с Формулировано направление . теоретических исследований, необходимых для решения практических задач. • /"

вторая глава посвяшена теоретическим исследованиям НДС конструкций педставляюших тсоп. в частности: -

- рассмотрен!!» возможности единообразного подхода к решению задач о ндс тсоп с кс йобого конструктивного исполнения; " '

. - разработке новой методики учёта совместной* работы-'БС. различных конструктивных исполнений; ■ - ' ' . \

- с оЪдангох методик расчётов предваительно напряженных .кон-струкиий пролетных-строений выполненных в виде тсоп,- '

все решения-выполнены в рамках следующих предпосылок:

- материал конструкций является - упругим., 'однородным .и.', изотропным; •' ' '

- погрешности геометрической Формы отсутствуют;' . •

- профиль жесткий. недеФормируемыя;

- местные напряжения ' от. локальных силовых воздействия затухают быстро и- не - рассматриваются _ в ' обшем НДС,-.

постановка задачи учета совместной работы БС различного конструктивного исполнения'сводится'к тому, что-при кручении тсоп. БС. независимо от их. конструктивного, исполнения, обуславливают .появление, в местах их установки " реактивных бимо- • ментов. Для. конструкиии (рис. 2), с соответственно выбранной основной системой (рис. з.), задача .решается с пойошью метода сил. ' - , - .

в основной'системе' каждая.бс"заменена бимоментом, создаваемым деформированной ЕС. Эти- бимоменты, представляют вектор' .неизвестных. Степень "статической неопределимости ' такой системы равна числу БС и может быть определена:■

П = £ р1 ■ ' (1)

где:."к'-, количество'связей х типа; " - . • ^ £ - количество типов связей.. . система уравнений в матричной Форме будет.' • '

У

рис: г, icon с БС под действием нагрузки, вызывавшей

кручене.

Рис. j. Основная система для расчета ТСОП,- изображенного

на рис. 2.

А В + Q = О (2)

здесь: А - квадратная матрица, элементы которой представляют собой относительные депланации от единичных бимо-ментов; .

в - вектор неизвестных бимоментов;

о"- вектор грузовых коэффициентов-(относительные депланации от внешней нагрузки). , •..'..

Смысл каждого уравнения системы сводится к. тому, что деформация связи, выраженная дёпланацией сечения, в котором он установлена, равна сумме деформаций от 'Внешней нагрузки,от'воздействии каждой связи на нее и ее собственной деформации: п - .. ■'.

2©'iK BiK = 9'ql O'iJK BJK (3)

t. fit

коэффициенты при неизвестных bik. представляющие собой относительные депланации, определяются в соответствии - с геометрическими характеристиками- тсоп, .условиями ,закрепления концов и характером силового воздействия.'

Как известно, в реальных конструкциях, по конструктивным соображениям, диафрагмы и планки устанавливаются совместно. В 1-тон сечении с текущей координатой Z1 совместно работают две бимоментные .связи.'.Для этого сечения в системе будет два уравнения со всеми одинаковыми коэффициентами; за исключением тех, которые учитывают податливость б.имоментных связей. Путем простых преобразований, ¿группировав члены уравнений, получим систему пониженного порядка, он равен числу сечений ТСОП, где установлены БС, причём количество ВС.в сечении может быть произвольным и порядок системы при этом не изменется. Уравнения такой системы будут

иметь вид:

nl{ и

Bi2t 9'iK = e'qi + 2 'Bj ©'ij - .

здесь: e*4i - депланация;1'-того сечения от внешней нагрузки;

9'iJ"- депланацйя l-того сечения от единичного бимо-мента, действушего в j-tom сечении;

©' 1К - депланацйя i-того сечения от работы обобщенных сил упругой деформации БС.

. Определить коэффициенты ö'ij и 9'<Ji можно воспользовавшись теорией- B. 3. Власова. .

. Коэффициенты 9'iK следует определять с учетом т.1*/ тэФор-' маций. которые имеют место'в КС. При этом, в зависимости от требуемой точности решения, можно учитывать либо все дефор-

/мации БС.. либо только наиболее весомые. * '

Базируясь на изложенном подходе в задаче о НДС .ТСОП с БС. .решается задача;создания заданного предварительного НДС ТСОП с помошью БС. • Для этого' конструкция, представлявшая собой тсоп, подвергатся предварительному закручиванию с наперед определенными углами поворота сечений, замыкаемых БС. Углы поворотов определяются из решения системы: к&й. + м - о (5)

по вектору депланадий ©*d.

Предварительное напряжение с Яомошью вант, не являющееся новым для изгибаемых элементов, может применяться для изменения ндс при кручении конструкций выполненных в виде тсоп. так, ' в случае анкеровки натянутого ванта в контурных координатах со значением секториальных характеристик w Ф о, возникают сосредоточенные бимоменты. наличие этих бимоментов создает ими обусловленное предварительное НДС. - ■*

-. Используя решение для- определения НДС тсоп от множества . сосредоточенных' бимоментов. = Fi wi, считая их близко расположенными друг к другу,- получается решение задачи о ндс .в случае действия сплошной бимоментной нагрузки, это имеет место при. создании предварительного напряжения с помошью. продольного элемента,. принадлежащего конструкции.

Технология получения такого преднапряжения может быть принята- следуешей: .'•'•• • . . ■

' - напрягающий продольный . элемент подвергается растяжению . (разогреву) и привариваетея-к конструкции, при этом контролируется и при необходимости изменяется Усилие- растяжения (разность температур:соединяемых элементов), что обуславливает после соединения сплошное .продольное усилие и. - как следствие..'.распределенный по длще .конструкции бимомент.

интегрированием- описанных . функциями Грина выражений компонентов.НДС ТСОП при кручении получаем решение задачи для сличая, когда, b(t-) - p(t) t.p) = const. '

Материал, главы, в целом;-представляет.собой новые методики расчётов на кручение тонкостенных балочных конструкций открытого профиля:- '.-■,.'.. • >

-- при-наличии БС'любого конструктивного исполнения, -произвольно расположенных по, длине; - , ' , . - предварительно напряженных.' ' ,, -

В-ТРЕТЬЕЙ"ГЛАВЕ изложено построение' алгоритмов, 'реаяи- ,

згапих предлагаемые методики» освешены структура программного обеспечения и вычислительные эксперимента.

на базе алгоритмов, реализованных на языке рсжткан-тт. создан • пакет прикладного программного обеспечения для рачётов балочных конструкций пролётных строений открытого профиля.

проведенный численный эксперимент, состоящий из расчетов вариантов конструктивных решений, позволил анализировать и делать выводы о целесообразности тех или иных конструктивных мероприятий.

Графики на рис. <*, 5 отображают НДС конструкций пролетных строений длиной 28 м без БС иск- при кручении поперечной нагрузкой, не проходяшей через яентр изгиба, здесь же видно в какой мере влияют БС на нормальные секто-риальные напряжения.

По данным численных экспериментов сделаны выводы о том. что реализованная в алгоритмах и программах методика расчёта пролетных строении с бс на кручение дает результаты, совпадавшие с данными в. з. власова, а расчеты вариантов различных конструкций пролетннх строений позволяй сделать ряд практически важных для' проектирования выводов:

- наиболее эффективна постановка бс в сечениях, где депла-начии велики;

- неэффективно расположение БС близко друг к другу, однако, количественная оценка их шага, зависящая от многих Факторов, может быть сделана только по результатам расчетов для каждого конкретного случая.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвяшена экспериментальным исследованиям. Б ней описаны экспериментальные установки, приведены методики проведения экспериментов, произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, представлены* двумя различными экспериментами:

1) исследованием НДС балочного пролетного строения открытого профиля с БС;

2) исследованием предварительно напряженных тонкостенных балок открытого профиля.

для экспериментальных исследований пролетных . строений с БС, была изготовлена модель (копия в масштабе 1:3) пролётного строения крана длиной ь - 34 м, выполненная в виде балки швеллерного поперечного сечения, следующих размеров

¿о

Рис. пролетное строение ь=ге и. нагрузка - гхР -- 180 кн. б БС. не.

без БС

---планки -

— • — • диаФкагиы -планки + диафрагм!

Рис. 5. Пролетное строение ь = ге м, нагрузки - гхР = 180 кн,

. - 13 -

-стенка 800x6. 'две полоки 400x8. БС были диафрагмы и планки, диафрагмы с отверстиями. Крайние планки выпонены из листа юоохб, средние - [18. шаг БС - юоо мм.

исследование НДС производилось с помощь» электронного тензометрирования с применением 955 петлевых проволочных тензорезисторов и'тензометрического моста цтк-1.. для измерений прогибов, углов поворота сечений и их депланаиип использовались прогибомеры часового типа и индикаторы с ценой деления 0,01 мм.

программа испытаний предусматривала измерение НДС при различных значениях поперечных нагрузок и эксцентриситетов их приложения, а так же разном количестве БС.

На рис.. 6 приведены теоретические и экспериментальные, значения напряжений на двух этапах испытаний.

Сопоставление теоретических и экспериментальных зна,-чений напряжений показало их несовпадение в пределах ?■'/ (в отдельных случаях до 13Х).

Исследование предварительно напряженных конструкций производилось на двух моделях, представляющих собой гнутый из листовой стали толщиной 1 мм швеллер с размерами сечения. 162x110'мм и длиной 1560 мм. предварительное- напряжение создавалось с помошыо стального троса- и винта, соединенных через поверенный динамометр..

для уменьшения погрешностей, обусловленных реализацией граничных условий, была принята консольная схема, преднапря-гаюший* трос анкерился в различных-точках, как, по контуру, так и по длине моделей, крутящий нонент прикладывался к свободному концу с помошыо приспособления, обеспечивающего ста-^ бильность его значения не зависимо .от деформаций моделц.

Измерения напряжений производились электронным тензо-метрированием с помоиью 152 Фольговых тензорезисторов и автоматического тензометрического моста итк-5, с выдачей результатов на машинный носитель (перфоленту) и печатью на бумажной ленте для визуального оперативного контроля. .

"Программа этого эксперимента предусматривала различные сочетания величин крутяшего момента и преднапряжения.

Результаты обработки экспериментальных данных с помощью специально разработанной для ЭВМ ЕС программы приведены на рис. 7. здесь же приведен график значении напряжений полученных теоретически.

б (мПа )

h 1с, 6.- ндс mciыгывлв.моп модели' пролетного строения.

- 15 -

в приложения помешены алгоритмы разработанных методик расчетов конструкций балочных пролетных строений, кранов, выполненных в виде ТСОП. хай<теристи^и аппаратуры, использованной при проведении исследований и документы свидетельствующие о практической ценности настоящих исследований.

3. ОСНОВНЫЕ выводы.

Обобщение результатов проведенных исследований, позволило сделать следующие выводы:

1. снижение уровня НДС при кручении тонкостенных балочных пролетных строений открытого профиля возможно с помощью следующих конструктивных мероприятий:

- постановкой бкмоментных связей;

- предварительным напряжением.

г. при расчете на' кручение конструкций, представляющих тсоп с БС любой конструкции, возможно единообразное решений.

3. разработана методика расчета конструкций типа тсоп с любыми БС, произвольно расположеннми по длине.

4. Создан достаточно обший алгоритм расчета конструкций в виде тсоп с БС, который реализован в гоктиан-программах.

5. предложенная методика расчета позволяет производить количественную оценку влияния работы каждой БС на НДС ТСОП.

6. проведенные численные исследования показали какое влияние на НДС при кручении тонкостеннвх балочных конструкций оказывают БС в целом и в частности их тип, места постановки и взаимное их расположение, это позволило выявить ряд новых качественных эффектов:

а) установлено, что эффективность БС существенно зависит от их взаиморасположения и расположения по длине конструкции;

б) НС, выполненные в виде плоских диафрагм неэффективны.

7. разработана простая,для реализации в инженерной практике, методика расчета преднапряжённых конструкций'в виде ТСОП.

8. Создан алгоритм и РОЮТАД-программы для расчета конструкций, представляющих ТСОП с преднапряжением.

9. Численные исследования конструкций с преднапряжением показали возможность:

а) регулирования НДС в определенных пределах;

б) получения более . выгодного распределения усилий в элементах конструкций;

б) снижения обшего уровня НДС.

ю. экспериментальные данные подтвердили результаты численно-теоретических исследовании.

п. выполненные исследования позволили расчитать.и создать прлетное строение крана ?;м 100 мгд.

Предложенные методики и программы для ЭВМ могут использоваться в промышленности при проектировании и доводке других конструкции выполненных в виде тсоп.