автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование напряженно-деформированного состояния стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра

005537176

На правах рукописи

ИОДЧИК Анатолий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ИЗГИБОМ ТАВРА

Специальность

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Улан-Удэ-2013

005537176

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

Научный руководитель: Кравчук Валерий Андреевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск

Официальные оппоненты: Коробко Виктор Иванович

Заслуженный деятель науки РФ, Заслуженный строитель РСФСР, доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл

Савва Юрий Алексеевич

Почетный строитель России, кандидат технических наук, доцент, главный специалист конструкторского отдела КГУП "Хабаровскгражданпроект", г. Хабаровск

Ведущая организация: ФГБУ "Дальневосточный научно-исследовательский,

проектно-конструкторский и технологический институт по строительству Российской академии архитектуры и строительных наук" (ДальНИИС РААСН), г. Владивосток

Защита состоится « 28 » ноября 2013 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при ФГБОУ ВПО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, д. 40в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан« 26 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Дамдинова Д.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В работе решаются задачи совершенствования существующих способов беззатяжечного предварительного напряжения тонкостенных стальных конструкций, обладающих повышенной несущей способностью, местной устойчивостью и жесткостью, с целью создания экономически эффективных балок, применяемых для строительства зданий различного назначения.

На сегодняшний день значение для России Дальневосточного региона достаточно велико и будет возрастать в дальнейшем. В связи с этим строительная отрасль региона требует ускоренного развития. Однако строительство на Дальнем Востоке имеет свои особенности: продолжительная зима с низкими температурами воздуха, значительные снеговые нагрузки, вечная мерзлота, сильные порывистые ветры, тайфуны, высокая сейсмичность многих районов и др. Кроме того, к отличительным особенностям региона следует отнести невысокий уровень развития транспортных коммуникаций. Все эти факторы ведут к значительному удорожанию строительства. В свою очередь эффективность использования новых металлических конструкций, имеющих небольшой собственный вес, а также повышенные характеристики несущей способности и жесткости, существенно выше, чем в центральных районах страны.

Применение предварительно напряженных тонкостенных стальных балок для строительства в северных районах Дальнего Востока, а также в районах с высокой сейсмической активностью, достаточно актуально и является важной научно-практической задачей.

Объектами исследований являются:

1. Стальные тонкостенные биметаллические предварительно напряженные балки.

2. Экспериментальные исследования стальных балок, предварительно напряженных изгибом тавра, с целью сопоставительного анализа полученных результатов с теоретическими выводами диссертации.

Цель работы. Разработка нового способа предварительного напряжения стальных конструкций, исключающего недостатки создания предварительного напряжения при помощи затяжек, обеспечивающего общую устойчивость на стадии изготовления, местную устойчивость элементов балок при эксплуатации, увеличение несущей способности при работе на восприятие внешних нагрузок.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка оптимальных геометрических параметров тавра, являющегося исходным элементом для конструктивного решения данного способа предварительного напряжения стальной тонкостенной балки;

- определение нормальных предварительных напряжений в исходном элементе на стадии изготовления балки;

- определение несущей способности предварительно напряженной стальной балки при ее работе на внешние нагрузки;

- определение изгибной жесткости однопролетных разрезных предварительно напряженных балок, теоретические исследования местной устойчивости элементов балки на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- оценка величины потерь предварительного напряжения на стадии изготовления конструкции;

- исследование распределения нормальных и касательных напряжений на границе контакта "стенка-пояс" при создании предварительного напряжения;

- разработка численного эксперимента на основе метода конечных элементов, для изучения характера распределения нормальных напряжений в балке на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки.

- сравнительная оценка результатов расчета предварительно напряженных балок методом численного эксперимента с экспериментальными данными испытаний натурных образцов балок и результатами теоретических расчетов.

Научная новизна работы:

- предложен новый способ создания предварительного напряжения без использования затяжек в стальных тонкостенных балках;

- представлена методика определения нормальных напряжений на стадии изготовления конструкции и при работе ее на внешние нагрузки;

- разработана методика формообразования сечения двутавровых тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра;

- предложен метод инженерного расчета предварительно напряженных балок, позволяющий решать ряд технико-экономических задач по повышению несущей способности конструкций и уменьшению трудозатрат на изготовление и монтаж.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована теоретическими разработками, базирующимися на существующей теории расчета предварительно напряженных стальных конструкций и подтверждена численным экспериментом в части описания напряженного и деформированного состояния стальной тонкостенной балки, предварительно напряженной изгибом тавра.

Личный вклад автора заключается в разработке нового способа создания предварительного напряжения в стальных балках, сравнительном анализе теоретических расчетов и результатов проведенных экспериментальных исследований, разработке методики инженерного расчета балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

Практическая ценность работы:

- установлена эффективность нового способа создания беззатяжечного предварительного напряжения в стальных балках;

- внесены уточнения в существующую методику расчета балок предварительно напряженных без затяжек;

- предложена инженерная методика расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

На защиту выносятся:

- способ предварительного напряжения стальной, тонкостенной сплошно-стенчатой балки;

- методология формообразования поперечного сечения двутавровой балки, предварительно напряженной изгибом тавра;

- методика определения напряженно-деформированного состояния балок на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- методика оптимального проектирования стальных предварительно напряженных балок;

- методика инженерного расчета предварительно напряженных балок;

- результаты экспериментальных исследований предварительно напряженных балок;

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на:

- ежегодных научных чтениях памяти проф. М.П. Даниловского (Хабаровск, 2007-2012);

- 61-ой международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2008);

- научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2009);

- заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ВСГТУ (Улан-Удэ, 2009);

- заседании каф. «Строительные конструкции» ТОГУ (Хабаровск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ: в журналах,

сборниках научных статей и материалах научно-технических конференций, в том числе имеется три статьи из перечня рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографических ссылок из 119 наименований и приложения, содержит 154 страницы машинописного текста, включая 71 иллюстрацию и 8 таблиц.

Реализация работы. Стальные балки, предварительно напряженные изгибом тавра внедрены в качестве несущих конструкций покрытия на объектах «Строительство и реконструкция аэропортового комплекса «Игнатьево» (г. Благовещенск) и «Ледовая арена «Вулкан» в Северном округе г. Хабаровска».

Некоторые разделы диссертации, включающие теоретические предпосылки и методику расчета предварительно напряженных балок внедрены в учебный процесс для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» при чтении курса «Проектирование зданий и сооружений для экстремальных условий эксплуатации» и для студентов специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений» при чтении спецкурса по металлическим конструкциям.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования, оценивается научная новизна работы, достоверность результатов исследований, их практическая значимость и апробация работы.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

В главе представлен анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований стальных конструкций предварительно напряженных без использования затяжек. Весомый вклад в дело развития предварительно напряженных металлических строительных конструкций внесли Е.И. Беленя, В.В. Би-рюлев, В.М. Вахуркин, A.A. Воеводин, Ю.В. Гайдаров, A.A. Клинов, В.И. Ко-робко, В.А. Кравчук, А.Б. Пуховский, Б.А. Сперанский, В.А. Стефановский, Н.С. Стрелецкий, М. Лубински, Я. Карчевски, П. Ференчик, М. Тохачек и др.

Эффективность использования предварительного напряжения в металлических конструкциях в том, что в последних создаются усилия или перемещения, вектор которых направлен в сторону противоположную соответствующему вектору от действия внешних нагрузок. Основная Цель предварительного напряжения — продлить упругую работу элементов конструкций в области максимальных нормальных и касательных напряжений, отдалить момент потери устойчивости и максимально использовать прочностные характеристики материала.

Большая часть всех предварительно напряженных конструкций - это разрезные балки, работающие в упругой области. Существуют два направления создания предварительного напряжения в металлических балках. 1-ое направление - создание предварительного напряжения с помощью затяжек, 2-ое направление - создание беззатяжечного предварительного напряжения, деформированием отдельных элементов балок (изгибом двух двутавров, изгибом двутавра с присоединением дополнительных поясных листов, изгибом стенки, вытяжкой нижнего пояса, вытяжкой стенки и др.).

Установлено, что конструкции предварительно напряженные беззатяжеч-ным способом, не уступают по несущей способности конструкциям с затяжками, но обладают при этом рядом преимуществ, таких как: снижение вероятности хрупких разрушений, меньшей массой, более низкой трудоемкостью изготовления и др.

Беззатяжечное предварительное напряжение металлических сварных балок имеет широкий спектр применения и требует дальнейшего изучения для более эффективного использования в строительной отрасли.

В данной работе представлен новый метод создания беззатяжечного предварительного напряжения в балках.

Сущность метода.

На стадии изготовления балка представляет собой тавр, состоящий из стенки, сделанной из малоуглеродистой стали и приваренного к ней пояса из высокопрочной стали. Сварная тонкостенная балка двутаврового сечения изготавливается изгибом исходного тавра внешней нагрузкой, приложенной к поясу тавра,

до появления в крайней нижней точке стенки напряжений, равных расчетному сопротивлению малоуглеродистой стали с последующим присоединением к предварительно изогнутому тавру второго поясного листа из высокопрочной стали. После этого нагрузка, создающая предварительные напряжения снимается, балка переворачивается и может загружаться эксплуатационной нагрузкой.

Простота изготовления, возможность продления упругой работы элементов балки, повышение несущей способности, жесткости, общей и местной устойчивости, и как следствие возможность снижения массы и стоимости конструкции открывают широкие перспективы данному способу предварительного напряжения для успешного применения в строительстве.

Глава 2. Исследование стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

В главе анализируются известные выражения взаимосвязи геометрических характеристик с асимметрией сечения и определяются оптимальные значения параметров распределения материала по стенке и поясам балки (рис. 1).

1 X Ч-1/у 0 X

Уз

А„ V

X ч, У и

У 31 У2.1

А„ 1 Ар

Рис. 1 - К определению геометрических характеристик сечения тавра и двутавра

Взаимосвязь геометрических параметров тавра и двутавра устанавливается выражениями

УрО -'

/уО

Уо =

к + 2

к -] + 2У ■ . - > "о - 1 + ¿У »о '

А, у„.

к0 = к + 1 ,

где ур0 и ур - коэффициенты распределения материала по верхнему поясу тавра и двутавра; у0 - коэффициент соотношения между поясом и стенкой двутавра; Ум и у,, - коэффициенты распределения материала по стенке тавра и двутавра; Лрц - площадь верхнего пояса тавра; Ар - площадь верхнего пояса двутавра; А„, -площадь сечения стенки тавра и двутавра; А0 - площадь сечения тавра; к0 - коэффициент асимметрии тавра; к - коэффициент асимметрии двутавра.

А. ,, А . .. _ у,„ . _ Ар. _ А„

у ¡п -■

Уи-0 — . >

У к =-

У „о —"

' /V '

> А

> А

-о - У.+Ур

где у/п - коэффициент распределения материала нижнему поясу двутавра; Ар, -площадь нижнего пояса двутавра; А - площадь сечения двутавра.

.. _ Уг _ У,,о . .. . Угл /п

к0 — — , к— - - .

У\ У,.о Ун

Момент инерции тавра (1м), моменты сопротивления крайней верхней точки сечения тавра и крайней нижней точки сечения тавра (№/п0) могут быть получены в виде выражений

г _Л>,„2 V w A0h (4-3х„,0) . _A0hy„0(4-3yw0)

дО i VYwО nfiO~— ~ > ">0 -

12 ' "0/ 2 3 ^ 6 (2-уи0)

Используя коэффициент асимметрии двутавра к (1) можно выразить момент инерции двутавра (Q и момент сопротивления крайней верхней точки сечения двутавра (¡Vfr)

Ah2 6к — у„{к +1)2 , _ Ah 6к-у„{к + \)2

х~(к+1 У 6 ' * (^71) 6

Учитывая, что h = yl л/^Л, и выполняя оптимизацию выражения для W¡v по

параметру у„ (dWfi¡dyw = 0) находим, что оптимальное распределение материала по сечению стенки асимметричного двутавра определяется как

opi _ 2к

- "(к + 1)2'

Исходя из условия, что материал верхнего и нижнего поясов из высокопрочной стали должен работать в одинаковых условиях, сделано допущение, что максимальные растягивающие напряжения в нижнем поясе должны быть равны

pRy. Значение коэффициента /3 будет равно

R,

где Rby - расчетное сопротивление высокопрочной стали; Ry — расчетное сопротивление малоуглеродистой стали.

На основании эпюры эксплуатационных напряжений (рис. Зв) устанавливаем, что коэффициент асимметрии сечения балки должен быть равен

=-^ = 1,168, (2)

где ах- эксплуатационные напряжения в верхней точке сечения балки; сгэ„ -эксплуатационные напряжения в нижней точке сечения балки.

= PRy - сг5; аэ„ = fiRy,

где сг5 - результирующие предварительные напряжения в верхнем поясе балки. Значения ст5 приняты из выражения (4), сгэви о\,„-из выражения (5).

Используя величину (2) были получены оптимальные значения расстояний от нейтральной оси сечения двутавра (рис. 1)

Л. =~77 = 0,46/*; Л,=-^- = 0,539й; = о,0387й,

к + 1 кЧ-1 2(кч-1)

а также определены оптимальные параметры распределения материала по стенке и поясам двутавра

о/>/__ __г\ лап • ,, _ к_ о. - '

„0,497; -^ = 0,29; у> = —= 0,2,3 . (3)

Также используя величину к0/„ и выражения (3) можно записать формулы для определения геометрических характеристик тавра и двутавра

/.о = ,^¿4 = 0,0747^; /,=0,166^; IV,0 = ^¡Ш = 0,276^; 3(к +1) (2 +/с) 3(к + 1)

Лкк(1 + 2к) _ ( 3(к +1)3

= „Д ЛЗ = 0>1274ЛЛ; = = 0,497Л;

А^ = Г/>А = = 0)29/4 ; = = = 0,2Ш;

+1 /у +1 / /

\УЛ = 7-г-^-¿- = 0,357Л/>; XV =7-г-^-— = 0,307 АИ.

* (к + 1) 6 " (к + 1) 6к

В результате рассмотрения исходного тавра, изгибаемого начальными нагрузками, приложенными к поясу тавра, с последующим присоединением к тавру второго пояса (рис. 2), получены формулы предварительных напряжений по сечению балки

^>0 » > 3(^ + 1)3

о- _м0 _Яу-1У/п0 _Еу(1 + 2к)_ ^ _Ма -IVМ) = Яук{\ + 2к) 2 1У/П 1Г/П 2(к +1)2 ' 3 IV„ ^ 2(к +1)2 '

где е^исг,'- начальные напряжения в верхней и нижней точках стенки тавра;^ и аъ- потери предварительного напряжения в верхней и нижней точках

сечения балки; М0 - момент усилий предварительного напряжения.

Результирующие предварительные напряжения в балке будут равны в I „ к(1 + 2к)

сг6 =Яу-ал=Ку

2 + Ък 2{к + \)2

т

СГ,

Рис. 2 - Напряженное состояние балки на стадии изготовления а. Поперечное сечение изгибаемого тавра; б. Эпюра начальных нормальных напряжений в тавре; в. Попереч. сечение балки; г. Эпюра потерь норм, напряжений; д. Результирующая эпюра нормальных предварительных напряжений

Получены выражения несущей способности балки под действием внешней нагрузки (рис. 3). Исходя из предельных условий напряженного состояния, найдены значения максимальной несущей способности балки и требуемой площади поперечного сечения.

Несущая способность балки определяется на основе равенства момента внутренних усилий М моменту внешних нагрузок [М].

[м]< М = Р-ух +2Р1 -а, +Р2-а2 +Р}-у2.

а. б, в. г.

Рис. 3 - Напряженное состояние балки под действием внешней нагрузки а. Поперечное сечение балки; б. Эпюра нормальных предварит, напряжений; в. Эпюра напряжений от эксплуатационной нагрузки; г. Эпюра результирующих нормальных напряжений

Для полного использования прочностных свойств материала балки необходимо, чтобы под действием внешней нагрузки напряжения в поясах и стенке достигали расчетных сопротивлений, а материал поясов должен иметь расчетное сопротивление в два раза большее, чем материал стенки.

где результирующие нормальные напряжения в верхнем поясе и в

верхней точке стенки балки; ас/п и а[.п - результирующие нормальные напряжения в нижнем поясе и в нижней точке стенки балки.

Условия будут удовлетворены, если эксплуатационные напряжения (рис. Зв) в верхней точке сечения (аж) и в нижней точке сечения (<т.т) будут равны

_ _ 4+7к + 2к2 4 + 7к + 2к2 ...

Учитывая, что И-у1 ^АХ„ момент внутренних усилий относительно нейтральной оси балки можно записать как

р \2к*+9к2+к \ г—г- Пк'+9к2+к ...

М = КУАИ—77,-V-= -:-:-с-- (6)

3(1 +к)4 + 4к + 6к + 4к +1]

Преобразуя уравнение (6) получим выражение

7 5 2

О А ПГГп П Л (12к* +9к* +к2) М = Я„А^1А1С, где С =--:-^-г----.

' ы " 3 (к + 5к +10«' + 10к + 5/с +1)

При оптимальном значении коэффициента асимметрии двутавра (кпр, = 1,168), для данной балки значение коэффициента С = 0,417.

М = 0,417 ■ .

Требуемая площадь поперечного сечения балки будет равна

А,

М2 М2 , „„, М2

= 1,7853

тр ]]с2R2AW p,4172R2¿„ ' '

Величина начального выгиба fot в середине пролета балки (рис. 4а) на стадии предварительного напряжения определяется выражением

Jo' 24Elх, V '

где EIxt - изгибная жесткость тавра; 1Х, - момент инерции сечения тавра.

После присоединения второго пояса к исходному тавру и снятия приложенного усилия, балка пытается вернуться в первоначальное положение, при этом двутавр изгибается моментом Ма - Ра. В результате происходит некоторая потеря предварительного напряжения в балке, а начальный выгиб балки уменьшается на величину fp(рис. 4 в). Значение величины fp при * = //2 будет равно

Jp EL

/

■у

Mqx M0xl

MqI2 8 Elx

I

1-2а

^^ V Ч\

Эп

Ра

Мо~

Р М

Рис. 4 - Прогиб балки на стадии предварительного напряжения а. Схема загружения и начальный выгиб исходного тавра на стадии изготовления балки; б. Эпюра изгибающих моментов на стадии изготовления балки; в. Изгибающий момент и прогиб двутавра после снятия усилия предварительного напряжения; г. Результирующий выгиб двутавра на стадии предварительного напряжения.

Результирующий выгиб балки на стадии изготовления (рис. 4 г) равен

Л Уш /п

Ра

(з/2 -4а2)-

РаГ

Ра

(з/2 -8а2). (7)

" 12 Е1Х 4 ' 8 Е1Х 24 Е1Х

Под действием внешней эксплуатационной нагрузки балка получает прогиб

/ч (рис. 5 б), который определяется как

5д1*

5 МЧ12

(8)

384Е1Х 48 Е1Х

где ¡7 - равномерно распределенная погонная нагрузка на балку; Мч - момент внешней нагрузки; Е1Х - изгибная жесткость двутавра; 1Х - момент инерции сечения балки; Е - модуль упругости стали.

Рис. 5 - Прогиб предварительно напряженной балки

а. Обратный выгиб балки на стадии изготовления;

б. Схема загружения балки и прогиб от действия внешней нагрузки;

в. Суммарный прогиб предварительно напряженной балки.

Суммарный максимальный прогиб /тах предварительно напряженной балки (рис. 5 в) находится разностью выражений (8) и (7).

= /, - /о = \ (о,21 з/2 + 0,256а2).

Эффективность предварительного напряжения, при изменении расстояния а, от опоры балки до точки приложения нагрузки Р, может быть оценена коэффициентом

/ т л / И I2

При а = ~, £ = = 0,309 ——/0,229—^— = 1,35 . 4 ЕН ЕЙ

Рассмотрены вопросы устойчивости стенки балки, как длинной пластинки шарнирно и жестко закрепленной, на стадии предварительного напряжения и под действием внешней нагрузки (рис. 6). Найдены значения критических предварительных напряжений и нормальных напряжений в балке под нагрузкой.

в. б. а. б. в.

Рис. 6 - Стенка балки под действием внешней нагрузки: а. Схема шарнирного закреплен ния сторон предварительно напряженной пластинки; б. Эпюра предварительных напряжений в стенке балки; в. Эпюра напряжений от внешней нагрузки.

Величина критического напряжения сжатия найдена на основании энергетического метода, согласно которому для обеспечения устойчивости пластинки необходимо, чтобы работа внешних сжимающих сил Т не превышала изменения потенциальной энергии деформации пластинки и. Принимая условие, Т = V и решая поставленную задачу, находим критические напряжения сжатия как

Влг

,2

к,И1

Л + 6-(1 -и)

Р

О-З^М)'

Е?

где 0 = —г——г-г- цилиндрическая жесткость стенки; / - толщина стенки; и -12^1-1; )

коэффициент Пуассона; р - коэффициент, характеризующий отношение длины

а

пластинки к ее высоте р = — .

Ъ

Основная часть стенки балки находится под действием растягивающих напряжений, противоположных по знаку напряжениям, возникающим от внешней нагрузки. Вследствие чего, растягивающие предварительные напряжения в стенке балки будут уменьшать сжимающие напряжения от внешней нагрузки, ведущие к потере устойчивости стенки. Таким образом, величина критических напряжений сжатия в стенке балки будет повышаться.

Выполнена компоновка сечения балки, найдены выражения для определения оптимальной и минимальной высоты балки, а также толщины стенки.

Я/

Исходя из условий: /тах ^/„ и /тах = 0,241—^-—можно записать минималы

но допустимую высоту балки как Ит1п =

ЕИ 0,241 Я 1па

где по = И/и - относительный прогиб, /„ - допускаемый прогиб в месте действия максимального изгибающего момента. Толщина стенки определяется как

1.792и

С =

1,3 Е- "

бтах - максимальная поперечная сила; Л№ - гибкость стенки.

Представлена работа стенки балки в области пластических деформаций, определена высота, примыкающего к нижнему поясу участка стенки, на котором возможно развитие пластических деформаций. Площадь зоны пластических деформаций в нижней части стенки балки (рис. 7), можно определить как

с 2

1-2

2д

где е = —— = 0,077И - высота зоны упругопластической работы стенки бал-к + 1

ки; ц - величина внешней погонной нагрузки; к = 1,168 - коэффициент асимметрии двутавра.

Зона пластических £

деформаций стенки бачки ■в

8Р1 4

.ЛГ

гд.

Рис. 7 - Зона пластического деформирования предварительно напряженной балки

12

1/2

Сделан вывод о том, что площадь зоны пластических деформаций в нижней части стенки балки не превышает 5 % от общей площади поверхности стенки. Ввиду того, что область пластических деформаций стенки очень мала, можно утверждать, что незначительная текучесть в нижней части стенки не будет оказывать существенного влияния на несущую способность балки и устойчивость стенки. Кроме того, важно отметить и то, что столь малая величина зоны пластических деформаций позволяет с полным основанием применять принцип независимости действия сил для изучения влияния предварительного напряжения на различные параметры стальных балок.

На основании теории А.Р. Ржаницина были изучены напряжения в зоне контакта «стенка-пояс» на стадии изготовления балки. Установлено, что напряжения сдвига в месте контакта «стенка-пояс» на стадии предварительного напряжения затухают к середине балки и по закону показательной функции е"^'"1' увеличиваются к опорам, достигая некоторой максимальной величины у торцов балки.

Нормальные предварительные напряжения в стенке по длине балки также распределяются неравномерно, на стадии предварительного напряжения на торцевых участках по высоте стенки балки наблюдается падение предварительных нормальных напряжений (рис. 8).

1 1

Рис. 8 - Схема возможных потерь предварительного напряжения в балке

1 - зона потерь предварительного напряжения в торцах балки; 2 - эквивалентная зона

потерь предварительного напряжения

Площадь зоны потерь предварительного напряжения у одного торца балки будет равна

Е =-0,05 —Л = 0,00833//г.

'32

Ширина эквивалентной площади потерь предварительного напряжения * находится из зависимости

Ехв = Ъх = 0,00833//; или х = 0,00833/ «0,01/.

Таким образом, можно утверждать, что на расстоянии х < 0,01/ от торца балки начинается снижение значений предварительных напряжений.

Глава 3. Экспериментальное исследование балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

С целью проверки теоретических выводов, полученных в главе 2 и оценке результатов натурных испытаний образцов, был поставлен численный эксперимент по расчету балок, предварительно напряженных изгибом тавра. Численный эксперимент проводился при помощи программного комплекса "Лира 9.4". Были созданы конечноэлементные модели балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

Модели балок были приняты с геометрическими параметрами, соответствующими двум аналогичным образцам: НБ-3 и Э-4, которые использовались в натурном эксперименте (см. табл. 1). Длина балки - 2000 мм; высота стенки балки 400 мм; ширина поясов 100 мм; толщина поясов 4 мм; толщина стенки 2

мм. В месте приложения внешних нагрузок на балках устанавливались по два ребра жесткости с каждой стороны.

При создании расчетных моделей балки разбивались на четырехузловые конечные элементы с размерами по высоте стенки балки 50 мм, по длине балки 40 мм, по ширине пояса 25 мм (рис. 9). Стенка балки была разбита на 400 конечных элементов, каждый из поясов - на 200 конечных элементов.

7=

/¿Г

■А

Чг

ж:

¿1

у /

Ж

Рис. 9 - Фрагмент конечноэлементной модели балки с нумерацией узлов

Все элементы балки выполнены из стали с модулем упругости Е = 2,06-10 кН/м2 и коэффициентом Пуассона V = 0,3. Расчетная схема балок была принята в виде стержня шарнирно опертого по двум концам (рис. 10).

Предварительное напряжение изгибом тавра, с последующим присоединением анкерующего пояса моделировалось в балке следующим образом:

1.) к исходному тавру прикладывались две силы Р (рис. 10), причем величина этих сил принималась таким образом, чтобы в крайних узлах стенки балки возникли растягивающие нормальные напряжения равные расчетному сопротивлению малоуглеродистой стали (ст{ = );

Р

600

800

2000

600

Рис. 10 - Схема загружен™ образцов балок в численном эксперименте и при натурных испытаниях

2.) для того, чтобы исключить влияние сил Р на присоединяемый (анке-рующий) пояс и в то же время создать в нем деформации ер , равные по величине деформациям, возникающим в крайних узлах стенки, к поясу прикладывалось температурное воздействие Ттак, чтобы относительные деформации от силового воздействия в крайних узлах стенки и относительные температурные деформации в соответствующих точках пояса были равны, т.е.

ер=е„ (9)

где £р - относительные деформации от силового воздействия в крайних узлах

стенки; е, - относительные температурные деформации в соответствующих точках анкерующего пояса.

Значения относительных силовых и температурных деформаций равны

а\ , "-'о

ер=—, где а, =—— растягивающие нормальные напряжения в краиних

Е ^/пО

Мп

узлах расчетной модели стенки тавра. М0 _ Ра

р V V

.3

где а = 600 мм - расстояние от оси опирания до силы

№ /„о = 58,5 см - момент сопротивления крайней точки сечения стенки тавра.

М,=1-а-Т; £.=^- = а-Т, ' ' I

где Л/, — абсолютное температурное удлинение; / — длина отдельного участка

расчетной модели; « = 0,12-10"4 °С'' - коэффициент линейного расширения стали (согласно табл. 63 СНиП П-23-81* «Нормы проектирования. Стальные конструкции»); Т - температура отдельных участков анкерующего пояса. Подставляя полученные значения для е и е, в (9) получим

= а-Т. (10)

Из выражения (10) найдены значения температуры Т от величины Р.

Р=-

а-Т-1У/п0-Е а

■ = 24,574-Г; Т =

Ра

¡У/п0-Е-а

■ = 90°С.

Таким образом, в зоне чистого изгиба балки (на расстоянии по 600 мм от опор) температура присоединяемого пояса постоянная и равна Т = 90 °С, начиная с узлов приложения нагрузки Р значение температуры Т снижается от 90 °С до 0 °С на опоре.

В результате расчета были получены значения предварительных напряжений по сечениям балки и найдена величина обратного выгиба (рис. 11).

Рис. 11 - Обратный выгиб балки, после создания в ней усилий предварительного напряжения

В дальнейшем предварительно напряженная и эталонная балки загружались поэтапно тремя ступенями, сосредоточенными силами по «верхнему» поясу

(рис. 10). 1-ая ступень - испытательная нагрузка Р = 40 кН; 2-ая ступень - Р = 80 кН; 3-я ступень - Р = 120 кН.

Проанализировав результаты численного расчета принятых моделей балок, следует отметить, что предварительные напряжения распределяются по стенке балки асимметрично со смещением нейтральной оси к нижнему поясу и максимальным значением растягивающих напряжений у верхнего пояса. Эпюра предварительных напряжений обратна по знаку эпюре от внешней нагрузки. Основное влияние на величину предварительных напряжений оказывает численное значение начального напряжения в нижней зоне стенки исходного тавра (<у\).

На кафедре «Строительные конструкции» ТОГУ были проведены натурные испытания тонкостенных предварительно напряженных стальных балок (руководитель проф. Кравчук В.А.). Основные геометрические характеристики испытанных образцов балок приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Маркировка, состав сечения и геометрические характеристики

экспериментальных образцов балок

Обозначение образца Эскиз поперечного сечения Кол-во штук Состав сечения, мм Геометрические характеристики сечения

Верхний пояс Нижний пояс Стенка А, см2 4 4 СМ см И7 '' XVI см3 \¥ '' хп> см3

Э-2 1 45x28x4 45x28x4 372x2 19,2 5159 26,0 258 258

Э-4-5 1 103x4 100x4 400x2 16,0 4330 33,1 214,4 214,4

Э-6 1 95,5x4 100x4,1 400x2 16,1 4331 33,1 215,0 217,0

3-1 1 100,5x4 100x4 400x2 16,0 4330 33,1 214,6 215,1

Э-8-9 1 100x3,9 300x2 400x2 15,9 4338 33,0 216,4 217,6

НБ-3 то же 1 100,4x4 100x4 400x2 16,3 4330 33,0 214,6 214,6

НБ-4 то же 1 100x4 100x4 400x2 16,3 4330 33,0 214,6 214,6

НБ-5 то же 1 100x4 100x4 400x2 16,3 4330 33,0 214,6 214,6

КБТ-1 то же 1 45x28x4 45x28x4 344x2 19,2 5159 26,0 258 258

КБТ-2 то же 1 45x28x4 45x28x4 344x2 20,0 5161 26,0 252 252

КБТ-3 то же 1 63x40x6 45x28x4 332x2 26,4 6936 104,6 433 288

Изготовление и испытание балок производилось на стенде, смонтированном на универсальной машине ЦДМ-200 (рис. 12). Перед началом испытания каждого образца проводилась тарировка шкалы универсальной машины образцовыми динамометрами ДОС-5 системы Токаря.

В начальной стадии испытания все образцы пригружались на 10-15 минут нагрузкой, равной 0,5,Р для обычных балок равного поперечного сечения. Прогибы балок фиксировались прогибомерами Максимова (ПМ-3) и индикаторами часового типа.

Схема загружения балок при испытании представлена на рис. 10. Для исследования местной устойчивости тонкой стенки балки было установлено 45 индикаторов часового типа по схеме, представленной на рис. 13.

Рис. 12 - Предварительно напряженная балка, установленная на испытательном стенде

Вертикальные деформации балок в плоскости действия внешних нагрузок измерялись в пяти точках: на опоре, в середине балки и в зоне промежуточных ребер жесткости (рис. 13). Были определены численные значения главных растягивающих напряжений при работе балки до уровня закритической деформации стенки. Величины деформаций измерялись тензометрами, наклеенными по направлению предполагаемого действия главных растягивающих напряжений.

Испытательные нагрузки прикладывались с шагом 40 кН, по ступенчатому режиму загрузки, т.е. нагрузка каждый раз сбрасывалась до нулевого значения, балка «отдыхала» и затем производилась ее нагрузка до очередной ступени. Последующие отсчеты показаний тензорезисторов брались по истечению 15-ти минутной выдержки.

| 300 | 150 |, 150 У^ 180 | 200 | 200 | 180 || 150 | 150 | 300 |

Рис. 13 - Схема размещения индикаторов по стенкам балок и номера узлов на нижнем поясе балки, в которых измерялись вертикальные деформации

Определение напряженного состояния предварительно напряженных балок осуществлялось по методике, соответствующей принципу независимости действия сил. Каждый раз ординаты эпюр предварительных напряжений, полученных

экспериментальным путем, суммировались с соответствующими ординатами эпюр напряжений от внешней нагрузки.

Проверка достоверности полученных экспериментальных данных в каждом отдельном случае проводилась методами теории вероятности: уровень малых вероятностей принят равным 0,05; средняя квадратическая ошибка измерений -равная 9,0 МПа; достоверный интервал измерений - 10,0 МПа.

Определение функций, «выбросов» измерений проводилось по известному количеству замеров относительных деформаций и принятому значению квадра-тической ошибки измерений, по формуле

<Уу1(п-1)/п

где х* - предполагаемый «выброс» значений измерений; х - среднее арифметическое значение приемлемых результатов измерений; а - средняя квадратическая ошибка измерений; I - функция, характеризующая «выброс» измерений.

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические выводы о характере распределения предварительных нормальных напряжений в анкерном поясном листе и стенке балки. Несовпадения результатов не превысили 15 %.

Разрушение всех исследуемых балок происходило в результате потери местной устойчивости стенки в приопорной зоне,-повлекшей потерю местной устойчивости верхнего пояса и опорного ребра в месте их сопряжения (рис. 14).

Рис. 14 - Потеря местной устойчивости элементов в приопорных зонах предварительно напряженной балки НБ-3 и эталонной балки Э-4

Проведенные испытания показали, что предварительные напряжения уменьшают численные значения нормальных и касательных напряжений, а также снижают деформации стенки балки из плоскости изгиба.

По высоте поперечного сечения стенки положительный эффект от действия предварительных нормальных растягивающих напряжений наиболее ощутим в зоне наибольших сжимающих напряжений, где отмечается значительное повышение местной устойчивости стенки балки. В результате экспериментальных

исследований установлено, что по длине балки наибольший эффект от предварительного напряжения наблюдается в зоне действия максимального изгибающего момента. Общая деформативность предварительно напряженных балок в 1,5-2 раза ниже эталонных ненапряженных балок, имеющих аналогичное сечение (рис. 15).

узел № 5 узел Х- 260 узел .Vi -IJ0 узел № 600 узел № 855

Ла узлов по нижнему поясу

-1 НБ-3 -1 -1 ^ / 1

\ \ -129 ____НБ;ЗЧИС_ * НБТ ------ 1 23______¿«5 '-".35 -1 29 ^ '

\ _ _ __ < / -,0

\ -2 2 ■2 07

—►-НБ-3 -НБ-Зчис —-НБТ Э-4

Рис. 15 - Значения вертикальных прогибов балок в натурном, численном экспериментах и теоретическом расчете при испытательной нагрузке Р = 80 кН НБ-3 - предварительно напряженная балка, исследованная в натурном эксперименте; НБ-Зчис - эта же балка, рассчитанная в численном эксперименте; НБТ - данная балка, в теоретических расчетах; Э-4 - обычная балка без предварительного напряжения, эквивалентная по геометрическим характеристикам балкам НБ-3 и НБ-Зчис.

Перемещения стенки балки из плоскости изгиба в зоне наибольших сжимающих напряжений в момент потери несущей способности в 4-5 раз меньше перемещений стенки в эталонных балках (рис. 14).

Следует отметить характерную особенность, заключающуюся в том, что при всех нагрузках, перемещения стенки предварительно напряженных балок в верхней зоне меньше перемещений нижней зоны в 1,8-2,0 раза. Это наглядно подтверждает значительное влияние предварительного напряжения на повышение устойчивости стенки в зоне чистого изгиба. Местная устойчивость стенки предварительно напряженных балок повышается в среднем в 3 раза по сравнению с ненапряженными эталонными балками.

Сопоставление результатов натурных испытаний с результатами численного эксперимента подтверждают полученные теоретические выводы, используемые для определения напряженного и деформированного состояния балок предварительно напряженных изгибом тавра. Несовпадения значений исследуемых величин не превысили 15 %.

Глава 4. Методика инженерного расчета балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

В главе представлена методика инженерного расчета балок предварительно напряженных изгибом тавра. Предложенная методика предназначена для расче-

та разрезных однопролетных балок, предварительно напряженных изгибом тавра с шарнирным закреплением опорных узлов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования работы балок, предварительно напряженных изгибом тавра позволяют сделать следующие выводы.

1. Предложенный новый способ создания предварительного напряжения посредством изгиба тавра дает высокий уровень начальных растягивающих напряжений в стенке балки на большей части ее длины. Исключения составляют приопорные участки длиной до 0,1 пролета балки, где начинается падение значений предварительного напряжения.

2. Найдены оптимальные параметры сечения, определяющие несущую способность и создающие правила формообразования поперечного сечения балки -коэффициенты распределения материала по поясам и стенке, коэффициент асимметрии сечения, момент инерции, момент сопротивления, статический момент половины сечения, соотношение площади сечения поясов и стенки в напрягаемых элементах и др. Установлены оптимальные геометрические размеры поперечного сечения. Наиболее рациональным сечением для данных балок будет несимметричный двутавр с более развитым верхним поясом.

3. Балки в процессе изготовления получают начальный выгиб, равный в зависимости от места приложения нагрузок создающих предварительные напряжения 1/420 н- 1/450 длины балки, и направленный в сторону, противоположную прогибам от внешних нагрузок. Обратный выгиб балки, предварительно напряженной изгибом тавра снижает величину прогиба балки от действия внешней нагрузки, по отношению к прогибу обычной балки от 28 % до 35 %.

4. Определена предельная несущая способность предварительно напряженных балок, характеризуемая максимальными значениями нормальных напряжений в крайних точках сечения, равных расчетному сопротивлению материала элементов. Напряжения в нижней зоне стенки равны пределу текучести малоуглеродистой стали, в поясах из высокопрочной стали - удвоенному расчетному сопротивлению материала стенки. Наибольший эффект от предварительного напряжения может быть получен в случае, когда под действием внешних нагрузок полностью преодолены предварительные напряжения и ликвидирован обратный выгиб балки.

5. Экспериментальные исследования предварительно напряженных балок, выполненные при помощи численного эксперимента на программном комплексе "Лира 9.4" и на натурных образцах, свидетельствуют о хорошей сходимости экспериментальных значений исследуемых параметров с теоретическими предпосылками (отклонения составляют не более 15 %).

6. Анализ влияния сварочных напряжений на характер распределения напряжений и деформаций по высоте стенки показывает, что величина предвари-

тельных напряжений уменьшается исключительно в зоне источника тепла. Высота зоны термического воздействия не превышает 25 мм.

7. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра позволяют рекомендовать их в качестве разрезных, шарнирно опертых балок покрытий и перекрытий каркасов многоэтажных зданий общественного и административного назначения, ригелей зданий промышленного и сельскохозяйственного назначения, прогонов покрытий для теплой и холодной кровли, балок рабочих площадок промышленных зданий, а также балок, поддерживающих инженерные сооружения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Иодчик, A.A. Тонкостенная стальная балка, предварительно напряженная изгибом тавра [Текст] / A.A. Иодчик, В.А. Кравчук // Вестник гражданских инженеров. СПбГАСУ - 2009. - 1 (18). - С. 18-21.

2. Иодчик, A.A. Инженерный расчет стальной предварительно напряженной балки [Текст] / A.A. Иодчик, В.А. Кравчук // Вестник ТОГУ - 2013. № 2 (29). - С. 151-158.

3. Иодчик, A.A. Прогибы стальной балки, предварительно напряженной изгибом тавра [Текст] / A.A. Иодчик, В.А. Кравчук // Вестник ВСГТУ - 2013. № 5 (44).

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

1. Иодчик, A.A. Металлическая сварная балка предварительно напряженная изгибом [Текст] / A.A. Иодчик // Совершенствование методов расчета строительных конструкций зданий и сооружений: сб. науч. трудов. Хабаровск: изд-во Хабаровского гос. техн. ун-та. - Вып. 1. 1997. - С. 53-57.

2. Иодчик, A.A. Устойчивость стенки на стадии изготовления балки, предварительно напряженной изгибом [Текст] / A.A. Иодчик // Научные чтения памяти проф. М.П. Даниловского. Хабаровск: изд-во Хабаровского гос. техн. ун-та, 1997.-Вып. 1,-С. 39-42.

3. Иодчик, A.A. Оптимальные параметры сечения металлической сварной балки, предварительно напряженной изгибом [Текст] / A.A. Иодчик // Совершенствование методов расчета строительных конструкций зданий и сооружений: сб. науч. трудов. Хабаровск: изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, вып. 5. 2006. - С. 64-67.

4. Иодчик, A.A. Устойчивость элементов стальной балки, предварительно напряженной изгибом [Текст] / A.A. Иодчик // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного комплекса: материалы региональной научно-практической конференции. (Научные чтения памяти проф. М.П. Даниловского). Хабаровск: изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2010. - Вып. 11. - С. 264-268.

Подписано в печать 10.09.2013. Формат 60x84 '/16. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 162. Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, Россия, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

ФГБОУ ВПО

ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИОДЧИК Анатолий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ИЗГИБОМ ТАВРА

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

Г

УДК 624.014:693.816(043.3)

7-2*

04201 450^

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В. А. Кравчук

Улан-Удэ-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 9

1.1 Состояние исследований металлических балок, предварительно

напряженных без затяжек................................................. 13

1.2 Стальные конструкции, предварительно напряженные

принудительным способом................................................. 19

1.3 Предварительно напряженные конструкции, работающие в

упругопластической области............................................. 27

1.4 Выводы по главе................................................................. 31

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ИЗГИБОМ ТАВРА.............. 33

2.1 Оптимальные параметры сечения тавра и двутавра..........................................33

2.2 Соотношение параметров тавра и двутавра..............................................................36

2.3 Напряженное состояние балки на стадии предварительного напряжения..............................................................................................................................................37

2.4 Напряженное состояние балки под действием внешней нагрузки .... 39

2.5 Деформированное состояние балки на стадии изготовления

и под нагрузкой.................................................................. 42

2.6 Устойчивость элементов предварительно напряженной балки...... 48

2.6.1 Устойчивость гибкой стенки на стадии предварительного напряжения.................................................................. 48

2.6.2 Устойчивость предварительно напряженной гибкой

стенки под действием нормальных напряжений..................... 53

2.6.3 Устойчивость предварительно напряженной гибкой стенки, при совместном действии нормальных и касательных напряжений ... 56

2.6.4 Устойчивость сжатого пояса предварительно напряженной

балки...................................................................... 57

2.7 Компоновка сечения балки................................................... 58

2.7.1 Высота балки..............................................................................................................................58

2.7.2 Толщина стенки балки........................................................................................................60

2.8 Работа стенки балки в области пластических деформаций........................61

2.9 Напряжения сдвига в зоне контакта «стенка-пояс» и распределение нормальных предварительных напряжений по длине балки

на стадии изготовления..............................................................................................................64

2.10 Жесткость балок предварительно, напряженных изгибом тавра ... 69

2.11 Выводы по главе..............................................................................................................................75

ГЛАВА 3. ЭКСШРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛОК,

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ИЗГИБОМ ТАВРА ..............................77

3.1 Задачи исследования........................................................................................................................77

3.2 Методика проведения численного эксперимента по расчету

балок, предварительно напряженных изгибом тавра....................................77

3.3 Методология экспериментального исследования предварительно напряженных балок ........................................................................................................................84

3.4 Оборудование и образцы для испытаний ..................................................................86

3.5 Методика натурных испытаний............................................................................................88

3.6 Анализ результатов натурных испытаний..................................................................95

3.6.1 Клееболтовые, балки марки «ВТ»..........................................................................95

3.6.2 Исследование клееболтовых балок ........................................................................96

3.6.3 Исследование тонкостенных сварных балок................................................105

3.7 Сравнительная оценка результатов численного эксперимента и натурных испытаний балок с теоретическими расчетами..........................119

3.8 Выводы по главе......................................................................................................................................127

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА БАЛОК,

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ИЗГИБОМ ТАВРА........................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В работе решаются задачи совершенствования существующих способов беззатяжечного предварительного напряжения тонкостенных стальных конструкций, обладающих повышенной несущей способностью, местной устойчивостью и жесткостью, с целью создания экономически эффективных балок, применяемых для строительства зданий различного назначения.

На сегодняшний день значение для России дальневосточного региона достаточно велико и будет возрастать в дальнейшем. В связи с этим строительная отрасль региона требует ускоренного развития. Однако строительство на Дальнем Востоке имеет свои особенности: продолжительная зима с низкими температурами воздуха, значительные снеговые нагрузки, вечная мерзлота, сильные порывистые ветры, тайфуны, высокая сейсмичность многих районов. Кроме того к отличительным особенностям региона следует отнести невысокий уровень развития транспортных коммуникаций. Все эти факторы ведут к значительному удорожанию строительства. В свою очередь эффективность использования новых металлических конструкций, имеющих небольшой собственный вес, а также повышенные характеристики несущей способности и жесткости, существенно выше, чем в центральных районах страны.

Применение предварительно напряженных тонкостенных стальных балок для строительства в северных районах Дальнего Востока, а также в районах с высокой сейсмической активностью, достаточно актуально и является важной научно-практической задачей.

Объектами исследований являются:

1. Стальные тонкостенные биметаллические предварительно напряженные балки.

2. Экспериментальные исследования стальных балок, предварительно напряженных изгибом тавра, с целью сопоставительного анализа полученных результатов с теоретическими выводами диссертации.

Цель работы. Разработка нового способа предварительного напряжения стальных балок, исключающего недостатки создания предварительного напряжения при помощи затяжек, обеспечивающего общую устойчивость на стадии изготовления, местную устойчивость элементов балок при эксплуатации, увеличение несущей способности при работе на восприятие внешних нагрузок.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка оптимальных геометрических параметров тавра, являющегося исходным элементом для конструктивного решения данного способа предварительного напряжения стальной тонкостенной балки;

- определение нормальных предварительных напряжений в исходном элементе на стадии изготовления балки;

- определение несущей способности предварительно напряженной стальной балки при ее работе на внешние нагрузки;

- определение изгибной жесткости однопролетных разрезных предварительно напряженных балок, теоретические исследования местной устойчивости элементов балки на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- оценка величины потерь предварительного напряжения на стадии изготовления конструкции;

- исследование распределения нормальных и касательных напряжений на границе контакта "стенка-пояс" в процессе создания предварительного напряжения;

- постановка численного эксперимента на основе метода конечных элементов, для изучения характера распределения нормальных напряжений в балке на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- сравнительная оценка результатов расчета предварительно напряженных балок методом численного эксперимента с экспериментальными данными натурных испытаний образцов балок и теоретическими предпосылками.

Научная новизна работы:

- предложен новый способ создания предварительного напряжения без использования затяжек в тонкостенных стальных балках составного сечения;

- представлена методика определения нормальных напряжений на стадии изготовления конструкции и при работе на восприятие внешних нагрузок;

- разработана методика формообразования сечения двутавровых тонкостенных балок, предварительно напряженных изгибом тавра;

- предложен метод инженерного расчета исследуемых предварительно напряженных балок, позволяющий решать ряд технико-экономических задач по повышению несущей способности конструкций при снижении массы и уменьшении трудозатрат на изготовление и монтаж.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована теоретическими разработками, базирующимися на существующей теории расчета предварительно напряженных стальных конструкций и подтверждена численным и натурным экспериментами в части описания напряженного и деформированного состояния тонкостенной стальной балки, предварительно напряженной изгибом тавра.

Личный вклад автора заключается в разработке нового способа создания предварительного напряжения в стальных балках, сравнительном анализе теоретических расчетов и результатов проведенных экспериментальных исследований, разработке методики инженерного расчета балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

Практическая ценность работы:

- установлена эффективность нового способа создания беззатяжечного предварительного напряжения в стальных балках;

- внесены некоторые уточнения в существующую методику расчета балок предварительно напряженных без затяжек;

- предложена инженерная методика расчета стальных балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

На защиту выносятся:

- способ предварительного напряжения стальной, сплошностенчатой тонкостенной балки;

- методология формообразования поперечного сечения двутавровой балки предварительно напряженной изгибом тавра;

- методика оптимального проектирования стальных предварительно напряженных балок;

- методика определения напряженно-деформированного состояния балок на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- результаты экспериментальных исследований предварительно напряженных балок;

- методика инженерного расчета балок, предварительно напряженных изгибом тавра.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на:

- ежегодных научных чтениях памяти проф. М.П. Даниловского (Хабаровск, 2007-2012);

- 61-ой международной научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2008);

- заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ВСГТУ (Улан-Удэ, 2009);

- научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2009);

- заседании кафедры «Строительные конструкции» ТОГУ (Хабаровск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ: в журналах, сборниках научных статей и материалах научно-технических конференций, в том числе имеется три статьи из перечня рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографических ссылок из 119 наименований и приложения, содержит 154 страницы машинописного текста, включая 71 иллюстрацию и 8 таблиц.

Реализация работы.

Стальные балки, предварительно напряженные изгибом тавра внедрены в качестве несущих конструкций покрытия на объектах «Строительство и реконструкция аэропортового комплекса «Игнатьево» (г. Благовещенск) и «Ледовая арена «Вулкан» в Северном округе г. Хабаровска».

Некоторые разделы диссертации, включающие теоретические предпосылки и методику расчета предварительно напряженных балок внедрены в учебный процесс для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство», при чтении курса «Проектирование зданий и сооружений для экстремальных условий эксплуатации» и для студентов специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений» при чтении спецкурса по металлическим конструкциям.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В истории развития строительного дела можно найти множество направлений, связанных с созданием новых конструкций и с их использованием для возведения различных зданий и сооружений. Первоначально обеспечение надежности построенных зданий достигалось применением конструкций с большей площадью сечения и, следовательно, с большей прочностью. Эволюция практики строительства и теории расчета конструкций позволила прийти к выводу о том, что задачу строительства надежных сооружений можно решить другим путем, а именно применяя не массивные, а «легкие» конструкции, с более полным использованием прочностных свойств материала.

Сегодня в строительной отрасли решаются задачи по совершенствованию теории и обработке экспериментальных данных, нацеленных на установление действительной работы конструкций. Важным направлением этой работы является совершенствование методики выбора оптимальных параметров, которая позволяла бы создавать конструкции с максимальной несущей способностью, минимальной массой и стоимостью.

Одним из способов решения данной задачи является создание предварительно напряженных конструкций. Идея создания предварительного напряжения известна давно и по праву относится к одному из действенных способов увеличения несущей способности конструкций или их элементов. Эффективным оказалось предварительное напряжение и для строительных металлических конструкций.

Первые попытки регулирования внутренних усилий в металлических конструкциях были осуществлены в середине XIX столетия [88]. Повышение качества и увеличение прочностных характеристик производимой стали позволило сделать значительный шаг вперед в совершенствовании таких конструкций. Основоположником использования в металлических конструкциях предварительного напряжениях считается бельгийский инженер Г. Маньель, которым была разработана конструкция ферм покрытия здания в г. Брюсселе.

В России предварительно напряженные металлические конструкции впервые были применены академиком В.Г. Шуховым при строительстве в Москве здания ГУМА в 1893 году и павильонов Нижегородской промышленной выставки в 1896 году [100]. Одними из первых русских инженеров, приступивших к исследованию металлических конструкций с предварительным напряжением, стали A.B. Гадолин и Н.В. Калакуцкий.

Весомый вклад в развитие предварительно напряженных стальных конструкций внесли Е.И. Беленя, В.В. Бирюлев, В.М. Вахуркин, A.A. Воеводин, Ю.В. Гайдаров, В.И. Коробко, В.А. Кравчук, А.Б. Пуховский, Б.А. Сперанский, Н.С. Стрелецкий и другие. Исследованиями в этой области занимались и иностранные специалисты [112-119]. Некоторые результаты исследований отечественных и зарубежных ученых представлены Н.П. Мельниковым [72], а также в книге П. Ференчика и М. Тохачека [108].

В общем случае эффект от использования предварительного напряжения в металлических конструкциях в том, что в них создаются усилия или перемещения, результирующий вектор которых направлен в сторону противоположную вектору от действующих внешних нагрузок.

Основная цель предварительного напряжения - продлить упругую работу элементов конструкций в области максимальных нормальных и касательных напряжений, отдалить момент потери устойчивости, максимально использовать прочностные характеристики материала и тем самым увеличить несущую способность конструкций. Многочисленные исследования предварительно напряженных конструкций показали, что несущая способность их повышается на величину предварительного напряжения.

В практике строительства наибольшее распространение получили стальные конструкции, в которых предварительное напряжение осуществляется с использованием затяжек, установленных в районе нижнего пояса или повторяющих эпюру моментов в элементах, работающих на изгиб. При использовании предварительного напряжения в балках и фермах было отмечено повыше-

и

ние жесткости конструкций вследствие установки дополнительного элемента (затяжки), изменяющего момент инерции сечения.

Создавая в металлических конструкциях предварительное напряжение можно добиться также увеличения местной устойчивости элементов. Как отмечено в [62] — это наиболее эффективно в конструкциях, предварительное напряжение в которых создается вытяжкой элементов работающих впоследствии на сжатие.

Важной характеристикой несущей способности конструкций является выносливость, значение которой связано с коэффициентом асимметрии цикла. Учитывая, что предваритель�