автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование работы поперечных ребер жесткости стальных изгибаемых элементов и разработка расчета их оптимальных размеров и эффективных способов установки



ГОССТРОЙ СССР ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ им. В.А.КУЧЕРЕНКО (ЦНШСК им. Кучеренко)

на правах рукописи ВЕДЯКОВ Иван Иванович

•УДК 624.014.2.044.072.2

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОПЕРЕЧНЫХ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И РАЗРАБОТКА РАСЧЕТА ИХ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ И ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ УСТАНОВКИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990 г.

/А/ )

Работа вшолнена в ордена Трудового Красного &амени Центральном научно-исследовательском и проектно-эксперимен-тальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко Госстроя СССР (ЦНШСК им. Кучеренко)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.М.Горпинченко Официальные оппоненты- доктор технических наук, с.н.с.

Н.С.Москалев - кандидат технических наук, доцент В.И.Моисеев

Ведущее предприятие ЦНШПСК им. Мельникова ^ Защита состоится "/П.и.^&ЛЗ^ 1990 г. в Щ часов на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко Госстроя СССР по специальности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения".

Адрес института: 109428, Москва, 2-я Институтская ул.,. д. 6, ЦНИИСК им. Кучеренко.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИСК им. Кучеренко.

Автореферат разослан " /Су " , 11(1.^/ысЛ.- 1990 г.

Ученый секретарь

специализированного совета^ ^ - /

каздвдат технических наук С.А.Воробьева

: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение действительной работы стальных двутавровых балок, воспринимающих: статическую и подвижную нагрузки, и сопоставление принимаемых для них конструктивных решений с аналогичными зарубежными (США, ФРГ, Италия, ГДР и др.) показало, что проектирование отечественных балок осуществляется с завыпенными требованиями. Больше всего завышены требования в отношении количества и размеров устанавливаемых ребер жесткости. Кроме того приварка поперечных ребер выполняется малопроизводительной полуавтоматической сваркой, а зачастую и вручную. При этом для установки двусторонних ребер необходимо иметь еще и дорогостоящие кантователи.

Анализ конструктивных решений типовых подкрановых балок показал, что на лромекуточные поперечные ребра жесткости расход металла составляет 3*4,5% от общего веса балки, а трудозатраты по установке ребер составляют 10-15% общих трудозатрат по изготовлению балок. Учитывая, что ежегодно изготовляется более 350 тыс. шт. сварных балок и на их изготовление расходуется около миллиона тонн металлопроката, решение вопросов, обеспечивающих существенное уменьшение трудоемкости изготовления и стоимости балок, получение экономии металла при их производстве представляет собой важную народнохозяйственную задачу.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ЦНИИСК им. Кучеренко по теме ЖЗН04Б1500 как составная часть задания 06.02.03 общесоюзной научно-технической программы 0.72.01, а также как составная часть работ, выполненных в рамках Госзаказа №08-0200-87 СНиП "Стальные конструкции" (темы Ю5-00П-87, В4Н04Б0063).

Целью работы является исследование действительных условий

работы и несущей способности опорных и промежуточных поперечных ребер жесткости изгибаемых элементов, разработка расчета их оптимальных размеров, а также эффективных способов крепления к элементам поперечного сечения двутавровых балок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически и экспериментально исследовано напряженно-деформированное состояние вертикальных ребер жесткости и элементов поперечного сечения балки (пояса и стенки), к которым прикрепляются ребра;

- разработана методика экспериментальных исследований несущей способности поперечных ребер жесткости и определено влияние геометрических размеров ребер и элементов поперечного сечения двутавровых балок на величину критической нагрузки потери устойчивости поперечных ребер;

- установлено, что фактическая несущая, способность опорных ребер со строганными торцами и промежуточных ребер, их действительные условия работы не соответствуют предпосылкам, принятым в действующих нормах;

- установлено, что при расчетах на устойчивость промежуточных поперечных ребер жесткости необходимо рассматривать предельное состояние не ребра, а узла, включающего в себя верхний пояс, стенку и ребро;

- экспериментально исследовано влияние прикрепления односторонних ребер односторонними швами на устойчивость ребер, а также на усталостную прочность подкрановых балок;

- разработаны и исследованы конструктивно-технологические мероприятия по совершенствования прикреплений ребер, которые обеспечивают повышение хладостойкости изгибаемых элементов, выполненных из углеродистой стали;

- с использованием ЭВМ разработан расчет устойчивости промежуточных ребер с учетом прикреплений их к поясам и к стенке,

а также с учетом упругопластической работы материала;

- разработан практический метод расчета несущей способности и определения оптимальных размеров промежуточных поперечных ребер жесткости.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. На основании результатов исследований, выполненных в рамках данной работы, в 1987 году разработаны и переданы институту Гипро-ттоменнефтегаз Миннефтепрома рекомендации по конструктивно-технологическому оформлению стальных изгибаемых элементов северного исполнения из стали марки ВСтЗсп. Применение разработанных рекомендаций позволяет ежегодно снизить расход дефицитной низколегированной стали до 30 тыс. тонн.

В 1988 году в Госстрой СССР внесены предложения, допускающие применение односторонних сварных швов для прикрепления промежуточных поперечных ребер жесткости в балках под мостовые краны групп режимов работы 1К-5К, а в 1989 году предложения по расчету оптимальных размеров и несущей способности промежуточных поперечных ребер жесткости стальных изгибаемых элементов. Данные предложения позволяют обеспечить снижение расхода стали на изготовление ребер до 30% (ежегодная экономия металла составит примерно 1,24-1,3 тыс. тонн), а также снижение общих трудозатрат при изготовлении сварных балок на 6-7%.

Апробадия работы.Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях секции металлических конструкций научно-технического совета ЦНИИСК им. Кучеренко (Москва, 1986-1989 гг.).

Публикации. Основные результаты изложены в трех научных статьях и двух научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Она содержит 123 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 25 таблиц. Список литературы включает 104 наименования, в том числе 21 иностранное.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель работы, изложена научная новизна и сформулированы вопросы, выносимые на защиту, описана практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрено назначение поперечных ребер жесткости, устанавливаемых в стальных изгибаемых элементах, анализируются работы, посвященные вопросам влияния постановки ребер на напряженное состояние изгибаемых элементов, а также вопросам назначения размеров, способов размещения и прикрепления ребер.

Показано, что одними из первых и основополагающих работ, в которых рассмотрено влияние ребер жесткости на устойчивость пластинок и разработаны предложения по определению размеров ребер, являются работы С.П.Тимошенко, С.Уэя, Б.М.Броуде. Из рассмотрения энергии деформации изгиба пластинки и ребер для различных случаев нагружения, размеров и схем опирания пластинок С.П.Тимошенко впервые определил предельную жесткость продольных и поперечных ребер, при которой они не будут деформироваться при выпучивании пластинок. Отмечается, что эффективность постановки поперечных ребер с увеличением длины пластинки уменьшается. В дальнейшем Б.М.Броуде, основываясь на результатах работ С.П.Тимошенко и С.Уэя, предложил для широко применяемых балок (отношение высоты

стенки к толщине к /í < 150) эмпирическую формулу для определения ширины выступающей части 4. двустороннего ребра ^ к/30 + 40 мм, где к - высота стенки. Эта формула до настоящего времени используется в нормах проектирования стальных конструкций.

Исследованиями о назначении размеров ребер жесткости занимались зарубежные исследователи Н.?го&с1ь, К.КСор^е-С, К.Н.Мо£Сег, КЛМске.^У.Т.Соок, С/Лскегг-, М. SkcLCou.cC , Н.$±е.и.р, Результаты этих исследований мало чем отличались от тех, которые были получены С.П.Тимошенко и Б.М.Броуде.

Необходимо отметить, что в исследованиях С.П.Тимошенко, С.Узя, Б.М.Броуде и других вышеперечисленных авторов рассмотрены в основном случаи, когда расстояния между поперечными ребрами не превышают высоты стенки 1,0 ке/ ( Ае/- расчетная высота стенки балки). Анализ применяемых конструктивных решений типовых балок как для подвижной, так и статической нагрузок показывает, что расстояния между ребрами часто больше этого условия и составляют 1,5ку £ а- 4 2,5к-ц . Показано, что в ряде зарубежных норм жесткость ребер назначается меньшей, чем это рекомендуется по исследованиям С.П.Тимошенко и Б.М.Броуде.

Приводится обзор работ Б.Б.Лампси, Е.В.Курочкиной, Е.В.Йи-тянной, в которых экспериментально и теоретически исследовалось влияние опорных и промежуточных поперечных ребер на напряженное состояние стенок разрезных и неразрезных подкрановых балок.

Далее проанализированы работы А.А.Апалько, В.М.Горпинченко, О.Ф.Иванкова, Н.С.Москалева, И.М.Одина, Г.А.Шапиро, Б.А.Шемшуры, /\.,£>а.ъС£е,, V- Ма-зсе.. В этих работах нашел отражение тот факт, что при расстояниях между ребрами, превышающих две высоты балки ( <=с-/2Л.>1), напряженное состояние, обуславливаемое действием местного крутящего момента, не зависит от частоты расположе-

ния ребер. Проанализированы работы В.М.Горпинченко и В.С.Игнатьевой, в которых показано, что одностороннее размещение ребер практически не оказывает влияние на устойчивость стенки.

На основании анализа перечисленных выше исследований показано, что в действующих нормах расчетные схемы промежуточного ребра и опорного ребра, передающего нагрузку через строганный торец, не соответствуют в полной мере действительным условиям работы.

В результате анализа работ В.А.Балдина, А.И.Кикина, А.И.Ки-невского, А.Б.Патрикеева, V-Eie.ku.i-, 3).А. Ъелъо, Н.С. ({ее.т,$п.$с1.ег, М.М.Сахновского, Г.А.Николаева, Н.А.Махутова, Н.П.Мельникова, А.В.Сильвестрова делается вывод, что постановка поперечных ребер влияет не только на трудоемкость изготовления и стоимость балок, но и на надежность балок, работающих при воздействии подвижных нагрузок или в условиях низких температур.

В заключении первой главы делается вывод о том, что для сварных балок имеются предпосылки, позволяющие уменьшить размеры ребер жесткости и количество сварных швов для их крепления. Чтобы при этом не имело место снижение несущей способности и эксплуатационной надежности, необходимо выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований. Определены задачи исследования.

Во второй главе методом тензометрии исследовалось напряженно-деформированное состояние промежуточных поперечных ребер жесткости при приложении сосредоточенной нагрузки над ребром, а также напряженно-деформированное состояние опорных узлов, передающих нагрузку через строганные торцы ребер (рис. I, 2).

Поперечное сечение экспериментальных образцов было выбрано таким как в типовой подкрановой балке Б-б-5-1 под краны общего назначения грузоподъемностью 15 тн. Образцы балок для исследования напряженно-деформированного состояния промежуточных ребер

состояли из двух равных отсеков, разделенных односторонним поперечным ребром жесткости (рис. I), а опорных узлов из одного отсека (рис. 2).

В результате исследований получено не только распределение напряжений в ребрах и приопорной зоне стенки, но и рассмотрено влияние геометрических параметров самих ребер, а также элементов поперечного сечения балки на их напряженное состояние.

По результатам исследований в пределах упругой стадии работы материала установлено, что при оценке напряженного состояния как промежуточных, так и опорных ребер нормальные напряжения сжатия являются определяющими. Величины напряжений б^ и ^ в ребрах по сравнению с напряжениями бу ниже более чем в 3 раза. Исключения составляют касательные напряжения в приопорной

зоне стенки, которые принимают значения 0,4-0,7 от максимальных величин .

Максимальные значения напряжений для опорных ребер воз-

никают в нижней части на длине 0,3-0,4 hp , а для промежуточных -- в верхней на таком же участке. По ширине ребер распределение напряжений б^ практически равномерное (разница значений бу в одном и том же сечении ребер не превышала 10%).

Для промежуточных ребер изменение ширины выступающей части ребра ё^ с 30 до 60 мм (в 2 раза) и 90 мм (в 3 раза) привело к снижению напряжений в ребрах соответственно в 1,35-1,45 и 1,7-2,0 раза. Увеличение толщины ребер с 4 до 6 мм (в 1,5 раза) и до 8 мм (в 2 раза) привело к снижению напряжений только в 1,1-1,15 раза, т.е. определяющее влияние на изменение напряженного состояния промежуточных ребер оказывает ширина выступающей части .Объясняется это тем, что от этого размера в наибольшей степени зависит величина изгибной жесткости ребер.

В эксперименте было также выявлено, что напряженное состояние промежуточных ребер не зависит от изменения длины отсека стенки балки. Передача сосредоточенной нагрузки через рельс, соответствующему крановому рельсу КР-60, по сравнению с передачей нагрузки через стальную прокладку толщиной £* = 12 мм приведет к снижению напряжений б^ в ребрах в 1,2; 2,0; 2,2 раза при размерах ребер соответственно 6x30, 6x60, 6x90 мм.

Для опорных ребер со строганными торцами увеличение толщины ребра с 8 до 10 мм и с 10 до 12 мм привело к снижению напряжений сжатия в ребрах в среднем соответственно в 1,5 и 1,4 раза, а в стенке в 1,2 и 1,3 раза. Увеличение ширины опорного ребра ёр с 16 до 24 см и с 24 до 32 см привело к снижению напряжений б^ в среднем соответственно в 1,25 и 1,35 раза, в стенке в 1,3 раза. Увеличение толщины стенки с 6 до 8 мм привело к снижению в ребрах и стенке напряжений ^ в среднем в 1,15 раза. Изменение ширины нижнего пояса с 25 до 30 см не оказало никакого влияния на напряженное состояние опорного узла.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований несущей способности поперечных промежуточных и опорных ребер жесткости.

В качестве экспериментальных образцов для исследования несущей способности промежуточных и опорных ребер со строганными торцами были использованы образцы, которые применялись для изучения напряженно-деформированного состояния. Для одновременного учета факторов, способных повлиять на несущую способность ребер (размеры самих ребер и элементов поперечного сечения), а также с целью сокращения объема экспериментов выбор количества образцов осуществлялся с использованием методики планирования экспериментов М.М.Протодъяконова.

Серия балок для исследования несущей способности промежуточных ребер была спланирована общим количеством 19 штук, в том числе 14 штук с ребрами, приваренными двусторонними швами, и 5 штук с ребрами, приваренными односторонними швами. Для оценки влияния способа передачи сосредоточенной нагрузки (через стальную прокладку (Г = 12 мм или рельс) использовали 3 образца. Для определения несущей способности опорных узлов, передающих нагрузку через строганные торцы, было спланировано испытать серию образцов общим количеством 15 штук. Образцы изготавливались в заводских условиях из стали марок ВСтЗпсб и ВСтЗспб. Для использованной стали проводилась контрольная проверка механических свойств и химического состава.

Момент наступления потери устойчивости ребра определялся по экспериментальной зависимости "нагрузка-сближение верхней и нижней кромок ребра". Эту зависимость получали с помощью специального приспособления, состоящего из стержня, устанавливаемого вдоль вертикальной оси ребра, крепежного устройства и ивдикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Наступление потери устойчивости ребер определялось по двум равноценным критериям: если при равном приращении нагрузки последующая деформация ребра превышает более чем в 2 раза деформацию на предыдущей ступени нагружения или когда происходит резкое (лавинное) нарастание деформаций ребра.

Если нагрузка передавалась через прокладку 5"= 12 мм, предельное состояние образцов с односторонними промежуточными ребрами наступало в результате искривления свободного края ребра в верхней его части, т.е. в наиболее нагруженной зоне. При этом имели место также местный прогиб верхнего пояса и локальное выпучивание стенки. Следовательно, потеря устойчивости ребра взаимосвязана с

Рис. I. Образцы для исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности промежуточных ребер

¡40

_ь

4 I

по

ьсо

Ш

Г

Г -я

к "Я и. ь!

Г *

ч =

к и

1С и

Ыо-, з го

6; в

Уоо

Рис. 2. Образцы для исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности опорного ребра со строганным торцом

боа■ юоо

7€о; -/гор

19а

р «

го 40

г 6 е*

20О

Рис. 3. Образцы для исследования несущей способности опорного ребра с торцом, приваренным к нижнему поясу

потерей несущей способности узла "верхний пояс-стенка-вертикальное ребро". Это важное обстоятельство необходимо учитывать при оценке устойчивости ребра жесткости. При потере устойчивости ребра размер локального выпучивания стенки и длина местного прогиба верхнего пояса не превышали 14-19 см в кавдую сторону от ребра. Глубина локального выпучивания стенки определялась протяженностью искривления свободного края ребра, которая не превышала одной трети высоты ребра. В момент исчерпания несущей способности узла напряжения в нижних поясах че достигали предела текучести. Сами образцы остаточных прогибов не имели.

Односторонняя приварка ребер практически не повлияла на несущую способность. Максимальное снижение критической нагрузки для минимальной ширины ребра 30 мм составило всего 4,5%.

При передаче сосредоточенной нагрузки через рельс потеря устойчивости имело место только для ребра с минимальными размерами 6x30 мм (образец Б-13). В образцах B-I4 (ребро 6x60 мм) и Б-15 (ребро 6x90 мм) произошла потеря устойчивости стенки, т.е. увеличение выступающей части ребра êb обуславливает переход от потери устойчивости ¿.йбра к потере устойчивости стенки. Важно отметить, ч^о при равных условиях передача нагрузки через рельс приводит к повышению критической нагрузки потери устойчивости ребра (для ребра с минимальными размерами 6x30 мм это увеличение составило 20%).

Аналип полученных результатов показал, что устойчивость ребра зависит главным образом от его ширины выступающей части ih-При увеличении с 30 до 90 мм критическая нагрузка Fer, эксп для ребра увеличивалась на 20%, а увеличение толщины ребра с 4 до 8 мм привело к увеличен™ Fcr,Bxcn. только на 4%. 3 эксперименте установлено также, что размер отсека стенки не оказал влияния на несущую способность промежуточных ребер.

По результатам испытаний было также установлено, что потеря устойчивости промежуточных вертикальных ребер жесткости происходит при напряжениях, превышающих предел текучести материала, а экспериментальные величины критических нагрузок потери устойчивости в среднем в 2,3 раза превываит расчетные, определяемые в соответствии с требованиями действующих норм (табл. I). Это важнейший результат, обеспечивающий возможность уменьшения размеров поперечных ребер до оптимальных.

Предельное состояние образцов, испытанных с целью определения несущей способности опорных ребер, передающих нагрузку через строганные торцы, наступило вследствие потери устойчивости одним из опорных ребер, при этом смятий торцов ребер не наступало. Искривление ребер произошло в нижней части на длине, не превыпагощей одной трети высоты ребер, т.е. в наиболее нагруженной части.

По результатам испытаний установлено, что экспериментальные значения критических нагрузок потери устойчивости опорных ребер Fer,жсп. в среднем на 25% ниже, чем расчетные (табл. 2). Вычисленные по методике действующих норм напряжения в условном расчетном сечении ребер при значениях Fer,«сл. составляют величину в среднем (0,7-0,8) R^. ( Ry - расчетное сопротивление по пределу текучести), тогда как по показаниям тензодатчиков напряжения в сечении ребер при Ftr> эксп, превышали предел текучести материала. Этот результат убедительно свидетельствует о том, что принимаемые согласно СНиП расчетная схема и сечение опорного ребра со строганным торцом не соответствуют в полной мере действительным условиям работы.

В исследованиях влияния геометрических параметров опорного узла на его несущую способность получены следующие результаты. При увеличении толщины ребра с 8 до 10 и 12 ми критическая нагрузка Иг,««), повысилась в среднем соответственно в 1,1 и 1,3 раза. При

Таблица I

Экспериментальные, расчетные и теоретические значения критических нагрузок потери устойчивости односторонних поперечных ребер жесткости

Йомер Значения (критических) нагрузок (кН)

образца экспериментальные по ШИН теоретичес- по п] кие (ЭВМ) мой ( редлагае-¡эормуле (1)

В-1 461 237 461 412

3-2 441 148 445 395

3-3 520 287 512 496

3-4 490 243 483 463

3-5 451 127 437 380

3-6 559 282 548 536

3-7 490 247 472 446

3-8 490 280 478 446

3-9 461 160 457 412

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения критических нагрузок опорных ребер со строганными торцами

1омер Предельные нагрузки )бразца на ребро по нормам,

_кН_

по смятию по устой-торца, чивости Р см Рм-.СНиП

Экспериментальная критическая нагрузка потери устойчивости ребра

Рс^эксп (кН)

Отношение Рег-, СНиГ!

Гсг, ЭЙСП

>0-1 1653 1170 946 1,24

50—2 1239 1021 833 1,23

50-3 1355 1131 862 1,31

зс-4 1239 872 750 1,16

>о-5 1355 977 725 I 35

ю-6 1013 779 598 1,30

>о-7 1166 891 622 1,43

кз-8 1166 969 809 1,20

•о-9 826 773 632 1,22

>о-10 ¿83 628 495 1,27

ю-И 826 639 549 1,16

>о-12 оВЗ 498 421 1,18

>0-13 677 579 46э 1,19

>0—14 1013 945 735 I 29

1о-15 875 660 573 1,15

среднее 1,25

увеличении ширины ребра с 16 до 24 и 32 см Гсг,эксл. повысилась соответственно в 1,3 и 1,5 раза. Увеличение толщины стенки с 6 до 8 мм привело к увеличению Рсг-,эксп. в среднем в 1,2 раза. Изменение размеров нижнего пояса не повлияло на несущую способность опорного узла. Получена экспериментальная зависимость значений критических нагрузок потери устойчивости опорных ребер Рсг, эксп. от условной площади расчетного сечения Ар (см^), имеющая вид Е;г,эксл. = = 18,4Ар + 68 (в кН). Условная площадь расчетного сечения опорного ребра, передающего нагрузку через строганный торец, определяется согласно рекомендациям СНиП П-23-8134. Полученную экспериментальную зависимость предлагается использовать для расчета на устойчивость и определения размеров опорных ребер, передающих нагрузку через строганные торцы.

В третьей главе рассмотрена также несущая способность другого типа опорных ребер, которые передают нагрузку через торцы, приваренные или плотно пригнанные к нижнему поясу. Испытания проводились на образцах сварных двутавровых балок реального поперечного сечения, состоящих из двух отсеков и изготовленных из стали марки ВСтЗкп (рис. 3).

По результатам испытаний установлено, что экспериментальные значения критических нагрузок потери устойчивости в среднем на 13% превышают расчетные. На этом основании можно заключить, что расчетные положения действующих норм практически соответствуют действительным условиям работы опорных ребер, прива-рекных или плотно пригнанных к нижнему поясу двутавровых балок.

Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию напряженно-деформированного состояния и определению несущей способности узла "верхний пояс-стенка-поперечное ребро жесткости" с учетом упругопластической работы материала и разработке практического рас-

чета для определения оптимальных размеров промежуточных поперечных ребер жесткости.

Расчетная схема для теоретического исследования принята как показано на рис 4.

I

%

■И*) Г М

- , и

а. а.

J

■ь- А

г' ** иЬ

Рис. 4. Расчетная схема

При исследовании предполагали, что применима гипотеза Кирхгофа и элементы находятся в плоском напряженном состоянии. Используя эти условия с помощью функций перемещений срединной плоскости стенки можно получить аналитические выражения для деформаций всех элементов узлового сопряжения: "пояс-стенка-ребро". Для аппроксимации перемещений срединной плоскости стенки использовались ряды, представленные многочленами 1-й, 2-й, 3-ей степеней, а также полиномами Чебышева и рядами Фурье. Напряженно-деформированное состояние элементов системы и внешняя нагрузка определялись из условия равновесия системы с помощью принципа возможных перемещений. Компоненты тензоров напряжений и деформаций определялись по теории малых упруго пластических деформаций А.А.Ильюшина. Для решения системы разрешающих уравнений применялся модифицированный Пи - шаговый метод Ньютона-Рафсона.

На языке ФОРТРАН ЕС ЭВМ была составлена программа и алгоритм машинного решения. Разработанная программа для двутавровых балок, воспринимающих сосредоточенную (локальную) нагрузку, позволяет получить напряженно-деформированное состояние пояса, стенки и поперечного ребра жесткости с учетом упругопластических деформаций, обобщенную диаграмму деформирования, связывающую параметр нагрузки

с относительным укорочением ребра, а также определить предельную нагрузку на узел "верхний пояс-стенка-поперечное ребро жесткости" (табл. I).

Для тех случаев, когда применение ЭВМ невозможно или просто нецелесообразно, по результатам экспериментальных и теоретических исследований разработана эмпирическая формула для определения предельной нагрузки, которую может воспринять узловое сопряжение "верхний пояс-стенка-поперечное ребро".

^ = (+ 1,Ъ (I)

где Д = ; 2 ^ - для двустороннего

ребра, ^ - для одностороннего ребра.

Достижение предельной нагрузки будет обеспечено, если ширина выступающей части поперечного ребра удовлетворяет следующим требованиям: а) для ребер, размещенных с двух сторон стенки -

/б) для ребер, размещаемых с одной стороны стенки Здесь К = ,

а 0= . Толщина ребер назначается по требованиям СНиП,

Расхождение между теоретическими значениями

и вычисленными

по формуле (I) не превышает 15% в запас устойчивости (табл. I).

Для тех случаев, когда на балку не передаются сосредоточенные силы, из условия обеспечения устойчивости стенки ширина выступающей части двустороннего поперечного ребра должна быть не менее 2,8^/1^7 а одностороннего О '

В пятой главе экспериментально исследованы рекомендации и мероприятия по прикреплению поперечных ребер, снижающие трудоемкость изготовления и способствующие обеспечению долговечности подкрановых балок, а также повышению сопротивляемости хрупким разрушениям балок, эксплуатируемых при низких температурах.

Статические испытания показали, что устойчивость стенки и ребер жесткости не зависит от того, сколькими (одним или двумя) сварными швами соединяются названные элементы поперечного сечения двутавровой балки. Этот результат весьма целесообразно использовать для снижения трудоемкости изготовления сварных балок. Но односторонняя приварка ребер может повлиять на усталость подкрановых балок в целом. Поэтому автором совместно с Пензенским ИСИ (к.т.н. К.К.Нежданов) были проведены усталостные испытания восьми моделей подкрановых балок, имеющих размеры: длина - 3,0 м, пояса - 150x6 мм, стенка - 400x4 мм, ребра - 70x4 мм, шаг ребер -- 500 мм. Поперечные ребра устанавливались с одной стороны стенки и приваривались односторонними швами. Усталостные испытания проводились на стенде, имитирующем работу мостовых кранов групп режимов работы 7К-8К.

Эксперимент показал, что во всех испытанных балках усталостных трещин у вершин концов вертикальных швов ребер обнаружено не было. Разрушения наступали в результате образования трещин усталости в верхних поясных швах. По результатам испытаний получена линия регрессии для определения предельной величины касательных напряжений 'Стих (в Ша) от числа циклов нагружений д/ (в миллионах) до появления усталостных трещин. Сравнение результатов данного исследования с полученными ранее К.К.Нелдановым по испытаниям тридцати сварных балок с аналогичными размерами и ребрами, приваренными двусторонними швами, показало, что односторонняя приварка ребер жесткости не оказывает влияния на выносливость балок. На основании этого предложено допустить применение односторонних швов для прикрепления промежуточных поперечных ребер в подкрановых балках под мостовые краны групп режимов работы 1К-5К.

В качестве мероприятий, способствующих повшению сопротивляемости хрупким разрушениям сварных двутавровых балок, изготавливаемых из углеродистой стали и эксплуатируемых в условиях низких температур,предложены: применение односторонних швов для прикрепления промежуточных ребер; прикрепление поперечных ребер к стенке по принципу рассосредоточения мест обрыва (окончания) сварных швов; прикрепление промежуточных ребер к стенке, устойчивость которой обеспечена, только в сжатой зоне; опирание балок осуществлять через нижний пояс (рис. 5).

а;

т

■ 11м i > tu■

ПЛОТНО ^""ЩЫГНЬТЬ

S) 1

Щ| 11 II II 1 8] II 411 Н1ТГЧТТ1

плотно т"

/ПрИГНХТЬ

Рис. 5. Прикрепление поперечных ребер жесткости в балках

северного исполнения: а) опорных; б) промежуточных

Путем испытания 3-х натурных сварных двутавровых балок ( = 6,0 ы, стенка - 590x10 мм, пояса - 230x16 мм, ребра жесткости - 95x12 мм), изготовленных из стали марки ВСтЗспб, в условиях повторно-статического нагружения с имитацией динамического воздействия в диапазоне температур -75° * -120°С показано, что предложенные конструктивные решения по прикреплению вертикальных ребер жесткости (рассосредоточение мест обрыва сварных швов, удаление их из растянутой зоны балки) не снижают несущей способности балки, способствуют повышению хладостойкости конструкции в целом и обеспечивают экономию трудозатрат и сварочных материалов.

Основные результаты и выводы

1. Исследование методом тензометрии напряженно-деформированного состояния промежуточных и опорных ребер жесткости показало, что для поименованных элементов балки определяющими являются нормальные напряжения сжатия . Для опорных ребер максимальные значения напряжений возникают в их нижней части на участке длиной, равной (0,3-0,4) высоты ребра к.р , а для промежуточных -- в верхней, на таком же участке.

Наибольшее влияние на изменение напряженного состояния промежуточного ребра оказывает ширина выступающей части ^ . Увеличение размера ^ в 2 раза приводит к снижению напряжений в 1,4 раза, а такое же увеличение толщины промежуточного ребра ■к 5 снижает бу. всего в 1,14-1,15 раза.

При передаче нагрузки через строганный торец размеры опорного ребра (ширина ёр и толщина^), а также толщина стенки ■Ь балки в одинаковой степени влияют на изменение напряженного состояния в ребре.

Напряженное состояние опорных и промежуточных ребер практически не зависит от размеров поясов и отсека стенки, определяемого расстоянием между промежуточными ребрами.

2. Исследования, выполненные по специально разработанной методике, показали, что для промежуточных поперечных ребер жесткости экспериментальные величины критических нагрузок потери устойчивости в среднем в 2,3 раза (табл. I) превышают расчетные значения, определяемые в соответствии с методикой действующих норм проектирования стальных конструкций. Для промежуточных ребер величина критической нагрузки главным образом зависит от ширины выступающей части ^ , в то время как толщина ребра почти не оказывает влияния на его устойчивость. Расстояние между реб-

рами жесткости не оказывает влияние на величину критической нагрузки потери устойчивости промежуточных ребер.

3. По результатам испытаний установлено, что при оценке устойчивости промежуточного ребра необходимо рассматривать несущую способность узла, где имеет место сопряжение верхнего пояса со стенкой и ребрами жесткости. Предельное состояние такого узла определяется потерей устойчивости ребра.

4. Исследования устойчивости опорных ребер, передающих нагрузку через строганные торцы^показали, что экспериментальные критические нагрузки потери устойчивости для вышеназванных ребер в среднем на 23% ниже, чем расчетные по СНиП.

По результатам исследований определена зависимость критических нагрузок от площади (Ар, в см^) расчетного сечения опорного ребра с фрезерованным торцом Fcr-= 18,4Ар + 68 (в кН), которая рекомендована для применения. В расчетное сечение включается сечение самого ребра и полосы стенки шириной 0,65 -tV E/R^ ,

5. В тех случаях, когда опорные ребра передают нагрузку через нижние пояса двутавровых балок, критические нагрузки, вычисленные по методике действующих норм, соответствуют экспериментальным с обеспечением запаса по устойчивости в среднем на 13%.

6. На основании теоретических исследований составлена программа, позволяющая с помощью ЭВМ определить напряженно-деформированное состояние стенки, верхнего пояса и промежуточного поперечного ребра жесткости, а также вычислить предельную нагрузку, которую может воспринять узел "верхний пояс-стенка-поперечное ребро".

Выполненные с помощью этой программы исследования показали, что расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями критических нагрузок потери устойчивости поперечных ребер

составляет не более 5%. Используя разработанную программу, по величине заданной сосредоточенной (локальной) нагрузки возможно определить оптимальные размеры поперечных (вертикальных) промежуточных ребер жесткости.

7. Для тех случаев, когда на балку не передаются сосредоточенные силы, с использованием машинного расчета были выполнены исследования устойчивости стенки и поперечных ребер. Результаты исследований показали, что в сравнении с рекомендациями действующих норм ширина выступающей части поперечных ребер может быть уменьшена при односторонней установке на 30%, при двусторонней

на 40%.

8. По результатам исследований, выполненных путем статических и усталостных испытаний, установлено, что приварка односторонних промежуточных ребер жесткости к элементам поперечного сечения двутавровых балок двусторонними или односторонними швами не снижает несущую способность и выносливость балок.

9. Для повышения хладостойкости сварных двутавровых балок разработаны и исследованы рекомендации по размещению и приварке ребер к элементам поперечного сечения. Применение этих рекомендаций обеспечивает возможность использования для сварных балок северного исполнения углеродистую сталь, что в ряде случаев является целесообразным, поскольку снижает дефицит низколегированных сталей.

Основные положения диссертации освещены в следующих работах.

I. Фадеев A.A., Ведяков И.И. Исследование несущей способности двутавровых балок из углеродистой стали при температурах ниже минус 40 °С. В кн.¡//Экспериментальные исследования и испытания строительных металлоконструкций: Тез. докл. Все-

союзного научн.-техн. совещ.- Львов, IS87. - с. 35.

2. Евстратов A.A., Шемшура Б.А., Ведяков И.И. Об устойчивости поперечных ребер жесткости подкрановых балок//Строительная механика и расчет сооружений. - 1988. - КЗ. - с. 30-32.

3. Горпинченко В.М., Потапов В.Н., Фадеев A.A., Ведяков И.И. Сварные балки северного исполнения из малоуглеродистой ста-ли//Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. - 1989. - Jf8. - с. 13-17.

4. Исследовать закономерности возникновения и роста усталостных трещин в сварных подкрановых балках тяжелого режима работы

и разработать изменения к СНиП П-23-SI "Стальные конструкции. Нормы проектирования": Отчет о НИР/Рук. В.М.Горпинченко, Jf ГР 018800877033, инв. К 05-0011-87. - М.: ЦНИИСК, IS88.-78c.

5. Проектирование ребер жесткости стальных изгибаемых элементов: Отчет о НИР/Рук В.М.Горпинченко, К ГР 01890087590,

инв. JF 08-0200-87. - Ы.: ЦНИИСК, 1989. - 150 с.