автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Местное усиление поврежденных элементов стальных конструкций

М 0 3 5 г

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛАИГХ Азхер Абдул Карим

УДК: 624.014.25:624.078.8

МЕСТНОЕ УСИЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

/05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, попент И.С.Ребров

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Ленинградском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

дошнт И.С.Ребров

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.И.Сливкер

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.И.ЛюОаров

Ведущая организация - Ленпромстройпроект.

Зашита состоится "¿Г" сМ#РТы- 1992 г. в /¿Г час. Эй шш.на заседании спецаализированного Совета К OS3.3I.OI в Ленинградском ордена Октябрьской Рвводшии а ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте по адресу: 198005, Санкт-Петер-Серг, 2-я Красноармейская. дом № 4, ауд. £_.

С диесерташйй можно ознакомиться в фундаментальной библиотека института.

Автореферат разослан -49 - Щ-га 1992 г.

Учаньй секретарь спзкиа&извродошаго Совета кащг.техн.нздк, дошнт ■

В.И.Морозов

;• . . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. « И ' 1

¡■¡^¡¡¡Актуальность темы. При решении задач, связанных с разви-

^йШ1 экономики страны и нарашиванием ео промышленного потен-ссртгцм^ 1

=цйвд&*"4аметное место занимают вопросы, связанные с техническим перевооружением существующих предприятий и усовершенствованием технологических процессов производства. Эти мероприятия зачастую приводят к необходимости реконструкции несущих конструкций зданий и сооружений. Особое внимание вопросам реконструкции в Ираке вызвано событиями последнего десятилетия, когда разрушению и повреяадению подверглись многие строительные объекты. Особо остро стоят вопросы о восстановлении в кратчайшие сроки промышленных предприятий и жизненно важных объектов при минимальных расходах, что потребует внедрения наиболее эффективных методов расчета и проектирования, позволявших найти оптимальные решения поставленных задач.

Поваленный интерес к вопросам реконструкции проявляется в СНГ, где ведется активная работа по обновлению и модернизации промышленных и производственных предприятий. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" подчеркивалось, что значительная часть средств от общего объема капитальных вложений будет направлена в этот период на реконструкции и техническое перевооружение производства.

Реконструкции объекта обычно предшествует обследование его конструкций с целью оценки их состояния. При обследовании стальных конструкций эксплуатируемых объектов часто встречаются элементы, имеющие как общие, так и местные дефекты /пли повреждения/, которые могут возникать на этапе изготовления, транспортировки, монтажа или эксплуатации. Массовые повреждения могут быть и следствием военных действий или аварийных случаев. Наиболее характерными местными дефектами элементов стальных конструкций являются вырезы стен'и или полки, а также- ее погиби. Решение вопросов, связанных с оценкой действительной саботы поврежденных элементов, позволяет более обоснованно определить несущую способность подобных элементов, необходимость их усиления и в результате повысить эффективность разработанных проектов реконструкции.

Немногочисленные исследования в этой области затрата-

вают лишь частные случаи учета влияния дефектов на работу а несущую способность элементов и не позволяют совокупно учесть вопросы, связанный с особенностями деформирования дефектных сечений, влиянием технологических процессов и истории нагру-жения при усилении поврежденных элементов.

Разработка вопросов проектирования и расчета усиления стальных конструкций в течение ряда лет осуществляется на кафедре Металлических конструкций и испытаний сооружений ЛИСИ. Настоящая^работа посвяш^на этой проблеме применительно к стальным •"чементам, имешим местные дефекты или повреждения в виде вырезов полки или стенки и погиби полки. Работа выполнена в рамках целевой программы 0.55.01.121 Госстроя СССР "Разработать и внедрить прогрессивные способы строительного обеспечения реконструкции и технического перевооружения промышленных предприятий, сокращающие сроки ввода мощностей, стоимость строительно-монтажных работ за счет максимального использования конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений".

Цель работы. Экспериментально-теоретическое исследование работы элементов стальных конструкций, имеющих местные дефекты и повреждения, а также исследование работы таких элементов при усилении их под нагрузкой путем увеличения сечений в зоне ослабления с помощью сварки. На основе результатов исследований разработать инженерные методы поверочного расчета несущей способности и усиленш. указанных элементов по прочности.

Научную новизну работы составляют:

- алгоритмы расчета и программные модули, моделирующие работу дефектного участка элемента на всех стадиях местного усиления; . .

- результаты численного исследования влияния различных видов дефектов, их параметров на работу и несущую способность поврежденных изгибаемых элементов;

- результаты численного исследования влияния огарочного процессе. ,ур зня началь1 ого нагрузгния на работу и несущую способность поврежденных изгибаемых элементов, усиливаемых под нагрузкой с помощью листовых накладок;

- приближенная методика оценю: прочности поврежденных элементов /статически определимых/ как без усиления, так и прп местном усилении;

- результаты экспериментальных исследований особенности работы и несущей способности повреаденных балок, в том числе и при их местном усилении.

Практическая ценность. Представленные в диссертации решения и результаты могут быть использованы для целей иссле-довакля, проектирования и расчета поврежденных стальных элементов и их местного усиления. Методика расчета подобных элементов реализована в виде программных модулей, которые вошли составной частью в программный комплекс, позволявший определять напряженно-деформированное состояние плоских стержневых элементов произвольного моносимметричного сечения с различными краевыми условиями при наличии разных видов дефектов и приемов усиления. Предлагаемые методы проверки прочности по-врежпеиных и усиленных элементов можно удобно применять в практике проектирования. Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы инженерами и исследователями, занимающимися вопросами обследования, восстановления и усиления стальных конструкций.

■Апробация работы. Отдельные разделы и положения диссертационной работы долотены на 46-й, 47-й а 48-й научных кон-фепенциях профессорско-преподавательского состава ЛИСИ /1989, 1990 и 1991 гг./.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано две статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 207 страниц, из них 146 страниц машинописного текста', 66 рисунков и II таблиц. Список литературы включает 98 наименований, из них 91 на русском языке.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

'Во введении обосновывается набор тематика исследования, формулируется его цель и приводятся сведения о научной новизне и практической ценности полученных результатов.

Первая глава посвящена оценке состояния вопроса и постановке задач ис.лодования. Привгтатся краткая классифика-

ция основных видов мастных повреждений " дефектов, встречающихся в элементах стальных конструкций и причинах их появления.

Опкт обследования строительных объектов показывает, что наличие местных дефектов /или повревдений/ характерно практически для большинства стальных конструкций, находящихся в эксплуатация. Наиболее типичные месгчыз дефекты элементов встречаются в виде вырезов стенки или полки и погиби полки /рис.5а/.:

Изучению особенностей напрячсенно-деаормиоованного состояния /НДС/ элементов с местными дефектами и опенке их несушей способности посвятоно сравнительно мало исследований. К ним косвенно можно отнести исследования элементов ступенчато-переменного сечения А.Р.Ряанишна, Ф.П.Лукьянова и др. Однако эти работы не рассматривают особенностей НДС сечений, обусловленных перераспределением деформаций и напряжений в аонах ослаблений.

Вопросам определения НДС элементов и пластин в зоно отверстия посвяяено достаточно много работ: авторы одних рассматривают напряженную пластину' в отдельности /Г.Н.Савин, Ж.И.Гипсон и др./, а другие - пластину с отверстием в составе перТюрированно'Ч) стержня /М.М.Копытов, С.П.Шихобалов, С.К.Ванг и др./. Отмечено, что НДС сечений в зоне отверстия обладает сложным, однако локчльным характером, который во многом зависит от условий нагружения, вида отверстия и его параметров.

Влияние местных краевых вырезов на пространственную работу сжатых стержней из уголков рассматривалось в работе Н.Г.Сотникова, однако без учета концентрации напряжений в зоне дефекта» Последнее учи.звалось в работа С.В.Травина о использованием метода конечных элементов /МКЭ/.

Влияние местных искривлений полок на несущую способность сжатых стержней рассматривалось в работах Э.П.Хоро-шоязновой, А.Ю.Чижевского, Ю.Н.Синицына, И.К.Родионова, ^.А.Огшанч^а, Н.Г.Со: шкова и других. Моделирование действительной работы погнутой полки проводилось только в рийоте А.А.Опланчука применительно к сжатым элементам из уголков, причем было принято допущение о неизменяемости размаров погиби в процессе нагружения и ограничении рабо-

I

б..

I Г

ш

/ ч\

^ГГГ. .ТГЬ—да!-I сЬ^Д^:

.ри

ПНИЩ»

дг»£КТНОГО

УЧАСТКА

линга сге»А и емрки вставки

Рис Л. Рассм.ггриваемыа лилн мостных дефектов /а/ и ехоми их усиления /б/ .

2-2

и

0.

9

I I 1

I I

■ и к! 1 И 11

•г 'Г г ■( г 1 -г - ЛефзктгтИ участок

1-5-

—V*

^'дА,

Ыг

Рис.2. Лречстзютэнпо элегонта и ого оечоиий в алгоритме рлечота •

та волокон сечения в упругой стадии. Экспериментальные исследования в этой раооте показали заметное влияние местных искривлений на несущую способность элементов как при центральном с-чатии-растяжетш, так и при изгибе.

Разработка приемов и методов усиления сооружений посвящено много исследований, таких как работы К.О.Патона, Н.Б. Лялина, Т.М.Богданова! Г.А.Шапиро, М.Н.Лашонко, М.'Б.Солода-ря, А.В.Сильвестрова. Ю.В.Гайдарова и др. В послевоенные годы в СССР появился рад публикаций по восстановлению повре-кдошг'х металлических конструкций. Такие работы как Г.М.Ко-вельмана, Е.Ф.Котляр, К.К.Муханова носили инструкчивкый характер и содержали рекомендации по усилении и ремг::ту поврежденных узлов и элементов конструкции. Усиление предлагалось ос.ушестзить увеличением сечений в повременной зоне путем приварки дополнительных накладок или вставок /рисЛб/, причем восстановительные работы рекомендовалось выполнять преимущественно в проектном положении, при частичной разгрузке усиливаемых элементов.

Вопросы расчета л опенки несущей способности стальных элементов, усиливаемых под нагрузкой увеличением сечений о помошью сварки, рассмотрены в раоотах К.И.Беленя, И.й.Донника, М.Я.Шчпальского, Р.1й)зингара, В.М.Колесникова, Б.И. Десятова, А.Г.Иммормана, И.С.Раброва, И.К.Родионова, A.B. Столбова и других. Основной особенностью работы таких элементов является нарушение естественного характера деформирования и ранее вступление в упругопластическую стадию, что требует особого подхода к разработке методов их расчета. При этом отмечено преимущество применения численных методов для учета физической и геометрической нелинейносте й работы указанных элементов.

Необходимость учета влияния местных ослаблений при раз оаботке проектов реконструкции неоднократно отмечалось в п.у бликаииях, поснятенных проблемам усиления стальных конструн пай. Однако, вопросы, касагаииеся данной темы, остались до • о:ша нерешенными, а роботы в этел облпети не выходили за рамки рекомендаций и инструкций по местному усилению повременных алиментов. Исследования раооты таких элементов при их честном усилении проводились лии* экспериментально /в рг

- а -

боте А.А.Опланчука/ и причем весьма ограниченно. Основном результатом этих исследований Сил вывод о нецелесообразности применения несимметричных /относительно плоскости изгиба/ схем усиления, приводя'чих к появлению дополнителышх деформаций и напряжений, особенно в процессе сварки.

В заключении главы обоснованы и сформулированы цели и задачи исслеповония. Отмечено, что теоретическое исследование ооиентировано на речение задачи прочности и деоормэтивности элементов произвольного моносимметричного сечения при действии продольных и поперечных сил и моментов, приложенных в плоскости изгиба. Однако, подробно в лпосертяпвп проведены экспериментальное и теоротичоскоа иеслелован.ш на изгибаемых элементах двутаврового сечения.

Вторая глава посвяшена теоретическому исолеяованию работы элементов, шеетшх местные депонты. Приведены обшиа положения итерационного расчета стержневого элемента. Оговорены основныо предпосылки и допутония, принятое при построении расчетной модели стержня.

Рассматриваемый элемент пролстявляет собой однопролетиый стеркань монос//,матричного сечения с различны:/,и условиями опиплния. Схема нагру^еиия задается в виде системы продольных, соореяоточенных и распределенных сил и момонтов, действующих в плоскости изгиба.

Деформационный расчет элемента осуществляется по методу, предложенному И.С.Ребровым. Эта задача й рамках алгоритма "СТКР.^НЬ" сводится к решению дифференциального уравнения ппвновесного состояния неупругого стержня

I)]М-у 4т-{Ни--№)]]"■ /I/

Для его мгаания использована матричная <1орма катода начальных параметров, предложенная В.И.Сливкером, при которой стапг.ень разбивается на коночное число участков малой протя-твчности /пкс.2й/, в пдадэлпх которых "осткоотино характеристики сечений считается чопгэяшшпя. Алгоритм "С'ГгёРЯЕНЬ" по-зголяет' гтостпо'ттг» мя лагтого ал-жента матрицу меткости и ВЧХТОО грузот-ых р-лакпкй с учПТ'М Р.ЮМ'ГГрГЧОСКОИ к-1ч!!«'п'|П0СТИ и лвпор^ошп! сдмиа. •

Жесткостные характеристики сечений определяются в рамках алгоритма "СКЧЙ1ШЕ", основанного на итерационном методе, предложенном В.П.Коломийпем для расчета упругопластических стержней. Сечения элемента прелставлядтся в виде набора пластин, произвольным образом ориентированных в плоскости Х-У. Каждая из пластин, в свою очередь, разбивается на элементарные плошадки дДп /рис.¡¿б/. С помощью алгоритма "СЙЧЕНИВ" определяются относительнее продольные / ty ) и сдвиговые / / деформации, кпивизна / ^ / оси стержня при действии известных'/из алгоритма "СТКРЙ'ЙИЬ"/ силових факторов, данных ' о геометоии сечений и заданной диаграмме раооты материала / 6"-£/. Последняя принимается либо идеализированно;! упруго-пластическои, либо упругопластическок с линейным упрочнением.

При соблюдении гипотезы плоских сечений /в сечении баз дефекта/ и пренебрежении влияния поперочпьх нормальных деформации. / £х / относительные продольные / £п / и сдвиговые /Уп/ деформации волокна /плошадки " п "/ вычисляются по (¡орыулам

£п = У + у • % i /2/

Уи = Ко • «Su-• te /ГSo tn) , J^J

где Уп - орпипята центра тягости плошадки " n "; S« , S» - статический момент полусечения и на .уровне плошадки " п " соответстиенно; t. , tn - толщина пластины у центра тяжести сечения и на уповне текущей оптанаты соответственно.

Затем определяется интенсивность .дао ормашш, упругие и плясг/ческие /остаточные/ составляю1.!1!« деформаций и напряжения, Производится итерационно^ уравноьашивакие внешних и внутренних усилий 'в сечениях и в результате уточняются НДС и жесткостные характеристики этих сечений. В алгоритмах использован предложенный И.С.Ребровыл расчетный прием, основанный на деформационной теории пластичности, и позволяющий прослеживать KCTopi'i нагруявнич волокон.

Структура расчета повре-хленннх элементов является обшей д>;я трех видов дз^октов. Влияние местного ослабления в рамках алгоритма "СТЕРЖНЬ" учитывается путем ввепэния в расчетное хврпктаоисгикн ослабленных сочэний приведенных тесткостей

на сжатив-растяжэние, изгиб а сдвиг, которое отыскиваются в рамках алгоритма "ПЛАСТИНА", попклдааемого к расчетной программе при подсчете составляющих компонентов деформаций в волокнах дефектных пластин.

Алгоритм "ПЛАСТИНА" состоит из специализированных процедур. устанавливающих характер распределения де^рмяпий по сечениям ослабленных пластин. Пропел:/си учета влияния местных вырезов стенки или полки построены либо ни основе МКЭ с использованием программы ЛКРА, либо на основе прибпикотшх аналитических зависимостей, аппроксмгоруигих и оооб,паю"'их полученные по МКЭ *орми расппеиеления деформаций в дефектных пластинах.

На рис.3 препставлена расчетная схема дефектного участ-,ка при использовании Л'КЗ. Протяженность участка .установлена на основе анализа результатов расчетов поврекпвнных элементов по МКЭ. Пряюгоннш системы связей и усилий имитируют работу у *астка в состава элемента. Расчет по ¡.'КУ позволяет получить тензор напря копий и перемещений в центрах тяжести конзч.чых элементов в предполо-онин раооты материала в упругой .стации.

При использовании приближенных аналитических .зависимостей относительные лепормапки волокна в сочении с местным вырезом стенки предлагается опролелить по следующим Формулам:

+ ; . А/

й. - О/.-^ > /5/

где характеристики с индексом " 4 " относятся к образуемой в зоне лейекта 4 -ой ветви; Qt - доля поперечной силы, .распределяемой на ветвп пропорционально их и.»гиб1шм жосткос-тям; £п<|- лобалка, учитнваи'пя ^оооеннооти распределения деформаций в волокнах деИоктпого участка. Она определяется с помотаю приближенных зависимостей, полученных автором и учитывающих влияние параметров лонвкта /его л '¡к на, высота, рэспологение по сечениы/ и ус 'Опия нагруженил по ого краям.

Для селения с местном шре.юм почки сдвиговый деформации еычеслрщ'ся по пормуло /3/, а нроломьнье - по Формуле

е„ , с у ♦ ^-з»)- ^ , /5/

/ЕА--

-КЗ

и <■ 2Ь

/ 1

и

1 1

>еа—° , 4- -1 и | еа—«г ;

X ^ ъ

Рис.3. Расчетная схема дефектного участка при использовании МКЭ:

б . "С - нормальные и касательные напряжения

_ в начале участка; <5 , X - то же, в конце участка .

Сторона полки, а.

опертая на стечк.У

Рис.4. К определении НДС погнутой полки; п - расчетная схема пластины; О - отдельная полоска " п " .

где \ГКп - коэ'Мшпонт концентрации напряжений, определяемый расчетом по МКЭ, либо с помошыо приближенной зависимости, полученной автором.

Применение прио'.иженных зависимостей позволяет получить результаты достаточно близкие к полученным по (ТО при существенном сокращении объема вычислений л машинных ресурсов.

Далее рассмотрена задача определения НДС сечения с меот-ной погибью полки. За основные параметры дефекта приняты его длина / 1а / и максимальная стрелка / /. В силу допущения о симметричном расположении дефекта относительно плоскости изгиба по»к-..ина полки представлена как погнутая пластина, тремя сторонами опертая по контуру /рис.4/. В основу решения задачи попотено допущение о том, что при соблюдении гипотезы плоских сечений в краевых сечениях искрипленные и прямолинейные продольные волокна /полоски/ получат одинаковые деформации удлинения /или укорочения/. Тогда продольные деформации в центрах тяжести искривленных волокон должны бить ниже, чем в прямолинейных, так кь.; первые работают не только на центральное с^атие-пастяпаниа, но и на изгиб. Таким образом выражение полного улпинония полоски " и " примет вид

АЦ= А1.,п * д1ип = ш

где д1.с1> - деформации, обусловленные центральным скатием-ра-отяпением; ¿{.ми - то кв,' изгибом; ЕАп- - продольная жесткость сечения поюски без учета ослабления; - максимальное

прир'П"ение прогибов полоски при приложении силы В, . Значение ' & определяется из решения дифференциального уравнения равновесия пластины, имеющей начальные прогибы й и нагпухонноН по краям продольной распределенной нагрузкой интенсивностью Р .

г . Г?Ч , ? ЭУ э уу"| , р Г 7'уу . э'у/ 1. п . ,о.

г^а - .пополнительные прогибы плаотаны.

Решение уочвноиия /8/ проводилось в двух вариантах. В первом испольаолпн метол гоночных разностей /.\'КР/; во втором нп/дзно частно» Ы'ч^ние, удовлетворяющее грангчнь'м чсювиям

по контуру тиэстрны.

Расчет пластины выполняется итерационно по следующим Формулам

НА»,у» s Ri-ld /aLe }

ЕАпркб. я 22 EA.t.jc* у bl $ - Е Pn . lj /(Z.EА^е ) ;

Pn = ЕА„лсл . aLj /Lj

гме - условная жесткость полоски; ЕА „рий - приве-

денная жесткость деЛектной ппастины.

Сдвиговые деформации л дефектном сечении ощзделяются по й'Ормуле /3/, а продольные деформации по Формуле

.6» = с у + У-• bn). y0jn , /10/

где а / ЕAn

Существон«<ое влияние на характер НДС полки с местной погибью могут оказывать шараыотры де(|акта, размеры полки, уровень и анак нппрячения по границам дефекта. Численный анализ результатов .исследования ¡позволил построить графики зависимости продольной исаст.кости дефектно.' полки от пввзчислешшх факт ров в безразмерной йормв. -Ираяяочон такяо подхсш ,к учету влияния местных поперечных ¡и продольных моментов па :НДС погнутой полки.

Предложенные алгоритмь реализованы в виде программных модулей, составленных на ьзнке ПЛ/I. Яинаша различных видов дефектов и их параметров исслеловсно 'на примерах расчета изгибаемых элементов.¡По результатам исследования сделан ряд выводов. В частнооти обмечено, что учит особенности поформи-говпния в зоне дефекта мотет вности поправку на поодапьную нагрузку'поврекденного ал ¿манта в ¡цхиолах 5 ¿и более в зависимости от парамотров детвкта и нормы нрамольно допустимых

ПЛЧСТИЧГЗС'.Ч'.Х ЦОНОр'-'ШНШ.

Тпотм! i"iana 1!о.:ея!Иг1НО теоретической'у ис.лчюьпнип работ« по^'М'-'неьних ач'л-гоитпв, .уср.лпьа-згл'х поя нягруакоЧ с

помощью сварки. В работе подобных элементов выделено три этапа. Первый ил них - работа элемента до усиления на совокупность начальных нагрузок. Второй этап - работа элемента в процессе приварки а;г мзнтов усилания и последующего остывания. И, наконец, третий этап - раоота после усиления'на возрастающие нагрузки. Учет этой особенности осуществляется путем введения дополнительных параметров деформаций оси стерния, позволяющих рассматривать работу усиливаемого элемента как непрерывный ппопесс.

В усиленных дефектных сечениях распределение деформаций приобретает сложный характер, связанный с особенностями деформирования волокон в зоне дефекта до и после усиления. Рас-пюепеленив пподолгчих деформаций по усиленным сечениям харак-теризувтс*1 наличием скачков, связанных с присоединением элемента .усиления к деформированному стержню /рис.5/. При устранении местного дейекта стенки предполагается совместная работа основного и дополнительного элементов на возрастающие нагрузки, в этом случае эпюры деформации в усиленном сечения определяются суммированием эпюр начальных и дополнительных деформаций* /рис.6а/

£„ * лС ; /И/

йп * Х*,Н + Уп,"д » /12/

д£" = 9 * 5 -Я* - бГ.н ;

У - дополнительная "оперечная нагрузка на К-ом этапе работы /или нагружения/; I/ , ^ - продольные деформации и кривизна оси усиливаемого сечения на стадии присоадг-ени.. элемента усиления.

При усилении дефектной по .ки предполагается, что' прикре-

й - г-есь и далее характеристики, относлгоеся к основному стержню, обозначены бук.чши с индексом "ОС" ; к алег/енту усиления - б' квамн с индексом "X"; к усиленному сторккю - ■ буквами без .указанных индексов. Индекс "Н" характеризует начальное состояние до усиления.

11Н|||.||Ц|11 1ТТТ|*<у ||'|Щ||,1НИН пгп

Элемент усиления

Основной элемент

I

п

ч=

ТТТ

ьл

1?

»с е

к к

Рис.5. Деформации стержня при его местном усилении.

У

I?

а-1 1!

Pnc.fi. Зпюри ле'-прмаинй в усиливаемом сечоиии с г/нотн^м ^¿--'•дктогл в вике: п - пыр:чп стл;га; О - погнои полии .

пленке алеманто усиления к ослабленной полке на влияет на характер ее деформирования при дальнейшей работе /рис.бб/. Сдвиговые деформации в этом случае вычисляются по /12/, а продольные деЛюрмаш -; - по формуле

и - ( У - - дбУ£ • /13/

Здесь 14 определяется по алгоритму "ПЛАСТИНА" в зависимости от вида деЛекта; д£ус- скачок в эпюро деформаций, определяемый только для сечения элемента усиления по формуле

/14/

уГ-

где 3. - ординатл центра тяжести элемента усиления относительно центра тягости усиленного сучения; Зсм - смещение центра тяжести сечения при усилении.

Для расчетного определения сварочных напряжений и деформаций рассмотрены две задачи - температурная и деформационная. В температурной задаче определяются температурное поле зоны местного усиления на этапе сварки и последующего остывания. Задача свопитоя к разрешению двумерного дифференциального уравнения теплопроводности для каздого из элементов, входяших в сос.эв усиленного стержня.

Решение /15/ осуществлено с использованием продольно-поперечной схемы разностных уравнений,' которые решаются метолом прогонки.

Решение деформационной задачи отроится в соответствии о теорией сварочных напряжений Н.О.Окерблома, согласно которой относительные профильные деформации волокна на К-ом этапе сварки или остывания представляют собой разность деформаций формоизменения и свободных тепловых деформаций, :.е.

К _ к К

б„ = С» - Кт • > /16/

к

где «г - коэффициент линейного расширения металла, зависящий от температуры Т„* .

Структура итерационного расчета усиливаемого стеркня следует ранее изложенной схеме, т.е. в результате циклического обращения ме:угу алгоритмами "СТйРййНЬ" и "СйЧйНИЕ" уточняются хесткостные характеристики и усилия в сечениях и в результате определяется НДС стержня но каждом этаио раооты или погружения. Расчет выполняется до тех пор, пока не достигается сходимость внешних и внутренних усилий в сечениях. Противный случай означает исчерпание несущей способности стерхня полнкм развитием шарнира пластичности в наиболее нагруженном сечении.

Долее изложена структура программного комплекса, составленного на ялике ПЛ/l, и основанного на разработанных алгоритмах.

Приведенные расчеты на ЬВМ показали существенное влияние ппоиесса сварки и уровня начального нагру-шния на работу усиливаемого поврежденного элемента, что диктует целесообразность уменьшения протяженности сварочных швов и ограничения уровня начального нагружения в пределах 0,6-0,7 от предельной нагрузки.

В заключении главы на основе результатов теоретичзского исслеаования продлочзна инженерная методика для проверки несущей способности стальных элементов, имокцих. местные дефекты в виде вырезов полки или стоики и погиби полок по критериям прочности. Расчет охватывает случаи'реСоты элементов Kai без усиления дефектного участка, ток и при его усилении под нагрузкой с помощью сварки. Подход к расчету подобных элементов остается обашм для всех рассматриваемых случаев. Он опирается на инженерные методы расчета обычных конструкций в упругой линейной постановке. При вычислонии напряжений в сечениях зоны мостного дефекта используется характеристики, определяемые по' плошали "HSTT0". При наличии местной погиби полки характеристики сечения определятся с учетом ослаблении погнутой полки путам во замени покмооинзнной поокоЛ, моньч'вй ширины с использованием графических зависимостей, полученьых по рторгг,; глава.

Особенности pnjoua певретоонпых и усюшюэмнк эломинтов сшг.пня.'г)с с ит;;;!:« допоют и прошссэ уск.лэнля, крдклага-•¡•icn riük.ifb о шкягав йьзд.-нуя спенг.альичх когнЮ иционтов .УГ1.-У31-;' оз.-оты, !;o.,,v44h;jh». на осноьо 'Я'смаоншго анализа ро-

эультатов расчетов на ЭВМ. Рассмотрены два случая расчета в упругой стадии и в упругопластической по критерию развитых пластических деформаций. Приведенные в табличной форме коэффициенты учитыЕ .пт влияние дефектов и их параметров, а при усилении - влияние уровня начального нагружзния и различия механических свойств металла оснсзного и дополнительного элементов.

Четвертая глава посвящена экспериментальном: исследованию работы стальных прокатных балок из двутавров, имеющих местные дефекты в виде вырезов стенки или полки и погибай полки, а также исследованию работы таких элементов при усилении их под нагрузкой о помощью сварки.

Испытание ба~ок проводилось в механической лаборатории им.Н.Н.Аистова ЛИСИ в две серии. Опытный образец представлял соб^й шарнирно-опертый элемент, изгибаемый в плоскости стенки под действием вертикальных сосредоточенных сил.

Балки первой серии предназначены для исследования работы элементов с повременной стенкой; балки второй серии -с повретденной полкой. Каждая из серий разделена на группы. Всего было испытано 32. образца с усилением и без усилония при варьировании параметров дефектов, их расположения /в скатай или растянутой полке/ и уровня начального нагружения. Для определения влияния местных дефектов на работу и кзсущей способность балок в программу эксперимента для каждой группы образцов входило испытаний эталонных /неповрежденных/ балок.

Местные вырезы в виде прямоугольника о плавными углами образовались в проектном положении'балки при ее полной разгрузке, и о помощью газорезки. Местная погибь полки создавалась с помощью специального стального штампа на прессе Амс-лера мощностью 50 т. Механические характеристики стг"1и балки у элементов усиления определены на основе результатов испытания на разрыв трех групп опытных образцов, соответствующих ГОСТ 1050-74.

В ходе испытания балок производились измерения фибровых деформаций в сучениях зс:ы дефекта и прилегавших к нэг? зон. Измерялись такке перемещения балок в плоскости и из плоскости на всех этапах их работы. При испытании балок о местной погьбью полки измерялись и дополнительные прогибы •

погнутой полки от приращения нагрузка. Основные результаты нопитания представлены в виде таблиц и графиков, где приведено сопоставление расчетных в экспериментальных данных.

Влияние местных ослаблений на деформативнооть балок было незначительным и проявлялось лишь на стадиях нагрукения, близких к предельным /в диапазоне 0,7-0,9 от предельной :а-грузки/. Несущая способность элементов снижалась в среднем на 10-15^. Усиление способствовало повышению несущей способности элементов с поврежденк-й стенкой на 12-15/5, а для элементов с поврежденной полкой - на Для большинства опытов ,было установлена плоская 3орма потери несущ й способности при развитии ширнира пластичности в зоне дефекта. Расхождение экспериментальных я теоретических данных, полученных расчетом' на ЭВМ, колебались в диапазоне 1-11% для поврежденных элементов без усиления, 1-92 - для усиленных элементов,

В целом результаты испытания подтвердили достоверность разработанных итерационных методов расчета и справедливость сформулированных на основе численных исследований выводоз об особенностях рг<оты повреаденных и усиливаемых элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ооновныо результаты в выводы исследований могут быть, сформулированы следующим образом:

Исследована работа элементов стальных стерчшевых конструкций, имеющих местные дефекты /или повреждения/ в виде вырезов стенки или полки, и погибай полки. На основе числен- -ных расчетов по ЫКЭ и МКР определены формы распределения деформаций по сечениям дефектных пластин. Установлено влияние иараметров дефекта и его расположения на характер деформирования в ослабленных сечениях.

2. В рамках итерационных методов расчета упругопластиче-ских стерший разработан унифицированный подход"к учету влияния местных дефектов о использованием приближенных аналитических зависимостей, позволявших существенно сократить объем вычислений и упоостить ввод исходных данных для решения практических запач. |

3. Разработан итерационный мэтед раочета повременных элементов при их м-.ючтом усилении под нагрузкой о помошь»

сварки. Он позволяет определять НДС элемента на всех этапах яго работы о учетом влияния местных дефектов и процесса усиления при использование различных схем и приемов.

4. Результаты численных исследований работы поьрезден-ннх изгибаемых элементов показали, что влияние местного дефекта на деформативности этих алеменив незначительно. Учет концентрации наполнений в з.она местного выреза может внести поправку на предельную нагрузку по прочности до Г% в зависимости от параметров дефекта и нормы допустимых пластических деформаций в сечении.

5. Чис .енное исследование работы элементов о местными погибями полок позволило оценить роль дефекта и его параметров в определении НДС элемента и его несущей способности.

На основе этого исследования полусны графические зависимости, характеризующие роль и влияние различных факторов па степень ослабления погнутой полки.

6. Усиление элементов, имеющих местные дефекты, путем увеличения их сечения в зоне ослабления, как правило, приведет к восстановлению несущей способности элемента. Однако такие Факторы, как уровень начального нагружеяия,- протяженность сварных швов могут оказать влияние на работу усиливаемого элемента. Их увеличение приводит к повышению деформати-вности элемента и более раннему наступлению упругопластичео-кой стадии работы. Предложенные расчетные алгоритмы позволяет оценить эффективность проводимого местного усиления.

7. Разработанный инженерный метод расчета позволяет достаточно просто оцэнить несущую способность /по критериям прочности/ повредаенных элементов стальных конструкций как без усиления, так и при их местном усилении.

8. Экспериментальные исследования подтвердили результаты численного анализа работы поврегдеиных элементов, в том числа при их местном усилении. Они показали достоверность разработанных численных методов расчета.

Основные пило йния диссертации изложены в следующих публикациях:

I. Лаитх Азхер Абдул Карим. К оаочату местного усиления элементов стальных конструкций // Металлглеокг.о конструкции и. лспытанио сооружений. - Л., 1238. - С.1П-П4.

2. Ребров И.С., Лнитх Аахер Абдул Карим. К расчету местного усиления дефектных элементов стальных конструкций /V Металлические конструкции и испытание сооружений. - Л., 1990. - С.53-58.