автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Общее и местное усиление стальных балок

РГ 6 ОД

2 7 '

На правах рукописи

Тамбовцев Евгений Николаевич

ОБЩЕЕ И МЕСТНОЕ УСИЛЕНИЕ СТАЛЬНЫХ БАЛОК

Специальность 05.23.01. — Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 1995

Работа выполнена в Пензенском Государственном архитектурно-строительном институте и Санкт-Пстсрбургском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Ги.С.Ребров, ]

доктор технических наук, профессор К.К. Нежданов

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор А.Н.Раевский, кандидат технических наук, доцент Н.Я.Кузин

Ведущая организация -Пензенское ТОО "Волглстальмонгаж"

Защита состоится "21 " декабря 1995 г. в

" 13 " часов на заседании диссертационного совета К 064.73.01. в Пензенском государственном архитектурно-строительном институте по адресу:

440028, г. Пенза, ул. Титова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного архитектурно-строительного института.

Автореферат разослан " 20 " ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 064.73.0 доктор технических наук, ' ¿^ профессор

А.Н.Бобрышев

Актуальность____рабовдХ началом проведения рыночных

еформ возникла необходимость более рационального исполь-эвания производственного потенциала страны. Одним из лавных путей улучшения его использования является рекон-трукция предприятий. Проведение реконструкции действующего роизводства позволяет снизить удельные затраты на единицу [редукции и сократить срок окупаемости капитальных вложений ю сравнению с новым строительством, что весьма актуально при .ефиците необходимых средств в бюджетах различных уровней и ' отдельных предприятий.

Модернизация производства, как правило, обусловливает 'величение эксплуатационных нагрузок на конструкции зданий и :ооружений, что в свою очередь приводит к необходимости их усиления. Причиной усиления могут быть также ошибки при 1роектировании или дефекты, возникающие в процессе изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.

На кафедре Металлических конструкций и испытания ;ооружения Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета и кафедре Металлических и деревянных кон-зтрукций Пензенского государственного архитектурно-строительного института в течение последних пятнадцати лет ведется разработка вопросов проектирования и расчета усиления стальных конструкций. Этой проблеме посвящена и настоящая работа. Началу исследований послужило решение научно-технических задач реконструкции и усиления в соответствии с отраслевой программой 0,55.01.121 Госстроя СССР "Разработан, 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". В качестве предмета исследования выбраны металлические балки (однопролетные и многопролегные неразрезные), являющимися одними из наиболее распространенных в строительстве. Основное внимание уделено усилению в напряженном состоянии при действии эксплуатационных нагрузок. Этот случай представляет наибольший практический интерес, так как позволяет свести к минимуму простой технологического оборудования,

Цель_работы ~ экспериментально-теоретические исследования работы и совершенствование методов расчета стальных

балок, усиливаемых под нагрузкой увеличением их изгибной и сдвиговой жссткостей.

Научную новизну работы составляют:

— алгоритмы и программа расчета однонролетных балок, усиленных диагональными ребрами жесткости в напряженном состоянии с учетом сварочных напряжений и деформаций;

— метод оценки местной устойчивости стенок стальных балок, усиленных под нагрузкой;

— алгоритмы и программные модули для учета деформаций сдвига и моделирования различных приемов усиления неразрезных многопролетных балок, порядка усиления и технологии сварки;

— результаты экспериментальных исследований стальных балок, усиливаемых под нагрузкой.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты предназначены для оптимизации и расчета усиления металлических конструкций. Их использование позволяет повысить достоверность расчетов, более обоснованно подходить к оценке несущей способности усиленных конструкций и, следовательно, обеспечить более надежную их эксплуатацию. Разработанные алгоритмы реализованы на ЭВМ и являются составной частью общей программы расчета усиления, позволяющей определять напряженно--деформированное состояние балок произвольного моносиммстричного поперечного сечения с различными краевыми условиями, усиливаемых в напряженном состоянии присоединением элементом усиления произвольной конфигурации. Результаты экспериментального исследования имеют практическую ценность для исследователей, работающих в области расчета обычных и усиленных как однопролетных, так и многопролетных неразрезных стальных балок.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в Красноярском ПромстройНИИпроект, в ПО " Куз-нецктексгильмаш" и на Уфимском заводе синтезспирта. Методы расчета усиления стальных балок использованы в учебном пособии "Усиление стальных конструкций" (автор Кузин Н.Я.)

Апробация _ работу^ Отдельные положения и разделы дисстертационной работы доложены на 43-й — 45-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава Л И СИ (Ленинград 1986, 1987, 1988), на 25-й - 28-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского

4

ГАСИ (Пенза, 1989, 1991, 1993, 5995), на Всесоюзном семинаре "Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий" (г. Макеевка, 1986), на научно-практическом семинаре "Современные методы оценки технического состояния конструкций зданий и мероприятия по их усилению" (г, Красноярск, 1989).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 182 стр., из них 107 с ¡р. машинописного текста, 82 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает 106 наименований, из них 102 на русском языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность поставленной задачи, формулируются цели исследований, приводится краткое содержание работы.

Первая „глава посвящена характеристике современного состояния вопроса и изложению задач исследования. Она носит обзорный характер и содержит сведения о современном уровне исследований в области усиления стальных конструкций в напряженном состоянии с помощью сварки. Приводятся сведения об основных методах, приемах и способах усиления. Отмечена эффективность использования при усилении одновременно нескольких методов и приемов.

Большой вклад в развитие приемов и методов усиления несущих конструкций внесли Е.О.Патоп, В.Л.Гастев, И.БЛилин, Г.К.Евграфов, Т.М.Богданов, М.Н.Лащенко, Г.А.Шакиро, М.Б.Солодарь, ЯА.Ильяшевский, А.И.Кикин, М.М.Сахновский, Е.И.Белени, В.В.Бирнзлеи, ¡0.В.Гайдаров, VI. Р. Вельс кий.

Изучению вопроса оценки несущей способности и дефор-мативности усиленных под нагрузкой элементов посвящено значительно меньшее публикаций. В работах В.Г.Швари,бурга и ЯХКуценка приведены методы расчета усиленных элементов с учетом упруго-пластической стадии работы материала.

Исследование работы усиленных под нагрузкой увеличением сечения разрезных балок было проведено Е.И.Беленя, И.Я,Донником, М.Я.Шепельским. Предложенные авторами методы позволяют учесть упруго-пластическую стадию работы материала и те особенности, которые характерны для усиленных под нагрузкой элементов. Вместе с тем указанные методы не

5

охватывают всего многообразия схем нагружения, условий усиления, характера развития пластических деформаций. Вопросы усиления сжатых элементов в напряженном состоянии были рассмотрены В. М. Колесниковым, Л.Г.Иммерманом, Б.И.Дссятовьш, Р.Кизингсром, И.С.Ребровым, И.К.Родионовым. Авторами уделялось особое внимание учету влияния сварочных напряжений и деформаций на работу усиленных элементов и на их несущую способность.

Необходимость дифференцированной оценки влияния таких факторов как уровень начального нагружения, схема и технология усиления, параметры сварного шва, на работу усиленных элементов обусловила разработку численных методов. Методом, предложенным И.С.Ребровым, можно определить основные характеристики напряженно-деформированного состояния стержня (НДС) до его усиления, при. присоединении и сварке элементе« усиления, в ходе последующего нагружения.

Далее приводится краткий обзор развития методов расчета стержневых конструкций в нелинейной постановке. Данной проблеме посвящены работы А.В.Геммерлинга, А.Р.Ржаницына, Г.Е, Вельского, В.И.Сливкера, С.Д.Лейтеса. Э.С.Алексаидровскпй, В.И. Парикова, Н.В.Корноухова и других авторов.

Проблеме разработки методов расчета усиленных систем посвящены исследования И.С.Реброва. Особенности предложенных методов обусловлены тем, что изменение расчетной схемы и жесткости конструкции происходит в деформированном состоянии при определенном уровне внешних нафузок и, как следствие этого, существенным влиянием начальных деформаций на распределение усилий в системе.

Статический расчет усиления стержневых конструкций решается итерационным методом. Общий алгоритм расчета разбивается на три самостоятельные части: "сечение", "стержень", "система". В основе алгоритма "система" лежит общая модификация метода перемещений, учитывающая конечные жесткости стержней на растяжение-сжатие. Геометрическая нелинейность учитывается на уровне алгоритма "стержень", построенного на базе метода начальных параметров, а физическая нелинейность -на уровне алгоритма "сечение".

Таким образом, особенности усиленных под нагрузкой конструкций, связанные с нарушением "еетест'пенного" порядка их деформирования, сложным характером распределения напряжений и деформаций в сечениях, повышенной деформативностью,

6

работой I! значительном диапазоне нагрузок в упруг «пластической стадии, можно распространить и на сложные стержневые системы. Расчет таких конструкций желательно выполнять как единых физически и геометрически нелинейных систем.

Экспериментальному исследованию усиленных конструкций посвящены работы Р.Кизингера, В. М. Колесникова, И.К.Родионова, и которых особое внимание уделялось испытанию моделей и натурных конструкций типа ферм. Работы Г.Е.Вельского, А.П.Коновалова посвящены испытанию моделей рамных конструкций. В работах Е.И.Беленя, И.Я.Донника, В.В.Бирюлева, А.В.Столбова, М.Я.Шепельского приведены результаты испытания усиленных балок.

В заключении главы на основе анализа существующих методов расчета н особенностей работы усиленных под нагрузкой конструкций сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена рассмотрению задач расчета одно-пролетных и многог.ролетных неразрезных балок, усиливаемых под нагрузкой присоединением дополнительных элементов усиления произвольной конфигурации и длины. Считается, что бачка и элементы усиления имеют плоскость симметрии, совпадающую с плоскостью действия сил.

Уравнение изогнутой оси упругопластической бачки с учетом деформаций сдвига (уи начальных деформаций (-/") записано в виде

Для его решения использован предложенной В.И.Слив-кером метод начальных параметров в матричной формулировке. Жесткости сечений балки в пределах участков А г, на которые она разбита, считаются постоянными. Алгоритм расчета, позволяющий изложенным методом получить решение уравнения изгиба балки переменного сечения при известных условиях закрепления, жесткостях сечений и величинах дополнительных угловых деформаций назван алгоритмом "Стержень".

Итерационный процесс в рамках алгоритма "Сечение" сводится к последовательному определению относительных деформаций, уточнению жесткостных характеристик сечений в

упругопласгической стадии работы балки и проверке условий равновесия внешних и внутренних усилий.

При построении расчетной модели балка считается состоящей из нескольких элементов (рис. 1, а). Каждый из элементов представляется в виде набора пластин, произвольным образом ориентированных на плоскости х-у. Сечение каждой из пластин разбивается прямоугольной сеткой на элементарные площадки дАп (рис. 1, д).

_____Л ^ -~

а)

р=э А?

И

1-1

6}

-^У-к2 -

шряшвт шшятщ инш

I ¿¿Л

о)

к.

г)

Рис. I. К построению расчетной модели стержня: а,б - обобщенная схема усиления; в - схема полусечеиия стержня; г - разбиение элемента на пластины; д - разбиение пластины на элементарные плошадкн

В работе балок, усиленных под нагрузкой, выделено четыре этапа. Первый этап — работа до усиления, когда всс действующие (начатьные) нагрузки воспринимаются основной конструкцией. Второй этап — работа в момент присоединения элементов

силения, сопровождающаяся изменением напряжен!ю-дефор-шрованного состояния балки при постоянной нагрузке. Третий man — работа в процессе сварки. Четвертый этап — работа 'силенной балки на суммарное воздействие начальных, ;табильных и возрастающих нагрузок.

Характер работы усиливаемых балок может значительно «меняться вследствие изменения статических схем, жесткостей отдельных элементов и условий нагружения после усиления. При этом не исключена возможность появления деформаций зазфузки или пластических деформаций обратного знака в ранее пластически деформированных зонах сечений. Сказанное обусловливает необходимость учета истории нагружения при расчете усиливаемых конструкций. Для определения напряженно-деформированного состояния на любом шаге приращения нагрузки АР или на этапе сварки используется предложенный И.С.Ребровым метод, позволяющий подсчитать упругие и пластические составляющие деформаций и напряжений при известных остаточных пластических деформациях, накопленных к предыдущему шагу.

При учете влияния деформаций сдвига на упруго-пластическую работу балок считаются справедливыми допущения о распределении деформации сдвига по закону, соответствующему работе сечения п упругой стадии, и о равномерности распределения сдвигов пи толщине пластин. Деформации слита определяются в ходе итерационного процесса, добиваясь сходимости внешних и внутренних сил. Отмечено, что жесткость сечения на сдвиг зависит как от формы поперечного сечения, так и от характера распределения в нем пластических деформаций.

В ходе итерационного процесса на первом этапе определяется начальное НДС, характеризуемое относительными деформациями деформациями сдвига у"ы в центрах тяжести сечений и кривизнами %°н) . Присоединение элементов усиления к криволинейным поверхностям деформированного основного стержня осушестш7яется при помощи струбцин, хомутов, стяжек

Здесь и далее буква с индексом "ОС" относятся к характеристикам основного сечсиии; буквы с индексами "УС" - к характеристикам элементов усиления; буквы бет индексов - к характеристикам усиленною сечения; индекс "Н" характеризует начальное состояние до усиления; индекс '"Г — номер сечсния; индекс 'V — номс-р рассматриваемой площадки сечения.

и т.п. Создаваемая стяжными устройствами он утренняя уравно вешенная система сил qcm приведет к изгибу элементов (рис.2). После присоединения элементов усиления эпюры деформаций характеризуются наличием скачков на границе основного сечения и элементов усиления, которые в ходе дальнейшего расчета считаются неизменными. При одновременном присоединения элементов усиления величина скачков определяется выражением

у ос

К = чС + XV Ур) ' (2)

где усм — смещение центра тяжести сечения при усилении;

Ув ~ ордината центра тяжести р-го элемента усиления относительно центра тяжести усиленного сечения.

б!

в!

^тл

—--Ц^

»7 и и «с

rJ

k"

^П Л

у

1

- ~ - Т

Р=2 у. ,7« 47* 7» 7

Рис. 2. К определению деформаций при присоединении элементов усиления: а,б - схема прогибов стержня при усилении; в - эпюры продольных деформаций; г - эпюры деформаций сдвига (условно показаны только для вертикальных пластин)

д

Результирующая эпюра сдвиговых деформаций определяется суммированием эпюр начальных и дополнительных деформаций. Дальнейший расчет стержня на любом шаге нагружения выполняется с учетом ступенчатого характера (наличие Агнр и у*)

распределения деформации в усиленных сечениях.

На третьем этапе работы усиливаемой балки производится присоединение элементов усиления с помощью сварки, сопровождаемое появлением зон термопластичиостн и приращением деформаций оси стержня. Период сварки и остывания разбивается на отдельные шаги, разделенные малым временным интервалом Д/, на каждом из которых решается задача отыскания НДС стержня. Определение температурного поля при сварке сводится к решению двухмерного дифференциального уравнения теплопроводности для каждого из элементов, входящих в состав стержня.

дт i s Г. „ ап д (. _ оТ\ _ ч. , /_

— | АЬ — + --- — i + gis, Z, t)b - da{T - Гс)

oS \ oS) oL \ Oí.)

dt (Cyo)

,(3)

где д - функция и сточника тепля (распределенная по объему мощность сварочной дуги). В результате решения температурной задачи определяется температурное поле рассматриваемого элемента в любой момент времени в процессе сварки и последующего остывания.

Деформации и напряжения в центре тяжести элементарных площадок ДД при соответствующей температуре Т"п определяются по формулам:

е" = V* + хЧ - К - «гт;;

V» у« + у* . (4)

<т; - Е[е* - С „(I - 0т)];

¿I1 + Рп)

где а"т - коэффициент линейного расширения стали, принимаемый л функции температуры Т"п в каждой точке;

ат — коэффициент линейного упрочнения;

- остаточные пластические составляющие деформаций, накопленные к рассматриваемому моменту времени и определяемые с учетом зависимости предела текучести от температуры. На четвертом этапе выполняется расчет усиленной балки на суммарное воздействие начальных, стабильных и возрастающих нагрузок, определяемых по формулам

М = мн ) Мс ^ Мвхк-,]

р = Р. + Р.+Р,К; (5)

Я= <7. + <7е + '

Д.'

где я„ = + — параметр нагрузки на предшествующем 2 шаге нагружения; 5=0,1,2,..., Таким образом, расчет предусматривает ступенчатое увеличение параметра нагрузки с определением состояний равновесия на каждом уровне нагружения. В начале расчета значения 5 принимаются нулевыми. Когда процесс перестает сходиться на заданное число циклов происходит уменьшение шага возрастания вдвое (5=5+1) и расчет повторяется.

Усиление балок дополнительными продольными элементами позволяет значительно повысить их жесткость и несущую способность на изгиб, но незначительно увеличивает сдвиговую жесткость. В ряде случаев предельное состояние усиленных балок может определяться условиями местной устойчивости стенок. В связи с этим предложен метод, позволяющий на каждом шаге нагружения выполнять проверку устойчивости стенки в следующем виде

е? <

14

где с5 — интенсивность краевой деформации в сжатой зоне стенки;

— интенсивность критических деформаций, опреде-' ■|лр ляемая по формуле

£

здесь о — приведенное критическое напряжение для неограниченно упругой стенки, определяемое по специальным таблицам в зависимости от неравномерно-

сти распределения деформации е по высоте стенки; уровня касательных напряжений и отношения расстояния между ребрами жесткости к высоте стенки; с - коэффициент, учитывающий снижение критических деформаций в упругопластичсской стадии работы материала.

При недостаточной местной устойчивости или недостаточной несущей способности балок по срезу появляется необходимость усиления их стенок. С этой целью рассмотрены вопросы расчета усиления стенок бавдк наклонными ребрами жесткости. Приведена структура расчета и основные формулы алгоритма "Отсек", предназначенного для определения продольного усилия, возникающего в наклонных ребрах, и уточнения с учетом его воздействия, силовых факторов в сечениях бачки в пределах усиленного отсека.

Рассмотрена задача определения продольного усилия с учетом сварочных напряжений и деформаций, возникающих при приварке наклонных ребер жесткости к стенке. Раскрытие статической неопределимости балок, усиленных наклонными ребрами, основывается на методе сил при использовании понятий условных жесткостей сечений.

Большое внимание уделено предложеннму И.С,Ребровым, методу по расчету усиления нсразрсзных балок увеличением сечения отдельных элементов. Расчет базируется на методе перемещений и его матричной формулировке. Приведены основные формулы по определению перемещений узлов системы на любом этапе ее усиления.

Третья глава посвящена анализу особенностей работы усиливаемых балок, выполненному на основе численных расчетов. Приводится краткое описание программы ИЛ С, позволяющей определять напряженно-деформированное состояние усиливаемых стержней на всех этапах работы и производить оценку несущей способности по прочности, устойчивости и жесткости.

Тип сечения в виде двутавра и схемы его усиления продольными полосовыми накладками и наклонными ребрами жесткости выбраны потому, что такие схемы наиболее типичны для балочных конструкций.

Проанализировано изменение НДС балок в процессе их усиления с помощью сварки при различных уровнях начального

натружения. Уровень нагруженмя бгыки в момент усиления характеризуется величиной

где а°стах - максимальное приведенное напряжение в наиболее нагруженном сечении основного стержня.

Отмечено, что после прохождения дуги через рассматриваемое сечение, в зонах, прилегающих к швам и нагретых ниже 600°С, вначале развиваются сжимающие напряжения, достигающие предела текучести. Волокна, нагретые свыше 600°С, находятся в пластическом состоянии. По мере остывания происходит пластическая усадка металла. В волокнах, примыкающих к сварному шву, формируются растягивающие напряжения. Неравномерный нагрев пластин приводит к появлению напряжений различного знака, которые достигают в отдельных зонах предела текучести. С ростом (} происходит более раннее и интенсивное развитие и накопление остаточных пластических деформаций, причем не только в зонах высокого нагрева, но и в сравнительно мало нагретых, удаленных от сварного шва. Это приводит к существенному приращению кривизн от сварки и росту перемещений усиливаемых в напряженном состоянии балок по сравнению со случаями сварки без нагрузки. Увеличение сварного шва и скорости сварки приводит к более интенсивному росту кривизн. При усилении со стороны сжатого пояса дополнительные деформации достигают наибольшего значения.

Наличие остаточных сварочных напряжений и деформаций и неравномерное их распределение по ширине основного и дополнительного элементов во многом предопределяют дальнейший характер работы усиленных балок.

Проанализировано изменение НДС для различных схем усиления. Отмечено, что при усилении со стороны растянутого пояса приведенные напряжения в предельном состоянии достигают значения предела текучести только в сжатом поясе и части стенки, прилегающей к нему. В случае увеличения сечения сжатого пояса при высоком уровне начального нагружения развитие пластических деформаций начинается со стороны усиленного сжатого пояса. При всех схемах усиления выравнивание напряжений в ссчениях происходит при весьма развитых пластических деформациях.

Анализ деформативносги усиливаемых под нагрузкой балок показал, что в случаях симметричного и несимметричного усиления со стороны сжатого пояса сварочный процесс неблагоприятно сказывается на их работе и должен учитываться при расчетах. В случае усиления балок со стороны растянутого пояса при сравнительно невысоком уровне начального нагружения сварочный процесс оказывает положительное влияние, поскольку направление сварочных прогибов противоположно направлению прогибов усиленной балки при возрастании внешней нагрузки.

Далее приводятся результаты анализа влияния уровня начального нагружения и параметра к (параметр к представляет собой отношение площади поперечного сечения наклонных ребер к площади поперечного сечения бачки) на величину продольного усилия в ребре. С развитием упругопластических деформаций в основном сечении величина продольного усилия в ребре начинает расти более интенсивно, а приращение поперечной силы, воспринимаемой стенкой с каждым шагом нагружения уменьшается. Чем ниже уровень начального нагружения, тем существеннее разгрузка стенки за счет введенного дополнительного ребра. Отмечено, что увеличение параметра к эффективно только при низком уровне начального нагружения.

Особое внимание уделено анализу влияния параметров сварки на величину усилия в ребре при различном уровне начального нагружения.

Показано изменение величины продольного усилия н ребре в процессе сварки и последующего остывания, исследовано влияние скорости сварки, типа и высоты сварного шна на величину и знак остаточного усилия в ребре. Сделан вывод о том, что при использовании для приварки диагональных ребер к стенке односторонних связующих шпоночных швов минимального катета перераспределение усилий на этапе сварки невелико и с влиянием сварочных деформаций и напряжений зачастую можно не считаться. С целью дополнительного уменьшения неблагоприятного влияния остаточных деформаций и напряжений сварку рационально выполнять с малой скоростью или использовать перерывы для уменьшения сварочного нагрева. При невозможности выполнения указанных технологических условий расчет усиления необходимо проводить с учетом сварки.

Проведена оценка влияния начального нагружения и сварочных деформаций и напряжений на местную устойчивость

15

стенок. Варьировались схемы усиления, уровни начального нагружения и параметры сварных швов. Показано, что моментом потери местной устойчивости стенки является достижение интенсивности краевой деформации в сжатой зоне своего критического значения. При симметричном усилении повышение уровня начального нагружения и учет сварки всегда приводит к росту деформаций и снижению критических нагрузок, При несимметричном усилении балок влияние начальных и сварочных деформаций и напряжений на местную устойчивость стенок, зависит ог схемы усиления. Отмечено, что у несимметрично усиленных со стороны растянутого пояса балок критические нагрузки практически не зависят от [5. Вследствие несовпадения знака приращения деформаций и напряжений от сварки со знаком деформации и напряжений от внешней нагрузки при р = 0, значение предельной нагрузки оказалось несколько выше, чем у рассчитанных без учета сварки балок. Отмечено так же, резко негативное влияние сварки на критические нагрузки балок, усиленных со стороны сжатого пояса. При увеличении высоты сварного шва и уровня начального нагружения наблюдалось достижение интенсивности краевой деформации своего критического значения уже в процессе сварки, чти подтверждает необходимость учета указанных факторов при оценке местной устойчивости стенок.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, цель которых состояла в проверке методов расчета усиленных балок и выявлении их работы на различных этапах.

Исследование влияния уровня начального нагружения на местную устойчивость стенки было выполнено на сварных балках двутаврового сечения пролетом 3,9 м, усиливаемых со стороны растянутого пояса. Всего было испытано 4 балки при варьировании уровня начального нагружения. Проведено сравнение расчетных и опытных данных о развитии перемещений и деформаций в процессе сварки и последующего нагружения; о виде предельного состояния и величине предельных нафузок. Подтверждена достоверность метода по оценке местной устойчивости стенок.

Испытания двухпролетных неразрезных балок пролетом /1=1,0 м и /2=3,5 м, из сварного двутавра, усиливаемых с помощью сварки, позволили оценить влияние начальных и сварочных деформаций на работу усиленных элементов. Всего было

испытано 8 балок, разбитых на три серии в зависимости от схемы усиления. Внутри каждой серии образцы разбивались на группы в зависимости от уровня начального нагружения. Два образца серии (С) усиливались симметрично и районе средней опоры; три образца серии (Р) усиливались наклонными ребрами жесткости в приопорном отсеке; у двух образцов серии (К) производилось комплексное усиление, т.е. постановка дополнительных ребер жесткости в приопорном отсеке и симметричное наращивание сечения поясов по всей длине балки. В ходе опытов производилось измерение фибровых деформаций в характерных сечениях, прогибов и реакции одной из опор на всех этапах их работы. Основные результаты испытаний представлены в виде таблиц и графиков. Приведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных об изменении продольного усилия в наклонных ребрах. Отмечено, что п процессе сварки под нагрузкой происходит заметное перераспределение усилий в балке.

В конце главы приводятся краткие выводы по результатам экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатом проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработаны ачгоритмы и программы: по расчету однопролетных балок, усиленных наклонными ребрами жесткости с помощью сварки; по учету влияния деформаций сдвига на развитие пластических деформаций в сечениях неразрезных оалок; по оценке местной устойчивости стенок балок, усиленных увеличением сечения поясов.

2. Программный комплекс позволяет определить напряженно-деформированное состояние бачок, усиленных листовыми накладкам и и наклонными ребрами жесткости на любом этапе их работы. Использование этих программ для целей исследования, проектирования и расчета позволяет более эбоснованно подходить к оценке несущей способности и геформативности.

3. По результатам расчетов на ЭВМ проведен анализ влияния тачальных нагрузок и параметров сварки на несущую способность однопролетных балок при различных схемах. Отмечена

необходимость учета перечисленных факторов при каждом расчете усиления изгибаемых элементов.

4. На основе численных расчетов на ЭВМ проведена оценка влияния уровня начального нафужения, скорости сварки, параметров швов и поперечных сечений основного и дополнительного элементов па работу и несущую способность одно-пролетных балок, усиливаемых диагональными ребрами жесткости. Приведены технологические условия, при которых сварочными деформациями и напряжениями можно пренебречь.

5. Постановка наклонных ребер приводит к значительному снижению касательных напряжений в стенке и, как правило, предельное состояние бачок наступает уже в иных (неусиленных) зонах.

6. По результатам исследований проведена оценка местной устойчивости стенок балок, усиливаемых под нагрузкой увеличением сечений поясов с помощью сварки. Установлена степень влияния схемы усиления, уровня начального нагружения и сварочного процесса на величину критических деформаций и напряжений и предельных нагрузок, воспринимаемых балкой.

7. Для балок несимметрично усиленных со стороны растянутого пояса влиянием начальных и сварочных, деформаций на местную устойчивость стенок можно пренебречь, так как оно невелико.

8. Прикрепление дополнительных элементов со стороны сжатых волокон с помощью сварки оказывает резко негативное влияние на местную устойчивость стенок.

9. Экспериментально исследованы особенности работы неразрезных балок, связанные как с увеличением сечения поясов, так и с постановкой дополнительных наклонных ребер жесткости. Данные испытаний однопролетных балок удовлетворительно согласуются с результатами теоретических исследований, что подтверждает приемлемость использования предложенной методики по оценке местной устойчивости усиливаемых под нагрузкой балок.

10. Отклонение теоретических значений деформаций от экспериментальных па 14—16% можно объяснить перераспределением внутренних усилий в стенке даже при незначительном ее выпучивании.

11. Теоретические кривые развития прогибов в целом подобнны экспериментальным и достоверно описывают характер работы балок под грузкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тамбовцев E.H. К вопросу усиления стенок стальных балок под нагрузкой ,// Металлические конструкции и испытания юоружений : Межвуз. темат. сб. тр.— Л.: ЛИСИ, 1986. С. 88-92.

2. Тамбовцев E.H. К расчету усиления под нагрузкой изгибаемых элементов // Индустриальные технические решения щя реконструклии зданий и сооружений промышленных федприятий : Тез. докл. Всесоюзного семинара. - Макеевка, 1986. С. 146 - 147.

3. Реброп И.С., Тамбовцев E.H. Влияние сварочных 1еформ;ший на работу стальных балок, усиливаемых шагональными ребрами /'/ Металлические конструкции и ¡спытания сооружений : Межвуз. темат. сб. тр. Л.,- ЛИСИ 1987. 1 38-43.

4. Тамбовцев E.H. Оценка местной устойчивости стенок тальных балок, усиливаемых под нагрузкой // Металлические инструкции и испытания сооружений: Межвуз. темат. сб. тр.— 1.: ЛИСИ, 1988. С. 51-55.

5. Тамбовцев E.H. Испытания стальных сварных балок, силенных под нагрузкой //' Современные методы опенки ехнкческого состояния конструкций зданий и мероприятия по ix усилению: Тез. докл. Науч1 ю-практического семинара. -'фасноярск, 1989. С. 58 - 63.

6. Тамбовцев E.H. К оценке местной устойчивости стенок тальных бал он, усиливаемых в напряженном состоянии // 1аучно-техиический прогресс в строительстве: Тез, докл XXVH 1аучно-технической конференции.- Пенза, 1993. С. 65-66.

7. Тамбовцев E.H. Об испытании неразрезных стальных алок, усиленных под нагрузкой: Тез. докл XXVIII Научно-гхнической конференции.- Пенза, 1995. С. 195.

8. Нежданов К.К., Тамбовцев E.H. Эффективный способ опышеиня долговечности и снижения материалоемкости одкрановьгх конструкций//' Промышленное и гражданское гроительство - 1995,- №П.-С.

9. Нежданов К.К., Тамбовцев E.H. Повышение долговечности одкрановых конструкций // Долговечность строительных атериалов и конструкций: Тез. докл. международной научной ^ференпии. —Саранск, 1995. С. 88-89.

10. Узловое соединение подкранового пути с колоннами / зставители: К.К.Нежданов, А. К. Нежданов, А.В.Васильев,

19