автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Основы конструирования, расчета и технологии изготовления малодеформируемых железобетонных конструкций для базовых элементов машиностроительного оборудования

Основы конструирования, расчета и технологии изготовления малодеформируемых железобетонных конструкций для базовых элементов машиностроительного оборудования

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,здания и

сооружения

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -о1997г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском,проект конструкторском и технологическом институте бетона и железобетон ( Н И И Ж Б) Государственного научно-производственного федераль го центра "СТРОИТЕЛЬСТВО" Минстроя РФ.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,профессор Залесов A.C.

Доктор технических наук»профессор Зайцев Ю.В

Доктор технических наук,профессор Суров К.Л.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение

"ГИДРОМАШ"

Защита диссертации состоится и$>".. . 1997г.в 14 сов на заседании диссертационного совета Д 033.03.01 по зап диссертаций на соискание ученой степени доктора технических нау Научно-исследовательском , проектно-конструкторском и технолс ческом институте бетона и железобетона ( НИИЖБ ) по адресу: 109428, Москва, 2-ая Институтская ул. д.б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института,

Автореферат разослан . J^^^^Pr^.. 1997roj

Ученый секретарь диссертационного Совет. Д 033.03.01 канд.техн.наук

Л.Н.ЗИКЕЕВ ■

Вводояие

В повышении технического уровня современных машин и оборудования одним из оправданных путей явилось увеличение доли применения неметаллических материалов для изделий, традиционно изготовляемых из металла. В машиностроении США эта доля составляет примерно 15-20%, в Японии к 2000 году составит около 50%, в Германии - до 30%. В России она равна всего около 2% и тенденция ее роста сдерживается отсутствием теоретически обоснованной методологии.

Современный уровень развития строительной технологии и конструкций позволяет успешно решать проблему совершенствования машиностроительной продукции за счет использования специальных бетонов и железобетона,как обычного,так н одноосно-, двухосно- или объемно предварительно напряженного.

Опыт применения железобетона и специальных бетонов в машиностроении восходит своими истоками к началу века и обоснован трудами таких выдающихся ученых, как Фрейсине, Гийон, Леонгардт,а в России - Белелюбсхий, Шухов, Глик, Мурашев, Васильев, Булгаков, Никитин, Людковский и др.

Ранее при создании конструктивных решений элементов машин из железобетона рассматривались лишь аспекты снижения расхода металла,улучшения экономических показателей и разрешения технологических сложностей,вызванных необходимостью изготовления крупногабаритных и тяжеловесных элементов машин.

В процессе эксплуатации оборудования с бетонными и железобетонными элементами выявились их значительные производственные преимущества, определяемые улучшением точностных, прочностных и др.показателей машин за счет применения новых

материалов. Ввиду многообразия и специфики машин,в мапгано-

2

строении превалирующее значение имеют индивидуальные требования к ним по вицу и характеру их использования. Часто новые машины создаются с применением метода аналогий, когда основные параметры установлены условиями эксплуатации предшествующего оборудования аналогичного назначения. Отсутствуют единые нормативные подходы,обобщающие конкретные требования и условия дпя всех типов и видов машин. Создание новых подходов возможно только с введением некоторых новых критериальных предпосылок,позволяющих ограничить многотипность и различие эксплуатационных условий.

На основе научных исследований,проведенных автором,а также проектных проработок и длительной подконтрольной промышленной эксплуатации опытных машин,определены классификационные типы конструкций для машин и оборудования, которые целесообразно выполнять из специальных бетонов и железобетона.

Доказано,что из железобетона и специальных бетонов могут быть изготовлены базовые конструкции и элементы различных машин и оборудования,на которые расходуется до 70% металла, потребляемого в машиностроении.При этом удается снизить расход металла до 85%, стоимость до 55-65% и трудоемкость изготовления на 20-25%.Одновременно существенно улучшаются качественные показатели машин и оборудования.

Применение железобетонных опорных конструкций—обеспеня=_ вает поставку оборудования полной заводской готовности,на 6070% увеличивает межремонтные сроки и,соответственно, эксплуатационную надежность нагнетательного оборудования.

Железобетонные и полимербетонные основания станочного оборудования обеспечивают повышение точности и чистоты образ

ботки деталей на станке,уменьшение амплитуды относительных колебаний системы деталь-резец,пиков виброскорости колебаний и сужение или полное исключение спектра резонансных частот, особенно в высокочастотном диапазоне.

Применение объёмно напряженных железобетонных элементов и базовых деталей прессовых машин снимает ограничения по отливке, сварке, механической обработке, транспортировке и сборке крупногабаритных тяжеловесных деталей.Исследования и конструктивные проработки показали, что из железобетона могут быть созданы станины прессов на усилия в сотни меганыотонов, различные крупногабаритные высоконапорные сосуды и пр., удовлетворяющие требованиям по деформативности и прочности.

Существенные особенности содержат разработки теоретических основ расчета и конструирования элементов,выполненных из железобетона и специальных бетонов.Требования к конструкциям по ограничению их деформаций до микронных значений и обеспечению долговременной стабильности этих деформаций, привели к необходимости установления новых подходов к расчету,новых кри териальных зависимостей для материалов, новых технологических приёмов изготовления.Особенно важно это для объёмно напряженных железобетонных элементов кузнечно-прессовых машин и лиловых высоконапорных цилиндров и резервуаров,где требования то ограничению деформаций совмещены с необходимостью восприятия конструкцией значительных статических,многократно-повтор тх и ударных нагрузок.

Разработка основ проектирования, расчета и технологии (зготовления из железобетона и специальных бетонов базовых

деталей конструкций и элементов разнотипных машин и оборудования, с ограниченными по величине и стабилизированными во времени деформациями.

а даза__рАбатаиаэсвдялш.

- Установление номенклатуры элементов машин и оборудования, для которых применение железобетона н специальных бетонов определяет повышение качества и экономически эффективно.

- Разработка основ расчета бетонных и железобетонных элементов разнотипных машин и оборудованная, учитывающих специфику условий нагружения конструкций и требования по их малой, длительно стабильной деформативности,а также создание методик инженерного расчета конструкций на базе аналитических методов и результатов экспериментальных исследований.

- Разработка основ конструирования и технологии изготовления .базовых деталей и элементов машин и оборудования, выполняемых из железобетона и специальных бетонов.

- Установление критериальных зависимостей для материала (железобетона и специальных бетонов)подтверждающих их сооя ветствие специальным требованиям к изделиям машиностроение (деформативности, прочности,ударной и динамической стойкости, вибропоглащению, снижению виброскорости, агрессивной стой-сти-,—д " ~ параметров, заданных характе-

- Анализ технико-экономической эффективности примененш базовых деталей и элементов разнотипных машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов; социальная значимость замены металла неметаллическими материалами.

ристик чистоты и точности поверх:

_Для_доатаяшвая_а0пд_а_реиеная^_доставпавяш:_ааяан_;вы=

аоляваи_кшшдалЕВН9_иссладо»аяия_,.лоя10Еью__вхлюзалих

1. Анализ условий работы базовых деталей и элементов разнотипных машин и оборудования, выполняемых из железобетона и специальных бетонов, сертификация их по основным параметрам и создание видовой классификации.

2. Оценку напряженно-деформированного состояния элементов машин,разработку экспериментально-теоретических основ для их расчета и создание практических инженерных методов определения деформативности и несущей способности конструкций.

3. Установление принципов формообразования изделий для машиностроения из бетонов,разработку новых автоадекватных конструктивных решений элементов машин и оборудования, новых форм конструкций, отвечающих эксплуатационным требованиям.

4. Подбор бетонов и железобетона,со свойствами,отвечающими требованиям к изделиям машиностроения, уточнение критериальных зависимостей,определяющих применимость этих материалов при изготовлении элементов машин и оборудования.

5. Изучение особенностей технологических требований к конструкциям в машиностроительном производстве и разработку основных положений технологии их изготовления из железобетона и специальных бетонов; определение критериев точности и чистоты поверхности для этих изделий.

6. Разработку методик испытания высокоточных и малодефор-мируемых бетонных и комбинированных конструкций с использованием современной испытательной технологии.

7. Комплекс натурных исследований машин и оборудования с элементами из железобетона и специальных бетонов для уста-

новления эксплуатационных параметров напряженно-деформированного состояния и выявления его стабильности в процессе дли тельной промышленной эксплуатации."

8. Проектные разработки по выявлению оптимальных конструктивных форм и технологических решений разнотипных базовых деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

9. Анализ технико-экономических результатов создания машин и оборудования с применением железобетона и специальных бетонов,

10. Разработку проехтных решений по созданию производственных мощностей для изготовления деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

11. Промышленное внедрение деталей и элементов машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

_&йжор_ааяняаегг

Результаты экспериментально-теоретических исследований и,созданные на их основе,принципиально новые эффективные конструкции для машиностроения из железобетона и специальных бетонов, в том числе:

1. Предложенные автором и проверенные в экспериментальных исследованиях и при практическом—промышле!шт^внедрении^^мн-^ струкции базовых деталей и элементов машин и оборудования : -опорные и фундаментные плиты,а также сборные и сборно-

монолитные фундаменты агрегатированного оборудования; -основания и станины станочного оборудования; -станины мощных и сверхмощных прессов усилием до 500 МН;

-силовые цилиндры прессов и напорные ёмкости и резервуары -конструктивные элементы оборудования(грузы,противовесы, корпуса и пр.)

2. Основы расчета разнотипных элементов машин и оборудования и практические инженерные методы определения их деформа-тивности и несущей способности, основанные на едином хритерин эксплуатационной пригодности.

3. Метод расчета сборных и сборно-монолитных облегченных фундаментов агрегатированного оборудования,включающих монтаж-но-транспортные железобетонные плиты и подстилающие слои типовых попов промышленного здания.

4. Результаты экспериментальных исследований опытных и натурных промышленных образцов, выявившие характерные зависимости прочности, деформативности и выносливости двухосно- я объёмно напряженных железобетонных элементов.

5. Экспериментально установленные критериальные зависимости и параметры материалов и технологии производства,соответ ствующие требованиям к элементам и базовым деталям машин и оборудования,в части вибростойкости и вибропоглащения,агрес сивной стойкости, а также точности и чистоты поверхности.

6. Результаты анализа технико-экономической эффективности применения железобетона и специальных бетонов в машинострое-аии с учетом социальных,общественных и личностных факторов.

7. Нормативные и рекомендательные документы по проектированию элементов и деталей машин из железобетона и специальных зетонов.

_Ввдзиая_новизна

t. Выявлены новые возможности расширения областей применения

железобетона и специальных бетонов в сфере машиностроительного производства. Разработаны классификационные признаки железобетонных и бетонных элементов машин и оборудования. 2. Развиты представления о новых свойствах железобетона и специальных бетонов применительно к требованиям машиностроения в части:малой по величине и стабильной во времени дефор-мативности,прочности и выносливости,виброползучести, вибрационной »ударной и агрессивной стойкости и пр..

3. Разработаны на базе единого критерия эксплуатационой пригодности основы расчета и инженерные методы определения прочностных и деформативных характеристик конструкций и элементов машин и оборудования при действии статических и динамических нагрузок.

4. Установлены критерии точности и чистоты поверхности бетонных изделий и разработана технология их изготовления, обеспечивающая реализацию этих критериев.

5. Созданы конструктивные решения станин прессовых машин с увеличенной эффективной жесткостью;основания,станины,стойки и др.детали станочного оборудования с ограниченной по величине и стабильной во времени деформативностыо.

6. Разработаны, на основе унификации габаритных размеров элементов и узлов крепления оборудования,железобетонные опорные конструкции насосов7тампрессоров~-н__др_Аагрегатов, выполняющие комплексные функции монтакно-транспортных элементов и части эффективного плитного фундамента.

7. Выявлены закономерности и конструктивно-технологические приёмы улучшения деформативных и прочностных характеристик железобетонных элементов станин прессовых машин и гидроцилин-

дров за счет создания в- них двухосного или объёмного предварительного напряжения или выполнения изделий в виде трубо-или сталебетонных' элементов.

Научная новизна работы подтверждена 18 авторскими свидетельствами и патентами, полученными автором индивидуально или совместно с группой сотрудников .

Работа состоит из введения,четырех разделов, выводов и приложения со списком использованной литературы.

Во введении обоснована актуальность проблемы исследований ,сформулирована цель работы,определены задачи,изложены основные научные положения,выносимые на защиту.

Анализ опыта внедрения машиностроительных конструкций и элементов оборудования,изготовленных из железобетона и специальных бетонов,выполненный в главе 1,раздела 1,выявил обобщен ные характеристики и особенности конструктивных и технологических требований для различных машин и типов конструкций.

Установлены оптимальные решения опорных и базовых конструкций машин,их форма и принципиальные отличия, определяемые назначением и требованиями эксплуатации,действующими нагрузками и условиями контакта с приводными н исполнительными органами оборудования.

Исходя из эксплуатационных требований и условий нагру-жения конструкций, разработана классификация базовых деталей и элементов разнотипных машин, изготовляемых из железобетона и специальных бетонов.

Опорные конструкции нагнетательного оборудования и других машин,где они исполняют функции транспортных элементов и

фундаментов,имеют,в большинстве случаев,форму плиты или рамы переменного сечения.На их рабочих поверхностях предусмотрены специальные детали для фиксации элементов и узлов приводного и исполнительного оборудования, а также транспортировки и крепления на месте установки.

Опорные конструкции оборудования выполняются из тяжелого бетона высоких марок с армированием, в виде каркасов и сеток, или из фибробетона. Анализ различных конструктивных решений этих элементов определяет, что их напряженно-деформированное состояние соответствует моменту, предшествующему образованию трещин в бетоне. К этому типу относятся также такие элементы машин и оборудования,как различные упоры,подставки, кронштейны,грузы, противовесы, корпусные узлы и детали,тумбы, к которым предъявляются кроме общих также некоторые специфические требования, такие как жесткость фиксации оборудования, вибростойкость и стойкость при воздействии агрессивных сред.

Базовые детали станочного оборудования,выполняемые в виде массивных балочных элементов(горизонтальные станины), плит переменного сечения,тумб сплошного или коробчатого сечения и стоек переменного коробчатого сечения, имеют привалоч-ные поверхности для установки оборудования и направляющие, предназначенные для организованного контакта перемещаемых исполнительных механизмов. В работе определены оптимальные конструктивные соотношения геометрических размеров конструкций, толстостенности сечений, применяемого армирования и способов формообразования.

Базовые конструкции и элементы станочного оборудования выполняются из железобетона, модифицированных бетонов, поли-

и

мерных бетонов и также,как опорные конструкции,испытывают нагрузки, соответствующие упругой стадии работы материала.

Эти детали должны удовлетворительно сочетаться с исполнительными и приводными деталями и узлами оборудования.

Разнообразие требований к конструкциям станочного оборудования, разработанным в железобетонном исполнении совместно с проф.Каминской В.В. и Реше^овым Д.Н., определяет и различие их классификационных конструктивных особенностей:

- горизонтальные станины и.основания(линейные балочные, рамные и пр.)

- стойки ( массивные и коробчатого сечения )

- тумбы и подставки (сплошного или коробчатого сечения)

~ кронштейны, упоры и пр.

Проанализированы возможные конструкции закладных деталей различного назначения. По результатам проектно-конструк-торских разработок выявлены их оптимальные размеры и способы фиксации в бетоне.

Силовые конструкции машин выполняются в виде одноосно-, двухосно- и объемнонапряженных железобетонных элементов или комбинированных сталежелезобетонных конструкций,к которым предъявляются требования по обеспечению упругой работы материала при нагрузках,вызывающих средние напряжения около 400 -700 МПа.К ним относятся силовые рамы,(станины прессов и пр.), цилиндры и емкости высокого давления,а также другие элементы, узлы и детали с преимущественными требованиями по прочности.

Из опыта разработки, а также практического применения

прессовых машин с железобетонными базовыми элементами,разраба

тываемых совместно с академиком Целиковым А.И., профессорами

Розановым Б.В. и Гольманом Л.Д. установлено,что эффективными

могут оказаться такие станины прессовых машин, как:

12

- Цилиндрические, колонного и тоннельного типов с архитравами кругового и эллиптического очертания в плане ;

- Колонного и тоннельного типов с контурным армированием, с архитравами в виде полудисков круговой ипи параболической формы в поперечном сечении;

- Замкнутые рамы колонного или тоннельного типов из прямоугольных массивных сталежелезобетонных элементов, имеющих внешнюю обойму из толстолистовых металлоконструкций.

На основе анализа условий работы элементов и деталей

прессового оборудования из предварительно напряженных стале-железобетонных элементов,выявлено,что их предпочтительно изготовлять в виде трубобетонных элементов со значительным насыщением металлом в сечении(до 19%) и с использованием объемного предварительного напряжения бетона.

Оптимальное армирование массивных архитравов станин прессов включает торцевые металлические листы, жестко связанные между собой металлоконструкциями или часто установленными арматурными стержнями, а также внешнее напрягаемое армирование, в виде сплошной многослойной навивки по поверхности элемента высокопрочной проволоки, канатов или прядей с заданным напряжением» Такой каркас позволяет получить в бетоне эффект трехосного обжатия, что существенно увеличивает несущую способность и жесткость ,а также способствует распределению передаваемых на конструкцию сосредоточенных усилий. Увеличение жесткостй~архитрава—способствуетуменьшению его деформа-тивности и обеспечению стабильного во времени напряженно-деформированного состояния конструкции.

Важным элементом прессовой машины является подштамповый блок пресса,предназначенный для распределения давления, передаваемого на силовые элементы конструкции при действии сосредоточенного эксплуатационного усилия.Трубобетонные объемно-

13

напряженные плиты подштампового блока обеспечивают требуемую высокую несущую способность особенно при включении в состав сечения дополнительной арматуры из высокопрочных стержней, устанавливаемых в бетоне в направлении рабочего усялия-Уменьшенная общая жесткость конструкции и то,что местные пластические деформации не отражаются на общей деформации элемента, улучшает условия передачи нагрузки на нижележащие плиты блока и станину,в сравнении с подэтамповым блоком выполненным из набора массивных стальных плит.

Рассмотрены эксплуатационные требования к силовым гидравлическим цилиндрам прессовых машин и резервуаров высокого давления, выполненным в виде композитных металложелезобетон-ных объемно предварительно напряженных конструкций.

Силовые гидравлические цилиндры прессовых машин должны обеспечить работоспособность прессового оборудования в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями по сштовозбуж-дению,точностным параметрам,долговечности и ремонгнопригод-ности.Эти требования можно удовлетворить при условии малой деформативности конструкции. Силовые цилиндры гидравлических прессовых машин,разрабатываемые при участии проф.Розанова Б.В и к.т.н. Максимова Л.Ю., конструктивно выполняются в виде сталежелезобетонных конструкций,включающих вставной тонкостенный металлический цилиндр и железобетонную предварительно напряженную обойму,воспринимающую основную часть нагрузки и обеспечивающую жесткостные параметры конструкции.

Проанализированы технологические особенности изготовления базовых деталей и элементов машин из железобетона и специальных бетонов. Определяющими факторами являются :

- Оптимизация подбора состава бетонной смеси;

- Высокое качество форм и их палубы по точности,чистоте поверхности и жесткости - общей и местной.

- Специальные закладные детали и пустотообразователи,обеспечивающие точность и жесткость фиксации оборудования и других, контактирующих с бетонными деталями узлов.

- Обеспечение условий для получения однородной структуры и плотности бетона.

Приведены оптимальные составы бетонных смесей и режимы

формования изделий.Рассмотрены различные виды оснастки, выполненной в металле, стеклопластике, железобетоне, дереве; даны рекомендации по эффективным условиям их использования.

Проанализированны монтажно-технологические особенности изготовления конструкций прессовых машин из предварительно напряженного железобетона: станин, силовых цилиндров, под-итамповых блоков и т.д..

Анализ конструктивных и технологических особенностей элементов машин, выполненных из железобетона и специальных бетонов, выявил (глава 2, раздела 1) критериальные особенности и требования х материалам для изготовления деталей машин и оборудования. Установлено,что различные виды современных бетонов по своим параметрическим характеристикам и техническим свойствам пригодны для изготовления опорных и базовых конструкций,а также деталей и элементов машин:плит,оснований, тумб,стоек,станин^сронштейновтраспределительных плит и др. В то же время специфика свойств бетонов должна учитываться при проектировании и разработке технологии изготовления конструкций для машиностроения.

Условия, чтобы при эксплуатации конструкций проявлялись только их упругие деформации,потребовали постановки исследований по определению пределов упругой работы материала и кон-

струкций , а также установлению факторов, влияющих на величину нагрузки, соответствующей этим пределам.

Особенности требований к конструкциям в части их ограниченной деформативности сделали необходимым проведение специальных экспериментальных исследований усадки бетонов,проведенных автором совместно с Т.С.Каранфиловым и Ю.А.Соничевым. Они выявили экспериментальные зависимости, характеризующие деформации материала от действия усадки в любой момент времени на протяжении первых 730 суток жизни бетона, определили факторы, влияющие на величину усадки, и позволили установить систему независимых поправочных коэффициентов К, каждый из которых является функцией соответствующих учитываемых факторов и определяется экспериментальным путем по отклонению Еуп от нормативного значения еуп .

Рассмотрены и обобщены результаты собственных исследований автора и работ ряда других авторов по прочности и деформативности бетонов при действии многократно повторяющихся, динамических и импульсных нагрузок. В экспериментальных исследованиях, проведенных совместно с Т.С.Каранфиловым и И.К.Белобровым, выявлены пределы выносливости материала,влияние частоты нагружений и количества циклов,а также насыщения бетона водой или маслом.

Деформации виброползучести определяются из выражения :

ббп = С(Т,1;) «Квл.Ощах

где: С(т,Ь) - мера ползучести, определяемая при длительном статическом нагружении;

Ква - постоянный коэффициент,принимаемый равным 1,5

Значения начального динамического модуля упругости бетона Ебо при сжатии и растяжении можно определять умножением

16

соответствующих значений Ее из.СНиП на коэффициент 1,15.

Учет влияния частоты нагружения на предел выносливости может производиться с использованием зависимости:

. Уб = К„ {©;?В1)-Гг1{р)

где: Кш ((о,Ув1) - коэффициент изменения увг при изменении частоты со в Гц.

К,0 = -0,00076о) + 0,039® + 0,744

Установлены экспериментально полученные зависимости и

табличные характеристики, оценивающие значения коэффициентов динамического упрочнения арматурных сталей и бетонов,для поверочных инженерных расчетов конструкций.

Отмечено,что по мере увеличения количества циклов наг-ружения модуль мгновенно-упругих деформаций бетона, уменьшается почти на 30%.

В процессе рассмотрения условий работы станочного оборудования и воздействия температуры при работе станков с бетонными станинами и основаниями,выявлена необходимость принять меры для предотвращения локального тепловыделения в приводных, исполнительных и силовых узлах станка,так как оно может вызывать локальный нагрев конструкций и заметные местные деформации. Следует учитывать, что низкий коэффициент теплопередачи бетона при динамическом характере изменения температуры приводит к большим деформациям на поверхностях контакта, даже если коэффициенты линейного расширения соединяемых разнородных материалов,замеренные при статическом воздействии температуры, окажутся одинаковыми. .

Результаты исследований определили,что даже при наибольшей интенсивности облива железобетонной конструкции смазочными маспами в течение 6-8 лет снижение прочности бетона

при сжатии и сцепления бетона с арматурой для особо плотного бетона может составить около 30% от первоначальной величины. Для дополнительной гарантии сохранения прочности бетона можно применять защиту поверхности изделий маслостойкими покрытиями, пропитку поверхности мономерами или применение бетонов на полимерном вяжущем.

Важным параметром элементов оборудования является качество изделий по критериям чистоты н точности поверхностей: лицевых,установочных и привалочных.Параметры,используемые для оценки качества строительных конструкций по ГОСТ 13015.0-81 и ОСТ 26-06-785-73,не удовлетворяют требованиям к качеству поверхностей машиностроительных изделий.Исследования опытных и моделирующих образцов позволили разработать новые критериальные зависимости,выраженные в табличной форме(Таблица 1)и опре деляющие комплекс требований к качеству поверхностей машиностроительных изделий из железобетона и специальных бетонов.

Таблица 1

Критерии оценки качества бетонных поверхностей железобетонных опорных и базовых конструкций

Поверхность конструкции Количество пор на площади 0,04кв.м.штух и размером не более Иерохова тость при ба-зеЮОмм. щах Коэффиц. поверхн. трещин Темные пятна от смазка Окот ребе глуб 5»

0,20, 5мм глуб.= 1мм 0,5 1мм глуб. =1мм 0,1 Зим глуб. =2мм 10 15мм глуб. =5мм мм Ктнм/м мм/п

Рабочая 10 - - - 0,1-0,2 0,2 недопу стимы 50

Лицевая горизонтальн - 10 - - 0,5-1,0 0,2 недопу стимы 50

гшцевая боко вых граней - - 5 - - 0,2 недопу стимы 50

Прочие - - - 5 - 0,2 недопу стимы с

Примечание: На опорной поверхности необходимо иметь не менее 3-х площадок размером 100x200 мм о До таХ]8=1мм

Кти - равен отношению длины поверхностных трещин с раскрытием 0,1-0,2 мм к площади 0,04м2, на которой они проявляются. Пятна от смазки проверяются через 24 часа.

Методика проведения экспериментальных исследований различных конструкций для разнотипных машин и оборудования, описанных в главах раздела 2,разрабатывалась для каждого из испытаний с учетом конкретных требований к конструкции.

Испытания производились на опытных образцах с целью определения параметров напряженно-деформированного состояния и влияния на него различных факторов.Результаты испытаний контролировались данными,полученными при исследовании натурных конструкций,с учетом факторов подобия н масштаба.

В процессе испытаний использовалась имеющаяся база приборной измерительной техники и силового оборудования.

Привлекались испытания на моделях из подобного материала или оптически активных моделях с учетом принципов масштабного и силового подобия. Для исследования натурных конструкций были применены также методы дистанционного измерения деформаций при помощи высокоточных оптических приборов(оптиметров , компараторов и пр.).При испытаниях образцов учитывались параметры используемого бетона,его состава,заполнителей,одно-

характеристики.

Промышленные испытания агрегированного оборудования, смонтированного на железобетонных опорных конструкциях(плит ных,рамных и коробчатого сечения)установили,что при значениях коэффициента запаса прочности от 4 до 10,опорные конструкции работают при эксплуатационных нагрузках в условиях условно-упругого напряженно-деформированного состояния и их деформа-

ции при эксплуатации составляют до 0,3мм\м.

Увеличенные общая и местная жесткости конструкции повышают коэффициент производительности оборудования (до 1,15-1,18)и удлиняют межремонтные сроки эксплуатации исполнительных и приводных(силовых)узлов оборудования в 1,35-1,58 раза.

Возможность и техническая эффективность установки оборудования с железобетонными опорными конструкциях на плитных фундаментах проверялась при исследовании опытного образца фундаментной плиты на специально подобранном основании. При этом моделировались условия работы фундамента постоянной и переменной жесткости при воздействии статического и динамического нагружения.Испытания подтвердили,что в широком диапазоне действующих динамических нагрузок и их частот амплитуды колебаний плитных фундаментов постоянной и переменной жест-костей соответствуют нормативным для массивных фундаментов.

Определены амплитуды колебаний возникающих при работе нагнетательного агрегата,установлен характер их изменения в зависимости от частоты действующей нагрузки,ее характеристик, условий установки оборудования,расстояний от соседнего оборудования и конструкций,а также других параметров. Предложено вместо массивных монолитных фундаментов,использовать эффективные плитные фундаменты переменной жестхости,образованные из железобетонных опорных конструкций и подстилающего слоя типового пола промышленного здания. ■ -.

Агрегатированные на железобетонных опорных конструкциях нагнетательные и прочие агрегаты оборудования-; работающие в частотном диапазоне от 5 до 20Гц с1 нагрузкой, не выше 40кН при частоте до 10Гц и до 1кН при 10-20ГЦ, допускается устанавли-

вать на типовые подстилающие слои полов промышленных зданий без устройства специальных фундаментов.

Для получения требуемой дефорыативности опорных конструк ций и базовых элементов станочного оборудования их прочность должна примерно в 3-10раз превышать действующие эксплуатационные нагрузки. Прочностные испытания подтвердили,что при общей и местных нагрузках на изделие,в виде воздействия случайных и особых усилий,запасы прочности были 4-12 кратными. Напряженно-деформированное состояние соответствует условиям упругого деформирования элементов. Прогиб станины станка размером 1м х 0,8м х 0,5м после 200 суток составил около 2мкм, прогиб основания размером 4м х 0,35м х 0,8м после 515 суток -в середине пролета около 95мкм.Эти величины прогибов удовлетворяют эксплуатационным требованиям к конструкции,определя -емым для станочного оборудования деформацией до 0,03мм/м.

Исследование станин из полимерных бетонов,выполненное совместно с проф.Патуроевым В.В. и к.т.н. Соловьевым Г.К., определило, что стабильность деформаций во времени характеризуется изменениями значений этих деформаций в пределах от 0,3 до 2мхм.в течение двухлетнего периода наблюдений.

Экспериментальная проверка конструкций на динамическое и импульсное воздействие нагрузки оценила демпфирующие свойства бетонных элементов,выражаемые уменьшением частот собственных колебаний в 1,5-2,3 раза,амплитуд в 1(4-9раз и увеличением значения декремента затухания колебаний по сравнению с металлическим прототипом.Эти данные хорошо согласуются с результатами промышленных испытаний натурного станка,которые определили, что амплитуды колебаний и виброскорость для станка на

железобетонной плите в 1,4-9 раз меньше, чем у станка с чугунным основанием, а спектр резонансных частот значительно сужен.При установке станка на железобетонной плите исключаются большинство резонансных частот,выявленных при испытании станка с чугунным основанием,особенно для высокочастотных диапазонов.

При экспериментальных исследованиях железобетонных пред-варительнонапряженннх станин прессов выявлены характер распределения усилий между составляющими элементами станины, работоспособность узлов сопряжения,изменение деформаций (общих и местных)при изменении нагрузки.Установлено,что эффективная жесткость станины,определяемая величиной усилия,вызывающей единичную деформацию конструкции, зависит в основном от де-формативности колонн.

Эти деформации компенсируются рабочим ходом плунжера пресса.Однако от них зависит технологическое обеспечение заданной толщины изготовляемых на прессе изделий.Поэтому в процессе исследований специально рассматривались факторы,характеризующие деформативность колонн и стоек и влияющие на ее изменение.

Сложно-напряженные железобетонные архитравы станины исследовались для выявления характеристик деформативности, параметров несущей способности,трещиностойкости и пределов упругой работы элемента,а также установления влияния различных факторов на изменение этих характеристик при статическом и динамическом нагружениях.Изгнбные деформации архитрава станины при максимальных расчетных нагрузках составляют около О,Змм\м.пог.При этом прогиб архитрава по абсолютной величине

не превышает 1,4мм..

Исследования локальных деформаций конструкции по рабочим поверхностям выявили характер распределения давления под штампом,передающим нагрузку на элемент.При нагрузках превышающих 0,5-0,6 Рразр.,и отношениях диаметра штампа,передающего нагрузку,к диаметру опорной плиты 0,6,а высоты опорной плиты к её диаметру 0,2 ,эпюра контактных напряжений выравнивается. Это проявляется в том,что значения пиковых напряжений в средней части плиты почти в два раза меньше значений,опреде ляемых из упругого расчета.Испытания,моделирующих архитравы элементов,уточнили значения упругих характеристик и стадии работы конструкции,данные о её деформативности и прочностные параметры,а также позволили оценить влияние на них различных факторов,таких,как форма архитрава,условия нагружения,влияние косвенного армирования.

Многократные нагружения станин выявили отсутствие остаточных деформаций конструкции при высоких значениях действующих напряжений. Экспериментально установленные условные моду-пи мгновенно-упругих деформаций конструкции соответствуют расчетному модулю упругости,определенному с учетом нормативного коэффициента приведения.

Исследования двухоснонапряженных элементов при многократно-повторяющихся нагрузках определили предел-выносливости-н характер изменения деформативности конструкции.Выявлено,что предварительное двухосное напряжение повышает предел выносливости конструкции примерно в 1,5-2 раза,по сравнению с аналогичной ненапряженной. При соотношениях Ртах\Рразр = 0,7 и ниже, усталостные явления в бетоне элемента не проявляются.

Деформации элемента,проявившиеся при статическом нагру-хении подобной нагрузкой,стабилизируются при дальнейшем действии динамической нагрузки той же величины.

Одновременно с исследованием характеристик напряженно-деформированного состояния элементов исследовалась износостойкость нагруженных поверхностей при многократно-повторном приложении нагрузки. При удельном давлении на поверхность бетона, равном 4ОМПа,наблюдается незначительное местное смятие бетона (до 0,бмм),которое стабильно сохраняется до 3,5 млн. циклов нагружений.

Исследования железобетонных силовых гидроцилиндров прессовых машин производились как на натурных конструкциях, так и на моделирующих опытных образцах.Исследована сталежелезобе-тонная композитная конструкция стенки цилиндра,представляющая собой осесимметрично нагруженный кольцевой элемент.

Методика исследования силовых гидравлических цилиндров предполагала изучение зависимости работы конструкции от таких факторов,как:

-толщина стенки цилиндра;

-толщина вставного стального цилиндра;

-величина радиального обжатия железобетонной стенки и её

осевого обжатия вертикальной арматурой, -изгибные деформации стенки вдоль образующей; -приложение сосредоточенной нагрузки на части высоты стенки.

Проведенные исследования показали, что внутренняя металлическая обечайка(вставной цилиндр)обеспечивает герметичность конструкции,точность размеров и частично(до 40%)воспринимает рабочее давление.В комбинированном сталебетонном силовом цилиндре с железобетонной стенкой,имеющей толщину равную внутреннему радиусуреформации имеют упругий характер при

24

внутреннем давлении,превышающем значение напряжений равных кубиковой прочности бетона,в 1,2-1,4 раза,а разрушение происходит при давлении,соответствующем по величине 2,35-2,66 Яхуб-Это позволяет использовать для изготовления силовых гидравлических цилиндров,при давлении рабочей жидкости до 6Омпа,обычные строительные бетоны классов В40 и В50.

Создание конструктивно организованного шва между стенкой гидроцилиндра и днищем,компенсируемого обжатием этих элементов оксиально направленной напрягаемой арматурой,обеспечивает возможность регулирования высоких контактных напряжений в зоне примыкания стенки к днищу.

При работе в составе композитного сталебетонного силового цилиндра резко уменьшены значения концентраций и перепадов напряжений в стальном вставном цилиндре, что обеспечивает увеличенную долговечность конструкции.

Задачей экспериментальных исследований элементов под-штамповых блоков являлось установление величины коэффициента приведения дополнительной арматуры,оценка изменения модуля мгновенно-упругих деформаций конструкции определение условного предела упругой работы,а также предела несущей способности и характера разрушения конструкции.Эти иследования сопровожда ли создание натурного подштампового блока для мощного испытательного пресса усилием 500МН, работающего в Институте физики Высоких Давлений АН.

Исследования выполнялись при испытании трубобетонных элементов диаметром 426мм на прессе 500МН,так как их несущая способность достигала 80-100 МН.Установлено,что трубобетонные образцы без двухосного предварительного напряжения работают

упруго до проявления в них радиальных деформаций,равных по абсолютной величине 0,25-0,3мм(относительная деформация -1,41.1О"5 ,что на порядок превышает предельную растяжимость бетона).

Упругая работа композитного элемента подштампового блока зависит от состояния бетона и прекращается после образования микротрещин,за которой следует потеря устойчивости стержней дополнительной арматуры,перераспределение напряжений в сечении и развитие неупругой работы конструкции,что предшествует ее разрушению. Нагрузка, соответствующая условному пределу упругой работы элемента составляет около 0,55РраЭр. для образцов без двухосного преднапряжения и - 0,67Рразр.для образцов с напряженной обоймой.Деформативность образцов с преднапряжением при пределе упругой работы равна около 0,ЗеПреЯ,,а для ненапряженных - примерно 0,25епрвд. На изменение относительных деформаций образцов влияет дополнительная жесткость в виде напряженной арматурной навизки.

Наряду с испытаниями опытных образцов прессовых машин и их элементов,производились исследования натурных промышленных прессовых машин в процессе их эксплуатации.

Эти исследования подтвердили результаты полученные на опытных образцах.Дополнительно определены такие характеристики прессовых машин,как стабильность деформативных показателей машины, её ремонтопригодность и продолжительность межремонтных сроков.По результатам двадцатилетней эксплуатации пресса усилием 40МН установлено,что заданная при изготовлении пресса точность штамповки изделий,определяемая при максимальном усилии величиной деформации штампов равной 2мм/м,сохранилась

неизменной на весь период эксплуатации пресса.Трижды за время промышленной эксплуатации машины (после каждых 25 млн,циклов нагружений) менялся вставной металлический цилиндр пресса в связи с износом зеркала стенки цилиндра и рабочей поверхности плунжера.При этом можно отметить,что продолжительность межремонтного периода для пресса с железобетонной станиной и силовым цилиндром оказалась примерно на 35-40% большей,чем для работающего на тех же операциях и тех же режимах,металлическо го аналога-пресса усилием 5ОМН,изготовленного Днепропетровским заводом прессов.

Общая жесткость пресса и характер распределения усилий между элементами цилиндрических станин с архитравами кругового и эллиптического очертания в плане при одинаковых размерах и характеристиках условий нагружения изменяется незначительно, что позволяет при выборе конструктивной схемы пресса исходить из технологических условий,определяющих эксплуатационную пригодность прессовой машины.

Результаты конструктивных и технологических разработок и экспериментальных исследований разнотипного оборудования определили подходы и особенности расчетных методик для различных видов оборудования: бетонных базовых- деталей станков (оснований, станин, стоек,тумб и пр.),элементов прессовых машин (станин, архитравов и ригелейтколоннтподштамповых—блоков-,-распределительных плит и пр),силовых гидравлических цилиндров прессов и резервуаров высокого давления, рассмотреные в главах раздела 3.

Эксплуатационная пригодность конструкции определяется отношением скоростей изменения прироста деформаций и прироста

нагрузок.Это отношение одновременно определяет показатели стабильности деформаций во времени и состояние материала в данный период времени.Мы принимаем,что тот момент,когда скорости изменения деформации и "скорости нарастания нагрузки равны является предельным состоянием конструкции для машиностроительного оборудования,выполненного из бетонов.Опытными данными установлено,что это соответствует активному развитию в бетонных сечениях микротрещин,после чего начинается значительное развитие пластических деформаций. Эксплуатационная стадия работы конструкции определяется пределом упругой работы материала конструкции, и характеризуется состоянием,когда скорость нарастания нагрузки более чем в три раза превышает скорость изменения деформации,что соответствует стандартно принимаемым коэфициентам запаса для машиностроительного оборудования.

Характер напряженно-деформированного состояния машиностроительных конструкций из бетонов определил,что их статический расчет может производиться методами строительной механики стержневых систем,а для массивных элементов с применением методов теории упругости, с учетом характерных свойств бетона и железобетона.

Жесткость является главным критерием работоспособности бетонных базовых деталей и элементов оборудования(особенно станочного).Ее оценка и расчет могут производиться по условной и геометрической жесткости конструкции, а также по допустимым деформациям.Условная жесткость конструкции характеризуется перемещением точки приложения нагрузки в металлическом прототипе при действии условной сосредоточенной силы и

показатель жесткости можно определить из зависимости:

j =Р\£ хН\ым

На геометрическую жесткость или жесткость при изгибе оказывают влияние:

- Форма поперечного сечения детали;

- Значение модуля мгновенно-упругих деформаций конструкции Е

- момент инерции приведенного сечения ЛпР;

- кривизна оси элемента 1\р

Геометрическая жесткость сечения элемента характеризуется величиной: В = = М.р где: р - радиус кривизны;

Показатель жесткости сечения элемента при кручении можно выразить зависимостью: Хд = Мкр Ар

где:<р-угол закручивания,отнесенный к единице длины элемента.

Контактная или местная жесткость определяется решением специальных задач, например, расчетом жесткости анкеровки закладных деталей в конструкции.

Разработана методика определения деформаций базовых и опорных конструкций станочного и агрегированного оборудования , учитывающая деформации усадки бетона при его твердении и наборе прочности, при различных видах силовых и температурных воздействий,проявляющихся при эксплуатации конструкций.

Прочность изделия определяется предельными напряжениями материала,которые корректируются коэффициентом запаса прочности материала{ Кзп ): --

Кзп — Кдэ. Кот • К^рр • кп

где: Киз - коэффициент изменчивости механических свойств материала;

Кот - коэффициент ответственности детали;

К~р - коэффициент точности расчета;

Кп - коэффициент перегрузки;

В расчетах на выносливость при действии переменных нагл

грузок и на удар можно использовать гипотезу плоских сечений и значения нормативных нагрузок,а также формулы теории упругости, в которые вводится»пониженная величина модуля мгновен-ноупругих деформаций!Е),зависящая от прочности бетона.

При расчете иа повторяющееся воздействие ударных нагрузок конструкция расчитывается на единичный удар эквивалентной статической нагрузкой,с введением динамического коэффициента, который,например,при продольном сжимающем ударе может быть определен из зависимости : Кд = 1 + Vl +2Н/6С

где: Н - высота падения груза;

5С - деформация элемента от статической нагрузки;

Разработаны методики расчета узлов крепления оборудования к опорной и базовой конструкциям,расчет рамных и плитных фундаментов под оборудование, и анализ возможности использования эффективных плитных фундаментов,образуемых из опорной железобетонной конструкции и типового подстилающего слоя попа промышленного здания. Определены подходы к расчету фундаментных конструкций с учетом оценки их совместной работы с основанием. В качестве модели основания при расчете плитных фундаментов была принята модель с введением коэффициента постели Винклера. Нами принято допущение,что при воздействии протяженной в одном направлении нагрузки,при которой изгиб плиты близок к изгибу по типу цилиндрической поверхности,она рассматривается как состоящая из балок единичной ширины и бесконечной длины,а демпфирующие свойства плиты и основания не учитываются. Из уравнения вынужденных колебаний балки неограниченной длины переменной жесткости и массы при действии силы Р = f(X,t) , для случая далекого от резонанса,при действии симметричных относительно оси Y нагрузок,распределенных жест-

кости и массе,получаем решение в виде системы линейных алгебраических уравнений,решая которую, можно определить амплитуду колебаний плиты переменной жесткости и радиус кривизны её изогнутой оси.

Сравнение расчетных и экспериментальных величин амплитуд колебаний фундамента переменной и постоянной жесткос- тей определило их удовлетворительную сходимость.При переходе от постоянной к переменной жесткости фундаментной плиты,амппи туды колебаний фундамента в точке приложения нагрузки уыеньша ются в 1,55-1,65 раза.С увеличением высоты фундамента амплиту ды его колебаний уменьшаются примерно на 5-7%.

Для повышения точности расчета массивных железобетонных конструкций с использованием метода конечных элементов необходимо располагать достаточно точными характеристиками критерия прочности, бетона в условиях трехосного напряженного состояния. Существующие критерии прочности бетона позволяют задавать поверхности прочности в пространстве напряжений не более, чем по пяти характерным точкам. Путем модификации предложенного Оттозеном критерия прочности, предлагается новая формулировка ,при которой поверхность прочности определяется шестью точками,последняя из которых характеризуется главными напряжениями ИЕС ;ЯВС\2; 0 ,а также октаэдрическими напряжениями ЯвсХгНс и НВС\6КС. Предложенный критерий согласуется с опытными данными и,за счет использования большего чиспа варьируемых параметров,обеспечивает более высокую точность.

Рассмотрены зависимости для задания модуля упругости и сопротивления бетона осевому растяжению и предложения по разработке модели деформирования бетона.

Расчетную схему предварительно напряженной железобетонной станины пресса представляем в виде замкнутой рамы с податливыми узлами,у которой верхний и нижний архитравы (ригели) являются высокими балками с переменными жесткостями по длине,а колонны - гибкими стержнями с постоянной жесткостью, защемленные по концам-Для расчета архитравов и колонн используется метод конечного элемента с разбивкой конструкции на участки,каждый из которых имеет постоянную по длине,но переменную во времени,изгибную и погонную жесткости.Рассмотрены методы расчета толстых плит и высоких балок на воздействие локально приложенных нагрузок.

При расчете станины по деформациям используется принятая в машиностроении методика,предусматривающая замену пространственной рамной конструкции плоской упругой рамой, и сравнение определенных расчетом деформаций элементов с деформациями, задаваемыми техническими условиями и нормами или аналогичными деформациями металлических прототипов. При расчете рамы архитравы станины заменяются брусьями,имеющими постоянную жесткость,а колонны рассматриваются жестко защемленными в архитравах,причем усилия в элементах рамы передаются по их осям.Деформации железобетонных станин от температурных воздействий определяются как для однородных упругих систем.

На основе проведенных исследований и обобщения опытных данных других авторов расчет прочности трубобетонных колонн предлагается производить с учетом гибкости по формуле: Р =11еАь + ИзАд + КИобАоб

где:Ке,Ид,Лоб-расчетное сопротивление бетона,арматуры и обоймы.

Аь,Ад,Аоб-площадь сечения бетона,арматуры и обоймы.

к = 1 +---------------------

0,25 + 4 (Ro6 Fo6\Rb Ab)

Рассмотрен метод расчета деформаций внецентренно сжатой

колонны с учетом нелинейности задачи во времени. Задача решается методом последовательных приближений по величинам краевых деформаций sre(t) и sn(t) через фиктивные напряжения для каждого момента времени,причем деформации могут быть выражены в виде:

Sn(t) =°<s>n(t)/Eb ; sn(t) = СфП( t) /Еь

Особенностью работы архитрава,как пространственной конструкции, является то,что его основные деформации проявляются в виде прогибов между колоннами,а поперечные деформации пренебрежимо налы.Рассмотрены два возможных метода расчета архитравов: как высоких балок и как толстых плит.

При значениях h/L < 0,4 и 0,7=h/L= 1,0 можно использовать формулу сопротивления материалов для высоких балок:

Cjr = My /Jnp

Имеющее место искривление нормальных сечений при элементарной форме изгиба может быть учтено использованием формулы Зеевальда:

Му 5у 3 у ох =----+ q (----------) ;

Jnp h 5 h

особенно целесообразной при 0,4 = h/L = 0,7.

При расчете касательных напряжений аналогично использована зависимость для высоких балок;

3 Q

х = К ------

2 F

где: F = bh J

V И 2 4 00 1

1+у Ь 3 И п=1 Ь СЬ(ллЬ/Ь) При Ь/Ь = 0,5, К = 1 ,т.е. приведенная формула совпадает с формулой Журавского. При Ъ/Ь =0,5,т.е.при соотношениях, наиболее свойственных параметрам элементов железобетонных станин прессов,получены значения коэфициента К :

b/h 0,5 1,0 2,0 3,0

К 1,028 1,105 1,330 1,576

Для оценки деформативности архитрава более перспективна модель,построенная на базе вариационного метода с использованием общего энергетического подхода С.П.Тимошенко, причем общая функция энергии может быть записана в виде:

2* h/2 а(Э) 25 а(0)

Э=1 f 1(ягЕ2+ствЕ9+т1вГг8+Ггг7г2:И9гУ0!!)г.d0.dr.dz-2/ Jq.Uz.r.d6.dr

t -h/2 с 0 0

Из этого выражения получаем, что составляющая прогиба

от изгибающего момента:

qi L3d0 d02 d0 q2L4 с2 с2 vnp

Дм=------[8---(4---)]---------(3-2—)----(gidoL -2q2c2 )

384E6Jnp L2 L 48E6Jcp L2 L2 4E6h где два первых члена характеризуют прогиб, обусловленный де-

формациями чистого изгиба, а третий - поправка, учитывающая дополнительное влияние поперечного изгиба.

Составляющую изгиба толстой плиты, вызванную деформациями сдвига можно определить из:

1,2qjd0

Aq =

-------(В----С )

4G6Bh 2

Прогиб архитрава от обжатия напрягаемой арматурой, на

о

витой по его боковой поверхности,можно записать в виде :

0,375(д1+я2)Ь 1,5Упр дха0 с!0

ды =----------------------------С )

ЕпрВ 4 ЕцрВЬ 2

где Ецр= Еб(1 - ао/Ь)+цЕст ; ц =РСТ/ВЪ ;

- площадь сечения торцевых металлических листов. Исследование характера и величин деформаций,проявляющихся в архитраве при действии нагрузки,выполненное для одной из точек нагружаемой поверхности путем сопоставления результатов расчета методом конечных элементов{при разбивке области сеткой Ь/40,при Ь/Ь = 0,5,и Ь/20,при Ъ/Ъ>0,5)и с использованием приближенного решения определило,что погрешность приближенного решения составила от 1 до 4%.

Прочность и трещиностойкость архитрава при изгибе определяется по значениям напряжений у его верхней и нижней граней, с проверкой сечения на срез при поперечном обжатии по зну треннему обрезу колонн и на поперечную силу при изгибе.На основе собственных исследований автора и анализа других исследований, усилие среза,воспринимаемое бетоном архитрава можно выразить как:

0,15НИ + о при 0,ткуб < а < 0 ,35Я1уб

= {

0,5 Кя при 0,35Ккуб< с < 0, 7йкуб

Методы расчета на воздействие поперечной силы не учитывают особенности работы конструкции,как элемента пресса: сложного неоднозначного характера передачи на архитрав нагрузки от подштампового блока,неопределенной связи бетонного сечения и металлических торцевых плит при нагружении,неравно мерности передачи давления от напрягаемой навнвхи по боковой поверхности архитрава и пр.

Поэтому для оценки прочности архитрава на воздействие

поперечной силы использованы эмпирические зависимости,получен ные автором при исследовании более 400 моделирующих образцов, определивших влияние различных факторов на работоспособность архитрава.В качестве характеристического параметра было выбра но значение среднего удельного давления под штампом как величины, исключающей влияние масштабного фактора.

Результаты экспериментальных исследований установили: Среднее удельное давление(студ)зависит от геометрических размеров подштамповой плиты (с10)»размеров архитрава (Ь, I,),проч ности бетона(РКуб)и величины действующего предварительного напряжения^)^ может быть описано эмпирической зависимостью:

а0 3 Ь/Ь - 1,32

Суд =2650(9,5---) (1 + 1,3---------- ) + 100 ;

Ь 1,5 -с!0/Ь

где : Ь = Га -+2сЗ^/3

дк - диаметр колонны станины;

Ь - наибольшее расстояние между участками прило

жения реактивного давления; Ьх - пролет архитрава в свету;

Разрушающая нагрузка кругового в плане массивного архитрава может быть выражена зависимостью: Студ =9я - 2,55ИпР

Автором была предложена экспериментальная зависимость для несущей способности архитрава,основанная на рассмотрении предельного состояния конструкции с образованием "силового купола",разрушающегося вследствии преодоления сопротивления бетонного сечения отрыву.При таком подходе разрушающая нагрузка на архитрав,имеющий круговое очертание в плане, определяется из зависимости:

Рразр ~ Рср + ИЗа-па +Ркок

где: Рср = PQ +coKiNCosa - усилие, вызывающее срез бетона по цилиндрической поверхности. PQ - усилие,вызывающее срез по цилиндрической поверхности при отсутствии нормальной сжимающей силы. N - равнодействующая нормального усилия в сечении условного силового купола:

н 1-v

N = [(1+Kn3 )Rnp + qCosa + q-----Sina] Fk

v

a - угол между поверхностью элемента и направлением

напряжений в силовом потоке. Kj.- коэффициент,учитывающий влияние действия сжимающей силы,направленной нормально к площади среза, и принимаемый равным 0,8 со -коэффициент неравномерности распределения напряжений в сечении условного силового купола,принимаемый равным 0,7 л -коэффициент,определяющий эффективность давления от напрягаемой навивки:

n = Aq/RPB

Ркон- равнодействующая усилия,отрывающего часть сечения усеченного хонуса от поверхности сердечника: Р*ок = RPH FOTp +RSH FB/Sina Использование этой зависимости при расчетах конструкций

отражает физический смысл прочностных характеристик.Это позволяет перейти к анализу и определению пределов упругой работы конструкции.При конкретном проектировании можно определять несущую способность круглых в плане архитравов цилиндрических станин из выражения:

L 4

Рраэр = 0,55(RB + 4<T0}d0D----г|тр Sin a

L+d0

где: a0 = 1,3ctBH/D

H и D - соответственно,высота и диаметр архитрава;

ств- установившееся напряжение в бетоне от обжатия архитрава напрягаемой навивкой.

aB = 2anFsn/dDp an - напряжение в проволоке навивки, установившееся после проявления всех потерь.

т}тр -коэффициент, характеризующий влияние условий передачи нагрузки от рабочей напрягаемой арматуры на элемент и принимаемый в зависимости от соотношения Н/Г

н/о 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Птр 1,33 1,25 1,2 1,17 1,14 1,125

Расчет эллиптических архитравов по прочности на перерезывающую силу выполняется по формуле: О < йСр ВЬ2

Кср -предельное сопротивление двухосно обжатого бетона перерезывающей силе:

йср = 0,175ЯВ + 0 , 8<зСр Ив - прочность бетона на сжатие,соответствующая его классу Стер— среднее нормальное напряжение при совместном действии

поперечного обжатия и эксплуатационной нагрузки; В - расчетная ширина сечения,определяемая для эллиптического архитрава из зависимости:

В = 0*^1-Х,/0* малый диаметр эллиптического архитрава.

Расчет железобетонных архитравов цилиндрических станин

по выносливости можно производить по методике СНиП,с учетом особенностей режимов загружения прессовых элементов ,что реализуется введением коэффициента условий работы уВ1 ,характеризующего работу бетона на выносливость и повышающего расчетное сопротивление бетона,имея ввиду его динамическое упрочнение, который определяется из выражения:

Ув1 =(0,921-0,46ЬодИ) (1-р)+( 1+0,016ЬодЫ/са)

где: - соответственно количество циклов,частота при-

ложения нагрузки и коэффициент ассиметрии цикла нагружения.

Выполнен анализ критериальных подходов к оценке работоспособности силовых гидравлических цилиндров прессовых машин и резервуаров высокого давления,их конструктивные особенности и,вызываемые ими,отличия оценки напряженно-деформированного состояния.На основе вариационно-разностного метода получены

зависимости для определения напряженно-деформированного состояния кольцевого бетонного элемента при любых уровнях нагрузок и условиях нагружения.Железобетонную стенку силового гидравлического цилиндра пресса рассматриваем как однородную цилиндрическую оболочку.Отсюда следует,что начальные пластические деформации будут развиваться прежде всего у внутренней поверхности цилиндра,после того,как (оь - аг)ик достигнет предела текучести материала. При этом увеличение наружного радиуса стенки цилиндра практически не будет способствовать уменьшению пластических деформаций и ограничению их распространения. Полное исчерпание несущей способности произойдет тогда, когда кольцевая пластическая зона достигнет внешнего контура стенки и материал у наружной поверхности стенки придет в состояние, при котором произойдет его разрыв.

При расчете стенки силового цилиндра по деформациям при действии осесимметричных нагрузок, исходим из уравнений равновесия в перемещениях,построенных для пространственной задачи теории упругости в цилиндрических координатах.

Разработан аналитический метод расчета,применимый для практического проектирования, в котором наряду с достижением общности исходных предпосылок,строгости подхода,сочетающихся с физической ясностью,наглядностью и простотой, учтено влияния отдельных конструктивных факторов: листового армирования, осевого и радиального обжатия,условий местного нагружения стенки цилиндра на части высоты.

С использованием вариационной формулировки задачи,функционал внутренней энергии конструкции записывается в виде:

Э (и, Н) = 1/2(^/(1 -V2) { (dU/dr) 2+ (dW/dz) 2+2 V (dU/dr). (dW/dz) + + (l-v)/2.[(dU/d2) + (dW/d2;) l2}dr.dW+l/2^ Е(и/г)2г.йг;

где: и,а - функции перемещений,соответствующие осям г и 2;

Е,у -соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона О - расчетная область Произведя соответствующую перегруппировку,используем

следующую схему физической дискретизации:разбиваем стенку цилиндра на условные балочные и кольцевые элементы,т.е.на две двухмерные основные системы,каждая из которых допускает дальнейшее понижение размерности.Взаимодействие между двумя дискретными основными системами в каждой точке осуществляется посредством обобщенного условного внутреннего неизвестного усилия.Кольцевая составляющая функционала внутренней энергии определяется из уравнений Лямэ для многослойного цилиндра (задача Гадалина).

Вычисление балочной составляющей прогиба сводится к определению перемещений статически неопределимой балки по формуле Мора.

Выполненный в главах раздела 4 экономический анализ применения железобетона и специальных бетонов для машиностроения выявил,что,при снижении стоимости и трудоемкости,сокращении сроков изготовления изделий,обеспечивается технологическая эффективность конструкций(полная заводская готовность агрегированного оборудования,снижение и исключение механообработки ,высокая жесткость изделий и точность,сокращение или полное исключение металлургических процессов и пр.),возможность усовершенствования оборудования и увеличения его еди-

ничной мощности(за счет исключения необходимости в крупногабаритных отливках и изготовлении железобетонных изделий любых /Допустимых по транспортным возможностям,габаритных и весовых параметров)совершенствования формообразования железобетонных машиностроительных изделий в сравнении с металлическими прототипами(получение сплошных или полых изделий,произвольные очертания внешних контуров,пластичности технологических приемов),уменьшение концентрации напряжений(разрезкой монолитных конструкций на сборные элементы с учетом специфики материала)(Эффективность в эксплуатации (увеличение эффективной жесткости,коэффициента производительности и улучшения виб роаккустических характеристик оборудованиям также точности производимых изделий»возможность установки оборудования на облегченных плитных фундаментах),социальная эффективность (улучшение условий труда рабочих,снижение вредности производственных процессов,расширение диапазона професиональной занятости и пр).

Приведены методики и рекомендации по определению технико-экономической эффективности разнотипных конструкций, с учетом расширенного комплекса факторов,определяющих достоинства и недостатки оборудования в процессе его эксплуатации. Результаты работы конкретно воплощены в ряде машиностроительных конструкций и элементов оборудования,используемых в промышленности России.

Разработана проектная и техническая документация более чем на 350 железобетонных опорных конструкций и фундаментов машин и видов оборудования,из которых более 40 широко используются в промышленном производстве.До 1989 года ежегодно для

нагнетательного оборудования применялось более 18 тыс.куб.мет ров железобетонных опорных конструкций(более 75тыс.штук). Ежегодно производилось более 2,5 тыс.штук станин и оснований станочного оборудования.В промышленности работают 22 различных прессовых машины с железобетонными базовыми элементами.

Практическое_аяазедае_работы_х

1. Разработанные железобетонные опорные конструкции используются машиностроительными заводами России и других стран СНГ при монтаже нагнетательного и другого агрегатированного оборудования,обеспечивая значительный технико-экономический эффект.Например,в 1990году было достигнуто снижение расхода металла в машиностроении примерно на 300 тысяч тонн.Одновре менно применение этих конструкций обеспечило снижение расхода бетона на фундаменты при установке оборудования в эксплуатацию примерно на 320 тыс.м3 .

2. Изготовлены и работают в промышленности 22 кузнечно-прессовых машины различного технологического назначения, усилием от 1,2 до 50 МН,со станинами и силовыми гидравлическими цилиндрами в виде сталежелезобетонных, объёмно предварительно напряженных конструкций.

3. Разработаны методики исследования сложно-напряженных железобетонных конструкций на специфические виды воздействий с установлением значений деформативности и точностных параметров, ранее не рассматриваемых в строительной практике.

4. Разработаны каталожные выпуски конструктивных решений 350 элементов разнотипных машин и оборудования из железобетона и специальных бетонов.

5. Созданы основы промышленного производства железобетон-

ных опорных конструкций машин и оборудования.

6. Технологические приёмы и регламенты на производство опорных и базовых элементов машин и оборудования,используемые при изготовлении массовых строительных конструкций,позволяют заметно улучшить их качество,без удорожания производственного процесса.

7. Разработаны "Рекомендации по проектированию сборных и сборно-монопитных железобетонных опорных конструкций и фундаментов под блоки агрегатированного оборудования"и,соответствующие Технические условия и стандарты.

8. Разработаны " Рекомендации по проектированию железобетонных предварительно напряженных цилиндрических станин прессов", "Рекомендации по проектированию сталежелезобетонных силовых цилиндров прессов и высоконапрных резервуаров"

По работе автором получено 18 авторских свидетельств и формализованных действующих патентов.

Работа многократно рассматривалась на Научных и Технических Советах ТКНТ СССР,Госстроя СССР и Госплана СССР, на Ученом Совете НИИЖБ Госстроя СССР, на международных конгрессах, на отечественных и международных симпозиумах, семинарах и совещаниях.

По материалам работы лично автором,а также совместно с сотрудниками,опубликовано 136 научных статей и 5 брошюр, под его редакцией,по теме настоящей работы выпущено три сборника научных трудов НИИЖБ.

_&_ы_в_о_д_ы

1. Разработаны основы проектирования, расчета и технологии изготовления базовых деталей и элементов машин и оборудо-

вания из железобетона и специальных бетонов.

2. Определены виды и типы машин,для которых эффективно применение железобетона и специальных бетонов,классифицированы основные элементы,базовые детали и опорные конструкции разнотипных машин и оборудования по эксплуатационным и технологическим критериям.

3. Выявлены особенности критериальных требований к материалам для изготовления элементов машин и оборудования,исследованы деформации усадки,определены зависимости,характеризующие прочность и деформативность бетона при многократно повторяющихся, динамических и импульсных нагрузках,основные принципы расчетов на усталостную прочность,трещиностойкость

и,стабильную во времени, деформативность.

4. Разработаны критерии для оценки качества бетонных поверхностей деталей и элементов машин и оборудования, которые обеспечиваются технологическими мероприятиями.

Б. Разработаны конструктивные решения опорных конструкций и базовых элементов агрегатированных машин и станочного оборудования из железобетона и специальных бетонов,рекомендации по выбору их формы,конструированию сечений и приваленных плоскостей,закладных деталей и способов их хрепления,уста новки и фиксации.

6. Созданы принципиально новые конструкции станин и базовых деталей прессовых машин,подштамповых блоков прессов из железобетонных объёмно напряженных элементов,сталежелезобе-тонных предварительно напряженных силовых цилиндров гидравлических прессов (встроенных и вставных).

7. Выполнены экспериментальные исследования базовых де-

талей станков и опорных конструкций агрегатированного оборудования, которые выявили стабильность их деформаций во времени,увеличение запаса прочности конструкции, её жесткости, улучшение виброаккустических характеристик станка,повышение коэффициентов производительности оборудования,увеличение межремонтных сроков.

8. Исследования облегченных плитных фундаментов под оборудование, включающих железобетонную опорную конструкцию агрегатированного или станочного оборудования, при действии динамических нагрузок,выявили характер изменения амплитуд колебаний в зависимости от жесткости опорной плиты и характеристик основания.

9. Даны основы расчета железобетонных опорных конструкций агрегированного оборудования и базовых деталей станков, при действии комбинации нагрузок(изгиб, кручение, сжатие с изгибом и пр),выявлена возможность использования методов строительной механики и теории упругости,применяемых при расчете металлических прототипов.

10. Усилия в элементах железобетонных станин прессов от действия нагрузки и температурных воздействий определяются расчетом по правилам классической строительной механики,как для однородных упругих тел.Деформативность железобетонной станины пресса при действии усилия предварительного напряжения и эксплуатационных нагрузок определяется как сумма деформаций отдельных элементов(колонн,архитравов и пр).Создан метод расчета архитрава,по которому прогиб есть сумма деформаций изгиба,сдвига и обжатия в направлении действия эксплуатационного усилия.На эмпирических зависимостях основана методи-

ха расчета архитравов по прочности и трещиностойкости.В расчете по выносливости необходимо учитывать особенности режимов загружения элементов введением специального коэффициента условий работы.

11. Разработан точный метод расчета сталежелезобетонного предварительно напряженного силового гидроцилиндра и практический инженерный метод расчета построеный на том, что исходная пространственная задача,решается по схеме физической дискретизации, при которой стенка цилиндра разбивается на балочные и кольцевые элементы,а взаимодействие между двумя дискретными системами в каждой точке осуществляется введением обобщенного внутреннего неизвестного усилия. Исследовано упруго-пластическое состояние железобетонной стенки цилиндра при совместном действии внешнего давления от напрягаемой навивки и давления рабочей жидхости.

12.Рассмотрена технико-экономическая эффективность применения железобетона и специальных бетонов в машиностроении, определяемая снижением себестоимости разнотипных конструкций, их трудоемкости,сокращением производственного цикла, улучшением качества машины и потенциальными технологическими перспективами . Прдавйяанве

Все исследования,проведенные в настоящей работе, выполнены автором или под его руководством и при непосредственном участии, коллективом возглавляемой автором лаборатории специальных железобетонных конструкций для машиностроения НИИЖБ, сотрудникам которой автор глубоко признателен за помощь.

Особую признательность и благодарность автор приносит своему учителю и наставнику во всех работах, проводимых совместно в течение более 35 лет, профессору,доктору технических наук, вдохновителю и начинателю всех работ по проблеме применения железобетона в машиностроении, выдающемуся конструктору Исааку Григорьевичу Людковскому, чьей памяти автор посвящает'эту работу.

1. Браиловский М.И. Железобетонные предварительно-напряженные станины прессов / Опыт применения железобетона в машиностроении.-М.-ЦИНТИАМ.-1964

2. Браиловский М.И. К исследованиям несущей способности двухосно напряженных сплошных цилиндров, нагруженных осесимматрпчной нагрузкой и опертых на кольца / Прочность и деформативность батона и специальных железобетонных конструкций,-Стройиздат,- М.-1972

3. Браиловский М.И., Спивак Л.Р. Комбинированные фундаменты arperaтированного технологического оборудования /-ВНИИС.- М.- 1982.-вып.2

4. Браиловский М.И., Спивак Л.Р., Васильев В.Н. Опыт изготовления железобетонных опорных конструкций под агрегатированное насосное и компрессорное оборудование / Минмонтажвефтемаш,- М.- 1979

5. Браиловский М.И. Железобетонные базовые детали машин и оборудования. /Железобетон в конструкциях и фундаментах машин/-НИИЖБ.- М.-1964

6. Браиловский М.И., Астрова Т.Н. Экспериментальные исследования элементов железобетонных станин цилиндрической формы для кузнечно-прессовых машин и другого оборудования // Применение железобетона в машиностроении / Машиностроение,- И.-1964-с.266-306

7. Браиловский М.И., Шумаев В.А.. Эффективность и перспективы применения железобетона в специальных бетонов в машиностроении/ЦНИИТЭМС.-М.-1988

8. Браиловский М.И. Применение специальных бетонов в машиностроении / ЦНИИГЭМС.- М.-1990

9. Браиловский М.И., Зильберберг A.C. Применение железобетона в машиностроении.// Учобное пособие/,- ВИИЖБ,Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов строительного производства,- Нижний Новгород ,- 1992

10..Людковский И.Г., Браиловский М.И., Краснов Ю.В. Предварительно на-

47

пряженные железобетонные гидравлические цилиндры.// Прочность и деформа-тивность бетона и специальных железобетонных конструкций.-М.- НИИЖБ.-Стройиздат,-1972.

11.-Людковский И.Г., Браиловский М.И., Железобетонные опорные плиты агрегатного оборудования // Сб.тр.Сборные железобетонные опорные плиты агрегатного оборудования,- М.- НИИЖБ.-1974,-вып.15,-

12. Браиловский М.И., Рычагов Г.Д. Жесткость цилиндрических массивных железобетонных предварительно напряженных станин // Прочность и деформа-тивность бетона и специальных железобетонных конструкций/ Сб.трудов НИИЖБ.- Стройиздат М.- 1972.

13. Браиловский М.И. К определению несущей способности двухосно напряженных архитравов железобетонных цилиндрических станин прессов // Ученые записки Кабардино-Балкарского государственного университета/,-вып.44,-серия"Строительные конструкции и архитектура",- Нальчик,- 1972г.

14. Браиловский М.И. Арматурные элементы из стали класса А-У для специальных железобетонных конструкций // Новая горячекатанная арматурная сталь класса А-У/,- Материалы координационного совещания,- НИИЖБ,-М,-1973

15. Браиловский М.И. Железобетонная предварительно напряженная станина пресса К-117ЖБ // Вестник машиностроения /,- №7,- М,-19б5

16. Браиловский М.И. Пресс со станиной колонного типа из предварительно напряженного железобетона / Вестник машиностроения , - №4,- М,- 1966

17. Браиловский М.И. Железобетонные гидравлические силовые цилиндры для прессов и емкости высокого давления//Ученые записки Кабардино-Балкарского государственного университета/,-серия "Строительные конструкции и архитектура",- вып.44,- Нальчик,- 1972

18. Brailovski M.I., Paturoev V.V., Solovjov G.K. Application of polimer concretes in machine and tool making industry // Ylll International Congress on polymers in concrete/,- Oostende(Belgium),- 07.1995

19. Браиловский М.И. Конструкции из специальных бетонов и железобетона в машиностроении// Бетонные конструкции машин и оборудования/ -Сб.научных трудов,- НИИЖБ,- М,- 1990

20. Бравловсхий М.И. Применение железобетона для изготовления элементов технологических и испытательных прессовых машин // Бетонные конструкции машин и оборудования/,- Сб.научных трудов,- НИИЖБ,- М,- 1990