автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм

На правах рукописи

АКИМОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ С ОПОРАМИ В ВИДЕ КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ

Специальное!ь 05 23 01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2005

Работа выполнена на кафедре промышленного и гражданского строительства Старооскольского технологического института (филиала) Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Лунев Лев Алексеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Корчак Михаил Дмитриевич

- кандидат технических наук, доцент Турков Андрей Викторович

Ведущая организация

-ЦНИИПроек гстальконструкция им Н П Мельникова

Зашита состоится " 17 "' июня 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212 182 05 при Орловском государственном техническом университете, по адресу 302020. г Орел. Наугорское шоссе, 29, ОрелГТУ. ауд. 212

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Орловского государственного технического университиета

Автореферат разослан мая 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Никулин А.И.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Балочные конструкции трубчатого сечения применяются в инженерных сооружениях (водоводы, тепловые сети, газопроводы, нефтепроводы и т.д.) при пересечении искусственных или естественных препятствий в виде рек, оврагов, каналов. Подобные конструкции являются наиболее рациональными, так как одновременно выполняют технологическую функцию и функцию несущей конструкции. В них максимально используется несущая способность балочных конструкций, но они имеют ограниченный диапазон перекрываемого пролета.

Идея совмещения функций в одном конструктивном решении, в виде ферм в консольных опорах балочных конструкций, позволяет снять ограничения диапазона перекрываемого пролета и максимально использовать несущую способность основного конструктивного элемента - балочной конструкции трубчатого сечения. Консольные опоры в виде ферм, выполняют функцию поддерживающей конструкции балочных конструкций трубчатого сечения и одновременно выполняют функцию опор, что способствует более полной реализации свойств материала, как основной конструкции, так и ее опорных частей.

Новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм до настоящего времени изучены слабо и вопросы их прочности, деформативности являются актуальными.

В этой связи целью настоящей работы является разработка конструктивных решений и методики расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций), направленная на повышение их несущей способности с одновременным снижением материалоемкости.

Автор защищает:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податли-

выми опорами в виде консольных ватно действи-

тельному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- результаты экспериментальных исследований деформативности модели балочных конструкций рассматриваемого типа;

- функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм;

- результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Научную новизну работы составляют:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методика расчета предложенных конструкций, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- новые опытные данные об особенностях деформирования модели балочной конструкции рассматриваемого типа;

- предложенные функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых допущений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается сопоставлением экспериментальных результатов исследования конструкции с теоретическими данными.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанные новые конструктивные решения, методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм рекомендуется использовать при их проектировании и строительстве через естественное и искусственное

Г '

ГФ л

препятствие (река, овраг и т.д.) в ЦНИИПроектстальконструкции им Н.П. Мельникова и других проектных организаций.

Результаты проведенных исследований были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское Курской области, проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМАПроектжилстрой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором, используются в учебном процессе Старооскольского технологического института ф МИСиС по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались

на:

- II Международной научно-технической конференции "Эффективные строительные конструкции: теория и практика", Пенза (2003 г.);

- Международной научной конференции "Образование, наука, производство и управление в XXI веке", Старый Оскол, Старооскольский технологический институт (филиал) МИСиС, (2004 г.);

- VII региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам "Молодые ученые - науке, образованию, производству, Старый Оскол (2004 г.).

В полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры "Промышленное и гражданское строительство" Старооскольского технологического института филиала МИСиС (сентябрь 2004 г.) и на заседании кафедры "Строительные конструкции и материалы" Орловского государственного технического университета (сентябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение, список использованных источников, приложения. Вся работа изложена на 137 страницах, включая 5 таблиц, 74 рисунка, список литературы из 104 наименований и 4 приложения на 26 страницах текста.

Содержание работы. Во введении изложена актуальность темы, сформулирована цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна работы, достоверность экспериментальных и теоретических исследований, практическая ценность, апробация работы, показаны структура и объем диссертации, количество публикаций по работе, отражено краткое содержание диссертации.

В первой главе изложен анализ современного состояния экспериментально-теоретических исследований консольных конструкций, применяемых в инженерных сооружениях.

Вопросом проектирования, сооружения и эксплуатации балочных конструкций трубчатого сечения посвящены работы ученых: Азметова Х.А., Ай-биндера А.Б., Бабина Л.А., Беленя Е.И., Бородавкина П.П., Быкова Л.И., Горе-ва В.В., Иванцова О.М., Казакевича М.И., Камерштейна А.Г., Кузнецова В.В., Лунева Л. А., Любина А.Е., Мельникова Н.П. и др.

Современные теории формообразования металлических конструкций позволяют предложить их новые конструктивные решения, отвечающие требованиям ресурсосбережения, технологичности и универсальности. Такие требования становятся актуальными в существующих рыночных условиях при решении задач по надежности, физической и моральной долговечности конструкций инженерных сооружений. Важнейшим направлением реализации такой концепции при решении рассматриваемых задач является развитие и совершенствование новых конструкций на основе идеи совмещения функций. На основании проведенного обзора были сформулированы задачи по разработке новых конструктивных решений и методики расчета балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций).

Вторая глава посвящена методике расчета несущей способности и дефор-мативности балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм (пример см. рис. 2,а).

Напряженно-деформированное состояние балочных конструкций определяется в следующей последовательности (рис. 1):

Рис. 1. Алгоритм определения напряженно-деформированного состояния балочных конструкций

В работе рассмотрены новые консольные опорные фермы с различными конструктивными решениями. Расчетная модель такой балочной конструкции принята в виде балки на упруго-податливых опорах с Г - образными рамами (рис. 2,6). Для всех исследуемых конструктивных решений расчетных систем консольных опор характеристики упругой податливости определялись по формуле Максвелла-Мора.

М11 111т 111 и и Ич 11III 11 [тт м 111111 м I м 11 ц

_

IIIIIII И IIII м I II С г шч^

.

Рис 2 Балочная конструкция трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм ■ а - схема конструктивного решения; б - расчетная модель

Окончательные перемещения в местах опирания балочной конструкции получены умножением коэффициентов податливости консольных опор на реакции опор от нагрузок (я+р) и изгибающих моментов в смежных точках опирания. Вектор перемещений имеет следующий вид:

у _ у{ч+р) + у(М) ^

где У(ч>р} - вектор, учитывающий перемещения от нагрузок (я+р), который

определяется из выражения (2); у<м) - вектор, учитывающий перемещения от опорных изгибающих моментов, который определяется из выражения (3)'

у(ч+р) = Ч + Р

*2Я(/,+/2) {^п-2 +1п~\

(2)

у(А/) .

Л/Л

у'.Чу

М± к

к"

+ 2Л/„_,

'п-1

ЛС,

+ 2А/„_,

1_

1Л-.Ч.

1 1

— + —

'п+1 У

(3)

где к,п - коэффициент податливости консольных опорных ферм в г - ой опоре балочной системы; кр - коэффициент, учитывающий влияние Г - образной рамы при действии нагрузок (я+р); км - коэффициент, учитывающий

влияние Г - образной рамы от изгибающих моментов. Изгибающие моменты найдем из условия неразрезности балочной конструкции в местах их опирания:

ОдМ + Ф(ч+р)= Д, (4)

где Ц, - матрица сопряжения; Д - вектор обобщенных перемещений;

- вектор упругих грузов, выраженный через внутренние силы для заданных нагрузок (я+р).

Из двух уравнений (1) и (4) составим одно векторное уравнение

А'М + В'У = (V,, (5)

2kl, б EJ

J¡_

6EJ

6 EJ 6EJ

12

6 EJ

к? к*

luzL б EJ

ÁK-i+Ü

6EJ I.

6 EJ

, 6EJ

6 EJ i-L 6 EJ

LÜL 6 EJ Щн. (¡EJ

4'l 'íj '2

Vi

1 1

-+—

'и-1 'я

-К

к"

с,

к"

—+ — а

]

где

12 Е1 \2Е1

/3 +/3 и—1 + 'л

\2Е1

12Е1

к2п{11+12) *4я(Г,+/4)

+0

(В)

м =

А/,

К*

г =

гп-2

(9)

где Л/- вектор моментов; К- вектор перемещений; к, к{ - коэффициенты, учитывающие влияние жесткости Г - образных рам; /, - расстояние между опорами балки на продольно-подвижные опоры

Проверку прочности балочного элемента осуществляем в форме проверки несущей способности, учитывая особенность работы балочной конструкции трубчатого сечения.

В третьей главе показаны методика и результаты экспериментальных исследований, выполненных на модели балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера (рис. 3).

Конструкция представляла собой модель пролетом равным 1,2 м. Длина

одной панели составляла 0,3 м. Элементы модели опорной конструкции -стержни диаметром 3 мм, а несущий элемент - арматурная проволока диаметром 10 мм. При испытании загружение модели проводилось равномерно распределенной нагрузкой отдельных участков конструкции (панелей). Загружение проводилось арматурой диаметром 18 мм. Вертикальные перемещения в опорных узлах модели (рис. 3) измерялось индикатором часового типа.

010

о 40

Рис. 3. Опытная модель балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера

Определяющими параметрами модели, являются: Г) - деформация балки, Е - модуль упругости балки и опор, 3Т - момент инерции балки, Д, - площадь поперечного сечения стержневой опоры, <1 - расстояние между опирани-ем балки, 1к - длина Г - образной рамы, Л - высота консольной опоры, Ь - ширина консольной опоры, ак - горизонтальный участок Г - образной рамы, ц -

сила, действующая на балку в пролете.

На их основе были получены следующие критерии подобия-

1) 71, =

2) п2 =

т »--г

Е

(10)

Основные размеры модели и нагрузок на модель взяты исходя из размеров натурной трубчатой конструкции диаметром 529 мм, пролетом 30 м В процес-

се испытаний замерялись линейные перемещения балки модели.

В табл. 1 дано сравнение показателей технических измерений прогибов балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм с теоретическими.

Таблица 1. Сравнение показателей технических измерений прогибов балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм с теоретическими

№ за- № %

гружения точки теор,мм эксп,мм

1 0 0 0

2 0 0 0

1 3 0,041 0,038 -7,3

4 0,089 0,096 7,8

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

2 3 0,090 0,095 5,6

4 0,375 0,342 -8,8

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 3 0,234 0,251 7,2

4 0,538 0,579 7,6

5 0 0 0

1 0 0 0

2 0 0 0

4 3 0,324 0,351 8,3

4 0,795 0,854 7,4

5 0 0 0

По результатам экспериментальных исследований была проведена статистическая обработка результатов эксперимента. Результаты экспериментальных и аналитических исследований показали, что самой опасной является нагрузка, равномерно-расположенная на всем пролете конструкции при которой возникают максимальные прогибы (рис.4) (на рис. 4, в скобках буквами "т" и "э" обозначены результаты теоретических и экспериментальных исследований). В результате чего было вьивлено, что характер деформации при эксперименте совпадает с аналитическим расчетом модели, но имеет место количественное расхождение в пределах 5 - 9 %.

1 2 3 4 5

0,853<э)

Рис. 4. Эпюры прогибов при загружении модели распределенной постоянной нагрузкой от собственного веса балки и временной распределенной нагрузкой по всей длине балки

В четвертой главе приведены численные исследования напряженно-деформированного состояния следующих балочных конструкций трубчатого сечения большого диаметра с опорами в виде консольных ферм, изображенных на рис. 5 - 9, со следующими исходными параметрами: пролет 75 м, длина панели 25 м, расчетное сопротивление трубчатого профиля Яу = 268 МПа,

удельный вес металла у = 7,85 х 104 Н/м3, расчетная нагрузка д = 0,5685

Н/м, модуль упругости Е = 2,1 х 10 " Н/м2.

По результатам численных исследований построены эпюры изгибающих моментов (рис. 10,а) и эпюры прогибов (рис. 10,6) для балки трубчатого сечения большого диаметра, с опорами в виде консольных ферм На эпюрах (рис. 10, рис. 11) в скобках указаны номера конструкций.

-1-*-'-*-£-*<--^Цк

1_Ц50Р._^

Ркс. 5. Консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на опорной стойке

Рис. б. Двухъярусная консольная ферма

Рис. 7 Одноярусная консольная ферма

Рис. 8. Консольная ферма с наклонной стойкой, удерживаемой тросом

Рис. 9. Консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на наклонной стойке

Результаты численного исследования показали, что наибольшие изгибающие моменты возникают в балке с опорами в виде консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на наклонной стойке, а наименьшие - в балке с опорами в виде одноярусной консольной фермы. Максимальный изгибающий момент для всех конструкций возникает в середине пролета между третьей и четвертой точкой опирания балки; в опорных точках максимальный изгибающий момент возникает в точке 5; максимальное вертикальное перемещение возникает в точке 4. Деформации балки с опорами в виде одноярусной консольной фермы в 7 - 10 раз меньше, чем в других предложенных конструкциях, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

2,88х1Й4) 2,55xl<S3> 2,91 хЖ2)

2,83xl(Kl) \

1,88 х1Й5) 4,52x1014) г,44хщз) 4,54х1£д2) 4,4Ох10Ш i.\

2,04xlift5) 1,61 х1Й4)

0,81 xlÖU) 0(бгх1ЙЗ) 0,79x1612) 0,78xl3h)

l,29xl?C5) 8,48xl$4) 1,01 xlflb) 8(55*1Й2) 8,29xlftl)

l,33xlÄ5) 9,54Х1Й4) 1,07 х1ЙЗ) 9,62*1012) 9,31 xliftl)

Рис. ¡0 Эпюры: а - изгибающих моментов (Нм), б - прогибов (м) для балки с опорами в виде: 1 - консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на опорной стойке; 2 - двухъярусной консольной фермы; 3 - одноярусной консольной фермы; 4 - консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом; 5 - консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на наклонной стойке

Приведены численные исследования напряженно-деформированного состояния следующих балочных конструкций трубчатого сечения малого диаметра с опорами в виде консольных ферм: треугольной консольной фермы и консольной фермы с параллельными поясами, со следующими исходными параметрами: пролет 33 м, длина панели 3 м, расчетное сопротивление трубчатого профиля Ry = 240 МПа, удельный вес металла у = 7,85 х 10 4 Н/м3, расчетная нагрузка <7=115 Н/м, модуль упругости Е = 2,1 х 10 " Н/м 2.

По результатам численных исследований построены эпюры изгибающих моментов (рис. 11,а) и эпюры прогибов (рис 11,6) для балки трубчатого сечения малого диаметра, с опорами в виде консольных ферм.

7,87Е>03С!) 1,4Е+04<2>

4,9Е+03<1) 7,6Е+03<2) 2.7Е+03Ш г.ОЕ+озсг^

!,9Е+ОЭ«>

г,бЕ+оз<г)

5,6Е+ОЗС1) 6,2Е+03<2>

8ЛЕ+ОЗШ В.7Е+ОЗС2>

9,7Е>ОЗШ 9,9Е+ОЗС2>

7.87Е+ОЗС1) 1,4Е+04<2>

9.7Е+ОЗШ 9.9Е+03<25 ди,ьЕ+04а> 1,09Е+04(2)

5,6Е+ОЗШ 6,2Е*ОЭ<2> 8,1Е+03(1) 8,7Е+03<2>

4 83Е-05С2) 3 81Е-05<г> 5.39Е-06С1) 2 22Е-06<1>

6 37Е-05С2) 7 25Е-05<2) 189Е-05С1) 2 69Е-.05а)

4.ВЗЕ-05С2)

5.39Е-06<1) 3.81Е-05<2) 2.22Е-06Ш

1ИЕ-06С1) / ^ч/ / , Ч Зг \ 111Е 06ш

4 49Е-05С2) /^-Д--^______V ^ЗЛ^Л 4 4™«

2 695Е-06Ш5гЗЕ-05<г) р!™' г695Е-°6<1>

* 6 00Е-05С2)

7 09Е-05С2) 156Е-05Ш 2 55Е-05С1)

Рис. 11. Эпюры: а - изгибающих моментов (Нм), б - прогибов (м) для балки с опорами в виде: 1 - треугольной консольной фермы; 2 - консольной фермы с параллельными поясами

Результаты численного исследования показали, что наибольшие изгибающие моменты возникают в балке с опорами в виде консольной фермы с параллельными поясами, а наименьшие в балке с опорами в виде треугольной консольной фермы. Максимальный прогиб и максимальный изгибающий момент для обеих конструкций возникают между 7 и 8 опорами балки (в середине пролета конструкции). Деформации балки с опорами в виде треугольной консольной фермы на 9 - 12% менее, чем в балке с опорами в виде фермы с параллельными поясами, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

Предложен критерий материалоемкости опор в виде консольных ферм. Погонный вес поддерживающих элементов балки принимался в относительных единицах, действующих на них нагрузок (отношение погонного веса поддерживающих элементов Б,, к погонным действующим нагрузкам д0 )■ Получен безразмерный коэффициент материалоемкости поддерживающих элементов

Кг

к -9а., (П)

и ~ „ Яо

Для выявления закономерностей изменения критериев материалоемкости, рассмотренных в работе балочных конструкций трубчатого сечения большого диаметра с опорами в виде консольных ферм, проведены численные исследования по определению безразмерного коэффициента материалоемкости при следующих исходных параметрах: пролет 75 м, длина панели 25 м, расчетное сопротивление трубчатого профиля Я = 268 МПа, удельный вес металла у =

7,85 х 10 4 Н/м3, расчетная нагрузка д = 0,5685 Н/м, модуль упругости Е =

2,1 х 1011 Н/м 2 . При назначенных параметрах балочной конструкции трубчатого сечения были вычислены характеристики материалоемкости опорных конструкций, которые показаны на рис. 12.

Из полученных результатов видно, что при одинаковом пролете балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм наиболее эффективной по материалоемкости является одноярусная консольная ферма. Балочные конструкции с опорами в виде консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на опорной стойке, двухъярусной консольной фермы, консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом, консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на наклонной стойке имеют больший расход металла.

Проведенные численные исследования материалоемкости опорной конструкции в виде консольных ферм показали, что среди предложенных конструкций самыми рациональными являются одноярусная консольная ферма и консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на опорной стойке Мате-

риалоемкость этих конструкций в 4 - 5 раз меньше, чем у консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом. Самой нерациональной по материалоемкости конструкцией, среди предложенных, является двухъярусная консольная ферма. Материалоемкость этой конструкции больше, чем у одноярусной консольной фермы в 7,5 раз.

О 0,1 0> 0,3 ВА 0,5 0,6 В,7 0,В 0,9 \Й 1,1 1,2 1,3 1,4 1.5 1,6 1,7 10 к

Рис. 12. Материалоемкость поддерживающих элементов для: 1 - консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на опорной стойке; 2 -двухъярусной консольной фермы; 3 - одноярусной консольной фермы; 4 - консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом; 5 - консольной фермы, усиленной вантами, закрепленными на наклонной стойке

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработаны новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций) с опорами в виде консольных ферм, позволяющие обеспечить максимальную несущую способность трубчатого профиля при увеличении перекрываемого пролета.

2 Разработана методика расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем

3 На основании проведенных экспериментальных исследований модели балочной конструкции рассматриваемого типа выявлено, что наиболее "невыгодным загружением" является нагрузка, равномерно-распределенная на всем пролете конструкции, при которой возникают максимальные прогибы. Срав-

нение экспериментальных и теоретических данных качественно совпадает, а количественно имеет место расхождение в пределах 5 - 9 %.

4 Предложены функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, оценивающие их эффективность, в зависимости от конструктивной схемы, которые позволяют из анализа различных конструктивных решений, на стадии эскизного проектирования выявить из нескольких технически возможных наиболее рациональное.

5 Результаты проведенных исследований являются основанием для практических рекомендаций по проектированию балочных конструкций рассматриваемого типа и были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМАПроектжилст-рой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором, используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

На предложенную автором балочную конструкцию трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера, получен патент на полезную модель.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Акимов С.Н. Оценка напряженно-деформированного состояния надземного перехода с консольными опорами, имеющими анкера / С.Н. Акимов, Л.А. Лунев // Надежность и ресурс газопроводных конструкций' Сб докладов -Москва. ООО'ЪНИИГАЗ", 2003. - С. 251-254.

2. Акимов С Н Оценка напряженно-деформированного состояния надземного перехода с консольными опорами, имеющими консольную балку, уси-

ленную вантовой конструкцией / С.Н. Акимов, Л.А. Лунев // Полвека Белгородской области: итоги, проблемы, перспективы: Сборник научных трудов -Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2003. - С. 88-91.

3. Акимов С.Н. Напряженное состояние надземного перехода с консольными конструкциями, увеличивающими перекрываемый пролет / С.Н. Акимов, Л.А. Лунев // II международная научно-практическая конференция "Эффективные строительные конструкции: Теория и практика". Сб. статей - Пенза: ПГУАСА, 2003. - С. 136-139.

4. Акимов С.Н. Определение материалоемкости консольных опорных ферм для балочных конструкций трубопроводных систем / С.Н. Акимов, Л.А. Лунев // Известия ОрелГТУ. Серия "Строительство и транспорт".- Орел, 2004, № 3 - 4. - С. 3 - 4.

5. Акимов С.Н. Экспериментальные исследования модели балочной конструкции кольцевого сечения с консольными опорами, имеющими анкера // Материалы международной научной конференции "Образование, наука, производство и управление в XXI веке: Старый Оскол, Старооскольский технологический институт (филиал) МИСиС, 2004. - С. 15-16.

6. Патент на полезную модель № 43939 Ш. Устройство усиления надземного трубопроводного перехода с консольными опорами, увеличенного пролета. // С.Н. Акимов, Л.А. Лунев, - 2004130116/22; заявл. от 14.10.2004; опубл. 10.02.1005.

Подписано в печать 4 мая 2005 г Формат 60x84 1/16. Уел печ л 1 Тираж 70 экз. Заказ № 34/17 Подра-пе пение оперативной печати СТИ МИСиС 309530, г Старый Оскол, м-он Макаренко 40.

€.9985

РНБ Русский фонд

2006-4 6537

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ КОНСОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ.

1.1. Консольные конструкции в промышленном и гражданском строительстве.

1.2. Консольные конструкции в строительстве трубопроводных систем.

1.3. Надземная прокладка трубопроводов.

1.4. Конструирование консольных опор.

1.4.1 Способы устройства анкерных опор.

1.4.2 Способы устройства шарнирных опор.

1.5. Узлы трубчатых ферм.

1.6. Анализ методов расчета балочных конструкций трубопроводных систем.

1.7. Постановка цели и задач исследования.

2 НОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБЧАТОГО

СЕЧЕНИЯ С ПОДАТЛИВЫМИ ОПОРАМИ В ВИДЕ

КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ.

2.1. Новые конструктивные формы балочных конструкций трубчатого сечения.

2.2. Методика расчета напряженно-деформированного состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

2.3. Податливость опорных конструкций с балками трубчатого сечения больших диаметров.

2.4. Податливость опорных конструкций с балками трубчатого сечения малых диаметров.

2.5. Несущая способность балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

2.6. Выводы по главе 2.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ С ОПОРАМИ В ВИДЕ КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ, ИМЕЮЩИМИ

АНКЕРА.

3.1. Моделирование балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм.

3.2. Обработка результатов эксперимента и оценка точности измерений.

3.3. Выводы по главе 3.

4 ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ С ОПОРАМИ В

ВИДЕ КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ.

4.1. Алгоритм расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм с использованием предлагаемой методики.

4.2. Оценка напряженно-деформированного состояния балочной конструкции трубчатого сечения большого диаметра с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера.

4.3. Оценка напряженно-деформированного состояния балочной конструкции трубчатого сечения малого диаметра с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера.

4.4. Определение материалоемкости опорных конструкций в виде консольных ферм, имеющих анкера.

4.5. Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Балочные конструкции трубчатого сечения применяются в инженерных сооружениях (водоводы, тепловые сети, газопроводы, нефтепроводы и т.д.) при пересечении искусственных или естественных препятствий в виде рек, оврагов, каналов. Подобные конструкции являются наиболее рациональными, так как одновременно выполняют технологическую функцию и функцию несущей конструкции. В них максимально используется несущая способность балочных конструкций, но они имеют ограниченный диапазон перекрываемого пролета.

Идея совмещения функций в одном конструктивном решении, в виде ферм в консольных опорах балочных конструкций, позволяет снять ограничения диапазона перекрываемого пролета и максимально использовать несущую способность основного конструктивного элемента - балочной конструкции трубчатого сечения. Консольные опоры в виде ферм, выполняют функцию поддерживающей конструкции балочных конструкций трубчатого сечения и одновременно выполняют функцию опор, что способствует более полной реализации свойств материала, как основной конструкции, так и ее опорных частей.

Новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм до настоящего времени изучены слабо и вопросы их прочности, деформативности являются актуальными.

В этой связи целью настоящей работы является разработка конструктивных решений и методики расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций), направленная на повышение их несущей способности с одновременным снижением материалоемкости.

Автор защищает:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющую адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- результаты экспериментальных исследований деформативности модели балочных конструкций рассматриваемого типа;

- функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм;

- результаты численных исследований напряженно-деформированного у состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Научную новизну работы составляют:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методика расчета предложенных конструкций, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- новые опытные данные об особенностях деформирования модели балочной конструкции рассматриваемого типа;

- предложенные функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых допущений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается сопоставлением экспериментальных результатов исследования конструкции с теоретическими.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанные новые конструктивные решения, методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм рекомендуется использовать при их проектировании и строительстве через естественное и искусственное препятствие (река, овраг и т.д.) в ЦНИИПроектстальконст-рукции им Н.П. Мельникова и других проектных организаций.

Результаты проведенных исследований были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМАПроектжилстрой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

- II Международной научно-технической конференции "Эффективные строительные конструкции: теория и практика", Пенза (2003 г);

- Международной научной конференции "Образование, наука, производство и управление в XXI веке", Старый Оскол, Старооскольский технологический институт (филиал) МИСиС, (2004 г);

- VII региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам "Молодые ученые - науке, образованию, производству, Старый Оскол (2004 г);

В. полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры "Промышленное и гражданское строительство" Старооскольского технологического института филиала МИСиС (сентябрь 2004 г.) и на заседании кафедры "Строительные конструкции и материалы" Орловского государственного технического университета (сентябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 137 страницах, включая 5 таблиц, 74 рисунка, список литературы из 104 наименований и 4 приложения на 26 страницах текста.

4.5 Выводы по главе 4

1. Проведены исследования несущей способности и деформативности балочной конструкции трубчатого сечения большого диаметра. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде одноярусной консольной фермы деформации в 7 - 10 раз меньше, чем в других предложенных конструкциях, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

Проведены результаты численных исследований деформирования и внутренних силовых факторов балочной конструкции трубчатого сечения малого диаметра, с опорами в виде консольных ферм. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде треугольной консольной фермы деформации на 9 - 12% меньше, чем в балочной конструкции с опорами в виде фермы с параллельными поясами, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

2. Выявлены закономерности металлоемкости балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, в зависимости от конструктивной схемы.

Получен безразмерный коэффициент материалоемкости поддерживающих элементов К для каждой из предложенных конструкций.

Проведенные численные исследования материалоемкости опорной конструкции в виде консольных ферм показали, что среди предложенных конструкций самыми рациональными являются одноярусная консольная ферма, и консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на опорной стойке. Материалоемкость этих конструкций в 4 - 5 раз меньше, чем у консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом. Самой нерациональной по материалоемкости конструкцией, среди предложенных, является двухъярусная консольная ферма. Материалоемкость этой конструкции больше, чем у одноярусной консольной фермы в 7,5 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработаны новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций) с опорами в виде консольных ферм, позволяющие обеспечить максимальную несущую способность трубчатого профиля при увеличении перекрываемого пролета.

2 Разработана методика расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем.

3 На основании проведенных экспериментальных исследований модели балочной конструкции рассматриваемого типа выявлено, что наиболее "невыгодным загружением" является нагрузка, равномерно-распределенная на всем пролете конструкции, при которой возникают максимальные прогибы. Сравнение экспериментальных и теоретических данных качественно совпадает, а количественно имеет место расхождение в пределах 5-9%.

4 Предложены функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, оценивающие их эффективность, в зависимости от конструктивной схемы, которые позволяют из анализа различных конструктивных решений, на стадии эскизного проектирования выявить из нескольких технически возможных наиболее рациональное.

5 Результаты проведенных исследований являются основанием для практических рекомендаций по проектированию балочных конструкций рассматриваемого типа и были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМА-Проектжилстрой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором, используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

На предложенную автором балочную конструкцию трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера, получен патент на полезную модель.

105

1. Азметов Х.А. Надежность "горячих" нефтепроводов / Х.А Азметов,

2. B.Л. Березин, П.П. Бородавкин, Э.М. Ясин // Тематические научно-технические обзоры ВНИИОЭПГ. М.: ВНИИОЭНГ, 1975. - 83 с.

3. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость.-М.: Недра, 1991. 287 с.

4. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость / А.Б. Айнбиндер, А.Г. Камерштейн, М.: Недра, 1982. -341 с.

5. Бабин Л.А. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов / Л.А. Бабин, Л.И. Быков, В .Я. Волохов, М.: Недра, 1979. - 176 с.

6. Балдин В.А. Расчет стальных конструкций по расчетным предельнымсостояниям. М.: ГИЛСА, 1956. - 42 с.

7. Балдин В.А. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям / В.А. Балдин, И.И. Гольденблат, В.И. Коченов и др., М.: 1951. -272 с.

8. Беленя Е.И. Металлические конструкции / Е.И Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др. Под ред. проф. Беленя Е.И., М.: Стройиз-дат,1973. - 687 с.

9. Бирюлев В.В. Проектирование металлических конструкций. Специальный курс. JL: Стройиздат,1990. - 432 с.

10. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. - 279 с.

11. Бородавкин П.П. Сооружение магистральных трубопроводов / П.П. Бородавкин, B.JI. Березин, М.: Недра, 1987. - 472 с.

12. Горев В.В. Металлические конструкции. Элементы стальных конструкций. Том I. М.: "Высшая школа", 1997. - С. 402 - 430.

13. Горев В.В. Металлические конструкции. Конструкции зданий. Том II. -М.: "Высшая школа", 1999. С. 135 - 147.

14. Горев В.В. Металлические конструкции. Специальные здания и сооружения. Том III. М.: "Высшая школа", 1999. - С. 291 - 294.

15. Дарков A.B. Строительная механика / A.B. Дарков, H.H. Шапошников, М.: "Высшая школа", 1986. - 608 с.

16. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1985. - 230 с.

17. Иванцов О.М. Надежность магистральных трубопроводов / О.М. Иванцов, В.И. Харитонов, М.: Недра, 1978.

18. Казакевич М.И. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов / М.И. Казакевич, А.Е. Любин,-Киев: Будивельник, 1980. 144 с.

19. Камерштейн А.Г. Расчет трубопроводов на прочность / А.Г. Камер-штейн, В.В. Рождественский, М.Н. Ручимский // Справочная книга.1. М.: Недра, 1969. 440 с.

20. Качурин В.К. Проектирование висячих и вантовых мостов / В.К. Качу-рин, В.В. Брагин, Г. Ерунов, М.: Транспорт, 1971. - 280 с.

21. Келдыш В.М. Некоторые вопросы метода предельных состояний / В.М. Келдыш, И.И. Гольденблат // Материалы к теории расчета по предельному состоянию. Вып. П. М.: Стройиздат, 1949. - С. 6 - 17.

22. Лунев Л.А. Конструкции переходов через горные реки // Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. М.: ВНИИОНГ, 1989, № 11. - С. 4-5.

23. Лунев Л.А. Мост с консольными опорами. Решение патентной экспертизы ВНИИГПЭ о выдаче авторского изобретения по заявке 49446902/33

24. Лунев Л.А. Надземные трубопроводные переходы с консольными опорами //Нефтепромысловое строительство. М.: ВНИИОНГ, 1988, №12.

25. Лунев Л.А. О напряженно-деформированном состоянии балочных трубопроводных мостов с консольными опорами // Совершенствование производства и методов расчета конструкций. М.: деп. ВНИИНТПИ №7787,1987.-С. 82-83.

26. Лунев Л.А. Основы проектирования новых конструкций надземных трубопроводных переходов. Старый Оскол, 2000. - 124 с.

27. Лунев Л.А. Оценка напряженно-деформированного состояния надземного перехода с консольными опорами, имеющими анкера / Л.А. Лунев, С.Н. Акимов // Надежность и ресурс газопроводных конструкций: Сб. докладов. Москва: 000"ВНИИГАЗ", 2003. - С. 251 - 254.

28. Любин А.Е. О предельном состоянии изгибаемых трубопроводов низкого давления // Строительная механика и расчет сооружений.- 1972. №2.

29. Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития.- М.: Стройиздат,1983. 541 с.

30. Металлические конструкции. В Зт. Т.2 Стальные конструкции, зданий и сооружений (справочник проектировщика) / Под общей редакцией В.В. Кузнецова. (ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). М.: изд- во АСВ, 1998. - 512 с. с илл.

31. Патент на полезную модель № 43939 U1. Устройство усиления надземного трубопроводного перехода с консольными опорами, увеличенного пролета. // Акимов С.Н., Лунев Л.А. 2004130116/22; заявл. от 14.10.2004; опубл. 10.02.1005.

32. Пат. 45322 Норвегия el Е 01 d, 11/00

33. Пат. 107352 Норвегия, МКИ Е0 d, 11/0040,41.42,43,44,45,4647,48,49,50,51,52,53,5455,5657,58