автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность стальных двутавровых балок с поясами из широкополочных тавров при воздействии локальных нагрузок

СОДЕРЖАНИЕ.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Влияние сложного напряженного состояния на несущую способность стальных балок при воздействии локальных нагрузок.

1.2 Основные направления повышения надежности стальных балок.

1.3 Особенности работы балочных конструкций при подвижной нагрузке.

2. ПРОЧНОСТЬ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ С ПОЯСАМИ ИЗ ТАВРОВ ПРИ ЛОКАЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ

2.1 Зарубежный опыт определения предельной нагрузки для стальных двутавровых балок при воздействии сосредоточенной нагрузки.

2.2 Напряженное состояние подкрановых балок с поясами из тавров и особенности компоновки их поперечного сечения.

2.3 Предельное состояние балок с поясами из тавров, у которых устойчивость стенки-вставки обеспечена.

2.4 Предельное состояние балок с поясами из тавров, у которых возможна потеря устойчивости стенки-вставки.

2.5 Предложения по расчету балок с отношением Н/Ь = 1/8 -5-1/ при воздействии локальных нагрузок.

2.6 Предельное состояние балок с поясами из тавров при локальной нагрузке, приложенной с эксцентриситетом относительно плоскости стенки.

2.7 Определение угла закручивания поясного тавра двутавровой балки при изгибе с кручением.

2.8 Учет влияния тормозной конструкции подкрановой балки с поясами из тавров на предельную нагрузку при изгибе с кручением.

3. УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНКИ-ВСТАВКИ ДВУТАВРОВОЙ БАЛКИ С ПОЯСАМИ ИЗ ТАВРОВ

3.1 Обоснование метода расчета на устойчивость стенки-вставки.

3.2 Устойчивость пластинки при сложном напряженном состоянии.

3.3 Последовательность расчета на устойчивость стенки-вставки балки с поясами из тавров.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СЖАТОГО ПОЯСНОГО ТАВРА СТАЛЬНОЙ БАЛКИ, КАК БАЛКИ НА ДЕФОРМИРУЕМОМ ОСНОВАНИИ

4.1 Модель деформируемого основания и решение дифференциального уравнения изгиба балки.

4.2 Несущая способность сжатого поясного тавра стальной балки, как балки на деформируемом основании.

4.3 Пример расчета поясного тавра как балки на деформируемом основании.

4.4 Кручение балок на упругом основании.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТАЛЬНЫХ СОСТАВНЫХ ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛОКАЛЬНЫХ НАГРУЗОК 5.1 Цели и задачи, опытные образцы и методика проведения эксперимента.

5.2 Выбор метода исследований и аппаратуры.

5.2.1 Методы исследований НДС.

5.2.2 Схема отражательного полярископа и аппаратура.

5.2.3 Определение области пластических деформаций.

5.3 Физико-механические характеристики материала балок.

5.4 Физико-механические характеристики оптически активного материала.

5.5 Результаты экспериментального исследования.

5.6 Сравнение результатов эксперимента с данными теоретических исследований.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ ЗОНЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В СОСТАВНОЙ ДВУТАВРОВОЙ БАЛКЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

6.1 Теоретические основы конечных элементов и описание применяемого конечного элемента.

6.2 Определение значений физических характеристик стали.

6.3 Результаты расчета составных двутавровых балок.

Для успешного развития строительства в России на современном этапе требуется разработка и внедрение экономичных строительных конструкций. Этот вопрос приобретает особую актуальность в свете необходимости максимальной экономии эффективных и дорогостоящих строительных материалов, прежде всего строительных сталей.

Сталь в настоящее время является одним из основных строительных материалов, сочетающим в себе прочность и пластичность, что не присуще ни одному из известных материалов. Она способна воспринимать ударные нагрузки, работать при весьма низких, а так же достаточно высоких температурах, а также дает возможность изготовления конструкций практически любой формы. Достижения физики твердого тела и металловедения открыли перспективы создания сталей, обладающих очень высокой прочностью, а это означает, что возникает возможность более широкого, более универсального применения сталей. В последние годы наблюдается некоторое увеличение объема применения стальных строительных конструкций, особенно при реконструкции зданий и сооружений. В связи с этим важное значение приобретает разработка и реализация мероприятий, обеспечивающих экономию стали. Последнее возможно в результате более полного практического использования факторов научно-технического прогресса:

- использование последних разработок в области прикладных программных средств компьютерной техники;

- использование сталей повышенной и высокой прочности;

- применение новых эффективных конструктивных форм;

- применение предварительно напряженных конструкций;

- совершенствование методов расчета стальных конструкций.

В настоящее время во многих строительных сооружениях применяются металлические тонкостенные конструкции в виде балок составного и прокатного профилей. Их можно встретить, например, в автодорожных и железнодорожных 9 мостах, в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, в качестве подкрановых балок в производственных цехах, в крановых эстакадах, в машинных залах ТЭЦ, ГЭС. Работа таких конструкций происходит, как правило, в условиях воздействия местных (локальных) нагрузок. При этом зона конструкции, приближенная к месту контакта с нагрузкой, зачастую характеризуется появлением пластических деформаций. В связи с этим вопрос обеспечения прочности и местной устойчивости балочных конструкций встает особенно остро, т. к. в местах приложения локальных нагрузок возникают все компоненты напряженного состояния. Вопросы прочности и местной устойчивости являются достаточно обособленными, но в то же время очень важными в исследовании работы сплошных тонкостенных конструкций. В настоящее время, несмотря на значительное число работ в данной области, эти вопросы представляются актуальными для дальнейших исследований. Таким образом, задача по совершенствованию методов расчета стальных балок на прочность и местную устойчивость при воздействии локальных нагрузок относится к задачам, требующим более глубокого изучения.

Места приложения локальных нагрузок характеризуются весьма сложным напряженным состоянием, решающим образом сказывающимся на прочности конструкции или потери местной устойчивости отдельными ее элементами. При этом значительную составляющую часть суммарного поля напряжений дают местные напряжения. Теория местных напряжений позволяет рассматривать нагруженный тонкостенный стержень, расчленяя его на ряд плоских отдельных полос, каждая из которых загружается нормальными и касательными усилиями взаимодействия.

Существующий метод расчета конструкций по предельным состояниям создает объективную необходимость учитывать образование и развитие пластических деформаций.

Работа балочных конструкций, особенно подкрановых, происходит под воздействием локальных нагрузок, приложенных не только в плоскости стенки балки, но и весьма часто с определенным эксцентриситетом относительно нее.

10

Это обстоятельство требует учета не только нормальных, касательных и сминающих (вертикальных) напряжений, но и крутящих. Многими отечественными исследователями, среди которых Б.М.Броуде, Н.НБезухов, А.Р.Ржаницын, А.И.Стрельбицкая, Е.А.Бейлин, М.Д.Жудин, С.А.Пальчевский, Ф.Мази, М.Хорн и др., опубликованы ряд работ, где предлагаются зависимости между изгибающим моментом и поперечной силой в предельном состоянии сечения. Этими работами учитывались лишь две первые компоненты напряжений. Учет влияния сминающих напряжений дается только в работах Б.Б.Лампси [83-87, 94, 95], основанных на обобщении и развитии метода Б.М.Броуде [13, 14]. Влияние крутящих напряжений, являющихся следствием эксцентрично приложенной локальной нагрузки, на предельное состояние не учитывалось. С учетом кручения в месте сопряжения стенки и пояса происходит значительная концентрация напряжений в том числе и сварочных. Эффект этой концентрации в сварном тавре, что соответствует обычной двутавровой сварной балке, сказывается значительно сильнее чем в прокатном, т.к. в месте соединения пояса со стенкой находится зона неблагоприятного термического эффекта от сварки. Таким образом, напряженное состояние рассматриваемого места сварных балок, в особенности подкрановых, в условиях кручения верхнего пояса является чрезвычайно сложным. Данные обстоятельства делают необходимым рассматривать несколько иные пути более надежного способа восприятия напряженного состояния в трехлис-товых балках при эксцентрично приложенной нагрузке. В первую очередь изучение работы балок с более эффективными формами сечений. Одними из простых и хорошо себя зарекомендовавшими являются балки с поясами из широкополочных тавров и листовой стенкой-вставкой. Значительным преимуществом таких балок, по сравнению с обычными трехлистовыми двутавровыми балками является отсутствие сварного шва в месте сопряжения стенки и полки. Сварной шов находится ближе к центральной оси, а поэтому уменьшается степень его разрушения из-за сложного напряженного состояния в месте приложения локальной нагрузки.

11

Вопросы определения напряжённо-деформированного состояния в стенке с учётом местного кручения изучались в работах многих авторов [5, 8, 67, 111, 112, 118, 160, 162]. Однако до настоящего времени не исследовался вопрос определения предельно допустимого вертикального усилия на двутавровую балку, вызывающего её кручение. Возможность аналитического определения несущей способности (предельной нагрузки), подразумевающей учет пластической стадии работы для балок такого типа сечения с учетом кручения, позволит обеспечить определенную экономию стали, и как минимум даст представления о качественном характере работы конструкции на предельных стадиях.

Цель работы - провести теоретические и экспериментальные исследования работы стальных балок составного сечения с поясами из широкополочных тавров и стенки-вставки за пределами упругой стадии работы при воздействии локальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом и предложить практический метод их расчета.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

- выполнение анализа теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов по определению предельной нагрузки для двутавровых балок при воздействии локальных нагрузок;

- проведение анализа предельных состояний в стальных балках при воздействии локальной нагрузки;

- получение аналитического выражения для определения предельной нагрузки на основе принятого предельного состояния двутавровых балок составного сечения с поясами из широкополочных тавров и стенки-вставки при воздействии локальной нагрузки с учетом возможного эксцентриситета ее приложения;

- определение степени влияния тормозной конструкции подкрановой балки на ее несущую способность при воздействии вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок, вызывающих кручение;

- определение несущей способности сжатого пояса из тавра, рассматривая его как балку на деформируемом упругом основании (БУО) при центрально при

12 ложенной нагрузке и с учетом возможного эксцентриситета;

- определение критической нагрузки для составных балок из условия потери устойчивости стенки-вставки;

- выполнение экспериментального исследования стальных балок составного сечения при воздействии локальной нагрузки;

- определение размеров зоны пластических деформаций в элементах балки методом конечных элементов с учетом физической нелинейности материала;

- получение практического метода расчета составных балок с поясами из тавров при воздействии локальных нагрузок.

Научная новизна работы:

- предложено предельное состояние для стальной двутавровой балки с поясами из широкополочных тавров при воздействии локальной нагрузки;

- выполнено теоретическое исследование по определению предельной нагрузки для стальных балок составного сечения с поясами из широкополочных тавров при воздействии локальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом относительно плоскости стенки;

- исследовано влияние тормозной конструкции подкрановой балки на предельную нагрузку при воздействии крутящего момента от вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок;

- выполнено теоретическое исследование по определению предельной нагрузки для верхнего сжатого пояса составной балки в виде тавра, рассматривая его как балку на деформируемом упругом основании (стенке-вставке) от воздействия вертикальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом;

- выполнено экспериментальное исследование стальных балок составного сечения с поясами го тавров по определению предельной нагрузки, размеров зон пластических деформаций в стенке и поясе;

- выполнено численное исследование работы стальных балок составного сечения с поясами из тавров при воздействии предельных нагрузок с целью определения размеров зон пластических деформаций;

13 получена методом конечных разностей критическая нагрузка для стенки-вставки при воздействии локальной нагрузки, приложенной к верхнему сжатому поясу; разработан практический метод расчета стальных балок составного сечения с поясами из широкополочных тавров при воздействии локальной вертикальной нагрузки, приложенной центрально, а также при воздействии крутящего момента, вызванного вертикальными, приложенными с эксцентриситетом и горизонтальными крановыми нагрузками.

Практическое значение диссертации: получена формула по определению предельной нагрузки для стальных балок составного сечения с поясами из тавров и относительной высотой 1г/Ъ>1/4 при воздействии локальной вертикальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом; получено аналитическое выражение, учитывающее влияние тормозной конструкции подкрановой балки при воздействии крутящего момента от вертикальной, приложенной с эксцентриситетом и горизонтальной крановых нагрузок; определены теоретически, экспериментально и численно размеры зон развития пластических деформаций в поясе и стенке-вставке, соответствующие предельной нагрузке; определена предельная нагрузка для верхнего сжатого пояса в виде широкополочного тавра, рассматриваемого в виде балки на упругом деформируемом основании от воздействия вертикальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом; получена формула по определению критической нагрузки для стенки-вставки при воздействии локальной нагрузки, приложенной к верхнему поясу; получена формула по определению допустимой нагрузки для стальных балок составного сечения с поясами из широкополочных тавров и относительной высотой Ь/Ь<1/4 при воздействии локальной нагрузки.

14

Реализация результатов исследований

Полученные результаты работы были использованы:

- при выполнении хоздоговорной работы № 2001/8 НИР и 2002/9 ИР от 1 октября 2001 г. «Исследование технического состояния строительных конструкций прокатного цеха крановой эстакады участка отходов производства для ОАО "Горьковский металлургический завод"»;

- при выполнении хоздоговорной работы № 98/38 от 20 апреля 1998 г. «Комплексное обследование плавильных участков и шихтовых дворов литейных цехов кузнечно-литейного производства ОАО "Горьковский автомобильный завод"»;

- при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы№ 1.4.00.Ф «Применение математического моделирования и интеллектуальных систем для исследования процессов стабилизации конструкций, работающих в упругой и упругопластической стадиях».

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на всероссийской конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (г. Чебоксары, 1997 г.), всероссийской научно-практической конференции «Строительные конструкции-2000» (секция «Металлические конструкции», г. Москва, 2000 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов, (г. Н. Новгород, 2000 г.), международной конференции «Архитектура оболочек и прочностной расчет тонкостенных строительных и машиностроительных конструкций сложной формы» (г. Москва, РУДН, 2001 г.), VIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (г. Пермь, Ш ТУ, 2001 г.), 59-й региональной научно-технической конференции СамГАСА «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2002 г.).

На защиту выносятся:

- результаты теоретических исследований по определению предельной нагрузки для стальных балок составного сечения с поясами из широкополочных

15 тавров при воздействии локальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом относительно плоскости стенки;

- результаты теоретических исследований по определению влияния тормозной конструкции подкрановой балки на предельную нагрузку при воздействии крутящего момента от вертикальных, приложенных с эксцентриситетом и горизонтальных крановых нагрузок;

- результаты теоретических исследований по определению предельной нагрузки для верхнего сжатого пояса составной балки, в виде тавра, рассматриваемого в виде балки на упругом основании (стенке-вставке) от воздействия вертикальной нагрузки, приложенной центрально и с эксцентриситетом;

- результаты экспериментальных исследований стальных балок составного сечения с поясами из тавров по определению предельной нагрузки, размеров зон пластических деформаций в стенке и поясе;

- результаты численных исследований работы стальных балок составного сечения с поясами из тавров при воздействии предельных нагрузок с целью определения размеров зон пластических деформаций;

- результаты расчета методом конечных разностей по определению критической нагрузки для стенки-вставки при воздействии локальной нагрузки, приложенной к верхнему сжатому поясу;

- практический метод по определению допустимой нагрузки для стальных балок составного сечения с поясами ю пшрокополочных тавров и относительной высотой ЫЪ<\/4 при воздействии локальной нагрузки.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Основные положения опубликованы в журнале «Известия вузов. Строительство», а также в сборниках докладов международной и российских конференций.

16