автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка и исследование пространственных трубчатых конструкций, воспринимающих воздействие подвижных нагрузок

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИЧССЛЕДОВАТЕЛЬСКЙЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИМЕНИ В. А. КУЧЕРЕНКО (ГУП ЦНИИСК им. КУЧЕРЕНКО)

На правах рукописи

РГ6 од

" 2 КОЯ ш

Гнездилов Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ВОСПРИНИМАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.01-Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2000

Работа выполнена в Государственном Унитарном предприятии Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В.А. Кучеренко (ГУП ЦНИИСК им. Кучеренко). ,

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ГОРПИНЧЕНКО В.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

БАРЫШЕВ В.М.,

кандидат технических наук, доцент ВЕРШИНИН В.П.

Ведущая организация - Центральный научно-

исследовательский институггипового и экспериментального проектирования комплексов и зданий культуры, спорта и управления им. Б.С.Мезенцева.

Защита диссертации состоится X_2000 г. в ^часов

на заседании диссертационного совета Д 033.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Государственном Унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им.В.А.Кучеренко по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул., д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан Ж 2000 года.

Ученый секретарь диссертационн канд.техн. наук

Н549 .5 -~02В.вЧ ,0' НШ.Ч-022,0

Воробьева С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ.

Интеграция народного хозяйства России в мировую экономическую систему выдвигает новые задачи его развития, которые в прежнее время не Могли считаться актуальными. Развитие реальной экономики и рыночных отношений ставит в ряд актуальных И весьма перспективных проблем развитие индустрии отдыха и развлечений, которая позволяет привлекать свободные средства населения для увеличения числа рабочих мест, организации досуга й формирования цивилизованных общественных отношений.

Таким образом, актуальность настоящей работы определяется необходимостью развития и использования современных эффективных видов строительных конструкций в новых прогрессивных областях народного хозяйства.

Современные аттракционы, предназначенные для развлечения посетителей парков и площадок, представляют собой весьма сложные инженерные сооружения, в которых развлекательный эффект достигается, в том числе, за счёт создания острых психофизических ощущений у посетителя путем его неравномерного перемещения в пространстве.

Для осуществления сложных пространственных перемещений И восприятия соответствующих им нагрузок необходимо разработать эффективные строительные конструкции, обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств. Наиболее перспективными в этом отношении являются пространственные трубчатые металлические конструкции. В настоящей работе исследованы металлические конструкции одного из классических аттракционов - катальной горь1. Эти . конструкции испытывают непосредственное воздействие подвижных нагрузок, что действующие нормы проектирования отМосят к особо тяжелым условиям эксплуатации. Основным предельным состоянием для

таких конструкций является усталостное разрушение. Комплексное расчетно-экспериментальное исследование особенностей работы конструкций при переменных подвижных нагрузках позволяет определить и использовать возможные резервы их несущей способности. Этому исследованию посвящена диссертация.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью диссертационной работы являлось обеспечение надежности и долговечности пространственных трубчатых конструкций, работающих под воздействием подвижных нагрузок, на основе изучения их действительной работы и исследования резервов несущей способности.

В рамках поставленной цели, исходя из особенностей конструктивных форм и условий работы металлических конструкций, непосредственно воспринимающих подвижные1' нагрузки, автором сформулированы и решены следующие

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

1. Разработка основных положений расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, воспринимаемых металлическими конструкциями катальной горы.

2. Численное исследование напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых металлических конструкций под действием подвижных нагрузок.

3. Экспериментальное исследование режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы с процессе ее эксплуатации.

4. Экспериментальное исследование характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций и способов его повышения при различных сочетаниях основных определяющих факторов.

5. Разработка пространственных трубчатых металлических конструкций, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации катальных гор.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1) основные положения расчетно-аналитического определения : величины подвижных нагрузок^ действующих на пространственные

металлические конструкции катальных гор в процессе их эксплуатации;

2) результаты численного исследования напряженно-дефорМированного состояния узловых сопряжений трубчатых конструкций сложной конфигурации под действием подвижных Нагрузок;

3) результаты экспериментального исследования режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы в процессе ее эксплуатации;

4) количественные значения характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций с учетом возможности их повышения путем создания полей благоприяно действующих остаточных напряжений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Предложен метод расчетно-аналитического определения величин^ подвижных нагрузок, действующих на пространственные металлические конструкции катальных гор со стороны движущегося по ним поезда.

Получены результаты расчетного И экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений натурных металлических конструкций в процессе эксплуатации катальных гор.

Установлены количественные значения характеристик сопротивления усталости типичных для катальных гор узлов трубчатых конструкций, включая оценку возможности Их повышения за счет создания благоприятно действующих полей остаточных напряжений.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке И обобщении Мормативно-гехнических требований к проектированию пространственных трубчатых металлоконструкций катальных гор, работающих под непосредственным воздействием подвижных нагрузок, включая основные положения по их расчету.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты, полученные в работе, использованы при проектировании и строительстве 18-ти катальных гор различных типов, установленных и эксплуатируемых в парках России (Москва, Новосибирск, Пермь, Краснодар и др.). Украины, Казахстана, а также Франции, Саудовской Аравии, Коста-Рики.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях:

- Международный конгресс МКПК-98 "'Пространственные конструкции в новом строительстве и при реконструкции зданий и сооружений", Москва, 1998 г.«

- V Конференция Ассоциации "Пространственные конструкции", Москва, 1999 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация Ьостоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 167 страницах, в том числе: 69 рисунков, 21 таблица, 80 наименований литературных источников.

Диссертация выполнена в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им. Кучеренко) Госстроя России под руководством доктора технических наук, профессора В.М.Горпинченко при научных консультациях кандидатов технических наук Л.А.Бондаровича и А.Н.Шувалова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

направления исследования, приведены цель и результаты работы, выносимые на защиту, дана характеристика выполненной работы.

Первая глава посвящена краткому обзору состояния вопроса. Сделан анализ научно-исследовательских работ по изучению

прочностных и деформационных характеристик трубчатых конструкций,

>

их конструктивных и технологических особенностей. Рассмотрены работы В.А.Бапдина, В.М.ПэрпинченкО( М.М.Гохберга, С.А.Йльясевича, И.В.Левитанского, Б.В.Остроумова( Б.Н.РеШетникова, В.А.Савельева, А.Г.Соколова, В.И.Трофимова, Б.С.Цетлина, Н.М.Шейнфельда, Я.Брудки и других ученых. Первостепенное внимание обращено на работу конструкций под воздействием переменных, особенно подвижных нагрузок, а также Нагрузок от сил Инерции, возникающих при перемещениях грузов. Отмечено, что для обеспечения надежности и долговечности конструкций под воздействием подвижных нагрузок необходимо проводить экспериментальные исследования режимов их случайного нагружения с последующим изучением вопросов усталостной прочности таких конструкций.

Анализ показывает, что пространственные трубчатые конструкции в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к тем видам конструкций, которые предназначены для быстрого возведения и/или эксплуатации в тяжелых условиях под воздействием нагрузок, меняющихся во времени й пространстве, в том числе подвижных. Такиечхарактеристики пространственных трубчатых конструкций делают их в полной мере пригодными к использованию в тех видах аттракционной технику которая предназначена для перемещения людей по сложной траектории и с переменной скоростью. Одним из примеров сложной аттракционной техники являются катальные горы. *

Наиболее ответственными элементами металлических конструкций катальной горы, на которые непосредственно воздействует подвижная нагрузка от колес поезда, перемещающегося по трассе, являются направляющие пути (рельсы). Эта Нагрузка создает переменные напряжения в направляющих пути и примыкающих к ним элементах. При этом нагружение Носит периодический и случайный характер. Кроме того, изменения напряжений в рельсах имеют двухчастотный характер.

В целом, вектор подвижных нагрузок на сложной трассе катальной горы создает переменные напряжения в металлических конструкциях, для которых предельным состоянием становятся усталостные разрушения.

Для создания металлоконструкций катальной горы необходимо разработать основные положения их проектирования, включая расчет действующих нагрузок. При этом сложность конструкции отдельных участков трассы должна быть ограничена требованиями к перегрузкам, допустимым для пассажиров. '

Вторая глава посвящена исследованию подвижных нагрузок и напряжений, возникающих-в конструкциях катальных гор под их воздействием. Функциональные характеристики катальной горы как аттракциона определяются конфигурацией и протяженностью ее трасы. При разработке катальной горы помимо определения подвижных нагрузок на металлические конструкции должны оцениваться нагрузки, действующие на пассажира. Последние ограничиваются способностью организма человека переносить перегрузки, возникающие при неравномерном движении транспорта.

Нагрузки на конструкции катальной горы и перегрузки, действующие на пассажира! определяются при решении задачи движения поезда. Нагрузка (й), действующая на трассу со стороны тележки массой т, движущейся с начальной скоростью ¥д, определяется для 1-го участка трассы как

к,

г 11

(1)

\ 1

где у¡»Я^сс, - геометрические характеристики трассы на 1-ом участке.

Соответственно, перегрузка, действующая на пассажира в конце I-го участка трассы:

N,=0,1171.

Скорость нарастания перегрузки, являющаяся одной из важнейших характеристик воздействия на пассажира:

(2)

где I, - длина 1-го участка трассы.

Основные закономерности воздействия подвижных нагрузок исследованы в диссертации в двух направлениях: -1) при разработке и корректировке конфигурации трассы катальной горы с учетом допустимых перегрузок пассажира, 2) при исследовании напряженно-деформированного состояния металлических конструкций аттракциона.

Максимально допустимая кривизна направляющих пути ограничивается допустимыми перегрузками на пассажира, которые измеряются в единицах д (ускорение свободного падения). В настоящей работе использованы две основные характеристики перегрузок: перегрузки в направлении "голова-таз" (не должна превышать 5д) и скорость нарастания перегрузки (должна быть не выше 7д/с),

При проектировании металлических конструкций катальных гор необходимо строить расчетную кривую перегрузок, действующих на пассажира. Пример такой кривой для одной из реальных конструкций аттракциона представлен на рис 1. Видно, что расчетные значения характеристик перегрузки (максимальная перегрузка в направлении "голова-таз" и максимальная скорость ее нарастания) не превосходят указанных выше допустимых значений. При этом следует отметить, что величина перегрузки пассажира, как и нагрузки на металлоконструкции со стороны тележки, зависит от места положения тележки в составе поезда, которое определяет высоту центра масс поезда относительно нулевого уровня. Влияние кривизны трасты на нагрузки и перегрузки иллюстрируется уравнением (1), в котором К, - радиус закругления пути на рассматриваемом участке. Очевидно, что, изменяя очертания отдельных участков трассы без внесения принципиальных изменений в

g

ю

4.0 3,5 3,0 £ 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

1 1 i 1

1 1 1 i 1 1

1 ¡ 1

1 ... ( i

) i

1 1 i

1 i i

1 1 i

4_/V_

/ y

¡ ¡ ¡ 4-J—l

1 i

- ¡ i ¡¡

1 1 1-r-v J r

ll \ Y

|\ f 1 \

1 1 \ \

1 1

1 1 1 '

1 —-¡--!- ■ i

10

20

25 С

15

Вр*мя, I

Рис. 1. Кривая перегрузок, действующих на пассажира 5-й тележки во время движения поезда по трассе катальной горы "Бешеный поезд"

2.В Icg/nun1

2,0 У&тп?

1,6 kg/mm'

Рис. 2. Эпюры напряжений в металлоконструкциях катальной горы (11-е расчетное

положение поезда)

ее общую конфигурацию, можно откорректировать нагрузки (перегрузки), возникающие На этих участках при движении поезда.

Результаты движения поезда río трассе катальной горы представляются в виде сосредоточенных сил, предаваемых колесами тележек На рельсы пути. Полный расчет конструкций катальной горы выполняется при пошаговом перемещении поезда по трассе; шаг принимается равным расстоянию между осями колес трех тележек (3,5м). Этот размер выбран опытным путем и признан оптимальным в отношении точности и трудоемкости расчета. На рис; 2 представлены эпюры напряжения в металлических конструкциях на одном из участков трассы при расположении там поезда. Расчеты проведены по программе MSC/ NASTRAN for Windows. Напряжения получены в результате подбора сечений элементов конструкций.

Необходимо отметить также, что' расчетное определение подвижных нагрузок и соответствующих напряжений металлических конструкций позволяют получить важный показатель, характеризующий переменные напряжения - коэффициент асимметрии цикла

(Г = ^mm /^max )• 8 боЛЬШИНСТВв СЛуЧавВ ЗНаЧвНИЯ ЭТОГО Коэффициента близко к 0 (отнулевой цикл переменного Иагружения). Однако в ряде случаев его расчетное значение составляет 0,8...1,0, что соответствует наиболее неблагоприятному знакопеременному симметричному циклу нагружения.

В целом результаты расчетной оценки напряженно-деформированного бостояния металлоконструкций пути позволяет получить количественные значения переменных периодически повторяющихся нагрузок от движущегося поезда, свидетельствующие о том, что предельным состоянием для основных элементов конструкций катальной горы является многоцикловая усталость.

Для проведения численных расчетов напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых конструкций аттракциона в работе использовался метод конечных

элементов. В настоящее время он является одним из наиболее эффективных инструментов численных исследований концентрации напряжений в узлах металлических конструкций сложной конфигурации. В данном случае такие исследования особенно важны, поскольку, с одной стороны, концентрация напряжений является одним из главных факторов, определяющих сопротивление усталости, а, с другой стороны, из-за сложной геометрической формы рассматриваемых узлов сопряжения практически невозможно найти аналогичное решения среди опубликованных результатов.

Примером узла сложной формы может служить узел примыкания направляющих пути к опорной стойке с использованием фасонок, имеющих выкружки (рис. 3). Для этого узла выполнено численное исследование влияния технологических решений на его напряженно-деформированное состояние: рассмотрено два варианта сварных швов, прикрепляющих фасонку к трубе - двухсторонний шов с полным проплавлением и без проплавления кромки фасонки. Первый из рассмотренных технологических вариантов обеспечивает снижение величины коэффициента концентрации напряжений по сравнению со вторым вариантом с 2,5 до 1,6 (35%), Этот результат, подтверждающий эффективность швов с полным проплавлением, хорошо иллюстрирует возможность использования компьютерных расчетов взамен выполнения сложных экспериментальных исследований.

Примером эффективного решения конструкции узла сложной формы может служить узел сопряжения опорных стоек с хребтовой балкой "мертвой петли", в котором при прохождении поезда возникают высокие знакопеременные усилия. В поисках возможности снижения концентрации напряжений рассмотрено несколько вариантов конструктивного оформления узла. Численные исследования напряженно-деформированного состояния позволили найти решение в виде узла примыкания через промежуточный элемент достаточно простой конструктивной формы (рис. 4), в котором максимальные

Рис. 3. Эпюры эквивалентных напряжений в узле примыкания путевой трубы к опорной стойке (прикрепляющий шов выполнен с полным проплавлением)

Рис. 4. Эпюры эквивалентных напряжений в узлах сопряжения опорных стоек с хребтовой балкой петли.

напряжения в зоне концентратора понижены на 30% по сравнению с исходным конструктивным решением, что соответственно повышает сопротивление усталости рассматриваемого узла.

Приведенные выше результаты получены при решении задач методом конечных элементов в объемной постановке по программе MSC/ NASTRAN for Windows при размере конечного элемента в зоне концентратора 1 мм.

Таким образом, для узлов сложной формы определение

концентрации напряжений с целью оценки их несущей способности

следует осуществлять путем решения индивидуальных задач,

учитывающих все особенности формы узла и условий его нагружения.

Численные исследования напряженно-деформированного состояния

методом конечного элемента позволяют выбрать наиболее эффективные

конструктивные и технологические решения рассматриваемых узлов

сопряжения. Такие решения, обеспечивая снижение концентрации

напряжений на 30-35%, MdryT быть реализованы без применения

I

специальных сложных и трудоемких приемов.

В третьей главе изложена методика экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния (н.д.с.) и усталостной прочности узлов трубчатых конструкций. Комплекс экспериментальных исследований включал проведение натурных испытаний трубчатых конструкций катальной горы при эксплуатационной нагрузке и лабораторные испытания крупномасштабных образцов с изучением: концентрации напряжений, влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости, основных параметров усталостной прочности при одно- и двухчастотном силовом воздействии.

Натурные испытания проводились при эксплуатационных нагрузках катальной горы, имеющей следующие технические характеристики: высота 15м; длина трассы, имеющей "мертвую петлю", Р.00м; время движения поезда из 9 тележек 40 сек.; максимальная перегрузка пассажира 4,5 д. Для экспериментального исследования были выбраны

}

наиболее нагруженные узлы И элементы, на которые устанавливались тензорезисторы. Всего оценка н.д.с. проведена На 17-тИ узлах и элементах.

Деформированное состояние в исследованных зонах конструкции при циклическом нагружении определялось теНзометрическими методами с помощью тензорезисторов с базой 5 мм. Регистрация показаний датчиков производилась с помощью многоканальных самописцев. Исследование н.д.с. выполнялось при движении поезда с полной загрузкой, состоящего из Э-ти тележек.

Основные положения методики лабораторных испытаний заключаются в следующем:

- основная форма крупномасштабных образцов - трубчатый элемент с приваренным к нему продольным ребром (фасонкой). Геометрические параметры образца выбраны по результатам расчетной оценки коэффициента концентрации напряжений;

- остаточные напряжения (сгест ) после сваркй и после пластической поверхностной деформации (ПГ1Д) исследовались методом разгрузки локальных участков металла, Находящихся под

: действием аост ; .

- определение сгост и исследование Н.д.с. в зоне концентрации напряжений выполняли с использованием разработанных в МГСУ двухкомпонентных фольговых тензорезИсторов с базой 0,5 + 2,0 мм. Регистрация показателей - с помощью тензометриЧеской измерительной системы СИИТ-3;

- ППД - обработка осуществлялась с помощью однобойковых И многобойковых пневматических упрочнителей. Технология И техника такой обработки разработана в МГСУ;

- ресурсные испытания крупномасштабных образцов при ' одночастотном нагружении проводили в пульсаторе типа ЦДМ-ЮОс

частотой нагружения 5+8Гц. Двухчастотное нагружение осуществляли с помощью установки УРС 20/6000, создавая циклическую изгибающую .

нагрузку частотой /г =2Гц (основной тон) с наложением на нее колебаний частотой /^ = 18 Гц.

В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния и сопротивления усталости узлов трубчатых конструкций применительно к условиям эксплуатации катальных гор. Проведение натурных испытаний при эксплуатации аттракциона позволило установить количественные значения параметров режима случайного переменного нагружения, на основе которых производилась оценка усталостной прочности элементов конструкций.

Из виброграмм напряжений в элементах металлоконструкций (рис. 5) видно, что характер их нагружения является двухчастотным. На низкочастотную составляющую виброграммы (/¡), соответствующую проезду поезда на исследуемом участке пути, накладываются пики от каждой оси тележек поезда - высокочастотная составляющая {). Отношение частот /2/ /х определяется числом осей в поезде и в нашем случае составляет /2/=9.

Результаты натурных испытаний показали что различные элементы металлоконструкций аттракциона испытывают циклы переменных нагружений от симметричного (коэффициент асимметрии га = сгт]п / а"тах = —1) до отнулевого (га = 0 ). Максимальная амплитуда напряжений для низкочастотной составляющей нагружения зарегистрирована в узле опирания "мертвой петли" на наклонную стойку (аналогичный узел приведен на рис. 4), где ее значение достигало сг^ =68,9 МПа. На указанное значение низкочастотного нагружения накладывается высокочастотная составляющая напряжений с амплитудой сг[2) =11,5 МПа. Максимальное значение напряжений в данном узле составило сгтах = сг^ + <Тд2) = 80,4 МПа. Другие обследованные участки характеризуются существенно меньшими значениями сгтах или га , либо менее "жесткими" концентраторами напряжений.

Проведенные натурные испытания показали необходимость изучения широкого арсенала средств, с помощью которых возможно обеспечить необходимую усталостную прочность и долговечность металлических конструкций аттракционов, работающих под воздействием подвижных нагрузок.

Для оценки характеристик сопротивления сварных узлов усталостному разрушению исследованы закономерности изменения их н.д.с. при.нагружении от исходного уровня (сг"т ) до максимальных напряжений. Экспериментально установлено, что в окрестности сварных швов исследуемых крупномасштабныхтрубчатых образцов с фасонками остаточные растягивающие напряжения составляют аост я>(0,3...0,4) ег0 2; протяженность зоны этих напряжений - 10...20 мм. Обработка ППД, по данным выполненных экспериментов, полностью снимает остаточные растягивающие напряжения в поверхностном слое металла вблизи сварного шва. При этом в обработанной зоне наводятся остаточные напряжения сжатия, которые достигают уровня <0,4. ..1,0)<т02.

При переменном нагружении сварных узлов материал в зонах концентраторов ,(близ швов) подвергается циклическому деформированию, характер которого определяется: знаком и величиной сгост , уровнем концентрации напряжений и величиной внешней нагрузки. Указанные факторы являются основными параметрами, от которых зависит усталость сварных узлов. Экспериментальное исследование н.д.с. проводилось на образцах сварных узлов при трех уровнях схост : в исходном состоянии после сварки; после термической обработки для снятия остаточных напряжений; после обработки ППД, создавшей остаточные напряжения сжатия. Установленные в работе общие количественные показатели влияния внешней нагрузки и остаточных напряжений на н.д.с. исследованных сварных элементов сформулированы следующим образом:

-4-1 Ц л, }

« т т \т

Рис.5 Виброграмма напряжений в направляющих пути, расположенных внутри «мертвой петли».

7<0

шах

МПа

О 1 50 100 150 МПа

Рис.6 Диаграммы предельных напряжений, обобщающие результаты испытаний на усталость с учетом влияния основных факторов, определяющих сопротивление усталости.

1 -стандартный образец; 2 г натурная гладкая труба; 3 - труба о фасонкой после снятия остаточных напряжений термической обработкой; 4 - труба с фасонкой в исходном состоянии после сварки; 5 - то же, что (4), после обработки ППД; 6 - то же, что (4), при двухчастотном нагружении (СГ <]> = О"). Точки, обозначающие конкретные результаты испытаний, условно не нанесены.

1. При исходном уровне а"п пластическое деформирование металла вблизи шва наступает при номинальных напряжениях на 10-15% меньших, чем в элементах, где остаточные напряжения сняты термической обработкой.

2. Наличие поля сжимающих остаточных напряжений (после обработки ППД) существенно снижает интенсивность деформаций в зоне концентратора, что следует отнести за счет уменьшения коэффициента концентрации напряжений на 10-15% после наклепа поверхности, при этом металл в зоне концентратора деформируется упруго при всех значениях номинальных напряжений, не превышающих сг0 2.

3. При повторном (циклическом) нагружении сварных узлов с любым из рассматриваемых уровней аост стабилизация н.д.с. наступает после 5-10 циклов нагружения; в сварных узлах, прошедших ППД, напряжения после повторного нагружения не отличаются от напряжений нулевого цикла.

При экспериментальном исследовании усталостной прочности конструктивных элементов катальной горы рассмотрены все определяющие ее основные факторы. Основной характеристикой сопротивления усталости служит предел выносливости, зависимость которого от уровня средних напряжений цикла (сгт) и амплитуды напряжений описывается выражением

^шах^+О-У)^. О)

где {^ = (2(7_1 — сг0)/сг0 - коэффициент влияния асимметрии цикла нагружения, сг_, и сг0 - пределы выносливости соответственно при симметричном и отнулевом цикле нагружения.

С использованием выражения (3) построены диаграммы предельных напряжений, обобщающие результаты исследований влияния всех рассмотренных факторов (рис.6)

Влияние масштабного фактора иллюстрируется сопоставлением результатов испытаний стандартных образцов и натурных гладких труб:

предел выносливости последних на 20-25% ниже, чем у стандартных образцов (сравнение диаграмм 1 и 2 на рис. 6). Влияние концентрации напряжений исследовдно при сравнительных испытаниях образцов из гладких труб и труб с приваренной фасонкой, термически обработанных для снятия остаточных сварочных напряжений. Наличие концентрации напряжений в нашем случае снижает предел выносливости для симметричного цикла нагружения на 24% (диаграммы 2 и 3 на рис. 6). Влияние остаточных сварочных напряжений растяжения, действующих в зоне концентратора (вблизи шва) оценивали путем сравнительных испытаний трубчатых образцов с приваренной фасонкой в исходном после сварки состоянии и после термической обработки, предназначенной для снятия напряжений. Механизм влияния остаточных напряжений на н.д.с. металла в зоне концентратЬра описан выше в данном разделе. Количественные показатели этого влияния выражаются в снижении на 25% предела выносливости для симметричного цикла под воздействием растягивающих ас'ст (сравнение диаграммЗи4 на рис.6). Обработка ППД в силу изложенных выше причин (создания поля остаточныхнапряжений сжатия и уменьшения концентрации напряжений) обеспечивает повышение предела выносливости для симметричного цикла исследованных сварных узлов более, чем на 65%, приближая его к показателю, характерному для гладкой трубы (сравнение диаграмм 4, 5 и 2 на рис. 6).

Для апроксимации зависимости предельных напряжений цикла сварных узлов с остаточными напряжениями предложено выражение, по структуре аналогичное (3), в котором средние напряжения в зоне концентратора (о^) уменьшены на величину остаточных напряжений:

к)

где сг^ = а^К^^Кд. - эффективный коэффициент концентрации напряжений),

У

°ост " остаточные напряжения в зоне концентратора (сварочные или после обработки ППД).

В выражении (4) учитывается наличие концентрации напряжений и остаточных напряжений в зоне сварного шва. Если ввести в это выражение результаты испытаний сварных узлов, то диаграммы предельных напряжений узлов в координатах "сг^ — а^ " совпадают с диаграммой предельных напряжений натурных гладких труб, построенной в координатах " а^ — ".

Влияние двухчастотного нагружения иллюстрирует диаграмма 6 в сравнении с диаграммой 4 на рис. 6. При равенстве амплитуд напряжений низкой и высокой частоты нагружения (сг^ = о™) наличие высокой частоты приводит к снижению предела выносливости сварных узлов на 25%. Результаты проведенных испытаний показали, что значения предельных напряжений в условиях двухчастотного нагружения при одинаковых средних напряжениях цикла уменьшаются пропорционально отношению <т^2)/сг^.

Таким образом, на основании выполненных экспериментальных исследований установлены количественные значения основных характеристик усталостной прочности сварных узлов трубчатых : конструкций применительно к условиям их эксплуатации в составе сложной аттракционной техники с учетом непосредственного воздействия подвижных нагрузок.

В пятой главе изложены основные требования к проектированию металлических конструкций катальных гор, сформулированные на основании результатов выполненных исследований и опыта разработки конструкций, а также дано техническое описание конструкций наиболее интересных в инженерно-техническом отношении аттракционов.

В качестве требований к проектированию металлических конструкций, учитывающих специфику аттракционной техники, указаны следующие:

- необходимость первоначального выбора конфигурации трассы и высоты ее начальной точки с учетом планируемой сложности воздействия на посетителя в пределах допустимых норм;

- установлены правила расчетного определения перегрузок и их корректировки (в случае необходимости) путем изменения очертания отдельных участков трассы;

- установлены значения основных характеристик воздействия на человека в зависимости от категории проектируемой горы;

- установлены правила расчетного определения Нагрузок, действующих на металлические конструкции при эксплуатации аттракциона;

- определены интервалы размещения поезда на трассе, достаточные для обеспечения необходимой точности общего расчета металлических конструкций и расчета на усталость при поэтапном перемещении поезда в процессе реализации расчетной схемы конструкции;

- установлены конструктивные и технологические меры повышения сопротивления усталости сварных узлов;

- даны требования к выбору марок стали для металлических конструкций катальных гор;

- изложены требования к металлическим конструкциям катальных гор в части проектирования наземного каркаса, конструкции и расположения стыков рельсов и др.

В качестве примеров разработанных, построенных и успешно эксплуатируемых катальных гор приведены описания и фото четырех аттракционов, начиная от детской катальной горы с максимальными значениями параметров: высота - 6м, скорость движения поезда - 36 км/ час, перегрузки - 2д, и заканчивая "петлевой" горой с максимальными значениями параметров: высота - 18м, скорость движения поезда - 68 км/час, перегрузки - 4,5д. ^

I

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Пространственные трубчатые стальные конструкции в силу ряда '• преимуществ трубчатого профиля и особенностей конструктивной формы узлов сопряжения являются высокоэффективными конструкциями, которые могут использоваться в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сложный условиях. Преимущества таких конструкций в полной мере проявляются при создании конструкций нового для отечественного народного хозяйства назначения - сложных механизированных аттракционов, в которых элементы воспринимают воздействие подвижных нагрузок.

Экспериментальные и теоретические исследования, направленные на решение первоочередных задач, которые обеспечили возможность создания новых образцов сложной аттракционной техники, позволили сделать следующие основные выводы:

1. Расчетное определение подвижных нагрузок, действующих на металлические конструкции катальных гор, осуществляется при решении кинематической задачи движения поезда по трассе в трехмерном пространстве под воздействием силы тяжести, а также криволинейных и угловых ускорений. При этом учитываются механические и аэродинамические потери энергии.

Расчет движения поезда по трассе позволяет получить исходные данные о нагрузках, на которые затем производится расчет напряженно-деформированного состояния металлических конструкций катальной горы. Эти нагрузки носят переменный периодически повторяющийся характер. При подобных воздействиях предельным состоянием для воспринимающих их элементов конструкций является усталостное разрушение.

2. Ограничением для величины подвижной нагрузки, которое должно учитываться при проектировании катальной горы, служит способность человека переносить перегрузки, возникающие в процессе

N

неравномерного движения ^транспорта. Расчетное определение перегрузок производится на основании предложенных в диссертации зависимостей. В случае возникновения чрезмерных перегрузок, зафиксированных на стадии проектирования, предложены принципы их уменьшения путем корректировки очертания отдельных участков трассы без внесения больших изменений в ее общую конфигурацию.

3. Одной из основных характеристик опасности усталостных разрушений элементов конструкций служит максимальное напряжение в зоне концентратора. Для ответственных сварных узлов сложной формы эту характеристику следует определять путем численных компьютерных расчетов, которые позволяют выбирать наиболее эффективные решения проектируемых узлов.

Исследование численными методами напряженно-деформированного состояния сложных узловых сопряжений труб позволило установить, что применение рациональных конструктивных и технологических решений дает возможность снизить концентрацию напряжений на 30-35%.

4. Экспериментальное исследование режимов нагружения натурных металлоконструкций катальной горы подтвердило результаты расчетной оценки значений коэффициента асимметрии цикла: для различных узлов оно составляет от 0 до -1.

Во многих элементах имеет место двухчастотное циклическое нагружение, обусловленное воздействием поезда в целом (низкая частота) и каждой оси тележек (высокая частота). Двухчастотный характер нагружения снижает предел выносливости узловых сопряжений пропорционально отношению амплитуд и частот колебаний, при этом для исследованного отношения частот {/2//\=9) отмечено пятикратное снижение долговечности.

5.Экспериментально определенные с помощью малобазных тензодатчиков значения коэффициента концентрации напряжений в рассматриваемых сварных узлах трубчатых конструкций при изгибе

N I

составляют аа = 1,4...1,5, что хорошо согласуется с результатами, полученными при оценке величины аа численными методами.

Для реальных сварных узлов, работающих при переменных нагрузках, необходимо рассматривать совместное влияние на характеристики сопротивления усталости концентрации напряжений и остаточных сварочных напряжений, поскольку от последних зависит наступление пластических деформаций материала в зоне концентрации напряжений.

6. Остаточные сварочные напряжения растяжения снижают предельные напряжения в зоне концентратора, в результате чего при их уровне (0,3...0,5) <т0>2 усталостная долговечность узлов уменьшается приблизительно в 5 раз. [

Наличие двухчастотного силового воздействия в зоне концентратора, расположенного в области растягивающих остаточных напряжений, приводит к снижению предела выносливости узловых сопряжений. Экспериментально установлено, что для трубчатых узлов при концентрации напряжений аа =1,4 — 1,5 и соотношении частот /2/Л =9 снижение предела выносливости составляет 2,3 раза.

7. Обработка околошовных зон сварных узлов, работающих на растяжение, путем поверхностной пластической деформации (ППД) вызывает образование поля остаточных напряжений сжатия, которое повышаетхарактеристики их сопротивления усталости, благодаря тому, что обеспечивает упругую работу материала в обработанных зонах. Г1ПД-обработка исследованных узлов трубчатых конструкций позволяет увеличить их циклическую долговечность при воздействии изгибающих напряжений в 20-30 раз.

8. На основании вышеизложенных в настоящей работе экспериментально-теоретических исследований разработаны и реализованы основные положения по проектированию металлических конструкций катальных гор. Разработан метод расчетного определения подвижных нагрузок, действующих на конструкции со стороны

перемещающегося поезда, изучено напряженно-деформированное состояние конструкций в целом и отдельных узлов сопряжения элементов, установлены характеристики их сопротивления усталости, а также возможные меры и пределы его повышения.

За период с 1989 по 2000 годы спроектировано, изготовлено и успешно эксплуатируется 18 катальных гор различных типов, из них 3 горы - в странах дальнего зарубежья.

Основное содержани'е диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гнездилов В.А. Проектирование и изготовление металлоконструкций для механизированных аттракционов. - Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2000, №6. - С.20-24.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкций аттракциона катальная гора / Гнездилов В.А., Бондарович Л.А., Шувалов А.Н.; Моск. Гос. строит, университет - М., 2000 - 10 с. - Деп. ВИНИТИ, №2118 - BOO.

3. Гнездилов В.А. Основные особенности пространственных трубчатых металлоконструкций сложной конфигурации, предназначенных для аттракционов // Материалы V Конференции Ассоциации "Пространственные конструкции". - М.: 2000.

4. Патент №2060757 (Российская Федерация). Горка для катания. Приоритет от 19.10.93г. / В.А. Гнездилов. -12с.

5. Патент №2091111 (Российская Федерация).Горка для катания. Приоритет от 24.11.95г./ В.А. Гнездилов. - Зс.

ВВЕДЕНИЕ.

1.АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ТЯЖЕЛЫХ УСЛОВИЯХ.

1.1.Состояние и развитие традиционных конструкций. 1.2.0собенности пространственных трубчатых конструкций, воспринимающих подвижные нагрузки с переменным вектором.

1.3 .Вопросы сопротивления усталости трубчатых металлических конструкций, воспринимающих подвижные нагрузки. 1.4.Цель и задачи исследования. 2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОК И НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ КАТАЛЬНОЙ ГОРЫ. 2.1 .Общие положения определения действующих нагрузок.

2.2.Напряженное состояние металлических конструкций и перегрузки, действующие на пассажира.

2.3.Основные положения, использованные при численных расчетах.

2.4.Напряженно-деформированное состояние в типичных узлах металлических конструкций катальных гор.

2.5.Выводы по главе.

3 .МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ УЗЛОВ ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1 .Объекты исследований - натурные конструкции и полномасштабные образцы.

3.2. Исследование остаточных напряжений в зонах концентрации напряжений.

3.3.Исследование напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений.

3.4.Проведение поверхностного пластического деформирования узловых соединений.

3.5.Ресурсные испытания в условиях одно- и двухчастотного нагружения.

3.6. Диаграммы деформирования.

4.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ УЗЛОВ ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ КАТАЛЬНОЙ ГОРЫ.

4.1.Напряженно-деформированное состояние натурных металлоконструкций.

4.2.Напряженно-деформированное состояние материала в зонах концентрации напряжений узловых сопряжений. 4.3 .Усталостная прочность конструктивных элементов катальной горы.

4.4.Выводы по главе.

5.СОЗДАНИЕ КАТАЛЬНЫХ ГОР НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ. 5.1.Требования к проектированию металлических конструкций.

5.2.0писание и технические характеристики основных типов катальных гор.

Интеграция народного хозяйства России в мировую экономическую систему выдвигает новые задачи его развития, которые в прежнее время не могли считаться актуальными.'Развитие реальной экономики и рыночных отношений ставит в ряд актуальных и весьма перспективных проблем развитие индустрии отдыха и развлечений, которая позволяет привлекать свободные средства населения для увеличения числа рабочих мест, организации досуга и формирования цивилизованных общественных отношений.

Таким образом, актуальность настоящей работы определяется необходимостью развития и использования современных эффективных видов строительных конструкций в новых прогрессивных областях народного хозяйства.

Современные аттракционы, предназначенные для развлечения посетителей парков • и площадок, представляют собой весьма сложные инженерные сооружения, в которых развлекательный эффект достигается, в том числе, за счет создания острых психофизических ощущений у посетителя путем его неравномерного перемещения в пространстве.

Для осуществления сложных пространственных перемещений и восприятия соответствующих им нагрузок необходимо разработать эффективные строительные конструкции, обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств. Наиболее перспективными в этом отношении являются пространственные трубчатые металлические конструкции. В настоящей работе исследованы металлические конструкции одного из классических аттракционов - катальной горы. Эти конструкции испытывают непосредственное воздействие подвижных нагрузок, что действующие нормы проектирования относят к особо тяжелым условиям эксплуатации. Основным предельным состоянием для таких конструкций является усталостное разрушение. Комплексное расчетно-экспериментальное исследование особенностей работы конструкций при переменных подвижных нагрузках позволяет определить и использовать возможные резервы их несущей способности. Этому исследованию посвящена диссертация.

Цель и основные задачи исследований. Целью работы являлось обеспечение надежности и долговечности пространственных трубчатых конструкций, работающих под воздействием подвижных нагрузок, на основе изучения их действительной работы и исследования резервов несущей способности.

В рамках поставленной цели, исходя из особенностей конструктивных форм и условий работы металлических конструкций, непосредственно воспринимающих подвижные нагрузки, автором сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработка основных положений расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, воспринимаемых металлическими конструкциями катальной горы.

2. Численное исследование напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых металлических конструкций под действием подвижных нагрузок.

3. Экспериментальное исследование режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы в процессе ее эксплуатации.

4. Экспериментальное исследование характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций и способов его повышения при различных сочетаниях основных определяющих факторов.

5. Разработки пространственных трубчатых металлических конструкций, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации катальных гор.

Автор защищает:

1) основные положения расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, действующих на пространственные металлические конструкции катальных гор в процессе их эксплуатации;

2) результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых конструкций сложной конфигурации под действием подвижных нагрузок;

3) результаты экспериментального исследования режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы в процессе ее эксплуатации;

4) количественные значения характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций с учетом возможности их повышения путем создания полей благоприятно действующих остаточных напряжений.

Научная новизна работы. •

Предложен метод расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, действующих на пространственные металлические конструкции катальных гор со стороны движущегося по ним поезда.

Получены результаты расчетного и экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений натурных металлических конструкций в процессе эксплуатации катальных гор.

Установлены количественные значения характеристик сопротивления усталости типичных для катальных гор узлов трубчатых конструкций, включая оценку возможности их повышения за, счет создания благоприятно действующих полей остаточных напряжений.

Практическое значение работы состоит в разработке и обобщении нормативно-технических требований к проектированию пространственных трубчатых металлоконструкций катальных гор, работающих под непосредственным воздействием подвижных нагрузок, включая основные положения по их расчету.

Реализация работы. Результаты, полученные в работе, использованы при проектировании и строительстве 18-ти катальных гор различных типов, установленных и эксплуатируемых в парках России (Москва, Новосибирск, 7

Пермь^Краснодар и др.), Украины, Казахстана, а также Франции, Саудовской Аравии, Коста-Рики.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях:

-Международный конгресс МКПК-98 «Пространственные конструкции в новом строительстве и при реконструкции зданий и сооружений», Москва, 1998г.

-V Конференция Ассоциации «Пространственные конструкции», Москва, 1999г. С?

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения(шест^ глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 168 страницах, в том числе: 69 рисунков, 21 таблица, 80 наименований литературных источников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Пространственные трубчатые стальные конструкции в силу ряда преимуществ трубчатого профиля и особенностей конструктивной формы узлов сопряжения являются высокоэффективными конструкциями, которые могут использоваться в ответственных сооружениях; эксплуатируемых в сложных условиях. Преимущества таких конструкций в полной мере проявляются при создании конструкций нового для отечественного народного хозяйства назначения - сложных механизированных аттракционов, в которых элементы воспринимают воздействие подвижных нагрузок.

Экспериментальные и теоретические исследования, направленные на решение первоочередных задач, которые обеспечили возможность создания новых образцов сложной аттракционной техники, позволили сделать следующие основные выводы:

1.Расчетное определение подвижных нагрузок, действующих на металлические конструкции катальных гор, осуществляется при решении кинематической задачи движения поезда по трассе в трехмерном пространстве под воздействием силы тяжести, а также криволинейных и угловых ускорений. При этом учитываются механические и аэродинамические потери энергии.

Расчет движения поезда по трассе позволяет получить исходные данные о нагрузках, на которые затем производится расчет напряженно-деформированного состояния металлических конструкций катальной горы. Эти нагрузки носят переменный периодически повторяющийся характер. При подобных воздействиях предельным состоянием для воспринимающих их элементов конструкций является усталостное разрушение.

2.0граничением для величины подвижной нагрузки, которое должно учитываться при проектировании катальной горы, служит способность человека переносить перегрузки, возникающие в процессе неравномерного движения транспорта. Расчетное определение перегрузок производится на' основании предложенных в диссертации зависимостей. В случае возникновения чрезмерных перегрузок, зафиксированных на стадии проектирования, предложены принципы их уменьшения путем корректировки очертания отдельных участков трассы без внесения больших изменений в ее обшую конфигурацию.

3.Одной из основных характеристик опасности усталостных разрушений элементов ' конструкций служит максимальное напряжение в зоне концентратора. Для ответственных сварных узлов сложной формы эту характеристику следует определять путем численных компьютерных расчетов, которые позволяют выбирать наиболее эффективные решения проектируемых узлов.

Исследование численными методами напряженно-деформированного состояния сложных узловых сопряжений труб позволило установить, что применение рациональных конструктивных и технологических решений дает возможность снизить концентрацию напряжений на 30-35%.

Экспериментальное исследование режимов нагружения натурных металлоконструкций катальной горы подтвердило результаты расчетной оценки значений коэффициента асимметрии цикла: для различных узлов оно составляет от 0 до -1.

Во многих элементах имеет место двухчастотное циклическое нагружение, обусловленное воздействием поезда в целом (низкая частота) и каждой оси тележек (высокая частота). Двухчастотный характер нагружения снижает предел выносливости узловых сопряжений пропорционально отношению амплитуд и частот колебаний, при этом для исследованного отношения частот (/2 / /, =9) отмечено пятикратное снижение долговечности.

5.Экспериментально определенные с помощью малобазных тензодатчиков значения коэффициента концентрации напряжений в рассматриваемых сварных узлах трубчатых конструкций при изгибе составляют аа = 1,4.1,5, что хорошо согласуется с результатами, полученными при оценке величины аа численными методами.

Для реальных сварных узлов, работающих при переменных нагрузках, необходимо рассматривать совместное влияние на характеристики сопротивления усталости концентрации напряжений и остаточных сварочных напряжений, поскольку от последних зависит наступление пластических деформаций материала в зоне концентрации напряжений.

6.Остаточные сварочные напряжения растяжения снижают предельные напряжения в зоне концентратора, в результате чего при их уровне (0,3-0,5)<х0 2 усталостная долговечность узлов уменьшается приблизительно в 5 раз.

Наличие двухчастотного силового воздействия в зоне концентратора, расположенного в области растягивающих остаточных напряжений, приводит к снижению предела выносливости узловых сопряжений. Экспериментально установлено, что для трубчатых узлов при концентрации напряжений аа =1,4-1,5 и соотношении частот /2 / /, = 9 снижение предела выносливости составляет 2,3 раза.

7.0бработка околошовных зон сварных узлов, работающих на растяжение, путем поверхностной пластической деформации (ППД) вызывает образование поля остаточных напряжений сжатия, которое повышает характеристики их сопротивления усталости, благодаря тому, что обеспечивает упругую работу материала в обработанных зонах. ППД обработка исследованных узлов трубчатых конструкций позволяет увеличить их циклическую долговечность при воздействии изгибающих напряжений в 20-30 раз.

8.На основании вышеизложенных в настоящей работе экспериментально-теоретических исследований разработаны и реализованы основные положения по проектированию металлических конструкций катальных гор. Разработан метод расчетного определения подвижных нагрузок, действующих на конструкции со стороны перемещающегося поезда, изучено напряженно-деформированное состояние конструкций в целом и отдельных узлов

160 сопряжения элементов, установлены характеристики их сопротивления усталости, а также возможные меры и пределы его повышения.

За период с 1989 по 2000 годы спроектировано, изготовлено и успешно эксплуатируется 18 катальных гор различных типов, из них 3 горы - в странах дальнего зарубежья.

1. Авиационная медицина: Руководство /под ред. Н.М.Рудного, П.В.Васильева, С.А.Гозулова.- М.: Медицина, 1986. 597с.2. «Американские» горки? Нет. Русские! // Изобретатель и рационализатор -1995.-№12. -С.32.

2. Антенные сооружения/ А.Г.Соколов, В.С.Полян, Б.В.Остроумов // Металлические конструкции (Справочник проектировщика), в 3 т. Т.З/под общ. ред. В.В.Кузнецова М.: изд.АСВ, 1999. - С.3-110.

3. ГОСТ 29166-91. «Аттракционы механизированные. Конструкции стальные. Основные положения по проектированию».

4. Бабаев A.B. Влияние остаточных напряжений на зарождение и скорость развития усталостных трещин в сварных соединениях с непроварами.// Автоматическая сварка. 1977. - № 12.

5. Бакши O.A., Лыков H.A., Романова Е.С. О совместном влиянии концентрации напряжений, свойств металла околошовной зоны и остаточных напряжений на усталость образцов при плоском напряженном состоянии // Автоматич. сварка-1971. № 7 - С.38-42.

6. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. — М.: Машиностроение, 1978.-182с.

7. Бардин О.Л., Гусенков А.П., Шаршуков Г.К. Основы метода оценки усталостного и квазистатического малоциклового повреждения конструкций с использованием тензорезисторов. // Машиноведение. —1977. № 5 - С.94-100.

8. Биргер И.А. Остаточные напряжения М. Машгиз, 1962. - 232с.

9. Брудка Я.Трубчатые стальные конструкции М.: Стройиздат, 1975. - 20с.

10. Буглов Е.Г., Филатов М.Я., Комиков Э.А. Сопротивление материалов при двухчастотном нагружении (Обзор) // Проблемы прочности 1973.- № 5 -С.13-17.

11. Верпшнский A.B., Гохберг М.М., Семенов В.П. Строительная механика и металлические конструкции JI. Машиностроение, 1984. - 231с.

12. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения М.: Машиностроение, 1968. - 151с.

13. Гарф М.Э. Сопротивление усталости при сложной форме кривой цикла изменения напряжений // Заводская лаб. 1960. - 26, № 1 - С.94-98.

14. Гирке Х.Э., Бринкли Д.В. Ударные ускорения // Основы космической биологии и медицины М.: Наука, 1975. - С.138-175.

15. Гнездилов В.А. Основные особенности пространственных трубчатых металлоконструкций сложной конфигурации, предназначенных для аттракционов. // Материалы V Конференции Ассоциации «Пространственные конструкции». М.: 2000. - С.23.

16. Гнездилов В.А. Проектирование и изготовление металлоконструкций для сложных механизированных аттракционов. — Монтажные и специальные работы в строительстве. 2000, № 6.

17. Горпинченко В.М. Экспериментально-теоретические исследования прочности сварных трубчатых конструкций при многократных переменных нагрузках / под ред. Труфякова В.И. Киев: Наукова думка, 1990. - 256с.

18. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин JL: Машиностроение, Ленинградское отд., 1976. - 454с.

19. Дворкин Я.Л. Влияние параметров двухчастотного цикла на долговечность образцов из сплава Д16Т // Заводская лаб.- 1973.- №4,- С.464-466.

20. Деформации и напряжения при сварке / Л.М.Лобанов, ВИМахненко // Сварные строительные конструкции, в 3 т., т1/ под ред. Л.М.Лобанова Киев: Наукова думка, 1993. - С.229-268.

21. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Интегральные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986, -224с.

22. Дрозд М.С., Осипенко А.П. Аналитическое исследование напряженногосостояния при внедрении упругой сферы в упругостатическое полупространство./ в кн. Металловедение и прочность металлов — Вып. VIII. Волгоград: ВПИ, 1977.- С. 58-68.

23. Злочевский А.Б. Методика измерения электротензометрическим способом упругостатической деформации в зонах с высоким градиентом напряжений.// Заводская лаборатория. 1968. - № 5 - С.584-588.

24. Злочевский А.Б. Применение специальных фольговых тензорезисторов для оценки прочности и надежности конструкций //ГОСИНТИ 1971. -№ 1/4-71 - 19с.

25. Злочевский А.Б., Широков А.Н. и др. Распределение остаточных напряжений в элементах оболочечных конструкций после многослойной сварки и гидравлических испытаний // Автоматическая сварка. — 1984. № 4 — С. 11-16.

26. Игнатенко C.B. Повышение моноцикловой прочности сварных листовых конструкций поверхностным пластическим деформированием. Автореферат диссертации к.т.н. — М.: 1988. - 20с.

27. Ильюшин А.А. Пластичность. Упругопластические деформации М.: Ъгиз., 1948. - 376с.

28. Исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкций аттракциона катальная гора / Гнездилов В.А., Бондарович Л.А., Шувалов А.Н.; Моск. Гос. строит, университет М., 2000 - 10с. - Деп. ВИНИТИ, № 2118-ВОО.

29. Клыков Н.А., Скребков А.Г., Чувствительность сварных соединений малоуглеродистых сталей к концентрации напряжений при циклических нагрузках // Автоматич. сварка -1967. №7. - С.43-46.

30. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. М. : Машиностроение, 1977.- 232с.

31. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении М. : Машиностроение, 1951. - 278с.

32. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е., Саввина Н.М. Усталость крупныхдеталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 240с.

33. Металлические конструкции. ВЗт. Т.2 Конструкции зданий / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филлипов и др. Под ред. В.В.Горева М.: Высш. шк., 1999. -528с.

34. РД 50-694-90. Методические указания. Надежность в технике. Вероятностный метод расчета на усталость сварных конструкций. М.: Изд. стандартов, 1991.-84с.

35. Михеев П.П. Эффективность технологических и деформационных способов повышения сопротивления усталости сварных соединений — автореф. дисс. д.т.н. Киев, 1986.— 25с.

36. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях М.: Изд-во МГУ, 1965. -263с.

37. Мюнзе В.Х. Усталостная прочность сварных стальных конструкций — М.: Машиностроение, 1968. 311с.

38. ГОСТ 27751-88. «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету».

39. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник-М.: Машиностроение, 1986. -320с.

40. Остаточные напряжения и методы регулирования. Труды Всесоюзного симпозиума М., 1982. - 412с.

41. Остаточные технологические напряжения. Материалы 2 Всесоюзного симпозиума-М., 1985.-405с.

42. Патент № 2060757 (Российская Федерация). Горка для катания. Приоритет от 19.10.93 г./ В.А.Гнездилов. 12с.

43. Патент № 2091111 (Российская Федерация). Горка для катания. Приоритет от 24.11.95г. / В.А.Гнездилов. Зс.

44. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. -М.: Машиностроение, 1977. 168с.

45. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов. Справочник, М.: Машиностроение, 1986. - 320с.

46. Прочность при переменных нагрузках / В.И.Труфяков // Сварные строительные конструкции. В Зт./ под ред. ЛМ.Лобанова Киев: Наукова думка, 1993.-С.315-370.

47. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках/под ред. В.И.Труфякова, Киев: Наукова думка, 1990. - 256с.

48. Рабинович Б.А. Расчетная оценка прочности позвоночника человека при продольном ударе с большой скоростью возрастания // Материалы конференции.- М.: Ин-т медико-биологических проблем, 1966. С.202.

49. Ручные машины. Справочное пособие по строительным машинам В.И.Севрюгин, И.П.Черкасова, В.В.Соколов. М.: Стройиздат, 1982. — 231с.

50. Рыковский Б.П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом — М.: Машиностроение. 1985. 151с.

51. Ряхин В.А. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин. М.: Машиностроение, 1984. — 230с.

52. Сагалевич В.М. Устранение сварочных деформаций и напряжений в конструкциях из магниевых и алюминиевых сплавов высокоскоростной проковкой. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1971.

53. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнидерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность М.: Машиностроение, 1975. - 488с.

54. Скороходов А.К. Остаточные напряжения в профилях и спосрбы их снижения-М.: Металлургия, 1985. 184с.

55. Соколов.А.Г. Металлические конструкции антенных устройств.-М.: Стройиздат, 1971.-276с.

56. Справочник по кранам. Т1/ под общ. ред. М.М.Гохберга, JL: Машиностроение, 1988. 536с.

57. Стальные конструкции из труб. Экспериментально-теоретические исследования. Сб. статей / под ред. С.А.Ильясевича М.: Стройиздат, 1973.-191с.

58. Стальные конструкции покрытий больших пролетов / А.ИЛетраков, В.А.Савельев, И.Л.Ружанский // Металлические конструкции (Справочник проектировщика), в Зт. Т.2/ под общ. ред. В.В.Кузнецова М.: изд. АСВ, 1998.-С.248-313.

59. Стандарт Российской Ассоциации парков и производителей аттракционов СТО РАППА 003-99. «Аттракционы. Величины перегрузок, допустимые для посетителя аттракциона».

60. Степанов В.Г. Поверхностное упрочнение корпусных конструкций — М.: Судостроение, 1977. — 197с.

61. Строительные нормы и правила. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия -М., 1996.

62. Строительные нормы и правила. СНиП П-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции.

63. Технологические остаточные напряжения. Материалы 3 Всесоюзного симпозиума М., 1988.-388с.

64. Технологические остаточные напряжения / Под ред. А.В.Подзея. М.: Машиностроение, 1973. 216с.

65. Трофимов В.И., Каминский А.М. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: разработка конструкций, исследования, расчет, изготовление, монтаж. М.: Наука, 1997. - 592с.

66. Труфяков В.И. О роли остаточных напряжений в понижении выносливости сварных соединений // Автоматич. сварка —1956. №5. - С.90-103.

67. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений Киев: Наукова думка, .1671973.-216с.

68. Шейнфельд Н.М., Решетников Б.Н. Исследование конструкций промышленных зданий из стальных труб обычной, повышенной и высокой прочности. // Металлические конструкции: Сб. статей М.: Стройиздат, 1968.-С.57-71.

69. Almar-Noess A. Fatigue Hand book/ Off-Shore Structures. Tapir, 1985.-p.757

70. ENV 1993-1-1. Eurocode 3: Design of steel structures; part l-l:general rules and rules for buildings.74. pr EN 13814. Faizground and amusement park machinery and structures. Safety.

71. DIN 4112. Fliegende Bauten. Richtlinien fur Bemessung und Ausfuhrung.

72. Knight S.W. Improving the Fatigue Strength of Fillet Welded Ioints by Grinding and Peening // Welding Research Int., 1, 8(6), 1978.

73. DIN 15018, Teil 1. Krane. Grundsätze fur Stahltragwerke Berechnung.

74. Lanier F. 100 Jahre Achterbahn, 1999. 98p.

75. Maddox S.I. Improving the Fatigue Lives of Fillet Welds by Shot Peening //-LABSE, Colloquium, Lausanne, 1982.

76. Watkinson F. et al. The Fatigue Strength of Welded Ioints in High Strength Steels and Methods for its Improvement. Welding Institute Report, с 215/16/70. 1970.