автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки

На правах рукописи

Чебровский Артем Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТАЛЬНЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВЫТЯЖКОЙ СТЕНКИ

Специальность

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 НОЯ

Улан-Удэ - 2015

005564203

005564203

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кравчук Валерий Андреевич

Официальные оппоненты: Коробко Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВО «Приокский государственный университет», г. Орёл

Тюньков Владислав Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», г. Иркутск

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет», г. Владивосток

Защита состоится « 17 » декабря 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 426, строение 4, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления и на сайте ilttp://wwv.esstanI/uшrta]Уdisscrtation/dissemtionCommcntar\^htnl?dissertatiol1Id=464.

Ведущая организация:

Автореферат разослан « 16 » октября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дамдинова Дарима Ракшаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Дальний Восток в настоящее время отнесен к территории опережающего социального и экономического развитая. Экстремальные климатические условия территории, низкий уровень транспортных коммуникаций требуют для строительного комплекса Дальнего Востока создание эффективных строительных конструкций. К таким конструкциям следует отнести эффективные металлические сплошностенчатые конструкции, одним из видов которых являются биметаллические тонкостенные балки, предварительно напряженные вытяжкой стенки. Дальнейшее совершенствование их конструктивных форм является важной научно-технической задачей, решение которой способствует снижению стоимости проектирования, изготовления и монтажа металлических конструкций и повышает скорость возведения зданий и сооружений.

Степень разработанности проблемы. Неоценимый вклад в развитие предварительно напряженных стальных строительных конструкций в России внесли Шухов В.Г., Пуховский А.Б., Бирюлев В.В., Беленя Е.И., Стрелецкий H.H., Мельников Н.П., Гайдаров Ю.В., Вахуркин В.М. и др.

Вопросам оптимального проектирования предварительно напряженных балок и совершенствованию существующих способов беззатяжечного предварительного напряжения тонкостенных стальных конструкций достаточно много внимания уделено в работах российских ученых Кравчука В.А., Иодчика A.A., Пономарева В.П. Эти проблемы изучаются и иностранными специалистами, среди них Ференчик П., Тохачек, Белетти Б., Гаспери А., Гарднер Л., Экберг К., Сакано М.

Вместе с тем, нужно отметить, что еще недостаточно проведено исследований, направленных на определение действительного напряженно-деформированного состояния с учетом многообразия напряжений, возникающих в изгибаемых предварительно напряженных элементах.

Проанализировав исследования Ааре И.И., Иднурма С.И., Погадаева И.К., Предтеченского М.В., Сперанского Б.А., Ширманова B.C., Аль-рабади Х.Д., посвященных изучению напряженно-деформированного состояния приопорного участка тонкостенных предварительно напряженных и обычных балок, нет сомнений в необходимости рассмотрения действительной работы зоны балки, в которой влияние касательных напряжений будет наибольшим.

Фундаментальные исследования, посвященные изучению устойчивости пластинок в элементах металлических конструкций и изучению влияния локальных напряжений на напряженно-деформированное состояние балок, принадлежат Тимошенко С.П., Вольмир A.C. Лампси Б.Б., Броуде Б.М., Доннеллу Л.Г., Кудишину Ю.И., Нежданову К.К., Зарифьяну A.B., Коробко В.И., Тюнькову В.В., Нейберу Г.

При этом изучению влияния локальных напряжений на напряженно-деформированное состояние предварительно напряженных балок посвящено незначительное количество исследований. Совершенно отсутствуют работы по изучению влияния локальных напряжений на работу балок, предварительное напряжение в которых создается продольной вытяжкой стенки.

Объект исследования:

- стальная тонкостенная балка, предварительно напряженная вытяжкой стенки.

Предмет исследования:

- напряженно-деформированное состояние стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки.

Цель исследования:

- совершенствование методики расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, путем учета влияния касательных напряжений, возникающих на стадии их изготовления, на напряженно-деформированное состояние балок и их экономическую эффективность.

Задачи исследования:

- на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований стальных тонкостенных предварительно напряженных балок, теоретически обосновать необходимость совершенствования методики их расчета;

- исследовать влияние касательных напряжений, возникающих на стадии изготовления стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, на их напряженно-деформированное состояние;

- разработать методику инженерного расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, учитывающую влияние нормальных и касательных напряжений на напряженно-деформированное состояние балок при работе в упругой стадии;

- выполнить натурный и численный эксперимент для изучения характера распределения нормальных и касательных напряжений в стальных тонкостенных балках, предварительно напряженных вытяжкой стенки, на стадии изготовления и при воздействии на них внешних нагрузок;

- выполнить расчет технико-экономических показателей стоимости «в деле» стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, позволяющий оценить их экономическую эффективность.

Научная новизна исследования:

- разработаны теоретические принципы расчета касательных напряжений, возникающих в стальных предварительно напряженных балках на стадии изготовления посредством вытяжки стенки, а также нормальных и касательных напряжений, возникающих от действия внешних нагрузок, позволяющие определить их действительное напряженное состояние;

- предложен усовершенствованный метод инженерного расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, учитывающий распределение предварительных нормальных и касательных напряжений в сечениях изгибаемых элементов балок, что позволяет оптимизировать поперечное сечение приопорного участка, уменьшить массу балок, стоимость их изготовления и монтажа;

- предложена методика инженерного расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, позволяющая определить локальные напряжения,

возникающие от действия сосредоточенных нагрузок, приложенных в приопорной зоне балок и в зоне максимального изгибающего момента;

- определены предельные нагрузки для стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки при локальных нагружениях, позволяющих более полно использовать несущую способность конструкции, что подтверждается результатами натурного и численного экспериментов.

Практическая значимость работы:

- внесены уточнения в существующую методику расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, учитывающие влияние предварительных касательных напряжений, возникающих на стадии их изготовления, на несущую способность приопорного участка балок;

- предложена уточненная методика определения нормальных и касательных напряжений в балках, предварительно напряженных вытяжкой стенки, находящихся под воздействием внешних нагрузок, которая позволяет оптимизировать поперечное сечение балок;

- определены значения критических касательных напряжений в балке, предварительно напряженной вытяжкой стенки, свидетельствующие о том, что предварительное напряжение повышает местную устойчивость стенки балки.

Методы исследования:

- аналитическое решение задач с применением математического аппарата, фундаментальных принципов и методов строительной механики, а также теории упругости;

- экспериментальные и численные исследования напряженно-деформированного состояния стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки с целью обоснования и подтверждения принятых теоретических принципов их расчета.

На защиту выносятся:

- теоретические принципы расчета касательных напряжений, возникающих в стальных предварительно напряженных балках на стадии изготовления посредством вытяжки стенки, а также нормальных, касательных и локальных напряжений, возникающих от действия внешних нагрузок;

- методика инженерного расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, учитывающая влияние предварительных нормальных и касательных напряжений, возникающих на стадии их изготовления, на напряженно-деформированное состояние балок;

- методика инженерного расчета локальных напряжений, возникающих от действия сосредоточенных нагрузок, приложенных в приопорной зоне и в зоне максимального изгибающего момента стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки;

-результаты натурных испытаний и численного эксперимента стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, на стадии изготовления и при работе на внешние нагрузки;

- результаты исследования экономической эффективности и стоимости «в деле» стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки.

Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным использованием научных положений теории строительной механики, теории упругости и устойчивости элементов конструкций, а также на существующей теории расчета предварительно напряженных стальных балок и подтверждена натурным и численным в сертифицированном расчетном комплексе экспериментами в части описания напряженного и деформированного состояния стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на:

- ежегодных научных чтениях памяти проф. М.П. Даниловского (Хабаровск, 2012-2014);

- международной научной конференции «Новые идеи нового века» ТОГУ (Хабаровск, 2013);

- Ш-й международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 2014);

- расширенных заседаниях кафедр «Строительные конструкции», «Мосты, основания и фундаменты», «Механика деформированного твердого тела» ТОГУ (Хабаровск, июль 2014, ноябрь 2014, июль 2015);

- научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ: в журналах, сборниках научных статей и материалах научно-технических конференций, в том числе четыре статьи из перечня рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и двух приложений. Работа содержит 232 страницы машинописного текста, включает 101 рисунок и 8 таблиц.

Внедрение результатов работы. Стальные балки, предварительно напряженные вытяжкой стенки внедрены ООО «Территориальным проектным институтом гражданского строительства, планировки и застройки городов и поселков Хабаровского края» ООО «Хабаровскгражданпроект» на объекте «Плавательный бассейн в г. Николаевске-на-Амуре. Вторая очередь. Спортивный зал» в качестве прогонов пролетом 12 м.

Полученные результаты исследования были использованы при выполнении госбюджетной программы научно-исследовательской работы «Решение комплексных проблем исследования формирования транспортно-логистических, строительных кластеров в ДФО». Шифр 2011-ПР.

Некоторые разделы диссертации, включающие теоретические предпосылки и методику расчета предварительно напряженных балок внедрены в учебный процесс для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» при чтении курса «Проектирование зданий и сооружений для экстремальных условий эксплуатации» и для студентов специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений» при чтении спецкурса по металлическим конструкциям.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, оценивается научная новизна работы, их теоретическая и практическая значимость и апробация работы.

В первой главе «История развития теории расчета и практики применения предварительно напряженных стальных конструкций» представлен анализ проведенных ранее исследований, посвященных искусственному регулированию напряжений в металлических конструкциях и направленных на изучение общего напряженно-деформированного состояния. Рассмотрены существующие в настоящее время способы предварительного напряжения стальных балок, их классификация и достоинства по сравнению с конструкциями без предварительного напряжения. Определены преимущества предварительного напряжения вытяжкой стенки перед предварительным напряжением с помощью затяжек. Проведен анализ состояния исследований приопорного участка тонкостенных предварительно напряженных и обычных балок, и исследований, посвященных изучению влияния на балку локальных и местных напряжений, вызванных сосредоточенными и поперечными нагрузками.

Во второй главе «Исследование напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных стальных балок при действии касательных и локальных напряжений» исследованы сдвиговые усилия на контакте «стенка-пояс» на стадии предварительного напряжения стальной балки (рисунок 1).

Определены усилия и изгибающий момент, действующие на основные элементы балки на стадии предварительного напряжения вытяжкой стенки:

4Л

4Л

Л.. + А,

- + Т;М0 =-Кум>-Д.

ААа

+ А<

где

суммарное усилие сдвига в шве, накапливаемое по длине балки

от начала стержня до рассматриваемого сечения; - расчетное сопротивление материала стенки; IV = /г / 2 - расстояние между центрами тяжести стенки и верхнего пояса двутавра; к - высота стенки; - площадь поперечного сечения стенки двутавра; А Л - площадь поперечного сечения верхнего пояса двутавра.

«с

м.

У'о

- .V,

Рисунок 1 - Расчетная схема усилий сдвига на контакте «стенка-пояс» в балке на стадии изготовления

Определено усилие сдвига, действующее на контакте «стенка-пояс» на стадии предварительного напряжения балок:

2К-ук{К + ЩсИЛх 2К + у„{К + 1))1сНА!

-1

Л =

1(К + 1){2К +у„(К +1))(14£ - 5 гЛК +1)) 14Л(1 + 4К-Г„(К + Ш^К-у„{К +1))' где К — У2/У\ - коэффициент асимметрии двутавра; I = Ь/2 - половина длины балки; X - расчетный коэффициент, зависящий от площади поперечного сечения балки; у^, = Ак/ А - коэффициент распределения материала по стенке двутавра, V - коэффициент Пуассона.

Получено выражение касательного напряжения распределенного по длине балки и его максимального значения у торцов балки на стадии предварительно напряжения:

'2К-у„(К + 1)у/гЛх . 2К + уХк + \))скХ1 '

'2К-у„{К + 1)\ш 2К+у„{К + \))

Найдено выражение для предварительных касательных напряжений распределенных по высоте стенки на стадии предварительно напряжения стальной двутавровой балки вытяжкой стенки при 0 < у < И :

тг=-ЯуА„Л

Трг /, тах

-КуА^Я

Грг = ?? • 8-

{4К-у„(К + 1))

где 6 - расчетный параметр, зависимый от коэффициента асимметрии

двутавра К и коэффициента распределения материала по стенке балки ук .

Эпюры предварительных и касательных напряжений в двутавровой балке на стадии предварительного напряжения вытяжкой стенки (рисунок 2).

эп а

>

1 -1— ■ 1-

/ г , 2 /

\ *

Я £

1 -1->

Рисунок 2 - Эпюры предварительных нормальных и касательных напряжений на стадии предварительного напряжения балки

Определены дополнительные относительные деформации верхних продольных волокон балки на стадии предварительного напряжения вытяжкой стенки, возникающие вследствие неравномерного искривления сечения стенки от действия предварительных касательных напряжений разной интенсивности:

2&1 (сИЛх " (К + 2){скЛ1 <7* - предварительное растягивающее напряжение в верхней зоне стенки

балки, полученное профессором Кравчуком В.А.

Определена величина максимальных касательных напряжений на торце предварительно напряженной двутавровой балки для любого поперечного сечения: = т^к К(2-К) Ю К{2-у„)

А (4К-Гм(К + 1))(К + 1) А гЛбК-гЛК + 1)2) Определены суммарные касательные напряжения, распределенные по высоте стенки двутавра, возникающие в предварительно напряженной стальной балке при работе на изгиб:

+

2{2К-\)\с1у

УI

Л л

+

где Q - поперечная сила; Те - касательные напряжения от поперечной силы; /2 - момент инерции сечения двутавра; А - площадь поперечного сечения двутавра; tw - толщина стенки двутавра.

Исследовано влияние предварительных касательных напряжений на напряженно-деформированное состояние стальной тонкостенной балки в опорной зоне. Найдена величина максимальной поперечной силы для двутавровой балки с предварительным напряжением из условия прочности на срез:

'ВяуАум{бК- ум{К + \)2) 9К{2-у„)

' -¡Ъу„МК{2 - К){2К - У „(К + \))ЛА1

{АК -У„(К +1ЖК +1)(2 К +ум{К +1))

Вследствие предварительного напряжения вытяжкой стенки двутавровой балки происходит изменение величины максимальной поперечной силы, действующей в опорной зоне двутавровой балки по сравнению с максимальной поперечной силой, действующей в опорной зоне обычной двутавровой балки без предварительного напряжения:

Qpr,шах = (1 + арг ) ' боб,тах '

\Ъу1п„Кг (2 - К)2 (2К - у„ (К + 1))(14АГ - 5у„ (К +1))

" 4(1 + у){К + \){2К +у„(К + 1))(4К -у„{К +1))3 где - гибкость стенки балки.

Получено выражения высоты стенки в опорной зоне двутавровой балки с предварительным напряжением при работе на внешнюю нагрузку:

ИРГ

1

Рассмотрен вопрос местной устойчивости основных элементов предварительно напряженной стальной балки в приопорной зоне. Установлено, что на стадии предварительного напряжения стенка находится под воздействием предварительных нормальных и касательных напряжений (рисунок 3).

ЭП. Тр. ЗП. Орг | у эп. <7-г эп.

Рисунок 3 - Схема нагружения нормальными и касательными напряжениями стенки балки на стадии предварительного напряжения

Установлено правило распределения предварительных нормальных напряжений по высоте стенки на стадии предварительного напряжения:

' (2ЛГ + 1К п

Определено критическое напряжение для стенки приопорного участка предварительно напряженной балки со свободно опертыми краями без ребер жесткости при сдвиге:

_ 9л/2 к2Р Тсг ~ 48 '

Устойчивость стенки в зоне максимальных касательных напряжений будет обеспечена при выполнении условии Тсг > 1 з тах .

Проведено исследование локальных напряжений в стальной тонкостенной балке предварительно напряженной вытяжкой стенки. Получено выражение предварительных локальных нормальных напряжений в предварительно напряженной стальной балки при действии сосредоточенной силы, приложенной в зоне максимального изгибающего момента балки:

(Трг ■■

ЯУК

1-6-

У

2(2К + 1Н~ ' /г,

Найдены выражения локальных нормальных и касательных напряжений в зоне максимального изгибающего момента предварительно напряженной балки оптимального поперечного сечения:

<^=2,90^

0,099-0,783

+1,273|—

и

Установлено, что локальные напряжения по оси х, возникающие в предварительно напряженной балке от внешней нагрузки, будут до 40% меньше локальных напряжений в балке без предварительного напряжения (рисунок 4).

Рисунок 4 - Эпюры локальных нормальных напряжений а мх,\ос по длине предварительно напряженной балки (пунктир.) *и балки без предварительного напряжения (сплош.)

8 * =1

< <г 5- £ О-

N Г

\ /

1

/ *

/

Рисунок 5 - Эпюры локальных

■»»нормальных напряжений м

о у,1ос по длине предварительно напряженной балки и балки без предварительного напряжения

■1 -и -г ->.* -1 -0.1 о о.; 1 1.1 1 :.1 )

у. 9 5

е"

1 ч|

£ у \

с sf ••«я

\ )

(

1

Рисунок б - Эпюры локальных

касательных напряжений м

т ху,1ос по длине предварительно ''напряженной балки и балки без предварительного напряжения

.1 -1.1 -1 -1.1 -1 -Я,' в 0.1 I 1 1.1 3

При этом локальные напряжения по оси у от внешней нагрузки будут совпадать с распределением локальных напряжений в балке без предварительного

напряжения (рисунок 5). Предварительные касательные напряжения в зоне максимального изгибающего момента предварительно напряженной балки равны нулю, поэтому локальные касательные напряжения будут в обеих балках будут одинаковыми (рисунок 6).

Изучены локальные напряжения в приопорной зоне предварительно напряженной стальной балки при действии сосредоточенной силы реакции опоры. Для данного случая построена функция напряжений:

<РРАх,у) =

(2К-у„{К + \))

1 + 4 /г2 3

М{х-1)

сИЛ!

(2К+у„(К + \))

Найдены выражения распределения предварительных локальных нормальных и касательных напряжений в опорной зоне предварительно напряженной балки:

{2К-у„{К + \)) скМх-1) «У0'{2К + у„{К + \)) сИМ

(2К-у„(К+1)) сИХ(х-1)

сИМ

6—+ 2

(2К~Уи{К +1)) 5ЬХ{х-1)

•13^ + 2^

сИМ А2 /г,

Получено общее выражение местных нормальных и касательных напряжений в стенке в приопорной зоне предварительно напряженной балки оптимального поперечного сечения от действия силы реакции опоры:

2Р

А '

2Р ' А '

4А3(2яу + 2А) 0,22

_(Й2+4/)2(яг2-4) 3,90 \6у2Ь{2лу + 2И) 0,01

ху}ос

2Р ' /г

(й2 + 4у2 )2 {ж2 — 4) 3,90 8Ь2у(2лу + 2И) 0,03

3^ + 1

21 + 21 А2 /г

3^г- + 2 —

_(й2 +4>'2)2(Я'2 -4) " 3,90^' 2Р 2-Ляу(бК-у„{К +1)) ^ /г ЗЛГ(2-у„)

где Р - сосредоточенная сила.

Установлено, что локальные напряжения по оси X, возникающие в предварительно напряженной балке от внешней нагрузки, будут до 5% меньше локальных напряжений в балке без предварительного напряжения (рисунок 7). При этом локальные напряжения по оси у от внешней нагрузки будут практически равны локальным напряжениям в балке без предварительного напряжения (рисунок 8). Локальные касательные напряжения в приопорной зоне предварительно напряженной балки будут до 10% меньше, чем в балке без предварительного напряжения (рисунок 9).

1 S o.ooo

2 g. o i g -0.010 щ 5

í x ; g -в-029

I i -о.озо

i S

I 1.-0.040

" I

-0.050

i 5 -o.iso i

i i -0.200 s I

■4250 0.120

a ta

* в 0.100 i 5

I I 0.080 5 м 0.060

n

5 ¿ 0.040

i I

I

4o.ooj

<ч Ib 0, Ih 0. ih 0, ih 0, rh 0 Ih 0 )h

\|

* чР-02!

^0^8 -0.038 -0.041 -0 04J -0.040 •0.038 «frgfL.

-n.CMfi .[ЦШ.

h 0, !h 0, Ih 0. ...om ЯГ f>h 0. -0 015 7h 0, -0.011 ifc0.007

0.120У SlQM -0.068 -0.038

/ ■0.124

¿/0.20

-0.204

0.020

0.000

"6.065 "4. ¡

S N N. 0.039

0.04? - 0.028 0.021 001*

O.OÍT oon~ ~fí~0?J9 1 --

O.lh QJh 0.4h

0.7h 0.8h 0.9b

Рисунок 7 - Эхпоры локальных нормальных напряжений а 09^ по длине предварительно напряженной балки (пунктир.) и балки без предварительного напряжения (сплош.)

Рисунок 8 - Эпюры локальных нормальных напряжений а ^ по длине предварительно напряженной балки (пунктир.) и балки без предварительного напряжения (сплош.)

Рисунок 9 - Эпюры локальных касательных напряжений г орщ]ос по длине предварительно напряженной балки (пунктир.) и балки без предварительного напряжения (сплош.)

Рассмотрен вопрос конструирования балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки. Приняты конструктивные решения опорных узлов предварительно напряженных балок.

Методика инженерного расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, с учетом влияния предварительного напряжения на распределение касательных и локальных напряжений при работе в упругой стадии представлена в приложении А.

В третьей главе «Экспериментальное исследование стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки» представлены натурные испытания стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой тонкой стенки, которые были проведенные на кафедре «Строительные конструкции» Тихоокеанского государственного университета. Определение численных значений и характера распределения предварительных нормальных напряжений по высоте сечения балок было осуществлено на сварных симметричных предварительно напряженных балках НБ-3 (пояса - плоский лист 100x4 из высокопрочной стали С550, стенки - лист 400x2 из малоуглеродистой стали С275), НБ-4 и НБ-5 аналогичного с НБ-3 поперечного сечения.

Для сравнения характера распределения напряжений по поперечному сечению экспериментальных образцов, соответствующее напряженно-деформированное состояние анализировалось на эталонных образцах, не имеющих предварительного напряжения - сварных балках Э-4-5, Э-6-4, Э-8-9

и Э-11-12 (пояса из высокопрочной стали С550 с геометрическими размерами 100x4, стенка - из малоуглеродистой стали С275 размером 400x2).

Контроль предварительных напряжений в стенке и поясных листах осуществлялся с помощью тензорезисторов в соответствии с рисунком 10.

í

3е Г-—г— 1 1 1 1

3 Г Р с 1 3 ] ]

[ 1 1 I 3 ^ J

8 1 к к. 1 1 ] ]

Ч 10 3 - 1 - М ] 340 |. 300 2.» 1 14 |

¿XII

¿XIV ¿XV ¿XVI

Рисунок 10 - Схема

расположения

тензорезисторов

Определен характер распределения предварительных нормальных напряжений в характерных поперечных сечениях (рисунок 11) и по длине балки (рисунок 12).

П-И ш-щ 1.Г-1Х А-Х л « 1 XII-XII

и

'Л

А-

,_—

.....т~т

Рисунок 11 - Эпюры предварительных Рисунок 12 - Эпюры предварительных

нормальных напряжений по высоте нормальных напряжений по длине

балки: 1 - теоретические; балки: 1 - теоретические;

2 - экспериментальные 2 - экспериментальные

Исследовано влияние предварительных нормальных напряжений на несущую способность балок. Задача исследования сводилась к изучению влияния предварительных напряжений, полученных на стадии изготовления конструкций, на численные значения и форму распределения напряжений, вызванных внешней нагрузкой 5 (рисунок 13) а также на сопоставления полученных напряжений с соответствующими напряжениями в балках без предварительного напряжения (рисунок 14). Проведенные испытания показали, что предварительные напряжения снижают деформации стенки балки из плоскости изгиба, а также уменьшают численные значения нормальных напряжений.

II

1

II

1

I

/ 4

У 7: 1

ц 1

1-

Рисунок 13 - Нормальные напряжения в среднем сечении балки НБ-3:

1 - теоретические;

2 - экспериментальные

\

Í

i

/i

V i

У. у

/

Рисунок 14 - Нормальные напряжения в приопорной зоне балки Э-4-5:

1 - экспериментальные;

2 - теоретические

100 50 0 -50 150 100 50 0 -50-100 200 150 100 50 0 -50-100-150

Определены формы потери устойчивости стенкой и верхним поясом в период предварительного напряжения конструкции. Исследовано влияние предварительных нормальных и касательных напряжений на местную устойчивость элементов конструкции. Основным критерием, на основании которого делался вывод о потери местной устойчивости элементов предварительно напряженной балки НБ-5 (рисунок 15) и балки без предварительного напряжения Э-4-5 (рисунок 16), в частности стенки, являлось перемещения ее из плоскости действия внешних нагрузок в зоне максимального момента внешних нагрузок.

7

\ V

)

Рисунок 15 - Перемещения Рисунок 16 - Перемещения

стенки в зоне максимального стенки в зоне максимального

изгибающего момента изгибающего момента

в балке НБ-5 в балке Э-4-5

Разрушение исследуемых балок происходило в результате потери местной устойчивости стенки в приопорной зоне, повлекшей потерю местной устойчивости верхнего пояса и опорного ребра в месте их сопряжения.

С целью проверки теоретических выводов о влиянии предварительных касательных напряжений на изменение касательных напряжений, вызванных внешней нагрузкой, характер распределения локальных напряжений и оценки результатов натурных испытаний образцов был поставлен численный эксперимент по расчету разрезной шарнирно опертой балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки.

Численный эксперимент на основе метода конечных элементов проводился при помощи программного комплекса "ЛИРА САПР". Были созданы конечно-элементные модели балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки.

Все элементы балки выполнены из стали с модулем упругости Е = 2.06-104 кН/см2 и коэффициентом Пуассона V = 0,28.

Модели балок были приняты с геометрическими параметрами, соответствующими двум аналогичным образцам: НБ-3 и Э-4, которые использовались в натурном эксперименте. Опорные ребра по торцам и ребра жесткости в местах приложения внешних сосредоточенных нагрузок на модель балки не устанавливались.

При создании расчетных моделей балки разбивались на конечные элементы в виде прямоугольных пластинок с размерами по высоте стенки балки 50 мм, по длине балки 40 мм, по ширине пояса 25 мм (рисунок 17).

Рисунок 17 - Фрагмент конечно-элементной модели балки с нумерацией элементов

В результате расчета были получены значения предварительных нормальных и касательных напряжений. Изучен характер распределения предварительных касательных (рисунок 18) и нормальных напряжений (рисунок 19) по длине и высоте испытуемых образцов. Предварительные касательные напряжения действуют в основном в приопорной зоне стенки балки. В зоне максимального изгибающего момента они практически отсутствуют. При этом эпюра предварительных касательных напряжений по высоте стенки распределяется по параболе и является разнозначной.

Рисунок 18 - Распределение предварительных касательных напряжений по длине и высоте балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки

Рисунок 19 - Распределение предварительных нормальных напряжений по высоте и длине балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки

Получены эпюры нормальных напряжений по высоте сечения стенки в середине пролета предварительно напряженной балки и эпюры касательных напряжений в приопорном участке балки, вызванных внешней нагрузкой, а также проведено сравнение полученных напряжений с соответствующими напряжениями в балках без предварительного напряжения (рисунок 20).

Рисунок 20 - Эпюры нормальных и касательных напряжений в предварительно напряженной балке (слева) и балке без предварительного напряжения (справа)

Изучен характер распределения локальных напряжений в зоне максимальных нормальных предварительных напряжений. Эпюры локальных и касательных напряжений в предварительно напряженной балке и в балке без предварительного напряжения от внешней сосредоточенной силы, приложенной в зоне максимального изгибающего момента балки приведены на рисунках 21 - 23. Их значения рассматриваются в сечении стенки на расстоянии Ь/4 от верхней кромки стенки.

Рисунок 21 - Эпюры локальных нормальных напряжений а мх,\ос по длине балки без

предварительного напряжения (вверху) и предварительно напряженной балки (внизу)

Рисунок 22 - Эпюры локальных нормальных напряжений а МУ,10С по длине балки без предварительного напряжения (вверху) и предварительно напряженной балки (внизу)

Рисунок 23 - Эпюры локальных касательных напряжений т мху,10С по длине балки без предварительного напряжения (вверху) и предварительно напряженной балки (внизу)

Проведен сравнительный анализ параметров напряженно-деформированного состояния в предварительно напряженных балок с соответствующими параметрами балок без предварительного напряжения. Анализ численного эксперимента показал, что локальные нормальные напряжения сУХ:1ас от сосредоточенной силы Р, приложенной в зоне максимального изгибающего момента предварительно напряженной балки будут меньше, чем в балке без предварительного напряжения; локальные нормальные напряжения аму10С в предварительно напряженной балке и в обычной балке от действия сосредоточенной силы будут практически одинаковыми, разница в среднем составляет менее 2%, поэтому можно заключить, что предварительное напряжение не оказывает существенного влияния на их распределение; локальные касательные напряжения г''4ху1ОС в предварительно напряженной балке и в обычной балке от действия сосредоточенной силы будут практически равны, разница составляет менее 3% и, поэтому не будет оказывать существенного влияния на их распределение, поэтому можно заключить, что предварительное напряжение не оказывает серьезного влияния на их распределение. В случае приложения сосредоточенной силы в середину пролета преднапряженной балки максимальные касательные напряжения в опорной зоне будут ниже максимальных касательных напряжений в балке без предварительного напряжения.

Изучен характер распределения локальных напряжений в приопорной зоне балки. Эгаоры локальных нормальных и касательных напряжений в предварительно напряженной балке и в балке без предварительного напряжения при работе от внешней сосредоточенной силы реакции опоры, приложенной к углу балки приведены на рисунках 24 - 26. Их значения также рассматриваются в сечении стенки на расстоянии Ъ/4 от верхней кромки стенки.

Рисунок 24 - Эпюры локальных нормальных напряжений а °рх,!ос по длине балки без предварительного напряжения (вверху) и предварительно напряженной балки (внизу)

Рисунок 25 - Эпюры локальных нормальных напряжений а ору,10с по длине балки без предварительного напряжения (вверху) и предварительно напряженной балки (внизу)

L,

-ттта

Рисунок 26 - Эпюры локальных касательных напряжений г joc по длине балки без предварительного напряжения (вверху)и предварительно напряженной балки (внизу)

Решалась задача определения степени влияния предварительного напряжения на распределение локальных напряжений в приопорном участке предварительно напряженной балки при действии сосредоточенной силы реакции опоры Р, приложенной к нижнему углу балки. В результате проведения численного эксперимента было установлено, что предварительное напряжение снижает локальные нормальные и касательные напряжения, возникающие от действия сосредоточенной сипы реакции опоры, приложенной к опорному участку предварительно напряженной балки, но это снижение незначительно. Поэтому локальные напряжения в приопорном участке балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки при действии сосредоточенной силы реакции опоры следует определять как для обычной балки без предварительного напряжения.

Проведена сравнительная оценка результатов эксперимента с теоретическими расчетами. По результатам численного эксперимента для сравнения напряженного состояния предварительно напряженной балки НБЧ-3 с аналогичными балками НБТ-3, полученными теоретическими расчетами, были взяты значения предварительных нормальных напряжений в середине пролета и предварительных касательных напряжений в опорной зоне (таблица 1).

Таблица 1 - Значения предварительных нормальных и касательных напряжений в сечениях стенки в численном эксперименте и теоретических

Номера сечений Предварительные нормальные напряжения в балках, кН/см2 Предварительные касательные напряжения в балках, кН/см2

НБТ-3 НБЧ-3 НБТ-3 НБЧ-3

1 16 -1,4 -4,55 -1,45

2 10 9 -0,85 -0,97

3 4 3,6 1,13 1,68

4 -2 -2,3 1,42 1,7

5 -8 -1,7 0 0,17

Сопоставление результатов натурных испытаний с результатами численного эксперимента подтверждают полученные теоретические выводы, используемые для определения напряженного и деформированного состояния балок предварительно напряженных вытяжкой стенки. Несовпадения значений исследуемых величин не превысили 15%.

В четвертой главе «Экономическое обоснование бистальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки» представлена методика исследования технико-экономических показателей предварительного напряженных бистальных балок двутаврового поперечного сечения вытяжкой стенки. Определены показатели стоимости «в деле» при работе на изгиб балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, включающие расчет массы конструкции, стоимости материала балки, стоимости изготовления, транспортировки и монтажа.

Рисунок 27 - Показатели стоимости балок «в деле»

Проведен сравнительный анализ этих показателей с аналогичными показателями стоимости обычной бистальной балки без предварительного напряжения. Получены показатели стоимости «в деле» погонного метра балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки (ПНБ) и обычной бистальной балки без предварительного напряжения (ОБ) для вариантов, когда трудоемкость изготовления ПНБ соответственно в два, четыре и шесть раз превышает трудоемкость изготовления ОБ (рисунок 27).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические принципы расчета стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, с учетом влияния касательных напряжений, возникающих на стадии их изготовления на напряженно-деформированное состояние балок. Установлено, что касательные напряжения, возникающие на стадии изготовления балок, распределяются по их длине, следуя закону гиперболического синуса, а по высоте - параболическому. При этом предварительные касательные напряжения имеют максимальное значение в приопорной зоне балки, а вдоль пролета балки они практически отсутствуют. Определено, что предварительные нормальные и касательные

напряжения снижают нормальные, вызванные внешней нагрузкой, на 15%, а касательные напряжения - на 9%.

2. Получены зависимости геометрических размеров поперечного сечения и местной устойчивости элементов приопорной зоны стальной предварительно напряженной балки от величины предварительных нормальных и касательных напряжений. Сравнительный анализ зависимостей показал, что предварительное напряжение позволяет повысить местную устойчивость стенки балки в 1,89 раза и уменьшить высоту стенки приопорного участка балки до 9%.

3. Разработана методика инженерного расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, учитывающая влияние предварительного напряжения на распределение нормальных и касательных напряжений при работе в упругой стадии. Методика может быть рекомендована для расчета разрезных однопролетных балок.

4. Выполнен численный эксперимент, который позволил получить новые данные о характере влияния предварительного напряжения на распределение локальных напряжений, возникающих от действия сосредоточенной силы, приложенной в приопорной зоне балки и в зоне максимального изгибающего момента. Установлено, что локальные напряжения в приопорном участке стальной балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки, будут определяться как для обычной балки без предварительного напряжения. Также установлено, что локальные нормальные напряжения по оси абсцисс в зоне максимального изгибающего момента предварительно напряженной балки будут на 40% меньше, чем в балке без предварительного напряжения, значения локальных нормальных напряжений по оси ординат и локальных касательных напряжений в данной зоне будут практически равны.

5. Сопоставление результатов экспериментальных данных с теоретическими исследованиями показало их удовлетворительную сходимость. Отклонения значений предварительных нормальных напряжений в стенке балки, полученных в численном эксперименте и определенных теоретическим расчетом не превысили 10%, а отклонения значений предварительных касательных напряжений -не превысили 15%.

6. Технико-экономический расчет показал, экономическая эффективность стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, обусловлена снижением их стоимости «в деле» по сравнению с балками без предварительного напряжения до 12,5%, а массы - до 21%. Предварительно напряженные балки могут быть рекомендованы в качестве балок покрытий и перекрытий каркасов многоэтажных зданий общественного и административного назначения, прогонов покрытий с теплыми и холодными кровлями во всех климатических районах России.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Чебровский, A.A. Касательные напряжения в балках, предварительно напряженных вытяжкой стенки [Текст] / A.A. Чебровский, В.А. Кравчук // Вестник ВСГУТУ. Улан-Удэ, 2014. - № 6(51). - С. 49-52.

2. Чебровский, A.A. Исследование касательных напряжений в приопорной зоне стальной балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки [Текст] / A.A. Чебровский, В.А. Кравчук, Т.В. Аюшеев // Вестник ВСГУТУ. Улан-Удэ, 2015. - № 3(54). - С. 42-48.

3. Чебровский, A.A. Обзор состояния предварительно напряженных металлических балок и результатов исследования эксплуатируемых подкрановых балок при работе на подвижную нагрузку [Текст] / A.A. Чебровский, Ю.А. Савва// Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2013. - № 4(31). - С. 141-148.

4. Чебровский, A.A. Местная устойчивость приопорной зоны стальной балки, нагруженной усилиями предварительных касательных напряжений [Текст] / A.A. Чебровский, В.А. Кравчук // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2015. -№3(38).-С. 123-129.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

1. Чебровский, A.A. Анализ экспериментального исследования балок, предварительно напряженных изгибом тавра [Текст] / A.A. Чебровский // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного комплекса: материалы региональной научно-практической конференции. (Научные чтения памяти проф. М.П. Даниловского). Хабаровск: изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. - Вып. 12. - С. 285-292.

2. Чебровский, A.A. Распределение предварительных касательных напряжений по высоте опорного участка балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки [Текст] / A.A. Чебровский, В.А. Кравчук // Дальний Восток: Проблемы развития архитектурно-строительного комплекса: материалы региональной научно-практической конференции. (Научные чтения памяти проф. М.П. Даниловского). Хабаровск: изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2014. - Вып. 14. - С. 365-368.

Подписано в печать 14.10.15. Формат 60x84 'Да. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 320. Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, Россия, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136