автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Усиление стальных строительных конструкций с учетом развития ограниченных пластических деформаций

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

§ I.I. Основные цели и задачи исследования.

§ 1.2. Анализ современных методов расчета усиленных стальных конструкций. IG

§ 1.3. Методика теоретического исследования работы за пределом упругости элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой.

Глава 2. УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКИЙ ИЗГИБ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ

§ 2.1. Напряженно-деформированное состояние стальных сечений, усиленных поясными листами при развитии ограниченных пластических деформаций

§ 2.2. Особенности распределения нормальных напряжений и деформаций в усиленном сечении.

§ 2.3. Влияние нормы пластической составляющей интенсивности деформаций и расчетного сопротивления стали листов усиления на предельное состояние усиленных сечений.

Глава 3. УПРУГО-ПЛАСТШЕСЖИЙ И31ИБ УСИЛЕННЫХ СЕЧЕНИЙ С ПРОДОЛЬНОЙ СИЛОЙ

§ 3.1. Особенности работы усиленных сечений при изгибе с продольной силой

§ 3.2. Влияние геометрических характеристик усиленных сечений на распределение нормальных напряжений

§ 3.3. Построение кривых взаимодействия цри одноосном изгибе с продольной силой за пределом упругости

Глава 4. КОСОЙ ИЗГИБ УСИЛЕННЫХ СЕЧЕНИЙ ЗА ПРЕДЕЛОМ УПРУГОСТИ

§ 4.1. Напряженно-деформированное состояние усиленных сечений цри сложном сопротивлении

§ 4,2. Особенности упруго-пластической работы усиленных сечений в условиях сложного сопротивления

§ 4.3. Построение кривых и поверхностей взаимодействия при косом изгибе и косом изгибе с продольной силой.

ВЫВОДЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ

УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ СТАЛЬНЫХ СТЕРЖНЕЙ

§ 5.1. Установка для экспериментального исследования

§ 5.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

§ 5.3. Испытания стальных стержней симметричного сечения, усиленных под на1рузкой.

§ 5.4. Испытания стальных стержней несимметричного сечения, усиленных под нагрузкой

ВЫВОДЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ.

Глава 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

§ 6.1. Методика расчета прочности стальных конструкций, усиленных под нагрузкой, по критерию ограниченных пластических деформаций.

§ 6.2. Предложения для нормативных документов по расчету прочности усиленных элементов стальных конструкций

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Решениями 26-го съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК партии основная доля капитальных вложений направлена на реконструкцию действующих предприятий [49]. Тот же курс нашел отражение в Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на период I98I-I985 г.г. и до 1990 года.

На основе этих важных документов, а также в соответствии с постановлениями ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 10.07.78 Р 573 и от 12.03.81 W- 264 [55] была разработана программа на I98M985 г.г. по решению отраслевой научно-технической проблемы 055.121 "Разработать и внедрить прогрессивные способы реконструкции промышленных зданий и сооружений ведущих отраслей промышленности, обеспечивающие сокращение трудозатрат, материальных ресурсов и сроков ее проведения".

Главной задачей при решении данной проблемы является обеспечение проведения работ по реконструкции промышленных объектов в сжатые сроки, с минимальными затратами трудовых и материально-технических ресурсов.

Разделом СПвЗ программы предусмотрено провести исследования и разработать рекомендации по расчету усиленных под нагрузкой металлических конструктивных элементов и соединений.

В связи с этим назрела необходимость исследовать характер перераспределения напряжений и деформаций в существующих конструкциях и сооружениях. Такая постановка существенно и принципиально отличается от вопроса проектирования и расчета новых конструкций, когда можно заранее выбрать необходимую расчетную схеьфг, подобрать сечение отдельных элементов и сделать все расчетные проверки будущей конструкции. Существующая конструкция принимается такой, какая она есть и посредством усиления ее определяются пути приспособления к новым условиям работы, причем усиление в большинстве случаев выполняется под нагрузкой. фи рассмотрении вопросов расчета усиленных элементов стальных конструкций интерес представляет новая методика расчета по предельным состояниям первой группы - по непригодности к эксплуатации вследствие развития пластических деформаций. Критерием этого предельного состояния предлагается ограничение пластической составляющей интенсивности деформации в сечении [56,62,68,71,77]. Применение вышеуказанного критерия при расчете сечений усиленных стальных элементов обеспечит полное использование прочности стали листов усиления и уменьшит расход металла за счет учета пластических деформаций в цредельном состоянии по непригодности к эксплуатации.

Усиление стальных конструкций путем увеличения сечения, являющееся частью общего усиления, наиболее известно, просто и употребительно [зб]. И хотя работа усиленных элементов стальных конструкций изучалась многими авторами, тем не менее нигде в известной литературе нет практических рекомендаций по расчету прочности сечений усиленных несимметрично поясными листами, усиленных моносимметричных сечений, а также сечений, работающих на косой изшб и косой изгиб с продольной силой. Что касается упруго-пластической работы усиленных элементов, то в расчетах рекомендуется использовать концепцию шарниров текучести, причем только для симметричного усиления симметричных сечений.

В ряце теоретических и экспериментальных исследованиях по изучению работы усиленных элементов, выполненных за последние 25.30 лет, рассматривалась совместная работа основного металла и металла усиления в упруго-пластической стадии. Однако результаты этих исследований не доведены до конца и не используются в практике расчета усиления. Кроме того, до настоящего времени общесоюзные нормативные документы вопросов усиления вообще не затрагивают, известны лишь узковедомственные указания [61,63].

Шэтому особенно эффективным будет црименение вышеуказанного критерия цри расчете усиления стальных элементов, что приведет к унификации расчетов цри цроектировании новых и усилении существующих конструкций, к дополнительному повышению воспринимаемых усилий.

Настоящая диссертация посвящена обоснованию возможности и целесообразности расчета усиленных элементов стальных конструкций по критерию предельных пластических деформаций, в том числе цри сложном сопротивлении „и разработке практических методов расчета усиления.

Особенности уцруго-пластической работы усиленных элементов при сложном сопротивлении потребовали цроведения экспериментальных исследований. Эти опыты были выполнении на специальной установке, построенной в лаборатории строительных конструкций Николаевского филиала Одесского инженерно-строительного института. Начиная с 1983 года исследования выполнялись по хоздоговорным темам с ЦНИИПроектстальконструкцией им.Мельникова в соответствии с программой 055.121»утвержденной Госстроем СССР. Результаты этих исследований использованы при разработке рекомендаций по расчету усиления элементов стальных конструкций.

Основными новыми положениями, которые выносятся автором на защиту являются: способ упруго-пластического расчета усиленных сечений при простом и сложном сопротивлении, основанный на автоматизированном счете по дискретным диаграммам работы материалов с учетом начального напряженного состояния и различных степенях разгрузки сечения перед усилением; прием корректировки расчетных коэффициентов при учете взаимодействия различных комбинаций изгибающих моментов и продольных сил с проверкой деформаций в определенных точках сечения по точным кривым взаимодействия; выводы проведенного на созданной автором установке экспериментального исследования действительной работы усиленных элементов стальных конструкций при простом и сложном сопротивлении; праетическая методика расчета усиления с учетом развития ограниченных пластических деформаций при простом и сложном сопротивлении, реализующая принцип сохранения традиционного вида расчетных формул упругой стадии работы с дополнением системой коэффициентов, формулами и таблицами, обеспечивающая действительную равнопрочность усиленных сечений при разных силовых факторах.

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи учета развития ограниченных пластических деформаций в усиленных элементах, что имеет существенное значение для теории расчета усиления стальных конструкций, так как приводит к сокращению расхода стали.

Работа изложена на 212 страницах, из них: 119 страниц основного текста; 9 таблиц (15 страниц); 56 рисунков (56 страниц); 95 наименований литературы на 10 страницах; 8 страниц фотографий и приложения на 5 страницах.

1. Авт. свидетельство 1020772 (СССР). Установка для испытания материалов. (Авт. изобретения Богза В.Г., Чернов Н.Л., Шебанин B.C.) - Заявлено II.05.81 Р 3286734/25-28. Опубликовано в БИ Р 20, 1983.

2. Армавирский завод испытательных машин. Испытательные машины. Сводный каталог. М., 1966, с. 48-49.

3. Балдин В.А. Основные направления совершенствования расчета металлических конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений, 1967, Р 4, с. 1-3.

4. Балдин В.А., Ильясевич А., Броуде Б.М., Вельский Г.Е. Некоторые вопросы расчета стальных конструкций по предельным состояниям первой группы. - Строительная механика и расчет сооружений, 1976, Р I, с. 54-57.

5. Балдин В.А., Вельский Г.Е. Основные положения расчета стальных конструкций по предельным состояниям. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1980, Р II, с. 3-21.

6. Балдин В.А. Об учете пластических деформаций при неравномерном распределении напряжений по сечению. - Строительная механика и расчет сооружений, 1977, Р I, с. 29-31.

7. Беленя Е.Й., Горовский Д.М. Расчет металлических балок, усиленных затяжкагли. - Строительная механика и расчет сооружений, I97I, PI, с. 12-18.

8. Беленя Е.И. Предварительно напряженные металлические несущие конструкции. Стройиздат, М., 1975, с. 416.

9. Беленя Е.И. Исследование упруго-пластических процессов работы балок, усиленных до загружения и под нагрузкой. - Сб. "Исследования по стальным конструкциям", ЦНЙПС, Стройиздат, М., 1950, с. I6I-I82.

10. Беленя Е.И., Гениев А.Н., Балдин В.А. и др. Металлические конструкции, М., Стройиздат, 1976, 600 с.

11. Вельский Г.Е. О количественных критериях предельных состояний по непригодности к эксплуатации, - Строительная механика и расчет сооружений, 1978, J^ 2, с. 15-20.

12. Вельский М.Р., Лебедев А.Н. Усиление металлических конструкций под нагрузкой. Изд. "Е!уд1вельник", Киев, I98I.

13. Вельский Т.Е., Одесский П.Д, О едином подходе к использованию диаграмм работы строительных сталей. - Промышленное строительство, 1980, № 7, с. 4-6.

14. Вельский Г.Е, О нормах проектирования металлических конструкций, ориентированных на применение ЭЦВМ. - Строительная механика и расчет сооружений, 1977, № 2, с. 51-57.

15. Вельский Г.Е,, Сердюков В,И, Предельные состояния сечений одиночных уголков, - Строительная механика и расчет сооружений, 1983, Jfe 2, с. 54-58.

16. Вельский Г,Е, О предельных состояниях элементов металлических конструкций при сжатии (растяжении) с изгибом, -Строительная механика и расчет сооружений, 1973, № 2, с. 51-57<

17. Вогза В,Г, Усиление стальных строительных конструкций при учете ораниченных пластических деформаций, - Тезисы докладов научно-технической конференции, Свердловск, 1983, с, 6,

18. Вогза В,Г, Исследование одноосного изгиба усиленных стальных сечений за пределом упругости, - Тезисы докладов научно-технической конференции, Николаев, I98I, с. 45-46.

19. Богза В.Г., Чернов Н.Л., Шебанин B.C. Установка для испытания стальных стержней при сложном сопротивлении. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1984, Р 4 с. 126-127.

20. Гайдаров Ю.В. Предварительно напряженные стальные конструкции в промышленном строительстве. М., Госстройиздат, I960..

21. Гайдаров Ю.В. К вопросу о влиянии собственных и предварительных напряжений на работоспособность стальных конструкций. Автореферат докторской диссертации. Сибирский филиал ЦНИПС, 1956.

22. Донник И.Я. Исследование прогибов двутавровых балок в упруго-пластической стадии от равномерно-распределенной нагрузки, неусиленных и симметрично усиленных под нагрузкой. - Труды Харьковского горного института, Харьков, 1958, с. 146-157.

23. Донник И.Я. Несущая способность прокатных двутавровых балок, усиленных под нагрузкой. Автореферат канд. диссертации. шеи, Киев, 1956.

24. Донник И.Я. Несущая способность двутавровых балок, симметрично усиленных под нагрузкой. - Труды Харьковского горного института, Харьков, 1958, том У, с. 319-333.

25. Донник И.Я. Расчет балок, усиленных под нагрузкой по расчетным предельным состояниям. - Труды Харьковского горного института, Харьков, 1958, том У, с. 335-347.

26. Жудин Н.Д. Расчет стальных конструкций с учетом пластических деформаций. - Сб. трудов Киевского строительного института, вып. П, 1935.

27. Иммерман А.Г., Десятов Б.И. Расчет усиленных под нагрузкой сжатых элементов сварных ферм. - Сб. Металлические конструкции. МИСИ, М., 1970, № 85, с. I47-I5I.

28. Кизингер Р. Исследование напряженного состояния рас^ тянутых стержней металлических ферм цри их усилении под нагрузкой. Автореферат канд. диссертации, М., 1973.

29. Колесников В.М. Об усилении стальных стропильных ферм под нагрузкой. - Монтажные и специальные работы в строительстве, I960, Jfe 2, с. 9-10.

30. Колесников В.М. Экспериментальное исследование работы сжатых стержней, усиленных под нагрузкой. - Доклады секции инженерных конструкций, ЛЮИ, Ленинград, 1960, с. 6-7.

31. Колесников В.М. Экспериментальное исследование несущей способности растянутых стальных стержней, усиленных под нагрузкой. - Научные доклады высшей школы. Строительство, 1959, J§ 2 , с. 24-25.

33. Конаков А.И., Махов А.П. Отказы и усиление строительных металлических конструкций. - Обзорная информация. Сер. 8, вып. 4, М., ВНИИШ, 198Г, с. 52.

34. Кутиков А,И., Шебанин B.C. Уменьшение металлоемкости изделий цри изгибе с учетом наклепа. - Труды Краснодарского политехнического института, Краснодар, 1979, вып. 94 (4), с. 170-174.

35. Куценок Я.Л. Расчет стальных конструкций, усиленных под нагрузкой (нормали). Гипросталь, Харьков, 1943. 39. к;ушнев В,П. Усиление металлических конструкций. Автореферат канд. диссертации, ЛШИ, Ленинград, I94I.

36. Лащенко М.Н. Усиление металлических конструкций, Гос- стройиздат, М., 1954, 187 с.

37. Лащенко М.Н. Анализ некоторых приемов усиления металлических конструкций гражданских и промышленных сооружений. Автореферат канд. диссертации, ЛЖИ, Ленинзтрад, 1947.

38. Лащенко М.Н. Регулирование напряжений в металлических конструкциях. Стройиздат, Л.-М., 1966, 190 с.

39. Лащенко М.Н. Анализ причин аварий металлических конструкций. Л., Госстройиздат, 1966, 176 с.

40. Леус Ю.Я. Энергетический метод определения остаточных сварочных напряжений и деформаций. - Автоматическая сварка, 1974, № 7, с. 35-38.

41. Любаров Б.И., Довгард И.Р., Шавловская Н.К. Определение деформаций в балках в состоянии приспособляеюсти при подвижных повторно-переменных нагрузках. - Строительная механика и расчет сооружений, 1977, J§ 5, с. 39-42,.

42. Любаров Б.И, Приспособляемость балок в условиях повторно-переменного поперечного изгиба. - Строительная механика и расчет сооружений, 1977, J& I, с. 39-44.

43. Любаров Б.И. 0;.расчете упруго-пластических систем в условиях повторно-переменного загружения, - Строительная механика и расчет сооружений, 1974, J^ 2, с . 25-27.

44. Материалы 26-го съезда КШС. М.; Политиздат, 1980.

45. Мельников Н.П. Металлические конструкции: Современное состояние и перспективы развития, - М.; Стройиздат, 1983.

46. Михайлов A.M. Сварные конструкции. - М.; Стройиздат, 1983, 280 с.

47. Неминский М. Расчет усиленных сечений. - Строитель железных дорог, 1939, )& 17, с. 13-14.

48. Николаев Г.А, Сварные конструкции. Машгиз, М., 1955.

49. Петров A.M. Усиление сварных швов в конструкциях, находящихся под нагрузкой. - фомышленное строительство, 1963, № 8, с. 19-20.

50. Постановление ЦК КШС и Совета Шнистров СССР от 12 марта I98I года № 264 "О мерах по повышению эффективности производства и использования металлопродукции из черных металлов в I98I - 1985 годах".

51. Потапкин А.А. Теория и расчет стальных и сталежеле- зобетонных мостов на прочность о учетом нелинейных и пластических деформаций. - Труды ЩМЮ Минтрансстроя, вып. 84, М., Транспорт, 1972, 192 с.

52. Расчет металлических конструкций с учетом пластических деформаций. ЩИШ, М., Стройиздат, 1938, 157 с.

53. Ребров И.С. Сварочные деформации при усилении сжатых стержней. - Инженерные конструкции. Доклады XXX научной конференции ЛЖИ, Л., 1972, с. 35-36.

54. Ребров И.С. Исследование устойчивости сжатых элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой. Автореферат канд. диссертации. ЛШИ, Л., 1968,

55. Ребров И.О. Работа сжатых элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой. Л., Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976, 176 с.

56. Рекомендации по усилению элементов конструкций с применением сварки. ЦНИИфоектстальконструкция, М., I97I, 51 с.

57. Рекомендации по расчету стальных конструкций на прочность по критериям ограниченных пластических деформаций. ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П.Мельникова, М., изд. 2-е, 1984, 48 с.

58. Руководящий технический материал РТ№-050.318.04-024-80. Устройство, эксплуатация и капитальный ремонт подкрановых путей портальных, башенных, козловых, мостовых кранов и другого грузоподъемного оборудования. Основные положения. ШП, I98I.

59. Сахновский М.М. Металлические конструкции, (техническая эксплуатация). - Киев, БудХвельник, 1976, 256 с.

60. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Госстрою:СССР. - М.; Стройиздат, 1982.

61. СНиП 1Ь43-82. Мосты и трубы. Госстрой СССР. - М.; Стройиздат, 1983.

62. СНиП 1ЬА. 10-71. Строительные конструкции и основания. Основные положения цроектирования. М., Стройиздат, 1970,

63. Стандарт СЭВ СТ 384-76. Строительные конструкции и основания. Основные положения по расчету. М.; Стройиздат, 1976.

64. Стрелецкий Н.С. Избранные труды. Сб. статей под ред. Е.Й.Беленя. М.; Стройиздат, 1975, с. 242-256.

65. Стрелецкий Н.С. Квопросу развития методики расчета по предельным состояниям. " Развитие методики расчета по пре-дельньнл состояниям". Сб. статей под ред. Е.Й.Беленя. Стройиздат, М.; I97I, с. 257-262.

66. Стрелецкий Н.Н., Вельский Г,Е., Любаров Б.Й., Чернов Н.Л. Расчет элементов стальных конструкций по критерию предельных пластических деформаций. - Промышленное строительство, 1978, H^ б, с. 16-19.

67. Тихненко Ю.Н. Учет пластических деформаций при изгибе балок двутаврового сечения. М., 1955., 153 с.

68. Трофимов В.И. Упруго-пластическая работа мягкой строительной стали при простом и сложном нагружешш. - Сб. ЦНИПС "Исследования прочности, пластичности и ползучести строительных материалов". Стройиздат, 1955., с. 23-41,

69. Трофимович В.В., Пермяков В.А. Оптимальное проектирование металлических конструкций. - Киёв, Буд1вельник, I98I, с. 56-60.

70. Тылкин М.А., Большаков В.И., Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали. М., "Металлургия", 1983, 287 с.

71. Чернов Н.Л, Учет начальных напряжений в стальных изгибаемых элементах при ограниченных пластических деформациях.-Известия вувов. Строительство и архитектура, 1979, W 10, с.3-8.

73. Чернов Н.Л., Шебалин B.C. Расчет бистальных двутавров методом эквивалентных площадей. - Труды Николаевского кораблестроительного института, Николаев, 1982, вып. 188, с. 70-74.

74. Чернов Н.Л., Шебанин B.C. Особенности расчета бистальных двутавров по критерию предельных пластических деформаций.-- Известия вузов. Строительство и архитектура, 1983, Р 9, с. 14-18.

75. Чернов Н.Л., Черная Е.Р. Экспертлентальное исследова- ние работы тонкостенных стержней на двухосный изгиб при подвижной нагрузке за пределом упругости. - Прикладная механика, 1966, т. 2, вып. 2, с. 63-69.

76. Чернов Н.Л. О постепенном развитии пластических деформаций в стальных балках при подвижных нагрузках. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1973, Р I, с. 3-7.

77. Чернов Н.Л. Упрзгго-пластический изгиб двутаврового сечения с учетом касательных и местных сжШ'Дающих напряжений при подвижной нагрузке, - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1972, Р 8, с. 3-9,

78. Чернов Н.Л. Упруго-пластический расчет предварительно- напряженных стальных неразрезных балок. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1978, Р 2, с. 14-19,

79. Шварцбург Б.Г., Куценок Я.Л. Расчет элементов металлических конструкций, усиливае1лых в напряженном состоянии. -Строительная промышленность, 1939, Р 8, с, 70-71.

80. Шебалин B.C. Изгиб стальных и бистальных балок с осевой силой при ограниченных пластических деформациях. - В кн: Теория и практика модернизации судов. М., ЦРЙА "Морфлот", I98I, с. 73-77, ОЙИШ.

81. Шебанин B.C., Богза В.Г., Кондратенко А.И. Общий случай сложного сопротивления бистального двутавра за пределом упругости.- Строительная механика корабля. Сб. научн. тр., Николаев, 1983, с. III-II6.

82. Шебанин B.C. Учет сварочных напряжений при косом изгибе в условиях ограниченных пластических деформаций, - Труды Николаевского кораблестроительного института, Николаев, 1980, вып. 162, с. 88-93.

83. Шебанин B.C., Богза В.Г., Веремеенко Н.А., Бурковский И.Д. Усовершенствование методики расчета балок с бистальной стенкой при изгибе с продольной силой за пределом упругости. -Там же, с. 106-107.

84. Шепельский М.Я. Исследование упруго-пластической работы стальных балок, усиле1шых до загружения и под нагрузкой. Автореферат канд. диссертации, Харьков, 1959.

85. Шепельский М.Я. Досл1дження пружно-пластичних проце- с1в роботи балок, посилювшших симетрично I несиметрично пТд навантаженням. - Труды Харьковского горного института, Харьков, сб. Ш 8, 1958, с. III-I55.

86. Шепельский М.Я, Досл1дження роботи несиметрично поси- лених згинаючих двотаврових балок за границею пружностХ. -- Пауков! прац! ХарькХвського 1нституту 1нженер1в комунального будХвництва, збХрник № 8, Ки1в, с. 49-78, 1958.

87. Щербина П.И. Определение прогибов в стальных балках при подвижных нагрузках в области малых пластических деформаций. - Известия вузов. Строительство и архитектура, 1978, W 4, с. 14-19.