автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Закономерности усталостных повреждений и разработка метода расчетной оценки долговечности подкрановых путей производственных зданий

Введение

1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования.

1.1 Конструктивная форма и напряженное состояние подкрановых балок.

1.1.1. Клепаные подкрановые балки.

1.1.2. Сварные подкрановые балки.

1.2. Анализ методов оценки усталостной прочности конструкций, воспринимающих подвижные нагрузки

1.3. Выводы по главе

1.4. Цель и задачи исследования.

2. Крановые рельсы подкрановых путей-конструктивная форма, повреждения, материал

2.1. Анализ конструктивной формы крановых рельсов

2.2. Анализ повреждений крановых рельсов, возникающих в процессе эксплуатации.

2.3. Химический состав, структура и механические свойства сталей крановых рельсов

2.4. Исследование закономерностей износа крановых рельсов в условиях эксплуатации

2.4.1. Методика исследования

2.4.2. Исследование износа крановых рельсов

2.5. Выводы по главе

3. Напряженно-деформированное состояние крановых рельсов

3.1. Напряженно-деформированное состояние рельса от общего изгиба

3.2. Напряженно-деформированное состояние рельса при стесненном кручении

3.3. Местное напряженное состояние кранового рельса

3.4. Контактные напряжения в головке рельса

3.5. Напряженное состояние крановых рельсов

3.6. Выводы по главе

4. Работа рельсовой нити и подкрановых балок в зоне стыка рельса

4.1. Анализ конструктивных решений стыков крановых рельсов, их работы и повреждений

4. 2 Сварные стыки.

4.3. Исследование напряженного состояния крановых рельсов и стенки балок в зоне стыка рельса

4. 4. Выводы по главе

5. Повышение долговечности элементов подкрановых путей производственных зданий

5.1. Способы регулирования местного напряженного состояния верхней зоны стенки подкрановых балок

5.2. Напряженное состояние стенки сварной балки при использовании низкомодульных прокладок

5.3. Исследование влияния низкомодульных прокладок на напряженно-деформированное состояние рельсов

5.4. Повышение износоустойчивости крановых рельсов

5. 5. Выбор рациональной формы крановых рельсов

5.6. Выводы по главе

6. Расчетная оценка долговечности сварных подкрановых балок

6.1. Анализ влияния конструктивно-технологических факторов на долговечность сварных подкрановых балок

6.2. Исследование фактического напряженного состояния стенки сварных подкрановых балок

6.3 Расчетное определение усталостной долговечности сварных подкрановых балок

6.4. Алгоритм расчета усталостной долговечности сварных подкрановых балок

6. 5 Выводы по главе.

В общей массе несущих конструкций одноэтажных промышленных зданий конструкции подкрановых путей занимают от 20 до 30 % в зависимости от технологического назначения цеха. В производственных зданиях с мостовыми кранами тяжелого режима работы подкрановые конструкции являются наиболее часто повреждаемыми. В первую очередь к ним относятся крановые рельсы и сварные подкрановые балки, срок службы которых значительно меньше других несущих элементов каркаса.

Решением проблемы долговечности сварных подкрановых балок занимались многие научные коллективы, среди которых необходимо назвать МГСУ (МИСИ им. Куйбышева), ЦННИИПроекстальконструкция им. Н.П.Мельникова, ЦНИИСК им. Кучеренко, ИЭС им. Е.О.Патона, Пензен-.зенский инженерно-строительный институт.

Большой вклад в решение проблемы внесли Е.И.Беленя [6,6а,71, К. К. Муханов [6,6а], А. И. Кикин [6, 6а, 57, 58], А. В. Васильев [6,6а, 57], Ю. И. Кудишин [70,71], В.И.Балдин [4], В. М. Горпинченко [4,23], Н.С.Москалев [4,81], В.П.Федосеев [4,142], Г.А.Шапиро [152,153], К.К.Нежданов [82,83,84].

Решением проблемы сварных подкрановых балок занимались также другие ученые, среди которых можно отметить В. В. Бирюлева, И."И. Крылова, В. И. Труфякова, В. И. Дворецкого, Б. Н. Кощутина, Ю. С.Кунина, Е.А. Митюгова, К.А.Шишова и др.

С середины 50-х годов в подкрановых путях цехов с тяжелым режимом работы мостовых кранов применялись как клепаные так и сварные подкрановые балки, что давало возможность сравнивать их эксплуатационные качества. Оказалось, что клепаные балки обладают более высокой усталостной долговечностью чем сварные. Причиной этого является, на наш взгляд, конструктивные особенности организации поясных соединений в балках.

Во-первых, поясные соединения клепаных балок благодаря дискретным связям, обладают некоторой податливостью, способствующей приспособляемости конструкции к внешним воздействиям. Во-вторйх, многоэлементность поясного соединения позволяет регулировать уровень напряжений в поясных заклепках за счет устройства ламелей или дополнительных поясов.

При эксплуатации поясные заклепочные соединения подкрановых балок проходят несколько стадий работы под нагрузкой. В начальный период работы за счет сжатия склепанного пакета, вызванного осты5 ванием заклепок, нагрузка с пояса на стенку передается через силы трения. Далее происходит совместная работа сил трения и стержня заклепок на срез. И только при длительной эксплуатации, когда появляются признаки ослабления заклепок, передача давления происходит через стержень заклепки на кромки отверстий, в результате чего появляются усталостные трещины. Таким . образом, многостадий-ность работы поясных соединений в клепаных подкрановых балках и их многоэлементность обеспечивает высокую долговечность балок.

В сварных подкрановых балках податливость поясных соединений отсутствует, в результате чего увеличивается жесткость подкранового пути. Исчезает также многоэлементность верхней зоны и единственным регулятором местного напряженного состояния стенки балки и поясного шва является крановый рельс, работа и напряженное состояние которого в системе "колесо-рельс-балка" не исследована.

Изменение податливости упругого основания приводит к изменению напряженного состояния не только конструкций, опирающихся на это основание (пояс балки и крановый рельс), но и самого основания. Об этом свидетельствует опыт внедрения железобетонных шпал на магистральных железнодорожных путях* вместо деревянных.

Так как железобетонные шпалы в 2-3 раза повышают жесткость основания пути по сравнению с деревянными, то это привело к значительному повышению количества разрушений рельсов. После проведенных исследований было рекомендовано между железобетонной шпалой и подрельсовой подкладкой укладывать резино-кордовую прокладку. Это позволило приблизить упругие характеристики верхнего строения железнодорожного пути на железобетонных шпалах к упругим характеристикам пути на деревянных шпалах и, таким образом, снизить количество разрушений рельсов.

По аналогии с этим случаем можно утверждать, что переход от клепаных подкрановых балок, обладающих податливыми поясными соединениями, к сварным балкам, без соответствующей компенсации податливости упругого основания, привело к массовым усталостным разрушениям в балках. Неблагоприятное влияние на усталостную долговечность сварных подкрановых балок оказывают также неизбежные дефекты сварных швов и остаточные сварочные напряжения. Железнодорожный путь на железобетонных шпалах./ А.Ф.Золо-тарский, А.А.Балашов и др.; под ред. А. Ф. Золотарского. М.: Транспорт, 1967,- 336 с. 6

Актуальность работы

Тема диссертации связана с выполнением отраслевой научно-технической программы 055.01.121. Госстроя СССР "Разработать и внедрить прогрессивные способы строительного обеспечения реконструкции и технического перевооружения промышленных предприятий. ." (1982-1990 гг.), этапа 01.01.02.СД9а1 "Реконструкция металлических конструкций промышленных зданий", а так же гранта по направлению 1.08 фундаментальных проблем в области архитектуры и строительных наук (1994-1996 гг.).

Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения надежности подкрановых конструкций производственных зданий с мостовыми кранами тяжелого режима работы (группы режима 7К и 8К) и направлена на решение конкретных научных и производственных задач в области надежности эксплуатации металлических конструкций и прогнозирования их ресурса.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является комплексное исследование системы "колесо-рельс-подкрановая балка" в производственных зданиях тяжелого режима работы, разработка научно обоснованных технических решений, направленных на повышение долговечности элементов подкранового пути, и метода расчета усталостного ресурса сварных подкрановых балок. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследована действительная нагруженность и напряженное состояние элементов подкрановых путей для кранов режимов работы 7К и 8К:

1.1 крановых рельсов;

1.2 сварных подкрановых балок.

2. Выполнен анализ конструктивной формы крановых рельсов, исследованы закономерности его износа в условиях эксплуатации и влияние на эксплуатационные свойства.

3. Исследовано напряженно-деформированное состояние крановых рельсов как элемента системы "колесон-рельс-балка":

3.1. напряженное состояние при общем изгибе и кручении;

3.2. местное напряженное состояние. 7

4. Исследованы конструктивно-технологические факторы, определяющие усталостную долговечность сварных подкрановых балок.

5. Разработаны конструктивные меры по повышению долговечности элементов подкранового пути.

6. Разработан метод расчета усталостной долговечности сварных подкрановых балок с учетом возможных неблагоприятных факторов

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы заключена в следующих результатах:

- в разработанной методике аналитической оценки усталостной долговечности сварных подкрановых балок с учетом неблагоприятных конструктивно-технологических факторов (концентрация напряжений, остаточные сварочные напряжения);

- в получении блоков нагружения верхней зоны стенки сварных подкрановых балок, используемых для расчетной оценки их усталостной долговечности;

- в выявленных закономерностях износа и НДС крановых рельсов при взаимодействии с колесами мостовых кранов и обосновании ресурса рельсов по износу;

- в разработанных методах управления НДС верхней зоны подкрановых балок и крановых рельсов при помощи подрельсовых низкомодульных прокладок, способствующих повышению долговечности сварных подкрановых балок и крановых рельсов;

Новизна конструктивного решения кранового рельса подтверждается патентом РФ.

Реализация работы

Результаты исследований включены в следующие отраслевые и федеральные нормативные документы:

- Каталог дефектов и повреждений крановых рельсов. Нормативы износа крановых рельсов. Минчермет СССР, Магнитогорск, 1984.

- ОРД 00 ООО 89. Техническая эксплуатация стальных конструкций производственных зданий. Минчермет СССР, М.: 1989.

- Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП 11-23.-81 *). М. : Стройиздат, 1989. 8

- ЭРЛг£2-02-99. Руководство по оценке технического состояния стальных подкрановых балок. ЦНИИПСК им. Н.П.Мельникова, М.: 2000.

Апробация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзном семинаре "Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий". Макеевка, 1986 г.

- VI Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений". Новополоцк, 1986 г.

- Всесоюзном научно-техническом совещании "Экспериментальные исследования и испытания строительных металлоконструкций ЭИИСМ-87" Львов, 1987 г.

- Международной конференции "Сварные конструкции". Киев, ИЭС им. Е.О.Патона, 1991 г.

- Всесоюзной научно-технической конференции "Испытания строительных металлических конструкций в условиях действующих предприятий". Магнитогорск, 1991 г.

- Заседании членов Ассоциации кафедр металлических конструкций (АКМЕК), Липецк, 1994 г.

- Научно-техническом симпозиуме по металлическим конструкциям, посвященном памяти чл.-корр. АН СССР Н.С. Стрелецкого, М.: МГСУ, 1995 г.

- Международной конференции "Металлостроительство-96". Макеевка-Донецк, 1996 г.

- Международной научно-технической конференции "Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных и пластмассовых конструкций" Самара, 1996 г.

- Четвертых Уральских Академических чтениях. Екатеринбург-Челябинск, 1998 г.

- Международной конференции "Строительные конструкции XXI века", М, : МГСУ, 2000.

- Научно-технических конференциях Челябинского государственного технического университета (1980-1998 гг.) 9

Публикации

Основное содержание работы изложено в 35 печатных работах, опубликованных в научных журналах и сборниках. По материалам диссертации получен Патент на изобретение "Крановый рельс"

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы (174 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 388 страниц, включая 162 иллюстрации и 47 таблиц. В приложение вынесены официальные акты от предприятий, на которых проводились экспериментальные исследования, отзывы организаций на проекты нормативных документов, а также пример расчета усталостной долговечности сварной подкрановой балки по разработанной методике.

6.5. Выводы по главе

1. Исследовано распределение остаточных сварочных напряжений в поясных швах балок. Экспериментально доказано, что начальная величина первого главного напряжения б1осх близка пределу текучести стали, а отношение б2осх/б1осх изменяется в пределах 0,2.0,27. Главные остаточные напряжение б1осх действуют на площадках, расположенных под углом 23. 25° к продольной оси поясного шва.

2. Изучено взаимодействие остаточных сварочных напряжений в поясных швах с напряжениями от внешней нагрузки в балках при поперечном изгибе. Эксперимент показал, что в балках остается поле растягивающих остаточных напряжений даже после приложения внешних напряжений, близких по величине к пределу текучести стали. Однако механизм взаимодействия внешних и остаточных напряжений справедлив для пролетной части, где велики общие изгибные напряжения. В приопорных участках разрезных балок этот механизм не действует и уровень остаточных напряжений близок к первоначальному значению.

3. Влияние радиуса перехода стенки к полке и ребер жесткости на распределение местных напряжений в стенке исследовалось на фотоупругих моделях. Эксперимент позволил получить картину распределения напряжений в опасных сечениях подкрановых балок. Напряженное состояние поясного шва зависит от его катета и эксцентриситета приложения внешней нагрузки. Наиболее нагруженными являются швы с катетом 6 мм и эксцентриситетах 10.15 мм - касательные напряжения в 2.4 раза выше, чем в зоне стенки, подкрепленной ребром жесткости.

4. Исследованы геометрические параметры подрезов в поясных швах и вычислены соответствующие теоретические коэффициенты концентрации напряжений. Глубина подреза изменяется от 0,10 до 0,76 мм при среднем значении 0, 33 мм. Радиус у вершины подреза гп изменяется от 0,12 до 2,7 мм при среднем значении 1,18 мм. При данных геометрических размерах подрезов значения коэффициента концентрации напряжений изменяются в пределах аб = 1,46. .3,89.

5. Усталостные испытания сварных образцов с дефектами (подрез) показали, что для сварных подкрановых балок допустимая глубина подреза не должна превышать 3 % от толщины стенки.

6. Исследования образцов таврового сечения с непроваром, вырезанных из сварной балки, показали, что радиус в устье дефектов изменяется от 0,02 до 0,6 мм, а ширина несплавления может составлять 35-40 % толщины стенки.

7. Экспериментальные исследования фактического напряженного состояния стенки сварной подкрановой балки позволили получить информацию о распределении главных напряжений в зоне верхнего поясного шва и углы наклона главных площадок. Статистическая обработка результатов эксперимента показала, что случайные величины деформаций стенки балки ех, еу, е45, а следовательно и главные напряжения, подчиняются нормальному закону распределения. Фактическая нагруженность верхней зоны стенки сварной подкрановой балки является случайным стационарным эргодическим процессом.

8. Экспериментально выявлено, что диапазон изменения углов наклона главных площадок действия внешних напряжений (10°-60° при среднем значении ф=33°) перекрывает углы наклона главных площадок действия остаточных растягивающих напряжений (23°-25°). Поэтому происходит их взаимодействие, описываемое IV теорией прочности.

9. Эксперимент в действующем цехе показал, что изменение главных напряжений 6i и б2 в стенке балки характеризуются отнуле-вым циклом сжатия.

10. В связи с тем, что в верхней зоне стенки подкрановых балок изменение напряжений носит случайный характер, основной оценочной характеристикой при расчете на усталость является не предел выносливости, а усталостная долговечность.

И. В основу разработанной методики расчета усталостной долговечности сварных подкрановых балок положена корректированная линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений, предложенная В.П. Когаевым, и методика H.A. Клыкова по расчетному определению предельной амплитуды первого главного напряжения с учетом неблагоприятных факторов при плоском напряженном состоянии конструкции. Для практической реализации методики определены статистические характеристики случайного процесса нагруженности балки.

12. На основании экспериментальных данных о фактической нагруженности стенки подкрановой балки сформирован условный блок на-гружения в относительных напряжениях 6lal/6lfTe0p и частотных характеристиках составляющих ступеней, который может быть использо

359 ван в расчетах долговечности подкрановых балок под 4-х колесные рельс мостовые краны, ходя зулы ции i 7. Основные выводы и рекомендации стве!

Усталостная прочность верхней зоны сварных подкрановых балок фику определяется уровнем местных напряжений, величина которых зависит ochoj от геометрических характеристик крановых рельсов и их изменчивос-сов ти в процессе эксплуатации. Поэтому результаты выполненных иссле-резу, дований позволили сформулировать следующие выводы и рекомендации, рель 1. Развитие конструктивной формы отечественных специальных для крановых рельсов определялось эволюцией конструктивной формы под-кран крановых балок и видом поясных соединений в них.

2. Для выявления повреждений крановых рельсов проведены об-рель следования почти 17000 метров подкрановых путей десяти цехов тя-гули желого режима работы и двенадцати открытых крановых эстакад. На ки п основе обобщения полученных материалов составлен " Каталог дефек-пода тов и повреждений крановых рельсов и подкрановых путей", который вых принят в системе Минчермета в качестве нормативного документа, ти, з. Впервые исследованы закономерности и скорость износа гокраь ловки крановых рельсов в условиях эксплуатации при жестком и упруго-податливом опирании рельса на пояс балки. В системе "рельс-аз, i -колесо" изучена изменчивость механических свойств поверхностных менг слоев головки рельса и обода колеса в процессе взаимодействия, а тол! также характер износа. но ] 4. Специальные крановые рельсы не отвечают современным услосом виям эксплуатации по износоустойчивости и не имеет запасов по нормируемым механическим свойствам. В связи с этим разработаны, низ: впервые в отечественной практике прокатаны и исследованы крановые бот рельсы из легированной ванадием стали. Применение рельсов из ле-исп тированной стали в тяжелых условиях работы позволяет повысить их Пос износоустойчивость в 2 раза и увеличить срок службы в 3.4 раза. II- 5. Комплексные теоретические и экспериментальные исследование напряженно-деформированного состояния крановых рельсов в за-лок висимости от характера опирания на пояс балки ("жесткое" или уп-тис руго-податливое) и величины износа позволило впервые разработать чаЕ Нормативы износа крановых рельсов, утвержденные ВНИИПТМАШ в ка-ся честве нормативного документа.

362

1. Амелин C.B. К вопросу о профиле рельсов. В кн:Исследование контактной прочности рельсов и колес подвижного состава. Сб. трудов ЛИИЖТ, вып. 210. Л.: 1963.- С. 3.13.

2. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины,- М.: Высшая школа, 1979. 557 с.

3. Апалько Л.Л. Напряженное состояние стенок сварных подкрановых балок.-//Бюллетень технической информации. Гипролеспром. 1957, N 8.

4. Балдин В.А., Москалев Н.С., Федосеев В.П. Расчет подкрановых балок. // Повышение надежности и долговечности стальных подкрановых балок. Краткие тезисы к научно-техническому семинару. М. : 1973,- С. 14. . .32.

5. Барабошин В.Ф., Ананьев Н.И. Повышение стабильности пути в зоне рельсового стыка.- М.: Транспорт, 1978.

6. Беленя Е.И. ,Рывкин Э.А. Экспериментальное исследование местных напряжений в стенках сварных подкрановых балок. // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1974, N 4,- С. 7.12.

7. Бельчук Г. А., Гатовский K.M., Кох Б. А. Сварка судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1980. 446 с.

8. Беляев H.M. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1962. 608 с.

9. Беляев Н.М. Вычисление наибольших напряжений при сжатии соприкасающихся тел, Сб. трудов ЛИИПС, вып. 102, Л.: 1929.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.

11. Биргер И.А. Остаточные напряжения.- М.:Машгиз, 1963.- 232 с.

12. Броуде Б.М. Распределение сосредоточенного давления в металлических балках. М.: Стройиздат, 1950. - 84 с.14.