автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Жесткость и прочность рамных фланцевых соединений

Цэнтрадьный Ордена Трудового Кратного Знеизии научно- ксследовательскиА и проектиыА институт строительных иеталлокоиструкцкй им. Н. П. Мельтеша ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКС^СТРУКЦКЯ км.ЮЫШКШЛ

На правах рушпмоа

ЗАВОЛОТНЫХ дотай КВАНОИП

УЛХ.О£4.078.40

иесткость м прочность ршш шиита ооданмя

Специальности 06.23.01 "Строят« хъ вы» покструкцкя вялим я сооружения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мосюа 19вЗ г.

Работа выполнена в Государственном Нлучпо- исследовательском и проектном институте по технологии моитаяв сталь них и ввлеао&е тон гад строительны* конструкций НйПИ "Лрсжяталькоиотрукция".

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старая* научный сотрудник в.в.кдлрпов

Официальные оппонента - доктор технических паук.

профессор Я.И.Оиаков; - кандидат технических паук, старею* научный сотрудник В.Ф.Беляев

Вэдувее предприятие - ВНИКТИСталь конструкция

Эааегта состоятся УУ^^^^АаАпсъ г. в на иг

оеданки Спвциализировалного Совета Д 000 12.01 по яшяп диооер-тсцпй на соискание ученой степени доктора технических вауп пра Центральной научно-исследовательском и проектном институт« строя-тельных металлоконструкций шеям Н.П.Ыельиююва. Адрео: 117Э93, Москва, В-303, у л. архитектора Власова, 49, ЩШЯ Проектстальноис-трукцня ш.Ыедь никота.

С диссертацией моино озяакоьоггься в библиотеке института. - :

Просим Вас принять участке в вааяте в направить Ваа от па аа автореферат в двух акэемшшрм в секретариат Совета по ук&зодюму адресу.

- Автореферат рпьослия ' v" - ■ ' ••' ■■' "' ■■.•■•-:

УЧешй склфотарь

СЯецвалиаярованяого оомта, л

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тет._За последние годя сбъпм изготовления и

»штата строитехьких инструкций в России по-прежнему остается весьма значительна - до 3.6 млн. тонн п год, что сопоставимо о шаяогичными объемами ведущих зарубежных стран, шслючая США. Удорожание всех видов природных ресурсов, производимой энергии, сто-и.'.ости труда, ¡¡гряду с большим обгомом применения стали, требует гскать пути сшиеннл мзтачлоэисости стальных каркасов оданий, грудоекюстн их изготовления и ыонтйда.

Одним ив основши направлений рсиення этой вякней народ-ю-хоэяйственной ардпчи является совершенствование методов расчета стадии;; г-аргагсов одно- н мнсгозтаг..чих зданий и, в Частности, пзт влияния реального поведения соединений на распределение тутренних силовых факторов между элементами стального кгркаоа. Грздицконно, при расчете каркасов, соединения их злеиентоз расо-датриваэтея либо жестко аадечазкиуо, либо кек гшрнирнне. Од-¡шео все соединения имеют вполне определенную изгкбнуп яесткость, трочность !! декоративность, которые являзтея их вачнейлиш ха-з^эт^ристиками. Одновременный у:е? этих характеристик дает аоа-¿олпость ей счет изменения конструкций или типа соединений коит-зогировать п распределять внутренние усилия ыелду соединяем««! шоыентами каркаса таким образа*, чтсЗы конструкция п целом Сита зпсссЯна аоспришшать уачсикаануз нагрузку при минимальной г.е-галлсс-мчссти и трудоемкости ее изготовления и ионтада.

Согласно расчетам, выполненным в Великобритании саэ и 19СО ■оду, учет изгпбной жесткости соединений конструкций позволяет хжратнть кассу гЗонструкций шюгозткишх вдаккй до ¡2031. В настоящее время над реализацией этой идеи как п напей стране, тгп и са зубелом работает иногсчиаленнкэ научно-исследовательские спгшш-!гш;'и. Только за последние Годи ¡этому вопросу посвящен целин ряд ¡задуягродккх нгучно-технически конференций: а Токио (Япония, 1036 г.), в Кгпгшэ (Франция, 1537 г.), в Хельсинки (Фгпияпдия, 1Р23 г.), в Москзэ (Россия, 1С30 г.), а Канвос-Сити (США, 1090 '.), о Пкттсбг?ге (СЕД, 1231 г.), з Сгр;,сЗурге (Ор&нцкя, 1992

В настоящее рр^а в стагыгл иякструюрлх одно- и нногоота?.-ш БдгниЛ, объем ютсря состатляег пэ моиао 60Х от' оОг»го сЗъ-?на стальных строительных (ссчструкцяй, ¡¡ркуэппют, гдатаыч обра-

вом, болтовые соедине1|ия, среди которых наиболее эффективными является фланцевые. Это обусловлено их следующими достоинствами: минимальное количество болтов ва очет почти полного и прямого использования их несущей способности, отсутствие операций по подготовке поверхностей соединяемых элементов на монтаже. По оценкам специалистов только производственные организации концерна "Сталь-конструкция" изготавливают и монтируют до 400 тыс. тонн стальных конструкций с применением фланцевых соединений.

Однако до настоящего времени при проектировании рамных фланцевых соединений последние неоправдано относят, главным образом, к жестко ващемленным и конструктивные формы фланцевых соединений вадают исходя только из требований прочности, игнорируя при атом влияние жесткости соединения, включая ответную часть колонны, на распределение внутренних силовых факторов между соединяемыми элементами. Вместе с тем иаЕестные экспериментальные исследования показывают, что фланцевые соединения относятся к типичным "полужестким", причем существенное влияние на жесткость соединения оказывает ответная часть колонны, конструктивные решения которой могут быть самыми разнообразными. Вследствие этого принимаемые в настоящее время расчетные схемы стальных каркасов вданий неадекватно отражают действительное распределение усилий между соединяемыми элементами, что привадит к неоправданному перерасходу стали, нерациональным конструктивным решениям фланцевых соединений я ответной части колонн и, следовательно, повышению трудоемкости и стоимости монтажа этих конструкций.

Поэтому необходимость разработки методов расчета нагибной жесткости и прочности фланцевых соединений о учетом ответной части колонн и соответствующего выбора сочетаний этих характеристик о целью регулирования и наиболее целесообразного распределения внутренних силовых факторов между соединяемыми элементами ( балка + колонна ) - очевидна. В атом заключается актуальность темы диссертационной работы.

Работа выполнена во ВНЙПИПромстальконструкция в рамках научно-технической программы' Минмонтажспецстроя СССР и Минстроя России "Разработать принципиально новые методы расчета стальных каркасов одно- и многоэтажных зданий на основе учета реальных деформационных и прочностных характеристик монтажных соединений, включая создание единого банка программ с соответствующим математическим обеспечением", руководитель которой кандидат технических

- Б -

наук А.В.Павлов является научным консультантом работа.

Цель диссертационной работы - исследование деформативности, ивгибной жесткости и прочности рамных фланцевых соединений и разработка инженерной методики построения зависимостей "момент -угол поворота", являющихся комплексной характеристикой поведения соединений и оценка влияния действительного поведения СС на распределение внутренних усилий в балочных конструкциях.

Научная новизна работы состоит в созданном на основе экспериментально-теоретических исследований расчетном алгоритма для построения аналитических зависимостей "момент - угол поворота" изгибаемых фланцевых соединений, включ а! методики расчета начальной жесткости соединений и предельного изгибающего момента, воспринимаемого соединениями различных конструктивных форм.

При этом на защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований: опытные зависимости "момент - угол поворота" рамных ФС и эпюры.распределения относительных деформаций по участкам стенки ответной части колонны;

- разработанная методика расчета начальной жесткости и предельного изгибающего момента, воспринимаемого всеми составляющими элементами рамного ФС: болтами, фланцем, участком стенки колонны в растянутых и сжатых частях соединения, участком стенки колонны, воспринимающем усилия сдвига;

- разработанный расчетный алгоритм для построения диаграмм "момент - угол поворота" рамных ФС;

- результаты теоретических исследований: установленные вна-чения начальной жесткости и предельного изгибающего момента, воспринимаемого ФС различных конструктивных форм и их диаграммы "момент - угол поворота".

- результаты теоретических исследований влияния реального поведения ФС на распределение внутренних усилий в балочных конструкциях.

Практическую ценность работы составляет методика расчета балочных конструкций о учетом действительного доведения ФС любой конструктивной формы и подбора эффективных соединений, которые позволяют проектировать конструкции, воспринимающие максимальные нагрувки при минимальной металлоемкости. Методика реализована в программе "Фланец" для персонального компьютера.

Результат работы использованы в следующих материалах:

- G -

- • Рекомендации но эксплуатацию (¡¡лтцепих соединений металле конструкций Чуяьыанстон ГРЭС (республика Сача - Якутия);

- Альбом типовых рабочих чертежей "Бодтониа ргмпие соедлнс пия колонн со стролильни:;и балками продюте.ш от 6 до 12 м ад стальных каркасов здак.ш и сооружений различного назначения" (Разрабатывается ШШОТромстаяъ конструкция 2 1933 г. в соот ветствии с Перечнем проектно-изыс»штедьс;ак работ Госстроя Россп па 1993 г. /радиол 4.2/).

Апробация работы. Qseobhuo положения диссертационной р^Лгл докладииаднел на ваучко-тюшической ¡сопфсрскщи ьшод?э: следя листов и учета ЩСШроектстаяьшкггрукцви ' им.Кйгьиакозе г.Свердловске (16DO г.), научао-техиичесзаг» ссзетш; 'û'ZZLX ронсталь конструкции: (190Э г., 1991г., 1032 г.), иа секций г конструкция» сдана! ЦШШрсгггтстадьконотрукцнл Еа.йгльшйкк, (1993 Г.).

ЙУй^ЗШП. Ш ¡ОЯСРХЗХГЛ! ДЖВСрЗСфШ ШуСзЯКизШ) 3 г.04^1 работы.

С?¡давд>а î'i few Г---*''Д^ссрта^ cos%os3 сз css^iX" четырех раздало®, е^ж^лт1, ¿вдереэд*; к РкЗоз

содержит 122 отражав tsiîctb, S9 рксунказ, ît *аС

бкблъогра&ьэ кз- 13 î еейнгрэгаззг.

CCftiRuA^iZ PAEOTU

Во введзюга иалог.акз цель диссертационной работы, ди обоснование ее актуаяъвэсте, отмечена научн&ч новизна, а тас основные полздеккэ, вг.иэсекнш на оаашту.

Первый раадзд посвящен обосновании оедач диссертационной р; боти ва основе анализа ивсестних результатов исследований к msti дов расчета несткости и пучности рампах SC.

Дли описания поведения соединения принято пользоваться saai симостыо между ыомеятоы, воспринимаемым соединением (М), и угл( попорота соединения (« ). Зависимость M - й является комплекс» характеристикой, лозвшягацой оценить все основные свойства соед нений: иогибиу» гсесткость, прочность и деформативнооть. '

Оценку- величин опорных моментов и углов поворота балки опр деленного пролета и марки стали с соединением конкретной кон труктлвной форми, для которого известна зависимость "М- « удобно осуществлять с помогут та1", называемой балочной линии по тол иного уровня максимальных напряжений (рис.1).

Балочная линия характеризует поведение балки, степень вещем-»£и;'Л которой на концах и прилаженная нагрузка меняются Tsisni об-эазсм, чтобы в опорных или пролетной сечениях Салки имели место |!БП:б£зсде моменты М - Ry W . При изгибающих моментах такой величины в крайних фибрах этих сечений балки раввивсатоп напрядення текучести.

Балочная линия является характеристикой собственно балки и зырапазт соотношение ьгалду опорный ?ис;.;емтсм и поворотом ганца Залки , которое зависит от геометричегасих и механических периметров профиля бал1С1 , переменной нагрузки и степени огщеыленил баночных концов.

Эта линия соотоит из двух участков. Участок RQ соответствует цнапавоку аесткостей вацемлений балочных концов, при которой первач те]сучесть восинк&эт в пролетном сечепки балки. Горизонтальный участок балочной линии PQ соответствует степеням защемлений балочных концов, при которых пэрвгч текучесть возникает на опорах. Эптимальным задгцлвнием является такса (t.Q), при котором опорный и пролетные величины уо^энтоз разки, а нагрузка, воспринимаемая Залкой, максимальна. Поскольку при работе балочной конструкции происходит совместный поворота соединения и балочного юнца, то координаты точки пересеченна кригой "!.!-«",о балочной линией есть величины момента и угла поворота на операх. Координаты крайних точек динци, располсхенние на осях абсцисо и ординат вычисляются соответственно по фср:*/лаи.* с« - 2RyL/3Qi и My - RyW. Где: Г?у -расчетное сопротивление стали, W - кюмент сопротивления сечения балки, L - п pan от балки, Е - модуль упругости, Н - высота балочного про!шя.

Построение ваточной линии, соответствующей постоянному уровню «аксиальных напряжений в валка при игмзипЕщдася нагрузках, п зависимости от степени ващемхения опорных концов балки даат воо-исдиосгь оценить ¡эффективность ооедкненил в балочной конструкции.

Критерием эффективности соединения исоет являться так навиваемая приведенная нагрузка qvl - отношение пагрувки, воспргшегг-ei'oA балкой с соединонилга о га диагра^ям'» ". М- ч " к нагрузке, воспринимаемой Оаючией конструкцией такого .же пролета и ¡¿ррки стали, но с иарнирни:!! соэлинснг^нп. Дгя г-лрнир::о опертой бал.'м qu - 1, для ".естко заделанной - qu - 1,G, шагакалъко scnacraisoo значение qu - 2 имеет С.ипс, о соединением, ксигел "М - с; " которой проходит через точку Q балочной линии (рис.1).

Таким образом, построение балочных линий балок определенных пролетов, диаграмм "М -а" (КЗ различных конструктивных форм дает возможность подбирать наиболее эффективные соединения балочных конструкций с минимальной металлоемкостью И тому же такая балочная конструкция воспринимает максимальную нагрузку за очет более . равномерного распределения внутренних усилий в ней. '

Построение балочных линий не представляет особых трудностей. Ключевой задачей для расчета конструкций с учетом действительного поведения соединений является умение определять зависимость "М - а".

Исследованиями поведения рамных фланцевых соединений занимались Бирюдев В.В., Каленов В.В., Мухортов Н.П., Ольков Я.И., Павлов A.B., Ренский A.B.; Виттевнн И., Зоетемейер П, Катр В., Криш-намуртиН., Манн А. , МоррнсИ., Мельчерс Р., Незеркотт П., Чей В., Чеммернегг Ф., и другие.

Ио анализа цабот, посвященных исследованиям нагибаемых фланцевых соединений, попыткам решения задачи получения диаграмм "М-а" следует выделить три повода: чисто экспериментальный, ио-польсование 2-х- и 3-хмерных конечноэлементных математических (моделей и применение математических зависимостей, коэффициенты которых могут иметь конкретное фивическое содержание (экспериментально-теоретический) . Основным^ недостатками первых двух подходов являются - в первом случае - невозможность охватить все многообразие конструктивных форм ®С или - во втором случае - неудобства для испольвования в инженерных расчетах. Среди работ, в которых предложен третий подход, следует выделить формулу, предложенную Ченом В. и Киши А.

М - К*сг / (1.+ <1 + (Кий/Ми)")1'" ; (1)

где К - начальная жесткость;

Ми - предельный изгибающий момент, воспринимаемый соедииени-.. ем;

п - коэффициент формы кривой.

Формула имеет ряд преимуществ по сравнению с другими: она проста, имеется возможность прямого выражения всех параметров одного черев другой, что немаловажно для практических инженерных . расчетов рам, параметры ее имеют четкий физический смысл, а пото- • ыу пути для нахождения их достаточно очевидны. Если воспользоваться предложенным подходом, то проблема получения диаграммы "М-~ti" сводится к разработке методик определения параметров диаграмм:

коэффициента формы кривой (п), начальной кесткости соединения (К) и максимального изгибающего комента, воспринимаемого соединенней (Мц) .

Определение коэффициента формы кривой ма-ет быть выполнено только путем сопоставления аналитической зависимости (1) о экспериментальными диаграммами.

Анализ многочисленных работ показывает, что имеются два подхода для расчета К н Ми: использование конечнозлеыентных моделей при рассмотрении соединения целиком; условное разбиение СС на отдельные конструктивные элеыенты, упрощение расчетных схем элементов расчетом их деформатквности и прочности, а затем использованием полученных результатов при расчете всего соединения в целом.

Показано что при расчете К следует выбрать первый подход, использовать программный комплекс "Флора", разработанный во ВНИ-ЬиПроьютальконструкцкя.

При расчете Ми, как показывает изучение литературы, следует в запас прочности испольвовать второй подход. Однако, ранее предложенные в работах расчетные схемы элементов являются весьма не-сЬверигенными. Так, расчет фланцев а полок колонн ведетсй либо методом предельного равновесия, ли Сю а использованием Т-образных элементов фланцевых соединений. В первом•случае принимают расчетные схемы фланцев и полок колонн, не соответствуйте принципу минимума работы внутренних сил, во втором - не рассматривают вклад в поведение СС отдельных конструктивных элементов.

Различные методики расчета прочности участков стенок колонн, воспринимающих горизонтальные растягивающие и сжимающие усилия а верхних и нижних частях соединения, имеют в своей основе ряд /федлояенных расчетных моделей (участков стенки), которые существенно различаются по размерам и требуют уточнения.

Таким образом, существующие способы расчета жесткости и Прочности этих конструктивных ,элементов имеют в своей основе Несовершенные расчетные модели. Поэтому методик расчета начальной жесткости й предельного изгибающего момента, учитывающих вклад в поведение соединений различных типов их всех- конструктивных элементов, не имеется.

В спя пи с этим не представляется возможным оценить эффективность ■соединений конкретной конструктивной формы в балочных конструкциях, р.'у.ч-читать кснструкции о учетом действительного по-г-'Л'.'нин гоелинении, имтл!.М)вать резервы несущей способности Са-

лочных .конструкций.

В соответствии с поставленной целья, на основании анализ* состояния вопроса, были сформулированы задачи настсящей рэйоты.

1. Экспериментальные исследования фланцевых соединений различных конструктивных форы для получения их диаграмм "момент • угол поворота" и характера пяс-пределешш усилий с ригеля по стойко колонны.

2. Разработка аналитического аппарата и программ! длл psСЧ-Г--та поведения (диаграммы "М-и") фланцевых соединении к методик определения начвлькой жесткости и предельного КБГиОаищего клиента, воспринимаемого соединением.

3. Определение влияния разюткых коь*струкТ"5«ых элеыентоз соединений на их жесткость и прочность.

4. Исследование балочных констругадай с учетом реальных прочностных и деформационных характеристик соединений.

Во втором разделе иаводе.чы штодкка и результаты зкепершлой-тальних ксследсшани-й падноцйсатаЗнйх изгибаемых СО рнгеяоА с (к>-лонншн.

3,иперкме-i;taíi¡rj-э cSpasîSJ баги объединены в две серии:

- серил соедкжн;;Д кссэгла £0X1 с балкой Б5Б2 с варкацлэ? конструктивного офориаеши опорной части колонн, типов фланцев (1 н 3, рис.З) предварительного натяжения болтов (В - 0 или 24,4 тс) /УСР/; В обозначении образцов серии УФ (рис,2) наличие ¡ш отсутствие буквы "Р" обозначает иаличне или отсутствие ребрг кесткости толзданон 20 ш, первая цифра - количество болтов соединений, вторая ц>$ра - величина предварительного натяяення высокопрочных болтов (кН).

- серил соединений колонн 23К1 с балкон 40Б1 с вариацией конструктивного оформления, только опорной части колонн без предварительного натяжения болтоп И-S (Pli). В обозначении образцов се-pjui ИФ наличие или отсутствие букв Р или H обозначает наличие или отсутствие ребра жесткости и обратной накладки толпцшой 20 мм,

10 (16) - обозначают величину толщины ребра жесткости (мм).

Сланци различных конструктивных типов были выполнены из ста-£:i С345-3 толцинои 25 мм.

Отрезки колонн и балки с прнг.ароннымл к ним фланцами били соединены №?дду собой на болтах М24 из стали марки <ЮХ "Оелект" iiEvïAiaTiîveciraro исполнения "У" с временным сопротивлением разрыву не менее 1100 "Па.

Испытания соединений проводили на специальной стенде ысз-ностыо 1400 кНм. Измерение перемещений верхних и нижних полок ригелей производилось индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 ш. На стенках колонн в ряде образцов устанавливали тенворз-зисторы для измерения относительных деформаций стенки.

В результате испытаний опытных образцов Оыли получены диаг-рклгы "М-а" натурных ФС. На рко.2 приведены диаграммы обравцоэ серии УФР. Этепериментально получены величины начальных кест-костей и предельных изгнбаадих моментов, воспринимаемых опытнее! соединениями. Анализ результатов испытачий позволил сделать следующие выводы: .

1. Показано, что рашшэ ТС, традиционно рассыатриваемыв как пбоолютно йесткие; в действительности при нагрукении обладают определенной деформатнвностью: при нагру&ении соединений серии Уй(Р) различной .инструктивной форыы изгибающим монентоа 400 |«Ни их деформативность составила от 0,0008 до 0,0055 рад. При атоы, при иагрудени:« соединений нвгцбасауй! иоаентоу величиной до 0,0 -0,75 Ми их поведение шзшо считать лине Ани.«.

2. Установлено, что для соединений колонн 30К1, 30Ш2 и балок Б5Б2 и 40В1 на 643 болтах фланцах толщиной 25 км постановка болтов с.предварительные натпхениеи увеличивает иачальнуэ кесткооть соединений в 1,СЗ раза, постанозка горизонтальных ребер г-зстгаота с обратными.накладками - в 1,5 раза, проднатяление болтов и постановка ребер дестгооти о обратной накладками одновременно увеличивает начальную несткость соединений а 4.0 раза.

3. Постановка горизонтальных ребер яеоткоотн о обратным:! накладками при прочих равных условиях увеличивая? величину продельного цемента, воспринимазмого соединениями а 1,6-2,0 рала.

Сопоставление полученных данных о перемещениях азрхшм и нгаших полок ригелей при одних и тех ав виачениях пригожеиного усилия дает возысяность сделать вывод, что они «ало .отличается друг от друга на начальных этапах нагруавНия. Соотношение ыэзду величинами деформаций верхнего и килнэго пояса колеблется п пределах 0,Б5 - 0,45. При посдодусш этапа« негруиення ссотяоззшш кеняптся там, гдо п какой-либо эледентз в верхней или шешой части соединения появились ноупругио дефор*<5цни.

Образцы серии УФ(Р) доводились до раерузэнип. ПричпкоД рпз-рупення образцов являлись:

- образцов УФ)5 - раармв болтоз п верхней болтовой группе.

- образцов УФ - потеря устойчивости стенки колонны в нижней части соединения.

- образцов ИФ и ИФРН - потеря устойчивости стенки колонны в нижней части соединения и наступление визуальных чрезмерных кеуп-ругнх деформаций в его верхней части.

- образцов ИФР10(16) явились чрезмерные неупругие деформаций полок колонн.

В третьем разделе разработана теоретическая модель поведения фланцевых соединений, учитывающая вклад различных конструктивных элементов в их деформативность, жесткость и прочность:

- болтов различного диаметра, о усилие« предварительным натяжением на любую величину;

- фланцев различной толщины, о различным количеством болтов, о ребром жесткости и бее него;

- опорных частей колонн о горизонтальными и ди&гоиагышш: ребрами жесткости и обратными накладками любой толщины.

Для построения диаграммы "момент - угол поворота", олисыве»-щой поведение рамных фланцевых соединений, испольвовали формулу (1). '

Разработана методика определения начальной жесткости соединений при действии на ответную часть колонны сбалансированных к несбалансированных изгибающих моментов.

Расчет действительной начальной жесткости ®С ригелей о колоннами, лри действии на колонну сбалансированного изгибающего момента (КО, производим по программе "Флора", равработанной вс ВНИПИ Промстальконструкция, основанной на двухмерной конечноэле-ментной математической модели рамного ОС без учета работы учвоткг колонны на сдвиг. Если опорный момент не сбалансирован, то г местным деформациям растяжения-сжатия добавляются Деформации от сдвига участка стенки колонны. На основании расчетной охемь участка колонны, воспринимающего усилия сдвига методами теорго упругости было получено выражение для Кг - начальной кеоткост» участка колонны, воспринимающего сдвиговые усилия.

Это выражение имеет вид:

К2 - (Ьб - и )2*ЕА( - Ы/1аэ+

М5х/(2*(1 ♦ у)*(Ьс - 1б))), (2]

где Асж - (Вк - БкЫи*; (з;

Ар» - площадь поперечного сечения диагонального ребра жесткости колонны;

- 13 -

tps* - толщина ребра несткости колонны;

he (и) " высота профиля Салки (колонны);

ta(к) ~ толщина полки балки (колонна);

B¡f - ширина полки колонны;

S|{ - толщина стенки колонны;

Ьд - длина диагонального ребра меоткости колонны.

Выражение для вычисления начальной яесткости кривой "иомонт--угол поворота" ФС с учетом работы на сдвиг участка i солонин получило следующий вид:

К - Ki*K2 / (Ki + к2); (4)

Разработана методика расчета пределькнх ивгкйехдих hcíshtob, воспринимаемых всеми конструктивными элементами соединений и рамными фланцевыми соединениями в целой.

Предельный иагибаздий ыоиеит, воспринимаемый узлом (Ми ), определялся как минимальный изгибающий момент, который необходимо приложить к узлу, чтобы в каком-либо ого конструктивная олеиэнтв наступило предельное состояние. Соответственно ва предельные ссо-тояния для соединений Сило принято:

- достижение раврупаявдх (или расчетных) усилий в отерянях наиболее нагрунакных болтов при действии момента Mi (íJip) ¡

- образование пластического некенивмя.во фланце при действия на соединение иоыента Mj;

- образование пластического механизма в полке колонны при действии на соединение коыента Мз;

- развитие налрядений предела текучести на всем участка стенки колонны, воспринишаздем растягивающую нагрузку при налички ребер жесткости в колонне ши Сев них при дейотвии на соединение уоаента 1.Ц;

- развитие напряжений предела текучести па всей участка стоики колонки либо потеря устойчивости отенка колонки, воспринимавшей сгиааяпув кагрувку при наличии ребра яеоткооти или без него при действии на соединение момента (¿sj

- развитие налрякений предела текучести на участка стенки колонии, работаем на сдвиг, о песбазЕГскроваикш изгибшгз"! моментом при действии ишэнта !.!q.

Такиы обравш, Еелнчина предельного ьгсиепта иоаот Сыть получена по формуле:

Mu - mtn (МьМг.Мэ.Щ.Уз.Ма). (Б)

Расчет предельного ивгнб&тсего к'скнта, воспринимаемого бол-

тами фланцевого соединения был проведен по методике, равработанной во ВНШИПромстальконатрукцня.

Ивучадись типы фланцев (1-0, рис.3), принятие в соответствии о отечественными и зарубежными рекомендациями и нормативно-техническими документами, широко применяемыми в практике.

Формула для расчета предельного изгибающего момента, воспринимаемого болтами соединения о фланцем 1-го типа, выглядит следующим образом:

M - ZBp*(hg + bi) + 2Bp*(he - bi - le)*(ha/Z - bi -tfl)/

/ (ha/2 +bi), (6)

где BD - предельное усилие в болте (расчетной или разрушения)s

bi - расстояние от оси болт до полки балки.

Расчет предельного иэгкбеклцего мшонта, воспришыаеыого фланцами и полками 1юлони о учетом неравномерного распределения усилий по болтал СС, бил проведен методом предельного равновесия.

Анализ имеющихся накопленных результатов оксперкнеиталыиа исследований изгибаемых фланцев и полок 1»лони позволил разработать расчетные схемы продельного равновесия соединений ксаведуе-uux конструктивных форы. Установлены мех&чивш пластических сар-ниров фланцев и полок колонн о учетом влияния всех конструктивна элементов узла. Разработка расчетных схем бала произведена в соответствии с принципов шминума нагрузок, вызывтчнх пластический шарнир.

На основе схем расчета по стадии предельного равновесия разработана методика расчета прочности фланцев и полок колонн. Выведены формулы для определения усилий в наиболее нагруженных болтах и предельных изгибающих моментов, приложенных к соединению, необходимых для образования во фланце (либо в полке колонны) пластических шарниров о учетом различной конструктивной Форш опорной чаоти колонны и фланца.

Расчет предельного изгибающего момента, воспринишэуого участкяш стешш колонна при работе на растяжение, сжатие, сдвиг бия выполнен по формуле

Ы - F*(hd -t6). (7)

При этом, при работе участка стенки на растяжение

F - Ey*(S,t*(n-l)*W*+ 4mu + 1,25пи + Ар*); (8)'

- при работе участка стенки на сматиз

V - RyA(SK*(t6 + 5k + 21®) + Лри); (0)•

- при расчете устойчивости еххатого участна &С

F - 10760a(S){)3/(hj< - 2ÍK -r,<)*(10Ry)°'5; (10)

- при работе участка колонны на сдвиг

F - tpw»(í* " SK)*Rir*((hK - t«)z+ (he - tfi)2)0,8/(hn-tK) + + 1,04*Rvr*hK*SK/ (3) 5. (11)

В формулах (8-11):

W* - расстояние меаду болтав! по вертикали;

гк - радиус вокругления профиля »соломны; ПК - (с - 1,вгк)/2;

пк - (В,<- С)/2;

k - tK + гК;

С - рэсстолнмэ меяду болтами по горизонтали.

Было выполнено сопоставление экспериментальных и теорети-lecract зависимостей и выбрано соответствующее значение коэффици->нта фориы кривой, при котором имело место наилучшее совпадение пиграии (п - 1,8).

Для реализации алгоритмов, изложенных в данном разделе, о гчастном автора разработана программа "Фланец".

В четвертом разделе диссертации проведены теоретические исс-¡эдования балочных конструкций о учетом диаграмм "момент - угол говсрота" соединений. Выло рассмотрено действительное поведение Я СС балок 4ÓB1, БББ2 и 80Б1 нз стали С255 с колоннами 23К1, OKI и 40К1, соответственно в балочных конструкциях пролетом 6 и 2 и. По программе "Фланец" были построены балочные линии балок и [иаграмкы "М- ct " ®3 различных конструктивных форм и рассчитаны |рнведенныэ нагрузки, воспринимаемые балочными конструкциями с 1азличнши соединениями. Определено влияние различных конструктивных элементов соединений на их начальную жесткость и прочее ть. В качестве примера, иллюстрирующего несомненную выгоду рименения новых методов расчета, учитывающих действительные рочностные и деформационные свойства НС, здесь приведены исход-ые данные и результаты расчета семи соединений (табл.1-4, «с.4).

Данные соединения с фланцем типа 3 традиционно рассматривается как абсолютно жесткие соединения. Из рассмотрения данных аблиц 1,4 следует, что расчет балочных конструкций, учитывающий х действительное поведение, позволяет 'raí воспринимать нагрузки в ,1-1,25 раза больпие по сравнения с теми, на которые их рассчи-ывают, полагал соединения абсолютно жесткими. При этом, изменяя

конструктивную форму ОС, монно добиться увеличения в целом воспринимаемых балочными конструкциями нагрузок до 1,3 рааа. Это делч новый метод расчета, учитывающий действительные начальную еес! кость, прочность и дефорыативность ОС различных конструктивны: форм.

Таблица 1.

Характеристики образцов.

IN -------1......... г ,1 i Профиль|Профиль!Толщина|Толщина |Тип —1- т ■ 1 | Толщина |Уошил i

|об- балки (колонны(ребра |обратной|фланца|фланца,1натяденкя |

|раа- | |яест- |накладки| |мм |болтов, .

|ца 1 1 i | |кости | |колон-| |ны, мм i i |колонны,| \ш 1 1 Г i i 1 1 1 i |кН i ; 1 1

1 11 Б6В2 1 1 |30К1 ,|20 1 1 |1б |3 1 125 1 1244

1С |-и- |S0 110 1-"- 116 . 1244

13 |-и- |10 116 . 1-"- 125 |244 .

14 |10 г 110 1-"- 118 |244

|В )-"- |20 116 , ■ 1-"- 126 1 0 Y

|в |-и- |10 110 (-••- 116 10

17 i___ i____ 1-"-. 11 i 1» 1-"- i 1 (26 _ 10

Таблица 2.

' Значения начальных «естностей fflC.

1---Г | Номер | | образца 1 1 1 1 | Ki кН.М рад 1--: ----- 1 ке I кН.м 1 рад i К КИ.М рад

11 1 416666 | 24071Б 1Б2672

1 £ 1 317460 | 24071Б 133006

13 : л 1 383636 . | , 177Б39 : 119296 .

Г 4 | 285714 | 177Б39 , 109498

1-е | ' 162602 | 240716 87047

16 1 : I 137931 , ' | 177Б39 , 77624

1 ? 1 1 . 109280 | 114362 .............. 55884 .............

- 17 -

" таблица з.

Значения предельных нагибающих моментов, воспринимаемых ФС.

1------------1.......... Г — | Номер | | !,<2 Т" 1 Мэ -------- 1 Щ -г — 1 т 11 1 Мв -г- ■ " 1 М1Р "1-----1 1 Ми 1

|образца) | 1 1 1 | 1 § 1 | 1 1 1 1 » |

1 I • п 1 I ! кн. и |

I I 1 | 1 |779 |4252 1 12454 1 11193 1 ■ 11019 1 |545 1 11823 1 ■ 1 1779 |

| 2 |753 |1733 11555 11195 | 953 1528 11023 1753 )

| 3 ■ 1779 |4252 12Э7Б I 817 | 640 1545 Ц016 (его I

| 4 |753 |1739 |1Ё04 I 817 | 619 |628 11016 1619 |

| В |779 |4252 (2454 |1193 11019 1545 (1823 |778 |

| б |7БЗ |1739 {1604 | 817 I 619 |528 11016 1619 |

| 7 |779 |4252 1_____________4_______._ | 429 | 43? | 261 • 1645 1288 1 ¡261 | < '

Таблица 4.

Значения приведенных натрусок.

г

-г

Номер образца

Значение <зи при пролете Садки —;-,-

I - Ъ Н

1 1 1,51 ( 1,4

2 1 " 1,62 | 1,39

3 1 1,63 | 1,47

4 1 1,67 | 1,47

5 I 1,83 | 1,57

6 1 1,76 | 1,69

7 I 1,39 | 1,41

I - 12 М

Анализ результатов теоретических исследований, рассмотрение в частности конструктивных особенностей наиболее эффективных соединений балок 55Б2 с колонной 30К1 (рис.4) позволил сделать следующие выводы:

- прочность соединений (Ми - 619-640 кНм) приблизительно равна прочности балки Му - 630 кЯм;

- наиболее эффективные соединения (5,6) позволяют при пролете балки 6 м воспринимать нагрузку в 1,25 раза большую, чем та,

- IB -

что воспринимается такой же балочной конструкцией при прочих рапных условиях;

- постановка горизонтальных ребер жесткости и обратных накладок увеличивает начальную жеоткость соединений в 1,6 раза, то же с предварительным натяжением болтов - в 4 pasa;

- постановка горивонтальных ребер жесткости, как показывает расчет ОС,увеличивает прочность соединения (Ыи ) в 2,5 рава, увеличение толщины ребра в 2 раза - увеличивает Ми в 1,2 раза.

Таким образом, новая методика расчета ОС учитывает вклад всех геометрических параметров соединения.в его начальную жесткость, прочность и деформативность. В каждом конкретном случае при подборе эффективного соединения необходимо учитывать все его свойства, то есть рассчитывать его диаграмму "М- а " и сопоставлять ее с балочными линиями. Применение этой методики повволяот повысить воспринимаемые балкой нагрувки и, следовательно, онивить их металлоемкость и уменьшить трудоемкость монтажа.

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

1. На основании экспериментальных исследований натурных рамных фланцевых соединений наиболее распространенных конструктивных форм получены диаграшы "момент - угол' поворота", а также значения реальных жесткостей и предельных изгибающих моментов, воспринимаемых соединениями. Под терминал "фланцевые соединения" в данной работе было условлено считать собственно фланцевые соединения и ответную ему чаоть колонны. Экспериментально установлен характер распределения деформаций по участкам стенок колонн, воспринимающих усилия о полок балок. Подобраны аналитические зависимости для расчета размеров "аффективных вон" и предельных натрусок, воспринимаемых участками стенок колони.

2. Экспериментально установлено, что в опытных фланцевых соединениях постановка горизонтальных ребер жесткости о обратным: накладками увеличивает величины начальной жесткости в 1,4-1,6 раза, изгибающего момента, воспринимаемого соединением - в 1,6-2,0 рааа. Показано также, что постановка болтов с предварительным натяжением одновременно с ребрами жесткости увеличивает начальную жесткость соединений до 4 раа.

3. Разработаны аналитический аппарат и программа "Фланец" для расчета на персональном компьютере диаграмм "момент - угол поворота" рамных фланцевых соединений. Методика расчета учитывает

влияние на псзедение соединейий всех тонотруктивных элементов:

- болтсз различного диаметра о предварительным контролируемым или неконтролируемая» натяяенисм ;

- фланцев добой толщяш, с различит количеством болтов, с

ребрами жесткости и без них;

- ответных частей колонн различных конструктивных решений: с горизонтальны«! и диагональными ребрая» яепткпоти. обратными нак-лядкеми любой толгснм и дп.

4. На основе исследований действительной работы конструктивных элементе?. соединений, разработаны методики расчета начальной кеот)яг£Тп и предельного изгибавшего момента, воспринимаемого сое-дтегаое, У«0^;' гездойо?иия на слепну ^¿¿»^мното и~л несбалансированного изгибахщии моментов. Эти методики включе-т з программу •"Фланец".

б. Проведены чибленнйг исследования поведения балок с учетом реальных прочностных и деформационных характеристик соединений. Показало, что только оценка соединений по совокупности этих характеристик мотет слуяить критерием наиболее эффективного использования соединений в балочных конструкциях конкретных сечен;.'.1' и пролетов. Учет прочностных и деформационных свойств '1С при рациональном выборе геометрических параметров соединений позволяет за счет целенаправленного, более равномерного распределения изгибающего момента по длине балки увеличить в целом воспринимаемые балочными конструкциями нагрузки до 1,3 раза по сравнению с нагрузками, полученными из расчета их с соединениями, рассматриваемыми как яееткозацемленные.

6. Проведены численные исследования влияния различных конструктивных элементов рамных фланцевых соединений на начальную яесткость и предельный изгибающий момент,- воспринимаемый соединениями. В частности показано, что:

- для соединений балки 40Б1 и колонны 23К1 использование ребер жесткости во фланцах увеличивает начальную жесткость и прочность соединения в 1,2 и 1,1 раза соответственно;

- для соединений балок 40Б1, 55Б2 и колонн 23К1 и 30К1 увеличение толщин ((шанцев с 16 до 25 мм при одновременном увеличении толгушы обратных накладок с 10 до 16 мМ приводит к увеличению начальной жесткости и прочности в 1,4-1,6 и 1,3 раза соответственно;

- для соединения балки БЖ и колонии 30К1 постановка болтов

' с предварительным натяжением увеличивает начальную жесткость соединений в 1,7 рааа, а о одновременной постановкой ребер жеаткосп: в ответную чаоть колонны - в 4.0 рааа по сравнению о SC бег peöef иесткооти и о болтами бев предварительного натяжения;

- для соединения балки 55Б2 и колонны 30К1 постановка горизонтальных ребер жеоткости и обратных накладок в ответную чаем колонны увеличивают начальную жесткость и прочность соединений i целом в 1,6 и 2,0 рава соответственно;

- для соединений балок БББ2, 80В1 и колонн Э0К1, 40К1 увеличение ташдины горизонтальных ребер жесткости о 10 до 20 мм и обратных накладок о 10 до 16 мм приводит к увеличению, начально! жеоткооти и прочнооти соединений в целом в 1,4 - 1,6 и 1,7 раш соответственно;

, -для соединений бадок 40Б1, ББВ2 и колонн 23К1 и ЭОК1 постановка в ответную часть колонны диагональных ребер жесткости увеличивает начальную жесткость участка колонны на сдвиг в 1,7 рааа, величину предельного момента, воспринимаемого участком колоши при работе на сдвиг в 1,8 - 2,5 раза.

7. Установлено, что в наиболее эффективных рамных фданцевш соединениях балок 40Б1, Б5Б2 и колонн 23К1 и 30К1 уменьшение толщины фланцев (рассматриваемых традиционно как идеально жестки! соединения) о 25 до 16 мм, ребер жесткости в колоннах о 20 до i мм и обратных накладок с 20 до 10 мм приводит к увеличению воспринимаемой балочными конструкциями нагруаки в 1,28 - 1,3 рава. I группе соединений балки 80В1 с колонной 40К1 уменьшение толщин! фланцев (рассматриваемых традиционно как идеально жесткие соединения) о 30 до 25 мм, ребер жесткости и обратных накладок о 40 д< 20 мм приводит к увеличению воспринимаемых балочными конструкция' ми нагрувок в 1,28 pasa.

8.Результаты работы иопольвованы при разработке альбома ти повых рабочих чертежей "Болтовые рамные соединения колонн о стропильными балками пролетами от 0 до 12ы для стальных каркаса вданий и ооорукений различного назначения". Анализ покавал, чт металлоемкость балочных конструкций, раоочитанных о учетом изгиб ной жесткости соединений, на 15-17Х ниже по сравнен»» о традици онныыи методами расчета.

Основные положения диооертацш опубликованы в оледупдих ра ботах:

1. Заболотных Д.И., Павлов A.B. Экспериментальные исследова

;isi фланцевых соединений' балок о колоннами. - Монтал. и спец. грсит. работы. Изготовление металлич. и монтал отроит, конструк-;<й - М. 1991. Н б. С. 20-32.

2. Забодотных Д.И., Павлов А.Б. Моделирование поведения лвнцевых соединений балок о колоннами. - Монтаж. и спец. строит, аботы. Изготовление металлич. и монтак сроит, конотрукций - М. 902 N 7. С. 1-13.

3. Заболотных Д.И., Мударисова Р.З., Павлов A.B. Действи-елъное поведение балочных инструкций о фланцевыми соединениями, он?ая, и спец. отроит, работы. Иэготовлениа металлич. и монтаж троит, конструкций, - И, 1993 Н 1. С.11-21.

Рио.1 Кривая И -ы соединения и балочная лишт PGR, , соответствующая постоянного уровню капрягакий текучеоти .

дааграмми "момент-угол поворота"'" фляпцевч*

со=?дапег.шй УЗ (Б).

Тнп 1 .' Тип 2 Тш 3 Тш 4 . Тип б

+

4

-т *

•TÍ )r

4-

Нг -it-

Hl-

H г

t. i

♦

Тш в Тш 7 Тип 8 Тип 9

1

V

f44 444

ч 444 4-

ч 4-

-4 4-

-4-

+

4

4

t

i 4

Ряо.З Тшы вооледуоша фхаицев.

Рис.4 Оценка эффективности фланцевых соединений различных конструктивных <£ори в балочных конструкциях ( профиль: 55Б2 ) пролетала бы а 12м .