Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи. Обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований упруго-пластического деформи рования бистальных балок 10
1.1. Краткий исторический обзор ранее поведенных исследо ваний бистальных балок 10
1.2. Анализ теоретических и экспериментальных исследова ний действительной работы бистальных балок 18
1.3. Критерий ограниченных пластических деформаций и особенности его применения в бистальных балках 34
1.4. Основные цели и задачи исследования 40
2. Особенности деформирования бистальных балок при ограниченных пластических деформациях 42
2.1. Исследование напряженно-деформированного состояния сечений бистальных балок с использованием метода конечных элементов 42
2.2. Деформирование бистальных сечений при одновремен ном действии изгибающего момента и поперечной силы 47
2.3. Исследование эффекта задержки развития пластических деформаций в стенке бистальной балки 53
3. Исследование прогибов бистальных балок при огра ниченных пластических деформациях 65
3.1. Исследование деформативности бистальных балок при их упруго-пластической работе 65
3.2. Особенности расчета прогибов различных типов бис тальных балок 70
3.3. Методика расчета упруго-пластических прогибов бистальных балок итерационным методом 77
3.4. Прикладная методика расчета упруго-пластических прогибов бистальных балок 84
3.5. Сопоставление прогибов бистальных балок 92
3.6. Рекомендации по назначению строительного подъема бистальных балок 95
4. Комплексные экспериментальные исследования действительной работы бистальных балок при статических и повторных нагрузках 97
4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 97
4.2. Конструкция опытных бистальных балок, образцов и мо делей 98
4.3. Методика испытаний бистальных балок, образцов и мо делей 102
4.4. Анализ результатов испытаний опытных бистальных ба лок, образцов и моделей 108
Выводы 129
- Анализ теоретических и экспериментальных исследова ний действительной работы бистальных балок
- Деформирование бистальных сечений при одновремен ном действии изгибающего момента и поперечной силы
- Особенности расчета прогибов различных типов бис тальных балок
- Рекомендации по назначению строительного подъема бистальных балок
Введение к работе
В строительстве и машиностроении достаточно широко применяются бистальные балки, которые относятся к несущим металлическим конструкциям, работающим преимущественно на изгиб. По сравнению с обычными моностальными конструкциями бистальные балки отличаются применением в наиболее напряженных элементах сечений (поясах) сталей повышенной или высокой прочности, а также упруго-пластической работой менее прочных элементов сечений (стенок), связанной с перераспределением напряжений. Использование этих особенностей ведет в конечном итоге к основным преимуществам применения бистальных изгибаемых конструкций - уменьшению их веса (экономии металла) и уменьшению стоимости. По сравнению с металлоконструкциями из одной марки стали при использованииэлементов из двух марок сталей снижение материалоемкости может составлять до 15% и стоимости 74-23%, а для большепролетных сооружений, например мостов или козловых кранов большой грузоподъемности, экономический эффект может достигать 30%.
Вопросы прочности и деформативности бистальных изгибаемых элементов, работающих в условиях развития упруго-пластических деформаций при повторных нагружениях, является весьма актуальной проблемой научных исследований.
К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований по изучении действительной работы бистальных балок. Однако, известные результаты исследований напряженно-деформированного состояния бистальных изгибаемых элементов в условиях развития пластических деформаций при повторных нагрузках в рамках их нелинейной работы с учетом реальных конструктивных особенностей, применения различных по прочности современных марок сталей, условий эксплуатации и т.д. не охватывают
целый ряд вопросов важных для практического более широкого применения указанного вида конструкций.
В данное время проблемы проектирования строительных и машиностроительных конструкций значительно усложняются как в связи с возросшей техногенной нагрузкой на здания и сооружения, оборудование, так и с повышением требований к параметрам прочностной надежности, необходимостью реконструкции эксплуатируемых объектов, увеличением мощности машин, оценкой их живучести и остаточного ресурса. Однако в современных нормативных документах по проектированию стальных конструкций [91, 79, 85] отсутствуют примеры и подробные практические рекомендации по расчету бистальных балок с учетом особенностей их упруго-пластического деформирования при повторных нагрузках. Это вызывает необходимость разработки адекватных моделей и методов расчета бистальных изгибаемых элементов, учитывающих, помимо физико-механических и конструктивных особенностей, так называемые "усложняющие" факторы, в том числе, нелинейность физического типа, т.е. должны рассматриваться особенности нелинейного упруго-пластического деформирования бистальных изгибаемых элементов.
Необходимо отметить, что как в действующих, так и в разрабатываемых нормативных документах по расчету на прочность стальных строительных конструкций как в нашей стране, так и за рубежом (СНиП П-23-81*, СНиП 10-01-94, Еврокоды 0, 1,3) отмечается необходимость учета нелинейных эффектов в расчетных моделях и вводятся следующие основные способы идеализации поведения конструкций:
линейное упругое поведение;
линейное упругое поведение с ограниченным перераспределением;
нелинейное упругое поведение;
пластическое поведение.
Исследование деформирования несущих элементов строительных и машиностроительных конструкций по линейным и нелинейным моделям может быть проведено для расчетов по 1 и 2 предельным состояниям. При исследовании предельных состояний по прочности и деформативности необходимо использовать нелинейные модели, учитывающие физическую нелинейность - нелинейное поведение упруго-пластического материала.
Поскольку практическая отработка поведения конструкций на основе натурного физического эксперимента сопряжена, как правило, со значительными трудностями, в том числе и материального и финансового значения, то в настоящее время для исследования особенностей деформирования бистальных балок при повторных нагружениях необходимо использовать вычислительный эксперимент, заключающийся в исследовании реальных процессов методами вычислительной математики. Важнейшим этапом вычислительного эксперимента является разработка и развитие адекватных математических моделей, их практическая реализация с помощью пакетов прикладных программ для ЭВМ. Использование таких пакетов в сочетании с применением новых численных алгоритмов и прикладных методик существенно сокращает сроки проектных работ и дает возможность оптимизировать конструкцию по широкому спектру конструкционных, технологических, эксплуатационных и экономических требований.
К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом выполнены значительные фундаментальные, прикладные и экспериментальные исследования по механике стальных конструкций работающих в упруго-пластической стадии. Однако, известные результаты исследования процессов деформирования бистальных конструкций при статическом и динамическом силовом нагружении в рамках нелинейных моделей с учетом реальных конструктивных особенностей, физико-механических свойств материала, условий эксплуатации и т.д., не охватывают многие важные в практическом отношении задачи. Это обусловлено, в первую очередь, трудностями матема-
тического характера, возникающими как при разработке физико-математических моделей процессов упруго-пластического деформирования при повторных нагружениях, так и при реализации численных решений для соответствующих дискретных моделей на ЭВМ.
Расчет бистальных балочных конструкций необходимо проводить с учетом физических нелинейных эффектов, что обеспечит, в отличие от линейного подхода, хорошую корреляцию с экспериментальными данными.
В связи с этим разработка и развитие адекватных методов расчета бистальных балок, учитывающих их конструктивные особенности (упруго-пластическую работу элементов сечения), физико-механические свойства металлов (при различных вариантах компоновки бистальных сечений), особенности деформирования при статических и повторных нагрузках (нелинейные прогибы, эффект задержки развития упруго-пластических деформаций, перераспределение напряжений в сечениях) представляет собой актуальную проблему, имеющую прикладной и теоретический интерес.
Исследование характеристик прочности и деформативности бистальных балочных конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации воздействие статических и динамических нагрузок различного вида, является развивающимся подразделом механики деформируемого твердого тела.
Рассмотренные в диссертации вопросы теоретических и экспериментальных исследований деформирования бистальных балок при малых ограниченных пластических деформациях (до 0,5%) в условиях повторно-переменного изгиба, являются актуальными и представляют прикладной и научный интерес. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов (заключения), списка литературы из 170 наименований и приложения, в котором представлены результаты практического внедрения проведенных исследований. Объем диссертации 148 страниц, включая 75 рисунков и 5 таблиц.
В первой главе приводится краткий исторический обзор имеющихся по бистальным балкам литературных источников. Представлен анализ проведенных ранее исследований действительной работы бистальных балок. Показаны особенности применения критерия ограниченных пластических деформаций в расчетах бистальных балок. Сформулированы цели и задачи диссертации.
Во второй главе раскрываются особенности деформирования бистальных балок при ограниченных пластических деформациях по результатам исследования напряженно-деформированного состояния их сечений с использованием метода конечных элементов. Приведено описание постановки задачи проведения численного эксперимента с построением математической модели для изучения упруго-пластического деформирования бистальных балок.
Для анализа работы упруго-пластических элементов бистальных балок при статических и повторных нагружениях была использована программа МКЭ БИПЛАН и применен программный комплекс ANSYS. В результате проведенного математического моделирования МКЭ упруго-пластического деформирования бистальных балок получены данные об имеющемся перераспределении напряжений в сечениях и дана количественная оценка явления задержки пластических деформаций в зонах стенки, примыкающих к упругим поясам.
Проведен анализ работы бистальных балок при одновременном действии момента и поперечной силы в сечениях и предложена уточненная расчетная методика для этого случая.
В третьей главе исследуются общие деформации (прогибы) бистальных балок при ограниченных пластических деформациях.
Приведен анализ деформативности бистальных балок при их упруго-пластической работе. Показаны особенности расчета прогибов различных типов бистальных балок в зависимости от их конструктивных параметров и схемы нагружения. Представлена методика расчета упруго-пластических
прогибов бистальных балок итерационным методом с применением ЭВМ. Разработана прикладная методика расчета упруго-пластических прогибов бистальных балок, позволяющая с помощью поправочных коэффициентов, учитывать увеличение полного прогиба при развитии пластических деформаций по отношению к прогибу, рассчитанному в предположении неограниченной упругости. Приведены практические рекомендации по назначению строительного подъема бистальных балок.
В четвертой главе приводятся результаты комплексных экспериментальных исследований действительной работы бистальных балок при статических и повторных нагрузках. Сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований.
Представлены результаты экспериментов на моделях бистальных балок и бистальных сварных образцах по статической работе бистальных* сечений в условиях чистого изгиба и при одновременном действии изгибающего момента и поперечной силы, деформативности бистальных балок при развитии ограниченных пластических деформаций и повторных нагружениях. Приведены экспериментальные данные о качественной и количественной оценке эффекта задержки упруго-пластических деформаций в стенках бистальных балок.
В заключении формулируются выводы и даются рекомендации по использованию результатов, полученных на основе проведенных в диссертации исследований.
Анализ теоретических и экспериментальных исследова ний действительной работы бистальных балок
Первые значительные результаты по исследованию действительной работы бистальных балок были опубликованы В.И. Балдиным и Е.Е. Кочерго-вой [3]. Авторами были детально изучены основные вопросы работы симметричных бистальных балок с поясами из низколегированной стали 15ГС и стенкой из малоуглеродистой СтЗ. Была изложена, ставшая классической, формула проверки бистальных сечений на прочность (здесь и далее сохранено буквенное и символьное обозначение в формулах первоисточников): При этом за предельное состояние по прочности для таких балок при статических нагрузках принималось такое, при котором напряжение в поясах достигают значения расчетного сопротивления низколегированной стали, а в стенке из СтЗ развиваются пластические деформации. В качестве расчетной, принималась эпюра напряжений в бистальном сечении рис. 1.1а, предложенная еще в первых работах по бистальным балкам [70, 71]. В ее основе использована идеализированная диаграмма работы стали (диаграмма Прандтля). В строительстве и машиностроении достаточно широко применяются бистальные балки, которые относятся к несущим металлическим конструкциям, работающим преимущественно на изгиб. По сравнению с обычными моностальными конструкциями бистальные балки отличаются применением в наиболее напряженных элементах сечений (поясах) сталей повышенной или высокой прочности, а также упруго-пластической работой менее прочных элементов сечений (стенок), связанной с перераспределением напряжений. Использование этих особенностей ведет в конечном итоге к основным преимуществам применения бистальных изгибаемых конструкций - уменьшению их веса (экономии металла) и уменьшению стоимости. По сравнению с металлоконструкциями из одной марки стали при использованииэлементов из двух марок сталей снижение материалоемкости может составлять до 15% и стоимости 74-23%, а для большепролетных сооружений, например мостов или козловых кранов большой грузоподъемности, экономический эффект может достигать 30%.
Вопросы прочности и деформативности бистальных изгибаемых элементов, работающих в условиях развития упруго-пластических деформаций при повторных нагружениях, является весьма актуальной проблемой научных исследований. К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований по изучении действительной работы бистальных балок. Однако, известные результаты исследований напряженно-деформированного состояния бистальных изгибаемых элементов в условиях развития пластических деформаций при повторных нагрузках в рамках их нелинейной работы с учетом реальных конструктивных особенностей, применения различных по прочности современных марок сталей, условий эксплуатации и т.д. не охватывают целый ряд вопросов важных для практического более широкого применения указанного вида конструкций. В данное время проблемы проектирования строительных и машиностроительных конструкций значительно усложняются как в связи с возросшей техногенной нагрузкой на здания и сооружения, оборудование, так и с повышением требований к параметрам прочностной надежности, необходимостью реконструкции эксплуатируемых объектов, увеличением мощности машин, оценкой их живучести и остаточного ресурса. Однако в современных нормативных документах по проектированию стальных конструкций [91, 79, 85] отсутствуют примеры и подробные практические рекомендации по расчету бистальных балок с учетом особенностей их упруго-пластического деформирования при повторных нагрузках. Это вызывает необходимость разработки адекватных моделей и методов расчета бистальных изгибаемых элементов, учитывающих, помимо физико-механических и конструктивных особенностей, так называемые "усложняющие" факторы, в том числе, нелинейность физического типа, т.е. должны рассматриваться особенности нелинейного упруго-пластического деформирования бистальных изгибаемых элементов. Необходимо отметить, что как в действующих, так и в разрабатываемых нормативных документах по расчету на прочность стальных строительных конструкций как в нашей стране, так и за рубежом (СНиП П-23-81 , СНиП 10-01-94, Еврокоды 0, 1,3) отмечается необходимость учета нелинейных эффектов в расчетных моделях и вводятся следующие основные способы идеализации поведения конструкций: - линейное упругое поведение; - линейное упругое поведение с ограниченным перераспределением; - нелинейное упругое поведение; - пластическое поведение. Исследование деформирования несущих элементов строительных и машиностроительных конструкций по линейным и нелинейным моделям может быть проведено для расчетов по 1 и 2 предельным состояниям.
При исследовании предельных состояний по прочности и деформативности необходимо использовать нелинейные модели, учитывающие физическую нелинейность - нелинейное поведение упруго-пластического материала. Поскольку практическая отработка поведения конструкций на основе натурного физического эксперимента сопряжена, как правило, со значительными трудностями, в том числе и материального и финансового значения, то в настоящее время для исследования особенностей деформирования бистальных балок при повторных нагружениях необходимо использовать вычислительный эксперимент, заключающийся в исследовании реальных процессов методами вычислительной математики. Важнейшим этапом вычислительного эксперимента является разработка и развитие адекватных математических моделей, их практическая реализация с помощью пакетов прикладных программ для ЭВМ. Использование таких пакетов в сочетании с применением новых численных алгоритмов и прикладных методик существенно сокращает сроки проектных работ и дает возможность оптимизировать конструкцию по широкому спектру конструкционных, технологических, эксплуатационных и экономических требований. К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом выполнены значительные фундаментальные, прикладные и экспериментальные исследования по механике стальных конструкций работающих в упруго-пластической стадии. Однако, известные результаты исследования процессов деформирования бистальных конструкций при статическом и динамическом силовом нагружении в рамках нелинейных моделей с учетом реальных конструктивных особенностей, физико-механических свойств материала, условий эксплуатации и т.д., не охватывают многие важные в практическом отношении задачи. Это обусловлено, в первую очередь, трудностями матема- тического характера, возникающими как при разработке физико-математических моделей процессов упруго-пластического деформирования при повторных нагружениях, так и при реализации численных решений для соответствующих дискретных моделей на ЭВМ.
Деформирование бистальных сечений при одновремен ном действии изгибающего момента и поперечной силы
В истории развития исследований бистальных балок и методов расчета их прочности и жесткости, насчитываемой более полувека, можно проследить четыре основных этапа. О начальном этапе сведений сохранилось крайне мало. Первые упоминания в литературе о бистальных балках (балки из двух марок стали; за рубежом применяется термин "гибридные балки") относятся к середине 40-х и началу 50-х годов прошлого века в США [170] и СССР [70, 71]. Г.П. Михайлов и А.З. Соломонников [70] описывают опытное применение сварных балок пролетом 2 м - со стенкой из мелкозернистой стали с пределом текучести от = 22,0 кгс/мм (здесь и далее сохранена размерность первоисточников) и поясами из листов низколегированной стали с ст = 63,0 кгс/мм или пакетов из двух листов малоуглеродистой и низколегированной стали (крайний лист). То есть, в первых бистальных балках, изготовленных и испытанных в СССР, отношение прочности пояса и стенки было достаточно велико — 2,9. Общая и местная устойчивость поясов и стенок была обеспечена значительными толщинами 45 и 20 мм, соответственно. В последующей статье [71] этих же авторов, приводятся первые расчетные формулы для определения несущей способности бистальных балок с поясами из двух листов (малоуглеродистой и низколегированной стали). Второй этап развития бистальных балок характеризуется комплексными исследованиями бистальных балок, которые практически были начаты в начале 60-х годов прошлого века. В СССР эти исследования проводились в ЦНИИСК В.А. Балдиным и в ЦНИИПСК В.М. Вахуркиным и Ю.Р. Томлин-гом. Результаты указанных исследований были оформлены в виде научно-технических отчетов [94] и [76, 82], общие выводы этих работ опубликованы в статьях [3, 16, 17]. В.А. Балдиным и Е.Е. Кочерговой [3] приводятся данные по статическим, повторным и циклическим сравнительным испытаниям бис-тальных балок (пояса из низколегированной стали марки 15ГС, стенка из СтЗ) и моностальных балок из стали стенки и поясов, краткий технико-экономический анализ таких балок, а также общие положения их расчета с учетом развития пластических деформаций в стенке.
Позднее, часть результатов этих исследований (ЦНИИСК) была использована в публикации Е.Е. Кочерговой [63]. Авторы [16, 17] проанализировали экономическую эффективность бистальных балок и описали экспериментальные исследования, проведенные Проектстальконструкцией на образцах и натурных пролетом 12 м бистальных подкрановых балках опытного применения. Проведенные испытания подтвердили расчетные предпосылки, заложенные при проектировании экспериментальных бистальных конструкций. В дальнейшем результаты этих исследований были использованы при разработке типовых проектов бистальных подкрановых балок [88, 89]. В середине 60-х годов в СССР продолжают выходить отдельные публикации, посвященные проблеме бистальных конструкций. Это статья А.А. Казимирова [39] из ИЭС им. Патона, в которой автор впервые поднимает вопрос о трудностях по внедрению прогрессивных бистальных балок, в работе раскрыты условия, при которых такие конструкции экономичны, приведены также основные расчетные формулы для проверки бистальных симметричных и несимметричных сечений. Вопросам технико-экономической эффективности бистальных балок и рациональной конструктивной формы бистальных сечений посвящены статья А. Казарина [38], в которой приводятся и анализируются конкретные примеры применения бистальных балок в строительстве, статья З.И. Брауде [12], показывающая рациональность применения сталей повышенной прочности в бистальных балках, работа Я.А. Каплуна [42], в которой делаются первые попытки разграничить области рационального применения бистальных балок, в частности, бистальных подкрановых балок, и работа Г.М. Носова [75] , в которой исследуется оптимальные параметры бистальных симметричных и асимметричных сечений с учетом влияния на них поперечной силы. Исследования бистальных балок путей подвесных кранов проводились в ЦНИИСК И.Л. Пименовым и в ЦНИИпромзданий Г.Н. Смилянским [69] . Из работ, опубликованных за рубежом, первой, посвященной технико-экономическим аспектам применения сталей повышенной и высокой прочности, является статья Г. Хаайера [133]. Выводы, сделанные в ней, говорят о значительной экономической эффективности от применения таких балок. Следующей работой, касающейся этой же проблемы, была статья профессора А.А. Топрака [162], представляющая примеры эффективного использования бистальных балок в мостах [91]. В 1964 году в США опубликована работа Р.В. Фроста и Ч.Г. Шиллинга [131] в которой были описаны первые зарубежные теоретические и экспериментальные исследования действительной работы бистальных балок, проведенные в лабораториях Американской стальной корпорации в Монровилле.
В дальнейшем эти исследования и ряд других работ [156, 164], часть которых публиковалась в виде технических докладов исследовательских лабораторий и поэтому труднодоступных для российского читателя, здесь особенно следует отметить исследования, выполненные профессором А.А. Топ-раком в Техасском университете, легли в основу фундаментальной работы по бистальным балкам доклада Подкомитета I объединенного ASCE-AASHO комитета по изгибаемым элементам, опубликованного в форме проектных рекомендаций в июне 1968 г. [128]. Подкомитет сделал вывод, что бисталь-ные балки могут быть эффективно запроектированы, используя допустимое поясное напряжение, определяемое изгибающим моментом, требующимся для возникновения текучести поясов. Это допустимое напряжение является функцией размеров балки и соотношения пределов текучести стали поясов и стенки, оно несколько ниже, чем допустимое напряжение для балок из стали поясов. При таком ограничении поясных напряжений в бистальных балках, напряжения от изгиба в стенке можно не проверять, однако напряжение при сдвиге в стенке ограничивается обычным допустимым напряжением для стали стенки. Требование к жесткости и гибкости элементов бистальных балок, как правило, остаются такими же, как и для однородных балок. На усталость бистальные балки допускается рассчитывать, как если бы они целиком были бы сделаны из стали поясов. Выход в свет этого отчета привел к введению в 1969 г. в США соответствующих расчетных норм для автодорожных мостов и зданий: Американская ассоциация сотрудников государственных автомагистралей (AASHO) приняла технические условия для бистальных и композитных (бисталежелезобетонных) балок [154], а Американский, институт стальных конструкций (AISC) принял технические условия по бистальным двутавровым балкам [152]. Последние редакции этих документов вышли, соответственно, в 2002 [155] и 2005 году [153]. После выпуска отчета Подкомитета [128] было опубликовано несколько дополнительных статей, в которых сообщаются результаты дальнейших исследований в США. В работах Ф.С. Карскаддана [122, 123], Х.С. Лью, A.M. Натараяна, А.А. Топрака [139], В.А. Милека [144] рассматриваются теоретические и экспериментальные результаты исследования статической прочности и устойчивости стенок бистальных балок без и с вертикальными ребрами жесткости. Статьи А.А. Топрака, Д.Ж. Филдинга и A.M. Натараяна [161, 163, 165] посвящены испытаниям бистальных балок на усталость. Ч.Г. Шиллинг опубликовал подробное исследование [150], которое дало в результате расчетное уравнение для уменьшенного допустимого поясного напряжения. В статье В.А. Милека [144] обсуждаются изменения в нормах по расчету двутавровых бистальных и моностальных балок.
Особенности расчета прогибов различных типов бис тальных балок
В это же время в СССР П.И. Зайцевым [28] и А.В. Михайловым [72] были проведены теоретические и экспериментальные исследования бистальных балок, посвященные вопросам расчета прочности с учетом пластических свойств материала, подбора сечений и определения оптимальной высоты, предложена методика учета определения упруго-пластических прогибов, учета влияния поперечной силы. Однако какой-либо цельной концепции по теории бистальных балок в нашей стране к тому времени создано не было. К третьему этапу развития бистальных конструкций можно отнести научные исследования, проведенные в 70-е годы прошлого века, завершившиеся первыми значительными примерами реального применения бистальных мостовых и подкрановых балок. Это прежде всего работы В.И. Киреенко [55, 56, 57, 58], в которых автор дает вполне приемлемый инженерный метод расчета бистальных балок как симметричного, так и асимметричного поперечного сечения, исходя из предельных эпюр напряжений, построенных при условии краевой текучести поясов (пояса). Расчетные формулы, исходящие из этих предельных эпюр, довольно удобны для практического пользования, поскольку они привязаны к формулам, таблицам и графикам методик отечественных Технических условий и СНиПов, разработанных для моностальных конструкций с введением редуцирующих коэффициентов, учитывающих упруго-пластическую работу сечений бистальных конструкций. Рабочая мето- дика В.И. Киреенко была использована ГПИ "Укрпроектстальконструкция" при опытном проектировании бистальных пролетных строений двух автодорожных мостов через р. Смотрин в г. Каменец-Подольске [54] и р. Сейм у г. Путивля (Украина). Оба моста построены и нормально эксплуатируются с середины 70-х годов прошлого столетия. С начала 70-х годов прошлого века и по настоящее время опубликовано значительное число работ В.М. Картопольцева [43-53], посвященные вопросам исследования бистальных и бисталежелезобетонных балок пролетных строений автодорожных мостов.
В этот же период была выполнена работа СИ. Клинова по вопросам изучения бистальных балок с двухсторонним преднапряжением [59, 60], которая нашла свое продолжение в более поздних исследованиях бистальных преднапряженных балок [14, 62, 64]. А.И. Кузин [65], сделал первые попытки исследования работы бистальных балок при сложном напряженном состоянии. Этому же вопросу посвящены работы зарубежный исследователей П. Югаса [138] и 3. Цывинь-ского [126]. В.И. Моисеев [73], Х.М. Орта [78], Г.А. Хенкок [134] и Д.А. Не-веркот [147] подробно исследовали устойчивость элементов сварных бистальных балок. В семидесятые годы также вышел целый ряд работ по бистальным балкам, посвященных вопросам их оптимизации и рационального проектирования. Это статья Ф.В. Василькова и В.А. Туманова [15] об областях рационального применения бистальных балок, статьи Л.П. Куницкого [66] и П.И. Сикало [90], в которых предлагаются практические методы оптимизации бистальных балок, основанные на расчетных предпосылках, разработанных В.М. Вахуркиным и В.А. Балдиным [16, 3], ориентированные для применения на ЭВМ. СИ. Клинов в своей работе [59] оптимизирует бистальные балки, имеющие асимметричное двутавровое сечение. В тоже время и чуть позднее, были опубликованы статьи Ч.С Шиллинга [151], К.П. Чонга [125], С. Абиенса, Ч. Адели, К. Фан [117, 118], Д. Фуга и Ч.Ж. Вейнахта [132], В. Вапенханса [167, 168] подробно исследовавших вопросы оптимальной компоновки бистальных сечений, для которых моностальные сечения являются частным случаем. С начала 80-х годов прошлого века по настоящий момент прослеживается четвертый этап развития теоретических и экспериментальных исследований бистальных балок, связанный в нашей стране с принятием для них нового критерия прочности - критерия ограниченных пластических деформаций. В ходе интенсивных исследований работы бистальных балок, проводившихся ЦНИИПСК, ЛенПСК, УкрНИИПСК, МИСИ, Одесским ИСИ, Электростальским МИСиС, Томским ИСИ в 1985 г. были выпущен, с участием автора настоящей диссертационной работы, первый нормативный документ по бистальным балкам "Рекомендации по проектированию бистальных балок" [99], в которые вошли основные положения расчета этих конструкций на основе вышеназванного принятого критерия. Более подробно об этом будет сказано в следующем параграфе. Работы Н.Л. Чернова [106-110] и его учеников [112-115], проведенные в тот же период времени, существенно развили методы автоматизированного расчета бистальных конструкций с использованием критерия ограниченных пластических деформаций.
Для проверки своих расчетных предпосылок ими были также проведены значительные и уникальные в своем роде экспериментальные исследования, в частности на подвижную нагрузку и сложное сопротивление. Другие известные исследования по бистальным балкам в основном посвящены общим вопросам рационального проектирования и оптимальной компоновки бистальных сечений. Это публикации В.М. Картопольцева [45], Г.И. Тюкина [101, 102], Х.М. Орта [79], Е.И. Вайнштейна, М.Н. Мирского и В.Г. Дубовика [14], А.А. Заборского и В.А. Пескова [27], из зарубежных -В.Х. Флейшера [130], Л. Венкова и Е. Дулевского [121], К.Е. Андерсон и К.П. Чонг [116], Д. Фога и Х.Д. Вейнахта [132], В. Вапенханса [167, 168], Ж. Фар- каса [129]. Имеется ряд работ по тонкостенным бистальным балкам: Е. Енд-рика и СИ. Клинова [24, 25], В.В. Бирюлева и Н.А. Журавлева [10], М.Д. Корчака, B.C. Данкова, В.М. Картопольцева [61, 47, 51], С. Далбана и И. Диаку [127]. Вышли отдельные статьи по выносливости бистальных балок: А.О. Запросяна [30], Б.Г. Акимова [1], Н.И. Новожиловой и Е.Е. Кочерговой [74], по преднапряженным бистальным балкам: В.А. Кравчука [64], Ю.Г. Ко-чергина, С.Н. Власова и Н.Г. Добрынина [62] . Опубликованы также работы по исследованиям различных конструктивных форм бистальных балок: коробчатого сечения [129, 140], с перфорированной стенкой [145, 146], с X-образной стенкой [19, 20] и др. Имеются две статьи В.М. Картопольцева и др. [53, 49] по вопросу задержки упруго-пластических деформаций в стенках бистальных балок - малоизученном эффекте, на возможное использование которого в расчетах указывал еще В.А. Балдин [4]. Также следует отметить статью Э.А. Рывкина и Ю.В. Соболева [84], в которой нашел свое дальнейшее развитие метод расчета по краевой текучести поясов, что вполне оправдано применяется при расчете бистальных подкрановых балок. Эти и другие публикации по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований бистальных балок, приведенные в списке литературы, послужили научной основой настоящей диссертации. В целом, заканчивая краткий исторический обзор имеющихся по бистальным балкам литературных источников, следует сказать об отсутствии целостности взглядов на природу бистальных конструкций и методологически единых принципов их расчета и проектирования. В некоторой степени это удалось сделать в последнее время с введением нового критерия прочности - критерия ограниченных пластических деформаций. Однако этот новый перспективный метод нуждается в целом ряде проверок и доработок, что и нашло свое отражение в настоящем исследовании.
Рекомендации по назначению строительного подъема бистальных балок
Появление расчетных нагрузок, исходя из концепции предельных состояний мало вероятно, и к тому же возникновение значительных перемещений лишь затрудняет нормальную эксплуатацию конструкции, не приводя к ее разрушению. Увеличение прогибов бистальных балок, определяемых только от действия нормативных нагрузок, в случае появления пластических деформаций может быть учтено поправочными коэффициентами, полученными прикладным методом (см. 3.4) и скорректировано конструктивно начальным строительным подъемом, величина которого может быть задана на основе тех же коэффициентов. Строительный подъем в бистальных балках необходимо задавать в тех случаях, когда при действии нормативной нагрузки полный прогиб (упругий или упруго-пластический с учетом остаточного) превышает прогиб, допустимый нормами. Например, для главных балок мостов строительный подъем задается всегда. Кривую строительного подъема бистальных балок следует принимать по параболе. Стрела кривой задается по величине равной прогибу от нормативной постоянной нагрузки fnocm, плюс 40% упругого прогиба от нормативной временной нагрузки /вре.и.- Для подкрановых балок необходимо брать 50%, а для статически нагруженных балок — 100%. Это справедливо для случая, когда полный прогиб от нормативных нагрузок остается упругим. Если же при воздействии полной нормативной нагрузки в бистальных балках возникают пластические деформации, то общая формула строительного подъема будет иметь вид: В отдельных случаях может оказаться, что остаточный прогиб возможен и от нормативной постоянной и от нормативной временных нагрузок. Однако, в связи с нелинейным характером проявления пластических деформаций, такой раздельный учет остаточных прогибов затруднителен.
Поэтому для корректировки строительного подъема в этих случаях к его величине необходимо добавить остаточный прогиб от суммарной нормативной нагрузки. Для большепролетных подкрановых и других видов бистальных балок, работающих под подвижной нагрузкой, в формуле (3.51) следует брать коэффициент 0,5. Для статически работающих бистальных балок при развитии пластических деформаций от нормативной нагрузки — следует брать коэффициент единицу. Глава 4. Комплексные экспериментальные исследования действительной работы бистальных балок при статических и повторных нагрузках 4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований Для решения вопросов, связанных с уточнением и дополнением расчетов бистальных балок на прочность и деформативность при сложном НДС и выработки практических рекомендаций по проектированию бистальных конструкций, работающих в условиях повторных нагружений, были проведены статические и повторные циклические (при статических нагрузках) испытания бистальных балок, их моделей и бистальных сварных образцов. Целью проведенных экспериментальных исследований ставилось получение данных о действительной статической работе бистальных сечений в условиях чистого изгиба, при одновременном действии изгибающего момента М и поперечной силы Q, деформативности при развитии ограниченных пластических деформаций бистальных балок, бистальных сварных образцов и моделей при повторных нагружениях. В соответствии с вышесказанным были поставлены следующие задачи комплексных экспериментальных исследований: 1) выявить действительное НДС элементов бистальных балок при повторных нагрузках; 2) исследовать характер развития зон упруго-пластических деформаций по высоте и длине бистальной балки; 3) выявить действительное НДС бистальных сечений при одновременном действии MnQ при статических и повторных нагрузках; 4) получить данные об упруго-пластических прогибах бистальных балок; 5) выявить и дать количественную оценку эффекта задержки развития упруго-пластических деформаций в стенках бистальных балок; 6) исследовать кинетику роста перемещений, накопления и влияния остаточных деформаций бистальных балок при повторных нагружениях. 4.2. Конструкция опытных бистальных балок, образцов и моделей 4.2.1. Для проведения опытов были изготовлены четыре бистальные сварные балки длиной 4100 мм симметричного двутаврового сечения высотой 420 мм. Схема опытных балок и их размеры показаны на рис. 4.1. Отношение ширины свеса сжатого пояса опытных балок к его толщине равно 10, что меньше предельно допустимого по нормам [93] равного 11,5. Общая устойчивость поясов также была обеспечена, так как при соотношениях высоты балки к ширине пояса — 2 и ширине пояса к его толщине — 20 отношение максимального расстояния между связями (1600 мм согласно конструкции закрепления балок на испытательном стенде) к ширине пояса равно 8, что значительно меньше нормируемой предельной величины равной 28,6 [93]. Отношение высоты стенки к ее толщине — 50 так же меньше предельного значения 54 по [93], следовательно устойчивость стенки балок при развитии пластических деформаций обеспечена.
В качестве материала поясов бистальных балок была использована низколегированная сталь 10ХСНД толщиной 10 мм (ГОСТ 19282), для стенки - малоуглеродистая сталь ВСтЗпб-1 толщиной 8 мм (ТУ 14-1-3023-80). Для определения механических {Ryn - предел текучести, Run - временное сопротивление) и деформационных (S — относительное удлинение при разрыве, у/ — относительное сужение поперечного сечения образца в шейке) характеристик на разрывной машине были испытаны по ГОСТ 1497 стандартные плоские образцы толщиной 10 и 8 мм, вырезанные из листов вдоль и поперек прокатки. Результаты механических испытаний показали, что механические и деформационные характеристики листовой стали марки ВСтЗпб-1 толщиной 8 мм выше значений, определяемыми нормами проектирования [93] - crw = 270 МПа, а характеристики листовой стали 10ХСНД толщиной 10 мм находятся в соответствии с нормативными значениями для этой стали — ау = 400 МПа. При испытании стандартных образцов на разрыв записывались диаграммы их деформирования, на которых имелась площадка текучести длиной 1-2%. При испытаниях опытных балок на повторный изгиб в элементах сечений в результате накопления пластических деформаций их величина не превышала значений порядка 0,5%, что позволило при расчете балок на ЭВМ (см. главу 2) использовать диаграмму Прандтля деформирования идеального упруго-пластического материала. После окончания испытаний опытных балок из их поясов и стенок были вырезаны соответствующие плоские образцы и также испытаны по ГОСТ 1497. Результаты этих испытаний получились аналогичными. Опытные бистальные балки изготавливались по типовой технологии для сварных металлоконструкций. Элементы балок сваривались вручную электродами УОНИ 13/55 (тип Э50А), применяемых для сварки ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, диаметром 5 мм со средней скоростью 0,27 см/сек при силе тока 180А и напряжении на дуге 24В. Высота катета сварного шва 6 мм. Порядок выполнения сварных швов следующий: сначала накладывались поясные швы от оси симметрии балки к ее концам, дальше сваривались все поперечные швы, крепящие ребра жесткости к стенке в том же порядке - от середины балки к концам. Такая последовательность наложения сварных швов позволила уменьшить чрезмерное развитие сварочных деформаций.
Похожие диссертации на Упруго-пластическое деформирование бистальных балок при повторных нагрузках
