Введение к работе
Актуальность работы. Высокий уровень износа основных производственных фондов, массовая эксплуатация инженерных сооружений и металлоконструкций в запроектных сроках с высоким уровнем накопленных повреждений приводят к созданию условий возникновения аварийных ситуаций. Для их предотвращения необходимо совершенствование методов расчета и проектирования металлических конструкций, предусматривающих анализ несущей способности при наступлении предельных состояний и аварийных ситуаций.
Для подкрановых балок (ПБ) кранов режимов работы 7К-8К в условиях
циклического нагружения характерны интенсивное накопление
повреждаемости и длительные сроки эксплуатации с усталостными трещинами. В этом случае предельное состояние по потере несущей способности ПБ возникает путем реализации разрушения на определенной стадии развития усталостных трещин. Долговечность элементов конструкций, в том числе и ПБ, с развивающимися в них трещинами может составлять от 10 до 80 % общей долговечности конструкции. Развитие эксплуатационных повреждений и долговечность подкрановых конструкций определяются следующими факторами:
условия, характер и интенсивность нагружения;
концентрация напряжений, применение неудачных конструктивных решений, низкое качество сварных соединений, дефекты устройства крановых путей, применение несоответствующей марки стали;
нарушение условий эксплуатации.
Нормами проектирования СНиП П-23-81* «Стальные конструкции» предусматривается проверка выносливости подкрановых конструкций, но это не исключает возникновение усталостных трещин уже на ранней стадии эксплуатации. Появление усталостных трещин является одной из причин классификации балок как неработоспособных, так как согласно действующим нормам Госгортехнадзора России эксплуатация конструкций с подобными повреждениями недопустима. Безусловное выполнение данных требований приведет к массовому выводу ПБ из эксплуатации при сохранении ими несущей способности. В этой ситуации необходим дополнительный анализ остаточного ресурса ПБ с эксплуатационными дефектами. Эта процедура должна регулироваться соответствующим нормативным документом, методической основой которого должны быть обязательные численные исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ПБ в штатных и аварийных ситуациях, кинетические зависимости и уравнения предельных состояний, сформулированные на базе критериев механики деформирования и разрушения.
Традиционными нормативными расчетами на выносливость не удается полностью исключить возможность усталостных разрушений. Использование методов и критериев механики разрушения позволяет проводить уточненные расчеты напряженного состояния ПБ с дефектами на стадии проектирования и
эксплуатации и прогнозировать остаточный ресурс ПБ с усталостным дефектом, появившемся в процессе ее эксплуатации. Решение задач остаточного ресурса базируется на применении базовых характеристик циклической трещиностойкости, которые достаточно полно отражены в нормативно-справочной литературе.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
Федеральная целевая научно-техническая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Подпрограмма 08.02 «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф». Проект 1.5.2 «Создание научных основ безопасности по критериям механики разрушения для проектных, запроектных и гипотетических аварий» (1991-2000 гг.);
план НИР Научного совета РАН по комплексной проблеме «Машиностроение (1997-2001 гг.);
научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма: 211 «Архитектура и строительство».
Исследования по указанным планам и программам выполнялись при непосредственном участии автора и являются результатом многолетнего сотрудничества специалистов Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН и кафедры «Строительные конструкции» Красноярской государственной архитектурно-строительной академии по решению конкретных задач в области прочности и надежности строительных металлоконструкций.
Целью диссертационной работы является оценка уровня несущей способности подкрановых балок при наступлении предельного состояния в запроектных сроках эксплуатации и в условиях аварийных ситуаций с учетом развития усталостных трещин.
Для достижения данной цели предполагалось решение следующих задач:
Систематизация и уточнение формулировок предельных состояний и аварийных ситуаций ПБ для кранов режимов работы 7К-8К.
Выбор и обоснование расчетных моделей для анализа НДС ПБ в штатных (без трещины) и аварийных (с усталостной трещиной) режимах эксплуатации.
Численные исследования особенностей НДС ПБ в штатных и аварийных ситуациях с оценкой влияния эксцентриситета приложения нагрузки.
Разработка инженерной методики оценки циклической трещиностойкости (остаточного ресурса) стенки ПБ при наличии усталостных трещин.
Научная новизна работы заключается в уточнении формулировок предельных состояний и аварийных ситуаций, численном исследовании НДС ПБ в штатных режимах эксплуатации и аварийных ситуациях с учетом эксцентриситета приложения нагрузки и ее положения по длине ПБ, и разработке на этой основе алгоритма расчета остаточного ресурса ПБ с усталостной трещиной.
Практическая значимость работы заключается в обобщении данных технического освидетельствования (анализ дефектности, причин отказов) и разработке методики определения индивидуального ресурса ПБ при реализации возможных аварийных ситуаций.
Внедрение результатов осуществлено в научно-исследовательском проектно-строительном предприятии «РЕКОН» научно-технического центра «ЭРКОНСИБ» (НГАСУ) при разработке «Руководства по определению индивидуального ресурса стальных подкрановых балок с усталостными трещинами в стенках для допущения их временной эксплуатации», а также в НПП «СибЭРА» при выполнении работ по техническому освидетельствованию и реконструкции цехов электролиза АО «КрАЗ».
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается
соответствием результатов конечноэлементного моделирования
экспериментальным данным исследования НДС ПБ, сопоставимостью с результатами других авторов. Достоверность экспериментальных результатов достигается использованием нормативных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов. При выполнении расчетов на циклическую трещиностойкость использованы результаты экспериментальных исследований роста усталостных трещин в верхней зоне стенки ПБ, предоставленные сотрудниками кафедры металлических и деревянных конструкций НГАСУ, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
международной конференции «Математические модели и методы их исследования», Красноярск, 1999 г.;
VI Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика», Красноярск, 2000 г.;
XVIII - XX Региональных научно-технических конференциях «Проблемы архитектуры и строительства», Красноярск, 2000,2001,2002 г.;
Ш Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», Красноярск, 2003 г.;
научном семинаре «Проблемы конструкционной прочности» Отдела машиноведения ИВМ СО РАН, Красноярск, 2002,2003,2004 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 статьях, 5 тезисах конференций и нормативно-техническом документе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений. Основное содержание и выводы отражены на 104 страницах. Диссертация содержит 39 рисунка и 14 таблиц. Список литературы включает 100 наименований.
