Содержание к диссертации
Введение
1. Критический анализ развития конструктивной формы и результатов исследования эксплуатируемых подкрановых балок 10
1.1. Конструктивные формы эксплуатируемых подкрановых балок и их классификация 10
1.2. Действительная работа подкрановых балок и существующие методы оценки их работоспособности . 21
1.3. Анализ ранее проведенных натурных обследований технического состояния подкрановых балок 34
1.4. Постановка задач исследования эксплуатируемых стальных подкрановых балок 38
2. Результаты статистического анализа дефектов и повреждений подкрановых балок на объектах Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона РФ 39
2.1. Анализ состояния проектно-технической документации подкрановых балок на обследованных объектах Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона РФ 39
2.2. Планирование объемов и способов измерения дефектов и повреждений крановых путей и подкрановых балок. 42
2.3. Общая характеристика дефектов и повреждений эксплуатируемых подкрановых балок 47
2.4. Результаты комплексных обследований мостовых кранов, крановых путей и подкрановых конструкций на предприятиях Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона РФ 52
2.5. Статистический анализ дефектов и повреждений, как случайных величин, обследованных элементов системы "мостовой кран -- крановый рельс - подкрановая балка" 74
Выводы по главе 2 91
3. Определение статической надежности (безотказности) подкрановых балок .' 92
3.1. Формирование алгоритма определения статической надежности подкрановых балок 92
3.2. Установление зависимости между несущей способностью балки и дефектами, повреждениями крановых путей и подкрановых балок 99
3.3. Определение статической надежности обследованных подкрановых балок, как стохастических моделей 105
Выводы по главе 3 120
4. Определение эксплуатационной надежности (работоспособности) подкрановых балок 122
4.1. Формирование алгоритма определения эксплуатационной надежности подкрановых балок. 122
4.2. Статистический анализ внешнего воздействия от мостовых кранов, как случайного процесса 124
4.3. Определение эксплуатационной надежности обследованных подкрановых балок ., 136
Выводы по главе 4 ... 145
5. Рекомендации по оценке работоспособности и предложения по повышению долговечности эксплуатируемых подкрановых балок 146
5.1. Практические рекомендации по оценке работоспособности эксплуатируемых подкрановых балок 146
5.2. Предложения по повышению долговечности эксплуатируемых /' подкрановых балок 158
Выводы по главе 5. , 164
Заключение... 165
Библиографический список
- Действительная работа подкрановых балок и существующие методы оценки их работоспособности
- Планирование объемов и способов измерения дефектов и повреждений крановых путей и подкрановых балок.
- Установление зависимости между несущей способностью балки и дефектами, повреждениями крановых путей и подкрановых балок
- Статистический анализ внешнего воздействия от мостовых кранов, как случайного процесса
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с Федеральным законом "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 1997 г., "Руководством по эксплуатации строительных конструкций производственных зданий и сооружений (ЦНИИ промзданий, 1995 г.)" и другими отраслевыми документами в РФ проводится большой объем работ по оценке технического состояния поднадзорных сооружений и строительных конструкций, среди которых заметное место занимают несущие подкрановые конструкции мостовых и подвесных кранов.
Подкрановые балки, являясь частью многоэлементной системы каркаса производственного здания, требуют приоритетного рассмотрения их работоспособности, так как являются наиболее нагруженными и повреждаемыми элементами и, как правило, обладают наименьшей долговечностью при значительных эксплуатационных расходах, в т.ч. на проведение технического освидетельствования и устранение дефектов и повреждений.
Состояние подкрановых конструкций в условиях эксплуатации характеризуется конечным числом параметров, одни из которых определяют их несущую способность, другие - отступление от расчетной схемы, третьи - внешние воздействия. Все они являются случайными величинами или случайными процессами, поэтому наиболее достоверный расчет таких конструкций с целью определения их несущей способности должен основываться на вероятностных методах.
Отсутствие в руководящих документах по комплексному обследованию подкрановых конструкций установки на вероятностную оценку работоспособности (надежности) таких конструкций обусловило выбор темы диссертационной работы.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование
технического состояния подкрановых I 6ftfc# А цмендцюм^шенных
I СПе
предприятиях Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона, разработка методики расчета работоспособности подкрановых балок, получение практических рекомендаций по оценке их работоспособности на вероятностной основе и предложений по повышению долговечности подкрановых конструкций на основе изучения действительной работы системы "мостовой кран - крановый рельс - подкрановая балка", что может дать значительный народнохозяйственный эффект.
Научную новизну работы составляют следующие результаты:
получены результаты натурных обследований технического состояния крановых путей и подкрановых балок на производственных объектах Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона;
выполнена классификация дефектов и повреждений элементов системы "мостовой кран - рельс - подкрановая балка";
установлены законы распределения для наиболее распространенных дефектов и повреждений кранового пути, как случайных величин;
разработана методика определения статической и эксплуатационной надежностей подкрановых балок;
получены результаты статистического анализа воздействий от мостовых кранов на подкрановые конструкции, как случайных процессов;
получены результаты определения статической и эксплуатационной надежности обследованных подкрановых балок.
Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по оценке ресурса работоспособности эксплуатируемых подкрановых балок и предложений по повышению долговечности эксплуатируемых подкрановых конструкций.
Внедрение результатов. Результаты научных исследований используются при комплексном обследовании крановых путей и подкрановых (Строительных конструкций. В частности, автор принимал
;. »/» > "' 4
ь, ... - - - —
участие в разработке методических рекомендаций по комплексному обследованию крановых путей и подкрановых строительных конструкций Ленинградской атомной электростанции (СПб, ЗАО "СТЭК", 2001 г.).
Достоверность результатов диссертации подтверждается комплексным характером работы, включающей использование методов комплексного обследования крановых путей и подкрановых конструкций промышленных зданий в натурных условиях; методов математической статистики; методов теории вероятностей и надежности; а также совпадением опубликованных результатов исследований других специалистов с выводами автора диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
международных конференциях: "Реконструкция - Санкт-Петербург 2003", СПб, СПбГАСУ, 2002 г.; "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте", СПб, ПГУПС, 2004 г.;
научно-методических конференциях: "Дефекты зданий и сооружений. Усиление строительных конструкций'', СПб, ВИТУ, 2001 г., 2002 г., 2005 г.;
научно-технических конференциях: "Неделя науки", СПб, ПГУПС, 2002 г.; "Шаг в будущее", СПб, ПГУПС, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в т.ч. получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
Общий объем диссертации составляет 265 страниц, в том числе 167 страниц основного текста, 12 страниц списка литературы (123 наименования), 96 рисунков и графиков, 10 таблиц, 85 страниц приложений.
Действительная работа подкрановых балок и существующие методы оценки их работоспособности
Балка без сварного шва в месте передачи нагрузки (тип 13) представляет собой трудоемкое решение. Из-за наличия строганого вкладыша со специально выполненным пазом и гнутых опорных ребер возникают значительные сложности при изготовлении.
Балка с вертикально-гофрированной стенкой (тип 20) лучше работает на кручение, но местные нормальные напряжения в ее стенке такие же, как и у балки I. Так как соединение пояса со стенкой выполнено ручной сваркой, то тип 1 может оказаться предпочтительнее. Также следует отметить, что вертикальные гофры значительно умешают момент инерции и момент сопротивления в плоскости стенки балки.
В настоящее время разработаны балки с продольно-гофрированными стенками. Локальная потеря устойчивости стенки вызывает благоприятный эффект амортизации стенки в вертикальном направлении и позволяет в несколько раз снизить динамическую часть нормальных напряжений, напряжений от кручения и соответственно повысить долговечность балки [71].
Конструкции с гибким креплением рельсов через стальные прокладки с выпуклой цилиндрической поверхностью - решение Киневского А.И. [54] из Челябинского филиала ЦНИИПСК (тип 21). Улучшая напряженно-деформированное состояние подкрановых конструкций, ухудшаем работу крановых конструкций. Крутящий момент переходит с балки на кран, износ рельса увеличивается.
Наилучшие конструктивные решения балок, приведенные на рис. 1.2, — балки с верхним поясом из симметричной пары уголков с листом или без листа с соединением элементов на фрикционных болтах. Усталостная прочность соединений на фрикционных болтах [13] существенно возрастает по сравнению со сварными и заклепочными соединениями. Выполнение нижнего пояса из уголков повышает трудоемкость и стоимость конструкции.
Для уменьшения трудоемкости лучше выполнять из листа, приваренного к стенке. Из решений 14 - 19 наилучшими являются 16 и 17, у которых кромка стенки выступает над верхним поясом. Это гарантирует центральное нагружение и отсутствие кручения рельса. Трудоемкость изготовления балок 18 и 19 значительно выше, чем у 16 и 17, а работоспособность сомнительна и изготавливать их нет смысла.
Одним из перспективных направлений по улучшению работы подкрановых конструкций и повышению их долговечности может стать проектирование спаренных подкрановых балок (рис. 1.3, ж). Практика показывает, что при существующих проектных решениях, когда балки смежных пролетов по конструктивным и технологическим соображениям объединяются в пространственный блок, усталостные трещины в процессе эксплуатации в спаренных подкрановых балках возникают реже [78]. Это объясняется тем, что при работе на знакопеременную нагрузку спаренные балки будут находиться в более благоприятных условиях, чем одиночная балка, так как по всей ширине полки у них будут появляться напряжения только одного знака, и, следовательно, облегчиться работа поясных швов.
Экономически эффективными с позиции материалоемкости являются предварительно напряженные подкрановые балки, которые можно разделить на два типа, имеющие принципиальные отличия: - балки типа 1 - преднапрягаемые с помощью длинной прямой затяжки, расположенной исключительно в пределах балки (вплотную к нижнему поясу или под ним); - балки типа 2 - преднапрягаемые с помощью полигональной затяжки, расположенной вне балки (шпренгельные конструкции).
Подкрановые балки 1-го типа нашли применение в СССР, ЧССР и ГДР [19, 75, 123, 118, 120] и позволяют сэкономить до 20 % материала. Проводимые в СССР испытания балок на выносливость [7, 37] показали, что усталостная прочность предварительно напряженных и ненапряженных балок в принципе одинакова. Динамическая нагрузка не оказывает значительного влияния на потери предварительного напряжения в затяжке.
Подкрановые балки 2-го типа позволяют уменьшить материалоемкость подкрановой балки до 50 %. Ими являются легкие комбинированные конструкции шпренгельного типа [40], состоящие из жесткой верхней части - прокатный двутавр, стоек шпренгеля и затяжки. Такие балки более долговечны и менее трудоемки, чем подкрановые фермы. В частности, такие конструкции были разработаны Ленжелдорпроектом при авторском надзоре кафедры "Строительные конструкции" ПГУПС и установлены при реконструкции в тепловозном цехе локомотивного депо Ленинград - Финляндского отделения Октябрьской железной дороги и в локомотивном депо г. Пскова. Они успешно эксплуатируются с 1985 г.
Применение шпренгельных подкрановых балок целесообразно при небольших грузоподъемностях мостовых кранов и значительных пролетах балок. Совершенствование таких балок должно идти по пути улучшения динамических характеристик, так как они не исключают резонанса усилий от динамических нагрузок. Проблема может быть решена постановкой гасителей колебаний в элементах балки.
Проблемой дальнейшего повышения долговечности подкрановых конструкций и снижением их материалоемкости занимались исследователи Пензенской Государственной Архитектурно-Строительной Академии -Нежданов К.К., Туманов В.А. и Карев М.А. Ими получен ряд конструкций, называемых рельсобалочными.
За счет включения рельса в работу сечения подкрановой балки резко . возрастают изгибная и крутильная жесткости конструкции в целом. Подробно эти конструкции описаны в [50, 109, 70, 71, 68],
Планирование объемов и способов измерения дефектов и повреждений крановых путей и подкрановых балок.
Количественная характеристика отдельных видов повреждений и времени их возникновения позволяет дать общую оценку надежности работы подкрановых конструкций, выявить наиболее слабые места и сконцентрировать внимание на основных вопросах по разработке мероприятий, ведущих к уменьшению и предотвращению повреждений.
Повреждаются и сварные и клепаные конструкции. Повреждения подкрановых балок сосредоточены - в зоне верхнего пояса, вблизи непосредственного силового воздействия от катков крана, и обусловлены особенностями местной работы балок. Основным повреждением сварных сплошных балок является выпучивание опорных ребер (до 16 %). В клепаных балках самым массовым повреждением является ослабление верхних поясных заклепок, соединяющих поясной лист с уголками и поясные уголки со стенкой (до 14 %). Наиболее опасным повреждением являются трещины в верхней зоне стенки балки по сварному шву или основному металлу, так как после появления они быстро растут и приводят балки в аварийное состояние. Необходимо отметить, что такие трещины встречаются крайне редко (менее 1 % балок) — в балках с тяжелым режимом работы кранов. С этой точки зрения, работа клепаных балок более удовлетворительна: количество трещин в них гораздо меньше. Сквозные подкрановые фермы в условиях тяжелого режима работы ведут себя неудовлетворительно из-за наличия концентраторов напряжений у фасонок ив сварных швах, что приводит к массовому появлению трещин.
Массовым повреждением является ослабление заклепок и болтов или трещины в сварных швах соединений тормозных конструкций с балками и в элементах креплений к колоннам. Многочисленные трещины в листах сплошных тормозных балок возникают, как правило, у концентраторов напряжений от низкого качества сварки или различных прорезей, сделанных во время эксплуатации. Повреждений элементов самих тормозных ферм обнаружено очень немного.
Отдельно стоит рассмотреть дефекты и повреждения направляющих кранового пути, которые изменяют уровень силового воздействия мостовых кранов. Во-первых, за счет увеличения эксцентриситета нагрузки (смещение рельса с оси балки), во-вторых, перераспределения давлений между колесами крана (уклон направляющих), в-третьих, увеличения динамического эффекта нагрузки (наличие зазоров и уступов в стыках рельсов), в-четвертых, увеличения боковых сил (расширение (сужение) колеи, отклонение направляющих в плане от прямой линии).
В среднем около 25 % всех обследованных балок имеют смещение рельса с оси подкрановой балки выше допустимого (15 мм) СНиП [101], 20 % балок имеют превышения по уклонам направляющих (более 1/1000) согласно [101], 16 % крановых путей имеют колею вне допуска (10 мм) согласно [101], 8 % кранового пути имеют отклонения в плане от прямой линии выше допустимого (15 мм на длине 40 м) согласно [101]. Кроме того, стыки направляющих (5 %), если они не сварные, имеют зазоры и уступы, превышающие допуски согласно [101]. Также необходимо отметить 5 % направляющих с неплотным прилеганием к верхнему поясу балки из-за -использования подкладных пластин под рельсы, что значительно увеличивает местные напряжения в стенке балки.
Дефекты и повреждения направляющих имеют количественную оценку, которая представлена в прил. 1 по каждому объекту, поэтому могут быть детально проанализированы с установлением законов их распределения.
Статистический анализ дефектов и повреждений обследованных крановых путей и подкрановых балок, как случайных величин.
Дефекты и повреждения, как отмечалось выше, накапливаются в процессе эксплуатации кранов, кранового пути и подкрановых балок (см. табл. 2.1), т.е. подобно случайным процессам изменяются во времени. По статистическим данным параметров состояния системы "путь - балка" (см. прил. 1) были построены . гистограммы распределения плотности вероятностей повреждений подкрановых балок во времени, которые представлены на рис. 2.32 — 2.45.
Полученные гистограммы не имеют четко выраженных закономерностей, потому что почти все балки ко времени обследования подвергались (некоторые неоднократно) текущему ремонту по ликвидации повреждений. Кроме того, при надлежащем местном контроле, например на объектах Ленинградской АЭС, повреждения подкрановых конструкций практически отсутствуют. Однако для большинства повреждений свойственно накопление во времени, а при сроке эксплуатации конструкций более 50 лет повреждения носяг массовый характер, что связано, во-первых, с процессом износа, во-вторых, с отсутствием надлежащего местного контроля за состоянием подкрановых конструкций на многих объектах.
Установление зависимости между несущей способностью балки и дефектами, повреждениями крановых путей и подкрановых балок
Целью разработки практических рекомендаций является определение ресурса работоспособности эксплуатируемых подкрановых балок с дефектами и повреждениями крановых путей и подкрановых балок. При этом могут использоваться следующие подходы: - грубый; - обобщенно-дифференцированный; - индивидуальный.
Грубый подход не основывается на индивидуальных расчетах конструкций, а подразумевает соответствие состояния эксплуатируемых подкрановых конструкций нормативным и руководящим документам (СНиП, РД), которые в последнее время носят больше справочный характер. Подход заведомо субъективен и груб, но может быть использован при экспресс-оценке работоспособности непосредственно на момент обследования конструкции. Такой подход подразумевает обязательное наличие проектной документации на подкрановые конструкции и оценку соответствия эксплуатируемых конструкций проекту.
В предлагаемом подходе все дефекты и повреждения крановых путей и подкрановых конструкций должны быть разбиты на три группы как, например, в руководящем документе [88], разработанном АОЗТ "ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ" и ТОО ЭКЦ "МЕТАЛЛУРГ", который предлагает классифицировать дефекты и повреждения в зависимости от категории их опасности: -A - дефекты и повреждения особо ответственных элементов и соединений, представляющие опасность разрушения. При возникновении дефектов этой группы конструкцию немедленно выводят из эксплуатации до выполнения необходимого ремонта или усиления;
Б - дефекты и повреждения, не грозящие в момент осмотра опасностью разрушений конструкций, но могущие в дальнейшем вызвать повреждения других элементов и узлов или при развитии повреждения перейти в категорию "А". При возникновении дефектов этой группы руководствуются существующими нормами на предельно допустимые значения повреждений [101,86] и принимают решение о необходимости ремонта или усиления;
В - дефекты и повреждения локального характера, которые при последующем развитии не могут оказать влияния на другие элементы и конструкции. Как правило, их устраняют при проведении плановых ремонтов или не устраняют вообще.
Обобщенно-дифференцированный подход, предлагаемый в работе, основан на обобщении проведенных расчетов работоспособности обследованных подкрановых балок с учетом дефектов и повреждений крановых путей и подкрановых балок, рассмотренных в главе 3.
Индивидуальный подход, методика которого приведена в главах 3, 4 является наиболее объективным и одновременно трудоемким, так как подразумевает рутинный детерминистический и последующий вероятностный расчеты несущей способности. Такой подход увеличивает эксплуатационные расходы на подкрановые конструкции, но однозначно должен использоваться для сооружений I класса ответственности (например, подкрановые конструкции на АЭС).
Как уже отмечалось, объективные рекомендации по оценке работоспособности эксплуатируемых подкрановых балок могут иметь место при известном начальном ресурсе работоспособности. В случае обобщенно-дифференцированного подхода оценки остаточного ресурса можно дифференцировать эксплуатируемые сварные разрезные подкрановые балки -по величине начального резерва несущей способности, наиболее "слабому звену" и режиму работы мостового крана. Тогда оценка работоспособности заключается в определении приближенного значения функции эксплуатационной надежности на момент обследования по предлагаемым графикам снижения ресурса. Далее полученная величина должна быть сравнена с нормативной надежностью и сделан вывод о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.
Графики снижения эксплуатационной надежности подкрановых балок приведены на рис. 5Л ... 5.8 и не учитывают наличие подкладок под крановым рельсом, которые значительно снижают надежность балки и должны считаться грубым нарушением эксплуатации подкрановых конструкций. Значения графиков, построенных на рис. 5 Л ... 5.8, вычислялись в соответствии с методикой определения эксплуатационной надежности подкрановых балок, приведенной в главе 4.
Статистический анализ внешнего воздействия от мостовых кранов, как случайного процесса
Конструктивная форма подкрановой балки изначально определяет ее долговечность. Анализ существующих конструктивных типов и решений подкрановых систем, приведенный в первой главе, позволил сформулировать рекомендации по их дальнейшему применению. Необходимо заметить, что повышение долговечности подкрановых балок, как правило, сопровождается некоторым увеличением их материалоемкости и трудоемкости, но оправдано снижением эксплуатационных расходов. 1. Для повышения долговечности сварных подкрановых балок использовать сменную подрельсовую часть в виде прокатного двутавра. 2. Использовать коробчатые подкрановые балки (рис. 5.7, б) с расположением рельса между стенками во избежание местных напряжений в стенке. 3. Внедрять использование балок с продольно-гофрированными стенками. 4. Подкрановые балки смежных пролетов по возможности объединять в пространственный блок. 5. Внедрять использование рельсобалочных систем и других конструктивных решений, повышающих работоспособность подкрановых балок (гл. 1).
Кроме того, целесообразно рассмотреть к применению подкрановые балки шпренгельного типа с гасителями колебаний в стойках шпренгеля (рис. 5.9). Такое решение, запатентованное с участием автора на примере комбинированной шпренгельной балки [80], может быть эффективно для подкрановых балок шпренгельного типа больших пролетов под краны небольшой грузоподъемности.
Повышение надежности узлов креплений подкрановых балок. Элементы крепления балок к колоннам помимо жесткого их закрепления должны обеспечивать возможность некоторого перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях, т.е. податливость соединения и, кроме того, обеспечивать рихтовку пути. Это не всегда возможно в случае применения сварки для крепления элементов между собой. Болтовое соединение элементов решает эту проблему.
На практике, как показывают результаты комплексных обследований на разных объектах, при монтаже подкрановых конструкций или в процессе текущих ремонтов крановых путей болтовые соединения элементов дублируются (иногда заменяются) сварными. Это играет не последнюю роль в разрушении элементов узлов, что отмечается в прил. 1.
Разрезные подкрановые балки скрепляются между собой в пределах опор, как правило, при помощи болтов через опорные диафрагмы. Здесь существует определенная проблема, связанная с эксплуатацией кранового пути. А именно, в процессе рихтовки путей и подкрановых балок стыковые узлы, как показывают результаты комплексных обследований на разных объектах, выполняются, некачественно - не выбираются зазоры между опорными диафрагмами. Эта "недоработка" приводит к отсутствию -надежного скрепления балок, выпучиванию опорных диафрагм из своей плоскости и, как следствие, смятию опорных частей.
Отмеченные особенности состояния узловых соединений подкрановых балок являются следствием грубых нарушений при монтаже или текущем ремонте крановых путей.
Наиболее удачным конструктивным решением крепления подкрановой балки к колонне с точки зрения его работы и, как следствие, повреждаемости является крепление раздельными (парными) диафрагмами. Вертикальные диафрагмы, имеющие небольшую жесткость в горизонтальном направлении, не могут воспринимать большие дополнительные усилия от смещения опорных сечений балок в продольном направлении. Но, обладая повышенной жесткостью в вертикальной плоскости, диафрагмы могут воспринимать значительные усилия, возникающие при вертикальном перемещении опорных сечений балок. Такие диафрагмы работают как консоли и усилия, не учитываемые расчетом, воспринимаются болтовыми соединениями.
