Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности конструктивных решений и условий эксплуатации неразрезных подкраново подстропильных ферм 12
1.1. Напряжнно- деформированное состояние подкрановых конструкций 12
1.2. Выносливость подкрановых конструкций 18
1.3. Обзор методов оценки остаточного ресурса циклически нагруженных подкрановых конструкций 19
1.4. Область применения и конструктивное решение подкраново-подстропильных ферм
1.4.1. Анализ конструктивных решений подкраново-подстропильных ферм 27
1.4.2. Особенности напряжнно-деформированного состояния подкраново-подстропильных ферм
1.5. Действующие нагрузки, особенности расчта и условий эксплуатации подкраново-подстропильных ферм 31
1.6. Применяемые в подкраново-подстропильных фермах стали и их свойства 35
1.7. Характерные дефекты изготовления и эксплуатации
подкраново-подстропильных ферм. Анализ причин появления разрушений в процессе эксплуатации 44
1.8. Общие выводы по главе 1 49
ГЛАВА 2. Методика экспериментально-технического исследования 50
2.1. Выбор объектов исследований 50
2.2. Методика обследования подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом в условиях действующего предприятия без остановки производства 53 2.3. Действующие нагрузки на исследуемые подкраново-подстропильные фермы 56
2.4. Методика прочностного расчета конструкций. Программные комплексы, методика анализа результатов расчета 59
2.5. Числено-экспериментальное исследование напряжнно-деформированного состояния стенки подкраново-подстропильной фермы... 62
2.6. Общие выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Результаты экспериментально-теоретических исследований
3.1. Результаты натурного обследования исследуемых подкраново-подстропильных ферм 65
3.2. Мониторинг подкраново-подстропильных ферм 73
3.3. Кинетика напряжнно-деформированного состояния подкраново-подстропильных ферм. 79
3.4. Результат числено - экспериментального исследования напряжнно-деформированного состояния стенки подкраново-подстропильной фермы 85
3.5. Определение параметров трещиностойкости 91
3.6. Уточнение фактически действующих нагрузок 100
3.7. Общие выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. Оценка остаточного ресурса подкраново подстропильных ферм на стадии роста усталостной трещины 103
4.1. Методика оценки остаточного ресурса подкраново - подстропильных ферм 103
4.2. Пример расчета остаточного ресурса подкраново-подстропильной фермы с неразрезным нижним поясом на стадии роста усталостной трещины 106
4.3. Рекомендации по периодичности обследований и межремонтным периодам 107 4.4. Ремонт усталостных трещин в зоне сопряжения стенки с верхней 108
4.5. Общие выводы по главе 4
Заключение 113
Список литературы 115
- Область применения и конструктивное решение подкраново-подстропильных ферм
- Действующие нагрузки, особенности расчта и условий эксплуатации подкраново-подстропильных ферм
- Методика прочностного расчета конструкций. Программные комплексы, методика анализа результатов расчета
- Результат числено - экспериментального исследования напряжнно-деформированного состояния стенки подкраново-подстропильной фермы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Конструкции производственных зданий должны соответствовать современным требованиям по обеспечению безопасной эксплуатации во всех стадиях своего жизненного цикла (проект – монтаж - нормальная эксплуатация – эксплуатация с повреждениями до ремонта – эксплуатация с повреждениями после ремонта и усиления –демонтаж конструкции). Этот подход к проектированию конструкций должен быть отражён и совершенствоваться в строительных нормах.
Подкраново-подстропильная ферма (ППФ) с неразрезным нижним поясом в отличие от подкрановых балок является комбинированной системой, совмещающей в себе функции по восприятию крановых нагрузок и нагрузок от покрытия. Разрушение в процессе эксплуатации даже отдельного узла подкраново-подстропильной фермы может вызвать прогрессирующее разрушение как самой подкраново-подстропильной фермы, так и всего промышленного здания. Это, в свою очередь, может привести к гибели людей, а также к значительному экономическому ущербу. Возможны также социальные и экологические последствия.
Подкраново-подстропильные фермы (ППФ) на сегодняшний день широко
распространены в зданиях объектов чёрной металлургии. В то же время ис
пользование многопролётных подкранoво - подстрoпильных ферм с нераз
резным нижним ездовым поясом пока ограничено. Такие конструкции экс
плуатируются на ПАО «Металлургический комбинат «Азовсталь»,
г. Мариуполь (Украина), ОАО «Магнитогорский металлургический комби
нат» г. Магнитогорск (Челябинская область), ОАО «ЕВРАЗ Объединенный
Западнo-Сибирский металлургический комбинат» (ЗСМК, Запсиб)
г.Новoкузнецк, ОАО «Амурметалл» («») г и на ОАО «Челябинский металлургический комбинат», г. Челябинск.
Данные проведенных натурных обследований подкранoво-
подстрoпильных ферм в эксплуатируемых производственных зданиях, свиде-
тельствуют о наличии в них усталостных трещин. Ремонт и замена подкрано-во-подстропильных ферм в условиях непрерывного производственного процесса трудновыполнимы и требуют значительных затрат по времени и капиталовложениям, поэтому существует необходимость в определении безопасного периода эксплуатации подкраново-подстропильных ферм и определении остаточного ресурса при возникновении трещин.
Степень разработанности темы. Большинство методик расчета конструкций на усталостную долговечность основаны на линейных и нелинейных гипотезах накопления усталостных повреждений. Однако, известны немногие исследовательские работы по изучению ресурса подкрановых конструкций на стадии роста усталостной трещины.
Определение долговечности верхней зоны для двутавровой подкрановой балки с наличием в ней трещины выполнено в исследовательской работе В.В. Сердюка. Работа В.В. Сердюка является продолжением исследовательской работы А.И. Скляднева.
Для прогнозирования роста максимальной длины трещины используются следующие формулы:
1тах = 1524 + 587.5 (^) + 321Я + 121 (^) - 89(iV - 3) +
98.5 р±) _ ш (1Z211) + 89.о (HzH) (1.36)
Imax = 2lg
Т- время эксплуатации подкрановых балок;
Р, N, е, Z, J, U- параметры учитывающие условия эксплуатации и особенности конструкции.
Расчёты по данному методу могут использоваться для приближённой оценки ресурса разрезных подкрановых двутавровых балок на стадии роста усталостной трещины, однако расчёт не учитывает эффект снижения скорости роста трещин при увеличении её длины. Использование этого подхода для подкраново-подстропильной фермы с неразрезным нижним поясом не
представляется возможным, так как не учитываются особенности напряженно-деформированного состояния и влияние крутящих моментов в ездовом коробчатом поясе.
Отсутствие теоретического обоснования расчёта ресурса на стадии роста усталостной трещины применительно к подкраново –подстропильным фермам, предопределили выбор темы диссертационного исследования и соответственно его цель и задачи.
Цели и задачи.
Цель диссертационной работы - разработка методики оценки остаточного ресурса подкраново - подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом на стадии роста усталостной трещины, учитывающей особенности конструктивного решения подкраново - подстропильных ферм и особенности эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование повреждаемости подкраново-подстропильных ферм. Выявление закономерности расположения и развития усталостных трещин.
-
Изучение кинетики напряжённо-деформированного состояния материала в зонах и узлах подкраново-подстропильных ферм, максимально подверженных усталостным повреждениям.
-
Определение сопоставимости напряжённо -деформированного состояния для двутаврового и коробчатого сечений в верхней зоне стенки
-
Моделирование в программно-расчётном комплексе изменения напряжённо-деформированного состояния в вершине трещины в зависимости от ширины раскрытия и положения трещины в отсеке подкраново-подстропильной фермы. Разработка зависимостей критериев трещиностойко-сти в зависимости от свойств стали, толщины стенки, температуры эксплуатации, ширины раскрытия и уровня напряжений.
-
Разработка рекомендаций и предложений по эксплуатации (периоды ремонта, обследования), усилению подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом на стадии роста усталостной трещины.
Объектом исследования являются подкраново-подстропильные фермы с неразрезным многопролётным нижним коробчатым поясом (рис.1, 2).
Предметом исследования является остаточный ресурс многопролетных подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним коробчатым поясом на стадии роста усталостных трещин.
Научная новизна исследования состоит в обосновании положений к разработке алгоритма расчёта остаточного ресурса многопролетных подкра-ново-подстропильных ферм с неразрезным нижним коробчатым поясом на стадии роста усталостных трещин с учётом температуры эксплуатации уровня напряжений, толщины стенки, длины и ширины раскрытия трещины.
В рамках диссертационного исследования лично автором получены следующие научные результаты:
-
в процессе исследования напряжёно- деформированного состояния для коробчатого сечения нижнего пояса установлено, что напряжения изгиба в стенке коробчатого сечения могут возникать и при отсутствии эксцентриситета приложения нагрузки вследствие действия реактивного момента отпора возникающего в результате разницы цилиндрических жесткостей полки направленной от оси стенки к оси сечения и полки направленной от оси стенки и от оси сечения.
-
на основе изучения повреждаемости выполнена классификация дефектов и повреждений применительно к подкраново подстропильным фермам.
-
определены параметры трещиностойкости применительно к подкрано-во-подстропильным фермам с учётом свойств стали, геометрии трещины, места положения её в конструкции, уровня местных напряжений температуры эксплуатации. К параметрам трещиностойкости введены корректирующие коэффициенты учитывающие толщину стенки и направление прокатки стальных листов стенки.
4. разработаны рекомендации по определению периода обследования и межремонтного периода подкраново-подстропильных ферм на стадии роста усталостных трещин.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость:
Заключается в совершенствовании научных основ обеспечения безопасной эксплуатации системы подкраново-подстропильные фермы с неразрезным нижним поясом - покрытие промышленного здания при возникновении неблагоприятных воздействий или повреждения аварийного характера. Предложенная модель определения ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины позволяют прогнозировать и существенно снизить риск обрушения подкраново-подстропильных ферм и покрытия здания.
Практическая значимость:
Использование методики позволило без остановки производственного
процесса выполнить восстановление повреждённых подкраново-
подстропильных ферм в кислородно-конвертерном цехе ОАО “ММК” г. Магнитогорск.
Положения методики были использованы при обследовании и разработке рекомендаций по усилению большепролётных металлических ферм и подкрановых балок Монтажно-испытательного корпуса площадки 112 космодрома Байконур.
Результаты диссертационного исследования включены в учебный процесс ФГБОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова”.
Положения, выносимые на защиту:
1. закономерности развития накопленных усталостных трещин в эксплуатируемых подкраново-подстропильных фермах.
-
результаты проведения анализа компьютерного моделирования конструкции подкраново-подстропильной фермы с усталостной трещиной.
-
Методика оценки остаточного ресурса подкраново-подстропильных ферм на стадии роста усталостной трещины.
3. обоснованные результатами анализа компьютерного моделирования и исследованиями закономерности развития трещин в подкраново-подстропильных фермах, рекомендации по определению периода обследования и межремонтного периода на стадии роста усталостных трещин.
Степень достоверности и апробации результатов.
Достоверность результатов обусловлена сопоставимостью полученные теоретических результатов с результатами ранее выполненных и настоящих натурных обследований и наблюдений за эксплуатацией многопролетных под-краново-подстропильных, а также с ранее выполненными теоретическими исследованиями в области оценки прочности и изучения напряженно-деформированного состояния материала в узлах ППФ с неразрезным поясом коробчатого сечения.
Апробация результатов. Основные положения представлены на Международном Салоне «Комплексная безопасность» в рамках I-го Всероссийского съезда Технологической платформы “комплексная безопасность объектов промышленности и энергетики” секции «Комплексная безопасность зданий и сооружений», Москва, ВВЦ – 20 мая 2014г., на заседаниях кафедры «Испытания сооружений» МГСУ, научных семинарах института строительства, архитектуры и искусства Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова и ООО «ВЕЛД», конференции на кафедре металлических и деревянных конструкций НГАСУ г. Новосибирск.
Результаты диссертации опубликованы в 7-ти печатных работах, в том числе в 4 работах в научных изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Состав и структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и рекомендаций; содержит 132 страницы машинописного текста, включая 31 таблиц и 50 рисунков, библиографический список содержит 145 наименования.
Содержание диссертации соответствует Паспорту специальности научных работников 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения.
Область применения и конструктивное решение подкраново-подстропильных ферм
Изучению напряженно- деформированного состояния (НДС) стенок подкрановых балок посвящены работы Б.М. Броуде, Б.Ю. Уварова, Б.Б. Лампси, Г.А. Шапиро, А.А. Апалько, Н.С, Москалева, О.Ф. Иванкова, Ю.И. Кудишина, И.Н. Малышкиной, Е.А. Митюгова, Э.А. Рывкина, К.А. Шишова, В.И. Камбарова, В.Ф. Сабурова, Ю.И. Ларькина, В.П. Федосеева, А.С. Лазаряна, Б.Н. Васюты и др.
Подрельсовая зона стенки обычной подкрановой балки двутаврового сечения испытывает воздействие локально приложенных с эксцентриситетом сосредоточенных сил от колс крана Р, Т, Мкр, обуславливающих местное сжатие и кручение верхней полки и изгиб стенки из плоскости, а также общим для всего пролта нагружениям: косой изгиб, свободное и стесннное кручение. В результате данного загружения материал подрельсовой зоны стенки работает в условиях сложного многокомпонентного напряжнного состояния (рис.1.1).
Определение действующих напряжений в верхней зоне стенки подкрановых балок основано на теоретическом исследовании местного напряженно-деформированного состояния балок при действии сосредоточенных нагрузок Б.М Броуде [13], которое в последствии получило развитие в исследованиях Б.Б. Лам-пси, Э.А. Рывкина, В.П. Федосеева, Ю.И. Кудишина и др.
Идеализированное теоретическое определение напряжений смятия по формуле Б.М. Броуде было проверено на объективность и на применимость е к реально действующим конструкциям с учтом несовершенств конструктивных форм, так как в существующих балках идеального контакта между поверхностью рельса и верхним поясом не существует, а нагрузка передается через пятна контакта. Натурные пятна контакта были получены на балках сортопрокатного цеха Челябинского металлургического завода К.А. Шишовым [132] путем наложения краски под подошвы рельса. dop, dop – дополнительные нормальные и касательные напряжения, возникающие в следствии сварочных напряжений, несоответствия рас-чтной модели и действительных условий эксплуатации.
Исследования К.А. Шишова и В.Ф. Сабурова выявили несущественное отличие теоретических и экспериментальных значений напряжений местного смятия ioc,y что позволило подтвердить соответствие рассчитанных напряжений по формуле Б.М. Броуде действующим напряжениям в реальной конструкции.
Влияние ребер жсткости на напряжнное состояние Б.М. Броуде рассматривалось в качестве разгружающего эффекта, в своих исследованиях им приняты следующие допущения: - В местах расположения ребер жсткости давление на кромку стенки равно нулю; - Усилие, воспринятое рбрами жсткости, не изменяет напряжнного состояния стенки, т.е. игнорируется обратная передача усилия с ребра на сте ну. Ввиду этих обстоятельств им был предложен коэффициент -коэффициент уменьшения напряжения смятия под грузом при учте разгружающего действия ребер жсткости.
В работе А.А. Апалько [3] экспериментально установлено, что уменьшение расстояния между ребрами жесткости не влияет на величину и характер распределения напряжений ioc,y при условии, если расстояние между ребрами жесткости не менее 0,75 от высоты стенки. Не оказывает влияния на распределение Gloc и тормозная балка. Соседние грузы также не оказывают значительного влияния на величину и характер распределения данного вида напряжений, если они приложены на значительном расстоянии друг от друга - около 1200 мм.
Более поздние работы этого направления уточняли влияние конструктивных факторов (рбер жсткости, форм стенки) и учитывали полный тензор напряжнно-деформированного состояния в верхней зоне стенки балки. Этим задачам посвящены работы Ю.И. Кудишина [73], Е.А. Митюгова [87] и других. Особое внимание уделялось локальному напряжнному состоянию в повреждаемых зонах стенок. Были разработаны формулы, вошедшие в строительные нормы, позволяющие с достаточной точностью определять компоненты локального напряжнного состояния.
Из результатов натурных исследований местного напряженного состояния клепанной балки пролетом 13 м обжимного цеха ММК, проведенных В.Ф. Сабуровым [67], и сварной балки [105] следует, что действительные величины 1 не превышают теоретических по формуле Б.М. Броуде: у flP
При центральном нагружении стенка работает как плосконапряженный элемент, поэтому помимо нормального вертикального напряжения Gloc-y возникают продольное нормальное напряжение Gloc и касательное напряжение т ос-ху.
Теоретическое определение местных напряжений W, т было проведено В.П. Федосеевым [125]. Для проверки аналитического решения проводилось экспериментальное исследование напряженного состояния под статической нагрузкой. Прямоугольные тензорозетки располагались по длине балки вверху стенки и по высоте с шагом 50 мм. Для исключения влияния условий крепления рельса к поясу на напряженное состояние стенки, нагрузка на балку передавалась через центрирующий шарик с шагом 40 мм. Предложены следующие зависимости:
Экспериментальные исследования НДС балки выполнялись А.А. Апалько. Исследовались две экспериментальные балки двутаврового сечения пролетом 6 м. Сечение балки состояло из листа стенки 800x10 мм, укреплнного ребрами жесткости, приваренными к верхнему и нижнему полкам сечением 260x20 мм. По верхней полке балки болтами крепился квадратный рельс 60x60 мм. Воздействие вертикальной крановой нагрузки имитировалось 100 тонным гидравлическим домкратом посредством передачи нагрузки через катки тележки. Имитация горизонтальных нагрузок была выполнена с помощью натяжного устройства. Замеры НДС производились методом тензометрии. В результате исследований установлено, что экспериментальные напряжения не превышает 10% от теоретических.
При теоретическом исследовании местного нормального напряжения Gfy стенка в пределах одной панели рассматривалась как пластинка, защемленная по трем кантам, четвертый кант считался упруго заделанным, так как он жестко соединен с поясом, подверженным действию крутящего момента.
Действующие нагрузки, особенности расчта и условий эксплуатации подкраново-подстропильных ферм
Для проведения исследований выбраны подкраново-подстропильные фермы с неразрезным нижним поясом, расположенные в 4-х пролетах (Н-П-Р-У-Ц осях 5-50) кислородно-конвертерного цеха (рис. 2.1) в отделении непрерывной разливки стали ОАО в«Магнитогорский металлургический комбинат» (ККЦ ОНРС ОАО «ММК»). Выбор исследуемых объектов обоснован тем, что: - цикл выполняемых технологических операций строго регламентирован и составляет 45 мин круглосуточно в течение года, траектории передвижений кранов и их тележек подобны во всех четырх пролтах; - выбранные для исследования подкраново-подстропильные фермы имеют усталостные трещины в неразрезном нижнем поясе; - на предприятии выполняется постоянный контроль состояния подкраново-подстропильных ферм период с начала монтажа до настоящее время. Состояние подкраново-подстропильных ферм документально зафиксировано в отчтах обследования ЦНИИПСК им. Мельникова и ОАО
Конструкции подкраново-подстропильных ферм запроектированы ЦНИИ ПСК им. Мельникова в 1986 г. и введены в эксплуатацию в 1990 г.
Здание ОНРС – четырехпролетное, не отапливаемое (рис. 2.2). Источниками повышенного тепловыделения в здании являются машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Здание состоит из двух температурных блоков длиной 97,5 и 193,5 м. Температурно-деформационный шов расположен в осях 37-38. Общая длина здания в осях 5-50 – 291 м, ширина пролетов Н-П-Р-У-Ц – 30 м. 1
Исследуемые подкраново-подстропильные фермы треугольного очертания (рис.2.3). Раскосы и стойки решетки ферм составного двутаврового сечения. Нижний пояс – неразрезная сварная балка коробчатого сечения. Узлы сопряжения ре-штки с прорезными фасонками нижнего пояса выполнены на высокопрочном крепеже.
Нижний пояс ферм, выполненный в виде неразрезной балки коробчатого сечения (с габаритными размерами сечений 3400x2431 мм), состоит из двух стенок, верхней и нижней полок, опорных и промежуточных диафрагм, опорных и промежуточных ребер жесткости (шпангоутов и стрингеров), вертикальных прорезных фасонок для крепления раскосов и стоек. Высота стенок балки 2390 мм, толщина листа 25 мм, сталь марки 09Г2С (табл. 2.1). Толщина листов верхнего пояса 25 мм, нижнего 16 мм, сталь марки 09Г2С. В узлах опирания на колонны выполнены вставки (шириной 2,0 м) в стенку из листа толщиной 40 мм, в нижнем поясе - из листа толщиной 28 мм стали марки 14Г2АФ-12. В верхнем поясном листе и в диафрагмах предусмотрены люки для доступа внутрь.
Заводские и монтажные стыки нижнего пояса подкраново-подстропильных ферм выполнены на сварке.
Методика обследования подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом в условиях действующего предприятия без остановки производства Учитывая особенность конструкций подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом, имеется специфика их обследования: - значительная протяжнность сварных швов этих конструкций (длина только одной ППФ с неразрезным коробчатым нижним поясом может достигать более 200 м); - наличие фрикционных соединений на высокопрочных болтах; - наличие в пролте источников повышенного тепловыделения; - выполнение обследования в условиях не прекращаемого производственного процесса; - наличие работающих мостовых кранов грузоподъмностью до 500 т. Обследование исследуемых подкраново-подстропильных ферм с неразрезным нижним поясом было выполнено ОАО «Магнитогорский ГИПРОМЕЗ» в 2010 году в ОНРС ККЦ ОАО «ММК» [95]. В результате обследования выявлено значительное количество трещиноподобных повреждений. Ввиду сложности выполнения одномоментного ремонта конструкций в действующем цехе после обследования организован мониторинг развития выявленных трещин. Мониторинг был организован с периодичностью один раз в квартал начиная с 2011 г. по настоящее время (2015г). В процессе мониторинга отслеживались: - увеличение длины ранее обнаруженных трещин; - ширина раскрытия трещин; - количество и место положения новых трещин. Обследование сварных швов подкраново-подстропильных ферм Сварные швы ввиду значительной их длины в конструкции подкраново-подстропильных ферм (более 150 м только в одном 4-метровом отсеке при общей длине неразрезного нижнего пояса одной подкраново-подстропильной фермы 192 м, общая длина сварных швов достигает более 8000 м) обследовались в несколько этапов, что позволило значительно сократить время, затраченное на инструментальное диагностирование. На первом этапе выполнен визуально-измерительный контроль. При визуально-измерительном контроле контролировались сварные швы и прилегающие к ним участки основного металла на ширине не менее 20 мм в каждую сторону от шва. Визуально-измерительный контроль позволил выявить видимые повреждения (трещины, кратеры, подрезы и несплавления). На втором этапе выполнено детализированное изучение выявленных трещин с уточнением их параметров: определены их границы, ширина раскрытия, глубина. Для решения этих задач использовался капиллярный метод контроля. Для определения глубины трещин выполнялось сверление отверстий диаметром 20 мм.
Ввиду трудомкости применения ультразвукового метода дефектоскопии для диагностики сварных швов этот метод использовался выборочно для дефектоскопии только стыковых швов. Применение капиллярного метода в процессе выявления дефектов
Для выявления трещин в процессе обследования подкраново-подстропильных ферм использовался капиллярный метод контроля (ГОСТ 18442-80), основанный на капиллярном проникновении внутрь дефекта жидкости-индикатора, с последующей регистрацией индикаторных следов.
Капиллярным методом выявлялись несплошности с размерами 0,1-500 мкм на поверхности металла.
В процессе контроля на контролируемую поверхность наносился красящий пенетрант (рис.2.4), под действием капиллярных сил, пенетрант проникает в мельчайшие дефекты, имеющие выход на поверхность объекта контроля. Далее выполнено нанесение проявителя. Проявитель растворяет внутри дефекта краситель и за счет диффузии «вытягивает» оставшийся в дефекте пенетрант на поверхность объекта контроля.
Обследование соединений на высокопрочных болтах Обследование фрикционных соединений выполнялось согласно руководству [99]. При выполнении контроля выполнялась проверка целостности болтов, выполнена выборочная проверка тарировочным ключом, их натяжения. 2.3. Действующие нагрузки на исследуемые подкраново-подстропильные фермы
На подкраново-подстропильные фермы действует целый комплекс постоянных, кратковременных и особых нагрузок (рис. 2.5).
Основной постоянной нагрузкой является нагрузка от собственного веса строительных конструкций. Для исследуемого здания ячейкой 30x24 м с кранами грузоподъмностью 500 т собственный вес подкраново-подстропильной фермы складывается из веса нижнего пояса который достигает 80 т в одном пролте (24 м), раскосов и стоек, общий вес которых в среднем в одном пролте достигает 28 т.
Методика прочностного расчета конструкций. Программные комплексы, методика анализа результатов расчета
Особенностью развития трещин в неразрезном нижнем поясе подкраново-подстропильных ферм является образование дискретных продольных трещин по всей длине пролта ППФ и их возможное объединение в одну трещину на протяжении всего пролта.
Появление усталостных продольных трещин по сварным швам и околошовной зоне сопряжения стенки и верхней полки нижнего пояса ППФ в местах расположения диафрагм наблюдается уже спустя 5-10 лет эксплуатации ППФ. Наблюдения за такими трещинами позволили выявить определнные закономерности их развития.
Инициаторами появления трещин в основном являются места окончания вертикальных и горизонтальных сварных швов, кратеры, непровары, подрезы сварного шва.
Такие трещины появляются одномоментно длиной в среднем от 10 до 100 мм, распространяются от поперечных диафрагм и рбер жсткости вдоль сварного шва соединения стенки с верхней полкой на встречу друг другу (рис.3.4).
Локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения возникают под действием остаточных сварочных напряжений. Размеры трещин соизмеримы
Рисунок 3.4. Схема распространения трещины в отсеке подкраново-подстропильной фермы с размерами зон влияния сварочных процессов (рис.3.5). Рисунок 3.5. Фото трещин в зоне сопряжения стенки с верхним поясом ППФ в месте расположения диафрагм и рбер жсткости Для большинства случаев возникновения трещин характерны: - наличие инкубационного периода до образования очага трещин; - образование трещин при значениях напряжений, составляющих менее 90% от кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки. Также зачастую такие трещины имеют дискретный характер с переходом видимой части с внутренней поверхности на внешнюю.
В результате обобщения выявленных при обследовании и мониторинге по вреждений установлена классификация трещин, образующихся в нижнем поясе подкраново-подстропильных ферм (таблице 3.1). Таблица 3.1 – Классификация дефектов и повреждений в нижнем поясе ППФ. № п/п Узел Подузел Описание дефекта Причины возникновения
Пролт Соединение Вертикальные трещины Нарушение техно нижнего пояса диафрагмы со стенкой логии сварки Горизонтальные трещина Усталость металла, ППФ в зоне окончания вертикального сварного шва. влияние сварочных напряжений 2 Соединение Горизонтальные трещины Нарушение техно диафрагмы с логии сварки верхней полкой нижнего пояса 3 Соединение Горизонтальные трещины Нарушение техно диафрагмы с логии сварки верхней полкой нижнего пояса 4 Соединение Горизонтальные трещины Нарушение техно прорезных фа- логии сварки, на сонок с верх- личие концентра ней полкой торов в виде кра нижнего пояса теров
Соединение стенки с верхней полкой нижнего пояса Дискретная горизонтальные трещина в сварном шве ВЗС. (трещина прерывистая, сопровождается зигзагообразным в плане выходом попеременно с одного валика сварного шва на другой относительно стенки. При этом может оставаться сплошной по длине, но не сквозной в разрезе. Усталость металла
Соединение стенки с верхней полкой нижнего пояса Магистральная горизонтальная трещина в сварном шве. Трещина по всей длине сварного шва сопряжения стенки с верхней полкой. Усталость металла
Узел сопряжения нижнего пояса с колонной Анкерная пластина Разрыв анкерной пластины Усталость металла, влияние сварочных напряжений
Трещины по сварным швам К общим повреждениям подкрановых балок и подкраново-подстропильных ферм можно отнести усталостные повреждения зоны сопряжения стенки с верхней полкой. 3.2. Мониторинг подкраново-подстропильных ферм
Мониторинг выполнялся в период с 2011 по 2014 гг. с периодичностью 1 раз в квартал. Контролируемым параметром при мониторинге был контроль развития длины трещин, выявленных при обследовании в 2010 году.
Рассматривалась расчтная схема ППФ, аналогичная существующей в действующем отделении непрерывной разливки стали кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК», г. Магнитогорск, с неразрезным многопролтным нижним поясом (длина пролта 24 м), габаритом сечения нижнего пояса 3,42,4 м, выполненной в пролтной части из стали 09Г2С, в опорной части из стали 14Г2АФ. При проектировании расчетная схема ППФ принималась в виде неразрезной балки (ездовой пояс), к которой прикреплена решетка на «примыкающих шарнирах». В расчте реализована схема, учитывающая реальную работу конструкции ППФ с жстким примыканием рештки к нижнему поясу.
Расчетная схема конструкций ППФ в Structure CAD выполнена из плоскостных конечных элементов для трх пролтов ППФ. Формирование расчетных схем выполнено из прямоугольной и треугольной сеток конечных элементов на плоскости. Результаты расчта на ЭВМ имеют относительно небольшое расхождение с результатами расч.
Результат числено - экспериментального исследования напряжнно-деформированного состояния стенки подкраново-подстропильной фермы
В результате натурных обследований выявлено, что на подкраново-подстропильных фермах на нижней полке внутри отсеков и на верхней полке коробчатого нижнего пояса ППФ при продолжительной эксплуатации накапливаются значительные отложения производственной пыли от 0,2 м (внутри и снаружи) до 1,5 м в отсеках с открытым входным люком. При средней плотности пыли 0,8 кН/м3 распределнная нормативная нагрузка достигает 1,6 МПа. Таким образом, нагрузка от пыли может оказать существенное влияние на напряжнно -деформированное состояние конструкции и должна учитываться наряду с нормативной вертикальной нагрузкой от веса людей и ремонтных материалов на тормозные конструкции равной 2 кПа.
1) Расположение максимального количества наиболее протяженных устало стных трещин в сварных швах зоны сопряжения стенки с верхней полкой соот ветствует пиковым значениям циклов работы крана на протяжении всей длины нижнего пояса ППФ, что свидетельствует о накоплении усталостных поврежде ний в металле сварного шва.
По результатам анализа выполненных обследований установлено, что зонами повышенного скопления усталостных трещин являются зоны сопряжения стенки с верхней полкой нижнего ездового пояса ППФ. В реальных условиях эксплуатации ППФ до 17% обнаруженных усталостных трещин в наблюдаемый период находятся в активной стадии роста, остальные перешли в стадию замедленного роста.
2) По результатам анализа проведенных расчтов наибольшие напряжения получены в опорном узле в зоне сопряжения прорезных фасонок с верхним поя сом и опорной диафрагмой, а также в зоне сопряжения приопорного ребра с ниж ним поясом и стенкой коробчатого нижнего пояса ППФ. Обследованием установ 101 лено, что именно в этих зонах обнаружено наибольшее количество трещин, выявленных в первые годы эксплуатации ППФ. Наибольшее количество усталостных трещин, образующиеся в процессе эксплуатации, располагаются в зоне сопряжения стенки с верхней полкой, как и в двутаровых подкрановых балках.
Возникновение усталостных трещин в районе расположения рбер жсткости и диафрагм, объясняется скачком напряжений ау в верхней зоне стенки, для балки коробчатого сечения превышение составляет 11% . Превышение напряжений снижает на соответствующую величину количество циклов нагружения до появления усталостной трещины. Для учта этого фактора предлагается для балок коробчатого сечения увеличить значение напряжений местного смятия а1ос у, в зоне расположения ребер жсткости и диафрагм на коэффициент к2=1,11. (Tiocv = k1k2( ) (3.9) у \twLefJ 6) Анализ напряжнно - деформированного состояния в вершинах трещин исследуемых конструкций выявил зависимости параметров трещиностойкости от температуры, марки стали, напряжений, толщины стенки, места положения в отсеке (таблицы 3.12-3.15), которые аналитически можно представить в виде:
Анализ закономерностей усталостных повреждений в эксплуатируемых подкраново-подстропильных фермах в зоне влияния локальных нормальных напряжений указывает на разнообразие их форм и мест возникновения. Трещины чаще возникают около опорных рбер, промежуточных рбер, под стыками рельсов. По высоте стенки трещины встречаются в сварном шве от концентратора, в зоне шлакового включения, подреза в зоне перехода к стали стенки, в то же время есть определнные закономерности их развития: - продольные трещины не распространяются за пределы зоны влияния локальных нормальных напряжений; - распространение трещин происходит по направлению друг к другу, объединяясь сначала в единичную трещину небольшой длины. В процессе появления большего количества трещин образуются дискретные трещины (часть трещин может развиваться с внешней стороны не имея выхода на внутреннюю поверхность и наоборот). В дальнейшем развитие этого процесса может привести к образованию одной сплошной магистральной трещины по всей длине одного из про-лтов нижнего пояса подкраново-подстропильной фермы.
В процессе анализа напряжнного состояния в вершинах усталостной трещины в зависимости от е длины, величины локальных нормальных напряжений, марки стали, толщины стенки и положения трещины в отсеке ППФ, получены критерии трещиностойкости применительно к подкраново-подстропильным фермам с неразрезным нижним поясом. По результатам этих исследований определение периода роста трещины до предельной величины принимает следующий вид: