Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности эксплуатации подкрановых балок в металлургических комплексах 10
1.1 Анализ повреждаемости подкрановых конструкций, эксплуатируемых в металлургических комплексах в условиях повышенных температур 10
1.2 Обзор результатов экспериментальных исследований температурных режимов работы основных несущих конструкций промышленных зданий 15
1.3 Анализ результатов исследования влияния повышенных технологических температур на свойства строительных сталей 27
1.4 Обзор методик оценки прочности строительных металлических конструкций, эксплуатируемых в металлургических комплексах при воздействии технологических температур 31
1.5 Выводы по главе 1 38
Глава 2 Методика экспериментально-теоретических исследований 41
2.1 Выбор объектов исследования 41
2.1.1 Конвертерное отделение кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» 41
2.1.2 Стальные неразрезные подкрановые балки коробчатого сечения конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» 46
2.1.3 Листопрокатный цех № 10 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» 50
2.1.4 Мартеновский цех ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» 53
2.1.5 Подкрановые балки коробчатого сечения мартеновского цеха № 1 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» 56
2.2 Методика изучения температурных режимов работы основных несущих конструкций промышленных зданий 58
2.2.1 Методика замеров температур на стальной неразрезной подкрановой балке коробчатого сечения 58
2.2.2 Методика замеров температур на поверхности основных несущих металлических конструкций каркасов промышленных зданий 61
2.3 Методика теоретического исследования напряженно-деформированного состояния продольной, поперечной рам и подкрановой балки 61
2.4 Методика исследования свойств стали 09Г2С-12 67
2.4.1 Исследование механических характеристик 68
2.4.2 Исследование химического состава 70
2.4.3 Исследование ударной вязкости 70
2.4.4 Исследование макроструктуры стали 71
2.4.5 Исследование твердости по Виккерсу 71
2.5 Оценка погрешности измерений 72
2.6. Выводы по главе 2 73
Глава 3 Результаты экспериментально-теоретических исследований 74
3.1. Результаты изучения температурных режимов работы основных несущих конструкций промышленных зданий 74
3.1.1 Результаты замеров температур на стальной неразрезной подкрановой балке коробчатого сечения 74
3.1.2 Результаты замеров температур на поверхности основных несущих металлических конструкций каркасов промышленных зданий 84
3.2 Результаты теоретического изучения НДС материала поперечной, продольной рам и подкрановой балки коробчатого сечения методом конечных элементов 99
3.2.1 Продольная и поперечная рамы 99
3.2.2 Стальная неразрезная подкрановая балка коробчатого сечения 100
3.3 Результаты изучения свойств стали 09Г2С-12 111
3.3.1 Механические характеристики 112
3.3.2 Химический состав 120
3.3.3 Ударная вязкость 121
3.3.4 Макроструктура стали 124
3.3.5 Твердость по Виккерсу 124
3.3.6 Поправки к расчетным сопротивлениям стали 126
3.4 Выводы по главе 3 133
Глава 4 Прочность эксплуатируемых стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения 136
4.1. Расчет на прочность эксплуатируемых стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения с учетом общего нагрева балки и локального воздействия повышенных температур 136
4.2. Пример расчета на прочность стальной неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения по предложенной методике 145
4.3. Методы защиты стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, эксплуатируемых в металлургических комплексах, с учетом их работы в условиях повышенных
температур 147
4.3.1. Защита подкрановых балок теплозащитным экраном 147
4.3.2 Способ охлаждения подкрановых балок коробчатого сечения 152
4.4 Рекомендации по эксплуатации стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, работающих в условиях повышенных температур 152
4.5 Методы усиления стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, поврежденных в результате воздействия повышенных технологических температур 153
4.6 Выводы по главе 4 155
Основные выводы по работе 156
Литература 160
- Обзор результатов экспериментальных исследований температурных режимов работы основных несущих конструкций промышленных зданий
- Конвертерное отделение кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
- Результаты замеров температур на поверхности основных несущих металлических конструкций каркасов промышленных зданий
- Пример расчета на прочность стальной неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения по предложенной методике
Введение к работе
Развитие техники и технологий позволяет предприятиям черной металлургии постоянно увеличивать свою производительность, но параллельно с этим происходит снижение капитальных вложений в новое строительство, поэтому актуальной становится проблема продления срока эксплуатации (включая оценку остаточной прочности) существующих производственных зданий и сооружений.
Наиболее повреждаемыми несущими конструкциями каркаса зданий металлургических комплексов являются подкрановые конструкции, которые одновременно испытывают крановые и технологические температурные воздействия. Подкрановые конструкции коробчатого сечения являются, как правило, неразрезными многопролетными конструкциями, имеющими большие геометрические размеры и работающие в тяжелых условиях эксплуатации (применение кранов режимов 7К и 8К грузоподъемностью до 500 т при собственном весе крана до 750 т).
Особенностью работы указанных конструкций является общий длительный квазистационарный температурный нагрев, а также локальные циклические температурные воздействия на отдельные зоны, что вызвано особенностями технологического процесса (заливка чугуна, слив стали и др.). Недооценка влияния данных температурных воздействий приводит к увеличению металлоемкости подкрановых конструкций на стадии проектирования либо к повреждениям подкрановых конструкций на стадии эксплуатации, а также приводит к разработке дополнительных мероприятий по защите конструкций от технологических температур.
Недостаточная изученность реальных условий эксплуатации стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения и некорректный учет температурных технологических воздействий, являющихся особенностью технологического процесса в металлургических комплексах, при проектировании и усилении стальных подкрановых конструкций являются причиной продолжающихся повреждений и разрушений подкрановых балок, эксплуатирующихся в металлургических цехах с источниками повышенных тепловыделений (кислородно-конвертерные, мартеновские цехи и др.).
Цель работы заключается в корректировке инженерной методики расчета на прочность эксплуатируемых стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения с учетом общего квазистационарного нагрева балки и локального воздействия повышенных температур, характерных для технологических процессов металлургических комплексов, на отдельные зоны балки.
Основные задачи исследования;
1. Проанализировать повреждаемость подкрановых конструкций,
эксплуатируемых в металлургических комплексах и испытывающих
воздействия повышенных температур, вызванных особенностями
технологического процесса.
2. Изучить экспериментальным путем температурный режим работы
стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения в условиях ре
ального производства с учетом изменившихся мощностей тепловых агрегатов
(на примере конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ОАО
«Магнитогорский металлургический комбинат» - КО ККЦ ОАО «ММК»), в том
числе:
изучить общий квазистационарный нагрев балок и его характерные изменения, вызванные особенностями технологического процесса;
выявить расположение на подкрановых балках пятен локального нагрева;
изучить распределение температур внутри пятен локального нагрева;
изучить изменения распределения температур внутри пятен локального нагрева, вызванные особенностями технологического процесса.
3. Изучить экспериментальным путем воздействия технологических
температур, вызванных особенностями технологического процесса в металлур
гических комплексах, на элементы рам, расположенные в наиболее нагретой
части каркаса здания, и теоретически оценить влияние перемещений узлов ра
мы на кинетику напряженно-деформированного состояния (НДС) подкрановой
балки.
Изучить теоретическим путем влияние общего длительного квазистационарного температурного нагрева, а также влияние локальных циклических температурных воздействий в отдельных зонах на кинетику НДС стальной неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения.
Изучить влияние технологических температур, зафиксированных в условиях действующего производства, на изменение механических свойств и расчетных сопротивлений зон сварных соединений (металла шва и околошовной зоны) и стали 09Г2С-12, применяемой для изготовления стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения.
Разработать:
методы защиты стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, эксплуатируемых в металлургических комплексах, с учетом их работы в условиях повышенных квазистационарных температур и локальных температурных воздействий;
рекомендации по эксплуатации стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, работающих в условиях повышенных квазистационарных температур;
метод усиления стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, поврежденных в результате воздействия повышенных квазистационарных технологических температур, характерных для технологических процессов металлургических комплексов.
Предмет исследования; напряженно-деформированное состояние материала стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения при их работе в условиях локального нагрева.
Объект исследования; стальные неразрезные подкрановые балки коробчатого сечения конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
На защиту выносятся;
1. Результаты и анализ теоретических и экспериментальных исследований:
- локального циклического нагрева стальных неразрезных подкрановых
балок коробчатого сечения;
- влияния локальных циклических температурных воздействий в от
дельных зонах на кинетику напряженно-деформированного состояния стальной
неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения.
Скорректированная инженерная методика расчета на прочность эксплуатируемых стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения с учетом общего длительного квазистационарного нагрева балки и локального циклического воздействия повышенных температур, характерных для технологических процессов металлургических комплексов, на отдельные зоны балки.
Рекомендации по защите стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, эксплуатируемых в металлургических комплексах, с учетом их работы в условиях повышенных квазистационарных температур и локальных температурных воздействий.
Обзор результатов экспериментальных исследований температурных режимов работы основных несущих конструкций промышленных зданий
Как показали исследования в работах [20, 38-43], нагрев конструкций зависит от технологического процесса, расположения источников нагрева, времени года.
Проведенные ранее исследования [19, 21-23, 25-31, 41-46] показали, что существенной особенностью технологических температурных воздействий на конструкции является неравномерность нагрева по длине и высоте здания (рис. 1.3, 1.5) и по сечению отдельных элементов каркаса. Температурные поля подкрановых балок имеют сложное криволинейное очертание [20] (рис. 1.4).
По длине температурного блока выделяют участки с повышенными тепловыделениями («горячие») и смежные, непосредственно их не испытывающие. На «горячих» участках также неизбежна неравномерность нагрева.
Важной составляющей процесса, формирующего тепловой режим конструкции, является теплообмен на поверхностях. Тепловой баланс любой поверхности в помещении может быть представлен уравнением [20] где лучистая (Л) и конвективная (К) составляющие теплообмена и теплопроводность (Т) на поверхностях в помещении могут изменяться во времени, иметь различную величину и знак.
Нагрев строительных конструкций также зависит напрямую от типа источника нагрева. Тепловые источники по температуре излучающей поверхности и характеру излучения можно разделить на следующие группы [8]: - источники с температурой излучающей поверхности до 500 С (нагревательные, плавильные и сушильные печи), спектр излучения которых характеризуется исключительно длинными инфракрасными лучами; - источники с температурой поверхности до 1200 С (излучение внутренних поверхностей, печей, нагретых слитков, заготовок, расплавленного металла), спектр излучения которых характеризуется длинными инфракрасными и видимыми лучами; - источники с температурой 1200-1800 С "(расплавленные металлы), в спектре излучения которых преобладают короткие инфракрасные и видимые лучи; - источники с температурой 1200-4000 С (дуговые печи, сварочные аппараты), их спектр излучения включает короткие инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи. Все эти источники делятся на открытые (пламя, зеркало расплавленного металла или шлака) и закрытые (поверхности печей, котлов и т.п.), подвижные (слитки, заготовки, нагретые до 1000-1200 С, готовый прокат) и неподвижные (складируемая продукция). Качественные изменения излучательных характеристик готовой продукции у каждого ее вида происходит совершенно по разному, в соответствии с ее температурой на данном этапе технологического процесса. В связи с этим промышленные источники излучения, являющиеся продукцией доменного, сталеплавильного и прокатного производства, следует рассматривать отдельно. Прокатные цеха по характеру выпускаемой продукции разделяют на следующие группы: сортопрокатные, листопрокатные и трубопрокатные. В сортопрокатных цехах температурный режим помещений зависит от массы проходящего металла, его температуры, формы сечений изделий, а также от способа прокатки. Основными источниками лучистого тепла являются блюмсы, слябы, листы, рулоны и готовые изделия. В главных зданиях конвертерных цехов наибольшая тепловая напряженность наблюдается в конвертерных и разливочных пролетах. В конвертерном пролете основными источниками теплового излучения являются поверхности чугуна в чугуновозе, шлака и стали в ковшах, устанавливаемых под рабочей площадкой во время их выпуска из конвертера. В разливочном пролете - поверхности стали в сталеразливочном ковше. В мартеновских цехах источниками тепловыделений являются: ковши с расплавленной сталью и шлаком, корпус печи. Исследования температурных режимов работы промышленных зданий выполнялись различными авторами [21-33, 38-46]. Обширные работы в этой области за период 1960-79 гг. выполнены институтом ЦНИИПромзданий [38-43]. Так в 1964 г. институтом ЦНИИПромзданий были проведены исследования микроклимата и особенностей формирования его под воздействием технологических и внешнеклиматических факторов в главном здании кислородно-конвертерного цеха Нижнетагильского металлургического комбината. В.И. Сиденко и др. [38, 39] изучали температурно-влажностныи режим воздушной среды главного здания в загрузочном пролете - на рабочей площадке в зоне мостового крана и покрытий, а также в конвертерном пролете на основных рабочих площадках. Исследования показали, что в рабочих зонах (зона расположения действующих конвертеров и все пространство конвертерного пролета выше их горловин) резко сказывается влияние технологического процесса. Мощные источники тепла оказывают воздействия не только на общий температурно-влажностныи режим воздушной среды, но и на температурный режим отдельных участков рабочих площадок над поперечными железнодорожными путями. Эти площадки экранируют стальными листами, которые приходят в негодность через полгода. В отдельных местах листы нагреваются до 505 С.
Н.П. Шаламов и СВ. Дятков [41] проанализировали режимы работы ряда цехов металлургических заводов и дали классификацию их по тепловой напряженности. Так они выявили, что наибольшей тепловой напряженностью характеризуются участки холодильников склада заготовок (крупносортных станов) нагревательных печей с выдвижными подами камерных печей (при трех и более) и нагревательных колодцев. Наименьшие тепловыделения наблюдаются в помещениях мелкосортных станов. Это отмечали Ю.А. Максимов и Н.В. Пак [42].
Исследованиями установлено, что в нагревательных колодцах основной фактор, влияющий на выбор материала конструкции, - это температура нагрева конвективным и лучистым теплом. Температура воздуха: в рабочей зоне -33-45 С (летом) и 8-15 С (зимой), под покрытием - 54-60 и 25-36 С. Температурный градиент (предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами над градиентом) по высоте составляет около 1 С/м.
Конвертерное отделение кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
Изучить экспериментальным путем воздействия технологических температур, вызванных особенностями технологического процесса в металлур гических комплексах, на элементы рам, расположенных в наиболее нагретой части каркаса здания, и оценить теоретическим путем влияние перемещений узлов рамы на кинетику напряженно-деформированного состояния балки. 4. Изучить теоретическим путем влияние общего длительного квазистационарного температурного нагрева, а также влияние локальных циклических температурных воздействий в отдельных зонах на кинетику НДС стальной неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения. 5. Изучить влияние технологических температур, зафиксированных в условиях действующего производства, на изменение механических свойств и расчетных сопротивлений зон сварных соединений (металла шва и околошовной зоны) и стали 09Г2С-12, применяемой для изготовления стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения. 6. Разработать: - методы защиты стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, эксплуатируемых в металлургических комплексах, с учетом их работы в условиях повышенных квазистационарных температур и локальных температурных воздействий; - рекомендации по эксплуатации стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, работающих в условиях повышенных квазистационарных температур и локальных температурных воздействий; - метод усиления стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения, поврежденных в результате воздействия повышенных технологических температур, характерных для технологических процессов металлургических комплексов. Для проведения исследований были выбраны стальные неразрезные подкрановые балки коробчатого сечения, а также основные несущие элементы продольных и поперечных рам, расположенных в зонах повышенных тепловыделений: конвертерное отделение кислородно-конвертерного цеха (КО ККЦ), листопрокатный цех №10 (ЛПЦ №10), мартеновский цех №1 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). Данные цехи были выбраны в качестве объектов исследования, так как в них присутствуют наиболее значительные источники тепловыделений. В конвертерном отделении кислородно-конвертерного цеха основными источниками тепловыделений являются конвертеры для выплавки стали, в мартеновском цехе - мартеновские и двухванновые печи, в листопрокатном цехе № 10 - методические печи. С точки зрения объемно-планировочного решения конвертерное отделение по длине можно разделить на две части (рис. 2.1): - низкая часть в осях «11-27» с участком ремонта кислородных фурм, распо ложенном на отметке 12,0 метров в пролете «Е-И» и оборудованным мостовым краном грузоподъемностью 16/3,2 т; - высокая часть в осях «27-52» с конвертерным пролетом в рядах «Е-И». В конвертерном отделении установлены три конвертера емкостью 350-400 т. Конвертерное отделение в высокой части представляет собой многопролетное здание, состоящее из загрузочного пролета, оборудованного мостовыми кранами грузоподъемностью 450+100/20 т и загрузочными полупортальными машинами грузоподъемностью 130 т, собственно конвертерного пролета и пролетов ремонта ковшей и промежуточных ковшей, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью 140/32 и 80/20 т (рис. 2.2).
С конструктивной точки зрения поперечник низкой части отделения представляет собой четырехпролетную раму с жестким защемлением колонн в фундаментах и жестким сопряжением стропильных ферм с колоннами (рис. 2.3). Исключение составляет пролет «К-Л», где фермы шарнирно опираются на колонны. Поперечник высокой части отделения решается в виде рамно-связевой системы повышенной жесткости. Основу составляют рамно-связевые этажерки пролета «Ж-И», выполненные с шагом 12 м (связи выполняются с отм. 0,000 до отм. 37,500 м), и жестко соединенные с ними с помощью рамных ригелей на отм. 31,300 и 12,000 м колонны ряда «Е». Подкрановые конструкции по оси «Е» при шаге колонн 36 м выполнены с совмещением функций конструкций в виде подкраново-подстропильных ферм с коробчатым нижним поясом. На конструкции подкраново-подстропильных ферм передаются, кроме крановых нагрузок и нагрузки от кровли пролета «Д-Е», также нагрузки от завалочных машин в пролете «Д-Е». По ряду «Е-Ж» на отм. 48,500 м выполнена тяжелая ферма пролетом 36 м, на которую передаются нагрузки от системы котла, газоочистки и измерительной фурмы.
Все подкрановые балки отделения под краны грузоподъёмностью 80 т и более выполнены неразрезными. Колонны здания сварные решетчатые. Стропильные фермы во всех пролетах - с параллельными поясами. Сечение поясов из широкополочных двутавров, решетка из уголков. Монтажные стыки стропильных ферм: верхние пояса на фланцах, нижние пояса - на накладках и высокопрочных болтах. По стропильным фермам уложены щиты кровли размерами 3 х 12 и 3,25 х 12 м. Стены выполнены из профлиста по прогонам. Для изучения температурных режимов работы конструкций конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха были выбраны: - подкрановые конструкции на отм. + 27,980, расположенные непосредственно над источниками нагрева (конвертеры № 1-3) по ряду «Е» в осях «31-50»; - колонны, расположенные по ряду «Е» оси с «31» по «50» ось; - вышележащие конструкции (подкрановые балки на отм. +34,230, подкра-ново-подстропильные фермы), расположенные по ряду «Е» в осях «31-50».
Результаты замеров температур на поверхности основных несущих металлических конструкций каркасов промышленных зданий
Замеры температур производились бесконтактным методом при помощи следующих приборов: дистанционный инфракрасный пирометр «Кельвин» с погрешностью измерений ± 1 С, тепловизор марки РМ 595 фирмы «FLIR SYSTEMS» с погрешностью измерений ± 2 С.
При помощи инфракрасного пирометра были замерены температуры на поверхности основных элементов каркаса конвертерного отделения кислородно-конвертерного, листопрокатного № 10 и мартеновского цехов В каждой точке температура измерялась трижды и в качестве окончательного значения принималось среднее значение. Схемы замеров температур приведены на рис. 2.2, 2.3, 2.9.
Температура конструкций измерялась: - для подкрановых балок: в опорных частях, в середине пролета; - для колонн: в подкрановой и надкрановой частях, в местах сопряжения подкрановых балок с колонной; - для ГШФ: опорные части, стойки, раскосы; - для подстропильных ферм: опорные части, стойки, раскосы. Исследования в кислородно-конвертерном, листопрокатном и мартеновском цехах проводились в зимний период с температурой наружного воздуха минус 20 + 23 С и летний с температурой наружного воздуха + 18 -s- 26 С. Для расчётов напряжённо-деформированного состояния продольной, поперечной рам и подкрановой балки коробчатого сечения был выбран метод конечных элементов, как наиболее точный, надёжный и позволяющий производить математические расчёты с минимальными упрощениями расчётной схемы и с учётом реальной геометрии конструкций [85-90]. Была выбрана программа proFEt&STARK ES 2.14, разработанная фирмой «ЕВРОСОФТ», г. Москва, предназначенная для расчётов пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания методом конечных элементов. Данная программа позволяет производить расчёты с учётом реальных свойств материалов и с применением различных конечно-элементных моделей. Тип конечно-элементных моделей для продольной и поперечной рам — стержень, а для коробчатой подкрановой балки — плоская оболочка. Отличие данной программы от остальных заключается в возможности использования для расчёта прямых методов (Гаусса, Холецкого) и итерационных, причём погрешность итераций задаётся пользователем. При расчёте предусмотрена возможность ускоренного вычисления матриц, при котором несколько теряется точность, но уменьшается общее время решения задачи. Расчёт продольных, поперечных рам производился по трем схемам: 1) бездефектная; 2) бездефектная с нагревом конструкций на эксплуатационные температуры (температуры, полученные в ходе экспериментальных замеров); 3) бездефектная с нагревом конструкций на эксплуатационные температуры и с локальным нагревом подкрановой балки на 600 С. Для расчёта были выбраны продольная и поперечная рамы конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ММК. Расчет подкрановой балки коробчатого сечения производился также по трем схемам: 1) бездефектная; 2) бездефектная с общим нагревом конструкции на температуры 20-200 С; 3) бездефектная с локальным нагревом конструкции на 20-600 С на фоне общего нагрева составляющего 60-200 С. Схемы выбирались бездефектными с целью более корректного изучения влияния только температуры на работу рам и подкрановой балки. Для расчета была выбрана стальная неразрезная подкрановая балка коробчатого сечения с длиной одного пролета 12 м и числом пролетов — 7 (рис. 2.15). Учет работы стали конструкций производился, согласно диаграмме Прандтля. На рис. 2.16, 2.17 представлены расчетные схемы рам конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ММК. Как видно из данных схем, в расчете произведены некоторые упрощения элементов реальной конструктивной схемы. Колонны, имеющие постоянное по высоте сечение, вводились в расчет в виде стержней. Консоли колонн, фонарные и подкрановые конструкции принимались упрощенно в виде стержней. Данные упрощения не оказывают существенного влияния на достоверность полученных результатов расчета. Материалы элементов задавались в соответствии с реальными материалами конструкций. Граничные условия задавались из условия жесткого защемления колонн в фундаментах. Крепление связей, решеток ферм и колонн было заданно шарнирным. В поперечной раме фермы к колоннам крепятся жестко за исключением колонн по ряду «К», где выполнено шарнирное сопряжение. Постоянная нагрузка от веса покрытия, снеговая: для ригелей задавалась равномернораспределенной; для стропильных ферм - узловой. Ветровая нагрузка задавалась в виде равномернораспределенной (W3Ke) и сосредоточенной нагрузок (Fe). Крановая нагрузка задавалась в виде сосредото 64 ченных сил. Для того чтобы сосредоточенные силы были приложены в узлах сопряжения элементов, проводилось дополнительное разбиение близлежащих конечных элементов.
Пример расчета на прочность стальной неразрезной подкрановой балки коробчатого сечения по предложенной методике
Экспериментальные исследования температурного режима работы стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения в условиях реального производства (на примере конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат») показали:
Исследуемые стальные неразрезные подкрановые балки коробчатого сечения испытывают общий длительный квазистационарный нагрев до t = 180-200 С в холодный период (с октября по февраль) и до t = 160-180 С в теплый период (с марта по сентябрь). Общий длительный нагрев остается практически постоянным (квазистационарным) в течение всего технологического цикла, так как зарегистрированные колебания температур не превышают ± 10 С. Снижение нагрева подкрановых балок в летний период на 20-40 С связано с увеличением аэрации промышленного здания.
Кроме общего нагрева, стальные неразрезные подкрановые балки испытывают локальный циклический нагрев, достигающий в отдельные периоды технологического процесса 600 С - на поверхности защитных экранов балок и 290 С - на подкрановых балках. Пятна локального нагрева расположены в центре пролетов балок, непосредственно над сталеплавильными агрегатами -конвертерами. Форма и размер пятен локального нагрева связаны с особенностями технологического процесса и приближаются к условному эллипсу. Максимальный диаметр условного эллипса колеблется в диапазоне 850-9100 мм, минимальный диаметр колеблется в пределах (0,3-0,9) высоты балки.
Максимальная температура внутри пятен локального нагрева зависит от особенностей технологического процесса и достигает величины на поверхности защитных экранов 600 С в холодный период и 550 С - в теплый период года; на стенке подкрановой балки 290 С - в холодный период и 270 С -в теплый период года. Максимальные температуры в центре пятен локального нагрева наблюдались в момент слива стали из конвертера. Минимальные температуры были зафиксированы при завалке лома в конвертер и достигали на стенке балки величин 230 С в холодный период и 210 С - в теплый период года. - при завалке лома в конвертер - 3-15 С в холодный период; 3-13 С — в теплый период; - при заливке чугуна в конвертер - 7-25 С в холодный период; 7-24 С — в теплый период; - при плавлении стали в конвертере — 5-20 С в холодный период; 5-19 С — в теплый период; - при сливе стали из конвертера - 7-35 С в холодный период; 3-30 С — в теплый период. Анализ температурных режимов работы элементов рам, расположен ных в наиболее нагретых частях каркасов мартеновского, листопрокатного №10 цехов и конвертерного отделения кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», показал: конструкции каркаса, расположенные непосредственно в местах повышенных тепловыделений, имеют температуры на своей поверхности порядка 60-80 С, а конструкции, расположенные непосредственно над источниками нагрева, нагреваются до температуры 60-200 С, при этом наиболее нагретыми элементами каркаса являются подкрановые балки, которые испытывают как общий длительный квазистационарный нагрев до 35-200 С, так и локальный циклический нагрев, достигающий в отдельные периоды технологического процесса 600 С на поверхности защитных экранов балок и 290 С - на стенках подкрановых балок. Анализ результатов теоретического изучения НДС материала попе речной и продольной рам показал, что при крановых нагрузках, атмосферных нагрузках, нагрузках от собственного веса конструкций, при общем нагреве на эксплуатационные (рабочие) температуры напряжения в элементах рам не пре вышают предела текучести стали. При локальном нагреве отдельных элементов рам выявлены напряжения, достигающие предела текучести стали, при этом в локально нагретых элементах образуется шарнир пластичности, что исключает перемещения рядом расположенных элементов. Дальнейший расчет на прочность стальных неразрезных подкрановых балок коробчатого сечения возможен без учета совместности работы с элементами рамы. 4. Анализ результатов теоретического изучения НДС стальной неразрез ной подкрановой балки показал, что при локальных нагревах балки до 600 С на фоне общего нагрева до 200 С в пятнах локального нагрева интенсивность на пряжений сг. резко возрастает (до двух и более раз) в диапазоне температур 200-300 С и достигает предела текучести при 300 С, при этом главные напряжения тх, также резко возрастая достигают предела текучести уже при 250-270 С. 5. Анализ результатов изучения влияния зафиксированных в условиях действующего производства технологических температур на изменение расчет ных сопротивлений, механических характеристик и пластических свойств металла шва, околошовной зоны и основного металла (сталь 09Г2С-12) как вдоль, так и поперек направления прокатки показал, что наиболее чувствительными к воздействию температур в диапазоне +20-550 С являются металл шва и металл околошовной зоны. Резкое снижение Ry для металла околошовной зоны отмечено в диапазоне t = 250-350 С, в то время как для металла шва резкое снижение Ry отмечено уже в диапазоне t = 200-250 С.
