Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Основные методы и приемы усиления металлических конструкций
1.2. Обзор исследований в области усиления металлических конструкций 1Ъ
1.3. Особенности работы и расчета усиленных металлических конструкций. Постановка задач исследования 2З
ГЛАВА 2. Итерационный метод расчета балок, усиливаемых под нагрузкой
2.1. Общие положения Н
2.2. Решение дифференциального уравнения изогнутой оси балки
2.3. Определение напряженно-деформированного состояния сечений 56
2.4. Деформации при присоединении элементов усиления 59
2.5. Напряжения и деформации балок при усилении под нагрузкой с помощью сварки ^
2.6. Расчет усиленных балок на возрастающие нагрузки 93
2.7. Учет деформаций сдвига при определении напряженно-деформированного состояния сечений. 3?
2.8. Расчет балок, усиленных наклонными ребрами жесткости 107
ГЛАВА 3. Описание программы и примеры расчета усиливаемых балок
3.1. Общая характеристика программы расчета
3.2.. Тестовые расчеты М5
3.3. Развитие сварочных напряжений и деформаций в сечениях усиливаемых балок /25
3.4, Напряженно-деформированное состояние усиленных балок при возрастании нагрузок. Оценка прочности /35
3.5. Деформативность усиливаемых под нагрузкой балок
ГЛАВА 4. Приближенные методы расчета однопролетных балок, усиленных под нагрузкой
4.1. Расчет однопролетных балок, усиленных увеличением сечения
4.2. Расчет однопролетных балок, усиленных наклонными ребрами жесткости , /#
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследованйя усиленных балок
5.1. Программа и методика испытаний
5.2. Испытание симметрично усиленных балок /90
5.3. Испытание несимметрично усиленных балок /97
5.4. Испытание балок, усиленных наклонными ребрами жесткости 203
5.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований 2/7
Заключение 2/9
Литература
- Обзор исследований в области усиления металлических конструкций
- Определение напряженно-деформированного состояния сечений
- Напряженно-деформированное состояние усиленных балок при возрастании нагрузок. Оценка прочности
- Расчет однопролетных балок, усиленных наклонными ребрами жесткости
Обзор исследований в области усиления металлических конструкций
Под усилением понимается комплекс мероприятий по увеличению несущей способности конструкции и обеспечению ее нормальной эксплуатации. Необходимость усиления металлических конструкций возникает тогда, когда они перестают отвечать требованиям прочности, устойчивости, жесткости из-за увеличения действующих на них нагрузок, либо из-за наличия определенных дефектов, снижающих их эксплуатационные качества.
Различают четыре вида усиления: временное, неотложно аварийное, капитальное и перспективное [43] .
Временное и неотложно аварийное усиление применяется для конструкций, которые необходимо ввести в эксплуатацию в кратчайшие сроки и на непродолжительный период времени, до их капитального усиления. Эти особенности обуславливают использование наиболее простых схем усиления с привлечением самых различных подсобных материалов (дерева, тросов и т.п.). Временное и неотложно аварийное усиление не требуют детального исследования в плане разработки расчетных методов и в дальнейшем не рассоривайся.
Капитальное усиление предполагает длительный период эксплуатации усиливаемой конструкции. Используется оно при реконструкции или восстановлении (увеличении) несущей способности элементов.
Перспективное усиление используется для тех конструкций, на которые возможно увеличение нагрузок по истечении какого-то промежутка времени эксплуатации. Особенность этого вида усиления заключается главным образом в том, что при проектировании зданий и сооружений необходимо предвидеть возможность усиления, а, еле -5 довательно, особым образом подходить к компановке несущих конструкций и их элементов.
Усиление конструкций может быть выполнено после их демонтажа или без демонтажа, в проектном положении» Первое решение удобно с позиций производства работ по усилению, однако требует дополнительных затрат на демонтаж и последующий монтаж конструкций в проектное положение. Усиление демонтированных конструкций выполняется на заводах или в условиях строительной площадки на специальных стендах. Производство работ при этом значительно упроща-ется, появляется возможность правки, создания предварительного выгиба элементов усиления, использования механизированных процессов (автоматической сварки, резки металла и др.).
Усиление конструкций в проектном положении может осуществляться после полной их разгрузки от всех временных и постоянных нагрузок (кроме собственного веса) или под нагрузкой, в напряженном состоянии. Предварительная разгрузка усиливаемых конструкций, как правило, приводит к необходимости частичной или полной остановки технологических процессов на предприятии и связана с дополнительными затратами на демонтаж ограждающих и несущих конструкций, оборудования и др. Поэтому в большинстве случаев наиболее выгодным оказывается усиление несущих конструкций под нагрузкой. Усиление под нагрузкой тем более эффективно, что зачастую усиления требует не вся конструкция, а лишь отдельные ее элементы и узлы.
Поскольку в условиях действующего производства процесс усиления усложняется, решающее значение приобретают мероприятия по обеспечению его технологичности, т.е. требованию минимальной трудоемкости и удобству выполнения работ. Эти факторы в большой степени влияют на сроки проведения усиления и его стоимость.
Снижение трудоемкости работ по усилению достигается, в основном, с помощью таких мероприятий, как сокращение объема работ за счет использования простых и эффективных схем усиления с минимально необходимыми размерами усиливающих элементов, применение универсальных деталей усиления, не требующих индивидуальной пригонки по месту установки, разработка рациональных приемов монтажа и использование малой механизации в период выполнения внутрицеховых работ,
Существующие приемы усиления металлических конструкций впервые были обобщены и классифицированы М.Н.Лащенко [44, 45] В работе [45] выделено пять основных методов (способов) усиления: подведение новых дополнительных конструкций или элементов; постановка дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок; усиление соединений элементов; изменение конструктивной схемы; увеличение сечений элементов.
Усилению обычно предшествует детальное обследование конструкции, необходимое для выявления дефектов и повреждений ее элементов, структурных и химических изменений материала, условий эксплуатации, отступлений от проектов и установления действительных нагрузок. На основании данных обследования выполняются поверочные расчеты на действующие нагрузки и определяется наличие у конструкции резервов несущей способности. В случаях, когда конструкция оказывается перенапряженной, намечаются мероприятия по ее разгрузке (снижению уровня или перераспределению действующих нагрузок) или усилению, если первое невозможно. Яоэтому в классификации М.Н.Лащенко наряду с методами непосредственного усиления важное место отведено специальным мероприятиям: выявлению неучтенных запасов прочности, перерасчету и испытанию материала конструкций, наложению ограничений на временные нагрузки или непосредственному уменьшению постоянных и временных нагрузок, Эти мероприятия могут быть отнесены к косвенным методам усиления. Использование косвенных методов зачастую позволяет избежать трудоемких работ по непосредственному усилению конструкций.
За счет подведения дополнительных (дублирующих) конструкций или элементов достигается снижение уровня или перераспределение действующих на усиливаемые конструкции нагрузок. Усиление подведением дополнительных (дублирующих) конструкций, как правило, бывает связано с большим расходом материала, сложными монтажными работами и эффективно лишь при частичной или полной разгрузке. Ввиду этого оно используется преимущественно для конструкций, непосредственное усиление которых невозможно или затруднено. С меньшим расходом материала и более просто осуществляется усиление введением дополнительных элементов.
Определение напряженно-деформированного состояния сечений
В исследованиях по проблемам усиления ярко выражены два основных направления. К первому направлению относятся работы, посвященные созданию различных приемов усиления несущих конструкций исходя из конкретных условий, сложившихся в данном здании или сооружении. Ко второму - работы, охватывающие общие вопросы проектирования и расчета усиленных конструкций. Оба направления органически связаны между собой, причем развитие конструктивных приемов усиления предопределяет задачи и требования к расчетным методам.
Начало широкого применения усиления в строительной практике и в нашей стране, и за рубежом можно отнести к тридцатым годам XX века. Наибольшее распространение тогда получили такие методы усиления, как изменение конструктивной схемы (подведение дополнительных промежуточных опор, постановка подкосов, подвесок, шпренгелей), увеличение сечений, подведение дублирующих элементов. Первые работы по усилению элементов металлических конструкций (преимущественно мостов) принадлежат советским ученым Е.О. Патону, В.А.Гастеву, Н.Б.Лялину, Т.М.Богданову. В них заложены -м основные принципы проектирования и производства работ при усилении, отмечены перспективы использования сварки, усиления под нагрузкой с непрерывной эксплуатацией несущих конструкций,
В период I943-I947 годов остро стояла проблема скорейшего ввода в строй разрушенных предприятий и жилых зданий. Это вызвало появление ряда инструктивных документов [9, 10, 40, 53] , содержащих рекомендации по восстановлению и ремонту, альбомы типовых деталей по усилению узлов и элементов металлических конструкций, наиболее удачные примеры из практики усиления. Недостаток металла и большие объемы восстановительных работ в некоторой степени отразились на принципах проектирования. С целью экономии материалов и снижения трудозатрат вторично использовался, после надлежащего контроля и ремонта, металл поврежденных конструкций. Монтаж производился с помощью мостовых кранов и других имеющихся в наличии приспособлений. Усиление рекомендовалось выполнять преимущественно в проектном положении, избегать больших объемов подготовительных работ. В последующий период в публикациях [5, 7, 34, 44, 45, 74, 77, 92] получили дальнейшее развитие новые эффективные приемы усиления. В основу их были положены идеи использования предварительного напряжения, изменения расчетных и конструктивных схем, учета действительного характера и пространственной работы конструкций. Обобщению опыта строительных и проектных организаций были посвящены работы [7, 37, 45, 74] .
Значительно меньше разрабатывались методы оценки несущей способности и деформативности как отдельных элементов, усиленных под нагрузкой, так и конструкций в целом, в составе которых работают усиленные элементы. Отсутствие общих нормативных документов по проектированию и расчету усиления стальных конструкций привело к появлению ряда ведомственных инструкций [68, 71] , содержащих по отдельным вопросам усиления противоречивые рекомендации.
Первая попытка учета упругопластической стадии работы материала была сделана Б.Г.Шварцбургом и ЯЛ.Куценок [93] Предельное состояние растянутых, сжатых и изгибаемых усиленных элементов предлагалось определять исходя из условия появления текучести в краевых волокнах основного сечения, что фактически ограничивало работу основного и дополнительного материала в пределах упругой стадии.
Теоретические и экспериментальные исследования упругопластической работы элементов, усиленных в напряженном состоянии, проводились Е.И.Беленя [5, 6] , Й.Я.Донником [21, 22, 23] , М.Я.Шепельским [96, 97] , В.М.Колесниковым [35] , И.С.Ребровым [62] , Б.И.Десятовым [19] , А.Г.Йммерманом [28] , Р.Кизингером [33] .
Вопросы прочности и устойчивости стержней ферм, усиленных под нагрузкой, рассматривались В.М.Колесниковым [35] . Анализ данных испытания центрально и внецентренно сжатых элементов показал, что в упругой стадии начальные напряжения не сказываются на устойчивости. Однако этот вывод был ошибочно распространен и на упругопластическую область работы материала. В исследованиях [19, 28, 33, 62] отмечалось большое влияние сварки на работу усиленных элементов и необходимость проверки их несущей способности с учетом временных и остаточных сварочных деформаций и напряжений. В [28J сварочный прогиб предлагалось учитывать введением специального коэффициента. Более строгий подход к оценке деформативности элементов при их усилении был дан И.С.Ребровым [62] . Им на основе теории сварочных деформаций и напряжений Н.О.Окерблома была разработана приближенная методика определения сварочного прогиба с учетом начальных напряжений, геометрических характеристик основного и дополнительных элементов, мощности дуги и др. Влияние на работу усиленных элементов некоторых отрицательных факторов (сварочных прогибов, податливости соединений основного и дополнительных элементов и т.п.) предлагалось учитывать «циентом условий работы, равным 0,9. Р.Кизингером [33] была обоснована целесообразность использования элементов усиления, изготовленных из стали повышенной и высокой прочности.
Исследование работы разрезных балок, усиленных под нагрузкой увеличением сечений, проведено Е.й.Беленя, И.Я.Донником, М.Я.Шепельским.
Анализ результатов испытания симметрично усиленных балок [5] позволил выявить такие особенности их работы, как независимость предельной нагрузки от начальных напряжений, снижение предела упругой работы и повышение деформативности с увеличением начальных напряжений. Переход балок из упругой в упругопласти-ческую стадию работы происходил плавно, причем за пределом упругой работы наблюдалось незначительное отступление от гипотезы плоских сечений.
В [5] подчеркивалось, что для статически нагруженных одно-пролетных балок распространение пластических деформаций в основном металле не является опасным при условии, что элементы усиления работают в пределах упругой стадии. Поэтому за предельное принималось состояние наиболее напряженного сечения в момент появления краевой текучести у элементов усиления (рис.1.1,г). Во избежание накопления остаточных деформаций, способствующих развитию шарнира пластичности, за предельное состояние балок, подверженных циклическому загружению, предлагалось принимать состо -/7 Ж) нормальных напряжений в момент появления краевой текучести в основном металле; г - то же - в металле усиления; д - несимметричное усиление; е-и - схемы загружения балок яние наиболее напряженного сечения в момент появления краевой текучести основного металла (рис.1.1,в), Е.й.Беленя были предложены расчетные формулы для определения требуемой площади элементов усиления и момента внутренних сил в предельном (по принятому критерию) состоянии
Напряженно-деформированное состояние усиленных балок при возрастании нагрузок. Оценка прочности
После прохождения дуги через рассматриваемое сечение, в зонах, прилегающих к швам и нагретых ниже 600G, вначале развиваются сжимающие напряжения, достигающие предела текучести. Волокна, нагретые свыше 600С, находятся в пластическом состоянии. По мере остывания происходит пластическая усадка металла. В волокнах, прилегающих к швам, формируются растягивающие напряжения. Неравномерный нагрев пластин обуславливает развитие напряжений разного знака, которые достигают в отдельных зонах предела текучести (рис.3.9, б). Аналогично развиваются напряжения при приварке второго элемента усиления (рис.3.9, в))
После усиления напряженно-деформированное состояние балки характеризуется наличием остаточных сварочных напряжений и остаточных пластических деформаций (рис.3.9, г,д), неравномерно распределенных » по ширине поясов и дополнительных элементов. Б стенке балки имеют место сжимающие напряжения.
При усилении без нагрузки или при сравнительно низком уровне начального нагружения остаточные пластические деформации в основном сечении формируются лишь в околошовных зонах. В элементах усиления остаточные деформации распределяются, как правило, по всей ширине сечения, однако максимального значения они достигают опять-таки в зонах, прилегающих к сварным швам. Уровень остаточных пластических деформаций у элементов усиления, ввиду их более высокого нагрева по сравнению с основным элементом, оказывается несколько выше, чем в полках балки. Характерным для случаев усиления при р - 0 является то, что распределение остаточных напряжений и деформаций балок близко к симметричному относительно оси X . Незначительные различия обуславливаются влиянием сва -/30 рочных напряжений и деформаций, возникающих от приварки первого из элементов усиления, на развитие напряжений и деформаций при приварке второго элемента.
На формирование сварочных напряжений и деформаций при усилении балок под нагрузкой большое влияние оказывают начальные напряжения. Сопоставление эпюр, отвечающих различным значениям коэффициента jS (см. рис.3.9 и 3.10) показывает, что с увеличением начальных напряжений происходит более раннее развитие пластических деформаций в отдельных зонах сечений усиливаемой балки и увеличивается уровень остаточных пластических деформаций. При усилении под нагрузкой развитие и накопление остаточных сварочных деформаций происходит не только в зонах высокого нагрева, прилегающих к сварным швам, но и в сравнительно мало нагретых зонах, удаленных от источника тепла. Наибольшего значения остаточные деформации достигают в сжатых волокнах усиленной балки. В растянутом поясе и элементе усиления со стороны растянутого пояса остаточные деформации сравнительно невелики.
Рассмотрим случаи несимметричного усиления. На рис.3.II -3.13 в качестве иллюстрации приведены эпюры нормальных напряжений: а - до усиления; б - через 50 сек. после прохождения сварочной дугой через рассматриваемое сечение; в - через 100 сек. после прохождения сварочной дугой через рассматриваемое сечение; г - после остывания усиленной балки. На рис,3.II, д - 3.13, д приведены эпюры остаточных сварочных деформаций.
Анализ результатов расчета показал, что при несимметричном усилении развитие сварочных напряжений и деформаций происходит в целом аналогично рассмотренным выше случаям симметричного усиления. При усилении под нагрузкой со стороны растянутых волокон в процессе сварки происходит распространение пластических дефор
Для случаев усиления со стороны сжатых волокон характерно более интенсивное проникновение пластических деформаций вглубь сечения в процессе сварки (эпюры в, г на рис.3.13), а также значительное возрастание уровня остаточных пластических деформаций (рис.3.13, д) по сравнению с предыдущим случаем,
Сварка вызывает приращение кривизны усиливаемых балок. Величина этого приращения существенным образом зависит от уровня начального нагружения, схемы усиления, параметров швов и режима сварки. При симметричном усилении и низком уровне начальных нагрузок ( В 0,5) приращение кривизны сравнительно невелико и совпадает по знаку с кривизной от начальной нагрузки (кривая I на рис.3.14). С увеличением р (в диапазоне J, 0,5) приращение кривизны от сварки резко возрастает.
Б случаях несимметричного усиления со стороны растянутых волокон при невысоком уровне начальных нагрузок приращение кривизны от сварки (см, кривую 2 на рис.3.14) имеет знак, противоположный знаку кривизны от начальной нагрузки (в рассматриваемом примере при 0 f 0,65). При J 0,65 знаки Ajcs и Хн совпадают, однако увеличение уровня начального нагружения при таких схемах усиления не приводит к существенному возрастанию сварочной кривизны.
Расчет однопролетных балок, усиленных наклонными ребрами жесткости
Тензометры и тендоре-зисторы размещались также симметрично относительно плоскости уог . Это было необходимо для контроля плоской формы изгиба балок. Результаты испытаний образцов первой серии приведены в табл.5.1. Из приведенных данных следует, что несущая способность балок в результате усиления была повышена в среднем на 76%. Величина предельной нагрузки не зависела от уровня начальной нагрузки, вида швов и очередности приварки элементов усиления. Экспериментальные значения предельной нагрузки для всех образцов превышали расчетные / значения в среднем на 2%.
Величины остаточных сварочных прогибов балок зависели от уровня начальной нагрузки. Чем больше была начальная нагрузка, тем большее приращение прогиба вызывала сварка. У балок группы СВ остаточные сварочные прогибы оказались на 50-80% ниже по сравнению с прогибами аналогичных балок группы СА. Остаточные сварочные прогибы балок группы СБ превышали прогибы балок группы СА в среднем на 40-50%. Отклонения расчетных значений остаточных сварочных прогибов от экспериментальных значений получились как в большую, так и в меньшую стороны. Наибольшая погрешность наблюдалась у балок СБ-2 и СБ-3, Имеющиеся расхождения могут быть объяснены нестационарностью сварочного процесса: перерывами между заваркой участков швов, непостоянством скорости сварки, мощности дуги и др. Расхождение экспериментальных и теоретических значений сварочных прогибов балок с прерывистыми швами, наряду с выше отмеченными факторами, было обусловлено влиянием протяженных концевых участков швов. В экспериментальных образцах они составляли более 0,2 .В приближенном расчете их влияние не учитывалось.
В целом же теоретические значения остаточных сварочных прогибов удовлетворительно согласуются с экспериментальными.
Кинетика развития временных сварочных прогибов среднего сечения балок группы СА показана на рис.5.3,ах/. Точками отмечены данные эксперимента. Анализируя приведенные графики, можно отметить, что на развитии сварочного прогиба в большой мере сказывался уровень начальной нагрузки. Из графика рис.5.3,а видно, что до момента времени 6 0 мин., соответствующего окончанию сварки, теоретические кривые прогибов хорошо согласуются с экспериментальными данными. В последующие моменты времени отклонение теоретических и экспериментальных данных увеличивается. Несмотря на имеющиеся расхождения, можно отметить, что теоретические кривые правильно описывают кинетику развития временных сварочных прогибов. Сравнительный анализ экспериментальных значений временных прогибов балок групп СА, СБ и СВ показал, что на развитие временных прогибов заметное влияние оказывает также очередность приварки элементов усиления и вид шва.
Развитие прогибов усиливаемых под нагрузкой балок иллюстрируется рис.5.3,6, где приведены теоретические кривые прогибов в среднем сечении образцов группы СА. Точками отмечены экспериментальные данные. Участки ОА кривых отвечают прогибам балок до усиления, участки АВ - прогибам от сварки, участки ВС - прогибам при нагружении после усиления. Небольшое расхождение результатов вызвано, в основном, несовпадением теоретических и экспериментальных значений остаточных прогибов от сварки. В целом теоретические кривые количественно и качественно верно отражают действительный характер работы усиленных балок.
На рис.5.4 в качестве примера приведены перемещения сечений балки СА-2 при усилении. В процессе сварки (кривые 2-4) перемещения развивались в направлении начального прогиба. Наиболее интенсивные перемещения наблюдались на участках балки, где уже были приварены элементы усиления. Затем временные прогибы постепенно уменьшались и к моменту окончания сварки приобретали направление, противоположное направлению начальных прогибов (кривая 5). Интенсивное изменение прогибов наблюдалось в течение 25 минут после окончания сварки, затем скорость нарастания прогибов падала и через 80-90 минут наступала практически полная стабилизация отсчетов по приборам. После остывания усиленной балки направление прогибов совпадало с направлением прогибов от начальной нагрузки (кривая 6).
Похожие диссертации на Работа и расчет стальных балок, усиливаемых под нагрузкой
