Содержание к диссертации
Введение
1. Развитие комбинированных систем шпренгельного типа 18
1.1. Обзор конструктивных решений плоских и пространственных систем для зданий и сооружений 18
1.2. Предварительно напряженные комбинированные системы шпрен-гельного типа для зданий и сооружений и пути их дальнейшего совершенствования 29
1.3. Характеристика предложенных конструктивных форм комбинированных систем, способов их изготовления, предварительного напряжения и монтажа 41
Выводы по разделу 1 77
2. Статическая работа шпренгельных систем предварительно напряженных комбинированным способом 79
2.1. Обзор исследований. Постановка задачи 79
2.2. Прочность шпренгельных систем с комбинированным предварительным напряжением при изгибе 83
2.3. Влияние комбинированного предварительного напряжения при стесненном кручении шпренгельных систем 97
2.4. Испытания шпренгельных балок в условиях изгиба и кручения 107
2.5. Устойчивость плоской формы изгиба шпренгельных систем, предварительно напряженных комбинированным способом 124
2.6. Особенности проектирования шпренгельных конструкций с комбинированным предварительным напряжением 136
Выводы по разделу 2 141
3. Вопросы оптимизации параметров шпренгельных систем 143
3.1. Обзор исследований. Постановка задачи. Метод Нелдера - Мида и его модификация 143
3.2. Расчетная модель для поиска оптимальных параметров шпренгельных конструкций 156
3.3. Численный анализ влияния параметров затяжки на эффективность оптимизации ее формы 167
3.4. Поиск оптимальных характеристик поперечных сечений балок жесткости при различных схемах загружения 180
3.5. Влияние уровня предварительного напряжения затяжек на эффективность оптимизации параметров шпренгельных систем 186
Выводы по разделу 3 194
4. Динамическая работа плоских шпренгельных систем 195
4.1. Анализ проведенных исследований и расчетных подходов 195
4.2. Расчетная модель поперечных колебаний шпренгельных систем. Общий случай 203
4.3. Свободные колебания предварительно напряженных шпренгельных конструкций. Явление конструктивной нелинейности 216
4.4. Вынужденные колебания шпренгельных систем при действии нагрузок промышленной сейсмики. Учет истории загружения 254
4.5. Экспериментальные исследования динамических характеристик шпренгельных систем 273
4.6. Особенности динамических параметров шпренгельных систем с составными балками жесткости 299
4.7. Экспериментальная оценка динамических характеристик шпренгельных конструкций с составными балками жесткости 306
4.8. Поперечные колебания шпренгельных конструкций со специальными средствами гашения колебаний 316
4.9. Испытания шпренгельных конструкций с гасителями колебаний 327
4.10. Конечно-элементная модель динамического расчета комбинированных систем 333
4.11. Экспериментальные исследования поперечных колебаний ванто-во-стержневых систем 356
Выводы по разделу 4 363
5. Динамика пространственно-шпренгельных систем при действии изгибно-крутильных нагрузок 368
5.1. Расчетная модель изгибно-крутильных колебаний пространствен-но-шпренгельных систем 368
5.2. Изгибно-крутильные колебания шпренгельных конструкций со специальными средствами гашения колебаний 389
5.3. Испытания шпренгельных конструкций при изгибно-крутильных колебаниях 392
Выводы по разделу 5 400
6. Некоторые аспекты надежности предварительно-напряженных стальных конструкций шпренгельного типа 402
6.1. Обзор существующих подходов к оценке надежности строительных конструкций 402
6.2. Вероятностная модель для оценки обеспеченности несущей способности предварительно напряженных шпренгельных систем 408
6.3. Влияние конструктивных и технологических параметров на надежность шпренгельных конструкций 422
Выводы по разделу 6 431
7. Внедрение результатов исследований в практику строительства 434
7.1. Применение предложенных комбинированных систем шпренгель-ного типа в зданиях и сооружениях различного назначения 435
7.2. Опыт применения предварительного напряжения при изготовлении и монтаже несущих конструкций 451
7.3. Использование шпренгельных систем усиления строительных конструкций 462
Выводы по разделу 7 474
Основные результаты и выводы 477
Список использованных источников 481
Приложения 511
- Предварительно напряженные комбинированные системы шпрен-гельного типа для зданий и сооружений и пути их дальнейшего совершенствования
- Влияние комбинированного предварительного напряжения при стесненном кручении шпренгельных систем
- Численный анализ влияния параметров затяжки на эффективность оптимизации ее формы
- Свободные колебания предварительно напряженных шпренгельных конструкций. Явление конструктивной нелинейности
Введение к работе
Строительный комплекс ежегодно потребляет около трети общего объема металлопродукции черных металлов, производимых в Российской Федерации [311]. При расходовании на нужды строительства огромных объемов материальных и энергетических ресурсов повышение эффективности их использования приобретает существенное значение и становится важной народнохозяйственной проблемой.
В современных рыночных условиях во многом отпала необходимость производства большого количества однотипных конструкций, имеющих модульные размеры. В тоже время все более явно обозначается потребность в широкой номенклатуре легких металлических конструкциях для перекрытия различных пролетов, в том числе и отличных от унифицированных.
При значительном многообразии планировочных решений зданий и сооружений масштабы применения тех или иных конструктивных систем могут быть незначительными. Часто требуются небольшие партии легких конструкций с низкой трудоемкостью изготовления, размещение производства которых возможно на широкой технологической базе, в том числе и неспециализированной. Это позволяет ускорить размещение и выполнение заказа и существенно снизить стоимость конструкций.
В последние годы все большее значение приобретает реконструкция и капитальный ремонт эксплуатируемых объектов. Перекрываемые пролеты и планировочные схемы существующих зданий и сооружений часто отличаются от унифицированных, что затрудняет применение серийно выпускаемых конструкций.
В связи с изложенным разработка новых конструктивных форм легких металлических конструкций с гибкой компоновочной схемой и создание конструктивных решений, обеспечивающих снижение расхода металла и трудоемкости изготовления и монтажа приобретает особое значение.
Представленные в настоящей работе исследования направлены на решение проблемы совершенствования строительных металлоконструкций в соответствии с целевой комплексной государственной программой О.Ц.031.055.16.Ц.02 «Разработать и внедрить новые прогрессивные металлические конструкции с применением сталей повышенной и высокой прочности, а также коррозионно стойких сталей и экономичных профилей проката, включая конструкции массового применения, изготавливаемые на механизированных и автоматизированных поточных линиях, участках или установках, обеспечивающих повышение производительности труда при изготовлении металлоконструкций на 15...20% в расчете на м2 здания и экономию стали на 8... 10%» (№ Г.Р. 01840072554).
Создание, исследование и внедрение специальных конструкций, необходимых, при реконструкции и капитальном ремонте транспортных сооружений, проводилось в рамках отраслевой программы по повышению эффективности использования действующих основных производственных фондов: «Разработка и внедрение легких комбинированных металлических конструкций при реконструкции и капитальном ремонте объектов локомотивного хозяйства» (№ Г.Р. 1830031591).
Всесторонний анализ эволюции конструктивных форм, условий изготовления и монтажа несущих строительных систем показывает, что одним из перспективных и многообещающих направлений их дальнейшего развития является применение в качестве плоских, пространственных и пространственных отдельно стоящих конструкций предварительно напряженных комбинированных систем, основу которых составляют жесткие элементы, усиленные шпренгельными затяжками.
Стремление к снижению расхода металла и улучшению других показателей должно сочетаться с обеспечением надежности работы конструктивных систем шпренгельного типа. В связи с этим для адекватной оценки их напряженно-деформированного состояния необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, особенно при комбинаторном воздействии статических и динамических нагрузок. Также возникает потребность в совершенствовании расчетных моделей оценки надежности и оптимизации параметров шпренгельных систем. Для определения областей рационального применения необходимо накопление опыта их проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.
Цель работы: разработка и исследование новых технических решений легких металлических конструкций шпренгельного типа, способов их изготовления и монтажа, а, также создание эффективных систем усиления зданий и сооружений различного назначения, исследование их напряженно-деформированного состояния при статических и динамических нагрузках. Для достижения этой цели:
- выполнен анализ развития легких строительных металлических конструкций зданий и сооружений;
- обоснованы пути совершенствования комбинированных систем шпрен-гельного типа для зданий и сооружений;
- определено перспективное направление развития предварительного напряжения металлических конструкций - сочетание в одной конструктивной форме различных приемов регулирования усилий и деформаций;
- предложены новые конструктивные формы плоских и пространственных комбинированных систем шпренгельного типа, способы их изготовления, предварительного напряжения и монтажа, а также шпренгельные системы усиления эксплуатируемых конструкций, защищенные 27-ю патентами и авторскими свидетельствами на изобретение;
- теоретически и экспериментально исследована работа шпренгельных систем, предварительно напряженных комбинированным способом - выгибом частей исходного профиля балки жесткости и натяжением затяжек, в условиях поперечного изгиба и стесненного кручения; определено влияние комбинированного предварительного напряжения на устойчивость плоской формы изгиба;
- решена задача поиска оптимальных по условиям прочности очертаний затяжек и форм поперечных сечений балок жесткости шпренгельных систем при различных схемах загружения;
- разработаны механико-математические модели поперечных колебаний плоских шпренгельных и вантово-стержневых систем, учитывающие их геометрическую и конструктивную нелинейность, историю загружения, начальные геометрические несовершенства, а также многоуровневые формы очертания затяжек, наличие гасителей колебаний и другие факторы;
- создана механико-математическая модель изгибно-крутильных колебаний предварительно напряженных пространственно шпренгельных систем, учитывающая влияние геометрической и конструктивной нелинейности, разнообразные условия закрепления и сложный характер их загружения и эксплуатации;
- разработана вероятностная модель оценки обеспеченности несущей способности предварительно напряженных шпренгельных систем, позволяющая учитывать усилия предварительного натяжения затяжек, как фактор стохастической природы;
- предложенные технические решения внедрены в практику строительства, реконструкции и капитального ремонта зданий и сооружений различного назначения.
Научная новизна работы заключается в:
- обосновании путей совершенствования конструктивных форм комбинированных систем шпренгельного типа, повышающих эффективность их применения;
- создании конструктивных форм плоских и пространственных комбинированных систем шпренгельного типа и разработке способов их изготовления, предварительного напряжения и монтажа, а также шпренгельных систем усиления эксплуатируемых конструкций, новизна которых защищена 27-ю авторскими свидетельствами и патентами на изобретение;
- экспериментально-теоретическом исследовании влияния предварительного напряжения взаимным выгибом частей балки жесткости и натяжением затяжек на прочность и устойчивость шпренгельных систем;
- разработке расчетной модели поиска оптимальных по условиям прочности очертаний затяжек и форм поперечных сечений балок жесткости шпренгельных систем;
- определении эффективных форм очертания затяжек при различных параметрах шпренгельных конструкций;
- создании механико-математических моделей поперечных и изгибно крутильных колебаний шпренгельных и вантово-стержневых систем, учитывающих их особенности - геометрическую и конструктивную нелинейность;
- исследовании влияния конструктивной нелинейности на напряженно деформированное состояние и амплитудно-частотные характеристики шпренгельных и некоторых вантово-стержневых систем;
- разработке вероятностной модели оценки обеспеченности несущей способности шпренгельных конструкций, позволяющей учитывать стохастическую природу как механических и геометрических параметров системы, так и величины предварительного натяжения затяжек;
- определении влияния законов распределения усилий натяжения затяжек на обеспеченность несущей способности шпренгельных систем. Практическая ценность работы заключается в том, что:
- предложенные технические решения внедрены в практику строительства, реконструкции и капитального ремонта зданий и сооружений и показали свою эффективность, как по расходу материала, так и по трудоемкости изготовления и монтажа;
- обоснована и практически подтверждена эффективность включения комбинированного предварительного напряжения шпренгельных систем, как в технологию заводского изготовления, так и в процесс сборки и монтажа на строительной площадке, а, также возможность производства комбинированных систем на широкой технологической базе;
- созданы практические методы расчета и конструирования предварительно напряженных шпренгельных конструкций, используемые в проектной практике институтами «Ленжелдорпроект», «Ленаэропроект» и «ГИПРООБР»;
- разработано «Руководство по проектированию шпренгельных балок с перфорированной стенкой», которое используется институтами «Ленжелдорпроект» и «ГИПРООБР» при проектировании несущих конструкций зданий и сооружений;
На защиту выносятся следующие научные результаты:
- новые эффективные конструктивные решения легких плоских и пространственных комбинированных систем шпренгельного типа;
- способы изготовления, предварительного напряжения и монтажа предложенных конструкций;
- комбинированные способы регулирования усилий;
- методы расчета шпренгельных систем с комбинированным предварительным напряжением; результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния комбинированного предварительного напряжения на прочность и устойчивость шпренгельных систем;
- математическая модель и результаты численного анализа рациональных параметров шпренгельных систем при различных условиях загружения;
- нелинейные механико-математические модели поперечных и изгибно-крутильных колебаний шпренгельных и вантово-стержневых систем, результаты теоретических и экспериментальных исследований их динамических характеристик; - вероятностная модель расчета и результаты численных экспериментов оценки обеспеченности несущей способности предварительно напряженных шпренгельных систем;
Внедрение результатов работы
Предложенные легкие металлические комбинированные конструкции шпренгельного типа нашли применение в проектах 35-ти объектов Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона Российской Федерации, большинство из них реализовано.
Разработаны и внедрены различные типы комбинированных систем: номенклатурный ряд малоэлементных шпренгельных ферм с наклонными стойками для пролетов 12...42 м; большепролетные шпренгельные фермы марочной сборки для пролетов 42...48 м и более; комбинированные вантовые поперечины шпренгельного типа для подвески контактной сети железных дорог; шпренгельные каркасы с ригелями из перфорированных двутавров и комбинированным предварительным напряжением для пролетов 15...36 м; шпренгельные конструкции с активными формами очертания затяжек; шпренгельные подкрановые балки; рамы шпренгельного типа пролетами до 30 м; шпренгельные системы усиления - «жесткий шпренгель», «обратный шпренгель», инвентарные шпренгеля и др.
Практические методы расчета предложенных конструкций шпренгельного типа используются рядом проектных организаций.
Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации подтверждается комплексным характером выполненной работы, включающей: теоретические исследования, основанные на апробированных и широко применяемых методах расчета, численный анализ на ЭВМ, экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях, сравнительный анализ полученных результатов исследований с данными других авторов, а также мониторинг процесса изготовления, сборки, монтажа и эксплуатации конструкций.
Настоящая работа включает введение, семь разделов, основные выводы, список использованной литературы и приложения.
В первом разделе проведен анализ эволюционного развития строительных металлических конструкций зданий и сооружений различного назначения, который выявил необходимость разработки новых конструктивных решений легких метал лических конструкций каркасов производственных зданий, отдельно стоящих пространственных и плоских конструкций, применение которых эффективно как при новом строительстве, так и при реконструкции и капитальном ремонта существующих объектов. В тоже время показано, что применение комбинированных металлических конструкций шпренгельного типа в различных областях техники убедительно доказывает их преимущества по сравнению с другими конструктивными формами.
Существенный эффект снижения материалоемкости комбинированных систем достигается за счет их предварительного напряжения. Перспективным направлением совершенствования которого является комбинированное предварительное напряжение, сочетающее различные способы и приемы искусственного регулирования усилий и деформаций.
Предложены новые конструктивные формы плоских и пространственных легких комбинированных систем шпренгельного типа, а также способы их изготовления, предварительного напряжения и монтажа.
Сформулированы направления совершенствования комбинированных систем шпренгельного типа, повышающие эффективность их применения.
На основе анализа проведенных ранее исследований сформулированы проблемы, разрешение которых дает возможность значительно повысить эффективность применения комбинированных систем шпренгельного типа.
Во втором разделе изложен анализ существующих подходов к расчету предварительно напряженных шпренгельных систем. Показано, что напряженно-деформированное состояние в условиях поперечного изгиба и стесненного кручении, а, также устойчивость плоской формы изгиба шпренгельных систем, предварительно напряженных комбинированным способом, включающим натяжение затяжек и взаимный выгиб частей исходного профиля балки жесткости, исследованы недостаточно.
Изучено влияние компонентов комбинированного предварительного напряжения шпренгельных систем при поперечном изгибе и стесненном кручении. Определен прочностной критерий, позволяющий оценить целесообразность использования комбинированного предварительного напряжения.
Представлен сравнительный анализ теоретических данных и результатов экспериментальных исследований серии опытных конструкций.
Для исследования устойчивости рассматриваемых систем использована техническая теория тонкостенных стержней В.З Власова. В уравнения равновесия были введены дополнительные компоненты, учитывающие влияние комбинированного предварительного напряжения, при этом учет упругого отпора затяжек определялся в соответствии с методикой М.П.Забродина. Рассмотрены частные случаи конструктивных схем шпренгельных конструкций и условий их загружения. Исследовано раздельное и совокупное влияние компонентов комбинированного предварительного напряжения на величину критической нагрузки.
В третьем разделе рассмотрены существующие подходы к формообразованию шпренгельных систем с односторонними затяжками. Показано, что традиционные формы очертания затяжек, подобные эпюрам изгибающих моментов в основной системе от внешней нагрузки являются оптимальными только при уровне их предварительного напряжения, обеспечивающем безмоментную работу балки жесткости.
Для всех остальных случаев выявлены более эффективные формы очертания затяжек, названные активными, обеспечивающие относительное увеличение прочности системы. Новизна предложенных форм очертания затяжек защищена патентом на изобретение.
На основе модифицированного симплекс - метода Нелдера - Мида создана механико-математическая модель оптимизации форм очертания затяжек и поперечных сечений балок жесткости шпренгельных конструкций при различных параметрах систем.
Проведен численный анализ широкого спектра шпренгельных конструкций позволивший определить условия и параметры шпренгельных систем, при которых достигается наибольший эффект от использования активных форм очертания затяжек.
В четвертом разделе показана эволюция методов динамического расчета комбинированных систем. Отмечается, что, несмотря на значительное количество многогранных и глубоких исследований, остается потребность в разработке расчетных моделей, адекватно отражающих как их нелинейные свойства, так и разно 13 образную гамму условий закрепления, комбинаторное воздействие статических и динамических воздействий.
Предложена механико-математическая модель расчета поперечных колебаний предварительно напряженных комбинированных систем шпренгельного типа, учитывающая как геометрическую, так и конструктивную нелинейности. Разработан алгоритм и программные средства реализации поставленной задачи.
Исследовано влияние конструктивной нелинейности шпренгельных систем на их амплитудно-частотные характеристики при свободных поперечных колебаниях. Показаны отличительные особенности исследуемых систем от аналогичных стержневых.
Выявлены воздействия периодического характера, вызывающие в несущих конструкциях незначительные по величине усилия, однако, воздействие которых, при определенных условиях, может стать значимым и приводить к аварийным ситуациям.
На крупномасштабных моделях пролетом 6 м проведена серия экспериментальных исследований, подтвердившая корректность разработанной модели.
Изучены особенности динамических характеристик шпренгельных систем с составными балками жесткости.
Проведены статические и динамические испытания опытной металлодере-вянной шпренгельной системы пролетом 9 м с составной балкой жесткости.
Проанализированы резонансные колебания комбинированных систем с отключающимися затяжками под действием внешних периодических сил.
Оценена эффективность применения предложенных гасителей и конструктивных мероприятий по подавлению отрицательного влияния вынужденных колебаний.
Проведена серия экспериментов по оценке приемлемости разработанной расчетной модели с учетом влияния гасителей колебаний.
Для расчета комбинированных систем с различными геометрическими и конструктивными формами разработана конечно-элементная модель динамического анализа.
Выявлены особенности колебаний некоторых типов вантово-стержневых систем с учетом фактора конструктивной нелинейности. Проведена серия испытаний двухконсольных вантово-стержневых систем. Произведен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных.
В пятом разделе анализ выполненных исследований изгибно-крутильных колебаний комбинированных конструктивных систем показал, что большинстве выполненных работ не учитывался фактор конструктивной нелинейности систем пространственно-шпренгельноготипа.
Предложена механико-математическая модель изгибно-крутильных колебаний предварительно напряженных пространственно-шпренгельных систем, учитывающая влияние геометрической и конструктивной нелинейности, а, также, сложный характер их загружения и эксплуатации. Создан расчетный алгоритм и программные средства его реализации, позволяющие учитывать широкий спектр условий.
Исследованы амплитудно-частотные характеристики различных типов пространственно-шпренгельных систем. Показано, что конструктивная нелинейность пространственно-шпренгельных систем при изгибно-крутильных колебаниях сопровождается проявлением особых динамических свойств конструкций, которые отличаются от соответствующих характеристик этих же систем при плоских поперечных колебаниях.
Для оценки обоснованности расчетного подхода на крупномасштабных моделях проведена серия статических и динамических испытаний при действии изгибно-крутильных нагрузок, в том числе и с использованием гасителей колебаний. Проведенные эксперименты подтвердили приемлемость предложенной расчетной модели.
В шестом разделе рассмотрены некоторые аспекты надежности комбинированных систем. Показано, что стохастическая природа усилий предварительного напряжения, как фактора несущей способности шпренгельных систем в известных вероятностных моделях не рассматривалась.
Предложена вероятностная модель для оценки обеспеченности несущей способности предварительно напряженных шпренгельных систем, которая дает возможность количественной оценки влияния параметров стохастической природы, в том числе и усилий предварительного натяжения затяжек. Исследовано влияние законов распределения технологических параметров и схемы загружения шпренгельных систем на обеспеченность их несущей способности.
Определены условия, при которых в процессе оценки обеспеченности несущей способности можно не учитывать тип закона распределения величины усилий предварительного напряжения затяжек
В седьмом разделе приводятся сведения о практическом использовании результатов исследований. Показано, что предложенные и разработанные комбинированные системы использованы на 35-ти объектах Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона Российской Федерации, в ОАО «Российские железные дороги филиал «Октябрьская железная дорога», ФГУП «Петербургский метрополитен», ОАО «Метрострой» и других организациях. Большинство проектов реализованы.
На основании выполненных исследований разработаны каталоги легких металлических конструкций шпренгельного типа, рекомендации по их практическому расчету и расширению областей применения, которые используются в проектной практике ряда проектных организаций.
Представлены данные о практическом применении разработанных конструктивных систем, объектах внедрения, условиях изготовления и монтажа: - малоэлементных шпренгельных ферм с наклонными стойками для пролетов 12, 18, 40 м; -большепролетных шпренгельных ферм марочной сборки для пролетов 42 и 48 м; -комбинированных вантовых поперечин шпренгельного типа, перекрывающих пролеты до 84 м; - шпренгельных каркасов с ригелями из перфорированных двутавров и комбинированным предварительным напряжением L = 25 м; - шпренгельных конструкций с активными формами очертания затяжек; - шпренгельных подкрановых балок L = 1... 14 м; - рам шпренгельного типа L = 30 м; - шпренгельных систем усиления и др.
Результаты выполненных исследований докладывались на:
- Научно-технической конференции «Повышение эффективности применения металлических строительных конструкций регулированием усилий и деформаций». Свердловск, УПИ, 1982;
- Всесоюзном семинаре «Перспективы развития и пути повышения эффективности применения легких и особо легких металлических конструкций». Киев, 1984;
- Всесоюзном семинаре «Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий». Макеевка, 1986;
- Научно-техническом семинаре «Опыт реконструкции и технического перевооружения промышленных предприятий, реконструкции жилых и общественных зданий». Ленинград, 1986;
- V-й Ленинградской конференции по проблемам применения легких алюминиевых и стальных конструкций в народном хозяйстве. Ленинград, 1989;
- Всесоюзной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте». Ленинград, ЛИИЖТ, 1990;
- Научно-техническом семинаре «Транспорт России». Материалы Санкт- Петербург, 1993;
- Научно-практической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые» Санкт-Петербург, ПГУПС, 1994;
- Ш-ей, IV-й, V-й, VI-й Международных конференциях «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте». Санкт-Петербург, 1995; Санкт-Петербург, 1999; Череповец, 2002; Санкт-Петербург, 2004;
- Семинаре «Эффективность реконструкции зданий различного назначения и оценка ее с применением персональных ЭВМ». Санкт-Петербург, ПГУПС, 1995;
- Научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые». Санкт-Петербург, 1995;
- Научно-методических конференциях «Проблемы строительства, реконструкции и капитального ремонта зданий и сооружений на транспорте». Санкт-Петербург, ПГУПС, 1997, 1999;
- П.. .VII научно-методических конференциях «Дефекты зданий и сооружений. Усиление строительных конструкций» Санкт-Петербург, ВИТУ, 1998... 2003;
- Международной научной конференции «Современные строительные конструкции из металла и древесины», Одесса, ОГАСА, 1999;
- V-й межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». Москва, РГОТУПС, 2000;
- XL Межгосударственном семинаре «Актуальные проблемы прочности». Новгород, НовГУ, 2002; - 45... .60-й научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов. Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 1988...2003;
- 56-й Международной научно-технической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства». Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2004;
- Всероссийских симпозиумах по прикладной и промышленной математике.
Ростов-на-Дону, 2002; Сочи, 2002, 2003; Петрозаводск, 2003; Кисловодск 2004;
- Международной конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте». Самара, СамГАСа, 2002;
- VI-м международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им. В.А.Лихачева. Великий Новгород, НовГУ, 2003;
- Международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных объектов». Санкт - Петербург, ПГУПС, 2003;
- VIII-й Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». Санкт-Петербург, СПбПГУ, 2004;
- VIII-й Украинской научно-технической конференции. "Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее", УкрНИИПСК им. В.Н.Шимановского, Киев, 2004;
В законченном виде работа рассмотрена и одобрена:
- на расширенном семинаре кафедры «Здания и сооружения на железнодорожном транспорте» Российского государственного открытого университета путей сообщения, Москва 2004;
- на расширенном семинаре кафедры «Металлические конструкции и испытания сооружений» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, Санкт-Петербург, 2004;
- на расширенном семинаре кафедры «Строительные конструкции» Петербургского государственного университета путей сообщения, Санкт-Петербург, 2004; Основные положения диссертации опубликованы в 86 печатных работах, в том числе 27 - патенты РФ и авторские свидетельства СССР на изобретения.
Предварительно напряженные комбинированные системы шпрен-гельного типа для зданий и сооружений и пути их дальнейшего совершенствования
В определение комбинированные конструкции разные авторы вкладывают различный смысл. Так, в [174] под комбинированными подразумеваются конструкции, в структуру которых включены элементы, выполненные из различных материалов. Авторы [138, 115] считают комбинированными системы, состоящие из жестких и гибких элементов. Очевидно, что общим в этих подходах является то, что элементы, входящие в состав комбинированной конструкции обладают различными свойствами. В настоящей работе рассматриваются металлические комбинированные системы, включающие жесткие и гибкие стержневые элементы. Жесткие стержневые элементы, которые в некоторых случаях могут быть выполнены из других материалов, как правило, состоят из балок жесткости, работающих на сжатие с изгибом и воспринимающих распор от гибких элементов и стоек или подвесок - элементов, связывающих балки жесткости с гибкими элементами - затяжками. Гибкие элементы выполнены либо в виде затяжек ломаного очертания, образующих со стойками шпренгельную систему, либо в виде прямолинейных вант, являющихся упруго - податливыми опорами для жестких стержней. Комбинированные системы могут иметь предварительное напряжение.
Применение комбинированных металлических систем шпренгельного типа в строительстве началось еще в 19-м веке, когда предварительно напряженные затяжки использовались для усиления балок [75]. Однако предварительное напряжение таких систем было конструктивным и в расчетах не учитывалось.
Конструктивные решения узловых соединений стоек шпренгеля и затяжки, позволяют выполнять ее непрерывной по всему пролету, чем обеспечивается при сохранении низкой трудоемкости их изготовления возможность создания рациональных геометрических форм шпренгельных систем без стыков нижнего пояса.
Это привлекло в 30-е годы прошлого столетия внимание к шпренгельным системам ведущих конструкторов нашей страны. Так разработанные в ЦНИИПС под руководством проф. Н.С.Стрелецкого шпренгельные конструкции без предварительного напряжения применялись в качестве прогонов покрытий промышленных зданий. При этом шпренгельные прогоны оказались легче двутавровых на 68,5%, в то время как снижение веса прогонов в виде металлической фермы составило 58,5%, а прутковых прогоны - на 40...50%[253].
Комбинированные системы шпренгельного типа, как уже отмечалось, эффективно используются не только в строительной, но и других отраслях техники: в стрелах шагающих экскаваторов и грузоподъемных машин [58, 61], в качестве несущего элемента рам железнодорожных вагонов [86], в качестве ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог, а также в конструкциях мостовых кранов [35, 315], при усилении конструкций различного назначения [152].
Особенно ярко достоинства комбинированных предварительно напряженных шпренгельных систем раскрылись при проектировании и постройке шпренгельных радиомачт, разработанных в НИИ Министерства связи под руководством А.А.Воеводина [61, 62]. Ствол таких мачт состоит из центрального стержня-трубы, крестовин-диафрагм и 4-х шпренгельных затяжек, предварительно напряженных расчетными усилиями. Сравнение шпренгельных мачт с типовыми техническими решениями показало, что снижение массы и стоимости составило более чем 50%.
Профессор К.Г.Протасов предложил комбинированные предварительно напряженные двухпоясные вантовые фермы для мостов, состоящие из балки жесткости в виде проезжей части моста и системы вант [211].
Предварительно напряженные шпренгельные конструкции активно используются зарубежными инженерами. В бывшей Чехословакии разработаны и внедрены предварительно напряженные висячие конструкции, купольные, предварительно напряженные стрелы кранов [56, 294]. В бывшей ГДР предварительно напряженные конструкции использовались в качестве подкрановых блок, мостовых кранов, при этом отмечалось повышение несущей способности до 30...50%. Имеется много примеров применения в США, Италии и других странах [170].
В нашей стране ЦНИИСК им.В .А.Кучеренко и опытным производственно-техническим предприятием "Энерготехпром" проводились исследования металлических предварительно напряженных панелей, в которых профилированный настил выполнял ограждающие функции и играл роль элемента жесткости комбинированной системы. Масса панели составила 43 кг/м2 [94].
В Киевском инженерно-строительном институте под руководством проф. М.М.Жербина проведены широкие исследования и выполнены конструкторские разработки по использованию в мостах кранов-перегружателей предварительно напряженных шпренгелей. Разработанные конструкции обеспечили в сравнении с типовыми фермами снижение массы более чем в два раза [111].
На кафедре «Строительные конструкции» ГТГУПСа (ЛИИЖТа) проф. Ю.В.Гайдаровым и его учениками в течение нескольких десятилетий ведутся исследования и разработки комбинированных систем шпренгельного типа. Предложен и разработан способ уменьшения деформативности конструкций с помощью предварительно напряженного верхнего шпренгеля, позволяющий использовать, в частности, для пролетных строений мостов стали высокой прочности, и снизить их стоимость на 15...20% [75]. Исследован эффективный способ повышения рамных каркасов за счет введения в ригель предварительно напряженной шпренгельной затяжки [71]. В дальнейшем, наряду с предложениями профессора К.Г.Протасова [211], была развита идея применения предварительно напряженных пространст-венно-шпренгельных систем в качестве конструкций, работающих на поперечных нагрузки. В частности, в ригелях жестких поперечин опор контактной сети электрифицированных железных дорог [80]. На эффективность применения таких комбинированных систем указывал и проф. В.К.Качурин [137].
Предварительно напряженные шпренгельные системы с двумя затяжками эффективно использованы в ЛенЗНИИЭПе О.А. Курбатовым в качестве элемента опорного контура при проектировании прямоугольных в плане двускатных Байтовых покрытий [150].
В Грузинском политехническом институте предложены комбинированные вантовые фермы - конструкции висячих систем покрытий с использованием шпренгельных элементов с несколькими затяжками [222]. Система состоит из двух элементов: двухпоясной вантовой фермы и предварительно напряженной шпренгельной распорки, воспринимающей горизонтальный распор от двухпоясной вантовой фермы. Отмечается, что комбинированные системы по расходу стали экономичнее ненапряженных ферм в среднем на 44%, предварительно напряженных - в среднем на 37% [222].
Наиболее металлоемким элементом в комбинированной системе шпренгельного типа является балка жесткости, что обусловлено ее сжато-изогнутым напря женно-деформированным состоянием. Уменьшение массы жесткого элемента наиболее эффективный способ снижения металлоемкости комбинированной системы в целом. В связи с этим большой интерес представляет использование в качестве балок жесткости комбинированных систем перфорированных двутавров, позволяющих без дополнительного расхода металла значительно увеличить изгиб-ную жесткость и прочность балки жесткости.
Влияние комбинированного предварительного напряжения при стесненном кручении шпренгельных систем
Совершенствование теории расчета комбинированных систем на всех этапах ее развития определялось с одной стороны состоянием математической науки, развитием строительной механики, возможностями автоматизации расчетных процессов, с другой стороны зависело от усилий исследователей и потребностей строительной отрасли в таких конструкциях.
Появление новых расчетных подходов во многом определялось развитием конструктивных решений комбинированных систем: созданием новых, более совершенных, геометрических форм, использованием прогрессивных профилей и материалов, разработкой новых способов искусственного регулирования усилий.
В первой половине прошлого века в основном исследована работа комбинированных систем без предварительного напряжения в упругой стадии работы материала [35, 87, 270]. Изучению упруго-пластической стадии работы шпренгельных систем посвящена работа В.В. Трофимовича [290].
Со второй половины 20-го века активно развивается теория и практика применения комбинированных систем шпренгельного типа [20, 21, 34, 52, 53, 75, 72, 78, 71, 73, 79, 81, 152, 172, 207, 258, 273, 279, 285, 306, 314]. Качественно новый уровень анализа комбинированных систем шпренгельного типа обеспечило широкое применение ЭВМ на базе численных методов расчета [127]. В настоящее время на базе МКЭ создано большое число программных комплексов, позволяющих решать задачи статики и динамики рассматриваемых систем. Среди них "SCAD", "ЛИРА", "МИРАЖ", "Ладога", "Зенит", "Космос", "MicroFE" и др. Развитие теории расчета и совершенствование конструктивной формы комбинированных систем в нашей стране и других странах СНГ связано с именами Е.И.Беленя, В.В.Бирюлева, В.М.Вахуркина, А.А.Васильева, А.А.Воеводина, Ю.В.Гайдарова, А.В.Гемерлинга, М.М.Жербина, М.П. Забродина, В.К.Качурина, Н.М.Кирсанова, О.А.Курбатова, М.Н.Лащенко, Н.П.Мельникова, В.А.Пермякова, Г.Д.Попова, К.Г.Протасова, Г.Э.Райнуса, А.Н.Размадзе, ВЛ.Романова, Б.А.Сперанского, Н.С.Стрелецкого, Н.Н.Стрелецкого, К.Х.Толмачева, В.В.Трофимовича и др. из зарубежных исследователей следует отметить Н.Аштона, Г.Маньеля, П.Ференчика, М.Тохачека и др. Как уже отмечалось, одним из путей повышения эффективности предварительно напряженных комбинированных систем шпренгельного типа является сочетание различных способов искусственного регулирования усилий. В предложенном способе комбинированного предварительного напряжения [1, 121, 120, 104] сочетаются два приема - натяжение затяжек и взаимный выгиб частей перфорированной балки жесткости навстречу друг другу, что целесообразно в условиях работы балки жесткости как сжатого или сжато-изогнутого элемента. Исследования параметров комбинированного напряжения, определяющих области их рационального применения, и выявление условий достижения максимального эффекта от комбинации предварительных напряжения отсутствует. Для восполнения этого пробела необходимы дополнительные исследования. Анализ технических решений балок жесткости комбинированных систем показал, что одной из эффективных конструктивных форм являются перфорированные профили [170,273]. Исследованием работы перфорированных балок занимались В.В.Бирюлев [29, 31, 32, 33], М.Т.Беседин [28], Л.Е.Дробязко [146], Ю.М.Дукарский [95], М.М.Жербин [112, 113], М.М.Копытов [143], Я.А.Каплун [132, 133], Н.П.Мельников [170], Б.Е.Огородников [184, 183], Ольков Я.И. [184], А.Б.Руссоник [95, 247], А.И.Скляднев [260], Б.Я.Солодарь [267], Н.С.Стрелецкий [276], В.Г.Чернашин [305] и др. Из зарубежных исследователей следует отметить П.Ференчика, М.Тохачека [324, 294], Ф.Фальтуса [323], А.Стенда, М.Гринспана [333] и др. В приведенных выше исследованиях рассматриваются три основные расчетные схемы перфорированных балок: 1 - тонкостенная балка с регулярными отверстиями в стенке [303, 130, 183, 184 и др.]; 2 - составной элемент с дискретными связями сдвига [31, 32, 92, 233, 237, 299 и др.]; 3 - безраскосная ферма Виренделя [146, 132, 143,246, 247, 257, 259, 264, 323 и др.]. Наибольшее распространение получила и используется отечественными нормами расчетная схема перфорированной балки в виде безраскосной фермы Виренделя [264]. Влияние упругого сдвига можно учесть, используя исследования [31, 32, 33, 92], при этом общая структура формул [264] не изменяется. Прочность перфорированных двутавров в упругопластической стадии исследовалась А.И.Склядневым [260]. Жесткость перфорированных балок достаточно полно исследована в работах [92, 143, 259, 260]. Большинство исследователей изучали перфорированные балки постоянной высоты, без предварительного выгиба перед сваркой отдельных тавров, образующих сечение перфорированной балки. Сложный характер работы перфорированной балки жесткости в составе шпренгельной системы предопределяет возможность ее стесненного кручения. Расчет с учетом стесненного кручения может существенно влиять на материалоемкость комбинированных систем различного назначения: пространственных отдельно стоящих - ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог [114, 115, 80], стрел кранов-перегружателей [111]; плоских - стропильных конструкций, элементов перекрытий [45, 48]. Развитие теории расчета стержней различного профиля на кручение связано с исследованиями В.З.Власова, СП. Тимошенко, А.А.Уманского, Д.В.Бычкова, М.Д.Борисова и других. Достаточно подробно изучено напряженно-деформированное состояние отдельных стержней открытого и замкнутого профиля в условиях чистого и стесненного кручения [44, 45, 48, 60]. Работа сквозных балок жесткости в составе пространственно-шпренгельной системы при кручении исследована в М.П.Забродиным в [114]. Выявлен разгружающий эффект от эксцентричного крепления затяжек. Учет кручения перфорированных балок жесткости, как стержней увеличенной относительно исходного профиля высоты приобретает особое значение и требует дополнительных исследований. Вопросы устойчивости центрально и внецентренно сжатых перфорированных стержней рассматривались многими исследователями [130, 143, 245, 276, 333]. В частности в работе [130, 276] перфорированный стержень заменяется сквозным элементом с планками, причем расчетная длина ветви принимается равной 0,8 длины отверстия. М.Гринспаном [333] предложено заменять перфорированный стержень сплошным профилем такого же сечения, но с меньшей, приведенной, толщиной стенки. Приведенная толщина стенки определялась из условия равенства деформаций перфорированной и сплошной пластины. Устойчивость перфорированных стержней в упруго-пластической стадии исследована в [245].
В большинстве работ анализировались изгибные формы устойчивости перфорированных стержней. Устойчивость с учетом изгибно-крутильных форм равновесия исследована недостаточно. Анализ устойчивости шпренгельных систем с перфорированной балкой жесткости, предварительно напряженных затяжками и взаимным выгибом частей перфорированной балки жесткости не изучен.
Таким образом, проведенный анализ выполненных исследований работы на поперечные нагрузки комбинированных систем шпренгельного типа показывает, что наряду с уже хорошей изученностью поведения таких систем и разработкой надежных методик для их расчета, имеются проблемы, требующие дополнительного исследования.
К ним относятся: - поиск областей применимости комбинированного предварительного напряжения, включающего натяжение затяжек и взаимный выгиб частей балки жесткости, рациональных параметров его компонентов; - исследование особенностей работы шпренгельных конструкций с предложенным способом комбинированного предварительного напряжения в условиях стесненного кручения; - оценка устойчивости шпренгельных конструкций с перфорированной балкой жесткости и комбинированным предварительным напряжением, как на стадии предварительного напряжения, так и в эксплуатационном режиме.
Рассмотрим напряженное состояние шпренгельной системы с перфорированной балкой жесткости предварительно напряженной комбинированным способом, суть которого заключается в том, что искусственное регулирование напряжений в сечениях балки жесткости затяжками сочетается с одновременным выгибом частей перфорированной балки жесткости навстречу друг другу в пределах упругой работы материала [1, 120, 121, 104].
Численный анализ влияния параметров затяжки на эффективность оптимизации ее формы
Численный анализ шпренгельных систем загруженных равномерно распределенной нагрузкой и силой в середине пролета показал различия в изменчивости их функций эффекта оптимизации, таким образом, эффективность оптимизационных решений зависит не только от механических и жесткостных параметров системы, но и от характера ее загружения.
Анализ изменения эффекта оптимизации и коэффициента искажения формы затяжки в зависимости от их выноса и жесткости дает основания утверждать, что степень искажения стартовой формы затяжки непосредственно не отражает эффективность оптимизации, то есть при малых значениях коэффициента искажения возможны максимумы эффекта оптимизации и наоборот.
На рис. 3.3.6 приведена поверхность эффекта оптимизации в зависимости от двух аргументов - (І и Т. Из рис. 3.3.6 видно, что функция л = (ц,\/) существенно немонотонна по обоим аргументам. Наибольший эффект от оптимизации формы затяжки для рассмотренного примера достигается при \і = 0,08...0,12 и = 0,2...0,4 при этом достигается эффект увеличения прочности системы на 10... 18%. Таким образом, на основе анализа поверхности эффекта оптимизации появляется возможность целенаправленно формировать жесткостные и геометрические параметры шпренгельных систем.
Анализ возможностей разработанного расчетного подхода показал, что наряду с оптимизацией формы очертания затяжки, и параметров поперечного сечения балки жесткости имеются возможности поиска оптимального выноса затяжки.
Проиллюстрируем это на основе данных выше приведенного примера. Рассмотрим шпренгельную систему с одной стойкой, загруженную одной силой без предварительного напряжения затяжки. На рис. 3.3.7 представлено изменение оптимальной величины относительного выноса затяжки в зависимости от ее относительной жесткости ц для систем с балкой жесткости симметричного и несимметричного поперечного сечения.
При жесткостях затяжки в диапазоне ц. = 0,05...0,4 оптимальным является асимметричное сечение балки жесткости с большим развитием верхнего пояса, это объясняется относительным возрастанием нормальных напряжений от распора в системе.
Полученные автором результаты в целом согласуются с данными расчетной модели И.М.Киянова [139]. В частности: увеличение относительной жесткости затяжки приводит к уменьшению оптимальной высоты ее выноса; у систем с балками жесткости с большими значениями изгибной жесткости оптимальный вынос затяжек меньше. Однако точечные реализации расчета по методике И.М.Киянова показывают несколько меньшие значения оптимального выноса затяжек, что объясняется неучетом продольных деформаций балки, а, также, отсутствием в алгоритме прочностного расчета. Кроме того, методика И.М. Киянова адаптирована только к шпренгельной системе с одной стойкой, где угол наклона затяжки к продольной оси балки постоянен. При других схемах загружения ее применение затруднено.
Проведенный численный анализ позволяет сделать некоторые обобщающие утверждения: 1. При равновесных схемах загружения наиболее существенными факторами, определяющими эффективность оптимизационных процедур являются: характер загружения и параметры шпренгельной системы - относительная жесткость затяжки ц и ее относительный вынос . 2. Существуют значения относительной жесткости затяжки ц и относительного выноса Ч , соответствующие при заданном характере загружения максимальному эффекту от оптимизации формы затяжки. Изменение оптимального относительньного выноса затяжки хр - // в зависимости от уровня ее относительной жесткости (JJ) для систем с балками жесткости симметричного и несимметричного поперечных сечений; -величина оптимального выноса по методике И.М.Киянова. загруженные шпренгельные системы рассмотрим на примере одностоечной шпренгельной балки с одной силой в середине пролета и балкой жесткости симметричного сечения. Оценим изменчивость эффекта оптимизации формы затяжки и коэффициента искажения стартовой формы затяжки v в зависимости от изгибной жесткости балки, характеризующейся ее приведенным относительным радиусом инерции р при постоянном значении ее продольной жесткости ЕАь, при различных величинах выноса затяжки . Результаты численного анализа представлены на рис. 3.4.1 Видно, что на интервале р от 0,01...0,85 эффективность оптимизации имеет слабую тенденцию к повышению на 2...5% . На интервале р от 0,85 до 2,7 происходит резкое в 3,5... 11 раз снижение эффективности от оптимизации, а при р 2,7...3,6 эффективность убывает в пределах 2..5%. Таким образом, наиболее предпочтительным является интервал р от 0,01...0,85. Для симметричного сечения относительная высота балки жесткости при выше приведенных значениях р составляет h = yi = 1/200... 1/40. Интервал р от 0,85 до 2,7 ( h = 1/40... 1/12) - зона резкого падения эффекта. Если по каким-либо соображениям параметры балки соответствуют данному интервалу р, то целесообразно стремится к их минимальным значениям. Оптимизация при р 2,7...3,6 вообще нецелесообразна. Относительная высота выноса затяжек существенным образом сказывается на эффективности оптимизации. Так при = 1/12 эффект на самых благоприятных интервалах р составляет 8...8,5%, в тоже время при = 1/8... 1/6 эффект возрастает до 17,5... 19,25%. Характер изменчивости эффекта оптимизации при всех рассмотренных выносах затяжки одинаков. С увеличением приведенной жесткости р эффективность оптимизации при бблыних значениях Ч снижается значительно быстрее и на неэффективном интервале р значения эффекта оптимизации для всех выносов затяжек Ч близки друг к другу.
Свободные колебания предварительно напряженных шпренгельных конструкций. Явление конструктивной нелинейности
Для систем с усилиями Н0 =0,06...0,24 частота колебаний снижается в соответствии с величинами усилий предварительного напряжения. При этих параметрах возмущения усилия в затяжках и суммарный распор в системе не изменяются и равны Н0(рис.4.3.5 а). Система колеблется линейно. Снижение значений обусловлено распором Н0.
С увеличением значений начальных возмущений у v для всех систем (кроме системы с Н0 = 0 ) изгиб оси балки жесткости по двум полуволнам начинает оказывать определенное влияние: концы балки жесткости сближаются, а усилия в затяжках в связи с этим периодически уменьшаются (рис.4.3.5 б, в). Системы начинают колебаться по схеме, обусловленной геометрической нелинейностью. Так как при кососимметричным формах колебаний за счет упругого отпора затяжек симметричного очертания работа не совершается, то расчетная схема шпренгель-ной системы соответствует схеме колебаний жесткого стержня, находящегося под действием переменных сжимающих сил. Снижение распора в этом случае приводит к уменьшению второго слагаемого уравнения (4.24), и, как следствие, к увеличению значений соп.
Дальнейший рост начальных возмущений приводит к ситуации, когда затяжки начинают периодически отключаться. Формы осциллограмм усилий в затяжках изменяются (рис.4.3.5 г, д). Как и в случае колебаний по одной полуволне возникает явление конструктивной нелинейности и соответствующий эффект «вожжей». Однако характер его проявления иной. В отличие от симметричной формы колебаний, где затяжки отключаются попеременно, в данном случае напряжение и отключение затяжек происходит одновременно, так как их включение и выключение из работы определяется периодическими изменениями расстояния между концами балки жесткости. В течение одного периода колебаний система изменяет свою расчетную схему в следующей последовательности: система с двумя напряженными затяжками — стержень с отключенными натяжками — система с двумя напряженными затяжками и т.д. Чем меньше относительное время включения затяжек (AtH, рис.4.3.5 г, д), тем большую часть периода стержень не испытывает воздействия сжимающих сил, тем больше частота колебаний юц. При последующем возрастании значений yv относительная доля AtHB периоде колебаний Т становится ничтожно малой, а частота колебаний шпренгельной системы и отдельного стержня практически сравниваются (точка д на рис. 4.3.4).
Характерной особенностью кососимметричных колебаний является практическое отсутствие влияния на частотную характеристику величины выноса затяжек и уС , что также связано с не включением в работу затяжек при изгибе по двум полуволнам. В целом следует отметить, что явление конструктивной нелинейности при колебаниях по симметричным и кососимметричным формам оказывает диаметрально противоположное влияние: если при симметричных формах наблюдается снижение частотной характеристики, то при кососимметричных - увеличение. В проектной практике учет этих обстоятельств позволяет целенаправленно воздействовать на величины динамических характеристик шпренгельных систем. В частности появляется возможность расширить диапазон осцилляционности шпренгельных систем, анализ которой представлен ниже. Если для надежной эксплуатации шпренгельных систем изменение величины со является нежелательным (например, возникает опасность резонанса от действия внешних возмущений), то следует стремиться к ситуации, при которой выход затяжек из работы исключается. Одним из способов может быть увеличение жесткости системы, при которой отклонения системы при внешних возмущениях - относительные отклонения, соответствующие началу отключения затяжек. Однако при этом, как правило, увеличивается материалоемкость системы. Другой возможный способ стабилизации значений со - увеличение усилий предварительного напряжения затяжек Н0 до выполнения условий их не отключения. Предварительное напряжение затяжек Щ. Оценим влияние начального натяжения затяжек на частотную характеристику шпренгельных систем и на процесс их колебаний в целом. Для этого используем исходные данные, приведенные в начале подраздела, сделав переменной величиной Но Результаты численного анализа представлены на рис.4.3.6. Наименьшую величину возмущения системы примем равной yv = J/ono обеспечив при этом работу затяжек при минимальном значении относительного предварительного натяжения затяжек Н = 0,025. С ростом усилий предварительного натяжения затяжек у системы при Н = 0,025 и yv = jv OO наблюдается монотонное и относительно незначительное уменьшение величин со. Так при росте Снижение частоты собственных колебаний со является следствием геометрической нелинейности системы, связанной с изменением ее расчетной схемы и объясняется относительным уменьшением возвращающей силы при колебаниях системы, обусловленной увеличением составляющей Hj у в уравнении (4.24). Полученный результат согласуется с ранее проведенными исследованиями на иных расчетных моделях [115,182]. Для других шпренгельных систем назначим величины начального возмущения yv = Уіг\п—Удг\ исходя из отключения затяжек при начальных значениях Но Для них ситуация с увеличением усилий предварительного напряжения выглядит иначе. При малых значениях Но - в диапазоне колебательного процесса, с попеременным отключением затяжек, увеличение Н0 приводит к уменьшению относительного времени отключения затяжек tm/L , где tKH - время работы с отключением затяжек (время режима конструктивной нелинейности) в течение одного периода колебаний, То - период колебаний основного тона.
