Введение к работе
., *: I
'" - 'і
JАктуальность проблемы. Применение висячих систем при строительстве промышленных и гражданских зданий и различных инженерных сооружений позволяет снизить не только расход материала на несущие конструкции, но и стоимость всего сооружения, а также повысить уровень индустриализации и сократить сроки строительства. При этом висячие системы могут быть эффективно использованы в самых разных случаях: при произвольном в плане опорном контуре, разнообразных начальных состояниях, граничных условиях, схемах нагружения, эксплуатационных влияниях и пр. Такие системы мало чувствительны к сейсмическим воздействиям, различного рода перегрузкам и т.д.
Наряду с указанными достоинствами, висячие системы обладают и весьма существенным недостатком - повышенной деформативностью при действии несимметричных, особенно сосредоточенных нагрузок. Поэтому вопросам стабилизации их формы уделяется повышенное внимание. Методы уменьшения деформативности висячих систем во многом зависят от их функционального назначения и заключаются в предварительном напряжении системы, совершенствовании ее конструкции, осуществлении некоторых других мероприятий. Несмотря на наличие различных подходов к решению указанной проблемы, продолжается поиск иных путей уменьшения деформативности висячих систем. В последнее время для этих целей стали применять новые перспективные конструкции -висячие системы повышенной жесткости, несущие элементы которых выполнены из нитей конечной жесткости.
Другой важной причиной, сдерживающей внедрение этих конструкций в практику строительства, является также недостаточная изученность их работы, особенно с учетом пластических свойств материала и при значениях внешних нагрузок близких к критическим. Ввиду значительной геометрической и физической нелинейности задачи, существующие методы расчета ориентированы на рассмотрение различных практически важных частных случаев работы висячих систем. При этом каждый метод, как правило, построен с использованием своих предпосылок.
Поэтому является актуальной разработка общей теории расчета висячих систем повышенной жесткости, охватывающей работу указанных конструкций с единых позиций как при упругих деформациях, так и за пределом упругости, а также основанных на этом рекомендаций по совершенствованию их конструктивных форм. Реализация такой работы не только повысит надежность висячих систем повышенной жесткости, но и позволит увеличить объем их применения в строительстве, что даст Зольшой экономический эффект.
Целью работы является:
-
Создание с единых энергетических позиций общей теории расчета несущих элементов висячих систем повышенной жесткости на произвольные нагрузки и воздействия в упругой и пластической стадиях работы материала и разработка уточненных, а также простых и достоверных инженерных методов расчета прочности и устойчивости рассматриваемых конструкций.
-
Совершенствование некоторых висячих систем в области конструктивных форм, методов искусственного регулирования усилий, способов и приемов монтажа для более полного использования присущих им преимуществ при проектировании и возведении зданий и сооружений.
Для достижения поставленной цели предусматривалось:
разработать уточненную теорию расчета прочности и устойчивости несущих элементов висячих систем повышенной жесткости на произвольные нагрузки и воздействия при работе материала в пределах упругих деформаций и за пределом упругости;
предложить приближенные (инженерные) методы расчета, позволяющие существенно упростить расчетные зависимости и свести методику к решениям простым и удобным для применения на практике;
разработать на основе предложенных методик комплекс программ, реализующий на ЭВМ комплексный расчет и исследование напряженно-деформированного состояния висячих систем повышенной жесткости с учетом всего многообразия внешних нагрузок, воздействий, граничных условий, конструктивных особенностей и пр.;
уточнить закономерности влияния различных факторов (характер и величина нагрузки, стрела провисания, граничные условия, физико-механические параметры и т.д.) на напряженно-деформированное состояние и несущую способность висячих систем;
на основании анализа результатов выполненных исследований разработать новые эффективные решения висячих систем повышенной жесткости, предназначенные для пространственных большепролетных покрытий промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений;
провести исследования напряженно-деформированного состояния некоторых реальных зданий и сооружений висячего типа и на основании изучения закономерностей работы указанных объектов дать предложения по совершенствованию их конструктивных и проектных решений.
Научную новизну работы составляют:
уточненная теория расчета нитей конечной лссткости и висячих систем на их основе на произвольные нагрузки и воздействия в упругой и пластической стадиях, основанная на применении принципа возможных
перемещений (принципа Лагранжа);
приближенный метод расчета несущих элементов висячих систем повышенной жесткости, основанный на применении метода рядов Фурье, позволивший существенно упростить расчетные зависимости и свести методику расчета к решениям простым и удобным для использования;
общий метод расчета устойчивости плоской формы изгиба нитей конечной жесткости в упругой и пластической стадиях при симметричных и несимметричных загружениях, основанный на применении принципа возможных перемещений с использованием энергетического критерия устойчивости и теории пластического течения;
методика расчета висячих систем повышенной жесткости, реализованная с позиций трехмерной теории упругости в геометрически нелинейной постановке в рамках метода конечных элементов;
комплекс программ для исследования напряженно-деформированного состояния нитей конечной жесткости и висячих систем повышенной жесткости, состоящих из фрагментов вант, нитей конечной жесткости и мембран при произвольных нагрузках, воздействиях, граничных условиях, физико-механических характеристиках и пр.;
результаты численных исследований нитей конечной жесткости на прочность и устойчивость в пределах и за пределами упругости;
результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния ряда реальных промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
разработанная уточненная теория расчета висячих систем повышенной жесткости и реализованный комплекс программ, позволяющие проводить более точное и детальное изучение поведения конструкций при произвольных нагрузках и воздействиях, нашли применение при расчете и премировании реальных объектов;
на основании изучения закономерностей работы и влияния различных факторов на деформирование нитей конечной жесткости предложены новые конструктивные решения висячих систем повышенной жесткости, пять из которых защищены авторскими свидетельствами, а на два получены положительные решения на изобретения;
с учетом анализа результатов исследований напряженно-деформированного состояния реальных зданий и сооружений висячего типа даны рекомендации по совершенствованию их проектных решений в части выбора размеров и формы поперечных сечений несущих элементов, коррекции условий их примыкания друг к другу и к опорам, уменьшения нал-
ряжений в несущих элементах и опорных конструкциях и т.п.
Внедрение результатов работы выполнено путем их применения при исследовании и проектировании реальных объектов, а также при разработке нормативных документов. К объектам проектирования и строительства, которые осуществлялись при участии автора, относятся такие уникальные здания и сооружения, как висячие трубопроводные переходы нефтепровода пролетом 950 м через реку Амударью и керосинопровода пролетом 450 м через реку Ангару; висячие покрытия Универсального спортивно-зрелищного зала на 10500 зрительских мест в г.Алма-Ате, завода "Компрессор" в г.Москве и универсального производственного здания; облегченная складчатая конструкция ангара для самолетов в аэропорту г.Донецка; трансформирующиеся большепролетные вантово-стержневые оболочки и другие объекты.
Кроме того результаты исследований использовались при разработке выпущенных Научно-исследовательским институтом бетона и железобетона "Рекомендаций по проектированию железобетонных (с внешним листовым армированием) висячих покрытий при реконструкции предприятий без остановки производства". - М., 1984.
Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международных конгрессах ИАСС "Теория, экспериментальные исследования и разработка новых типов пространственных большепролетных конструкций" (Москва, 1985 г., Копенгаген, 1991 г., Торонто, 1992 г.) и ИКМ "Применение математики в технических науках" (Веймар, 1984, 1987 гг.); на Международной конференции "Новые решения мостов и путепроводов" (Сингапур, 1991 г.) и коллоквиуме ИАСС "Резервуарные хранилища для питьевой воды" (Зальцбург-Капрун, 1992 г.); на Всесоюзных конференциях "Смешанные задачи механики деформируемого тела" (Одесса, 1989 г.), "Тонкостенные и пространственные конструкции покрытий зданий" (Таллинн, 1986 г.), "Статика и динамика пространственных конструкций" (Киев, 1985 г.), "Автоматизация проектных работ в сельском строительстве" (Ростов-на-Дону, 1985 г.), "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1984 г.); на Всесоюзных школах-семинарах "Метод конечных элементов в механике деформируемых тел" (Рига, 1981 г., Запорожье, 1985 г.); на Республиканских и региональных конференциях и семинарах "Расчетные методы и практика судовых мягких и гибких конструкций" (Владивосток, 1987 г.), "Автоматизация проектных и графических работ" (Ташкент, 1987 г.), "Создание и использование систем автоматизированного проектирования в строите-
льстве" (Киев, 1986 г.), "Повышение эффективности сельскохозяйственного строительства" (Полтава, 1985 г.); на научно-технических конференциях вузов и институтов (Киев, КИСИ, 1977-1985 гг., НИИСК, 1983 г.); на выставке "НГТМ-84" (Киев, 1984 г.).
В полном объеме диссертационная работа была доложена и обсуждена на объединенном семинаре отделов "Численные методы и теория сооружений" и "Прочность и надежность сооружений" ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко (Москва, 1989, 1992 гг.).
Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано более 60 научных работ, получено 5 авторских свидетельств и 2 положительных решения на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, первой главы, трех частей, каждая из которых, в свою очередь, включает по три главы и заканчивается выводами, заключения, списка литературы и приложения, в котором содержатся документы, подтверждающие практическое использование результатов работы. Всего в работе десять глав.
Общий объем диссертации: страниц машинописного текста 340, рисунков 96, таблиц 10, список литературы из 308 наименований.