Металлические строительные конструкции, предварительно напряженные продольной деформацией стенки

Актуальность проблемы.

В общем обьеме строительных конструкций, на ряду с другими, металлические занимают весьма важное место. Преимущественная область их применения — высотные большепролетные здания и сооружения общественного назначения и промышленные обьекты с интенсивным крановым оборудованием и экстремальным технологическим процессом. По сравнению с железобетонными, металлические строительыеконструкции позволяют снизить трудоемкость изготовления до 50−80%, трудоемкость монтажа до 25% а стоимость металлических каркасов на 12−24% [111,115]. При строительстве в районах Сибири, Дальнего Востока и Севера металлические конструкции могут оказаться единственными, позволяющими повысить эффективность капитальных вложений. Балки и колонны составляют, примерно, 76% объема каркасов зданий и сооружений. Поэтому очевидно, что создание и совершенствование их конструктивных форм с целью решения основных технико-экономических задач в области строительства, включающих в себя снижение массы конструкций, повышение производительности труда при изготовлении и монтаже, повышение скорости возведения зданий и сооружений, снижение стоимости проектирования, изготовления и монтажа конструкций — является важнейшей народнохозяйственной задачей.

Из совокупности факторов технического прогресса, обеспечивающих решение технико-экономической задачи, определяющими являются применение сталей повышенной прочности и прогрессивных конструктивных форм, в том числе предварительно напряженных [114].

В числе первых опубликованных работ русских инженеров, посвященных изучению предварительно напряженных конструкций, можно назвать исследования А. В. Гадолина и Н. В. Калакуцкого.

Предварительное напряжение позволяет регулировать напряженное и деформированное состояние конструкций. Особенно оно эффективно в случае применения высокопрочных сталей, позволяющих вместе с предварительным напряжением существенно снижать их массу.

Суть предварительного напряжения конструкций или их элементов в том, что в них создаются усилия или перемещения, вектор которых направлен в сторону противоположную соответствующему вектору внешних нагрузок. Многочисленные исследования [6, 7, 8, И, 15, 32. 34, 35, 42,102,114″, 32] показали, что несущая способность конструкций повышается на величину предварительного напряжения.

Эффективным оказалось предварительное напряжение и для строительных металлических конструкций. Регулировать внутренние усилия в них начали в середине XIX столетия. В России первые предварительно напряженные металлические конструкции применены академиком В. Г. Шуховым на строительстве Московского ГУМа в 1893 г. и Нижегородской промышленной выставки в 1895 году. Производство высокопрочных сталей ускорило их совершенствование.

Основоположником теории предварительно напряженных металлических конструкций принято считать Г. Маньеля (Бельгия), который разработал конструкцию ферм покрытия ангара в Брюсселе.

Интерес к развитию предварительно напряженных металлических конструкций диктуется экономическим развитием стран. Расширение научно-исследовательских работ, связанных с совершенствованием таких конструкций и опыта их практического применения приходится на 60−70 годы. Три Международных конференции, последняя из которых проходила в Ленинграде (1973 г.), являются подтверждением сказанному.

Неоценимый вклад в дело развития предварительно напряженных стальных строительных конструкций в России внесли Н. С. Стрелецкий, В. М. Вахуркин, Е. И. Беленя, Ю. В. Гайдаров, Б. А. Сперанский, В. В. Бирюлев, Д. Н. Стрелецкий, А. А. Васильев, А. А. Воеводин, А. Б. Пу-ховский и другие. Большая работа в этом направлении проведена зарубежными учеными. Их вклад хорошо освещен в монографии П. Ферен-чика и М. Тохачека [203] и Н. П. Мельникова [114].

Наибольшее распространение в практике строительства получили конструкции предварительное напряжение в которых осуществлено с помощью затяжек, устанавливаемых в районе нижнего пояса или повторяющих эпюру моментов изгибаемых элементов. Исследования балок и ферм показали, что в этом случае повышается жесткость конструкции за счет введения дополнительного элемента (затяжки) увеличивающего момент инерции сечения. При строительстве мачт оттяжки подвергают натяжению, чтобы создать предварительные напряжения для повышения жесткости всей системы. Пространственную жесткость мачт или башен можно повысить установкой предварительно напряженных раскосов в диафрагмах конструкций.

Предварительное напряжение конструкций биметаллических балок повышает область упругой работы высокопрочного материала почти до исчерпания несущей способности.

Весьма эффективным оказалось предварительное напряжение при усилении всех видов конструкций. В ряде случаев оно оказывается единственно возможным способом продления их эксплуатации.

По сравнению с обычными металлическими конструкциями, предварительно напряженные обладают меньшей или весьма малой вероятностью разрушения [1141,115].

Предварительное напряжение позволяет менять модуль упругости материала. Это достигается предварительной вытяжкой канатов, троссов применяемых в качестве затяжек балок, оттяжек мачт и колонн.

Общая устойчивость центрально, внецентренно сжатых металлических элементов будет потеряна тогда, когда в наиболее напряженных зонах сечения появляется текучесть материала. В том случае, когда предварительное напряжение снижает уровень напряженного состояния колонн можно утверждать о его положительном влиянии на устойчивость стержней. Подробно об этом говориться в работах Е. 0. Патона [137,138], Н. Н. Давиденкова [53, 54], Г. А. Николаева [120, 121,122], Н. 0. Окерблома [128.. 130], П. И. Кудрявцева [93,94], А. В. Гемерлинга [45, 46], А. П. Шелестенко [207] и других, занимавшихся и занимающихся проблемой влияния сварочных напряжений на несущую способность и в том числе устойчивость сжатых стержней.

Предварительное напряжение повышает и местную устойчивость элементов конструкций. Особенно это заметно в тех конструкциях, предварительное напряжения в которых создается вытяжкой элементов впоследствии работающих на сжатие.

Одной из характеристик несущей способности конструкций является их выносливость. Она зависит помимо прочего от коэффициента асимметрии цикла р=б1/б2, где и б2 — крайние циклические напряжения. Учитывая, что предварительное напряжение может увеличивать или снижать напряжения от внешней нагрузки, можно утверждать, что в случае когда оно снижает напряжения выносливость конструкции повышается, в противном случае снижается. Исследования амплитудно-частотных характеристик в зависимости от величины предварительного напряжения, а также энергоемкость элементов при воздействии малоциклической низкочастотной нагрузки, проведенных в Московском строительном университете и ЦНИИСКе им. Кучеренко показали, что логарифмический декремент колебаний й= lnia-t/ag), где и ag соседние амплитуды колебаний, во многих случаях понижается. Это означает, что предварительно напряженные конструкции обладают большей жесткостью по сравнению с обычными. Коэффициент поглощения энергии ф=2- lnia-t/ag) в них также выше. Область упругой работы повышается в среднем на 40%. Следовательно, предварительное напряжение эффективно в конструкциях, эксплуатирующихся в районах с сейсмическими воздействиями поскольку оно позволяет регулировать усилия в элементах конструкций и тем самым улучшать динамические характеристики сооружения 1134,133]. Изложенное является основанием для утверждения о снижении вероятности хрупких разрушений конструкций. За счет этого можно продлить долговечность конструкций в 3−5 раза, а ожидаемый экономический эффект от внедрения предварительно напряженных конструкций может составить по прогнозам В. В. Ларионова [108] 120−130 миллиардов рублей (в ценах 1997 г.) по России.

Изложенное позволяет делать вывод о том, что предварительное напряжение повышает статическую и динамическую прочность металлических конструкций, их общую и местную устойчивость, снижает вероятность хрупких разрушений и повышает выносливость.

Можно с уверенностью сказать, что сбываются предположения, высказанные на III Международной конференции по предварительно напряженным металлическим конструкциям о том, что в скорем будущем большинство строительных металлических конструкции будут предварительно напряженными [114]. К этому есть основания, поскольку предварительно напряженные конструкции требуют меньше трудозатрат на их изготовление, обладают меньшей массой и стоимостью в деле" .

Однако, предварительно напряженные конструкции не лишены и недостатков. Одним из них является отпуск металла затяжки, снижающий уровень предварительного напряжения. Нормами [64] допускается потеря предварительного напряжения до 5%. О влиянии релаксации металла на напряженное состояние конструкций изложено в трудах [53, 54,102]. В частности, в работе [202] сказано: «. Релаксация (отпуск) в стандартных строительных строительных сталях начинается при температуре больше 300−350°С, в высокопрочной проволоке и канатах-уже при комнатной температуре». Из этого следует, что в случае предварительного напряжения конструкций без затяжек опасаться релаксации металла не следует. Другим, не менее существенным недостатком предварительно напряженных конструкций является увеличение трудозатрат на изготовление, а также большой расход металла на анкерные устройства и элементы, предотвращающие провисание затяжек [6]. В месте крепления анкерных устройств предварительное напряжение в затяжке, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, создает в стенке балки локальные напряжения, превышающие предел текучести материала. Это увеличивает вероятность хрупкого разрушения металла и снижения выносливости конструкций [2С2,6,10]. В процессе изготовления балок центр тяжести затяжки должен находится строго по центру тяжести сечения. Смещение приводит к депланации и потере общей устойчивости [6].

Изложенное привело к необходимости поиска способов предварительного напряжения, исключающих недостатки, присущие предварительному напряжению затяжками. Работы В. М. Вахуркина [33, 35],.

A.А.Зевина и В. А. Стефановского [623, М. Лубински и Я. Карчевски [109],.

B.В.Бирюлева [13,I9U и других, а также сотрудников научно-исследовательских и учебных институтов России, бывших республик СССР, предлагающих создавать предварительное напряжение в металлических конструкциях беззатяжечным способом, посредством деформирования или целой конструкции или отдельных ее элементов положили начало развития нового направления — беззатяжечного предварительного напряжения металлических конструкций. Разработаны многочисленные способы предварительного напряжения балок [9,11,13,14,15, 32, 63, 67.. 72, 78, 97,141,165,167, 215, 28], конструкций ограждения С8, 79,100, 131,168,171]- листовых [52,101,142,143,144], перекрестно-стержневых [80,81,127,145,212] и вантовых конструкций [1,2,22,146, 155,156,232].

Одним из таких способов является беззатяжечное предварительное напряжение конструкций посредством деформации стенки сплош-ностенчатых балок и колонн. Простота реализации на имеющемся оборудовании заводов по изготовлению железобетонных конструкций, возможности значительного продления упругой работы элементов, повышение жесткости, выносливости, устойчивости и прочности, снижение статической и динамической деформативности и на этой основе снижение массы и стоимости открывают широкие возможности этому способу предварительного напряжения, позволяющему улучшить практически все параметры несущей способности строительных металлических конструкций.

К сожалению, в последние годы в России и странах СНГ резко сократился объем теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, связанных с исследованием металлических конструкций [16]. В то же время в технически развитых странах объем этих работ постоянно растет. Увеличиваются инвестиции на разработку конструктивных решений металлических каркасов высотных зданий, сооружений из металла, цельнометаллических зданий заводского изготовления и комплектной поставки. Как считают авторы работы [17], долг ученых — дать объективную оценку возможностей использования современных металлических конструкций, определить направления их совершенствования и развития, оценить экономическую выгодность, т. е. предоставить предпринимателям возможность выбора металлических конструкций для строительства объектов, отвечающих функциональным требованиям и стоимости «в деле» .Данный вывод является основанием для настоящего исследования.

Диссертация посвящается совершенствованию и разработке предварительно напряженных беззатяжечным способом сплошностенчатых металлических конструкций повышенной несущей способности, жесткости и технологичности с целью создания экономически эффективных балок и колонн применительно к промышленным зданиям и сооружениям в условиях современной строительно-индустриальной базы.

Общая постановка задачи — экспериментально и теоретически исследовать с учетом комплексности взаимосвязанных объектов разных иерархических уровней (элемент, конструкция, технология, технико-экономическое обоснование) и на их основе сформулировать научно-обоснованные конструкторско-технологические решения изгибаемых и сжато-изогнутых стержней предварительно напряженных металлических конструкций с повышенным экономическим эффектом, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области проектирования и строительства промышленных зданий и сооружений.

Задачи исследования:

— предложить новый способ предварительного напряжения металлических строительных конструкций, отличающийся простотой реализации, исключающий локальные напряжения, обеспечивающий общую устойчивость напрягаемых элементов в процессе изготовления, местную и общую устойчивость при эксплуатации, увеличение несущей способности при воздействии внешних нагрузок;

— разработать методику, алгоритм и практические приемы расчета и конструирования предварительно напряженных внецентренно сжатых элементов и конструкций с учетом современных требований к реализации прочностных и жесткостных характеристик материалов элементов и конструкций из стали различных марок. С этой целью исследовать работу предварительно напряженных балок и колонн при уп-ругопластическом деформировании материала поперечного сечения определив максимальную несущую способность, местную устойчивость элементов сечения, общую устойчивость конструкций как тонкостенных стержней, найти оптимальные параметры несущей способности и геометрии сечения при центральном и внецентренном нагружении конструкций, обосновать оптимальную форму поперечного сечения, исследовать прочность, деформативность и жесткость изгибаемых и внецентренно нагруженных предварительно напряженных стержней с учетом физической нелинейности материала;

— определить область рационального применения стальных стержневых конструкций, предварительно напряженных продольной деформацией стенки;

— выполнить экспериментальные исследования в которых выявить целесообразность предлагаемого способа предварительного напряжения стальных конструкций, определить влияние предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние конструкций и местную устойчивость элементов сечения, общую устойчивость стержня, выявить эффективность формы поперечного сечения, установить степень корреляции данных теоретических и экспериментальных исследований;

— выполнить исследования по технико-экономическому обоснованию и экономической эффективности строительных конструкций, предварительно напряженных предлагаемым способом, в том числе с определением стоимости «в деле» .

— предложить оборудование и приспособления для их изготовления;

Автор защищает:

— способ предварительного напряжения металлических, сплошно-стенчатых изгибаемых и внецентренно нагруженных строительных конструкций;

— концепцию общей устойчивости искривленных в плоскости большей жесткости сжато-изогнутых предварительно напряженных металлических стержней;

— методологию формообразования поперечного сечения металлических, предварительно напряженных, продольной деформацией тонкой стенки, сплошностенчатых стержней;

— методику определения предварительных напряжений по поперечному сечению конструкций на стадии их изготовления;

— методику определения оптимальных параметров распределения материала по сечению сплошностенчатых предварительно напряженных стержней;

— методику инженерного расчета предварительно напряженных без затяжек металлических конструкций, ориентированную на проектную практику;

— методику определения модуля упругости материала сжато-изогнутого стержня, находящегося в состоянии упругопластического деформирования;

— результаты экспериментальных исследований на крупномасштабных моделях металлических сплошностенчатых предварительно напряженных балках и колоннах;

— технико-экономическое обоснование предварительно напряженных деформацией стенки металлических конструкций;

— оборудование и приспособления для изготовления предварительно напряженных продольной деформацией стенки балок и колонн;

— область применения предварительно напряженных, искривленных на стадии изготовления, сплошностенчатых конструкций.

В результате выполненной работы получен ряд результатов, имеющих научную новизну.

В области формообразования:

— предложен новый способ предварительного напряжения металлических конструкций не уступающий по эффективности известным, обладающий преимуществом в его реализации, распространенный на изготовления балок и колонн сплошного и постоянного по длине сечения промышленных, жилых, общественных зданий и инженерных сооружений, позволяющий решить основную технико-экономическую задачу повышения несущей способности строительных конструкций при снижении их массы, стоимости, трудозатрат на изготовления и монтаж.

В области экспериментальных исследований:

— получены опытные данные о напряженно-деформированном состоянии балок и колонн в процессе их предварительного напряжения;

— получены опытные данные о напряженно-деформированном состоянии изгибаемых поперечной нагрузкой и сжато-изогнутых продольно-поперечной нагрузкой предварительно напряженных стержней.

В области теории и расчета:

— разработана теоретическая модель напряженно-деформированного состояния элемента (тавра) в процессе изготовления балок и колонн, адекватно отражающая указанное состояние при экспериментальном исследовании;

— разработана методика формообразования тонкостенных, предварительно напряженных посредством продольной деформации стенки, металлических изгибаемых и внецентренно нагруженных конструкций;

— исследована местная устойчивость элементов поперечного сечения ПНБ и ПНК на стадии изготовления и под действием внешней нагрузки;

— исследовано напряженно-деформированное состояние изгибаемых и внецентренно нагруженных искривленных предварительно напряженных стержней с учетом физической нелинейности материала стенки;

— предложен новый способ определения модуля упругости материала сжато-изогнутых стержней.

— разработана методика технико-экономического обоснования предварительно напряженных продольной деформацией стенки металлических балок и колонн по стоимости «в деле» ;

— разработана установка для предварительного напряжения металлических строительных конструкций методом механической вытяжки их стенки.

Практическая ценность.

— обоснована конструктивно-технологическая целесообразность и эффективность применения предварительно напряженных металлических, тонкостенных балок и колонн в качестве несущих конструкций балочных систем, каркасов зданий промышленного, общественного и сельскохозяйственного назначения и даны основные рекомендации по их созданию;

— разработана методика и предложен алгоритм инженерного расчета, ориентированные на практическое использование при проектировании конструкций как на стадии КМ так и КМД.

Полученные результаты внедрены при разработке рабочих чертежей (КМД) на строительство комплекса «База треста «Даль-стальконструкция» .

Вместе с тем, исследования, выполненные в диссертации, создают реальные предпосылки для дальнейшего совершенствования конструктивно-технологических решений и проектирования изгибаемых и вне-центренно нагруженных конструкций балочных клеток промышленных и жилых зданиий и сооружений, несущих элементов каркасов промышленных, общественных, сельскохозяйственных зданий и инженерных сооружений.

Некоторые результаты имеют и методологическое значение для дальнейшего развития теории, расчета и совершенствования предварительно напряженных металлических конструкций и технологии их изготовления.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Хабаровского технического университета, что нашло отражение в программе спецкурса металлических конструкций для студентов специальности ПГС.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом важнейших НИР и ОКР Ш 4/1 ДВ РК 01.94.7 398) по теме «Дальний Восток» .

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии «Металлические конструкции, предварительно напряженные беззатяжечным способом» (Хабаровск, 1993) а также 28 публикациях и докладывалась на:

— Всесоюзной конференции «Технология и организация производетва стальных конструкций» (Челябинск, 1976);

— заседании технического совета Хабаровскго отдела института «Проектстальконструкция» (Хабаровск, 1976);

— заседании технического совета Хабаровского отдела ЦНИИПСКа (Хабаровск, 1976);

— зональной научно-технической конференции «Проблемы проектирования рациональных строительных конструкций в условиях Дальнего Востока» (Хабаровск, 1976);

— зональной научно-технической конференции «Снижение материалоемкости строительных конструкций» (Хабаровск, 1977);

— Приморской научно-технической конференции по итогам научных исследований в 1976 г. в области строительства на Дальнем Востоке (Владивосток, 1975);

— XXXV и XXXVI научных конференциях ЛИСИ в 1977;1978 гг. (Ленинград);

— научно-технических конференциях Хабаровского политехнического института и Хабаровского технического университета с 1975 по 1997 г.;

— совместном заседании кафедр «Строительная механика» и «Строительные конструкции» Дальневосточной государственной академии путей сообщения (Хабаровск, 1997);

— научном семинаре кафедр «Строительная механика», «Сопротивление материалов», «Теоретическая механика» и «Металлические конструкции» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (С.-Петербург, 1997);

— Всероссийской научно-практической конференции «Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера» (Хабаровск, 1997);

— Международной конференции «Стихия.Строительство.Безопасность» (Владивосток, 1997).

Работа выполнена при научных консультациях заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, д. т. н., проф. A.M.Масленникова, которому автор выражает глубокую благодарность.

Обьем работы. Диссертация состоит извведения, восьми глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, приложений и включает 379 стр. машинописного текста, 217 рис., 42 табл.

Алгоритм расчета конструкций, исследованию которым посвящена настоящая диссертационная работа приведен на стр. 514.

В диссертации нашли отражение следующие основные этапы работы:

1. Выполнен критический обзор исследований по вопросам создания металлических конструкций, предварительно напряженных без затяжек. Обоснована целесообразность дальнейшего расширения и углубления научной концепции создания предварительно напряженных конструкций. Описан способ предварительного напряжения металлических конструкций посредством продольной деформации тонкой стенки изгибаемых и сжато-изогнутых элементов — гл. 1.

2. Разарботана методика формообразования изогнутых предварительно напряженных конструкций с учетом физической нелинейности материала стенки — гл. 2.

3. Изложена методология расчета сжато-изогнутых, сложно нагруженных стержней — гл. 3.

— 25 руженных стержней — гл. 3.

4. Исследовано напряженно-деформированное состояние предварительно напряженных внецентренно нагруженных сжатых металлических стержней применительно к нагрузкам, возникающим в стойках рам промышленных зданий с крановым оборудованием — гл. 4.

5. Исследована местная устойчивость элементов поперечного сечения на стадии предварительного напряжения и в процессе нагружения внешними нагрузками — гл. 5.

6. Исследована общая устойчивость искривленных, внецентренно сжатых, предварительно напряженных металлических стержней — гл. 6.

7. Приведены результаты экспериментального исследования конструкций на стадии предварительного напряжения и под действием внешней поперечно и продольно-поперечной нагрузкигл. 7.

8. Выполнено технико-экономическое обоснование металлических конструкций, предварительно напряженных деформацией стенки — гл. 8.

9. Сформулированы основные итоги работы и намечены перспективы дальнейшего исследования — заключение.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦЦИ.

1. Предложен новый способ предварительного напряжения металлических строительных конструкций отличающийся простотой реализации, исключающий локальные напряжения, обеспечивающий устойчивость напрягаемых элементов в процессе изготовления, местную и общую устойчивость при эксплуатации, увеличение несущей способности при воздействии внешних нагрузок.

2. В предположении упругой работы материала определены нормальные напряжения по поперечному сечению напрягаемого элемента (тавра-стенка и «верхний» пояс). Установлено, что предварительные нормальные напряжения по сечению стенки противоположно направлены напряжениям, вызванным внешними нагрузками, распределяются асимметрично, по линейному закону, с растягивающими предварительными напряжениями, площадь эпюры которых в четыре раза превосходит площадь эпюры соответствующих сжимающих напряжений. «Верхний» пояс напрягаемого элемента нагружен предварительными сжимающими напряжениями, а нижний-остается без усилий предварительного напряжения.

3. В процессе предварительного напряжения конструкций они получает начальную погибь =1/450, направленную в сторону, противоположную прогибам от внешних нагрузок.

4. Определены генеральные оптимальные параметры, определяющие несущую способность и диктующие правила формообразования поперечного сечения изибаемых стержней — коэффициент асимметрии сечения, распределение материала по поясам и стенке, момент инерции, момент сопротивления, статический момент половины сечения, радиус инерции, соотношение площади поясов и стенки в напрягаемых элементах. Установлены оптимальные геометрические размеры поперечного сечения.

5. Определена предельная несущая способность предварительно напряженных балок, характеризуемая максимальными напряжениями крайних верхних фибр стенки, равных расчетному сопротивлению их материала, напряжениями в нижней зоне стенки, равными пределу текучести, поясах-удвоенному произведению расчетного сопротивления материала стенки.

6. Исследованы напряжения на контакте «пояс-стенка», появляющиеся в процессе предварительного напряжения конструкций. Установлено, что они распределяются по закону гиперболического синуса с максимальными значениями сдвигающих напряжений у торцов конструкции и падением предварительных напряжений на участке 0,1•1.

1-длина иг рягаемого элемента).

7. Оре варительные нормальные напряжения, формируют главные предварите, лые напряжения, направленные в сторону, противоположную соответств. | дим напряжениям, вызванным внешними нагрузками и повышают жесткс ть конструкций. В качестве критерия жесткости принято сопоставлен л кривизны изгибаемых элементов. Сравнение кривизны предварительно напряженных балок работающих в области упругоплас-тических деформаций и обычных, работающих упруго, равного с предварительно напряженными поперечного сечения, свидетельствует о том, что жесткость исследуемых конструкций повышается на 80%. Сопоставление двух предварительно напряженных балок, одна из которых работает в области упругих, а другая-упругопластических, позволяет установить, что обобщенный (эквивалентный) модуль упругшости последней повышается на 27%.

Жесткость металлических сжато-изогнутых и изгибаемых конструкций предварительно напряженных без затяжек, повышается за счет продления упругой работы предварительно напряженных элементов и повышения их местной устойчивости.

8. Нагружение конструкций предельно допустимой внешней нагрузкой с последующей разгрузкой осуществляется с коэффицинтом асимметрии цикла р=бт1п/бтах=+0, 35. Эта операция приводит к снижению упругих свойств материала стенки в зоне нижнего пояса и повышению уровня предварительных напряжений по всему сечению конструкций. Упругие деформации «нижнего» пояса сдерживают развитие пластических деформаций стенки и текучесть материала в этой области поперечного сеченияо ограниченавысота площадки текучести материала стенки равна 0,237 • Ь, а объем материала составляет 7,6% от массы конструкций.

9. Исследование возможности применения предварительно напряженных балок (ПНБ) в качестве конструкций покрытий и перекрытий рамно-связевого металлического каркаса многоэтажных зданий показало, что снижение массы металлоконструкций составляет 23,4%.

10. Проведено исследование сжатых и сжато-изогнутых стержней на нагрузки, характерные для колонн промышленных зданий. В основу расчетных предпосылок исследования статически неопределимых систем положен принцип независимости действия сил, предполагающий выполнение условий на опорах и неразрывности деформаций, а также напряжений под нагрузкой. Установлено, что коэффициент А0=М0р/М3, характеризующий соотношение опорного момента Мор и момента внешних нагрузок Мд, распределяется по кривой близкой к тангенсоиде и имеет разрыв при отношении сжимающего усилия Б к своему критическому значению Бс г /5=4и2 /л2 =0, 4 • Бс г. Очертание кривой прогиба колонны зависит от коэффициента А0. В том случае, когда А0<2.0, максимальный прогиб находится на расстоянии 0,686−1 от нижнего узлапри А0=2.0, прогиб имеет форму синусоиды и максимальные значения его наблюдаются четверти длины сттержня-если А0>2.0, прогиб находится на расстоянии 0, 3 • 1 от нижней опоры.

11. Построены графики взаимосвязи моментов внешних нагрузок и предельно допустимых, вычисленных в предположении недопущения в сечении напряжений, равных расчетному сопротивлению материала, позволяющие определять действующие или допустимые сжимающие усилия или моменты.

12. Изучена возможность применения искривленных на стадии предварительного напряжения тонкостенных, сплошностенчатых стержней в качестве колонн одноэтажных, многопролетных рам каркасов производственных зданий и сооружений. Наибольший эффект от предварительного напряжения может быть получен тогда, когда под действием внешних нагрузок полностью ликвидированы предварительные напряжения ч начальная погибь. Это достигается внецентренным наг-ружением т .онн при надлежащем выборе сжимающих усилий и эксцентриситетов. На этом основании решена задача формообразования поперечного сечения-найдены оптимальные параметры распределения материала по сечению, оптимальные геометрические параметры сечения, асимметрия сечения, допустимый эксцентриситет, предельная сжимающая нагрузка, пребуемая площадь поперечного сечения, момент усилий предварительного напряжения, начальная погибь сечения, соотношение момента инерции напрягаемого элемента (тавра) к моменту инерции двутавра. Установлено, что предварительное напряжение повышает несущую спосбность сжато-изогнутых стержней до 40%. С ростом напряжений в поперечном сечении предварительно напряженных колонн ее ось выпрямляется и равна нулю при равенстве напряжений в поясах расчетным сопротивлениям их материала.

13. Местная устойчивость элементов поперечного сечения изгибаемых и сжато-изогнутых стержней исследована энергетическим методом. Установлено, что предварительное напряжение повышает устойчивость тонких стенок конструкций в зоне максимальных моментов в 4,5 разаустойчивость «верхнего» пояса, получившего на стадии изготовления конструкций дополнительные сжимающие напряжения снижается на 10%.

14. Общая устойчивость сжато-изогнутых предварительно напряженных стержней, материал которых частично работает в области уп-ругопластических деформаций, определена на основе сравнения кривизны оси, вычисленной по прогибам, апроксимированным через тригонометрические функции синуса и косинуса и кривизны стержня от момента, равного моменту внутренних усилий. Исследования позволили установить, что гипербола Эйлера для предварительно напряженных колонн применима начиная с гибкости =78,т.е. диапазон применимости формулы Эйлера расширен на 53,8%.Исследованы относительные и приведенные эксцентриситеты, коэффициент продольного изгиба и условная гибкость, а также коэффициент влияния формы поперечного сечения сжато-изогнутых в плоскости большей жесткости и из плоскости изгиба предварительно напряженных колонн, позволяющие анализировать несущую способность по устойчивости и определять геометрические размеры поперечного сечения конструкций.

Исследована изгибокрутильная форма потери устойчивости позволяющая утверждать, что предварительное напряжение повышает ее на 34%. Коэффициент, характеризующий влияние момента внешних нагрузок в плоскости большей жесткости сечения на изгибо-крутильную форму потери устойчивости равен единице.

15. Экспериментальные исследования предварительно напряженных конструкций, выполненные на натурных образцах, свидетельствуют о хорошей сходимости теоретических и экспериментальных значений исследемых праметров.

Анализ влияния сварочных напряжений на качественную сторону распределения напряжений и деформаций показывает, что они уменьшают предварительные напряжения только в зоне термического влияния источника тепла. Ширина зоны составляет 25 мм. Серповидность конструкций от сварочных напряжений равна 1/2300, что в пять раз меньше начальной погиби, полученной конструкциями на стадии их предварительного напряжения.

16. Анализ экономической эффективности предварительно напряженных конструкций по стоимости «в деле» в сравнении с аналогичными, но без предварительного напряжения снижается на 12,5%. Снижение массы составляет 21,4%.

17. Проведенное теоретическое и экспериментальное исследование предварительно напряженных продольной деформацией тонкой стенки металлических, сплошностенчатых конструкций позволяет рекомендовать их в качестве разрезных, шарнирно опертых балок покрытий и перекрытий связевых каркасов многоэтажных зданий общественного и административного назначенияригелей зданий промышленного и сельскохозяйственного назначения, прогонов покрытий с теплой и холодной кровлей во всех климатических районах Россиибалок рабочих площадок (балочных клеток) жилых, административных и промышленных зданий-балок, поддерживающих инженерные конструкции (бункера, силосы, резервуары, галлереи и т. д.) — колонн с шарнирным сопряжением в основании, внешние нагрузки в которых создают одностороннюю эпюру моментов (рамы одноэтажных и однопролетных каркасов бескрановых зданийстойки, поддерживающие бункера, силосы, резервуары, галлереи, укрепленные связями) — стойки трамплинов, фахверковые стойки прмзданий, колонны рабочих площадок, колонны мое.

— 523 — ^г^ тов, мостовых переходов, виадуков, перонов в транспортном строитель ствэ-балки и колонны барж, понтонов, паромных переправ в судостроении.