Прочность и деформативность балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм

Актуальность темы

Балочные конструкции трубчатого сечения применяются в инженерных сооружениях (водоводы, тепловые сети, газопроводы, нефтепроводы и т. д.) при пересечении искусственных или естественных препятствий в виде рек, оврагов, каналов. Подобные конструкции являются наиболее рациональными, так как одновременно выполняют технологическую функцию и функцию несущей конструкции. В них максимально используется несущая способность балочных конструкций, но они имеют ограниченный диапазон перекрываемого пролета.

Идея совмещения функций в одном конструктивном решении, в виде ферм в консольных опорах балочных конструкций, позволяет снять ограничения диапазона перекрываемого пролета и максимально использовать несущую способность основного конструктивного элемента — балочной конструкции трубчатого сечения. Консольные опоры в виде ферм, выполняют функцию поддерживающей конструкции балочных конструкций трубчатого сечения и одновременно выполняют функцию опор, что способствует более полной реализации свойств материала, как основной конструкции, так и ее опорных частей.

Новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм до настоящего времени изучены слабо и вопросы их прочности, деформативности являются актуальными.

В этой связи целью настоящей работы является разработка конструктивных решений и методики расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций), направленная на повышение их несущей способности с одновременным снижением материалоемкости.

Автор защищает:

— новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения, разработанные на основе идеи совмещения функций;

— методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющую адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

— результаты экспериментальных исследований деформативности модели балочных конструкций рассматриваемого типа;

— функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм;

— результаты численных исследований напряженно-деформированного у состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Научную новизну работы составляют:

— новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, разработанные на основе идеи совмещения функций;

— методика расчета предложенных конструкций, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

— новые опытные данные об особенностях деформирования модели балочной конструкции рассматриваемого типа;

— предложенные функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых допущений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается сопоставлением экспериментальных результатов исследования конструкции с теоретическими.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанные новые конструктивные решения, методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм рекомендуется использовать при их проектировании и строительстве через естественное и искусственное препятствие (река, овраг и т. д.) в ЦНИИПроектстальконст-рукции им Н. П. Мельникова и других проектных организаций.

Результаты проведенных исследований были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО «КМАПроектжилстрой» (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором используются в учебном процессе по специальности «Промышленное и гражданское строительство» .

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

— II Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», Пенза (2003 г);

— Международной научной конференции «Образование, наука, производство и управление в XXI веке», Старый Оскол, Старооскольский технологический институт (филиал) МИСиС, (2004 г);

— VII региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Молодые ученые — науке, образованию, производству, Старый Оскол (2004 г);

В. полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Старооскольского технологического института филиала МИСиС (сентябрь 2004 г.) и на заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» Орловского государственного технического университета (сентябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 137 страницах, включая 5 таблиц, 74 рисунка, список литературы из 104 наименований и 4 приложения на 26 страницах текста.

4.5 Выводы по главе 4.

1. Проведены исследования несущей способности и деформативности балочной конструкции трубчатого сечения большого диаметра. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде одноярусной консольной фермы деформации в 7 — 10 раз меньше, чем в других предложенных конструкциях, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

Проведены результаты численных исследований деформирования и внутренних силовых факторов балочной конструкции трубчатого сечения малого диаметра, с опорами в виде консольных ферм. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде треугольной консольной фермы деформации на 9 — 12% меньше, чем в балочной конструкции с опорами в виде фермы с параллельными поясами, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

2. Выявлены закономерности металлоемкости балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, в зависимости от конструктивной схемы.

Получен безразмерный коэффициент материалоемкости поддерживающих элементов К для каждой из предложенных конструкций.

Проведенные численные исследования материалоемкости опорной конструкции в виде консольных ферм показали, что среди предложенных конструкций самыми рациональными являются одноярусная консольная ферма, и консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на опорной стойке. Материалоемкость этих конструкций в 4 — 5 раз меньше, чем у консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом. Самой нерациональной по материалоемкости конструкцией, среди предложенных, является двухъярусная консольная ферма. Материалоемкость этой конструкции больше, чем у одноярусной консольной фермы в 7,5 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 Разработаны новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций) с опорами в виде консольных ферм, позволяющие обеспечить максимальную несущую способность трубчатого профиля при увеличении перекрываемого пролета.

2 Разработана методика расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем.

3 На основании проведенных экспериментальных исследований модели балочной конструкции рассматриваемого типа выявлено, что наиболее «невыгодным загружением» является нагрузка, равномерно-распределенная на всем пролете конструкции, при которой возникают максимальные прогибы. Сравнение экспериментальных и теоретических данных качественно совпадает, а количественно имеет место расхождение в пределах 5−9%.

4 Предложены функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, оценивающие их эффективность, в зависимости от конструктивной схемы, которые позволяют из анализа различных конструктивных решений, на стадии эскизного проектирования выявить из нескольких технически возможных наиболее рациональное.

5 Результаты проведенных исследований являются основанием для практических рекомендаций по проектированию балочных конструкций рассматриваемого типа и были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО «КМА-Проектжилстрой» (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором, используются в учебном процессе по специальности «Промышленное и гражданское строительство» .

На предложенную автором балочную конструкцию трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера, получен патент на полезную модель.