Оценка влияния особенностей конструкции и нагрузки на напряженное состояние и прочность ездовых поясов систем типа подкраново-подстропильных ферм

Директивными документами ХХУ1-го съезда КПСС определены ос-новопологакхцие направления развития народного хозяйства СССР на одиннадцатую пятилетку и до 1990;го года. В области металлострои-тельства, как и вообще в области развития техники и промышленности, одним из главнейших направлений, определенных программными документами съезда и последующими директивными указаниями, является дальнейшее развитие курса на экономию материалов, уменьшение трудоемкости и стоимости и повышение качества изделий и технологических процессов. Металл — основа современного промышленного производства и строительной индустрии является именно тем. материалом, к которому в первую очередь относятся эти указания. Ежегодное увеличение объемов применения металла в строительстве и, в частности, на строительные металлические конструкции, требует соблюдения режима жесткой экономии, существенного сокращения удельного (на единицу производственной площади, единицу продукции и т. п.) расхода металла, иначе говоря, повышения рациональности его использования.

К настоящему времени в области металлостроительства вполне четко определились основные направления решения этих задач, главнейшими из которых являются: значительное увеличение применения сталей повышенной и высокой прочности, совмещение функций и концентрация материала в несущих конструкциях, применение предварительного напряжения и некоторые другие.

Анализ этих направлений показывает, что, в общем, ни одно из них самостоятельно не в состоянии разрешить проблему во всех ее аспектах. Для этого необходим комплексный подход, т. е. синтезирование в одной и той же конструктивной форме нескольких таких направлений. Можно даже подчеркнуть, что в целом ряде случаев использование только одного из них становится практически невозможно. Так, например, применение сталей повышенной и, в особенности, высокой прочности в традиционной конструкции может быть ограничено из-за значительного увеличения её деформативно-сти. А применение этих же сталей в конструкции, реализующей принцип концентрации материала или предварительно напряженной дает возможность успешного разрешения задачи. В свою очередь, концентрация материала в конструкции требует, как правило, совмещения ею функций, без чего эта концентрация может выродиться в самоцель.

Успешная реализация современных прогрессивных идей в практике металлостроительства требует поэтому значительного углубления и расширения исследований в области теории формообразования несущих металлических конструкций, изучения их действительной работы в сооружениях и разработке на этой основе эффективных методов проектирования и теоретического анализа (расчета). Именно поэтому, как это отмечает академик Н. П. Мельников [55], «исследования проблем теории формообразования и теории сооружений в настоящее время составляют ядро развития металлических конструкций» .

Следует также отметить, что современные направления развития металлических конструкций (МК) порождает рад новых проблем. Это в первую очередь относится к вопросам использования сталей повышенной (СИЛ) и высокой (СШ) прочности.

Применение этих материалов в металлостроительстве открывает большие перспективы для улучшения эксплуатационных, экономических и технических возможностей конструктивных форм. Однако сам характер материала, увеличение размеров конструкций, увеличение и усложнение внешних воздействий требует значительно более углубленного и тщательного изучения их действительной работы, определяемой в первую очередь особенностями напряженного состояния и деформациями. Уточненные значения распределения напряжений в конструкции необходимы не только для возможности правильной оценки ее конструктивного качества, т. е. степени порождаемой ею концентрации напряжений, но также и для оценки общей прочности, в конечном счете определяемой прочностью элементов и узлов. Изучение вопросов концентрации напряжений, определяемой как конструктивными факторами, так и особенностями характера внешних воздействий (нагрузок), имеет решающую роль для правильной разработки проблемы нормирования основных критериев, определяющих эксплуатационную надежность конструктивной формы: критерия предельной прочности, критерия усталостной прочности, критерия хрупкой прочности. Бак правило, традиционные методы строительной механики и теории сопротивления материалов не обеспечивают возможности рационального решения этих задач. Требуются новые подходы и новые методы, включающие в себя и разработку соответствующего аппарата исследования.

Необходимость в разработке методов учета концентрации напряжений в конструкциях различного вида и, в первую очередь, воспринимающих значительные локальные нагрузки, прямо следует также и из того, что СНиП П-23−81 предписывает производить некоторые проверки прочности подкрановых систем с учётом так называемых местных напряжений, являющихся по существу именно концентрированными напряжениями. Некоторые местные напряжения согласно тому же СНШ учитываются и при проверках местной устойчивости элементов конструкций.

Однако на сегодня теория местных напряжений и практические методы их расчёта в тонкостенных металлических конструкциях разработаны только для элементов, поперечные сечения которых представляют собой открытые профили. Поэтому в случае проектирования систем, включающих элементы в виде стержней с закрытым профилем поперечного сечения (двухсвязным сечением) соответствующие требования СНиП П-23−81 просто не могут быть выполнены.

Типичными системами такого рода являются подкраново-под-стропильные фермы (ППФ), имещие ездовые пояса (пояса, по которым перемещаются мостовые краны) в виде тонкостенных стержней коробчатого сечения. Как подкрановые конструкции, эти пояса попадают под требования ряда пунктов СНиП П-23−81, предписывающих учёт местных напряжений, но практически не могут быть рассчитаны в соответствии с ними из-за отсутствия методов определения этих напряжений. То же самое можно сказать и в отношении целого ряда других конструктивных форм: крановых эстакад, кранов-перегружателей, главных балок мостовых кранов и т. п., имеющих основные элементы с замкнутым поперечным сечением. Таким образом, можно констатировать, что по отношению к определённому классу конструктивных форм в современном металлостроитель-стве требования норм опережают реальные возможности их выполнения.

На основании сказанного в настоящей работе поставлена следующая главная цель: разработать метод количественной оценки местных напряжений, возникающих в основных элементах — ездовых поясах ППФ и аналогичных конструкций с доведением его до рабочих приёмов расчёта этих напряжений. На основе разработанного метода выполнить анализ напряжённого состояния основных элементов конструкции и дать его технико-экономическую оценку для тех случаев, когда соответствующие проверки являются решающими.

Для достижения этой цели автором:

I) разработан метод расчленения тонкостенных призматических стержней с двухсвязным поперечным сечением на составляющие его плоские полосы. При этом с позиций этого метода стержни открытого профиля представляют собой частный случай;

2) разработана теория местных напряжений в тонкостенных элементах конструкций, имеющих двухсвязное поперечное сечение, которая, в свою очередь, распадается на две части: теорию местных напряжений «чистого» (без подкреплений) стержня и теорию местных напряжений, обуславливаемых наличием подкреплений (диафрагм, ребер жесткости и т. п.).

В процессе разработки теории: а) уточнены усилия взаимодействия плоских элементов стержня. Они приводятся к степени точности, соответствующей желаемому порядку точности результатовб) разработана методика выделения из стержня двухсвязного поперечного сечения такого «эквивалентного» стержня открытого профиля, в котором изучаемый элемент (стенка или полка) работают точно также, как и в составе всего стержняв) разработан метод расчёта напряжений в стенках и полках ездовых поясов при воздействии на них локальных нагрузок, приложенных «центрально» (в плоскости стенок) и с эксцентриситетомг) построена методика учета влияния на напряженное состояние ездового пояса местных подкреплений — диафрагм и ребер жесткости.

Изложение теоретических вопросов сопровождается достаточно подробно рассмотренными примерами, приводимыми в приложении. В последнем также даны некоторые табулированные функции, необходимые для практических расчетов и другие материалы, имеющие отношение к основному тексту.

На основании построенной теории в работе выполнен анализ напряжённого состояния с учётом местных напряжений элементов ездовых поясов ряда осуществленных ППФ, а также ППФ, разработанных в порядке опытного проектирования. В конечном итоге всё это дало возможность выдвинуть ряд предложений по уточнению расчётных требований СНиП и по снижению расхода металла в тех случаях, когда соответствующие расчёты являются решающими.

Кроме этих главных вопросов в работе выполнены некоторые уточнения расчетных схем рассматриваемых систем в смысле: учета влияния жесткости узловых соединений, сопоставления результатов расчета по исходной и по деформированной схеме (учет геометрической нелинейности) и разработке методики и оценки ее результатов по учету поддерживающего влияния решетки при работе ездового пояса на изгиб в горизонтальной плоскости и на кручение.

Научная новизна работы заключается в первую очередь в том, что в ней впервые разработана теория местных напряжений для элементов тонкостенных металлических конструкций, имеющих замкнутые поперечные сечения. На основе этой теории выдвинуты в соответствии с требованиями СНиП предложения по практическому учёту местных напряжений при расчёте ездовых поясов ППФ и аналогичных конструкций и получены соответствующие экономические оценки.

В процессе разработки теории автором сделан ряд новых предложений по технике расчёта тонкостенных стержней закрытого профиля, позволяющих унифицировать и формализовать расчёты напряжений в них и в стержнях открытого профиля при изгибе и кручении, а также упрощающих некоторые расчётные процедуры. Это, например, введение понятия эквивалентного сечения, разработка метода прямого определения секториальных характеристик стержня замкнутого профиля и ряд других.

Кроме того, также впервые предложен метод учёта влияния решётки на работу ездовых поясов ППФ при горизонтальном изгибе и кручении и получены экономические оценки реализации этого предложения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теория местных напряжений в тонкостенных призматических стержнях с замкнутым поперечным сечением применительно к ездовым поясам ППФ и аналогичных конструкций, включая снща все её основные аспекты, а именно: метод расчленения стержня на полосы, метод эквивалентного сечения, унификацию расчёта двухсвязных и односвязных стержней, собственно теорию местных напряжений, вызываемых локальными нагрузками, а также наличием подкреплений;

2. предложения по практическим приёмам расчёта местных напряжений и учёта их при выполнении проверок прочности стенок ездовых поясов ППФ в соответствии с требованиями СбиП П-23−81;

3. результаты анализа расчётов, выполненных по п. 2 для ряда осуществлённых ППФ (проекты ЦНИШСК), а также ППФ, выполненных в порядке опытного проектирования;

4. предложения по приближённому расчёту и предварительному подбору сечений элементов ППФ, а также по уточнению их расчётных схем и, в частности предложения по учёту поддерживающего влияния решётки при работе ездовых поясов на горизонтальный изгиб и кручение с соответствующей оценкой снижения расхода материала.

Основное внедрение результатов работы осуществлено в следующих мероприятиях:

I) в процессе выполнения хоздоговорных работ дня Дзержинского завода химического машиностроения «Заря», в которых автор принимал непосредственное участие по обследованию, оценке эксплуатационной надежности и усилению металлических конструкций 15-ти мостовых кранов с основными балками коробчатого сечения. Использование в этих работах теории местных напряжений замкнутых тонкостенных стержней, позволило выявить области концентрации напряжений в балках, объяснить причину повреждений и наметить приемы усиления, что, в конечном счете, обеспечило возможность надежной дальнейшей эксплуатации этих кранов.

Общий экономический эффект от выполнения этих работ, согласно соответствувдих документов, составил: в 1980 г. -100 тыс. руб., в 1981 г. — 100 тыс. руб. Определить точно какая доля этого эффекта может быть отнесена за счет использования уточненной теории не представляется возможным, но можно полагать, что она составляет не менее 25−30%.

2) в процессе проектирования двух пешеходных переходов через автомагистраль Горький-Кстово, в которых автор был также непосредственным исполнителем проекта несущих металлических конструкций в виде рам с коробчатыми поперечными сечениями элементов. Схемы основных конструкций этих переходов приведены в приложении 6;

3) согласно «Плану внедрения НИР в учебный процесс кафедры металлических конструкций Горьковского ИСИ им. В. П. Чкалова основные положения, изложенные в настоящей работе, как в отношении теории тонкостенных металлических стержней с двухсвязным поперечным сечением, так и в отношении приемов расчета и уточнения расчетных схем введены в учебный процесс по курсу «Металлические конструкции» для студентов строительного факультета специальности 1202−3 (Металлические строительные конструкции);

4) материалы главы 2, в основном, касающиеся учета подцер-живащего влияния решетки на горизонтальный изгиб и кручение ездового пояса, включены в конспект лекции проф. Б. Б. Лашси «Расчет подкраново-подстропильных ферм», изданный Горьковским государственным университетом им. Н. И. Лобачевского в 1978 г. В подготовке рада разделов этого конспекта принимал участие автор диссертации;

5) по материалам диссертации подготовлен проект «Руководство по расчету систем типа подкраново-подстропшгьных ферм» .представленный для совместной доработки и издания в ЦНИИПСК.

Кроме того, основные материалы работы достаточно полно опубликованы и поэтому имеют прямой выход в проектные и другие заинтересованные организации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В диссертации впервые разработана теория местных напряжений для металлических тонкостенных призматических элементов с двухсвязным поперечным сечением применительно к конструкции и условиям работы ездовнх поясов подкраново-подстропильных ферм и аналогичных конструктивных форм. Теория позволяет учесть местные напряжения, возникающие в элементах ездовых поясов от локального воздействия нагрузок, их эксцентричности, а также обусловливаемых наличием подкреплений типа диафрагм или рёбер жесткости. Она включает в себя как частный случай соответствующую теорию для элементов открытого профиля, чем унифицируется методика расчёта напряжений (включая местные) для всех элементов рассматриваемых систем, в которых часть стержней выполняется в виде открытых, а часть — закрытых профилей. Это обеспечивает возможность упрощения программ при расчёте на ЭВМ.

2. На основе этой теории предложены достаточно простые приёмы практического расчёта местных напряжений в ездовых поясах ППФ, использующие полученные формулы и табулированные значения некоторых вспомогательных функций.

3. Путём прямых расчётов пяти типов ездовых поясов ППФ, из которых три реально осуществлённые конструкции, а две — конструкции опытного проектирования, при разных формах деформации (плоский изгиб, косой изгиб с кручением) получены числовые данные по значениям местных напряжений, вызываемых локальностью воздействия на пояса крановых нагрузок. Эти данные свидетельствуют о том, что местные напряжения в ездовых поясах ППФ существенно отличаются от величин, определяемых по п. 13.34 СНиП П-23−81 для подкрановых конструкций открытого типа. Так в ППФ в виде ригелей рам они могут достигать значений, составляющих от основных напряжений: по до 20 * 25%- по (э^ до.

30 + 35%, по f' до 5 + 10%. В поясах продольных ППФ, в которых изгибающие моменты, как правило, превалируют над растяжением, местные напряжения и могут на верхних кромках стенок даже превышать (по модулю) основные напряжения 6~Хо.

4. Главной особенностью напряжённого состояния ездовых поясов ШФ является то, что основные напряжения GTx0 в них и 1 местные напряжения (ох в расчётных точках (верхние и нижние области стенок) разнозначны, т. е. местные напряжения уменьшают величину расчётных напряжений. По реальным поперечным ППФ это уменьшение при полных расчётных нагрузках может достигать: на верхних кромках стенок 25 + 35%, на нижних кромках 5 + 9%. Соответственно на те же величины увеличивается и расчётная несущая способность поясов. I.

5. Прямая пропорциональность местных напряжений Gx и TL напряжению, принятая в СНиП П-23−81 и соответствующие коэффициенты пропорциональности 0,25 и 0,3, по крайней мере для поясов ППФ, не подтверждаются: (о *, как правило, больше 0,25 Gij., а существенно меньше 0,3 (о ^ (при симметричном загружении вообще + Чг^ = 0).

6. В диссертации предложен уточнённый метод расчёта стенок ездовых поясов ППФ на прочность в соответствии с требованиями п. 13.34 СНиП П-23−81. Просчёты по этому методу объектов, указанных в п. З настоящих выводов, показали, что это предложение уменьшает левую часть предельного условия (141) СНиП на 15−27% по сравнению с подходом норм. Так как компоненты напряжения, входящие в это выражение, обратно пропорциональны толщине стенки, то последняя в тех случаях, когда проверка прочности стенки является решающей, также может быть уменьшена на 15−27%.

7. В работе впервые предложен метод учёта влияния решётки при работе ездовых поясов ППФ на горизонтальный изгиб и кручение. Прямыми расчётами ряда реальных систем показано, что учёт влияния решётки снижает расчётные напряжения в ездовых поясах на 5 + 8%, обеспечивая соответствующую экономию материала.

8. Разработан приближённый метод расчёта систем типа ППФ, позволяющий достаточно обоснованно назначать размеры поперечных сечений их основных элементов. Это существенно облегчает расчёт по сравнению с существующим методом поверочных расчётов априорно назначаемых сечений.

9. Доказано, что в системах типа ППФ учёт геометрической нелинейности изменяет расчётные усилия в элементах системы лишь на доли процента. Поэтому расчёт таких систем по недефор-мированной схеме обеспечивает вполне достаточную точность.

УТВЕВДШО Главный инженер завода^{.хшжчеокого} оборудова-г-7г:'-ш1я м, 3аря «г. Дзер п гл'. &bdquo-г т-'', г к жинскйМинов Б. С.

Ж04, 92.

УТНЕВДАЮ проректор по научной работе Горьковского ордена Трудового Красного Знамени иняенер-но-с??^н?ольного института $ва, д.т.н., про-цов M.G.

АКТ внедрения результатов на^ю-ис следовательской работы.

В процессе выполнения хоздоговорных работ для Дзержинского завода химического оборудования «Заря «по обследованию, оцешсе эксплуатационной надежности и усилению металлических конструкций 15-ти мостовых кранов с основными: балками коробчатого сечения была использовала теория местных напряжений замк-путых стершей, разработанная инж. Лампси Б. Б. Использование этой теории позволило выявить области концентрации напряжений в балках, объяснить причину повреждений и наметить приемы усиления, что в конечном итоге, обеспечило возможность надежной дальнейшей эксплуатации этих кранов.

Общий экономический эффект от выполнения этих работ, согласно соответствующих документов, составил: в 1980 г. — 100 тыс. руб., в 1981 г. — 100 тыс. руб. Определить точно какая доля этого эффекта может быть отнесена за счет использования указанной.

7 — ' Г теории не представляется возможным, но мошго полагать, что она составляет не менее 25−30.

Представители завода химического оборудования «Заря «г. Дзержинска.

Главшй механик завода Маркелов В.И.

Главный архитектор завода Киселёв ГЛ.С.

Представители Горьковского инженерно-строительного института им. В. П. Чкалова к.т.н., доцент — Колесов А. И. инженер Лампси Б.Б.

— 208-СПРАВКА о внедрении результатов научно-исследовательской работы.

В период г. таи-август 1981 года группой сотрудшшов кафедры металлических конструкций Горысовского ишг: еиерно-строительного института им, В. П. Чкалова по заданию Горышвского Горисполкома и Горысовского филиала ДорНЖ были выполнены проекты двух объектов по теме «Транспортное пересечение в разных уровнях проспекта игл. Ленина и ул. Новикова-Прибоя Эти объекты представляют собой трздспортно-пешеходные переходы с несущими конструкциями в виде стальных рам, шлеэдих коробчатые (замкнутые) поперечные сечения элементов. В разработке проектов на всех его этапах участвовал инк. Б .Б .Ламп си, выполнявший как расчетные операции, так и разработку чертежей КМ.

В процессе выполнения расчетов для уточнения последних использовалась теория местных напряжений в тонко стенных стальных стерсшях замкнутого поперечного сечения, разработанная шш. Б. Б. Лампси, а таксе выполненгше игл на ее основе практические рекомендации. Таким образом, в процессе выполнения указанной работы осуществлено внедрение теории и практических приемов уточненных расчетов тонкостенных металлоконструкций, разработанных инл-.Б. Б. Лампси при выполнении им научной работы по теме «Оценка влияния особенностей конструкции и нагрузки на напряженное состояние и прочность ездовых поясов систем типа подкршово-подстропилы-шх ферм по научной работе 3 li-'. I Шйт.

ИСИ игл. В .П.Матова, ^dK^^JsfosinneciQix наук, праве ссор AWtyj • В. В. Найденко.