WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Практика показывает, что в цехах с интенсивными режимами работы кранов уже после 3 лет эксплуатации возникает значительное количество повреждений. В таких условиях усталостные трещины выявляются в среднем в 30% сварных подкрановых балок (ПБ), около 50% которых возникает в верхней зоне стенки (ВЗС), являющейся слабым звеном сварной ПБ при интенсивной эксплуатации. Сварные швы с большой вероятностью содержат трещиноподобные дефекты, которые провоцируют возникновение усталостных трещин. Таким образом, очевидно, что необходимость замены сотен тысяч тонн ПБ, эксплуатирующихся на стадии развития повреждений, на балки повышенного ресурса будет являться актуальной в ближайшие десятилетия.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) ВЗС ПБ включает три основные группы компонентов напряжений (рис. 1): от общего изгиба подкрановой балки (x,o, xy,o), от сосредоточенного давления колеса крана (loc,x, loc,y, loc,xy) и от местного изгиба стенки (fx, fy, fxy), вызванного местным кручением верхнего пояса (МКП). Кроме этого, в ВЗС ПБ возникают напряжения от общего стесненного и свободного кручения подкранового бруса, которыми, как показали исследования, проведенные И.Н. Малышкиной, а позднее Б.Ю. Уваровым и Ю.И. Кудишиным, Рис. 1. НДС в плоскости поверхноможно пренебречь не в ущерб точности сти ВЗС ПБ со стороны эксцентриинженерных расчетов. МКП вызывается ситета рельса рядом факторов и неизбежно присутствует в подкрановых балках. Наиболее существенным компонентом при местном изгибе в плоскости поверхности стенки является fy. Его доля может достигать 85% от суммарных напряжений y. Таким образом, этот компонент оказывает значительное воздействие на нагруженность ВЗС и, соответственно, влияет на назначение геометрических параметров сечения и долговечность балок. В связи с этим для ПБ тяжелого режима работы в нормативных документах существует требование выполнения специальных расчетов прочности и выносливости ВЗС.



Решение проблемы повышения долговечности подкрановых конструкций (ПК), в основном, было связано с применением традиционных конструктивных форм на основе сварного трехлистового двутавра. При этом развитию конструктивных форм ПБ повышенного ресурса, основанных на использовании прокатных профилей и соединений на высокопрочных болтах, по мнению автора, уделялось недостаточно внимания.

В.М. Горпинченко, В.В. Мысак, К.К. Нежданов, Б.Н. Васюта и др. неоднократно отмечали (на основании экспериментальных исследований) более 3  низкий уровень местных напряжений в ВЗС прокатных ПБ по сравнению со сварными балками, а также их значительно больший предел выносливости и циклический ресурс. Так, по результатам исследований К.К. Нежданова, при одинаковом расходе стали циклический ресурс ПБ на основе прокатных профилей может превосходить ресурс сварных балок до 10 раз, что обусловлено рядом особенностей ВЗС прокатных балок: отсутствием трещиноподобных дефектов сварного шва и остаточных сварочных напряжений, более плавной геометрией, большим объемом металла выкружки и др.

Известен ряд конструктивных решений ПБ повышенного ресурса на основе использования прокатных профилей (рис. 2): балка на основе прокатного двутавра (а); балка с поясами из прокатных тавров (б); балка с поясами из прокатных уголков на высокопрочных болтах (в), балка с Рис. 2. Существующие конструктивные реше- прокатной подрельсовой частью (г) и др. Эти решения опния ПБ повышенного ресурса робованы и успешно эксплуатируются, однако масштаб их применения существенно ограничен. Одним из сдерживающих факторов активного внедрения этих конструктивных форм является отсутствие специально разработанной методики определения напряжений местного изгиба стенки fy, вызываемого МКП. Анализ известных методик по определению напряжений местного изгиба показал, что их подавляющее большинство ориентировано на рассмотрение традиционных сварных конструктивных форм ПБ и не учитывает конструктивные особенности, характерные для подкрановых балок повышенного ресурса: особенности переходной зоны пояса к стенке прокатных профилей; безреберные решения балок или с частым расположением ребер жесткости; шахматное расположение ребер на высокопрочных болтах и влияние тормозной конструкции (ТК).

Цель работы: Совершенствование инженерной методики определения компонентов напряжений в верхней зоне стенки подкрановых балок повышенного ресурса при местном кручении верхнего пояса.

Были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести детальный анализ существующих инженерных методик определения напряжений местного изгиба с точки зрения учета конструктивных особенностей ПБ повышенного ресурса.

2. Выявить особенности переходной зоны пояса к стенке прокатных профилей по сравнению со сварными и экспериментально исследовать их влияние на снижение напряжений местного изгиба стенки, возникающих при местном кручении верхнего пояса.

4  3. Исследовать НДС верхней зоны стенки ПБ сварного и прокатного сечений при местном кручении верхнего пояса в безреберном случае работы стенки;

получить аналитические зависимости предельных напряжений fy,u от геометрических параметров сечения балки.

4. Исследовать влияние на величину напряжений местного изгиба:

длины отсека стенки, включая безреберный случай работы;

шахматного расположения ребер жесткости на высокопрочных болтах;

переменной толщины стенки в широком диапазоне длины отсека стенки;

наличия тормозной конструкции.

5. Разработать инженерную методику определения компонентов напряженного состояния верхней зоны стенки подкрановых балок при местном изгибе стенки, учитывающую вышеперечисленный ряд конструктивных особенностей балок повышенного ресурса.  Объект исследования. Подкрановые балки повышенного ресурса.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние стенки подкрановых балок при местном кручении верхнего пояса.

Достоверность результатов проведенных исследований основана:

– на сопоставлении и сходимости результатов экспериментальных и численных исследований, а также на сходимости с результатами других авторов;

– на применении для анализа НДС общепринятых методов сопротивления материалов и строительной механики;

– на проведении численных исследований с использованием сертифицированных расчетных комплексов на основе метода конечных элементов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлены факторы и их количественные характеристики, определяющие снижение напряжений местного изгиба в прокатных профилях по сравнению со сварными: локальные отклонения толщины стенки в большую сторону, пониженное расположение расчетной кромки и увеличение крутильной жесткости верхнего пояса.

2. Установлена зависимость напряжений fy при местном кручении верхнего пояса от геометрических параметров поперечного сечения ПБ в неограниченном диапазоне длины отсека стенки.

3. Предложена новая конструктивная форма поперечных ребер жесткости, расположенных в шахматном порядке на высокопрочных болтах, и экспериментально исследовано их влияние на НДС ВЗС при местном изгибе стенки.

Практическая значимость работы заключается в разработке инженерной методики определения компонентов напряженного состояния верхней зоны стенки подкрановых балок повышенного ресурса при местном кручении верхнего пояса, учитывающей ряд конструктивных особенностей таких балок.

Полученные результаты были использованы:

5  при разработке СТО 22-15-06 «Временные методические указания по техническому надзору за эксплуатацией подкрановых балок с усталостными трещинами в верхней зоне стенки» (разработчики: НГАСУ (Сибстрин), НТЦ «ЭРКОНСиб», ООО ПЭК «РЕКОН»);

при оценке остаточного ресурса и проектировании усиления подкрановых балок цеха листового проката ОАО «НМЗ им. Кузьмина» (ООО ПЭК «РЕКОН»);

при чтении курса лекций «Металлические конструкции» в НГАСУ (Сибстрин) и при дипломном проектировании.

На защиту выносятся:

результаты экспериментального и численного исследования НДС моделей подкрановых балок на основе сварных и прокатных профилей;

способ крепления ребер жесткости к стенке и поясу в шахматном порядке на высокопрочных болтах;

инженерная методика определения напряжений местного изгиба в стенках ПБ сварного и прокатного сечений, учитывающая особенности переходной зоны пояса к стенке, длину отсека стенки в широком диапазоне, расположение ребер жесткости в шахматном порядке, переменную толщину стенки, влияние ТК.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены:

на всероссийских научно-технических конференциях, проводимых в НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 2003 – 2012 г.);

на всероссийской научно-практической конференции «Исследования, расчет, проектирование и безопасная эксплуатация строительных конструкций зданий и сооружений», проводимой в ЮУрГУ (г. Челябинск, 2005 г.);

на международной научно-практической конференции «Перспективы рынка подъемно-транспортного оборудования и строительной техники» (Одесса, 2007 г.).





на заседаниях научных межкафедральных семинаров, проводимых в НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 2011, 2012 г.);

на заседании научного межкафедрального семинара, проводимого в СФУ (г. Красноярск, 2012 г.);

на заседании научного межкафедрального семинара, проводимого на кафедре строительных конструкций и инженерных сооружений в ЮУрГУ (г.

Челябинск, 2012 г.).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 8 печатных работах, 4 из которых опубликованы в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы (153 источника). Общий объем диссертации 184 страницы, в том числе 56 иллюстраций и 13 таблиц.

6  Содержание работы Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор исследований, направленных на повышение долговечности ПК. К настоящему времени сформировалось четыре основных направления исследований проблемы повышения долговечности ПК:

1) изучение действительной работы ПК; 2) исследование НДС и совершенствование методов расчета элементов традиционных ПК; 3) исследование циклической долговечности и живучести ПК; 4) разработка и исследование новых конструктивных форм ПК.

Проведен обзор исследований, направленных на развитие конструктивной формы (КФ) ПК. ПБ с поясами из прокатных тавров (рис. 2б) исследовали Я.А. Каплун, В.М. Горпинченко, Б.Ю. Уваров, В.В. Мысак, В.С. Ширманов, А.А. Макарсков, К.К. Нежданов, В.С. Казарновский, А.А. Новоселов и др.

В.М. Горпинченко показал эффективность применения односторонних ребер жесткости, приваренных к стенке и верхнему поясу. В.В. Мысак исследовал местную устойчивость стенки при центральном сосредоточенном давлении колеса крана. А.А. Макарсков изучал величину предельной нагрузки ПБ с поясами из прокатных тавров для соединения стенки-вставки с тавром. В.С. Казарновский и А.А. Новоселов исследовали НДС ВЗС ПБ с поясами из тавров, а также сварного шва примыкания стенки-вставки к тавру. К.К. Неждановым установлено, что расчетное сечение стенки балок с поясами из тавров по критерию усталостной прочности находится на границе перехода стенки к прокатной выкружке. Для этой зоны сечения им получена кривая выносливости.

В.М. Горпинченко и В.А. Шевченко исследовали работу ПБ с верхним поясом из парных уголков с соединением на высокопрочных болтах (рис. 2в).

Б.Н. Васюта и И.И. Крылов изучали НДС ПБ с прокатной подрельсовой частью (рис. 2г). Ими также осуществлены усталостные испытания моделей, исследовано НДС при нормальном и пониженном расположении ТК и подготовлены рекомендации по проектированию таких конструкций. Разработкой конструктивных форм балок с повышенными амортизирующими свойствами занимались К.К. Нежданов, В.А. Туманов и др. Показана эффективность снижения напряжений в стенке балки путем придания ей амортизирующих свойств в вертикальном направлении. В.Ф. Сабуровым исследованы вопросы действительной работы крановых рельсов.

В настоящей работе проведена классификация более ста известных конструктивных решений ПБ по принципам конструирования. Отмечено, что многие из них получены неоправданным усложнением конструкции и увеличением количества сборочных элементов и соединений, при этом большая часть КФ проработана лишь на уровне принципиальных решений. Отсутствуют исследования действительной работы и методики расчета.

Проведен сравнительный анализ зависимостей напряжений местного изгиба fy от размера отсека стенки, вычисленных по существующим инженерным методикам расчета (А.А. Апалько, Н.С. Москалев, Г.А. Шапиро, 7  И.М. Один, A.G. Senyor, T.R. Gurney, О.Ф. Иванков и И.Е. Спенглер, Ю.И. Ларькин, В.Н. Юшкевич, Е.А. Митюгов, К.А. Шишов, Б.А. Шемшура, В.М. Горпинченко, О.Р. Незальзов и В.М. Савело, А.И. Скляднев, СП 16.13330.2011, ЕN 1993-6:2007 и другие). Были рассмотрены 20 зависимостей и их модификаций. Расчеты и анализ проводились на основе данных экспериментальных исследований В.М. Горпинченко для сварной балки (рис. 3а), Б.Н. Васюты для балки с прокатной безреберной подрельсовой частью (рис. 3б), а также автора (рис. 3в-г) при местном кручении верхнего пояса.

Рис. 3. Сравнение напряжений fy, вычисленных по существующим методикам с экспериментальными, полученными: а) В.М. Горпинченко при испытании сварных двутавровых моделей; б) Б.Н. Васютой при испытании балок с прокатной подрельсовой частью; в) автором при испытании прокатных балок (модель БП1 с сечением из двутавра 30Ш1 пролетом 3 м); г) сравнение с численным расчетом (модель натурной балки НП4 сечением из прокатного двутавра 100Ш4 под кран грузоподъемностью 80 т); 1 – Е.А. Митюгов; 2 – А.И. Скляднев; 3 – В.Н. Юшкевич; 4 – Н.С. Москалев; 5 – Ю.И. Ларькин; 6 – В.М. Горпинченко; 7 – А.А. Апалько; 8 – СНиП II-23-81* (СП 16.13330.2011);

9 – EN 1993-6:2007; 10 – методика автора 8  В результате проведенного анализа установлено:

1. Отсутствуют целенаправленные экспериментальные и теоретические исследования напряжений при местном кручении верхнего пояса в ПБ повышенного ресурса на основе прокатных профилей.

2. Существующие методики ориентированы на традиционные сварные балки в диапазоне соотношения сторон отсека стенки от 0,5 до 2 и не учитывают конструктивных особенностей, характерных для балок повышенного ресурса, среди которых: особенности переходной зоны пояса к стенке; использование безреберных решений или частого расположения ребер жесткости; наличие тормозной конструкции и переменная толщина стенки.

3. Наиболее близким по характеру зависимости от длины отсека стенки является решение Н.С. Москалева, изначально разработанное для ПБ сварного сечения. Ограниченность данного решения заключается в отсутствии адаптации и экспериментальной проверки применительно к ПБ повышенного ресурса на основе прокатных профилей.

Во второй главе описаны результаты экспериментального исследования НДС ВЗС моделей при местном кручении верхнего пояса. Были изготовлены шесть моделей ПБ трех КФ: из прокатных двутавров; с верхним поясом из широкополочных тавров и в виде сварного трехлистового двутавра (моделианалоги) (рис. 4) пролетом 3 м. При назначении размеров моделей обеспечивалось совпадение основных геометрических параметров сечения в моделях балок повышенного ресурса со сварными аналогами для оценки влияния прокатной выкружки по сравнению с поясным сварным швом, а также высоты стенки и переменности толщины стенки.

Рис. 4. Модели экспериментального исследования; а) из прокатных двутавров;

б) с поясами из прокатных тавров; в) с сечением из сварного двутавра; г) схема расположения ребер жесткости в моделях; * – двутавры по СТО АСЧМ 20-9  Комбинация съемных поперечных ребер с креплением к стенке и поясу на высокопрочных болтах обеспечивала широкий ряд значений длины отсека стенки от 0,3 до 3 м. Влияние ТК исследовалось на модели БТ1. Загружение моделей проводилось в трех вариантах: сосредоточенным крутящим моментом с использованием рычага (без рельса), сосредоточенной вертикальной и горизонтальной силами (с рельсом). За расчетную кромку стенки принималась граница перехода стенки к сварному шву (в сварных) и граница перехода стенки к прокатной выкружке (в прокатных).

Проведен анализ распределения напряжений fy по высоте ВЗС сварных и прокатных профилей. Установлено, что изменение напряжений fy по высоте стенки сварной модели соответствует результатам, полученным ранее другими авторами: напряжения fy и градиент их изменения увеличиваются при приближении к расчетной кромке (рис. 5а). То же происходит и с погонным моментом mx: зависимости изменения по высоте напряжений и погонного момента подчиняются одному закону и имеют характер экспоненциальной зависимости.

Рис. 5. Анализ изменения напряжений по высоте ВЗС; а) сварная модель БС1;

б) модель с поясом из прокатного тавра БТ2; – а = 300 мм; - а = 3000 мм Иная картина выявлена в моделях из прокатных профилей. В модели БТнапряжения у расчетной кромки становятся ниже (до 25%), чем на некотором удалении от нее (рис. 5б). При этом погонный момент mx в ВЗС прокатных профилей изменяется, как и в сварных моделях, с возрастанием при приближении к расчетной кромке. Анализ показал, что эффект снижения напряжений fy при приближении к расчетной кромке возникает вследствие локальных отклонений толщины стенки в верхней зоне в большую сторону. В результате полу10  чена экспериментальная зависимость изменения напряжений fy по высоте стенки сварных и прокатных ПБ:

(tharel )0,7( ) y 1m,y e ( y ) m,y (1), fy fy (2)  , где m,y – эмпирическая зависимость в виде экспоненциальной функции.

Были исследованы фактические значения локальных отклонений толщин элементов проката и их влияние на величину напряжений fy. Проведена серия детальных измерений фактических толщин элементов экспериментальных моделей. Установлено принципиальное отличие отклонений толщин сечений, выполненных из листового и фасонного проката: отклонения толщин листового проката не превышали 1,5% в большую и 3% в меньшую сторону, а отклонения толщин стенок прокатных двутавров от номинальных значений достигали 25% в большую сторону. Отклонений в меньшую сторону в прокатных профилях не выявлено. Расчеты по полученной методике показали, что снижение напряжений fy в результате отклонений толщин ВЗС в сварных ПБ достигает 1,2%, в прокатных ПБ – до 15%.

Экспериментально исследованы зависимости максимальных напряжений Э, действующих в середине отсека, от длины отсека стенки а (рис. 6а). Для всех моделей прослеживается асимптотическая зависимость с выходом на горизонтальный участок. При возрастании длины отсека напряжения fy приближаЭ ются к своему максимуму: предельному значению,.

При обосновании расчетной модели определения напряжений местного изгиба стенки рассматривалось равновесие верхнего пояса ПБ (рис. 6б). Крутящий момент Мt, действующий на верхний пояс, воспринимается распределенным реактивным изгибающим моментом стенки Мw и реактивными моментами ребер жесткости Мs. Долей момента, воспринимаемой элементами балки за пределами отсека стенки, как установлено в ранее проводившихся исследованиях, можно пренебречь. При увеличении длины отсека a происходит увеличение момента стенки и снижение момента, воспринимаемого ребрами (рис. 6в).

Система постепенно стремится к безреберному «предельному» случаю работы, когда можно пренебречь влиянием ребер на величину напряжений местного изгиба : весь момент, приложенный к поясу, воспринимается стенкой Мw Мt.

Этот случай соответствует предельным напряжениям, на графиках экспериментальных зависимостей (рис. 6а). Термин «предельные» введен для напряжений, возникающих в ВЗС при местном кручении в безреберном случае работы.

Выражение для определения максимальных предельных напряжений местного изгиба fy,u было представлено в форме определения напряжений в условном стержне эквивалентной ширины lef,f (рис. 6г):

6M t , (3) fy,u tw lef, f где lef,f – условная длина распределения местного крутящего момента на стенку.

11  Рис. 6. К анализу экспериментальных значений напряжений fy; а) зависимости экспериментальных напряжений fy от длины отсека стенки; б) баланс внутренних усилий; в) качественные зависимости реактивных моментов от длины отсека стенки; г) условная длина распределения крутящего момента на стенку Проведенный анализ существующих инженерных методик выявил ряд решений с качественным характером зависимости напряжений fy от длины отсека стенки соответствующим экспериментальной зависимости (авторы Н.С.

Москалев, Ю.И. Ларькин, А.И. Скляднев, A.G. Senior и T.R. Gurney).

Э Для каждой модели были получены экспериментальные значения, и обратным преобразованием из выражения (3) – соответствующие им экспериЭ ментальные значения условной длины распределения,. Установлена линейная зависимость условной длины распределения, :

Э, 2,4, (4) где L – характеристика распределения:

I · h t. (5) L отражает «распределительные» качества пояса и стенки и количественно зависит от отношения жесткости верхнего пояса и рельса при чистом кручении к «погонной» цилиндрической жесткости стенки. Установлено, что коэффициент пропорциональности при L не зависит от формы переходной зоны пояса к стенке.

Экспериментально установлено влияние длины отсека стенки а на величину напряжений fy. Получена зависимость максимальных напряжений:

kr, fy fy,u (6) 12  где kr – функция влияния длины отсека: kr = th(L arel), (7) относительная длина отсека: arel = a/lef,f;

L – коэффициент расчетной длины отсека стенки балки:

,, мм мм 4 3 1.

(8) Рис. 7. Влияние шахматного расположения поперечных ребер жесткости; а) схема шахматного расположения ребер жесткости; б) функция влияния длины отсека при двух вариантах крепления Проведено экспериментальное исследование влияния установки ребер жесткости в шахматном порядке (рис. 7). В базовом случае предполагалось двустороннее парное расположение ребер с двух сторон стенки, стягиваемых высокопрочными болтами. Шахматное расположение возникает при замене парных ребер одиночными с установкой их с противоположных сторон стенки.

Максимальное увеличение напряжений при замене парного расположения ребер шахматным отмечается при относительной длине отсека arel, равной 0,(рис. 7б), и не превышает 7%. Это подтверждает результаты, полученные В.М. Горпинченко для сварных балок с односторонними ребрами, устанавливаемыми на сварке.

В третьей главе описаны результаты численного исследования НДС ВЗС при местном кручении верхнего пояса. Результаты физического эксперимента были использованы для оценки корректности работы численных моделей. Основной задачей численного исследования являлось расширение диапазона параметров ПБ для разработки инженерной методики расчета.

С использованием расчетного комплекса SCAD office были созданы две серии численных моделей: серия «Э» – по размерам экспериментальных моделей (см. рис. 4); серия «Н» – по размерам натурных крупноразмерных ПБ трех конструктивных форм (прокатных, с поясами из прокатных тавров и сварных, полученных опытным проектированием под краны грузоподъемностью 5, 20, 50 и 80 т пролетами 6, 12 и 18 м (всего 2160 численных моделей)).

13  Расчетные модели были построены в двух вариантах: на основе объемных 8- и 6-узловых изопараметрических конечных 3D-элементов (см. рис. 8, 10) и из плоских 3- и 4-угольных конечных элементов оболочек. Исследование проводилось для трех вариантов загружений: сосредоточенным крутящим моментом (без рельса), сосредоточенной вертикальной силой и сосредоточенной горизонтальной силой (с рельсом).

Рис. 8. Численная модель ПБ метода конечных элементов: а) схема разбивки модели на конечные элементы; б) опирание рельса на верхний пояс Сравнение с результатами эксперимента показало (рис. 9а): при аппроксимации результатов численных расчетов значение условной длины распределения lef,f составляет 2,26L и отличается от полученного аппроксимацией экспериментальных значений на 6% в запас прочности.

В результате аппроксимации в диапазоне натурных ПБ (рис. 9б) получено значение lef,f = 2,11L. Установлено, что ее величина не зависит от конструктивной формы ПБ.

Рис. 9. Аппроксимирующие зависимости условной длины распределения момента lef,f от L: а) сравнение результатов физического и численного эксперимента; б) аппроксимация в диапазоне натурных балок Численно исследовано влияние геометрии переходной зоны пояса к стенке на снижение напряжений fy (рис. 10). Сравнивались переходные зоны модели БП1 с прокатной выкружкой и моделей БП1-С1, БП1-С2 со сварными поясными швами вогнутой и выгнутой формы с одинаковыми размерами поя14  сов и стенки. Установлено, что наличие прокатной выкружки снижает номинальные напряжения fy на 13%, что объясняется увеличением момента инерции верхнего пояса при кручении. Отмечено уменьшение коэффициента концентрации напряжений в прокатных моделях по сравнению со сварной с 1,25 до 1,10.

Анализ влияния отклонения сварного поясного шва от требований изготовления (выгнутая форма шва) показал, что номинальные напряжения fy не зависят от формы шва вследствие его малого влияния на жесткость верхнего пояса при кручении. При этом теоретический коэффициент концентрации увеличивается с 1,25 до 1,40.

Е.А. Митюгов, В.В. Мысак а также другие исследователи отмечали двойной положительный эффект применения ПБ с увеличенной толщиной верхней части стенки: во-первых, достигается снижение металлоемкости; во-вторых, происходит снижение местных напряжений в ВЗС от сосредоточенного давления и местного изгиба стенки вследствие повышения распределительной способности стенки.

Рис. 10. Узлы ВЗС численных моделей ПБ; а) БП1; б) БП1-С1; в) БП1-СРанее задача определения напряжений с учетом переменной толщины стенки аналитически была решена Е.А. Митюговым. Его решение ограничено традиционным диапазоном соотношений сторон отсека стенки от 0,5 до 1,5.

При большей длине отсека установлена некорректность данного решения. В настоящей работе данная задача была решена для случая произвольного диапазона длины отсека стенки путем приведения переменной толщины стенки к постоянной с эффективной высотой hw,ef. Эффективная высота стенки определялась из условия равенства углов поворота верхнего пояса (рис. 11):

1=2.

(9) Углы поворота вычислялись с помощью интеграла Мора:

15  hw,T hw,ef hw M12 M1 M1 dx dx 2 dx.

, Dw hw,T Dw,В Dw 0 Стенка моделировалась пластиной единичной ширины. Закрепление стенки в нижнем узле было принято шарнирным. В результате решения равенства (9) и последующей корректировки по результатам численных расчетов был получен коэффициент приведения ef для определения эффективной высоты стенки hw,ef :

(1 )3 ef (10) 1 1, hw,ef hw ef, (11) tw,в где tw ; hw,Т hw.

Установлено, что уменьшение толщины стенки-вставки с 8 до 5,5 мм привоРис. 11. Расчетная модель дит к снижению напряжений в расчетной определения эффективной кромке на 16,7% по результатам эксперивысоты стенки мента и на 18,6% по результатам численных расчетов.

в Для определения напряжений в верхней кромке стенки-вставки ПБ повышенного ресурса путем преобразования известного решения Е.А. Митюго3 ва получен коэффициент приведения: * .

y,t (12) 11,5 в · *.

Напряжения в верхней кромке стенки-вставки: y,t (13) Исследовано влияние наличия тормозной конструкции в виде сплошного листа в уровне верхнего пояса на снижение напряжений местного изгиба стенки. Известно четыре типа раскрепления ПБ в горизонтальной плоскости: отсутствие раскрепления верхнего пояса; применение решетчатой ТК; применение сплошного тормозного листа, приваренного по всей длине к поясу, и пониженное расположение тормозной конструкции. Последний случай подробно рассмотрен в работах Б.Н. Васюты и в данной работе не исследовался.

Для развития методики определения напряжений с учетом влияния ТК за основу было взято решение Н.С. Москалева. Решение было развито введением в расчетную модель (рис. 12) тормозной конструкции и составлением дифференциального уравнения равновесия верхнего пояса при действии сосредоточенного крутящего момента:

4 Dw 3 Dt ht b 0.

G It " (14) hw ht3 В результате решения уравнения (14) выражения (6) и (7) дополнены kt (коэффициентом влияния ТК) и преобразованы в выражения (15) и (16):

kr kt, fy fy,u (15) 16  kr thL arel kt , (16) 3 где kt 4tw ht3 4tw ht3 3tt3ht 0,5bf hw,ef . (17) Рис. 12. Расчетная модель ПБ для определения напряжений fy с учетом влияния тормозной конструкции Экспериментально и численно установлено, что из всех типов ТК минимальный эффект снижения напряжений при МКП оказывает решетчатая тормозная ферма. По сравнению с ней отсутствие раскрепления верхнего пояса в горизонтальной плоскости снижает напряжения в реальных ПБ от 15 до 33%.

Наличие сплошностенчатой ТК снижает напряжения от 5 до 10%.

max Проведен анализ компонент fx и по длине ВЗС прокатных и сварfxy ных ПБ. Получено значение максимальных напряжений fx = 0,45fy. Значения max касательных напряжений не превышали значений 0,25fy, установленных fxy нормативными документами как для сварных, так и для прокатных ПБ.

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ исследования проведено уточнение инженерной методики определения напряжений в стенках ПБ в виде прокатного и сварfy ного двутавра, а также с верхним поясом из прокатного тавра с более тонкой стенкой-вставкой с отсеком стенки произвольной длины. Методика позволяет учесть влияние ТК, прокатной выкружки, а также сближенного расположения колес крана.

В общем случае максимальные напряжения, действующие в расчетной кромке середины отсека стенки, определяются зависимостями:

6Mt kr kt 1 , (18) 0,45, (19) 0,25. (20) fy xi fx fy fxy fy tw,loc lef, f i Условная длина распределения момента на стенку lef, f определяется по формуIt ле lef, f 2,11 L, где L It hw,ef tw, – сумма моментов инерции верхнего пояса и рельса при чистом кручении (момент инерции верхнего пояса прокатных балок вычисляется для поперечного сечения, ограниченного расчетной кромкой стенки, проходящей по границе перехода выкружки к стенке); tw – средняя толщина стенки по результатам фактических измерений; tw,loc – фактическая толщина стенки в расчетной кромке (при новом проектировании принимается номинальное значение толщины из сортамента).

17  В случае переменной толщины стенки эффективная высота стенки определяется из выражения (11), где коэффициент приведения ef вычисляется по зависимости (10). При постоянной толщине стенки hw,ef = hw 2rвык для прокатных и hw,ef = hw – для сварных балок. Напряжения в расчетной кромке стенки-вставки определяются по зависимости (13).

В случае расположения ТК в уровне верхнего пояса в виде сплошного kt листа влияние ТК учитывается введением коэффициента влияния ТК (17).

При наличии в уровне верхнего пояса решетчатой фермы коэффициент влияния kt 0,ТК равен 1, при отсутствии –.

Влияние расстояния между поперечными ребрами учитывается введением функции влияния длины отсека стенки kr (16), где µL определяется по формуле (8).

В случае наличия более одного колеса крана в пределах длины отсека стенки, ограниченного поперечными ребрами, необходимо введение коэффициента xi, учитывающего влияние смежных колес на увеличение напряжений:

xi shLa 2xci lef, f shLarel , (21) где xci – расстояние от середины отсека стенки до оси i-го смежного колеса (рис. 13).

Рис. 13. К учету влияния сближенного расположения колес крана В четвертой главе проведен технико-экономический анализ применения конструктивных форм ПБ повышенного ресурса для крановой эстакады под краны тяжелого режима работы грузоподъемностью 16 тонн с пролетом ПБ 12 м. Выполнено опытное проектирование ПБ нескольких конструктивных форм, проведен сравнительный анализ трудоемкости и стоимости изготовления балок, определен циклический ресурс балок. Сравнивались балка на основе сварного трехлистового двутавра с ребрами жесткости и несколько конструктивных форм повышенного ресурса (балка на основе прокатного двутавра;

сварная балка без ребер жесткости с более толстой стенкой; балка с верхним поясом из широкополочного тавра без поперечных ребер жесткости; балка с поясами из парных уголков с поясными соединениями на высокопрочных болтах и балка с прокатной подрельсовой частью). Установлено, что для данных условий эксплуатации наиболее эффективной конструктивной формой ПБ повышенного ресурса является подкрановая балка с верхним поясом из прокатного тавра без поперечных ребер жесткости. Эти результаты допускается распространить на грузоподъемность кранов до 30 т. Для большей грузоподъемности требуется дополнительный анализ.

18  ВЫВОДЫ 1. Установлены количественные характеристики факторов снижения напряжений местного изгиба в стенках подкрановых балок из прокатных профилей по сравнению со сварными: локальные отклонения толщины стенки в большую сторону и увеличение крутильной жесткости верхнего пояса. Снижение напряжений в результате комплексного влияния факторов может достигать 40%.

2. Установлена единая зависимость напряжений местного изгиба для сварных и прокатных балок в безреберном случае работы стенки от геометрических параметров поперечного сечения балки.

3. Получены количественные зависимости напряжений местного изгиба, отражающие влияние: длины отсека стенки во всем возможном диапазоне, переменной толщины стенки и наличия тормозной конструкции.

4. Исследовано влияние шахматного расположения поперечных ребер жесткости на высокопрочных болтах. Замена парных ребер жесткости одиночными, установленными в шахматном порядке, увеличивает напряжения местного изгиба не более чем на 7%.

5. Разработана инженерная методика определения напряжений местного изгиба стенки подкрановых балок повышенного ресурса, учитывающая характерные конструктивные особенности: длину отсека стенки в широком диапазоне, плавную переходную зону пояса к стенке, переменную толщину стенки и наличие тормозной конструкции.

6. Рекомендуется использование полученной методики при расчетах подкрановых балок на прочность и выносливость верхней зоны стенки, а также при расчетах прочности стенок стальных балок, испытывающих местный изгиб при кручении верхнего пояса.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Васюта Б. Н. О тенденциях и противоречиях развития подкрановых конструкций [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Монтажные и специальные работы в строительстве. – 2007. – № 4. – С. 4–10.

2. Васюта Б. Н. Экспериментальное исследование моделей подкрановых балок на основе прокатных профилей при местном кручении верхнего пояса (сообщение 1) [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Известия вузов. Строительство. – 2008. – № 4. – С. 115–125.

3. Васюта Б. Н. Экспериментальное исследование моделей подкрановых балок на основе прокатных профилей при местном кручении верхнего пояса (сообщение 2) [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Известия вузов. Строительство. – 2009. – № 1. – С. 124–133.

4. Васюта Б. Н. Экспериментальное исследование моделей подкрановых балок на основе прокатных профилей при местном кручении верхнего пояса (сообщение 3) [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Известия вузов. Строительство. – 2012. – № 2. – С. 109–118.

19  5. Васюта Б. Н. Технико-экономическое обоснование применения безреберных балок [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Тез. докл. 61-й науч.-техн.

конф. – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2004. – С. 37.

6. Васюта Б. Н. Исследование напряжений от местного кручения в стенке безреберной подкрановой балки [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Исследования, расчет, проектирование и безопасная эксплуатация строительных конструкций, зданий и сооружений : тез. докл. науч.-практ. конф. – Челябинск:

ЮУрГУ, 2005.

7. Васюта Б. Н. Универсальная инженерная зависимость для определения напряжений от кручения в подкрановых балках [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Тез. докл. науч.-практ. конф. – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2009.

8. Васюта Б. Н. Инженерная методика определения напряжений в стенках подкрановых балок при местном кручении верхнего пояса [Текст] / Б. Н. Васюта, Г. В. Чалков // Тез. докл. науч.-практ. конф. – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2012.

Чалков Геннадий Владимирович НАПРЯЖЕНИЯ В СТЕНКАХ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК ПОВЫШЕННОГО РЕСУРСА ПРИ МЕСТНОМ КРУЧЕНИИ ВЕРХНЕГО ПОЯСА Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата техн. наук

Подписано в печать 17.09.2012.

Формат 60х90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Новосибирская цифровая типография», 630099, г. Новосибирск, ул. Максима Горького, 20 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.