Актуальность. Применение предварительного напряжения, как средства повышения эффективности металлоконструкций, является сп ди-альной технической проблемой. Во многих странах, особенно в свя и с применением антисейсмических конструктивных мероприятий, проводяся обширные эксперименты и теоретические исследования, посвященное изучению этой проблемы. Исследования затрагивают общие теоретиче-с сие вопросы, изучение действительной работы конструкций, разработку методов расчета, создание новых рациональных конструктивных форм, оптимизацию геометрических и физических параметров, выявление областей эффективного применения предварительного напряжения.
Возможностью получения экономии металла в преднапряженных конструкциях (до 50%) и снижения трудоемкости изготовления по сравнению с железобетонным аналогом обуславливается перспектива их широкого применения. Экономия металла всегда являлась проблемой номер один при проектировании и использовании металлических и иных конструкций. В перспективе с сокращением сырьевых запасов значение этой проблемы возрастет еще больше.
Развитие металлических конструкций, сопровождающееся увеличением нагрузок и габаритов сооружений, требует применения высокопрочных сталей, что является одним из способов экономии металла. Однако, в конструкциях из высокопрочной стали увеличивается деформативность, что во многих случаях ограничивает ее применение или приводит к нерациональным решениям. Созданием преднапряжения можно повысить жесткость конструкции и уменьшить перемещения и, тем самым, расширить область применения высокопрочной стали, сделать ее использование более эффективным.
Преднапряжение расширяет возможности использования высокопрочных сталей в элементах, работающих на сжатие, что снимает в таких случаях проблему обеспечения устойчивости сжатых стержней, а это особенно важно при использовании высокопрочной стали.
Повышение эффективности преднапряженных конструкций связано с тем, что при той же затрате материала увеличивается их жесткость, что позволяет повысить их несущую способность.
Создание преднапряжения часто связано с дополнительным расходом материала (затяжки, анкеры и т. д.) и всегда — с дополнительной затратой труда.
Предлагаемый в настоящем исследовании способ пре/] напряжения не связан с дополнительным расходом материала.
Необходимо, чтобы эффект, получаемый от преднапряжения, превышал затраты, связанные с его созданием.
Диссертация посвящается совершенствованию и разработке предварительно-напряженных сплошностенчатых биметаллических колонн двутаврового сечения, повышенных несущей способности, жесткости и технологичности.
Целью работы является создание методики расчета несущей способности биметаллических колонн двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов.
Для достижения указанной цели необходимо решить пять задач:
— разработать теорию расчета стержней двутаврового сечения предварительно-напряженных вытяжкой поясов при воздействии центральной и внецентренно приложенной сжимающей нагрузки;
— разработать теорию расчета элементов предварительно напряженных вытяжкой поясных листов двутаврового сечения на местную устойчивость;
— разработать практическую методику расчета;
— теоретически обосновать рациональную технологию изготовления двутавров с вытяжкой поясных листов;
— оценить экономическую эффективность колонн двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов.
Методы исследований:
Включают теоретический анализ напряженно-деформированного состояния колонны с применением теории упругости и устойчивости сжатых стоек.
Достоверность разработанных методов подтверждена испытаниями опытной партии колонн, изготовленных на Днепропетровском заводе металлоконструкций (см. 6.3).
В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:
— выведены формулы для определения несущей способности центрально и внецентренно сжатых биметаллических колонн (стержней) двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов;
— установлено, что предварительное натяжение поясных листов наиболее эффективно при условии, что сталь стенки двутавра по прочности не менее, чем на две марки выше стали поясов;
— установлены условия местной устойчивости стенки двутавра от усилий предварительного напряжения поясов с учетом совместных стесненного кручения и изгиба поясов и стенки;
— установлены закономерности распределения напряжений сжатия в стенке двутавра от действия предварительно напряженных поясовустановлен характер распределения напряжений сдвига (касательных усилий) по длине стенки двутаврового стержня после ее сварки с предварительно растянутыми поясамивыявлена функция, аппроксимирующая эпюру напряжений сдвига, и предложен технологический прием создания предварительного напряжения, при котором эти напряжения выравниваются по длине преднапряженного стержня. Для практического использования рекомендуются следующие результаты:
— методику практического расчета по несущей способности и устойчивости;
— способ определения оптимальной условной гибкости колонн;
— технологический прием прерывной сварки-вытяжки поясных листов в целях выравнивания напряжений сдвига по длине стержня. Апробация. Основные положения диссертации были доложены и получили положительную оценку на:
— заседании Научно-экспертного совета при Администрации Сахалинской области (Протокол № 15 от 16.06.99 г.);
— заседании секции Научно-технического совета ДальНИИСа (Протокол № 2 от 12.05.98 г);
— секции Дальневосточного государственного технического университета (Строительного института) (Протокол № 3 от 25.11.99 г).
Публикации. Основные положения диссертации и результаты теоретических исследований опубликованы в следующих работах:
1. Пономарев В. П. «О характере распределения напряжения сжатия по поперечным сечениям стенки колонны из сварных двутавров, преднапряженных вытяжкой поясных листов, на стадии предварительного напряжения» // Сборник науч. трудов кафедры строительных конструкций// - Хабаровск, Хабаровский политехнический ин-т., 1981.
2. Пономарев В. П. «Методические рекомендации по расчету бистальных колонн из сварных двутавров, предварительно-напряженных вытяжкой поясных листов, работающих на центрально и внецентренно приложенную сжимающую осевую нагрузку», г. Южно-Сахалинск, ГТУ, 1999.
4 Пономарев В. П. «О новом способе преднапряжения и расчета биметаллических колонн из сварных двутавров и экономической эффективности» // Сборник научных работ // ВладивостокДВГТУ, 1999 — с. 45−46.
Внедрение. На Днепропетровском заводе металлоконструкций была разработана технология заводского изготовления предварительно напряженных сварных двутавров и была создана установка по их изготовлению.
Предварительно напряженный вариант колонн и балок был реализован при строительстве рабочих площадок корпуса № 201 на Белоцерков-ском заводе сельскохозяйственного машиностроения.
Экономическая эффективность. Технико-экономические расчеты преднапряженных колонн показывают, что по сравнению с аналогичными колоннами без преднапряжения стоимость их в деле снижается на 24,4%, а масса — на 35,8%.
6.3 Выводы по разделу 6.
1. В основу проектирования экономичных преднапряженных колонн положены три принципа: экономия металла, снижение трудоемкости изготовления и сокращение сроков монтажа. Эти принципы по своей природе противоречивы и успешное совмещение их возможно при создании конструкций минимальной массы и стоимости, что является универсальным критерием оптимальности (целевой функции) конструкций.
2. Оптимальное состояние преднапряженной конструкции характеризуется следующими условиями: а) в стадии создания преднапряжения наиболее напряженные элементы должны находиться в предельном состоянииб) в стадии загружения внешними нагрузками наиболее напряженные элементы (в т.ч. напрягающие) достигают предельного состояния.
3. Решена основная задача оптимизации: для принятого способа создания преднапряжения заданная система имеет минимальную массу, а затраты, связанные с его созданием, не превышают экономии за счет сокращения расхода материала, достигнутого в результате регулирования напряжений.
4. Экономическая оценка, основанная на расчете трудоемкости изготовления и общей стоимости конструкции «в деле», выполнена способом, предложенным Я. М. Лихтарниковым, в основе которого лежит членение конструкции на основные и дополнительные детали.
5. Из сопоставления данных расчетов можно сделать следующие выводы:
5.1. Сравнивая данные Вариантов I и Г, видим, что преднапряжен-ный стержень обладает вдвое большей несущей способностью по сравнению с точно таким же стержнем, но без преднапряжения. При этом некоторое снижение трудоемкости и стоимости явно не компенсируется двойным снижением несущей способности: трудоемкость изготовления при создании преднапряжения возрастает на 15%, а стоимость — на 3,6%.
5.2. Сравнивая Варианты I и И, видно, что стержень из тех же классов стали (пояса — С285, стенка — С375), рассчитанный на нагрузку 962 кН (Вариант I — 960 кН), отличается от преднапряженного в большую сторону:
— по расходу металла — на 35,8%;
— по стоимости изготовления — на 20,8% и по стоимости в деле — на 24,4%. Трудоемкость изготовления при этом остается неизменной.
5.3. Сравнивая Варианты I и III, видим, что стержень, целиком выполненный из стали С285 и рассчитанный на ту же нагрузку (963,ЗкН), но без преднапряжения, имеет значительно худшие показатели при практически неизменной трудоемкости изготовления:
— по расходу металла больше на 53,3%;
— по стоимости изготовления — в 2 раза;
— по стоимости в деле — на 89,9%.
5.4. Сравнивая Варианты I и IV, видим, что преднапряженный стержень, выполненный целиком из стали С285 и рассчитанный практически на ту же нагрузку (968 кН) имеет худшие показатели:
— по расходу материала больше на 18,7%;
— по трудоемкости на 4,2%;
— по стоимости — больше на 87,8%;
— по стоимости в деле — на 70%.
5.5. Сравнивая Варианты I и V, видим, что преднапряженный стержень, выполненный целиком из стали С375 и рассчитанный на ту же нагрузку (962,2 кН) меньше по расходу материала от базового Варианта I на 3,2%, несколько превышает его по трудоемкости изготовления (на 7,6%), но на 88%) дороже по стоимости изготовления и на 70,7% дороже по стоимости в деле.
5.6. И, наконец, сравнивая Варианты I и VIвариант стержня без преднапряжения, выполненного целиком из стали С375, рассчитанного на нагрузку 965 кН, но без преднапряжения, видим, что по расходу материала такой стержень больше на 31,7%, по трудоемкости — на 6,7%, по стоимости изготовления — на 145,3% и по стоимости в деле — на 125,5%).
6. Таким образом, из приведенных сопоставлений следует: •.
6.1. Базовый Вариант I является оптимальным по расходу материалов, подбору классов стали для поясов и стенки при наличии преднапряжения вытяжкой поясных листовпри этом наиболее полно используются прочностные характеристики сталей поясов и стенки.
6.2. Крайне нерационально выглядит вариант с использованием одинаковых классов сталей для поясов и стенки без применения преднапряжения.
6.3. Использование стали высокой прочности в сжатых элементах без преднапряжения еще более нерационально по стоимости, чем для такого же варианта, но с применением обычной стали СтЗ.
Исследование вариантов стержней с внецентренным приложением нагрузки приводит к аналогичным результатам и выводам.
