Прочность стальных неразрезных балок при локальных нагрузках и учете влияния конструктивных факторов

Строительные конструкции зданий и сооружений являются одним из основных потребителей стали, которая в последнее время становится сравнительно дорогостоящим материалом, увеличивающим стоимость строительства. Но, несмотря на временный спад производства, использование стальных конструкций в строительстве велико.

Обеспечение высокой экономической эффективности стальных конструкций может быть получено при учете в строительных нормах и правилах последних достижений в методах расчета.

Среди эффективных научных достижений, повлиявших на современное развитие проектирования строительных конструкций следует назвать развитие вычислительной техники и пакетов прикладных программ к ней, используя возможности которых можно повысить экономичность проектируемых зданий.

Актуальной становится проблема выявления дополнительных резервов несущей способности стальных конструкций на основе уточнения их расчетных схем при использовании МКЭ в определении расчетных усилий и напряженно-деформированного состояния (НДС) опасных сечений.

Результатами исследований в этом направлении могут быть уточненные инженерные расчеты неразрезных стальных балок на основе анализа на ЭВМ пространственных конечно-элементных моделей расчетных схем балок с учетом влияния таких конструктивных параметров, как: типы опор, относительная мощность опорных ребер жесткости на средних опорах, ребер жесткости под локальными нагрузками в пролетах, относительные величины пролетов и др.

Как будет показано ниже, такие задачи имеют практическое значение при рассмотрении упругой работы неразрезных балок и, особенно, за пределом упругости.

Как известно, неразрезные стальные балки экономичнее однопролетных разрезных в пределах (15ч-24)%. Поэтому изучение их действительной работы по уточненным расчетным схемам, и выявление на основе их анализа новых 9 возможностей для расчета и проектирования новых и реконструкции существующих конструкций зданий и сооружений.

Современная методика оценки прочности стальных балок на локально приложенные нагрузки (включая опорные реакции), определяемая СНиП II-23−81* «Стальные конструкции» [1] допускает ряд упрощений при переходе от реальной конструкции к ее расчетной схеме. В частности: в местах расположения ребер жесткости (в том числе и опорных) допускается не учитывать при проверке стенки на прочность локальные напряжения аув стержневых расчетных моделях опорный момент на средней опоре неразрезных балок с шарнирными опорами определяется без учета влияния поперечной силы, что логически влияет на условия расчета за пределом упругостиодновременный учет перераспределения опорных и пролетных моментов и коэффициентов «с», учитывающих упругопластическую работу расчетного сечения, вызывает сомнение в методике расчета и т. д.

Многие из этих упрощений могут привести к существенному отклонению получаемых характеристик НДС неразрезных балок от действительных, особенно, для стержневых расчетных схем. Это обстоятельство отмечено многими исследователями.

Рассмотренные выше вопросы определили цель диссертационной работы: выполнить теоретические и экспериментальные исследования работы стальных неразрезных балок с учетом конструктивных факторов и разработать практические методы их расчета.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

— исследовать работу неразрезных балок на пространственных КЭ моделях, отображающих фактические условия опирания, конструктивные факторы и локальные нагрузки;

— оценить влияние поперечной силы в аналитическом и численных решениях на распределение силовых факторов в неразрезных балках в зависимости от изменения геометрических и конструктивных факторов;

— оценить сходимость численных результатов с опытными данными существующих испытаний балок и собственного эксперимента;

— оценить влияние конструктивных факторов на условие перехода материала неразрезных балок из упругой стадии работы в пластическую;

— на основе численного анализа НДС пространственных КЭ моделей разработать рабочую методику для инженерных расчетов на основе аппроксимированных решений и определить экономическую эффективность полученных решений.

Научная новизна работы:

— впервые комплексное влияние конструктивных факторов исследовано в пространственной КЭ модели с учетом физической нелинейности работы материала;

— исследовано влияние поперечной силы на распределение силовых факторов в неразрезных балках с учетом изменения конструктивных параметров;

— исследовано распределение давления пояса на ребра жесткости и стенку в опорных зонах неразрезных балок;

— исследованы условия перехода пролетного (под локальной нагрузкой) и опорного сечений балок в упругопластическую стадию работы;

— проанализирована глубина пластических деформаций в стенке опорной зоны и в пролете под нагрузкой, соответствующая наступлению предельного состояния по перемещениям балок в пролетах, в зависимости от изменения относительной мощности ребер жесткости и поясов, типов опор и относительного пролета;

— экспериментально исследованы предельные и допустимые нагрузки, соответствующие при ограниченных пластических деформациях предельно допустимым перемещениямпроанализировано состояние ребер жесткости при работе опытных балок за пределом упругости.

Практическая значимость диссертации — получено выражение для реакций опор неразрезных двухпролетных балок, загруженных сосредоточенными силами, при учете влияния поперечной силы;

— получено аппроксимированное выражение для определения давления пояса на опорные ребра жесткости;

— получены численные значения коэффициентов Cg, определяющих перераспределение усилий между стенкой балки и опорным ребром жесткости для упругой стадии работы балки;

— получена формула для определения величин нагрузок, соответствующих переходу пролетного и опорного сечения балки из упругой в упругопластиче-скую стадию работы;

— определено допустимое и предельное значения глубины пластических деформаций в стенке опорной зоны балки, соответствующие наступлению предельного состояния по допустимым перемещениям пролетов;

— получена практическая формула определения допустимой нагрузки для неразрезных балок;

— получена формула определения опорной реакции неразрезной балки при наличии ограниченных пластических деформаций в стенке пролетной (под нагрузкой) и опорной зон.

Реализация результатов исследований Полученные результаты работы были использованы при выполнении хоздоговорной работы № 12/2000 с ОАО «НАЗ Сокол» для усиления стальными неразрезными балками существующих железобетонных перекрытий чаш осветлителей воды, имевших недопустимые прогибы. Апробация работы Результаты исследований докладывались на межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука — региону» (г. Вологда, 2000 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов (г. Нижний Новгород, 2000 г.) На защиту выносятся:

— результаты численных и теоретических исследований влияния конструктивных факторов на упругое НДС стальных неразрезных балок;

— результаты численных и теоретических исследований комплексного влияния конструктивных параметров на предельное состояние неразрезных балок;

— результаты экспериментального определения нагрузок, соответствующих концу упругой работы, и допустимых нагрузок для неразрезных балок;

— практический метод определения опорных реакций неразрезной балки при учете ограниченных пластических деформаций;

— практический метод определения допустимой нагрузки для неразрезных балок при ограниченных пластических деформациях.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы (книга 1, 161стр.) и приложений (книга 2, 210стр.) в число которых входит: 301 рисунок, 64 таблицы, список литературы включающий 93 наименования, и 10 приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В работе впервые исследована прочность стальных неразрезных балок при локальных нагрузках (включая опорные ребра жесткости) с учетом комплексного учета влияния конструктивных параметров: относительной мощности ребер жесткости (опорных и пролетных под нагрузкой), типов опор и относительного пролета (ц = 1/И), — на пространственных КЭ моделях.

2. Установлено, что в упругой стадии работы балки пролетный момент превышает опорный в пределах от 57,9% в коротких балках (л = 3) до 2,4% в длинных (?7 = 6).В балках с относительным пролетом ц = 9, наоборот, превышение опорного момента над пролетным составляет 9% (в стержневой расчетной схеме это превышение составляет 20,5%).

Полученные численные и аналитические решения сходятся в пределах (0,6ч-], 5)% при изменении относительного пролета г) в пределах от 3 до 9.

Предложена рабочая формула (8) практического определения реакции средней опоры в упругой стадии работы на основе численного анализа балок на пространственных КЭ моделях — расчетных схемах.

3. Получены численные значения коэффициентов Cg, определяющих долю опорной реакции, воспринимаемую стенкой и ребром жесткости в зависимости от типов опор, относительной мощности ребер жесткости и относительного пролета в упругой стадии работы балок. Условия перехода стенки средней опорной зоны в упругопластическую стадию работы зависят от величины этого коэффициента. Табличные значения коэффициентов Cg рекомендуется использовать в практических расчетах стенок балок с ребрами жесткости на прочность.

4. Предложена формула (24) конца упругой работы стенки моностальной неразрезной балки, соответствующего опорному (зона средней опоры) или пролетному (под локальной нагрузкой) сечениям, и рекомендуемая для практических расчетов с учетом табулированных значений коэффициентов у.

5. Предложен критерий величины ограниченных пластических деформаций (е,.) по размеру пластической зоны сечения в опорном среднем сечении балки в зависимости от типов опор, относительной мощности ребер жесткости и относительных пролетов. Для практического применения величина пластических деформаций ограничена от начала уменьшения опорного момента с коэффициентом запаса 1,35.

Предложена формула (27) для практического определения величины реакции на средней опоре при ограниченном развитии зон пластических деформаций в опорном и пролетном сечениях неразрезной балки.

6. Экспериментальные испытания неразрезных балок подтвердили теоретические выводы о первоначальном развитии пластических деформаций в стенке опорного сечения, а не в пролете. Разница в нагрузках, соответствующих концу упругой работы для опорного и пролетного (под нагрузкой) сечений составили около 10% при г) = 3 (тангенциальная опора) и т] = 6 (плоская опора). Для одного значения относительного пролета разница в нагрузках конца упругой работы пролетного и опорного сечений составили для относительного пролета г| = 6 от 11% (плоская опора) до 19% (тангенциальная опора). Прогибы балок на период нагрузки, соответствующей концу упругой работы, имеют запас по сравнению с нормативными в пределах 2-=-4 раза. Эксперимент подтвердил хорошую сходимость теоретических численных результатов конца упругой работы стенки. Расхождения находятся в пределах 6% для средней опоры и 9% для пролетной зоны (под нагрузкой). Допустимая нагрузка на экспериментальные балки, соответствующая границе начала резкого нарастания интенсивности деформаций, хорошо согласуется с теоретической нагрузкой, соответствующей допустимой глубине зоны пластических деформаций стенки. Расхождения находятся в пределах от -3% (л = 3) до +7% (т) = 6), кроме балки БЛ-5,имеющей дефекты изготовления.

7. Сравнение теоретических результатов расчета стальных балок по критерию допустимых нагрузок с их расчетом по нормам показывает на расхождение.

146 с последними от +5% (л = 3) и до +(15ч-19)% (л = 6) в зависимости от типа опор.

8. Предложенные в работе решения по расчету стальных неразрезных балок на прочность при учете развития пластических деформаций позволяют получить дополнительный резерв материала без снижения надежности балок. Практическое применение полученных формул с учетом табулированных значений коэффициентов достаточно просто.