Введение к работе
Актуальность проблемы . Проблема создания новых конструктивных решений строительных конструкций, отвечающих современным требованиям надежности, Технологичности и в то же время экономичности, связана непосредственно с решением вррросов эффективного использования высокопрочных сталей. К числу перспективных конструкций в этом отношении относятся металлические конструкции, выполненные с предварительным напряжением. В районах Дальнего Востока, Восточной Сибири и Некоторых других районах такие конструкции являются наиболее предпочтительными, поскольку в силу уже сложившейся строительно-индустриальной базы позволяютснижать как трудоемкость изготовления по сравнению с аналогичными железобетонными Конструкциями (до 50-80 %),так и стоимость "в деле" (до 12-24 %). Поэтому очевидно, что создание и совершенствование их конструктивных форм с целью решения основных Технико-экономических задач в области строительства, включающих в себя снижение массы конструкций, повышение производительности труда при изготовлении и монтаже, повышение скорости возведения зданий и сооружений, снижение стоимости проектирования, изготовления и монтажа конструкций - является важнейшей народнохозяйственной задачей..
Суть предварительного напряжения конструкций или их элементов в том, что в них создаются усилия или перемещения, вектор которых направлен в сторону, гіротивоположную соответствующему вектору внешних нагрузок. Исследования В. Г. Шухова, Н. С. Стелецквго, Б. А. Сперанского, Е. И. Беленя, В. М. Вахуркина, ІО. В. Гайдарова, М. Н. Лащенко, В. В; Бирюлева, Н. П. Мельникова, А. А. Воеводина, А, Б. Пуховского, В.В.Михайлова и др. показали, что несущая способность конструкций повышается на величину предварительного напряжения. Кроме этого, повышаются жесткость, местная устойчивость отдельных атементов, общая устойчивость конструкций, выносливость, улучшаются многие динамические характеристики сооружений.
Весьма эффективно предварительное напряжение при усилении всех видов конструкций. В раде случаев оно оказывается единственным способом, позволяющим продлить срок их эксплуатации.
По мнению Н.П.Мельникова, предварительно- напряженные конструкции обладают меньшей или весьма малой вероятностью разрушения по сравнению с обычными металлическими конструкциями.
Однако, предварительно-напряженные конструкции не лишеныл недостатков. Отпуск металла затяжки, увеличение трудозатратна изготовление и расход металла на анкерные устройства, предотвращение провисания затяжек, локальные напряжения, превышающие предел текучести материала в стенке балок, которые ,по мнению Е. И. Беленя, П. Ференчика, М. Точачекаи Г. Б. Бебневой, увеличивают вероятность хрупкого разрушения металла и снижают выносливость конструкций, вероятность смещения затяжки с центра тяжести сечения - все это снижает эффективность таких
конструкций. Работы В. М.Вахуркина, А. А .Зсвина и В. А. Стефановского, М. Лубински И Я. Карчевски, В. В. Бирюлева и др. положили начало развитию нового направления -беззатяжечного предварительного напряжения металлических конструкций. Над разработкой балок, предварительно-напряженных указанными способами, работали В. Э. Бирюлев, В. М. Вахуркин, А.А, Зевин, В. А. Стефановский, И. Г. Клинов,В. А. Кравчук,
A. 3. Клячин, В. И. Кириенко, И. В. Левитанский, К. X. Толмачев, Л. Г. Горынин, Л.
Аштон, М. Скалоуд и др; конструкций ограждения - Е. И. Беленя, Г. С. Фридман, Б. Е.
Киселев, В. В. Карпин, А. Е. Липницкий, Б. В. Горенштейн, И. В .Ломбарде, Г. Д. Попов,
B. М. Трофимов, Г. Т. Михайлов. Ю. М. Дукарский, Ф. Ф. Томплон, и др; листовых
конструкций - В. М. Дидковский, В. Ф .Лебедев, Э. Б. Рамазанов, Г.Д.Раевский и др;
перекрестно-стержневых конструкций - А.А.Калинин, Г. X. Остриков, Г. А. Ажермачев,
В:. В. Галета, Р. Радуз, Б. Б. Ягудов и др; вантовых - Г. А. Абовян, Г. Н. Погосян, И. В.
Алявдин, П. Белчев, Г. 3. Райнус, Е. М. Сидорович, Э. Я. СлонимД.Яверт и др.
Одним из беззатяжечных способов является предварительное напряжение конструкций 'посредством деформации стенки сплошностснчатых балок и колонн. Простота реализации на заводах по изготовлению железобетонных конструкций, возможности значительного продления упругой работы элементов, повышение жесткости, выносливости, устойчивости и прочности, снижение статической и динамической деформативности и на этой основе снижение массы и стоимости открывают широкие возможности этому способу предварительного напряжения, позволяющему улучшить практически все параметры несущей способности строительных металлических конструкций.
ft последние годы в России и странах СНГ резко сократился объем теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, связанных с исследованием металлических конструкций. В то же вреіуія в технически развитых странах объем этих работ постоянно растет .Увеличиваются инвестиции в разработку конструктивных решений металлических каркасов высотных зданий, сооружений из металла, цельнометаллических зданий заводского изготовления и комплектной поставки. Долг ученых - дать объективную, оценку возможностей использования современных ' металлических конструкций, определить направления их совершенствования и развития, оценить экономическую выгодность, т.е. предоставить предпринимателям возможность выбора металлических конструкций для строительства объектов, отвечающих функциональным требованиям и стоимости "в.деле3'. Это, а также необходимость совершенствования металлических конструкций для строительства в районах Сибири. Дальнего. Востока и Севера явилось основанием для настоящего исследования.
Диссертация посвящается совершенствованию и разработке предварителыю-напряжепных беззатяжечным способом сплошностенчатых металлических конструкций повышенной несущей способности, жесткости и технологичности с целью создания экономически эффективных балок и колонн применительно к промышленным зданиям и .сооружениям в условиях современной строительно-индустриальной базы.
Общая постановка задачи' - экспериментальные и теоретические исследования изгибаемых и ежато-изогнутых элементов с учетом комплексности объектов разных иерархических уровней (элемент, конструкция, технология, технико-экономическое обоснование) и на их основе научное обоснование конструкторско-технологичеекш решений изгибаемых и сжато-изогнутых стержней предварительно-напряженных
металлических конструкций с повышенным экономическим эффектом.
Задачи исследования: . '
разработка нового способа предварительного напряжения металлических строительных конструкций, отличающегося простотой реализации, исключающего локальные напряжения, обеспечивающего общую устойчивость напрягаемых элементов в процессе изготовления, местную и общую устойчивость лри эксплуатации, увеличение несущей способности при воздействии внешних нагрузок;
разработка методики, алгоритма и практических приемов расчета и конструирования предварительно-напряженных вцецентренно-сжатых элементов и конструкций с учетом современных требований к реализации прочностных и жесткостных характеристик материалов элементов и конструкций из стали различных марок. С этой целью исследовать работу предварительно-напряженных балок и колонн при упругопластическом Деформировании материала поперечного сечения-, определив максимальную несущую способность, местную устойчивость элементов сечения, общую устойчивость конструкций как тонкостенных стержней; найти оптимальные параметры несущей способности и геометрии сечения при^центральном и внецентренном нагружении конструкций; обосновать оптимальную форму поперечного сечения; исследовать прочность, деформативноеть и жесткость изгибаемых и внецентренно-нагруженных' предварительно-напряженных стержней, с учетом физической нелинейности материала;
определение области рационального применения стальных стержневых конструкций, предварительно-напряженных продольной деформацией стенки;
экспериментальные исследования с целью выявить целесообразность использования
предлагаемого способа предварительного напряжения стальных конструкций, определить
влияние предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние (НДС)
конструкций и местную устойчивость атементов сечения, общую устойчивость стержня;
выявить эффективность формы поперечного сечения, установить степень корреляции
данных теоретических и экспериментальных исследований; . ' -
технико-экономическое обоснование эффективности строительных конструкций, предварительно напряженных предлагаемым способом, в том числе с определением стбимосги "в деле";
разработка оборудования и приспособлений для их изготовления.
На защиту выносятся: . .''.-'.
способ предварительного напряжения металлических, сплошностенчатых изгибаемых и внецентренно-нагруженных строительных конструкций;
концепция общей устойчивости искривленных в плоскости большей жесткости сжато-изогнутых предварительно-напряженных металлических стержней;
методология формообразования поперечного сечения металлических, предварительно-напряженных продольной деформацией тонкой стенки, сплошностенчатых стержней;
методика определения предварительных напряжений по поперечному сечению конструкций на стадии их изготовления;
методика определения оптимальных параметров распределения материала по сечению сплошностенчатых предварительно-напряженных стержней;
методика инженерного расчета предварительно-напряженных без затяжек
*
металлических конструкций, ориентированная на проектную практику;
методика определения эффективного (приведенного) модуля деформаций материала
сжато-изогнутого стержня, находящегося в состоянии упругопластического
деформирования;
результаты экспериментальных исследований на, крупномасштабных моделях Металлических сплошностенчатых предварительно-напряженных балках и колоннах;
технико-экономическое обоснование предварительно-напряженных деформацией стенки металлических конструкций;
оборудование и приспособления для изготовления предварительно-напряженных продольной деформацией стенки балок и колонн;
область применения предварительно-напряженных, сплошностенчатых конс
трукций. .
Научная новизна
В области формообразования : предложен новый способ предварительного напряжения металлических конструкций, не уступающий по эффективности известным, обладающий преимуществами в реализации, распространенный на изготовление балок и колонн сплошного и постоянного по длине сечения промышленных, жилых,1 общественных зданий и "инженерных сооружений, позволяющий решить основную технико-экономическую задачу - повышения несущей Способности строительных конструкций при снижении их массы, стоимости, трудозатрат на изготовление и монтаж. В области экспериментальных исследований : а) получены опытные данные об НДС балок и колонн в процессе предварительного напряжения; б) изгибаемых поперечной нагрузкой и сжато-изогнутых продольно-поперечной нагрузкой предварительно-напряженных стержней.
В области теории и расчета: разработана теоретическая модель НДС элемента (тавра) в процессе изготовления балок и колонн, адекватно отражающая указанное состояние при экспериментальном исследовании; разработана методика формообразования -тонкостенных, предварительно-напряженных посредством продольной деформации стенки, металлических'изгибаемых и внецентренно-нагруженных конструкций; исследована местная устойчивость элементов поперечного сечения ПНБ и ПНК на стадии изготовления и под действием внешней нагрузки; исследовано НДС изгибаемых и внецентренно-нагруженных искривленных, предварительно-напряженных стержней с учетом физической нелинейности материала стенки; предложен новый способ определения эффективного (приведенного) модуля деформаций материала сжато-изогнутых стержней; разработана методика технико-экономического обоснования лредварительно-напряженных продольной деформацией стенки металлических балок и колонн по стоимости "в деле"; разработана установка для предварительного напряжения металлических строительных конструкций методом механической вытяжки их стенки. Практическая ценность ; обоснована кЪнструктивно-технологическая целесообразность и эффективность применения предварительно-напряженных металлических, тонкостенных балокм колонн в качестве несущих конструкций балочных систем, каркасов зданий промышленного, общественного и сельскохозяйственного назначения, даны основные рекомендации по их созданию; разработана методика и предложен алгоритм инженерного расчета, ориентированные на практическое
использование при проектировании конструкций на стадии КМ и КМД.
Полученные результаты "внедрены при разработке рабочих чертежей (КМД) на строительство комплекса "База треста "Дальстальконструкция".
Вместе с тем исследования, выполненные в диссертации, создают реальные предпосылки для дальнейшего совершенствования конструктивно-технологических решений и проектирования изгибаемых и внецентренно-нагруженных конструкций балочных клеток промышленных и жилых зданий и сооружений, несущих элементов каркасов промышленных, общественных, сельскохозяйственных зданий и инженерных сооружений.
Некоторые результаты имеют методологическое значение для дальнейшего развития теории, расчета д совершенствования предварительно-напряженных металлических конструкций и технологии их изготовления.
Результаты работы внедрены в учебный процесс Хабаровского технического университета, что нашло отражение в программе спецкурса металлических конструкций для студентов специальности ПГС. "
Работа выполнена в соответствии с координационным планом важнейших НИР и ОКР (N4/1 ДВ РК 01.94.0007398>по теме "Дальний Восток'.
Апробация работы и публикации . Основные положения диссертации опубликованы
в монографии "Металлические конструкции, предварительно-напряженные
беззатяжечным способом" (Хабаровск, 1993) а также 28 публикациях и докладывалась
на: '
Всесоюзной конференции "Технология и организация производства стальных конструкций''(Челябинск,1976);
заседании технического совета Хабаровского отдела института "Проектстальконструкция"(Хабаровск,1976);
заседании технического совета Хабаровского отдела ЦНИИПСК а (Хабаровск,1976); зональной научно-технической конференции "Проблемы проектирования рацуонаЛьных строительных конструкций в условиях Дальнего Востока" (Хабаровск, 1976);
зональной научно-технической конференции "Снижение материалоемкости строительных конструкций" (Хабаровск,1977);
Приморской научно-технической конференции по итогам научных исследований в 1.976 г. в области строительства на Дальнем Востоке (Владивосток.,1975);
XXXV и XXXVI научных конференциях ЛИСИ. (Ленинград) 1977- 1978гг. научно-технических конференциях Хабаровского политехнического института и Хабаровского технического университета 1975 -1997 гг.;
совместном заседании кафедр "Строительная механика" и "Строительные конструкции" Дальневосточной государственной академии путей сообщения (Хабаровск,1997);
научном семинаре кафедр "Строительная механика", "Сопротивление материалов", "Теоретическая механика" и "Металлические конструкции" Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (С.-Петербург, 1997);
Всероссийской научно-практической конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего
Севера" (ХабаровскД 997); #
Международной конференции "Стихия. Строительство. Безопасность" (Владивосток,1997).
55-й научной конференции Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (секции "Строительная механика" и "Металлические конструкции" - февраль 1998 г.).'
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, приложений и включает 379 стр. машинописного текста, 217 рис., 42 табл.