Введение к работе
Актуальность темы.
Применение предварительного напряжения как средства повышения эффективности металлоконструкций является специальной технической проблемой. Во многих странах, особенно в связи с применением антисейсмических конструктивных мероприятий, проводятся обширные эксперименты и теоретические исследования, посвященные изучению этой проблемы. Исследования затрагивают общие теоретические вопросы, изучение действительной работы конструкций, разработку методов расчета, создание новых рациональных конструктивных форм, оптимизацию геометрических и физических параметров и выявление областей эффективного применения предварительного напряжения.
Возможностью получения экономии металла в преднапряженных конструкциях (до 50%) и снижением трудоемкости изготовления по сравнению с железобетонным аналогом обуславливается перспектива их широкого применения. Экономия металла всегда являлась проблемой №1 при проектировании и использовании металлических и иных конструкций с включением металла. 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 эграничивает ее применение или приводит к нерациональным решениям. Созданием преднапряжения можно повысить жесткость конструкции или уменьшить перемещения и, тем самым, расширить область применения зысокопрочной стали, сделать ее использование более эффективным.
Преднапряжение расширяет возможности использования высокопрочных талей в элементах, работающих на сжатие, что снимает в таких случаях проблему обеспечения устойчивости сжатых стержней, а это особенно важно іри использовании высокопрочной стали.
Основная идея преднапряжения - создание в наиболее напряженных ечениях или стержнях конструкций напряжений обратного знака тем, которые озникают от рабочих нагрузок. Повышение эффективности преднапряженных онструкций связано с тем, что при той же затрате материала увеличивается их есущая способность или жесткость, а в ряде случаев и то и другое дновременно.
Создание преднапряжения часто связано с дополнительным расходом
материала (затяжки, анкеры и т.д.) и всегда - с дополнительной затратой труда.
Как будет видно из дальнейшего изложения, предлагаемый в настоящем исследовании способ преднапряжения не связан с дополнительным расходом материала.
Необходимо, чтобы эффект, получаемый от преднапряжения, превышал затраты, связанные с его созданием.
Известны следующие способы создания преднапряжения в металлоконструкциях:
1. Создание напряжений в отдельных стержнях и целых элементах
(балках, фермах и т.п.) различного рода затяжками из высокопрочных
материалов.
2. Создание при сборке целых конструктивных элементов (балок, ферм,
стержней) в отдельных их деталях принудительных упругих деформаций,
вызывающих в конструкции после сборки собственное напряжение.
3. Принудительное смещение опор статически неопределимых конс
трукций (балок, рам, арок) при монтаже в целях перераспределения моментов
или получения в стержнях усилий обратного знака по отношению к усилиям от
нагрузки.
4.' Временное загружение в процессе монтажа отдельных элементов конструкций (консолей или отдельных пролетов) или всей конструкции (оболочки) с последующим закреплением конструкций под этой нагрузкой для рационального распределения усилий и повышения ее жесткости.
-
Завальцовка в прокатные профили натянутой высокопрочной проволоки, создающей после ее отпуска в профилях предварительное напряжение.
-
Натяжение вант в висячих и комбинированных системах для обеспечения их жесткости и способности воспринимать сжимающие усилия.
7. Натяжение отдельных гибких стержней (тросов, пучков проволоки,
арматуры) для восприятия ими сжимающих усилий.
Преднапряжение может также с успехом применяться для усиления существующих конструкций. В ряде случаев оно является единственным способом, позволяющим продлить срок их эксплуатации.
По сравнению с обычными металлоконструкциями предварительно-напряженные обладают значительно меньшей вероятностью разрушения, что весьма актуально при действии сейсмических нагрузок.
Предварительно-напряженные конструкции были объектом исследований В.Г.Шухова, Н.С.Стрелецкого, Б.А.Сперанского, Е.И.Белени, В.М.Вахуркина, Ю.В.Гайдарова, И.Н.Лащенко, В.В.Бирюлева, Н.П.Мельникова, Н.А. Воеводина, А.Б. Пуховского, В.В.Михайлова, В.А.Кравчука и др.
Наиболее широко распространен способ создания предварительного напряжения с использованием затяжек из высокопрочного металла. Однако, он имеет ряд недостатков, таких, как малая технологичность, отпуск металла затяжки, увеличение трудозатрат на изготовление и расхода металла на анкерные устройства, предотвращение провисания затяжек, возникновение локальных напряжений, превышающих предел текучести металла напряженных элементов, которые увеличивают вероятность хрупкого разрушения и снижают выносливость конструкций. Работы В.М. Вахуркина, А.А. Зевина и В.А. Стефановского, И. Лубински и Я. Карчевски, В.В. Бирюлева и др. положили начало развитию нового направления - беззатяжечного предварительного напряжения металлоконструкций.
Над разработкой балок, предварительно-напряженных беззатяжечным способом, работали В.В. Бирюлев, В.М. Вахуркин, А.А. Зевин, В.А. Сте-ановский, И.Г. Клинов, В.А. Кравчук, А.З. Клячин, В.И. Кириенко, И.В. Леви-танский, К.Х. Толмачев, Л.Г. Горынин, Л. Аштон, М. Сканоуд и др.;
конструкций ограждений - Е. И. Беленя, Е. С. Фридман, Б. Е. Киселев, В.В. Карпин, А. Е. Липницкий, Б. В. Горенштейн, И. В. Ломбарде, Г. Д. Попов, В. М. Трофимов, Г. Т. Михайлов, Ю. М. Дукарский. Ф. Ф. Томилон, 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.Х. Остриков, Г.А. Ажермачев, В.В. Галета, Р. Радуз, Б.Б. Ягудова и др.;
вантовых конструкций- Г.А. Абовян, Г.Н. Погосян, И.В. Алявдин, П. Бел-чев, Г.З. Райнус, Е.М. Сидорович, Э.Я. Слоним, Д. Ялверт и др.
Одним из беззатяжечных способов является предварительное напряжение конструкций посредством деформации элементов сплошностенчатых балок, ригелей, связей, элементов рам и колонн. Простота реализации на заводах металлоконструкций, возможности значительного увеличения области упругой работы элементов, повышение жесткости, выносливости и устойчивости, снижение статической и динамической деформативности и на этой основе -снижение массы и стоимости открывают широкие возможности этому способу преднапряжения.
Еще в 70-80-х годах в Хабаровском политехническом институте (ныне ХГТУ) проводились исследования несущей способности сплошностенчатых балок и колонн двутаврового сечения (В.А. Кравчук, Н.М. Воронов), преднапряженных вытяжкой стенки. Вскоре под руководством к.т.н. доцента Н.М. Воронова автором данной диссертации в развитие беззатяжечного способа преднапряжения была начата разработка теории расчета биметаллических
колонн из сварных двутавров, преднапряженных вытяжкой поясных листов.
В целях эффективного использования свойств металла для гибких (Хя*100) колонн, работающих на центрально- и внецентренно приложенную нагрузку, приняты разные по своим прочностным и деформативным характеристикам стали:
обычная строительная сталь СтЗсп для растягиваемых поясов;
высокопрочная легированная сталь для стенки как элемента, фиксирующего напряженное растяжением состояние поясов без потери устойчивости и при этом имеющего оптимальные по расходу материала размеры.
Стальные колонны в каркасах зданий различного назначения получили широкое распространение и являются одними из наиболее металлоемких элементов каркасов зданий и различного рода сооружений. Расход стали на них от общего веса стального каркаса составляет порядка 30-40%, а иногда и более. Поиск новых типов колонн, обладающих меньшей массой, простой конструктивной формой, малой трудоемкостью изготовления и монтажа, но имеющих такую же или даже большую несущую способность, как сопоставимые по размеру традиционные образцы, является актуальной задачей данного исследования.
Одним из путей снижения металлоемкости является использование стали повышенной и высокой прочности, но применительно к колоннам этот путь эффективен только при проектировании коротких малогибких колонн под большие нагрузки. Гораздо большего снижения металлоемкости можно добиться путем повышения общей устойчивости колонн, развивая ее сечение. Необходимую местную устойчивость стенки при этом можно обеспечить ее предварительным растяжением. В этом случае общая устойчивость колонны при больших и средних жесткостях не изменяется или уменьшается лишь незначительно, так что эффект общего снижения площади остается. Винклер
О.Н., Левитанский О.В., Беккерман М.И. рассматривали способ преднапря-жения посредством вытяжки стенки, при этом пояса были выполнены из стали более высокого класса, чем стенка.
Хотя этот метод и дал положительный эффект, но, тем не менее, он имеет ряд существенных недостатков:
1. Нерационально используется материал поясов из высокопрочной стали, имеющих преимущественное влияние-в образовании веса колонне.
2. Принятая технология создания преднапряжения не отвечала истинной
работе материала и также не обеспечивала большой эффективности.
3. Не учитывалось требуемое оптимальное соотношение классов стали
поясов и стенки и площадей их поперечных сечений.
-7-В данном исследовании учтены эти недостатки и, как подтверждено расчетом, принятая постановка рассматриваемого вопроса является наиболее рациональной.
Исследование этого способа преднапряжения центрально-сжатых колонн следует рассматривать как пример (это может быть любой элемент каркаса конструкции зданий и сооружений, в которых используется металл и его сочетания с бетоном, деревом, пластмассами, стеклом и др.), на основе которого можно исследовать работу преднапряженных и фиксирующих предварительное напряжение элементов, образующих конструкцию, на всех стадиях загружения - от предварительного напряжения до величины критической внешней нагрузки.
Разрешение вопроса использования предварительного напряжения для внецентренно-сжатых колонн принципиально не отличается от случая центрального сжатия; при этом также достигается положительный эффект, хотя и в меньшей степени, чем для случая центрального сжатия.
Работа в области преднапряженных металлоконструкций в настоящее время проводится по следующим направлениям:
-
Рассмотрение общих теоретических вопросов эффективности преднапряжения, а также оптимизации геометрических и физических параметров конструкций.
-
Теоретические и экспериментальные исследования действительной работы конструкций.
-
Разработка методов расчета на прочность, деформативность и устойчивость.
-
Создание новых рациональных конструктивных форм.
-
Технико-экономические исследования по выявлению рациональных областей применения преднапряженных конструкций.
Применение преднапряжения делает внутреннюю структуру новой конструкции более сложной, так как в нее вводятся новые и не только геометрические, но и физические параметры. В напряженных чаще и в большей степени, чем в обычных конструкциях, проявляется нелинейность их работы под нагрузкой. Несущая .способность предварительно-напряженных конструкций зависит от технологии создания преднапряжения, т. е. от процесса изготовления, который должен подвергаться более тщательному контролю, чем в обычных конструкциях.
Подвергаются анализу вопросы экономики преднапряженных конструкций, разрабатываются оптимальные технические методы создания предвари-
тельного напряжения.
Методика определения технико-экономических показателей предналряженных конструкций на стадии сравнения проектных вариантов разработана Я.М. Лихтарниковым.
Диссертация посвящается совершенствованию и разработке предвари -тельно-напряженных беззатяжечной вытяжкой поясных листов сплошностен -чатых биметаллических колонн двутаврового сечения, повышенной несущей способности, жесткости и технологичности.
Общая постановка задачи - теоретические исследования центрально- и внецентренно-сжатых элементов конструкций и на их основе - научное обоснование конструкторско-технологических решений предварительно-напряженных конструкций с повышенным экономическим эффектом.
Задачи данного исследования:
разработка нового способа предварительного напряжения применительно к биметаллическим сжатым и сжато-изогнутым строительным конструкциям, отличающегося простотой реализации, исключающего локальные напряжения, обеспечивающего общую устойчивость напрягаемых элементов на стадии предварительного напряжения и изготовления, местную и общую устойчивость при эксплуатации, увеличение несущей способности при воздействии внешних нагрузок;
разработка методики и практических приемов расчета и конструирования предварительно-напряженных центрально- и внецентренно-сжатых элементов и конструкций с учетом современных требований к реализации прочностных и жесткостных характеристик материалов элементов и конструкций из стали различных марок с целью определения максимальной несущей способности, местной устойчивости элементов сечения, общей устойчивости конструкций как тонкостенных стержней;
определение рациональных параметров сечения, несущей способности и области применения бистальных стержневых конструкций предварительно - напряженных вытяжкой поясов;
технико-экономическое обоснование и расчеты эффективности строительных конструкций, предварительно-напряженных указанным способом.
Научная новизна работы заключается в следующем :
-
Предложен новый способ предварительного напряжения работающих на центральное и внецентренное сжатие бистальных колонн из сварных двутавров посредством вытяжки их поясных листов.
-
Рассмотрены общие теоретические вопросы эффективности применения указанного способа преднапряжения отдельных элементов конструкций, а также оптимизации их геометрических и физических параметров.
-9-3. На примере бистальных преднапряженных колонн разработан новый метод расчета на прочность, деформативность и устойчивость.
-
Предложен способ определения приведенных расчетных параметров (гибкости, расчетного сопротивления) при биметаллических сечениях.
-
Разработана методика и предложен алгоритм инженерного расчета, ориентированные на практическое использование при проектировании конструкций на стадиях КМ и КМД.
-
Предложен совершенно новый способ реализации преднапряже-ния, связанный с выравниванием сдвиговых усилий по длине элемента и упрочнением металла на стадии предварительного напряжения.
Вместе с тем исследования, выполненные в диссертации, создают реальные предпосылки для дальнейшего совершенствования конструктивно-технологических решений и проектирования центрально- и внецентренно-сжатых элементов конструкций каркасов зданий и сооружений различного назначения.
Некоторые результаты имеют методологическое значение для дальнейшего развитии теории расчета и совершенствования предварительно-напряженных металлических конструкций и технологии их изготовления.
Результаты работы внедрены в "Методические рекомендации по расчету бистальных колонн из сварных двутавров, предварительно-напряженных вытяжкой поясных листов, работающих на центрально и внецентренно приложенную сжимающую осевую нагрузку", утвержденные Научно техническим советом ГУ ДальНИИС РААСН (Протокол №2 от 12.05.1998г.).
Апробация работы.
Основные положения диссертации были доложены и получили положительную оценку на:
секции Дальневосточного государственного технического университета
(Строительного института), Протокол № от 1999г.
научно - техническом Совете ДальНИИСа Протокол №2 оті 2.05,98г.
* заседании научно-экспертного совета при Администрации Сахалинской
области, Протокол №15 от 16.06.99г.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано четыре статьи.
Структура и объем работы.