Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструктивных схем, узловых сопряже ний, методов расчета и оптимизации пространствен ных блоков покрытия 17
1.1. Схемы пространственных блоков покрытия протяженных зданий, узловые сопряжения и методы расчета 17
1.2. Конструктивные решения структурных блоков 30
1.3. Конструктивный расчет тонкостенных гнутых стержней в упругой и упругопластическои стадиях 3 8
1.4. Экспериментальные исследования существующих типов покрытий 43
2. Разработка конструктивных решений и методов расчета бесфасоночных решетчатых блоков покрытия со стержнями из тонкостенных гнутых профилей несимметричного сечения .52
2.1. Выбор направлений совершенствования блоков...52
2.2. Поиски формы поперечных сечений стержней 54
2.3. Узловые сопряжения блоков, собираемых из длинномерных элеметов 58
2.4. Пространственные блоки покрытия из плос- ких секций 60
2.4.1. Разработка технических решений пространственных блоков покрытий из гнутых профилей... 62
2.4.2. Изготовление и контрольная сборка опытной конструкции структурного блока 72
2.5. Методы расчета тонкостенных гнутых про филей несимметричного сечения ..79
2.5.1. Расчет прочности и устойчивости тон костенных стержней по теории В 3 Власова 8 0
2.5.1.1. Программы для расчета геометрических характеристик сечений 82
2.5.1.2. Определение напряжений и критических сил..91
2.5.2. Расчет тонкостенных стержней методом конечных элементов с учетом геометрической и физической нелинейности 99
2.5.3. Статический расчет блоков покрытия из стержней холодногнутого профиля 103
3. Экспериментальные исследования гнутых сжа тоизгибаемых поясных стержней несимметричного про филя ..108
3.1. Цель исследования 108
3.2. Методика исследования 109
3.2.1. Характеристика опытных образцов 109
3.2.2. Испытательная установка 114
3.2.3. Измерительные приборы и аппаратура 117
3.2.4. Порядок проведения испытаний, планирование эксперимента 121
3.2.5. Результаты испытаний 127
Результаты и выводы по главе 3 139
4. Экспериментальные исследования узловых сопряжений пространственного блока покрытия 14 0
4.1. Цель и задачи исследования 140
4.1.1 Расчетно-теоретические исследования уз ловых сопряжений 141
4.2. Методика экспериментальных исследований 151
4.2.1. Установка для испытания узловых сопряжений.152
4.2.2. Содержание испытаний 158
4.2.3. Результаты испытаний 161
Результаты и выводы по главе 4 167
5. Технико-экономическая эффективность блоков из гнутых профилей с бесфасоночными узлами 169
Результаты и выводы по главе 5 .174
Общие результаты и выводы 17 7
Список литературы. 179
- Конструктивные решения структурных блоков
- Поиски формы поперечных сечений стержней
- Методика исследования
- Методика экспериментальных исследований
Конструктивные решения структурных блоков
Широкое применение в современном строительстве получили типовые структурные конструкции «Кисловодск» высотой 2,12 м, величиной ячейки, как правило, 3x3 м и размерами в плане 30x30 и 3 6x3 6 м. Такие блоки покрытий имеют внут-риконтурное опирание (рис. 1.5,а) и применяются в большей степени в зданиях общественного назначения, но встречаются так же в покрытиях однопролетных промышленных зданий. Существует модернизированная конструкция «Кисловодск М», в которой произведено разрежение решетки и частично поясов в средней части плиты, где усилия в стержнях за счет наличия консольных частей невелики (рис. 1.5,6).
Структурные блоки «МАрхИ» в большей степени пригодны для покрытий каркасов промзданий, так как опираются по углам в уровне нижнего пояса на колонны, образующие традиционную сетку для зданий промышленного типа с шагом в продольном направлении 12 и 18 м и пролетом 18м. Есть конструктивное решение блоков «МАрхИ» с разреженной схемой стержней, разработанное Красноярским ПСНИИПроектом.
Обе вышеописанные конструкции собираются из унифицированных стержневых элементов трубчатого сечения и узловых элементов - коннекторов, выточенных из машиностроительных марок сталей. Помимо перечисленных элементов в комплект конструкции входят прогоны, устанавливаемые по верхним поясам для размещения конструкций кровельного ограждения. К недостаткам таких конструкций можно отнести высокую стоимость их изготовления и большую трудоемкость сборки.
Кроме конструкций структурных плит из короткоразмер-ных трубчатых элементов широко осуществляется строительство промышленных зданий с сеткой колонн 12x18 и 12x24 м со структурными покрытиями системы «ЦНИИСК», пояса которых изготовлены из длинноразмерных (12 и 9 м) прокатных элементов. Структурная плита опирается по углам в уровне верхних поясов, изготовленных из двутавров, по которым непосредственно укладывается профилированный настил. Нижние пояса и раскосы изготавливаются из одиночных прокатных уголков (рис. 1.6,а). Пояса продольного направления обоих уровней расположены с шагом 3 м и с учетом поперечных связевых элементов образуют квадратную ячейку со стороной 3 м. Данный размер, а также высота плиты, равная 1,5 м, были установлены на основании оптимизационного расчета, выполненного с учетом приведенных затрат. Модернизированная конструкция «ЦНИИСК» из прокатных профилей, названная системой «Москва» имеет высоту 2 м и расстояние между верхними поясами 4 м (рис. 1.6,6), а так же частично разреженную схему элементов. Такие усовершенствования позволили снизить количество отправочных элементов и крепежных болтов по сравнению с аналогичными блоками «ЦНИИСК» примерно в 4,5...5 раз. К недостаткам таких конструкций можно отнести наличие соединительных элементов -фасонок, масса которых достигает 20% от массы конструкции блока, а также повышенную деформативность конструкции возникающую из-за податливости болтовых соединений в узлах. Для покрытий протяженных в плане зданий разработано конструктивное решение «Нейва-1» [35]. Данная система используется в покрытиях зданий пролетом 18...36 м и имеет размер ячейки 3x3 м при высоте блока 1,5 м. Собирается конструкция из длинноразмерных поясных стержней продольного направления, выполненных из спаренных в форме тавра уголков, и поперечных коротких (длиной на одну ячейку) стержней уголкового сечения в уровне нижнего и швеллерного - в уровне верхнего пояса. Короткие стержни верхнего пояса выполняют также роль прогонов кровли. Раскосы конструкции на болтах нормальной точности присоединяются к поясам посредством однотипных узловых элементов, сваренных из трех листовых деталей. Эта конструкция проста в исполнении и зарекомендовала себя надежной в эксплуатации.
Известны пространственные блоки покрытий, представляющие собой системы из плоских вертикально расположенных ферм. Среди них металлические конструкции типа «Молодечно», состоящие из стропильных ферм пролетами 18...30 м, устанавливаемых с шагом 4 м по подстропильным конструкциям пролетом 12 м. Фермы изготавливаются из прямоугольных гнутосварных труб. Опирание ферм в уровне верхнего пояса. Другое конструктивное решение относящееся к данной группе - блок покрытия разработанный ЦНИИПроектстальконструкция размерами 12x24 м. Он собирается из двух крайних стропильных ферм, опирающихся на торцовые балки, поперечных шпренгельных прогонов и линейных продольных прогонов, расположенных с шагом 3 м. Сами стропильные фермы имеют
Поиски формы поперечных сечений стержней
Тонкостенные стержни незамкнутого сечения давно и успешно применяются в строительстве за рубежом [40].В последнее время относительно возрос объем применения строительных конструкций из эффективных тонкостенных профилей, получаемых посредством гибки или прокатки [51] ив отечественном строительстве.
Ранее проводившиеся исследования конструкций стропильных ферм [73] показали, что в случае работы на сжатие с изгибом и обеспеченности устойчивости из плоскости изгиба (это характерно для верхних поясов покрытий, по которым непосредственно уложен профилированный настил) гнутые профили типов, приведенных на рис. 2.1,а...г по несущей способности могут конкурировать с замкнутыми профилями типов д, е и более рациональны по сравнению с составными профилями традиционной компоновки типа ж, а тем более с уголковыми профилями (рис. 2.1,з), составленными из элементов сортамента горячей прокатки [21,22] .
По своей функциональной принадлежности, стержни верхнего пояса структурной конструкции, также испытывают наиболее неблагоприятные сочетания усилий, возникающих при работе конструкции блока, в частности, это продольное сжимающая сила и изгибающий момент, возникающий вследствие действия нагрузки от опирающегося на верхние пояса кровельного ограждения. Следовательно, сечение пояса должно быть скомпоновано для восприятия изгибающего момента в вертикальной плоскости, то есть иметь верхнюю и нижнюю полки. Одновременно, для возможности пространственного примыкания раскосов, одну из полок поясных стержней можно выполнить наклонной относительно вертикальной плоскости. Таким образом, профиль сечения стержня, отвечающего выдвинутым требованиям, должен иметь в своем составе горизонтальную полку, вертикальную стенку и отогнутую относительно нее под углом а наклонную полку (см. рис. 2.2).
Производство таких профилей технологически возможно после незначительной дооснастки на оборудовании Перво-уральского ЗКМК, производящего С - образные профили по ТУ 67-559-83.
С целью обеспечения прикрепления раскосных элементов к поясу, размеры ширины отогнутой полки профиля с окаймляющим отгибом назначены с предельно возможной из соображений местной устойчивости величиной и определены по где t - толщина листа, которая составляет, исходя из технологических возможностей производства - 3, 4 и 5 мм. Размеры горизонтальных полок - В, назначены исходя из величин усилий, действующих в поясных элементах и получен ных в результате статических расчетов конструкций блоков покрытия (см. раздел 2.5.3). Высота стенки Н подобрана таким образом, чтобы величины положительных и отрицательных значений вертикальных эксцентриситетов, неизбежно возникающих из-за использования нескольких типов профилей в качестве раскосов, были примерно одинаковы. Размер отгиба «А» определен аналогично случаю с наклонной полкой и обеспечивает местную устойчивость горизонтальной полки. Во всех случаях компоновки сечений специальных поясных профилей соблюдалось ограничение по ширине листовой заготовки, составляющее для прокатных линий ПЗКМК 525 мм.
В таблице 2.1 приведен сортамент специальных гнутых профилей поясных элементов, необходимых для изготовления потенциально возможных блоков покрытий. Там же содержатся необходимые для расчетов характеристики профилей.
При объединении стержней верхнего и нижнего поясов раскосами получается раскосная ферма с параллельными поясами. Данная ферма, приведенная в проектное положение, когда стенки поясных профилей вертикальны, занимает наклонное положение и с пристыкованными смежными фермами образует складчатую систему. Дополнив полученную систему поперечными стержнями в уровне верхнего и нижнего поясов, получаем регулярную структурную конструкцию. Таким образом пространственное расположение элементов определяется наличием в составе профилей поясов наклонных полок к которым прикреплены стержни раскосов (рис. 2.3,а), выполненные из гнутых швеллеров или С-образных профилей.
Присоединение раскосов к поясам может осуществляться на сварке угловыми швами по границам контура частей стержней, находящихся в непосредственном контакте. Имеется конструктивная возможность соединения данных элементов с использованием высокопрочных болтов, или с использованием комбинированных элементов соединения, включающих болты и сдвигонесущие шпонки (рис. 2.3,6,в). На структурную конструкцию с данным типом узлового сопряжения получен патент [48]. Для структурного блока, рассматриваемого в данной работе, предусмотрено соединение стержневых элементов в узлах на сварке.
Исходя из анализа конструктивных решений пространственных покрытий зданий протяженной формы, выполненного в [52], а также в результате поисков рациональных конструктивных форм покрытий была предложена конструкция структурных блоков покрытий, собираемых из укрупненных сборочных элементов - наклонных продольных и поперечных Ферм и отдельных стержневых элементов связей. Для поясов ферм разработан сортамент гнутых профилей специальной Формы, позволяющих осуществить бесфасоночные сопряжения стержней в узлах. Параметры профилей назначены таким образом, что имеется возможность наладить их производство на существующем прокатном оборудовании Первоуральского завода комплектных металлических конструкций. Развитость
Методика исследования
Для испытаний использовались натурные образцы стержней применяемых в качестве верхних поясов структурного блока покрытия. Было испытано 4 5 стержней одного типоразмера профиля сечения с пятью типами размера длины.
Учитывая то обстоятельство, что все номера профилей, использующихся в поясах конструкции аналогичны по форме, испытания проводились только для одного типа сечения. Геометрические параметры сечения данных стержней приведены на рис.3.1.
Образцы стержней изготовлялись на кромкогибочном прессе из листовых заготовок толщиной 3 мм. Плоские участки профиля сечения сопряжены плавными переходами с радиусом закруглений, установленным ТУ 67-559-83 на гнутые С - образные профили.
Для определения прочностных характеристик материала стержней из неиспользованных обрезков профилей посредством механической резки были отобраны пробы в виде стальных пластин, из которых в свою очередь вырезались длинные плоские образцы. Изготовление и испытание образцов выполнялось в соответствии с требованиями ГОСТ [20,23]. Было установлено, что материал стержней - сталь ВСтЗсп5-1 (С255) по ТУ 14-1-3023-80 с Ry = 250 МПа.
При осмотре образцов стержней были отмечены погиби по их длине, образовавшиеся в процессе загибки листовой заготовки на прессе. Эти погиби формы дуги одной по луволны синусоиды с разной величиной отклонения от прямой имели место как по линиям гиба, так и на свободных кромках. Учитывая, что данные начальные несовершенства играют определенную роль при развитии деформаций под нагрузкой, а так же имеющуюся возможность учета этих несовершенств расчетом, существующие погиби были измерены в сечении по средине длины стержня в двух взаимно перпендикулярных направлениях по всем линиям гиба и кромкам, образующим профиль. Измерение проводилось относительно натянутой стальной струны с использованием индикатора часового типа как это показано на фото (рис.3.2,а). Полученные путем таких измерений данные использовались для расчета величины смещения оси стержня по средине его длины, возникающего из-за некоторого изменения конфигурации профиля в среднем сечении относительно торцовых сечений. В результате проведенных измерений и расчетов установлено, что отклонения линий гиба и кромок профиля от прямой достигает от 3 до 11 мм, а отклонение продольной оси стержня в среднем сечении составляет 2 мм, что говорит о наличии начального эксцентриситета осевой силы (рис. 3.2,6).
Для определения значений фибровых напряжений использовались проволочные тензорезисторы с базой 20 мм. Места наклейки тензорезисторов по контуру сечения стержня (рис. 3.3,6) намечались из соображений совместимости экспериментальных и расчетных точек измерений, в которых рассчитываются величины напряжений, что дает возможность прямого сопоставления полученных результатов. Тензодатчики по приведенной схеме устанавливались в трех сечениях стержня - по середине, и в сечениях, отстоящих от концов на рас стояние 0,2 5 длины. По концам на образец надевались стальные пластины толщиной 12 мм, образуя торцовые фланцы. Эти пластины имели с одной стороны сверления в виде лунок со сферической поверхностью под шаровые опоры испытательной установки, и фрезерованную канавку, выполненную в виде точной копии профиля стержня с другой стороны (рис.3.4, а). Глубина канавки составляла 7 мм, а ширина -равнялась толщине стенок профиля (3 мм), что позволяло после установки фланцев обеспечивать неизменяемость концевых сечений образца и передачу нагрузки по всему контуру опорного сечения. Высверленные в определенном порядке с наружной стороны фланцев лунки позволяли нагружать стержни с различными значениями эксцентриситетов, поэтому данная пара фланцев была использована при испытании всего количества стержней.
Испытательная установка обеспечивала возможность на-гружения с малой скоростью опытных образцов продольной сжимающей силой, приложенной с заданным эксцентриситетом, позволяла точно фиксировать и при необходимости стабилизировать нагрузку на заданном уровне. Конструкция установки (рис. 3.5) представляет из себя две вертикальных консоли закрепленных на силовом полу лаборатории и работающих в качестве упоров для помещенного между ними сжимаемого образца. Один из упоров оснащен гайкой в которую ввинчивается винт винтового домкрата, собственно и создающего сжимающую, точно регулируемую нагрузку (рис.
Методика экспериментальных исследований
Для проведения испытаний выбран рядовой узел самого малого из запроектированных вариантов: структурного блока для перекрытия пролета 18 м. Такой выбор продиктован наибольшей компактностью узла конструкции, являющегося в то же время фрагментом блока покрытия в натуральную величину. Опытный образец узла структуры состоит из спаренного поясного стержня профиля N 1 сортамента специальных гнутых профилей, приведенного в таблице 2.1. К наклонным полкам приварены раскосные элементы из С - образного холодногну-того профиля 100x60x15 по ТУ 67-559-83 [14] . Катет сварного шва принят максимально возможный (ке=3мм}, исходя из толщин свариваемых элементов.
Такие узлы образуют смежные средние наклонные фермы блока в уровне верхнего пояса. Сопрягаемые стержневые элементы имеют длины, соответствующие половинам длин стержней в натурной конструкции блока, и по свободным концам оснащены приваренными нормально их (стержней) осям стальными фланцами толщиной 10 мм. Материал элементов узлового сопряжения - сталь С255 по ТУ 14-1-3023-80, установлен по результатам соответствующих испытаний стандартных образцов материала [20,23].
Для планируемых испытаний принципиальное значение имел режим нагружения в части соотношения величин и направлений прикладываемых нагрузок. Наиболее точные результаты могли быть получены при исследовании возможностей узлового сопряжения обеспечивать способность эффективно воспринимать усилия, имеющие характер и величины, аналогичные тем, что возникают в конструкции в целом при ее эксплуатации. Выполнение вышеперечисленных условий вызвало необходимость создания специальной установки, позволяющей создавать в стержнях, соединяемых в узле любые требуемые продольные усилия, поперечные силы и изгибающие моменты, имитирующие реакцию в элементах конструкции от воздействия внешних нагрузок. Такая установка была разработана и запатентована [1]. Изготовление частей установки, ввиду технологической сложности этого процесса, велось на одном из опытных механических заводов, выпускающих подобное оборудование малыми партиями.
Общий вид установки представлен на фото (рис. 4.7). На изображении видны основные составляющие части данного устройства: нижняя опорная крестовина; пространственная система шарнирно соединенных тяг, передающих и распределяющих в нужном соотношении внешнюю нагрузку от домкрата на элементы узлового сопряжения; дополнительные рамы -траверсы, через которые реакция от испытательной нагрузки передается на силовой пол. Там же и на рис. 4.10, а можно увидеть сам узловой элемент, на концы поясного стержня которого воздействуют передаточные элементы тяг системы силовозбуждения. При этом, нижние концы раскосов, через свои фланцы закреплены на конструкции опорной крестовины.
Шарнирные тяги установки в сборе образуют ребра пространственной фигуры - октаэдра, в верхней и нижней вершинах которого имеются нагрузочные узлы с проушинами для крепления тяг. Остальные вершины, образованные пересечением тяг, взаимодействуют собственно с поясными элементами испытываемой конструкции узла. Проушины крепления тяг ориентированы так, чтобы испытывать узлы как с ортогональной сеткой поясов, так и узлы структур с более сложным планом очертания поясных сеток с элементами, образующими между собой смежные углы 60 и 120. Конструкция самих тяг дает возможность регулировать их длину, расширяя тем самым возможности испытания узлов различных габаритных размеров.
Усилия в элементах узлового сопряжения возникают при изменении формы плоских четырехугольников, образуемых двумя парами шарнирных тяг под воздействием внешней силы, приложенной к нагрузочным узлам в верхней или нижней вершинах, при этом противоположные боковые шарниры тяг перемещаясь и будучи одновременно прикрепленными к концам поясных стержней испытываемого узла, вызывают в нем усилия изгибающего, продольного и поперечного характера. На рисунке 4.8,а показан случай нагружения, в результате которого в поясном элементе возникает сжатие и изгибающий в вертикальной плоскости момент переменной величины с максимальным значением, достигаемым в поперечном сечении, проходящем через геометрический центр узла, а в раскосах
