9283

Таблица 1

Распределение относительного прогиба полубесконечной консольной пластинки по сечению нормали к заделке при действии сосредоточенного усилия

Таблица 2

Распределение относительного прогиба полубесконечной консольной пластинки по сечению нормали к заделке при действии распределённого усилия

Используя результаты, приведённые в табл. 1, 2, фактическое перемещение сечения пояса предлагается определять по формуле

Податливость стенки ∆стенки может быть определена с использованием работ Б.Б. Лампси и Б.М. Броуде.

Методика по вычислению условных жёсткостей включает определение:

−перемещений пояса ∆(х)пояс по сечению нормали к заделке от действия равномерно распределённого усилия;

−податливости стенки колонны ∆стенки;

−суммарных перемещений ∆;

11

−усилий F, приходящихся на КЭ "пружина", при этом распределение усилий происходит обратно пропорционально перемещениям ∆;

− жёсткости в каждом КЭ по формуле k = F (зная перемещение и уси-

лие, приходящееся на каждый КЭ).

Затем выполняем статический расчёт плоской КЭ модели с требуемыми граничными условиями. По результатам получаем распределение нормальных напряжений по оси действия усилия. Данные предпосылки справедливы только для определения нормальных напряжений вдоль действия усилия горизонтальной накладки.

Для учета плавности сопряжения пояса со стенкой достаточно за консольный вылет пояса принять расстояние от его края до начала радиуса скругления, а жёсткость стенки колонны – постоянной по длине, равной толщине стенки плюс два радиуса скругления.

Используя предлагаемую методику, возможно с достаточной точностью определить фактическое распределение напряжений в горизонтальной накладке, при отсутствии подкрепляющих рёбер жёсткости.

Граничное усилие, характеризующее наступление пластических деформаций в сечении горизонтальной накладки и, следовательно, начало нелинейной зависимости изгибающего момента от угла поворота в опорном сечении

где lакт – активная длина сварного шва, принимаемая в расчёте, равная расстоянию между точками пересечения фактической и элементарной эпюры нормальных напряжений;

tн – толщина горизонтальной накладки.

Допускаемое усилие на горизонтальную накладку предлагается опреде-

12

ется возможность ламелярного расслаивания пояса колонны, а также устанавливается связь нормальных напряжений вдоль и поперёк толщины проката. Таким образом, увеличение одного из компонентов нормальных напряжений приводит к уменьшению допускаемого значения второго компонента напряжений:

где k – коэффициент однородности материала пояса колонны; σВ – временное сопротивление стали разрыву;

σУ, σХ – нормальные напряжения вдоль и поперёк пояса колонны; γ – коэффициент, зависящий от соотношения толщин пояса и на-

кладки (в работе приведены графики по вычислению данного параметра).

В третьей главе проанализирована работа рамных узловых соединений при различных конструктивных решениях.

С учётом деформативности соединения, а также особенности наступления предельного состояния, предложено новое конструктивное решение рамного узла (рис. 7), что позволило увеличить его несущую способность и жёсткость. Разрушение предлагаемой конструкции произошло не в области монтаж-

14

ного соединения, а в сечении ригеля, отстающего от опоры (рис. 8). Выполнено разделение наиболее напряжённого сечения и области возможных дефектов, что является особенно важным.

Установлено, что фактический угол поворота ригеля на опоре превышает угол поворота, определяемый при расчёте стержневой системы (рис. 9).

Рис. 9. Сопоставление основных характеристик рамного соединения при различных конструктивных решениях:

а) – эпюра углов поворотов опорного сечения ригеля; б) – эпюра прогибов консоли ригеля

Сопоставление основных характеристик конструктивных схем рамных узлов выполнено на основе расчётов МКЭ. Это вызвано тем, что теоретическое исследование напряжений в зонах узловых соединений классическими методами теории упругости весьма затруднительно. Последнее связано с разнообразием конструкции узлов, отличающихся жёсткостью и геометрической формой.

15

Таблица 3

Сопоставление основных характеристик рамного соединения при различных конструктивных решениях, результаты расчёта МКЭ

Наибольшим сдвиговым деформациям подвергается зона стенки колонны, ограниченная поясами ригеля. Тогда формулу (14) можно представить в

16

следующем виде, принимая в расчёт сдвиговых деформаций только сечение стенки колонны:

Угол поворота опорного сечения ригеля, определяемый по результатам расчёта пространственной КЭ модели, отличается от суммы слагаемых: угла поворота θ0 , вычисляемого в стержневой модели, и добавки по формуле (16) θст.кол. , не более чем на 10%.

Зная фактический угол поворота ригеля на опоре, можно подсчитать упругое закрепление и учесть данную величину при расчёте стержневой модели, тем самым определить фактическое распределение усилий в стержневой системе и вычислить фактические вертикальные перемещения каркаса.

В четвёртой главе предлагаются требования по расчёту и конструированию рамных узлов, а именно:

−методика расчёта рамного узла крайней колонны;

−конструктивные мероприятия, позволяющие снизить касательные напряжения в стенке колонны;

−методика расчёта рамного узла с боковыми накладками. Как показали результаты исследования, установка боковых накладок позволяет увеличить несущую способность соединения вплоть до образования шарнира

пластичности в сечении ригеля, отстающего от опоры на

l= 0,5bf +0,35hриг ;

−формула по определению касательных напряжений в стенке при установке диагональных рёбер жесткости. Результаты расчёта согласуются с экс-

17

периментальными исследованиями, выполняемыми в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова П.Н. Троицким и И.В. Левитанским.

При установке диагонального ребра жёсткости доля нагрузки Nнакл воспримется ребром kr, а оставшаяся часть – стенкой ks = 1 - kr. Долю усилия, воспринимаемого стенкой, можно определить следующим образом.

Вычисляются касательные напряжения в стенке колонны от единичного усилия Nнакл = 100 кН: τст =100кНhwtw МПа, а затем напряжения, действующие в диагональном ребре: τребро =100кНhwtребра МПа. Доля усилия, воспри-

Диагональные рёбра уменьшают касательные напряжения стенки на коэффициент kr, тогда стенка воспринимает только часть от приходящегося усилия с горизонтальной накладки.

Касательные напряжения в стенке колонны, при установке диагональных

В пятой главе выполнено экспериментальное исследование работы особо напряжённых элементов рамного узла на двух моделях, отличающихся одна наличием, а другая отсутствием рёбер жёсткости (рис. 11).

Рис. 11. Экспериментальные образцы:

а) при отсутствии рёбер (образец 1); б) при установке рёбер (образец 2)

18

В настоящем исследовании проведение эксперимента вызвано следующими причинами: во-первых, отсутствием опытных данных и методик расчета особо напряжённых элементов узла; во-вторых, попыткой получить оценку выполненного теоретического исследования.

По итогам проведения экспериментальных исследований выполнено следующее.

1. По результатам тензометрии вычислено напряжённое состояние элементов рамного соединения, а именно: горизонтальных накладок, при установке или отсутствии в конструкции узла горизонтальных рёбер жёсткости.

Рис. 12. Распределение напряжений в сечении накладки (у=26,0 мм): а) образец 1, при усилии Р=20 кН; б) образец 2, при усилии Р=80 кН.

ряд 1 – по МКЭ; ряд 2 – по результатам тензометрии; ряд 3 – по предлагаемой методике; ряд 4 – осреднённые напряжения

2.Отмечено качественное совпадение эпюр нормальных напряжений в горизонтальной накладке в обоих экспериментальных образцах (рис. 12).

3.Отмечена точность расчёта по предлагаемой методике (см. рис. 12).

4.Оценено фактическое разрушение экспериментальных образцов. Предельное состояние, достигаемое экспериментальными образцами, существенно отличается по своему поведению (рис. 13). Деформированное состояние экспериментального образца 1 (рис. 13 а, а 1), максимальное прикладываемое усилие на захват составляло 30 т. Деформированное состояние экспериментального образца 2 (рис. 13 б, б 1), усилие, при котором произошло разрушение сварного шва, крепящего рёбро жёсткости к поясу колонны, составляло 21 т.

19

5.Установлено влияние формы прокатного сечения, а именно: плавность сопряжения пояса со стенкой, на уменьшение всплеска напряжений в горизонтальной накладке на 15-25%. В предлагаемой методике по вычислению нормальных напряжений возможно учесть форму прокатного сечения.

6.Экспериментально определено граничное усилие на горизонтальную накладку, характеризующее начало пластических деформаций сечения накладки. По результатам испытаний граничное усилие составило 10 т. Граничное усилие, определяемое по формуле (8), составило 10,8 т, при этом активная длина сварного шва равна 75 мм (см. рис. 12 а), фактический предел текучести материала составил 283 МПа.

7.Экспериментально подтверждена обоснованность теоретических и численных расчётов.

Рис. 13. Разрушение экспериментальных образцов:

а), а 1) – предельное состояние образца 1; б), б 1) – предельное состояние образца 2

20