Продолжительность срока эксплуатации крановых конструкций

 

    Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный руководитель    - доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель России Нежданов Кирилл Константинович

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Овчинников Игорь Георгиевич

- кандидат технических наук, доцент Васильев Александр Витальевич

 Ведущая организация    - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет»

(Национальный исследовательский университет)

 «17» ноября 2011 г. в 13-00 часов на заседании

ДМ 212.184.01 при ФГБОУ ВПО «Пензенский

государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, Пенза, ул.,  д. 28, корп. 1, конференц-зал.

      С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский rocударственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан «17» октября 2011 г.

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

    Актуальность. Обследованиями установлено, что из всех элементов каркаса наименьшую выносливость и непродолжительный срок эксплуатации имеют именно подкрановые конструкции. В цехах с тяжелым режимом работы кранов (8К...7К) усталостные трещины в зоне поясного К-образного шва, соединяющего верхний пояс со стенкой балки, возникают через 1-3 года эксплуатации (0,7...0,8 млн. циклов). Большинство таких кран балок необходимо заменять, а вместо этого балки ремонтируют, что приводит только к кратковременному улучшению ситуации и к тому же требует полной или частичной остановки производственного процесса, а также влечет за собой убытки, превышающие затраты на ремонт и замену конструкций. Масса подкрановых конструкций достигает 30 % от массы каркаса здания. Быстрый выход из строя подкрановых балок обусловлен динамикой воздействий, генерируемых колёсами мостовых кранов. Колёса мостовых кранов, так как последние не снабжены рессорами, воздействуют на подкрановые балки жёстко. По исследованиям М.М. Гохберга, коэффициент динамичности при тяжёлом режиме работы мостовых кранов достигает своего экстремума Кдин = 1,6, подвеска груза на тросах снижает его до Кдин = 1,3. Если Кдин = 1, то динамические воздействия превращаются в статические, и проблема возникновения усталостных трещин отпадает.

    Другой веской причиной низкой выносливости и образования усталостных трещин в подрельсовой зоне подкрановых балок является применение соединений с низким ресурсом.

  Исследования В.Ф. Сабурова показали, что с увеличением числа циклов прокатываний колёс мостовых кранов наблюдается рост скорости возникновения усталостных трещин. Вероятность хрупкого, внезапного обрушения подкрановой балки, повреждённой усталостными трещинами, вместе с загруженным мостовым краном также возрастает.

    Выносливость подрельсовой зоны балки зависит от числа циклов нагружений и величины силовых воздействий Р, Т и Мкр от колёс мостовых кранов. Однако расчёту на выносливость не уделяется должного внимания.

  Необходимо создание подкрановых конструкций, обладающих амортизирующими свойствами, с высокоресурсными соединениями и долговечностью, удовлетворяющей требованиям ОРД 00 000 89, то есть не менее 10 лет.

   Цель исследований - увеличить надёжность эксплуатации подкрановых балок до 10 и более лет за счёт обеспечения подкрановых конструкций амортизирующей способностью, что повысит выносливость подрельсовой зоны, а также снизит динамику воздействий колёс мостовых кранов.

    Задачи, которые необходимо решить для достижения цели:

    • разработать конструкцию подкрановой балки, обладающую амортизирующими свойствами, эффективно ослабляющими динамику воздействий колёс мостовых кранов;

      получить аналитические зависимости для сбалансированного сечения нового профиля подкрановой балки;

      изготовить крупномасштабные модели новой рельсобалочной конструкции для испытаний их на выносливость в стенде, имитирующем все подвижные динамические воздействия от колёс кранов Р, Т, Мкр;

      провести усталостные испытания моделей рельсобалочных конструкций на базе 3...4 млн. циклов прокатывания колёс кранов до появления видимых усталостных трещин и проанализировать результаты;

      сравнить работоспособность и материалоёмкость предложенных сечений кран балок 3,2 т с «типовыми» сварными конструкциями;

      показать эффективность снижения динамики воздействий колёс мостовых кранов амортизирующей способностью подкрановых конструкций.

    Автор защищает:

      способ снижения динамики воздействий колёс кранов приданием подкрановым конструкциям амортизирующих свойств;

      аналитические зависимости, позволяющие рационально распределить материал по сечению балки, и полученный на основе этих зависимостей сортамент новых балочных профилей [19];

      новый профиль сечения подкрановой балки, сортамент балок, гарантирующие надёжную эксплуатацию при накоплении не менее 6 млн. циклов проката колёс и обладающие амортизирующими свойствами;

      рельсобалочные конструкции, в которых рельс является элементом сечения кран балки и составляет с ней единое целое [18];

      результаты расчёта новых конструкций на выносливость в зависимости от размаха колебаний сдвигающих напряжений по опасным площадкам в подрельсовой зоне стенки;

      экспериментальные результаты изучения выносливости рельсобалочных конструкций с целью повышения их долговечности и работоспособности не менее 6 млн. циклов посредством придания амортизирующей формы верхней части балки и ослабления динамики воздействий.

    Достоверность результатов обусловлена применением в исследованиях апробированных методов и средств измерения, а также совпадением теоретических и экспериментальных результатов.

    Научную новизну работы составляют:

      снижение динамики воздействий от колес кранов на подкрановые конструкции путём придания им амортизирующих свойств;

      новые амортизирующие балочные профили [19];

      рельсобалочные конструкции, обладающие ресурсом надёжной эксплуатации 10...15 лет и пониженной на 25% материалоёмкостью [18];

      экспериментальные линии влияния локальных колебаний в рельсобалочной конструкции с лоткообразным верхним поясом и эллиптическим рельсом при имитации воздействий мостовых восьмиколёсных кранов;

      способы рихтовки конструкций [17, 20].

    Практическое значение диссертационной работы заключается в повышении выносливости подкрановых балок по сравнению с существующими, позволяющем выровнять их работоспособность с работоспособностью других элементов каркаса здания, в увеличении технологичности изготовления, монтажа и ремонтопригодности подкрановых конструкций, а также в совершенствовании методов расчёта этих конструкций на выносливость. Новые конструкции, обладая повышенной в 3-4 раза выносливостью, имеют пониженную материалоёмкость.

    Внедрение результатов. Результаты научных исследований используются проектными и производственными организациями, занимающимися обследованием, проектированием и строительством промышленных и гражданских зданий и сооружений (ООО «Фундамент», ООО «Основа»). В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства (ПТУАС) результаты применяются при выполнении курсовых и дипломных проектов, в научно-исследовательских работах студентов, при разработке научно-технической продукции по договорам с промышленными предприятиями, а также при чтении курсов лекций по дисциплинам «Металлические конструкции» и «Инженерные сооружения».

    Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных конференциях:

    - Всероссийская XXXI научно-техническая конференция: «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза: ПГАСА, 2001);

   - Международная научно-техническая конференция: «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза: ПГАСА, Приволжский Дом знаний, 2002);

    - X Международная научно-практическая конференция: «Вопросы планировки и застройки городов» (Пенза: ПГАСА, 2003);

    -  II Международная научно-техническая конференция: «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза: РААСН, ПГУАС, Общество «Знание» России, Приволжский Дом знаний, 2003);

    -  V Международный студенческий форум «Образование, наука, производство» (Белгород, 2011).

    Публикации. Результаты диссертации отражены в 24 публикациях, в том числе получены 7 патентов РФ на изобретение и выпущено одно учебное пособии. 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

    Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Строительные конструкции» в Пензенском ГУАС в 2000-2011 гг. в рамках программы Госкомитета РФ по ВО «Архитектура и строительство» под руководством д-ра техн. наук, профессора, заслуженного изобретателя России К.К. Нежданова. Автор выражает признательность д-ру техн. наук, профессору Т.И. Барановой за оказанную помощь при работе над кандидатской диссертацией.

    Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Полный объём диссертации 213 страниц, включая 31 таблицу и 78 рисунков, список использованных источников содержит 129 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

    Введение отображает актуальность проблемы, связанной с темой диссертации, освещает основные цели и задачи исследований,

    В первой главе акцент сделан на особенности работы подкрановых балок, развитие методики расчета на выносливость в отечественных нормах.

    Особая заслуга в решении вопросов повышения выносливости подкрановых конструкций принадлежит следующим ученым: В.А. Балдину, Е.И. Беленя, А.В. Васильеву, Б.И. Васюте, И.И. Ведякову, В.М. Горпин- ченко, М.М. Гохбергу, Л.И. Кикину, Б.Н. Кошатину, И.И. Крылову, Ю.И. Кудишину, В.В. Ларионову, К.К. Нежданову, В.Ф. Сабурову, A. И. Склядневу, В.А. Туманову, В.А. Чумакову и др.

    В частности, созданием новых конструктивных форм подкрановых балок и рельсов занимались А.С. Довженко, Н.С. Москалев, И.И. Крылов, И.И. Ведяков, В.А. Горпинченко, Н.В. Пышкин, У.П. Моисеев, В.В. Мысак, К.К. Нежданов, В.А. Чумаков, Б.Н. Васюта, В.А Туманов, И.В. Попченков, М.А. Карев, А.А. Кузьмишкин и др.

    Основная тенденция в совершенствовании поперечных профилей балок - снижение местных напряжений в верхней части балки обеспечением амортизирующими свойствами рельсов и верхней части балки. Для этого создаются новые конструктивные формы балок и рельсов, отличающиеся повышенной крутильной жёсткостью подрельсовой зоны и обладающие амортизирующими свойствами. Происходящее при этом снижение амплитудной составляющей и размаха напряжений приводит к уменьшению касательных напряжений ниже предела выносливости и переводит балку в зону так называемой «неограниченной долговечности», что обеспечивает ее надежную работу в течение более 10 лет.

    Во второй главе представлен обзор результатов исследований подкрановых балок, обоснован выбор моделей и метод их испытания на выносливость.

  Первые эксперименты по изучению усталостных повреждений балок проводились на действие сосредоточенной пульсирующей нагрузки, зафиксированной в одном из сечений испытываемых моделей. Продольные усталостные трещины в сжатой зоне удавалось получить лишь при большом количестве циклов нагружения и при близких к пределу текучести напряжениях, которые не возникают в реальных подкрановых балках.

    В 70-х годах прошлого века были созданы новые способы испытания и стенды, имитирующие все подвижные циклические воздействия от колёс мостовых кранов. Произошел переход от фиксированного загружения к загружению подвижными силами от колес крана, что явилось качественно новой ступенью в изучении действительной работы подкрановых балок.

    Первую установку такого типа создал М.М. Гохберг при участии B. Н. Юшкевича. Его машина была разработана в Ленинградском политехническом институте им. Калинина. Эта установка была предназначена для испытания главных балок мостового крана, которые имеют мощные коробчатые сечения с малыми усилиями от поперечного изгиба. Особенностью этой установки было то, что испытываемая балка имела сплошное опирание по нижнему поясу. В результате этого из плоского напряжённого состояния стенки исключаются компоненты напряжений от поперечного изгиба. Основным недостатком установки являлось то, что на ней можно было испытывать только небольшие модели высотой 200...300 мм и длиной до 1 м, при этом наблюдался значительный разброс в величине воздействий.

    Усталостные трещины в поясных швах были получены при локальных напряжениях, меньших предела текучести материала, то есть способ испытания приближен к действительной работе, но ещё далёк от реальности.

    Дальнейшие исследования выносливости при испытаниях подвижной нагрузкой с имитацией реальных условий загружения подрельсовой зоны и силовых воздействий крана на балку проводились в ЦНИИСК им.

В.А. Кучеренко - Н.С. Москалевым, В.М. Горпинченко и в Пензенском ИСИ - К.К. Неждановым. В результате работы этих ученых было установлено, что применяемые сварные балки, выполненные в виде двутавра, обладают недостаточной выносливостью. Получены линия регрессии и предел выносливости зоны сварного соединения верхнего пояса со стенкой (рис. 1), связывающие величину наибольших локальных касательных напряжений в поверхностном слое стенки балки со стороны эксцентриситета и число циклов нагружений до появления усталостных трещин.

 

Рис. 1. Линии регрессии для сварных и прокатных балок На основании экспериментальных результатов В.М. Горпинченко, К.К. Нежданова, В.П. Федосеева был получен предел выносливости Rv=75 МПа на базе 2?106 млн. циклов нагружения, используемый в СНиП П-23-81* до настоящего времени. Однако, как показывают эксперименты и практика, усталостные трещины возникают и при 3...4 млн. циклов воздействий колёс кранов; следовательно, подкрановые конструкции необходимо рассчитывать на выносливость при пределе выносливости, полученном при 6?106 циклах нагружений (10 лет с накоплением 600 тыс. циклов нагружений в год), то есть Rv=46,9 МПа с учётом тройного рассеяния.

Выносливость для балок под краны тяжёлого режима работы является определяющей. Предел выносливости у прокатных тавров и двутавров Rv=88 МПа при 6?106, то есть в 1,88 раза выше, чем у сварных.

Следует отметить, что в сварных швах подрельсрвой зоны техническими условиями допускаются концентраторы напряжений: дефекты сварных швов в виде подрезов, непроваров, шлаковые включения и так далее.

Работоспособность прокатных балок в 3...4 раза выше, чем сварных балок, а при новых арочных профилях она повышается в 10.. .20 раз. Поэтому необходимо как можно шире применять имеющийся прокат и выпускать специальные профили рельсов и балок. Использование прокатных профилей при проектировании подкрановых конструкций затруднено малыми размерами существующего сортамента. Следует расширить сортамент и начать прокатывать профили больших размеров, но при этом возникают трудности из-за отсутствия поточных технологических линий.

    Один из эффективных путей повышения выносливости балок - разработка новых конструкций с использованием профилей, полученных прокатом. Такие профили можно получать на существующем листогибочном оборудовании, часто простаивающем из-за отсутствия заказов. Соединения должны быть высокоресурсными на заклепках с внедряемым сердечником или на легированных болтах с гарантированным натягом. Ожидается повышение долговечности составных балок в 10...20 раз по сравнению со сварными без увеличения материалоёмкости, а также снижение трудоёмкости их изготовления и монтажа.

    Применение замкнутого профиля верхнего пояса по сравнению с поясом двутавровой балки в десятки раз повышает моменты инерции при изгибе и кручении. Такой пояс сглаживает подвижные импульсные воздействия от колёс кранов за счёт амортизирующих свойств. Величина локальных напряжений в подрельсовой зоне уменьшается и не превышает предела - выносливости, что делает балку не подверженной усталостным разрушениям и позволяет сохранить работоспособность в течение 30.. .50 лет.

    В предлагаемой автором конструкции пояс и прилегающая к нему часть стенки заменены лотком (рис. 2); поэтому устойчивость стенки повышена, что позволило уменьшить толщину стенки и снизить материалоёмкость.

    Толщина листа заготовки для проката профильных элементов везде одинакова, то есть половина толщины стенки равна толщине четвертинки и толщине отгиба t. Толщину затяжки назначаем t3=1,2t. Высоту стенки принимаем 0,8 от высоты h балки, а диаметр лотка Dл = 0,2h.

    Для максимального снижения материалоёмкости заготовку надо трансформировать таким образом, чтобы профиль получил максимальный момент сопротивления Wx. Вся площадь сечения А должна распределяться в определенных пропорциях между стенкой Аст, лотками 2Ал и свесами Асв, поэтому введём коэффициент материалоёмкости стенки балки К.

 

Тогда КА - материалоемкость стенки балки.

h - высота сечения А - площадь сечения q - линейная плотность b - ширина балки bсв - ширина свеса tсв - толщина свеса tст - толщина стенки tл - толщина лотка tзат - толщина затяжки Dл - внешний диаметр лотка hст - высота стенки

Рис. 2. Составная балка из прокатных элементов

Площадь сечения двух лотков равна: 2АЛ = ?DЛtЛ,

где DЛ = 0,2h =0,25hст — диаметр лотка (h =1,25hст - высота балки);

tЛ = 0,5tст - толщина лотка, равна половине толщины стенки;

  

Запишем главный момент инерции балки, пренебрегая в запас прочности собственными моментами инерции свесов:

Поделив Jx на

 

Заменяя Аст, Acв, Aл, hст получаем:

получим момент сопротивления

 

Взяв производную по К, найдем экстремум WХ

 

     Отсюда коэффициент материалоемкости стенки К = 0,38022, то есть для максимального снижения материалоёмкости на стенку необходимо использовать 38,02% стали от всей площади сечения.

    Подставив К в полученные формулы, получим:

    Площади сечения: стенки Аст = 0,38022А;

    двух лотков 2АЛ = 0,14931А; свесов 2АСВ = 0,47047А  Главный момент инерции JЛ = 0,09902А2?

   Момент сопротивления Wx = 0,25693А?А?.

   Минимальная площадь сечения в зависимости от момента сопротивления и гибкости

   Пояс с лоткообразными элементами снижает динамические воздействия подобно рессоре. Момент сопротивления пояса при изгибе и кручении по сравнению с поясом обычной двутавровой подкрановой балки в десятки раз больше. Материалоёмкость данной балки по отношению к обычной двутавровой меньше на 25-30%. Трудоёмкость изготовления также ниже, так как не требуется постановка вертикальных рёбер жесткости; необходимы только опорные рёбра.

 Успешное применение соединений на заклёпках с внедряемым сердечником и болтов (шпилек) с гарантированным натягом в значительной мере зависит от решения вопросов, касающихся трудоёмкости и затрат при выполнении следующих операций: образование отверстий, подготовка соприкасающихся поверхностей, затяжка болтов (шпилек) на величину заданного крутящего момента.

    Разработан сортамент эффективных гнутых профилей, а также подкрановых балок, составленных из этих профилей и эллиптических рельсов. Рельс включен в состав сечения подкрановой конструкции.

    В третьей главе приведена методика испытания балок на выносливость, описаны подготовка и проведение усталостных испытаний.

    Испытания моделей балок выполнялись на стенде для испытания балок на выносливость (рис.З), созданном К.К. Неждановым на кафедре «Инженерные конструкции» Пензенского ИСИ (в настоящее время кафедра «Строительные конструкции» ПГУАС) и усовершенствованном автором.

    Стенд обеспечивает:

    -  возможность испытания балок в 1/2 натуральной величины (рис .4);

    -  условия испытания, близкие к реальным условиям эксплуатации;

    -  высокую производительность испытаний;

    -  возможность непрерывной эксплуатации в автоматическом режиме;

    -  возможность контроля накопления циклов нагружения;

    -  возможность расширения функций к видов нагружений [15].

    Стенд позволяет проводить испытания, эквивалентные загружению одновременно десяти балок. Фактически испытываются две балки пролетом 3 м, но каждая из балок испытывается в пяти зонах; поэтому можно считать, что испытывается десять эквивалентных балок.

    Блок балок 3 длиной 3 м совершает возвратно-поступательные движения между верхним и нижним восьмиколёсными кранами. Балки 10 устанавливаются с вертикальным уклоном стенки 1:10 для имитации горизонтальной составляющей нагрузки от колёс крана, равной Т=0,1P.

    Характеристики экспериментальной балки, показанной на рис. 5:

    •Концентрация напряжений уменьшена до минимума (около единицы), так как все элементы балки соединены между собой болтами с гарантированным натягом, обладающими наивысшим ресурсом.

    •Арочный рельс, верхний пояс и часть корытообразной стенки балки составляют замкнутую полость. Поток усилий обтекает наиболее повреждаемую зону с двух сторон и передаётся наклонными элементами в малонапряжённую зону стенки, так как локальные напряжения затухают пропорционально кубу расстояния от зоны контактного взаимодействия колеса и рельса.

    •Увеличены (в 30...50 раз) крутильные характеристики верхней зоны, чем обеспечено резкое снижение локальных напряжений от кручения.

    • Повышены моменты инерции (в 5... 10 раз) и сопротивления (в 3...5 раз) балки без увеличения площади поперечного сечения.

    •Верхней части балки придана амортизирующая способность, а следовательно, уменьшены динамические воздействия.

Стенд вид сверху

Разрез В-В

Рис. 3. Стенд для испытаний подкрановых балок на выносливость:

1 - верхняя модель крана, 2 - нижняя модель крана    , 3 - блок балок, 4 - механизм

привода, 5 - рама, 6 - устройство нагружения, 7 -    балансир, 8 - колёса-катки,

9 - рельс, 10 - подкрановая балка, 11 - продольная балка крана, 12 - поперечная

балка крана, 13 - электродвигатель, 14 - редуктор, 15 - маховик, 16 - шатун,

17 - вертикальная стойка, 18 - горизонтальная балка,

19 - тяга, соединяющая верхний кран с рамой,

20 - тяга устройства нагружения,

21- зубчатая муфта, 22 - динамометр

 

Рис. 4. Испытываемая модель балки

     Характеристики рельсобалочной конструкции Главные моменты инерции:

    Jх = 13048 см4, Jy= 858 см4. Момент сопротивления:

    Wx= 606 см3, Wy= 86 см3. Момент инерции при кручении верхнего пояса: JВП КР = 24,8 см4. Высота Н = 43 см.

Ширина В = 20 см.

Площадь сечения А = 53,6 см2.

Характеристики рельса hрел = 5,9 см, b = 11,3 см, Jрел = 30,3см4.

Для измерения деформаций в элементах балки на нее наклеивались розетки (рис. 5) из трёх тензорезйсторов с базой 5 мм. Розетки объединялись в разъёмы, которые сообщались со стопозиционным переключателем и автоматическим измерителем деформаций.

В ходе исследований данные о деформациях участков конструкции были получены с тензорезйсторов, расположённых симметрично по обе стороны стенки балки (см. рис. 5), при приближении, прохождении над датчиками и удалении от них колёс кранов. По относительным деформациям ?x, ?y, ?45? были вычислены все компоненты напряжений.

Фасад

Обратная сторона

Фасад

 

Рис. 5 Расположение розеток тензорезйсторов на экспериментальных балках

 При проведении испытаний величины силы от каждого колеса принималась из условия значений ?y = 200 МПа, контролировалась динамометрами и составила: по вертикали P = 280 гН, по горизонтали Т = 28 гН. Испытания выполнялись при относительно высоком уровне напряжении ?2max = 100 МПа (предел выносливости сварных балок 46,9 МПа, прокатных 88 МПа). Картины изменения напряжений в экспериментальных балках показаны на рис. 6, 7, 8, местоположение розеток Р-1.. .Р-10 - на рис. 5.

 

Рис 6. Изменение напряжений в рельсе при испытаниях балок на выносливость

(розетка Р-1, Р-6) .

 

Рис. 7. Изменения напряжений в наклонной части балки (розетка Р-2, Р-7)

 

Рис. 8. Изменения напряжений в стенке балки (розетка Р-3, Р-8)

    Деформации в ветвях арки рельса (применен утолок 80x8 для простаты изготовления) от воздействия колёс фиксировались розетками Р-1 и Р-6. Наибольшей величины достигали главные сжимающие напряжения ?2 и ?y - соответственно 130 МПа и 140 МПа (см. рис.6).

    Напряжённое состояние наклонных элементов стенки балки (см рис 5) описывается розетками Р-2 и Р-7, наиболее близко расположенными к верхнему поясу балки (см. рис. 7), и розетками Р-3 и Р-8 (см. рис. 8), находящимися вблизи перехода наклонных элементов в вертикальные. В наклонных элементах все компоненты напряжений больше, чем в рельсе, так как толщина ветви рельса 8 мм, а толщина наклонного элемента 2 мм. Концентраторы в районе Р-2 и Р-7 невелики: угол гиба составляет 135°, сопряжение выполнено по радиусу 10 мм. На гладком участке, где наклеены датчики, концентраторы отсутствуют; следовательно, в месте наклейки тензорезйсторов появление усталостных трещин возможно лишь при напряжениях, близких к пределу текучести. В зоне закругления величину напряжений нам измерить не удалось; и хотя концентрация напряжений не велика, но она присутствует (наклеп, остаточные напряжения от гиба) и. неблагоприятно влияет на выносливость.

    В розетках балки Р-2 и Р-7 (см. рис. 7) максимальные напряжения составили: ?2 = 207 МПа, ?y = 204 МПа и ?2max =102 МПа.

    В балке усталостная трещина возникла в месте расположения Р-2 после прохождения 3,3 млн. циклов. Обычные сварные балки выдерживают только 700-800 тысяч циклов при таком же уровне напряжений. Долговечность подкрановых балок из гнутых профилей примерно в 4 раза выше В розетках Р-3 и Р-8 (симметричны относительно оси балки) наблюдается еще большее снижение всех компонент напряжения. Всплески размазываются, и линии влияния становятся плавными. Это свидетельствует о затухании всех напряжений. Градиент затухания в составных балках высок, так же, как и в сварных балках; поэтому в зоне перехода наклонного элемента в стенку возникновение усталостных трещин невозможно

    Усталостные испытания подтвердили высокую долговечность составных балок, предел выносливости для которых можно принимать как для прокатных балок сплошного сечения, то есть R?= 88 МПа на базе 6 млн циклов с учётом тройного рассеяния.

    Четвертая глава посвящена определению фактического распределения напряжений в арочном рельсе.

     Изготовлены крупномасштабные модели рельсов (рис. 9, 10). Арка рельса гнулась на листогибочном станке из листа толщиной 4 мм, глава рельса - квадрат 24x24 мм.

     Измерение деформаций и описание напряжённого состояния рельса производились аналогично ранее проведённым в моделях балок (см. главу 3).

     Силовое воздействие от гидродомкрата (от колёс крана в реальных конструкциях) сначала воспринимает глава рельса; поэтому воздействия имеют более локальный характер. Наибольшей величины достигают, как и ожидалось, главные сжимающие напряжения ?2 и ?y.

Далее усилие передается на арку, где по ветвям уходит в основание арки и в затяжку. В нижней части ветвей арки напряжения распределяются на большую длину и, соответственно на балку передаются не локально, а равномерно распределено (картина распределения напряжений повторяет

распределение напряжений в балке).

 

Рис. 9. Геометрические размеры модели рельса, испытываемой статически

     Проведённый опыт подтвердил предположения о том, что арочное сечение рельса позволит разделить силовые потоки, сгладить амортизацией динамические воздействия и тем самым повысить выносливость.

Фасад       Обратная    сторона    Фасад

 

Рис. 10. Расположение тензорезисторов на исследуемых зонах рельса

    В пятой главе рассмотрены проблемы в цепи «кран - подкрановая балка - каркас здания».

    Предложены пути повышения технологичности и работоспособности подкрановых конструкций.

 Научно обоснована необходимость использования прокатных профилей при компоновке рамных подкрановых конструкций.

    Разработана портальная подкрановая конструкция, все элементы которой - прокатные, даже при пролётах I = 12 м и грузоподъемности краI нов QКР = 50...100 т. В конструкции достигнуто снижение пролётных моментов на 25...30%, материалоёмкости - на 15...18%. Одновременно выносливость повышена в 3...3.5 раза, трудоёмкость снижена в два раза, а также обеспечена рихтовка каркаса здания.

  Произведено сравнение новых конструкций с традиционными подкрановыми балками, и показана их высокая эффективность.

    Предложены пути снижения трудоёмкости при ремонте цехов и кранов.


ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

    1. Разработаны новые подкрановые конструкции (получены патенты

    на изобретение), безотказно работающие в течение 10-15 лет Увели- чение работоспособности балок достигнуто благодаря следующему:

    - устранены концентраторы напряжений в конструкциях;

    -  элементам конструкций приданы амортизирующие свойства;

        - рельсы включены в сечение балок, обеспечивает их эффективную работу.

    2.  Получены аналитические зависимости, позволяющие оптимально распределять материал по сечению балки для максимального снижения материалоёмкости конструкций.

    3.  Разработан сортамент составных балок с оптимальным распределением материала по сечению и возможностью изготовления на существующем прокатном и листогибочном оборудовании.

    4.  В конструкциях применен новый профиль рельса — арочный, обладающий амортизирующими свойствами и высокими прочностными характеристиками (при той же площади сечения, что и у обычных рельсов, момент сопротивления Wx у арочных рельсов больше в 2-3 раза Wy - в 3-4 раза Jx - в 2-5 раз, Jy — в 10-13 раз).

    5.  Разработан сортамент рельсобалочных конструкций с арочными рельсами, входящими в состав балок, профиль сечения сбалансирован вместе с рельсом относительно горизонтальной оси X. Такие конструкции обладают повышенной выносливостью, долговечностью и пониженной материалоемкостью. Применение арочного профиля рельса и лоткообраз- ных поясов балки позволит удалить зону перехода лотка в стенку от места приложения динамических импульсных воздействий колёс крана на значительное расстояние, что делает невозможным образование усталостных трещин в этой зоне, так как градиент затухания напряжений в составных балках высок, так же, как и в сварных балках.

    6.  Проведены усталостные испытания балок с лоткообразными поясами и арочными рельсами. Исследовано локальное напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции при подвижном сосредоточенном действии нагрузок от колёс, имитирующем воздействия мостовых кранов. Локальные экспериментальные напряжения в верхней части балки составили ?2mах ? 102 МПа > R? = 88 МПа (предел выносливости балок с поясами из прокатных тавров при 6 млн. циклов нагружений); поэтому усталостные разрушения ожидались в районе 3-3,5 млн. циклов нагружений, что и произошло при 3,3 млн. циклов прокатываний колёс.

  7.  Разработанные методы расчёта прочности и выносливости новых конструкций хорошо подтверждаются экспериментом.

 8.  Показана необходимость использования прокатных профилей при неразрезной схеме подкрановых балок. Разработана портальная подкрановая конструкция, все элементы которой прокатные при пролётах до 12 м и грузоподъёмности кранов Qкр до 100 т.

   9.  Научно обоснована возможность применения разработанных составных профилей с арочными рельсами в качестве подкрановых балок для кранов тяжелого режима работы с грузоподъемностью 100...350 т.

   10. Предложены пути снижения трудоемкости при ремонте мостовых кранов и подкрановых путей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Нежданов К.К, Туманов В.А., Лапгганкин А.С Совершенствование экспериментальных исследований подкрановых; конструкций // Материалы Всерос. XXXI науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы современного строительства». Ч.2. —Пенза: ПГАСА, 2001.

2 Нежданов К.К., Туманов В.А., Лапгганкин А.С. Подкрановые балки из прокатных элементов // Сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф, «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». - Пенза: ПГАСА, Приволжский Дом знаний, 2002.

3.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Лапгганкин А.С. Портальная подкрановая конструкция: ИЛ №103-03 / Пензенский ЦНТИ. — Пенза, 2003.

4.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Туманов А.В., Лапгганкин А.С. Рельсовый блок: ИЛ № 107-03 / Пензенский ЦНТИ. - Пенза, 2003.

5.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Туманов А.В., Лапгганкин А.С. Жесткое соединение подкрановой балки с колонной: ИЛ №114-03 / Пензенский ЦНТИ.-Пенза, 2003.

6.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Лаштанкин А.С. Подкрановая балка. ИЛ № 115-03 / Пензенский ЦНТИ. - Пенза, 2003.

7.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Туманов А.В., Лаштанкин А.С. Фундамент внецентренно сжатой колонны: ИЛ №118-03 / Пензенский ЦНТИ. Пенза, 2003.   

8.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Туманов А.В., Лаштанкин А.С. Рельсобалочная конструкция: ИЛ №123-03 / Пензенский ЦНТИ. - Пенза, 2003.

9.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Лаштанкин А.С. Стенд для испытания подкрановых балок на выносливость: ИЛ Ха126-03 / Пензенский ЦНТИ. - Пенза, 2003.

10. Нежданов К.К., Туманов В.А,, Лапгганкин А.С. Результаты испытаний на выносливость балок составного сечения // Материалы X Междунар. науч.-прак. Конф. «Вопросы планировки и застройки городов». - Пенза: ПГАСА, 2003.      ,

11.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Лаштанкин А.С. Гнутые профили для изготовления долговечных подкрановых балок. // Сб. ст. П Междунар. науч,- техн. конф. «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». - Пенза: РААСН, ПГУАС, Общество «Знание» России, Приволжский Дом знаний, 2003.    

12.  Нежданов К.К., Карев М.А., Лаштанкин А.С. Рельсобалочная конструкция из нового эллиптического профиля // Сб. ст. Ш Междунар, науч -техн. конф. «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». - Пенза: РААСН, ПГУАС, Общество «Знание» России, Приволжский Дом знаний, 2004.

13.  Нежданов К.К., Гарькин И.Н., Лаштанкин А.С. Амортизация как фактор повышения выносливости подкрановых балок [Электронный ресурс] И V Международный студенческий форум «Образование, наука производство». - Белгород, 2011. Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

14.  Нежданов К.К., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Обеспечение тре- буемой выносливости подкрановых балок гашением динамики воздействий колес мостовых кранов амортизаторами // Строительная механика и расчет сооружений. - М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 2011. - № 1.

15.  Нежданов К.К., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Решение проблемы выносливости подрельсовой зоны стенки подкрановых балок амортизацией // Региональная архитектура и строительство. - Пенза: ПГУАС, 2011. - №2. Патенты на изобретения

16.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Маскаев А.С., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Стенд для циклических испытаний балок на выносливость подвижными крутящими моментами: пат. РФ на изобретение RU №2213334 С2, Бюл. №27 от 27.09.2003.

17.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов АХ, Лаштанкин А.С. Фундамент для внецентренно нагруженной колонны: пат. РФ на изобретение RU №2225480 С2, Бюл. №7 от 10.03.2004.

18.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Лаштанкин АС рельсобалочная конструкция: пат. РФ на изобретение RU №2225827 С2, Бюл. №8 от 20.03.2004.

19.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Лаштанкин А С Балка, пат. РФ на изобретение RU №2232125 С2, Бюл. №19 от 10.07.2004.

20.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Портальная подкрановая конструкция:      пат. РФ на изобретение RU №2235673 С2, Бюл. №25 от 10.09.2004.  изобретение

21.  Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Жесткое соединение подкрановых балок с колонной: пат. РФ на изобретение RU №2235676 С2, Бюл. №25 от 10.09.2004.

22.  Нежданов XX, Туманов В.А., Нежданов А.К., Лаштанкин А.С. Рельсовый блок: пат. РФ ка изобретение RU №2235677 С2, Бюл №25 от 10.09.2004. Учебно-методические работы 23 Нежданов К.К., Туманов В.А., Лаштанкин А.С. Новые конструктивные решения однопролетной рамы промышленного здания- учебное пособие. - Пенза: ПГАСА, 2002. - 168 с.

24. Нежданов К.К., Туманов В.А., Лаштанкин А.С. Новые конструктивные решения однопролетной рамы промышленного здания [Электронный ресурс]: учебное пособие к дипломному и курсовому проектированию. - Пенза: ПГАСА, 2002. - 168 с. Составители электронной версии. Попченков И.В, Паглеванян А.Г., Иванкина Н.Н., Боровкова И.В.

 

^ Наверх