Прочность и деформативность балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Акимов, Сергей Николаевич

• Акимов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Акимов, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ КОНСОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ.

1.1. Консольные конструкции в промышленном и гражданском строительстве.

1.2. Консольные конструкции в строительстве трубопроводных систем.

1.3. Надземная прокладка трубопроводов.

1.4. Конструирование консольных опор.

1.4.1 Способы устройства анкерных опор.

1.4.2 Способы устройства шарнирных опор.

1.5. Узлы трубчатых ферм.

1.6. Анализ методов расчета балочных конструкций трубопроводных систем.

1.7. Постановка цели и задач исследования.

2 НОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБЧАТОГО

СЕЧЕНИЯ С ПОДАТЛИВЫМИ ОПОРАМИ В ВИДЕ

КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ.

2.1. Новые конструктивные формы балочных конструкций трубчатого сечения.

2.2. Методика расчета напряженно-деформированного состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

2.3. Податливость опорных конструкций с балками трубчатого сечения больших диаметров.

2.4. Податливость опорных конструкций с балками трубчатого сечения малых диаметров.

2.5. Несущая способность балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

2.6. Выводы по главе 2.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ С ОПОРАМИ В ВИДЕ КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ, ИМЕЮЩИМИ

АНКЕРА.

3.1. Моделирование балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм.

3.2. Обработка результатов эксперимента и оценка точности измерений.

3.3. Выводы по главе 3.

4 ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ С ОПОРАМИ В

ВИДЕ КОНСОЛЬНЫХ ФЕРМ.

4.1. Алгоритм расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм с использованием предлагаемой методики.

4.2. Оценка напряженно-деформированного состояния балочной конструкции трубчатого сечения большого диаметра с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера.

4.3. Оценка напряженно-деформированного состояния балочной конструкции трубчатого сечения малого диаметра с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера.

4.4. Определение материалоемкости опорных конструкций в виде консольных ферм, имеющих анкера.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность и деформативность балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм»

Актуальность темы. Балочные конструкции трубчатого сечения применяются в инженерных сооружениях (водоводы, тепловые сети, газопроводы, нефтепроводы и т.д.) при пересечении искусственных или естественных препятствий в виде рек, оврагов, каналов. Подобные конструкции являются наиболее рациональными, так как одновременно выполняют технологическую функцию и функцию несущей конструкции. В них максимально используется несущая способность балочных конструкций, но они имеют ограниченный диапазон перекрываемого пролета.

Идея совмещения функций в одном конструктивном решении, в виде ферм в консольных опорах балочных конструкций, позволяет снять ограничения диапазона перекрываемого пролета и максимально использовать несущую способность основного конструктивного элемента - балочной конструкции трубчатого сечения. Консольные опоры в виде ферм, выполняют функцию поддерживающей конструкции балочных конструкций трубчатого сечения и одновременно выполняют функцию опор, что способствует более полной реализации свойств материала, как основной конструкции, так и ее опорных частей.

Новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм до настоящего времени изучены слабо и вопросы их прочности, деформативности являются актуальными.

В этой связи целью настоящей работы является разработка конструктивных решений и методики расчета новых балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций), направленная на повышение их несущей способности с одновременным снижением материалоемкости.

Автор защищает:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющую адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- результаты экспериментальных исследований деформативности модели балочных конструкций рассматриваемого типа;

- функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм;

- результаты численных исследований напряженно-деформированного у состояния балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Научную новизну работы составляют:

- новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, разработанные на основе идеи совмещения функций;

- методика расчета предложенных конструкций, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем;

- новые опытные данные об особенностях деформирования модели балочной конструкции рассматриваемого типа;

- предложенные функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых допущений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается сопоставлением экспериментальных результатов исследования конструкции с теоретическими.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанные новые конструктивные решения, методику расчета балочных конструкций трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм рекомендуется использовать при их проектировании и строительстве через естественное и искусственное препятствие (река, овраг и т.д.) в ЦНИИПроектстальконст-рукции им Н.П. Мельникова и других проектных организаций.

Результаты проведенных исследований были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМАПроектжилстрой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

- II Международной научно-технической конференции "Эффективные строительные конструкции: теория и практика", Пенза (2003 г);

- Международной научной конференции "Образование, наука, производство и управление в XXI веке", Старый Оскол, Старооскольский технологический институт (филиал) МИСиС, (2004 г);

- VII региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам "Молодые ученые - науке, образованию, производству, Старый Оскол (2004 г);

В. полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры "Промышленное и гражданское строительство" Старооскольского технологического института филиала МИСиС (сентябрь 2004 г.) и на заседании кафедры "Строительные конструкции и материалы" Орловского государственного технического университета (сентябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 137 страницах, включая 5 таблиц, 74 рисунка, список литературы из 104 наименований и 4 приложения на 26 страницах текста.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Акимов, Сергей Николаевич

4.5 Выводы по главе 4

1. Проведены исследования несущей способности и деформативности балочной конструкции трубчатого сечения большого диаметра. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде одноярусной консольной фермы деформации в 7 - 10 раз меньше, чем в других предложенных конструкциях, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

Проведены результаты численных исследований деформирования и внутренних силовых факторов балочной конструкции трубчатого сечения малого диаметра, с опорами в виде консольных ферм. Выявлено, что в балочной конструкции с опорами в виде треугольной консольной фермы деформации на 9 - 12% меньше, чем в балочной конструкции с опорами в виде фермы с параллельными поясами, и в ней возникают наименьшие изгибающие моменты.

2. Выявлены закономерности металлоемкости балочной конструкции трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, в зависимости от конструктивной схемы.

Получен безразмерный коэффициент материалоемкости поддерживающих элементов К для каждой из предложенных конструкций.

Проведенные численные исследования материалоемкости опорной конструкции в виде консольных ферм показали, что среди предложенных конструкций самыми рациональными являются одноярусная консольная ферма, и консольная ферма, усиленная вантами, закрепленными на опорной стойке. Материалоемкость этих конструкций в 4 - 5 раз меньше, чем у консольной фермы с наклонной стойкой, удерживаемой тросом. Самой нерациональной по материалоемкости конструкцией, среди предложенных, является двухъярусная консольная ферма. Материалоемкость этой конструкции больше, чем у одноярусной консольной фермы в 7,5 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработаны новые конструктивные решения балочных конструкций трубчатого сечения (на основе идеи совмещения функций) с опорами в виде консольных ферм, позволяющие обеспечить максимальную несущую способность трубчатого профиля при увеличении перекрываемого пролета.

2 Разработана методика расчета балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, позволяющая адекватно действительному напряженно-деформированному состоянию оценивать несущую способность и деформативность таких систем.

3 На основании проведенных экспериментальных исследований модели балочной конструкции рассматриваемого типа выявлено, что наиболее "невыгодным загружением" является нагрузка, равномерно-распределенная на всем пролете конструкции, при которой возникают максимальные прогибы. Сравнение экспериментальных и теоретических данных качественно совпадает, а количественно имеет место расхождение в пределах 5-9%.

4 Предложены функциональные зависимости для определения приведенной материалоемкости балочных конструкций трубчатого сечения с податливыми опорами в виде консольных ферм, оценивающие их эффективность, в зависимости от конструктивной схемы, которые позволяют из анализа различных конструктивных решений, на стадии эскизного проектирования выявить из нескольких технически возможных наиболее рациональное.

5 Результаты проведенных исследований являются основанием для практических рекомендаций по проектированию балочных конструкций рассматриваемого типа и были использованы при проектировании перехода через естественное препятствие (овраг) в селе Солдатское, Курской обл. проектно-конструкторским технологическим управлением ОАО "КМА-Проектжилстрой" (г. Старый Оскол). Методика расчета и экспериментальная модель балочной конструкции трубчатого сечения, предложенные автором, используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство".

На предложенную автором балочную конструкцию трубчатого сечения с опорами в виде консольных ферм, имеющими анкера, получен патент на полезную модель.

105

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Акимов, Сергей Николаевич, 2005 год

1. Азметов Х.А. Надежность "горячих" нефтепроводов / Х.А Азметов,

2. B.Л. Березин, П.П. Бородавкин, Э.М. Ясин // Тематические научно-технические обзоры ВНИИОЭПГ. М.: ВНИИОЭНГ, 1975. - 83 с.

3. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость.-М.: Недра, 1991. 287 с.

4. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость / А.Б. Айнбиндер, А.Г. Камерштейн, М.: Недра, 1982. -341 с.

5. Бабин Л.А. Типовые расчеты по сооружению трубопроводов / Л.А. Бабин, Л.И. Быков, В .Я. Волохов, М.: Недра, 1979. - 176 с.

6. Балдин В.А. Расчет стальных конструкций по расчетным предельнымсостояниям. М.: ГИЛСА, 1956. - 42 с.

7. Балдин В.А. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям / В.А. Балдин, И.И. Гольденблат, В.И. Коченов и др., М.: 1951. -272 с.

8. Беленя Е.И. Металлические конструкции / Е.И Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др. Под ред. проф. Беленя Е.И., М.: Стройиз-дат,1973. - 687 с.

9. Бирюлев В.В. Проектирование металлических конструкций. Специальный курс. JL: Стройиздат,1990. - 432 с.

10. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. - 279 с.

11. Бородавкин П.П. Сооружение магистральных трубопроводов / П.П. Бородавкин, B.JI. Березин, М.: Недра, 1987. - 472 с.

12. Горев В.В. Металлические конструкции. Элементы стальных конструкций. Том I. М.: "Высшая школа", 1997. - С. 402 - 430.

13. Горев В.В. Металлические конструкции. Конструкции зданий. Том II. -М.: "Высшая школа", 1999. С. 135 - 147.

14. Горев В.В. Металлические конструкции. Специальные здания и сооружения. Том III. М.: "Высшая школа", 1999. - С. 291 - 294.

15. Дарков A.B. Строительная механика / A.B. Дарков, H.H. Шапошников, М.: "Высшая школа", 1986. - 608 с.

16. Иванцов О.М. Надежность строительных конструкций магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1985. - 230 с.

17. Иванцов О.М. Надежность магистральных трубопроводов / О.М. Иванцов, В.И. Харитонов, М.: Недра, 1978.

18. Казакевич М.И. Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов / М.И. Казакевич, А.Е. Любин,-Киев: Будивельник, 1980. 144 с.

19. Камерштейн А.Г. Расчет трубопроводов на прочность / А.Г. Камер-штейн, В.В. Рождественский, М.Н. Ручимский // Справочная книга.1. М.: Недра, 1969. 440 с.

20. Качурин В.К. Проектирование висячих и вантовых мостов / В.К. Качу-рин, В.В. Брагин, Г. Ерунов, М.: Транспорт, 1971. - 280 с.

21. Келдыш В.М. Некоторые вопросы метода предельных состояний / В.М. Келдыш, И.И. Гольденблат // Материалы к теории расчета по предельному состоянию. Вып. П. М.: Стройиздат, 1949. - С. 6 - 17.

22. Лунев Л.А. Конструкции переходов через горные реки // Научно-производственные достижения нефтяной промышленности в новых условиях хозяйствования. М.: ВНИИОНГ, 1989, № 11. - С. 4-5.

23. Лунев Л.А. Мост с консольными опорами. Решение патентной экспертизы ВНИИГПЭ о выдаче авторского изобретения по заявке 49446902/33

24. Лунев Л.А. Надземные трубопроводные переходы с консольными опорами //Нефтепромысловое строительство. М.: ВНИИОНГ, 1988, №12.

25. Лунев Л.А. О напряженно-деформированном состоянии балочных трубопроводных мостов с консольными опорами // Совершенствование производства и методов расчета конструкций. М.: деп. ВНИИНТПИ №7787,1987.-С. 82-83.

26. Лунев Л.А. Основы проектирования новых конструкций надземных трубопроводных переходов. Старый Оскол, 2000. - 124 с.

27. Лунев Л.А. Оценка напряженно-деформированного состояния надземного перехода с консольными опорами, имеющими анкера / Л.А. Лунев, С.Н. Акимов // Надежность и ресурс газопроводных конструкций: Сб. докладов. Москва: 000"ВНИИГАЗ", 2003. - С. 251 - 254.

28. Любин А.Е. О предельном состоянии изгибаемых трубопроводов низкого давления // Строительная механика и расчет сооружений.- 1972. №2.

29. Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития.- М.: Стройиздат,1983. 541 с.

30. Металлические конструкции. В Зт. Т.2 Стальные конструкции, зданий и сооружений (справочник проектировщика) / Под общей редакцией В.В. Кузнецова. (ЦНИИПроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). М.: изд- во АСВ, 1998. - 512 с. с илл.

31. Патент на полезную модель № 43939 U1. Устройство усиления надземного трубопроводного перехода с консольными опорами, увеличенного пролета. // Акимов С.Н., Лунев Л.А. 2004130116/22; заявл. от 14.10.2004; опубл. 10.02.1005.

32. Пат. 45322 Норвегия el Е 01 d, 11/00

33. Пат. 107352 Норвегия, МКИ Е0 d, 11/0040,41.42,43,44,45,4647,48,49,50,51,52,53,5455,5657,58