Книга посвящена вопросам проектирования и расчета усиления стержневых металлических конструкций. В ней с единых позиций рассматриваются работа и расчет различных типов плоских стержневых конструкции н их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Значительное внимание уделено вопросам расчетной оценки влияния технологии усиления, и особенно напряжений и деформаций, возникающих при усилении с помощью сварки. Приведены рекомендации по проектированию и приближенным методам расчета усиления стальных конструкций. Предназначена для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Введение

Раздел I. Особенности проектирования и расчета усиления стержневых конструкций

Глава 1 Методы и схемы усиления стержневых металлических конструкции
Общие методы и приемы усиления
Схемы усиления стержневых конструкций

Глава 2. Общий подход к расчету усиления стержневых конструкций
Основные расчетные предпосылки
Особенности работы и расчета конструкций при их усилении под нагрузкой
Общий подход к решению задач статики нелинейных стержневых систем

Раздел II. Стержень, усиливаемый под нагрузкой

Глава 3. Основы расчета нелинейно-упругого стержня
Деформационный расчет упругого сжато-изогнутого стержня
Расчет нелинейно-упругого стержня
Учет деформаций укорочения стержня и граничных условий

Глава 4. Усиление стержня увеличением его сечения
Расчетная модель стержня
Этапы работы усиливаемого стержня. Учет истории нагружения
Учет деформаций сдвига. Определение начального напряженно-деформированного состояния усиливаемого стержня
Деформации стержня при присоединении элементов усиления
Расчетная схема усиленного стержня

Глава 5. Сварочные деформации и напряжения при усилении стержня увеличением сечений
Технологические особености сварки при усилении
Расчетные схемы оценки сварочных напряжений и деформаций
Расчет температурного поля при сварке
Определение напряженно-деформированного состояния стержня при сварке
Расчет усиливаемого стержня с использованием метода дополнительных параметров деформаций

Глава 6. Усиление стенок стержней двутаврового сечения
Конструктивные и технологические особенности усиления стенок
Расчет стержней, усиливаемых диагональными ребрами жесткости
Оценка сварочных напряжений и деформаций при приварке ребер жесткости

Глава 7. Особенности работы усиливаемых элементов стальных конструкций
Характеристика программы расчета
Тестовые расчеты
Особенности развития сварочных напряжений и деформаций в сечениях усиливаемого стержня
Прочность и деформативность усиливаемых элементов
Влияние поперечных сил на прочность и деформативность усиливаемых балок
Влияние сварочных деформаций и начальной нагрузки на устойчивость сжатых стержней
Влияние технологии сварки и типа опорных закреплений на работу усиливаемых элементов

Раздел III. Стержневая конструкция, усиливаемая под нагрузкой

Глава 8. Усиление стержневой конструкции
Общие положения статического расчета
Расчет исходной системы
Введение дополнительных стержней
Разгрузка и удаление стержней
Замыкание узловых шарниров
Введение дополнительных опор
Усиление стержней увеличением их сечений

Глава 9. Расчет усиленной стержневой конструкции
Расчет на возрастающие нагрузки
Проверка устойчивости стержневой конструкции
Структура программы расчета

Раздел IV. Рекомендации по проектированию и приближенным методам расчета усиления стальных конструкций

Глава 10. Схемы и технология усиления
Рекомендации по выбору схем усиления конструкций и их элементов
Проектирование соединений при усилении элементов конструкций
Технология усиления элементов конструкций

Глава 11. Приближенные методы учета особенностей работы усиливаемых конструкций
Оценка напряженно-деформированного состояния сечений усиливаемого стержня
Оценка деформативности и жесткости усиленных стержней
Расчет усиленных элементов на прочность
Расчет усиленных сжатых элементов на устойчивость
Особенности статического расчета усиливаемых конструкций

Заключение
Список литературы
Предметный указатель

Введение

В решениях XXVII съезда КПСС подчеркивалось, что материальные и финансовые ресурсы следует в первую очередь направлять на техническое перевооружение и реконструкцию действующих предприятий, т. е. туда, где можно расширить производственные возможности без нового строительства или с меньшими капитальными затратами. Доля капитальных вложений на эти цели к 1990 году должна составить 50 % всех средств, выделенных для промышленного строительства. Модернизация производства, как правило, обусловливает увеличение эксплуатационных нагрузок на конструкции зданий и сооружений, что, в свою очередь, приводит к необходимости их усиления.

Разработке приемов и методов усиления металлических конструкций посвящено сравнительно много работ. Среди них следует отметить монографии М.Н. Лащенко [29, 30, 31], в которых дана классификация и сделан анализ таких методов, исследования Е.О. Патона, В.А. Гастева, Н.Б. Лялина, Т.М. Богданова, Е.О. Осипова, Г.К. Евграфова, выполненные применительно к мостам; работы Г.А. Шапиро, М.Б. Солодаря, Я.А. Ильяшевского, М.М. Сахновского, М.Р. Вельского, посвященные усилению металлических конструкций промышленных зданий; работы А.М. Петрова, И.Л. Хаютина, О.Н. Суслова, рассматривающие вопросы усиления соединений, и т. д.

Многочисленные публикации в строительных журналах, в обзорной и реферативной информации посвящены описанию отдельных примеров усиления стальных конструкций. Как правило, усиление осуществляется в условиях действующего производства, когда на усиливаемые конструкции воздействуют некоторые эксплуатационные нагрузки. Это диктует необходимость особого подхода не только к организации, схемам и технологии усиления, но и к методам проектирования и расчета усиления конструкций. Между тем методы оценки несущей способности усиливаемых конструкций до настоящего времени разработаны недостаточно.

Одно из первых предложений по расчету прочности усиленных под нагрузкой стальных элементов было сделано Б.Г. Шварцбургом и Я.Л. Куденком [82], Разработкой приближенных методов оценки прочности и деформативности усиливаемых под нагрузкой балок занимались Е.И. Беленя, И.Я. Донник, М.Я. Шепельский, И.С. Ребров [5, 19, 54, 85]. Вопросы прочности и устойчивости сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, рассматривались В.М. Колесниковым [26], А.Г. Иммерманом и Б.И. Десятовым [17, 22], И.С. Ребровым [51]. Оценке прочности усиливаемых растянутых элементов посвящено исследование Р. Кизингера [24]. Работа сжатых стержней, усиливаемых под нагрузкой введением дополнительной боковой опоры с целью уменьшения расчетной длины элементов, исследовалась К. Рабольдтом [88]. 

Перечень приведенных выше публикаций показывает, что особенности работы усиливаемых под нагрузкой конструкций изучались в основном на их отдельных элементах, как правило, для простейших форм сечений, схем усиления, условий загружения и граничных условий, причем решения носят приближенный характер и дают возможность лишь грубой оценки несущей способности того или иного типа элементов. Недостаточно разработаны вопросы оценки деформативности усиливаемых элементов и влияния сварки при усилении под нагрузкой. Особенности расчета конструкций при изменении их конструктивных схем под нагрузкой не получили освещения в технической литературе, за исключением работы [52].

Отсутствие единых нормативных документов по проектированию и расчету усиления стальных конструкций и настоятельная потребность в них привели в свое время к появлению ведомственных инструкций, затрагивающих отдельные вопросы усиления [58, 59]. Эти инструкции содержали различные и зачастую противоречивые рекомендации по методам расчета усиливаемых; под нагрузкой элементов, базирующиеся на тех или иных перечисленных исследованиях. Столь же противоречиво излагаются методы расчета усиления элементов в литературе, посвященной общим вопросам эксплуатации и усиления конструкций [8, 66]. Зачастую рекомендации по расчету основаны на методике допускаемых напряжений, что значительно снижает эффективность усиления.

Попытке устранить эти пробелы и разработать общий подход к проектированию усиления металлических конструкций посвящена настоящая книга, В ней с единых позиций рассматриваются вопросы работы и расчета плоских стержневых конструкций и их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Аппарат расчета таких конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности их работы опирается на интенсивно разрабатываемые в настоящее время численные методы, ориентированные на применение ЭВМ.

Сложность работы усиливаемых конструкций, возможность вовлечения их в совместную работу с примыкающими и ограждающими конструкциями, потери эксплуатационных свойств вследствие усталостных или хрупких разрушений и т. п. обусловили отказ от рассмотрения некоторых типов конструкций и внесение в расчет ряда упрощающих предпосылок. В настоящем исследовании рассматриваются плоские стержневые конструкции, работающие в условиях статического нагружения и эксплуатирующиеся при расчетных температурах не ниже —40°С. При усилении конструкций, работающих на динамические и вибрационные нагрузки и при низких температурах, необходимо учитывать возможность хрупких отказов, что диктует особый подход к методам проектирования, расчета и конструктивного оформления усиления.

Раздел I посвящен рассмотрению общих вопросов проектирования и расчета усиления металлических конструкций. Дан краткий анализ причин, вызывающих необходимость усиления, и приведены сведения об основных методах, приемах и способах его осуществления. Отмечены особенности работы усиливаемых конструкций и сформулирован общий подход к решению задач их расчета.

В разделе II изложены методы расчета элементов металлических конструкций, усиливаемых под нагрузкой способом увеличения их сечений. Дополнительно рассмотрены вопросы усиления стенок двутавровых стержней. На основе разработанных алгоритмов и программ проведен детальный анализ особенностей работы усиливаемых элементов с оценкой влияния начальных и сварочных деформаций на их прочность, устойчивость и деформативность.

Раздел III посвящен методам расчета стержневых конструкций, усиливаемых под нагрузкой путем изменения их конструктивных схем или увеличения сечений отдельных элементов. Рассмотрены способы учета начальных деформаций системы и деформаций, возникающих на стадии усиления с использованием сварки или методов принудительного регулирования усилий. Дан пример построения программы расчета по ЭВМ.

В разделе IV приведены общие рекомендации по проектированию усиления конструкций и их элементов и технологии его осуществления. На основе анализа результатов расчетов на ЭВМ разработаны приближенные методы оценки прочности, устойчивости и деформативности элементов, усиленных под нагрузкой способом увеличения их сечений.

Автор выражает глубокую признательность проф. А.В. Геммерлингу, советы которого во многом определили направление исследований, а также проф. Е.А. Бейлину и д-ру техн. наук В.И. Сливкеру, сделавшим ряд ценных замечаний при просмотре рукописи.