Ребров И.С. - Работа сжатых элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой.

Печатается по решению секции редакционного совета Ленинградского отделения Стройиздата от 18 ноября 1971 г.

Научный редактор — проф. д-р техн. наук М. Н. Лащенко

Ребров И. С. Работа сжатых элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой. Л., Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1976, 176 с.

В книге излагаются особенности работы сжатых элементов стальных конструкций, усиленных под нагрузкой. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности и устойчивости усиленных элементов, предлагаются практические методы их расчета.

Книга предназначена для инженеров-проектировщиков и научных работников, занимающихся вопросами усиления конструкций. Табл. 15, рис. 53, список лит.: 29 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Задачи усиления стальных конструкций достаточно часто встречаются в инженерной практике. Широко проводимая реконструкция и модернизация оборудования промышленных предприятий обусловливают возрастание эксплуатационных нагрузок на сооружения и необходимость их усиления.

Ошибки в проектировании, изготовлении и монтаже конструкции или дефекты, возникшие в процессе их эксплуатации, также могут служить причиной усиления конструкций.

Подробная классификация методов усиления стальных конструкций приведена в монографиях М. Н. Лащенко [13, 14]. В основном эти методы предусматривают изменение конструктивной схемы сооружения в целом или отдельных его частей или непосредственное усиление отдельных элементов путем увеличения их сечения. Последний метод является одним из самых распространенных и применяется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами.

Усиление элементов конструкций может быть выполнено двояким способом: после их предварительной разгрузки или под нагрузкой в. напряженном состоянии. Второй способ является экономически более выгодным и технически целесообразным, так как предварительная разгрузка вызывает необходимость частичного или полного приостановления производственных процессов, дополнительных затрат на разгрузку, удлинение сроков производства работ и т. д. Усиление под нагрузкой тем более эффективно, что обычно усиления требует не вся конструкция в целом, а лишь отдельные, наиболее напряженные (или дефектные) ее элементы.

Разработке приемов и методов усиления посвящено сравнительно много работ. Среди них можно отметить исследования Е. О. Патона, В. А. Гастева, Н. Б. Лялина, Т. М. Богданова, Е. О. Осипова, Г. К. Евграфова, выполненные применительно к мостам; работы М. Н. Лащенко, Г. А. Шапиро, М. Б. Солодаря, Я. А. Ильяшевского, посвященные усилению металлических конструкций промышленных зданий; работы А. М. Петрова, И. Л. Хаютина, О. Н. Суслова, рассматривающие вопросы усиления соединений, и т. д.

Значительно меньше разрабатывались методы оценки несущей способности и деформативности элементов, усиленных под нагрузкой. Между тем, эти вопросы представляют определенные трудности при проектировании усиления.

Одно из первых предложений по расчету усиленных под нагрузкой элементов было сделано в 1939 г. Б. Г. Шварцбургом и Я. Л. Куценком [26]. Предельную нагрузку по прочности для растянутых, сжатых и изгибаемых элементов предлагалось определять исходя из появления текучести в наиболее напряженном волокне сечения. Этой предпосылкой отводилось в запас прочности неисчерпанное сопротивление стальных волокон, способных воспринимать нагрузку вплоть до появления в них текучести. Вопросы устойчивости сжатых стержней не рассматривались; проверку устойчивости предлагалось производить обычным методом, не учитывая начальных напряжений.

Методика расчета по предельным состояниям позволила учитывать работу материала не только в упругой, но и в упругопластической стадии. Используя эту методику, Е. И. Белеия [2], И. Я. Донник [9], М. Я. Шепельский [28] разработали методы расчета изгибаемых элементов, усиленных под нагрузкой. Они теоретически и экспериментально доказали, что несущая способность балок по прочности не зависит от величины начальных нагрузок и определяется развитием полного шарнира пластичности в наиболее напряженном сечении элемента. В то же время было отмечено существенное влияние усиления под нагрузкой на развитие прогибов. Для усиленных элементов характерно более интенсивное развитие прогибов в первой фазе их работы (до усиления) и более раннее вступление в упругопластическую стадию работы. По мере развития пластических деформаций рост прогибов сдерживается упруго работающими элементами усиления, и в предельном состоянии, при полном исчерпании несущей способности, кривые прогибов для балок с различными величинами начальных нагрузок совпадают.

Вопросы прочности и устойчивости сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, впервые рассматривались в работах В. М. Колесникова. Основным выводом работы [12] было отрицание влияния начальных нагрузок на несущую способность сжатых стержней. Теоретическое рассмотрение вопроса устойчивости проводилось только в пределах упругости. Сделав справедливый вывод о том, что в упругой стадии начальные нагрузки не сказываются на устойчивости, В. М. Колесников распространял его и на область неупругой работы стержня. Такой подход заслуживает критического отношения. Как было отмечено выше, усиление под нагрузкой обусловливает повышенную деформативность и более раннее вступление усиленных элементов в упругопластическую стадию работы. Для центрально сжатого стержня это приводит к снижению величины приведенного модуля упругости, для внецентренно сжатого — к уменьшению размеров упругого ядра сечения.

И в том и в другом случаях начальные нагрузки должны, следовательно, существенно сказываться на устойчивости. Поскольку практически все усиленные стержни в принятом в строительстве диапазоне гибкостей теряют устойчивость в упругопластической стадии, использование предложений В. М. Колесникова приводило к неверной оценке критических нагрузок и, как правило, к значительному их завышению.

Исследование работы сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, было продолжено в работах автора, опубликованных в 1966—1972 гг. Теоретическое решение задач устойчивости центрально и внецентренно сжатых стержней в упругопластической стадии выявило значительное влияние начального напряженно-деформированного состояния на устойчивость усиленных элементов. В работе [18] был предложен приближенный метод расчета устойчивости. Недостатком метода было отсутствие учета сварочных деформаций элементов при их усилении с помощью сварки.

Предложение об уточнении указанного метода и его распространении на случай усиления с помощью сварки было сделано в работах А. Г. Иммермана и Б. И. Десятова [10, 8]. Р. Кизиигером [11] рассматривались вопросы усиления под нагрузкой растянутых элементов; выводы этой работы подтвердили положение о независимости предельной по прочности нагрузки для центрально растянутого стержня от величины начальных напряжений.

Отсутствие единых нормативных материалов по проектированию и расчету усиления стальных конструкций и настоятельная потребность в них привели к появлению ведомственных инструкций, затрагивающих отдельные вопросы усиления. Эти инструкции содержат различные рекомендации по методам расчета усиливаемых под нагрузкой элементов, базирующиеся на тех или иных из перечисленных исследований. Особенно противоречиво излагаются вопросы расчета устойчивости усиленных элементов. Так, рекомендации ЦНИИпроектсталькоиструкции [20] при расчете устойчивости сжатых стержней предлагают не учитывать влияние начальных нагрузок, рекомендации ВНИИмонтажспецстроя [19] — проверять устойчивость усиленных стержней методом, основанным на работах [8, 10], и т. д.

Обобщая результаты упомянутых исследований, можно отметить, что вопросы прочности изгибаемых и растянутых элементов, усиленных под нагрузкой, рассмотрены достаточно полно. Решение этих вопросов облегчается тем, что деформации при растяжении и изгибе не приводят к возрастанию усилий в сечениях, и потому повышенная деформативность усиленных элементов не сказывается на их предельной несущей способности по прочности.

Иначе обстоит дело со сжатыми элементами. В силу нелинейности их работы деформации элементов оказывают существенное влияние на величину напряжений в сечениях, и расчет по недеформированной схеме недопустим. Поэтому вопросы прочности и устойчивости сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, являются наиболее сложными и дискуссионными. Исследованию этих вопросов и посвящена настоящая книга.

В зависимости от характера работы до усиления сжатые элементы можно разделить на две группы: центрально сжатые и внецентренно сжатые (сжатоизогнутые). К первой группе могут быть отнесены, в частности, элементы стержневых конструкций при узловой передаче на них нагрузки. Поскольку для таких элементов точка приложения и линия действия продольной силы фиксированы, характер их работы после усиления зависит от схемы усиления. После симметричного усиления относительно обеих главных осей сечения элемент работает в условиях центрального сжатия, при несимметричном усилении хотя бы относительно одной из осей — в условиях внецентренного сжатия. Ко второй группе можно отнести, например, колонны промышленных зданий, элементы стержневых конструкций, имеющие неточности центрации, начальные искривления, подвергающиеся действию поперечных нагрузок, и т. д. В общем случае такие элементы после усиления работают в условиях внецентренного сжатия.

Таким образом, по характеру работы после усиления все элементы могут быть разделены на два типа: работающие в условиях центрального сжатия (центрально сжатые симметрично усиленные стержни) и внецентренного сжатия (прочие стержни). Разделение на указанные типы диктуется различием методов, используемых для решения задач устойчивости равновесия центрально сжатых стержней (потеря устойчивости первого рода) и внецентренно сжатых стержней (потеря устойчивости второго рода). Случай центрального сжатия до усиления элемента второго типа может рассматриваться как частный случай внецентренного сжатия.

В соответствии с изложенным в книге рассмотрены вопросы работы центрально сжатых стержней, симметрично усиленных под нагрузкой, и внецентренно сжатых стержней, симметрично и несимметрично усиленных под нагрузкой. Предложены приближенные методы расчета прочности и устойчивости усиленных стержней, рассмотрен метод учета деформаций элементов, возникающих при усилении с помощью сварки. Сравнение полученных решений с результатами экспериментальных исследований позволило оценить точность расчетных методов и дать практические рекомендации по проектированию и расчету усиления сжатых элементов.