Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Методика расчёта циклической трещиностойкости стальных балок. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 52 3 4 5 > Следующая >>>

Из рисунка видно, что концентрация напряжений в балках и неоднородности механических свойств могут появляться по многим причинам, избежать которые при современном уровне технике практически невозможно.

В дополнение к указанным на рис. 1 фактором необходимо отметить следующие:

 качество выполняемых работ по изготовлению и контролю готовой продукции зависит от исправности оборудования колебаний напряжений в силовых электрических сетях, квалификации сварщика и контролеров ОТК;

 контроль качества на всех этапах (контроль исходных материалов, по- операционный контроль и контроль качества готовой продукции) происходит, как правило, выборочно;

 согласно действующим нормам почти на все виды дефектов установле- ны допускаемые размеры, при этом степень их влияния на величину концентрации напряжений не определена.

Однако сложность задачи расчета на усталостную прочность заключается не только в том, что невозможно изготовить двутавровую балку без микродефектов и концентраторов напряжений, а главным образом в том, что теоретическое определение коэффициентов концентрации напряжений при многообразии факторов выполнить практически невозможно.

Таким образом, в условиях неопределенности коэффициента концентрации напряжений попытки разработать методику расчета балок, испытывающих переменные нагрузки, были обречены на неудачу.

Другой путь, заключающийся в разработке методики оценки усталостной прочности, основанной на экспериментальных данных, вряд ли возможен, так как:

 исследования тавровых сварных соединений, принятых за основу при определении группы конструкций, не учитывают всего многообразия условий работы двутавровых балок (подкрановых, мостовых и других);

 исследования на моделях, как правило, позволяли решить частные за- дачи, но не могут быть в полном объеме перенесены на натурные балки;

 исследования натурных балок носили единичный характер и при мно- гообразии конструктивных решений, условий нагружения и т.д. вряд ли могут быть использованы для разработки феноменологической теории расчета.

Без сомнения, для определения усталостной прочности двутавровых балок должны быть найдены качественно новые пути.

Рассмотрение проблемы усталостной прочности двутавровых балок с позиции механики разрушения открывает принципиально иные возможности.

Рассмотрим преимущества и необходимость оценки усталостной прочности с позиции механики разрушения:

1. Главная отличительная особенность расчета конструкций с позиций ме-

ханики разрушения состоит в том, что прочность и долговечность конструкции оценивается при наличии в ней трещины. Поскольку стальные двутавровые балки не могут быть изготовлены без микродефектов и микротрещин, оценка несущей способности с позиции механики разрушения больше соответствует реальным условиям их работы.

2. Наличие трещин в балках не тождественно наступлению предельного состояния и потере эксплуатационной работоспособности конструкции. Так, например, для резервуаров, сосудов давления, газгольдеров, газопроводов, сквозной дефект приводит к потере эксплуатационных свойств, в то время как подкрановые и мостовые балки, как показали многочисленные наблюдения, эксплуатировались без снижения нагрузки при наличии трещин, достигающих несколько метров.

3. Период эксплуатации подкрановых и мостовых балок с трещинами на практике соизмерим и даже превышает период эксплуатации до зарождения трещины. В этом отношении стальные двутавровые балки подтверждают общую закономерность работы конструкций в условиях циклических нагрузок , которая заключается в следующем:

 если конструкция не имеет концентраторов напряжений и материал не-

однороден, то период до зарождения трещины будет большим по сравнению с периодом распространения трещины;

 напротив, если имеются концентраторы напряжений, напряженное со-

стояние неоднородно, имеется большое количество сварных швов, отверстий, неплавных переходов сечения, характерных для сварных двутавровых балок, то очевидно, что период разрушения (роста трещины) будет составлять большую часть полной долговечности.

Поэтому применительно к подкрановым, мостовым и многим другим бал-

кам учет долговечности и стадии роста трещин при расчете ресурса работы балок может дать значительный экономический эффект.

4. Вместе с процессом превращения микротрещины в макротрещину относительное влияние всех концентраторов напряжений, безусловно, должно уменьшаться, поскольку появляется самый опасный из всех возможных концентраторов – трещина. Чем длиннее трещина, тем больше она определяет дальнейший процесс разрушения. Это дает основания сосредоточить внимание на изучение одного концентратора напряжений – трещины, и пренебречь многими другими, в том числе:

 после того, как трещины пересекают ребро жесткости и выходят на

стенку, концентраторы напряжений в уровне скоса ребра и в уровне связевых отверстий в ребре жесткости рассматривать не имеет смысла, т.к. влияние ребер жесткости на дальнейшее развитие трещин по стенке будет, очевидно, невелико;

 технологически недопустимо, как уже отмечалось, выполнить сварной

шов без микродефектов, однако вполне возможно выполнение сварных швов, обладающих боле высокими прочностными свойствами по отношению к основному металлу. Это означает, что избежать образования трещин в поясных сварных швах практически нельзя, но возможно предотвращение ее развития вдоль сварного шва. Поскольку сварной шов должен быть выполнен в целом прочнее, то трещина в процессе роста должна неизбежно перейти на более сла-

бые участки (стенку). Таким образом, при рассмотрении усталостной прочности на стадии развития трещины мы имеем возможность не учитывать концентраторы напряжений, вызванные дефектами сварного шва.

5. Факторы, влияющие на зарождение трещин (см. рис. 1) будут в той или иной мере оказывать влияние на их рост, однако роль многих из них будет или пренебрежимо мала, или существенно снижена. Очевидно, что чем больше длина трещины по сравнению с размерами дефектов и неоднородностей, тем правильнее расчетные предпосылки, основанные на рассмотрении конструкции как континуума. Расчеты характеристик механики разрушения (например, коэффициентов интенсивности напряжений) учитывают интегральную оценку напряженного состояния пластинки до разрушения по длине трещины, поэтому локальные эффекты будут оказывать на стадии роста меньшее влияние, чем на стадии зарождения трещины.

6. Наличие трещины приведет к снижению влияния остаточных сварочных деформаций за счет нарушения сплошности и уменьшения связности тела, а также за счет пластики в вершинах трещины.

Кроме указанных преимуществ, оценка несущей способности балки при

наличии трещины в ней обеспечит более высокую надежность и живучесть подкрановых, мостовых и других балок.

Таким образом, есть все основания полагать, что обоснованный метод рас-

чета на стадии развития трещин в балках, подверженных переменным нагрузкам, будет определенным шагом вперед.

1. Общие положения

1.1. Методика расчета распространяется на стальные двутавровые балки,

испытывающие циклические, подвижно-циклические и катучие нагрузки, в том числе на балки рабочих площадок, подкрановые балки, балки пролетных конструкций (мостов) и другие.

1.2. Расчет трещиностойкости дополняет и развивает основные

положения СНиП II-23-81* в части определения предельных состояний балок, испытывающих циклические нагрузки.

1.3. Расчет по условиям трещиностойкости относится к I группе

предельных состояний и позволяет определить способность балок сопротивляться развитию трещин. Понятие “трещина” используется в широком смысле, включающем собственно трещины, а также трещиноподобные дефекты, в том числе непровары, шлаковые включения, цепочки пор, места несплавления металла сварного шва с основным металлом, расслой и т. п.

С помощью представленной методики могут быть решены следующие

задачи:

 определены размеры трещин заданной ориентации и

местонахождения, которые не будут расти при неограниченном количестве циклов нагружения;

 определен предельный уровень переменных напряжений или

нагрузок, при которых имеющиеся трещины не будут расти при неограниченном количестве циклов нагружения;

 вычислено количество циклов нагружения балки до ее полного

разрушения в случае, если балка имеет трещину определенных размеров;

 определена критическая длина трещины, соответствующая полному

разрушению балки;

 определена допустимая длина трещины;  найдено количество допускаемых циклов нагружения, в том числе в

условиях для циклов с разной асимметрией и амплитудой напряжений.

1.4. Методика расчета циклической трещиностойкости может

использоваться как на стадии проектирования балок и балочных конструкций, так и в процессе их эксплуатации.

1.4.1. На стадии проектирования при определении несущей способности балки и оценке ее долговечности изначально предполагается наличие трещины (“псевдотрещины”) в наиболее неблагоприятных участках балки: в зонах с повышенным уровнем напряжений; в зонах действия локальных нагрузок или концентрации напряжений; в зонах расположения сварных швов, обеспечивающих восприятие больших нагрузок и т. д.

1.4.2. Допустимые размеры “псевдотрещины” определяются в зависимости от ряда факторов:

 конструктивного решения балки, в том числе размеров сечения,

мест расположения дополнительных прикрепляющих элементов – накладок, ребер жесткости, фасонок, косынок и т. п.;

 принятой технологии изготовления, в том числе вида и условий

сварки, качества применяемых электродов и т. д.;

 материала конструкции (марки стали);  вида применяемого контроля качества изготовления балки;  возможности определения протяженности и других параметров

дефектов;

 условий эксплуатации, в том числе вида нагрузок (циклическая,

подвижная, подвижно-циклическая), возможностей полноценного учета всех параметров изменчивости нагрузок, агрессивности среды, температуры и т. д.

1.4.3. Размеры принятой на стадии проектирования псевдотрещины предопределяют два основных фактора, влияющих на выбор конструктивного решения, в том числе:

 безопасность эксплуатации, причем чем большие размеры фиктивной

трещины предусматриваются на стадии проектирования, тем ниже может быть назначен уровень номинальных нагрузок и тем безопаснее эксплуатация балок;

 экономичность конструктивного решения, существенно зависящая от

расхода металла на балку, при этом с увеличением “псевдотрещины”, расход металла будет возрастать.

Оптимальное конструктивное решение должно наилучшим образом

сочетать безопасную эксплуатацию в течение всего срока службы с экономическими показателями, включающими как единовременные затраты, так и затраты в процессе эксплуатации.

1.4.4. Рекомендуемые размеры “псевдотрещины” при действии регулярных нагрузок, слабой агрессивности среды и температур в пределах 0…40 оС могут составлять:

 для растянутых поясов и растянутых зон стенок в балках при действии

циклических нагрузок – около 1…5 мм;

 для стенок балок в зоне локального действия катучих сосредоточенных

нагрузок – около 1…10 мм.

1.4.5. На стадии эксплуатации трещины в балках могут развиваться

вследствие неполного учёта всех факторов при проектировании; неудовлетворительного контроля качества изготовления и монтажа; нарушений и отступлений от правил эксплуатации, в том числе перегрузок, повреждений и т. п.;

Использование методов расчета тещиностойкости на стадии эксплуатации

балок позволяет:

 определить степень опасности трещины и решить вопрос об

эксплуатации балок при сниженных уровнях нагрузок или нагрузках на прежнем уровне;

 определить (если необходимо) сроки проведения ремонта, усиления

или замены балок.

1.5. В основу определения трещиностойкости балок при действии

циклических, катучих и подвижно - циклических нагрузок положены силовые критерии линейной механики разрушения.

max

 



 





 



 



















max



2. Возможные схемы расположения трещин в балках и способы

определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН)

и их размахов

2.1. Возможные схемы расположения трещин в стальных двутавровых

балках, установленные на основе п. 1.4.1, а также учитывающие опыт эксплуатации и экспериментальных исследований, приведены на рис. 2.

2.2. Основные силовые воздействия, определяющие развитие трещин в

стальных двутавровых балках, разделены на три группы:

 усилия общего изгиба балок, в том числе изгибающий момент (М) и

поперечная сила (Q);

 сосредоточенные давления на один из поясов балки, в том числе

действующие в одной точке и катучие;

 местное кручение пояса, действующее как независимое усилие или в

сочетании с сосредоточенным давлением (как подвижным, так и неподвижным).

2.3. Трещины 1 и 2 (нормального отрыва) могут возникать в зоне действия растягивающих напряжений от изгибающего момента в сечениях, где поперечная сила отсутствует или невелика. Источниками образования таких трещин могут быть поясные (угловые и стыковые) сварные швы, а также концентраторы напряжений в случае присоединения различных дополнительных элементов – фасонок, ребер жесткости и т.п.

КИН для трещины 1 определяется по формуле

(1)

где

- максимальные растягивающие напряжение в уровне вершины

трещины.

 

;

ln1

lcc













;

l 

;

c 

;

A



;

A



Рис. 2. Характерные схемы расположения трещин в балках: а – трещины нормального отрыва; б, в – трещины поперечного сдвига при циклической и катучей нагрузке; г, д – то же, трещины комбинированного механизма разрушения

l - полудлина трещины;

- полувысота стенки; с - расстояние от

продольной оси балки до средины трещины;

AA ,

cos

sin137,002,2752,0











 



 









 tglK





 



 











cos122,01







tglK

 



 





 



 









lК





thQ2













полок.

- относительные площади поперечных сечений верхней и нижней

Знак “+” соответствует нижней вершине трещины, знак “ - ” верхней. КИН для трещины 2 [3]:

, (2)

где

;

- длина краевой трещины;

- ширина нижнего пояса

балки;

 - растягивающие напряжения в полке. В случае расположения краевых трещин с двух сторон полки [3]:

(3)

2.4. Трещина 3 (поперечного сдвига) может расти от концентраторов

напряжений, которыми являются сварные швы, соединяющие опорное ребро со стенкой. Поскольку нормальные напряжения в этих сечениях невелики, КИН трещины 3 определяется по формуле

(4)

где

- средние касательные напряжения в поперечном сечении

стенки.

2.5. Трещина 4 развивается от сварного шва или других концентраторов

напряжений. В случае приложения распределенных нагрузок КИН от касательных напряжений принимается большим из двух значений:

(5)

<<< < Предыдущая 12 / 52 3 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]