Том 14, № 4 (2018)

В статье дается краткая характеристика процесса формирования каркасов большепролетных металлических куполов в процессе возведения. Выполнено общее описание конструктивных решений каркасов ребристо-кольцевых и сетчатых большепролетных металлических куполов. Указано на разные расчетные способы сопряжения элементов каркасов между собой в куполах различного конструктивного решения. Вследствие работы конструкций при монтаже купольных каркасов по расчетным схемам, отличающимся от проектной, в их конструктивных элементах возникают монтажные усилия. Для проведения исследований разработаны проектные компьютерные модели ребристо-кольцевого и секториально-сетчатого однопоясных металлических куполов пролетом 48 м и высотой 12 м из стальных двутавров с жесткими сопряжениями в узлах. Исследуемые купольные каркасы опираются по контуру на постоянные стойки через шарнирные сопряжения. На основе проектных моделей созданы дополнительные модели неполного каркаса для исследования различных способов монтажа куполов, которые отличались друг от друга количеством временных опор при шарнирном сопряжении с каркасом и шарнирными узловыми сопряжениями стержневых элементов над ними. Каждая из этих моделей интерпретировала промежуточное состояние монтируемого купольного каркаса с характерной для него расчетной схемой. В зависимости от количества временных опор для ребристо-кольцевого купола рассмотрено три монтажных схемы, а для секториально-сетчатого - четыре. Монтажные расчетные схемы включали в себя следующие виды временных опор: центральная опора, центральная и 1 ряд промежуточных опор, центральная и 3 ряда промежуточных опор, опора под каждым узлом каркаса. Для каждой монтажной модели купольного каркаса выполнены компьютерные расчеты на действие собственного веса с целью определения их напряженно-деформированного состояния. В результате расчетов определены напряжения в конструктивных элементах каркасов, которые сравнивались с напряжениями соответствующих элементов на действие собственного веса в каркасе проектной схемы. По полученным данным построены графики и диаграммы, отражающие уровень монтажных напряжений в конструктивных элементах каркаса по сравнению с проектными величинами с учетом характера - сжатие или растяжение. При этом рассмотрены различные группы элементов по всей высоте купольных каркасов. Сделан вывод о неизбежности появления напряжений в элементах каркасов большепролетных металлических куполов при их возведении, а также о существенной их величине для отдельных способов монтажа. Указаны способы возведения и виды конструктивных элементов, которые могут оказать влияние на надежность купольных каркасов. Отмечена необходимость обязательных расчетов каркасов на монтажные состояния при проектировании большепролетных металлических куполов.

В ряде случаев архитектурно-компоновочные, технологические или иные специальные требования диктуют разработку зданий и сооружений с крупными пролетами покрытий. Выбор схемы несущих конструкций зависит от размера пролета, архитектурно-планировочного решения, формы здания в плане, высоты сооружения, наличия и типа подвесного транспорта, требований, предъявляемых к жесткости покрытия, характера освещения и аэрации, типа кровли, размера и распределения нагрузок, необходимости размещения больших масс людей и других факторов. Различия в назначении большепролетных зданий и сооружений, особенностях технологических процессов, архитектурных и эстетических требованиях определяют применение разнообразных решений конструкций таких покрытий. В статье представлены конструкторские мероприятия по реализации архитектурно-художественного решения здания дельфинария в г. Волгограде. Выполнено аналитическое описание сложных архитектурных и конструктивных форм. Приведен анализ существующих конструктивных форм большепролетных конструкций. При проектировании была реализована концепция комбинированной арочно-вантовой системы, в которой вантовая система выполняет роль разгружающей и поддерживающей системы. Проведено исследование работы под нагрузкой различных схем вантовой системы. Также было исследовано влияние предварительного натяжения оттяжек на деформации поддерживаемых ими конструкций, из чего были определены оптимальные значения усилий натяжения вант.

Расчетные длины колонн при расчете стальных рам определяются в зависимости от типа рамы - с возможностью поперечного смещения или при отсутствии такового. Классификация рам по этому признаку зависит от жесткости конструкции рамы и условий ее закрепления и выполняется эмпирически. Изменение типа рамы в соответствии с этой классификацией ведет к значительному изменению расчетных длин ее колонн, что влечет за собой изменение критической нагрузки, влияет на размер сечения колонн и общую материалоемкость конструкции рамы. Для того чтобы избежать неопределенности эмпирической классификации, предлагается определять критическую нагрузку рамы при помощи нелинейного расчета, а расчетные длины колонн уточнять, исходя из формы потери устойчивости. Предлагаемый метод проиллюстрирован примерами расчета жесткой и связевой рам. Полученные усилия в колоннах первого этажа сравнены с критическими нагрузками отдельно стоящих колонн. Выполнено сравнение расчетов по методике норм США с использованием классификации рам и предлагаемому нелинейному методу. Результаты сравнения подтверждают значительные расхождения в критической нагрузке для связевых и жестких многоэтажных рам.

Имеющиеся в пластинах технологические отверстия создают повышенную концентрацию напряжений в пластине. В статье исследуется подкрепленная стрингерами тонкая пластина, имеющая круговое отверстие, из которого исходит прямолинейная трещина. Используется модель трещины со связями между берегами в концевых зонах. Пластина и подкрепляющие ребра жесткости выполнены из разных упругих и изотропных материалов. Принято, что стрингеры не подвергаются изгибу и при деформации их толщина не меняется. Пластина полагается неограниченной и подвергается растяжению на бесконечности. Рассмотрен случай частичного закрытия трещины. Действие стрингеров заменяется неизвестными эквивалентными сосредоточенными силами, приложенными в точках соединения ребер с пластиной. Для решения рассматриваемой задачи объединяются метод решения упругой задачи и метод построения в явной форме потенциалов Колосова - Мусхелишвили, соответствующих неизвестным нормальным смещениям вдоль прямолинейной трещины. Для определения параметров, характеризующих закрытие трещины, получено сингулярное интегральное уравнение, которое с помощью процедуры алгебраизации сведено к конечной нелинейной алгебраической системе. Для определения неизвестных эквивалентных сосредоточенных сил используется закон Гука. Решение алгебраической системы было получено с использованием метода последовательных приближений. Непосредственно из решения полученных алгебраических систем были найдены силы сцепления в связях, контактные напряжения и размер контактной зоны трещины. Полученные соотношения позволяют решать обратную задачу, т.е. определять характеристики и напряженное состояние подкрепленной стрингерами тонкой пластины с круговым отверстием, при которых достигается заданная область контакта берегов прямолинейной трещины, исходящей из отверстия.

В литературе описаны различные способы расчета форм и частот собственных колебаний стержневых конструкции и лопаток. В настоящее время все еще не предложено единой универсальной методики обеспечения вибрационной прочности лопаток, основанной на точном решении задачи расчета вибрационных характеристик современных рабочих колес сложной конструкции. Таким образом, проблема изгибно-крутильного флаттера рабочих лопаток турбомашин чрезвычайно актуальна, несмотря на недостаточное внимание, уделяемое ей в различных литературных источниках. Указанных выше недостатков удается избежать, применяя различные расчетные методы анализа конструкций. Расчетные методы анализа прочности конструкций, как правило, разделяют на аналитические и численные. Аналитические методики исследования напряженно-деформированного и вибрационного состояний основаны в большинстве случаев на упрощенных соотношениях теории стержней, оболочек, а также теории колебаний. Преимуществом аналитических методик является относительная простота использования и удобство при проведении оценочных расчетов на начальных этапах проектирования. В статье проведен обзор и анализ работ по вопросам нахождения частот и форм колебаний стержневых конструкции и лопатки компрессора с целью их последующего использования для многослойных анизотропных стержневых конструкций из композиционных материалов (КМ) на этапе эскизного проектирования.

В России экспериментальных исследований фланцевых соединений балок с колоннами ранее не проводилось, что повлекло за собой отсутствие нормативных методик их расчета и проектирования. В статье приводятся результаты полномасштабных натурных испытаний трех моделей фланцевых соединений. Модели различны по классу прочности болтов, толщине фланца и схеме нагружения. Цель экспериментов - исследование работы и несущей способности фланцевых соединений балок с колоннами в упругой и упругопластической стадии при действии статических нагрузок. Эксперименты проходили по многофакторному плану. Исследования проводились на разработанном автором испытательном стенде, представляющим замкнутый силовой контур, воспринимающий давление домкратов без возникновения реакций на силовой пол лаборатории. Давление в системе нагружения фиксировалось манометрами, перемещения - линейными датчиками перемещений, деформации - тензорезисторами. По результатам экспериментов показано, что возможно проектирование и эксплуатация фланцевых соединений без элементов усиления, таких как ребра жесткости, вуты, обратные фланцы, опорные столики и пр. До нагрузок 25-35 тс соединения работали линейно, разрушение образцов происходит при моментах силы 45-50 тс·м. Усилия, воспринимаемые натурными моделями, оказались в несколько раз выше усилий, вычисленных в программе «Комета-2» и рекомендуемых для расчета фланцевых соединений.