Разработка и исследование пространственных трубчатых конструкций, воспринимающих воздействие подвижных нагрузок

Интеграция народного хозяйства России в мировую экономическую систему выдвигает новые задачи его развития, которые в прежнее время не могли считаться актуальными.'Развитие реальной экономики и рыночных отношений ставит в ряд актуальных и весьма перспективных проблем развитие индустрии отдыха и развлечений, которая позволяет привлекать свободные средства населения для увеличения числа рабочих мест, организации досуга и формирования цивилизованных общественных отношений.

Таким образом, актуальность настоящей работы определяется необходимостью развития и использования современных эффективных видов строительных конструкций в новых прогрессивных областях народного хозяйства.

Современные аттракционы, предназначенные для развлечения посетителей парков • и площадок, представляют собой весьма сложные инженерные сооружения, в которых развлекательный эффект достигается, в том числе, за счет создания острых психофизических ощущений у посетителя путем его неравномерного перемещения в пространстве.

Для осуществления сложных пространственных перемещений и восприятия соответствующих им нагрузок необходимо разработать эффективные строительные конструкции, обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств. Наиболее перспективными в этом отношении являются пространственные трубчатые металлические конструкции. В настоящей работе исследованы металлические конструкции одного из классических аттракционов — катальной горы. Эти конструкции испытывают непосредственное воздействие подвижных нагрузок, что действующие нормы проектирования относят к особо тяжелым условиям эксплуатации. Основным предельным состоянием для таких конструкций является усталостное разрушение. Комплексное расчетно-экспериментальное исследование особенностей работы конструкций при переменных подвижных нагрузках позволяет определить и использовать возможные резервы их несущей способности. Этому исследованию посвящена диссертация.

Цель и основные задачи исследований. Целью работы являлось обеспечение надежности и долговечности пространственных трубчатых конструкций, работающих под воздействием подвижных нагрузок, на основе изучения их действительной работы и исследования резервов несущей способности.

В рамках поставленной цели, исходя из особенностей конструктивных форм и условий работы металлических конструкций, непосредственно воспринимающих подвижные нагрузки, автором сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработка основных положений расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, воспринимаемых металлическими конструкциями катальной горы.

2. Численное исследование напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых металлических конструкций под действием подвижных нагрузок.

3. Экспериментальное исследование режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы в процессе ее эксплуатации.

4. Экспериментальное исследование характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций и способов его повышения при различных сочетаниях основных определяющих факторов.

5. Разработки пространственных трубчатых металлических конструкций, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации катальных гор.

Автор защищает:

1) основные положения расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, действующих на пространственные металлические конструкции катальных гор в процессе их эксплуатации;

2) результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений трубчатых конструкций сложной конфигурации под действием подвижных нагрузок;

3) результаты экспериментального исследования режимов случайного нагружения элементов натурных металлических конструкций катальной горы в процессе ее эксплуатации;

4) количественные значения характеристик сопротивления усталости узловых сопряжений трубчатых конструкций с учетом возможности их повышения путем создания полей благоприятно действующих остаточных напряжений.

Научная новизна работы. •.

Предложен метод расчетно-аналитического определения величины подвижных нагрузок, действующих на пространственные металлические конструкции катальных гор со стороны движущегося по ним поезда.

Получены результаты расчетного и экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений натурных металлических конструкций в процессе эксплуатации катальных гор.

Установлены количественные значения характеристик сопротивления усталости типичных для катальных гор узлов трубчатых конструкций, включая оценку возможности их повышения за, счет создания благоприятно действующих полей остаточных напряжений.

Практическое значение работы состоит в разработке и обобщении нормативно-технических требований к проектированию пространственных трубчатых металлоконструкций катальных гор, работающих под непосредственным воздействием подвижных нагрузок, включая основные положения по их расчету.

Реализация работы. Результаты, полученные в работе, использованы при проектировании и строительстве 18-ти катальных гор различных типов, установленных и эксплуатируемых в парках России (Москва, Новосибирск, 7.

Пермь^Краснодар и др.), Украины, Казахстана, а также Франции, Саудовской Аравии, Коста-Рики.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях:

— Международный конгресс МКПК-98 «Пространственные конструкции в новом строительстве и при реконструкции зданий и сооружений», Москва, 1998 г.

— V Конференция Ассоциации «Пространственные конструкции», Москва, 1999 г. С?

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения (шест^ глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 168 страницах, в том числе: 69 рисунков, 21 таблица, 80 наименований литературных источников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Пространственные трубчатые стальные конструкции в силу ряда преимуществ трубчатого профиля и особенностей конструктивной формы узлов сопряжения являются высокоэффективными конструкциями, которые могут использоваться в ответственных сооруженияхэксплуатируемых в сложных условиях. Преимущества таких конструкций в полной мере проявляются при создании конструкций нового для отечественного народного хозяйства назначения — сложных механизированных аттракционов, в которых элементы воспринимают воздействие подвижных нагрузок.

Экспериментальные и теоретические исследования, направленные на решение первоочередных задач, которые обеспечили возможность создания новых образцов сложной аттракционной техники, позволили сделать следующие основные выводы:

1.Расчетное определение подвижных нагрузок, действующих на металлические конструкции катальных гор, осуществляется при решении кинематической задачи движения поезда по трассе в трехмерном пространстве под воздействием силы тяжести, а также криволинейных и угловых ускорений. При этом учитываются механические и аэродинамические потери энергии.

Расчет движения поезда по трассе позволяет получить исходные данные о нагрузках, на которые затем производится расчет напряженно-деформированного состояния металлических конструкций катальной горы. Эти нагрузки носят переменный периодически повторяющийся характер. При подобных воздействиях предельным состоянием для воспринимающих их элементов конструкций является усталостное разрушение.

2.0граничением для величины подвижной нагрузки, которое должно учитываться при проектировании катальной горы, служит способность человека переносить перегрузки, возникающие в процессе неравномерного движения транспорта. Расчетное определение перегрузок производится на' основании предложенных в диссертации зависимостей. В случае возникновения чрезмерных перегрузок, зафиксированных на стадии проектирования, предложены принципы их уменьшения путем корректировки очертания отдельных участков трассы без внесения больших изменений в ее обшую конфигурацию.

3.Одной из основных характеристик опасности усталостных разрушений элементов ' конструкций служит максимальное напряжение в зоне концентратора. Для ответственных сварных узлов сложной формы эту характеристику следует определять путем численных компьютерных расчетов, которые позволяют выбирать наиболее эффективные решения проектируемых узлов.

Исследование численными методами напряженно-деформированного состояния сложных узловых сопряжений труб позволило установить, что применение рациональных конструктивных и технологических решений дает возможность снизить концентрацию напряжений на 30−35%.

Экспериментальное исследование режимов нагружения натурных металлоконструкций катальной горы подтвердило результаты расчетной оценки значений коэффициента асимметрии цикла: для различных узлов оно составляет от 0 до -1.

Во многих элементах имеет место двухчастотное циклическое нагружение, обусловленное воздействием поезда в целом (низкая частота) и каждой оси тележек (высокая частота). Двухчастотный характер нагружения снижает предел выносливости узловых сопряжений пропорционально отношению амплитуд и частот колебаний, при этом для исследованного отношения частот (/2 / /, =9) отмечено пятикратное снижение долговечности.

5.Экспериментально определенные с помощью малобазных тензодатчиков значения коэффициента концентрации напряжений в рассматриваемых сварных узлах трубчатых конструкций при изгибе составляют аа = 1,4.1,5, что хорошо согласуется с результатами, полученными при оценке величины аа численными методами.

Для реальных сварных узлов, работающих при переменных нагрузках, необходимо рассматривать совместное влияние на характеристики сопротивления усталости концентрации напряжений и остаточных сварочных напряжений, поскольку от последних зависит наступление пластических деформаций материала в зоне концентрации напряжений.

6.Остаточные сварочные напряжения растяжения снижают предельные напряжения в зоне концентратора, в результате чего при их уровне (0,3−0,5)<х0 2 усталостная долговечность узлов уменьшается приблизительно в 5 раз.

Наличие двухчастотного силового воздействия в зоне концентратора, расположенного в области растягивающих остаточных напряжений, приводит к снижению предела выносливости узловых сопряжений. Экспериментально установлено, что для трубчатых узлов при концентрации напряжений аа =1,4−1,5 и соотношении частот /2 / /, = 9 снижение предела выносливости составляет 2,3 раза.

7.0бработка околошовных зон сварных узлов, работающих на растяжение, путем поверхностной пластической деформации (ППД) вызывает образование поля остаточных напряжений сжатия, которое повышает характеристики их сопротивления усталости, благодаря тому, что обеспечивает упругую работу материала в обработанных зонах. ППД обработка исследованных узлов трубчатых конструкций позволяет увеличить их циклическую долговечность при воздействии изгибающих напряжений в 20−30 раз.

8.На основании вышеизложенных в настоящей работе экспериментально-теоретических исследований разработаны и реализованы основные положения по проектированию металлических конструкций катальных гор. Разработан метод расчетного определения подвижных нагрузок, действующих на конструкции со стороны перемещающегося поезда, изучено напряженно-деформированное состояние конструкций в целом и отдельных узлов.

160 сопряжения элементов, установлены характеристики их сопротивления усталости, а также возможные меры и пределы его повышения.

За период с 1989 по 2000 годы спроектировано, изготовлено и успешно эксплуатируется 18 катальных гор различных типов, из них 3 горы — в странах дальнего зарубежья.