Вы здесь

Анкерные устройства для крепления вантового покрытия к железобетонному каркасу здания арены

Версия для печати

Основной конструктивной формой анкеров вант большепролетных висячих систем являются шарнирные устройства, состоящие из проушин и цилиндрических шарниров – цапф. Их основные преимущества – простота конструктивной формы, четкость передачи усилий от вант и отсутствие изгибающих моментов в узле сопряжения вант с опорным контуром. Однако при их расчете и конструировании необходимо учитывать ряд факторов:

1) сложное напряженно-деформированное состояние (НДС);

2) влияние допусков на посадку на распределение контактных напряжений в системе “проушина-цапфа”;

3) повышенные требования к материалам компонентов анкеров и их изготовлению;

4) отсутствие нормативной базы по проектированию;

5) малочисленность результатов целенаправленных экспериментальных исследований их работы под нагрузкой.

При значительных усилиях на анкера требуется, как правило, установка более двух проушин. В этом случае следует учитывать возможную неравномерность распределения усилий между ними, обусловленную наличием допусков при посадке цапфы, несоосностью отверстий для цапфы из-за большой толщины проушин, допусков при сборке на этапе изготовления, отклонением положения анкеров в плане при производстве строительно-монтажных работ, изменением направления усилия от вант при действии временных нагрузок на стадии эксплуатации.

В рамках статьи невозможно рассмотреть все отмеченные выше факторы.

Ниже приведены результаты анализа НДС проушин анкерного устройства, выполненного авторами при моделировании вантового покрытия арены.

Краткая характеристика анкерных устройств

Конструктивные решения анкеров несущих и стабилизирующих вант идентичны и включают:

  • со стороны вант – анкер и цапфу;
  • со стороны опорного контура – анкерное устройство.

Учитывая однотипность последних, приведем данные по анкерному устройству несущей ванты. Оно состоит из вертикально расположенных проушин, горизонтальных пластин и элементов анкеровки в железобетонном опорном контуре (рис. 1). Все проушины запроектированы из листового проката из стали С390 (10ХСНД). Из условия прочности проушин на смятие зона отверстия усилена боковыми накладками соответствующей толщины.

Усилие от ванты передается на опорное железобетонное кольцо в следующей последовательности: анкерное устройство ⇒ цапфа ⇒ проушины ⇒ горизонтальные соединительные пластины ⇒ анкерные стержни ⇒ опорная железобетонная конструкция. Принятое конструктивное решение анкеровки позволило совместить выполнение работ по монтажу анкерных устройств и бетонированию железобетонного опорного кольца.

Анализ напряженно-деформированного состояния проушины

Ввиду отсутствия в действующих ТНПА указаний по расчету и конструированию анкерных устройств, так же, как и требований по допускам и посадкам их компонентов при изготовлении и монтаже, проектирование анкеров осуществлено на основе анализа результатов расчетов аналитическими и численными методами с использованием программных комплексов (ПК) “Nastran” и “Ansys”.

Распределение расчетных усилий на каждую проушину анкерного устройства определено расчетом на плоской стержневой модели. С ее использованием проведены также исследования по оценке влияния на расчетные усилия в проушинах сдвиговой жесткости цапфы и упругих деформаций проушин, которые зависят от длины участков проушин между осью цапфы и точкой объединения проушин в единый блок. Длина участка варьировалась от 0 до значения, при котором усилия в проушинах практически не зависели от длины участка (рис. 3).

Анализ результатов показывает, что при принятых размерах проушин учет их упругих деформаций приводит к изменению усилий по длине в диапазоне (4…11)%. При этом усилия уменьшаются в центральной и увеличиваются в крайних проушинах. Близко по значению влияние учета сдвиговой жесткости цапфы – (2…9)%.

Полученные результаты расчета позволили установить самые неблагоприятные значения расчетных усилий, учитывая уникальность проектируемого сооружения.

Определение максимальных растягивающих напряжений σ1

Аналитическим методом

Теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными применительно к шарнирным соединениям подъемно-транспортных машин, установлено, что наибольшие напряжения σх в ослабленном сечении могут быть определены по формуле [2, 3]:

,

где kα – коэффициент концентрации напряжений, зависящий от угла контакта α0 и размеров проушин B/d [2];

N – усилие, приложенное к центральной проушине;

B – ширина проушины;

d – диаметр проушины;

t – толщина проушины.

Следует отметить, что решение, приведенное в [3], не в полной мере соответствует рассматриваемому случаю, так как в разработанном анкерном устройстве центр отверстия и центр внешней граничной окружности смещены относительно друг друга. Это благоприятно сказывается на работе проушины, поскольку приводит к снижению коэффициента концентрации kα и растягивающих напряжений σy на ее внешнем контуре.

Для уточнения kα и оценки влияния отмеченной выше расцентровки на напряжения σх выполнен анализ распределения пиковых растягивающих напряжений по данному сечению в зависимости от угла касания поверхности α методом конечных элементов на программном комплексе “Ansys”. В модели принято, что давление цапфы на проушину неравномерно и распределено по треугольному закону (“закон синуса”) с максимальной ординатой, равной

По данным численного эксперимента получена зависимость коэффициента концентрации напряжений kα от угла ¨α°
(таблица).

В рассматриваемом конструктивном решении при заданной точности изготовления и допусках на посадку
α = 2α0 = 2•43° = 86°, которому соответствует kα = 3.418. Уточненное значение напряжения σх отличается от значения, вычисленного аналитически, на 8,8% в меньшую сторону.

Численными методами
по плоской расчетной схеме

Передача усилия от цапфы на проушину моделировалась специальным контактным элементом GAP, что позволило параллельно определить площадку контакта между цапфой и проушиной. Расчет выполнен на двух ПК – “Ansys” и “Nastran”. Результаты представлены на рис. 4 и 5.

Анализируя распределение нормальных напряжений, отметим, что максимальные нормальные напряжения σх по ослабленному сечению, полученные на ПК “Nastran”, меньше на 8,5% напряжений, полученных на ПК “Ansys”. Между тем значения напряжений, полученные на ПК “Ansys”, ближе к результату, полученному аналитически.

 

Коэффициент концентрации напряжений kα

¨α°

20

30

40

50

60

70

80

90

ka – без расцентровки

3.765

3.575

3.643

3.772

3.576

3.657

3.797

3.868

ka– с расцентровкой

3.338

3.349

3.352

3.362

3.376

3.385

3.408

3.424

Численными методами по пространственной схеме

Расчет выполнен с использованием ПК “Nastran”. Распределение нормальных напряжений приведено на рис. 6. Максимальные напряжения σх оказались ниже напряжений, полученных по плоской расчетной схеме.

Определение максимальных напряжений смятия по площадке контакта цапфа-проушина

По СНиП II-23–81* при угле касания поверхности 90° [1].

Максимальные напряжения смятия по поверхности отверстия определяются по формуле

где l – длина площадки контакта цапфы (толщина проушины).

Численным методом по плоской схеме

Результаты расчета приведены на рис. 7 и 8.

Максимальное напряжение смятия по контакту цапфа-проушина, полученное на ПК “Ansys”, незначительно превышает напряжение, полученное по СНиП (6,8%). Значительное расхождение имеет место при расчете на ПК “Nastran” (свыше 30%). Полученные в данном расчете значения напряжения смятия в любом случае не превышают расчетного сопротивления на смятие Rlp = 0,5Run /γm. Это свидетельствует о том, что внутренний угол площадки контакта меньше 90°, принятого в аналитическом решении.

Определение максимальных растягивающих напряжений по сечению, расположенному на оси симметрии с внешней стороны проушины

Аналитических решений в научно-технической литературе не обнаружено, поэтому авторами выполнены численные исследования по указанным ранее моделям (рис. 7 и 8).

Напряжения, полученные на ПК “Nastran” и “Ansys”, имеют близкие значения и не превышают 50% расчетного сопротивления.

Заключение

1. НДС проушин, установленные аналитическим и численными методами, близки по качественным и количественным показателям, что свидетельствует о достоверности принятых расчетных моделей и о НДС анкерного устройства в целом.

2. Расчетными критическими напряжениями, предопределяющими несущую способность проушин, являются напряжения σх в ослабленном поперечном сечении на внутренней поверхности отверстия. Коэффициент концентрации напряжений в этой зоне достигает значения 3,4–3,8.

3. Смещение центра отверстия относительно закругления концевой части проушин снижает продольные растягивающие напряжения σγ до 25%.

4. Распределение и значения напряжений смятия по площадке контакта цапфа-проушина зависят от значения зазора между отверстием и цапфой, а также допусков на посадку. Регулирование напряжений смятия достигается приваркой к проушинам накладок определенного очертания.

5. Размеры проушин назначены из наиболее неблагоприятного распределения действующих усилий, а их несущие способности оценены аналитическим методом.

6. Геометрические параметры проушин (соотношение B/d, радиусов отверстия и закругления, расположение отверстия и т.д.) соответствуют рекомендациям европейских норм [4].

Литература

1. СНиП II-23–81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991. – 96 с.

2. Ковальский, Б.С., Сороковенко, Ф.Ф. Расчет проушин // Вестник машиностроения. – 1969. – № 10.

3. Гохберг, М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Изд. 3-е, доп. и перераб. – Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1976. – 456 с.

4. EN 1991–1-8:2005 “Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 8 – Соединения”.


comments powered by HyperComments
Читайте также
02.09.2003 / просмотров: 17 639
Нестандартные, абсолютно новые архитектурно-технологические решения здания Национальной библиотеки поставили перед разработчиками проекта сложные...
27.02.2004 / просмотров: 7 145
Город Минск по праву считается одним из красивейших европейских городов. Неотъемлемым атрибутом повседневной жизни горожан и предметом восхищения...
13.07.2004 / просмотров: 5 492
В далекие уже 1970-е годы для Бреста центральными институтами был разработан водно-зеленый диаметр. Фактически в геометрическом и эстетическом центре...