CC BY
52
УДК 624.074
РАЗРАБОТКА И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ТРУБЧАТЫХ СТЕРЖНЕЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
© Л.С. Сабитов1
Казанский государственный энергетический университет, 420066, Россия, г. Казань, ул. Красносельская, 51.
Рассматриваются новые конструкции опор из трубчатых стержней для энергетического строительства, новизна которых подтверждается семью патентами РФ. Актуальность и востребованность предлагаемых конструктивных решений показала практика строительства опор освещения, опор контактных сетей электрического транспорта, опор линий электропередач (ЛЭП), башен сотовой связи (РМГ-30). Проведены численные исследования НДС как по существующим программным комплексам «ЛИРА», «ANSYS», «Autodesk Inventor», так и по разработанным автором программам «AutoRSS.01» и «AutoRSS.02». Получены оптимальные параметры, такие как глубина заделки одной трубы в другую, толщина торцевой пластины, количество граней в многогранных гнутых стойках и др.
Ключевые слова: опора ЛЭП; напряженно-деформированное состояние; трубчатые стержни; оптимальные параметры; башня сотовой связи.
DEVELOPMENT AND NUMERICAL STUDIES OF TUBULAR ROD STRUCTURE STRESS-STRAIN STATE IN ENERGY CONSTRUCTION L.S. Sabitov
Kazan State Power Engineering University, 51 Krasnoselskaya St., Kazan, 420066, Russia.
This article discusses new designs of tubular rod supports for energy sector construction, the novelty of which is confirmed by seven iso-RF patents for inventions. The practice of building lighting poles, catenary supports of electric transport, power line pylons, cell phone towers (RMG-30) has shown the relevance of the proposed design solutions. Numerical studies of VAT have been carried out by the existing software complexes "LIRA", "ANSYS", "Autodesk Inventor", as well as by the programs "AutoRSS.01" and "AutoRSS.02" developed by the author. The optimal parameters including depth of setting one tube in another, the thickness of the end plate, number of faces in multisided steel poles and others are obtained.
Keywords: power line pylon; stress-strain state; tubular rods; optimal parameters; cell phone tower.
Быстрые темпы развития энергетики, связи, телекоммуникаций и других отраслей народного хозяйства способствуют изготовлению стальных конструкций с применением трубчатых стержней (круглая труба, многогранные профили замкнутого сечения и т.д.), обладающих рядом конструкционных качеств, которые обеспечивают уменьшение расхода стали, снижают величину ветровой нагрузки, повышают коррозионную стойкость. К таким конструкциям можно отнести опоры линий электропередачи, опоры для ветрогенератор-ных установок, башни сотовой связи, опоры городского освещения, опоры контактных сетей электротранспорта, опоры рекламных конструкций, опоры для светосигнального оборудования (светофоры) и др. [1, 10].
Опоры контактных сетей электрического транспорта, опор освещения, опор для светосигнального оборудования
В конструкциях опор контактных сетей электротранспорта, рекламных конструкций и других видов
опор применяются трубчатые стержни различной конфигурации. Возникает необходимость соединения отдельных звеньев труб разного диаметра. Наиболее распространенные способы соединения труб разного диаметра приведены на рис 1. Соединения звеньев труб разного диаметра (рис. 1, а) решено при помощи торцевой фасонки без заделки концов труб друг в друга. Следующее соединение (рис. 1, б) включает концы труб, вставленных друг в друга, а их соединение выполняется на сварке за счет фасонок, врезанных в прорези трубы большего диаметра.
Применяются соединения (рис. 1, г, ж, и), в которых концы труб, вставленных друг в друга, фиксируются прокладками и торцевой заглушкой.
Технико-экономический анализ приведенных выше решений узловых соединений показал недостаточную их эффективность как по расходу стали, трудоемкости их выполнения, так и по надежности эксплуатации и эстетическим свойствам.
1 Сабитов Линар Салихзанович, кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий и энергоресурсосберегающих технологий, заведующий учебно-исследовательской лабораторией прочности, надежности конструкций, тел.: 89272495078, e-mail: [email protected]
Sabitov Linar, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Enterprise Power Supply and Energy-Saving Technologies, Head of the Research Laboratory of Structure Strength and Durability, tel.: 89272495078, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Виды соединения трубчатых стержней разного диаметра: а - в стык при помощи торцовой фасонк; б - соединение через фасонку с ребрами; в - труба в трубе при помощи крестовых врезных фасонок; г - соединение через промежуточные пластинки; д - соединение с постепенным переходом на меньший диаметр (холодного вальцевания); е - с коническим вкладышем; ж - сварное комбинированное соединение с фланцем; и - комбинированноеболтовое соединение
Для наглядности смоделируем опору контактной сети электротранспорта высотой 12 метров, состоящую из двух звеньев по 6 метров. Нижнее звено имеет диаметр 273 мм, толщина стенки - 5 мм; диаметр верхнего - 219 мм, толщина стенки такая же, как у нижнего звена. Соединение трубчатых стержней осуществлено на сварке через круглую пластинку, толщина которой варьировалась от 3 мм до 24 мм (рис. 2, а).
Для установления НДС узла опоры контактных сетей проведены численные исследования конечно-элементной модели с изучением распределения компонентов НДС в соединительной торцевой пластине 1, а также в элементах оболочки 2, 3, непосредственно прилегающих к соединительной пластине. Расчеты выполнялись по методу конечных элементов на расчетном комплексе «ЛИРА». Опора моделировалась двумя цилиндрами с различными диаметрами, с разбиением их на четырехугольные конечные элементы (пластины размерами 50х70 мм для нижнего звена и 50х56 мм для верхнего цилиндра). Высота нижнего цилиндра и высота верхнего звена - 6 м. В плане цилиндр делили на 12 частей. Соединение цилиндров между собой осуществлен жестко через круглую пластинку. Низ цилиндра закреплен жестко, а в верхней части приложена точечная нагрузка 1000 кг. Изменение усилий в торцевой фасонке напрямую зависят от ее толщины (рис. 3). Из графиков, показанных на рис. 3 видно, что рациональная толщина опорной плиты (торцевой фасонки) - 20 мм.
В результате численных исследований НДС узла с торцевой промежуточной пластиной установлена необходимость применения больших толщин металлопроката на торцевую пластинку, влекущую за собой повышение трудоемкости работ, а также дополнительных затрат на торцевание. Кроме того, назначение больших толщин металлопроката приводит к снижению прочности материала, следовательно, влияет на надежность работы данного узла в составе ствола опоры.
Для решения названных выше проблем автором предлагаются запатентованные решения узлов (рис. 4), которые были реализованы и неплохо себя зарекомендовали при строительстве опор освещения, опор для светосигнального оборудования, опор контактных сетей электротранспорта в г. Казани.
Первое конструктивное решение представляет собой соединение по типу «труба в трубе» [2, 4, 12], взаимное соединение труб происходит через щелевые прорези на сварке (рис. 4, а). На трубу меньшего диаметра привариваются пластинки необходимой толщины (разница диаметров стыкуемых труб). При помощи данного способа рекомендуется соединять трубы, у которых разница соседних трубчатых стержней небольшая: — = 0,9 - 0,95. При большой разнице диаметров труб первое конструктивное решение не применяется, так как увеличивается трудоемкость работ при выполнении окончательного закрепления концов труб.
Л
б) е)
Рис 2. Схема двухзвенной опоры контактной сети электротранспорта: а - геометрическая схема и эпюры внутренних усилий от ветровой и единичной нагрузки; б - изополя напряжений, полученные в ПК «ЛИРА»; в - изополя
напряжений, полученные в ПК <^N$¥8
Второе конструктивное решение узла соединения труб разных диаметров (рис. 4, б) направлено на снижение трудоемкости сварочных работ и повышение прочности узла, что особенно важно при применении тонкостенных труб и соотношении диаметров
— = 0,4-0,6, где б1 - диаметр трубы меньшего диа-
<Л2
метра, б2 - диаметр трубы большего диаметра [4]. Конструкция узла соединения заключается в том, что внутренняя кольцевая полость нахлеста заполняется расширяющимся бетоном. В качестве заполнителя можно использовать, например, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент. После набора бетона проектной прочности узловое соединение труб способно воспринимать значительные горизонтальные усилия, например, от ветра или подвешенных проводов.
Для численного исследования НДС соединения труб разного диаметра, осуществленного заполнением бетона в кольцевую полость, были выполнены 3 модели фрагмента двухзвенной опоры контактной
сети электротранспорта. Первая модель (тип 1) (рис. 4, а) представляет собой соединение посредством торцевой фасонки без заделки одной в другую. Длина каждой трубы - 800 мм, диаметр большей трубы - 325 мм, меньшей - 219 мм. Толщина стенок каждой трубы и торцевой фасонки - по 10 мм. Вторая модель (тип 2) - комбинированное соединение при помощи щелевых прорезей на сварке (рис. 4, а). Длина трубы меньшего диаметра - 1240 мм, а большего -800 мм. Крепление одной трубы к другой осуществляется посредством пластинок в количестве 6 штук. Третья модель (тип 3) (рис. 4, б) представляет собой комбинированное соединение труб разного диаметра, осуществленное заполнением бетона в кольцевую полость, включающую концы круглых труб (диаметр меньшей трубы - 219х10, длина - 1240 мм; диаметр большей - 325х10, длина - 800 мм), вставленные друг в друга на глубину 440 мм (2б, где б - диаметр меньшей трубы). Полость между трубами заполняется бетоном [3].
Рис. 3. Графики зависимости внутренних усилий от толщины пластинки
Рассмотренные варианты узлов соединения трубчатых стержней были рассчитаны в программном комплексе АМБУБ на основе численного метода конечных элементов. Задача решалась по известной методике теории пластичности. Пластичность представляет собой неконсервативный процесс, при котором последовательность приложения нагрузок влияет на конечный результат. Поэтому в процессе расчета нагрузка на стык прикладывалась малыми шагами, и использовались малые шаги решения. На каждом шаге решения приращение пластических деформаций не превышало 5%.
Физический закон деформирования оболочки описывался четырьмя параметрами: модулем упругости Е = 206 103 МПа, касательным модулем Е' = 75103 МПа, пределом текучести ауп = 245МПа и коэффициентом Пуассона V = 0,3. Закон деформирования бетона для третьей модели задавался двумя параметрами: Е = 25103 МПа, V = 0,2. При решении задач использовался метод Ньютона-Рафсона с обновлением матрицы касательной жесткости на каждой равновесной итерации: матрица будет использоваться до тех пор, пока итерационный процесс остается устойчивым. При обнаружении расхождения в сходимости текущая итерация прерывается, и решение повторяется с использованием комбинации секущей и касательной жесткостей. Когда сходимость восстанавливается, то происходит возврат к использованию каса-
тельной жесткости. Для обеспечения устойчивости итерационного процесса шаг решения задавался автоматически, и применялась процедура бисекции. Сопрягаемые стальные элементы стыков моделировались оболочечными конечными элементами Shell43, позволяющими решать нелинейную задачу теории пластичности. Бетон заполнения стыка типа 3 моделировался объемными конечными элементами Solid45. Причем бетону задавались свойства изотропного материала, при этом рассматривались варианты задачи, когда бетон имеет сцепление с поверхностью оболочки и когда такое сцепление отсутствует. В качестве закона деформирования была принята билинейная диаграмма кинематического упрочнения. Закон предполагает, что на диаграмме а-£ сумма напряжений разного знака в процессе нагрузки-разгрузки всегда равна удвоенной величине предела текучести ау, то есть учитывается эффект Баушингера. Модель рекомендуется для упругопластических задач с малыми деформациями материала, подчиняющегося условию текучести Мизеса:
1 - )2 + - )2 + - )2 0)
где а - эквивалентные напряжения по Мизесу; а>а2>а3 - главные напряжения; а^ - нормативный средний предел пластичности с учетом коэффициента вариации 5%.
в)
Рис. 4. Новые узлы соединения трубчатых стержней разного диаметра: а - патент на изобретение РФ № 2288399: 1 - труба меньшего диаметра; 2 - труба большего диаметра; 3 - пластинки; 4 - щелевые прорези; 5 - заглушка; 6 - сварные швы; б - патент на изобретение РФ № 2337268: 1 - труба большего диаметра; 2 - труба меньшего
диаметра; 3 -торцевая фасонка; 4 - заглушка; 5 - заполнитель (н-р, бетон); в - патент на изобретение РФ № 2365805: 1 - труба меньшего диаметра; 2 - труба большего диаметра; 3 - заглушка; 4 - болты; 5 - гайки; 6 - вертикальные ребра; г - патент на изобретение РФ № 2382266: 1 - труба меньшего диаметра; 2 - заглушка трубы большего диаметра; 3 - соединительная деталь; 4 - участок трубы большего диаметра; 5 - труба большего диаметра; 6 - сварка; 7 - линия реза на сварке
Таким образом, обоснована возможность автоматизированного моделирования рассматриваемых стыков сопряжения стальных труб по известной методике теории пластичности (с применением закона кинематического упрочнения, когда допустимы эффект Ба-ушингера и критерий пластичности Мизеса). Были зафиксированы нагрузки, при которых, труба меньшего диаметра достигла предела текучести (тип 1 - раз-
рушающая нагрузка Р = 28 т; тип 2 - разрушающая нагрузка Р =36 т; тип 3 - разрушающая нагрузка Р* = 40 т).
Третье конструктивное решение представляет собой сборно-разборное соединение труб разного диаметра (рис. 4, в). Сборка предлагаемого узла соединения труб выполняется в следующей последовательности. К концу трубы меньшего диаметра 1 на
некотором расстоянии от торца на сварке прикрепляется заглушка 3. В заглушке предусмотрено 4-8 отверстий, расположенных по дуге окружности. На конце трубы большего диаметра 2 с внутренней стороны прикрепляются болты 4. Их крепление может быть выполнено при помощи сварки, а концы болтов с резьбовой частью выступают за пределы трубы. На конце трубы меньшего диаметра 1 в пределах длины от ее торца до заглушки 3 устанавливают вертикальные ребра в количестве 4-8 штук. Подготовленные вышеуказанным способом концы труб вставляются друг в друга, при этом болты 4 входят в соосные отверстия в заглушке 3 и затягиваются гайками 5.
Четвертое конструктивное решение позволяет значительно уменьшить количество соединительных деталей при обеспечении высокой прочности (рис. 4, г). Узел включает конец трубы меньшего диаметра 1, заглушку трубы большего диаметра 2 и соединительную деталь 3. Последние детали 2 и 3 прикреплены как к трубе 1, а также и к участку трубы большего диаметра 4 при помощи сварки 6. Участок трубы большего диаметра прикреплен к оставшейся части трубы большего диаметра 5 по линии ее реза на сварке 7. Сборка предлагаемого соединения производится следующим образом. На конце трубы меньшего диаметра 1 закрепляют соединительную деталь 3, заглушку трубы большего диаметра 2 закрепляют на расстоянии, равном длине отрезанного участка трубы 4. От трубы большего диаметра 5 отрезают участок трубы длиной 1,5-2,5 б, где б - диаметр этой трубы. Конец трубы меньшего диаметра 1 с прикрепленными к ней заглушкой 2 и соединительной деталью 3 устанавливают в отрезанный участок трубы 4 и прикрепляют к ней, например, сваркой 6 детали 2 и 3. Образовавшийся фрагмент конструкции, состоящий из дета-
лей 1, 2, 3 и 4, прикрепляют к оставшейся части трубы большего диаметра 5 на сварке 7.
Предложенный узел соединения труб разного диаметра позволяет просто и надежно соединить при помощи соединительной детали 3 участок трубы большого диаметра 4 с торцом трубы меньшего диаметра 1, при этом заделка труб друг в друга на 1,5-2-5 б обеспечивает достаточную их жесткость. Окончательная же сборка узла за счет соединения участков трубы большего диаметра 4 и 5 посредством сварки 7 по линии их реза обеспечивает высокую прочность соединения, так как данное сварное соединение располагается в зоне со значительно меньшей величиной расчетного усилия.
При расчете предлагаемых соединений существенным оказался вопрос величины заделки трубы меньшего диаметра б, в трубу большего диаметра О. Опора моделировалась изотропным пластинчатым конечным элементом на вычислительном комплексе «ЛИРА» в геометрически нелинейной постановке. При этом основными исследуемыми параметрами явились напряжения в конечных элементах моделируемых сварных швов в зависимости от глубины заделки Л. В результате исследований получены графики изменения внутренних усилий в сварных швах в зависимости от глубины заделки (рис. 5).
Из графиков видно, что, начиная от 40-45 см, усилия N. О, М в двухузловых конечных элементах стержней практически не изменяются. При исследовании рассматриваемого узла соединения труб для различных диаметров установлено, что рациональная глубина заделки трубы меньшего диаметра в трубу большего диаметра составляет 2-2,3 б, при которой усилия остаются неизменными. В нашем случае для диаметра 21,9 см глубина заделки составляет 43,8 см.
Рис. 5. График зависимости внутренних усилий от глубины заделки Ь
Способ изготовления опоры переменного регу- соты ограничено сечение стержня: диаметр нижнего лярного сечения заключается в том, что опора (рис. 6) звена может достигать 3-6 метров (рис. 7). Есть заво-изготавливается путем формирования замкнутого ды-изготовители, которые могут спроектировать, изго-многогранного поперечного сечения. Опору по высоте товить и смонтировать такие опоры. Но применение изготавливают из двух секций, которые формируют из таких опор ограничено технологическим процессом образовавшихся частей квадратной трубы, косо раз- цинкования (регламентируется размером ванны), резанной по каждой стороне. При этом начало косого необходимостью использования дорогостоящих мощ-реза на одном конце трубы располагают посередине ных прессов из-за большой толщины заготовки, обес-каждой стороны, а на другом конце начало резов рас- печивающей местную устойчивость сечения, больших полагают с делением каждой стороны на большую и объемов помещений для производства и контрольной меньшую части, причем меньшие части каждой сторо- сборки опоры, больших денежных расходов по пере-ны группируют на противоположных гранях квадрат- возке опоры на место монтажа и процесса монтажа. ной трубы. Такие опоры применимы только в очень стесненных Стальная опора по высоте включает две секции условиях строительства, когда есть проблемы в от-(1 и 2) . Секции изготовлены из частей квадратной чуждении земли под трассу ЛЭП или необходимость трубы 3 и 4, образовавшихся путем косого реза по сохранения лесного массива. каждой ее стороне по указанным на сечениях 1-1 и 2-2 Эффективное решение данной задачи - это приточкам. менение нескольких одинаковых многогранных стерж-Способ изготовления стальной парковой опоры [5] ней в основании конструкции опоры и одиночного включает косую резку квадратной трубы по каждой ее стержня в верхней части. При этом необходимо ре-стороне, (рис. 6, а) в результате которой образуется шить проблему узла для стыковки нескольких стерж-четыре части: две части 3 и две части 4. Положение ней. Узел должен отвечать следующим требованиям: косого реза фиксируют на одном конце трубы точками, малый расход стали, технологичность монтажа, малая которые располагают в середине каждой стороны, т.е. трудоемкость изготовления и повышенная жесткость Ь = Л/2, а на другом конце трубы точки реза задают [6, 7.
значением меньшего размера с и большего размера Предлагаемый узел соединения трубчатых стерж-части а, причем с + а = Л. Точки реза меньшего раз- ней включает верхний одиночный трубчатый стержень мера с группируют на противоположных гранях квад- с горизонтальным фланцем на конце и ответный фла-ратной трубы. нец, к которому под углом прикреплены концы неПосле разрезки трубы из образовавшихся частей скольких нижних трубчатых стержней. При этом флан-3, 4 формируют замкнутое сечение, причем из двух цы по периметру стянуты болтами, ответный фланец частей 3 формируют нижнюю секцию 1, а из двух ча- выполнен раздельным для каждого нижнего трубчато-стей 4 формируют верхнюю секцию 2. В собранном го стержня, конец каждого трубчатого стержня допол-состоянии опора в нижней части будет иметь размер, нительно снабжен двумя вертикальными фланцами, аха, в средней части - ЬхЬ, а в верхней части - раз- которые стянуты болтами с аналогичными фланцами мер схс. Данный вид конструкций реализуется при смежных концов трубчатых элементов. Наибольшая изготовлении парковых опор небольшой высоты - эффективность достигается, если трубчатые стержни 2-4 м (рис. 6, б). выполнить в виде усеченной пирамиды многогранного Опора линий электропередач, опора для поперечного сечения, при этом все концы трубчатых ветрогенераторных установок, башни сотовой стержней соединены в узле основанием пирамиды связи [8, 13].
При строительстве опор ЛЭП, ветрогенераторных Новая конструкция опоры с узлом соединения
установок из многогранных гнутых стоек большой вы- трубчатых стержней (рис. 7) включает верхний оди-
а)
б)
Рис. 6. Парковая опора освещения переменного регулярного сечения: а - схема резки квадратной трубы; б - общий вид инновационных опор
ночный трубчатый стержень 1, к концу которого прикреплен горизонтальный фланец 2 и ответный фланец 3; к фланцу 3, выполненному составным раздельным для каждого трубчатого стержня, под углом прикреплены концы нижних трубчатых стержней 4, например, трех. Кроме того, на конце каждого трубчатого стержня 4 дополнительно установлены по два вертикальных фланца 5, которые болтами 6 стянуты с аналогичными фланцами смежных концов трубчатых стержней 4. Фланцы 2 и 3 по периметру стянуты между собой болтами 7. К основанию одиночного трубчатого стержня 1, выполненному, например, в виде полой усеченной пирамиды многогранного поперечного сечения, приваривают горизонтальный фланец 2. К концам трубчатых стержней 4 приваривают ответные раздельные горизонтальные фланцы 3 и дополнительно по два вертикальных фланца 5, установленных на стержнях 4 с возможностью совмещения их с аналогичными фланцами 5 смежных трубчатых стержней 4 для обеспечения пространственной жесткости узла. Совмещают фланцы 2, 3 и вертикальные фланцы 5 со смежными с ними и стягивают соответственно болтами 6 и 7.
При численных исследованиях НДС предлагаемого соединения существенным оказался вопрос, связанный с соответствием сечения верхнего основного ствола, сечений, поддерживающих нижние стержни с величинами воздействующих реальных нагрузок на опору. Численные исследования НДС проводились для двух опор. Первая опора состоит из нижней секции, высотой 10 м, на трехстоечных опорах, а вторая опора - это полностью одиночный стержень. Моделирование опоры осуществляется методом конечных
элементов.
Анализ напряженно-деформированного состояния осуществлялся с помощью лицензионных программных комплексов Autodesk Inventor и ANSYS, позволяющих проводить параметрический расчет НДС прототипов деталей и конструкций. Неизменным параметрами были следующие: высота опоры, прикладываемые внешние воздействия (ветер, гололед, провода и т.д.).
Статический анализ и модальный анализ подтвердили, что трехстоечная опора имеет лучшие аналогичные механические свойства, чем одностоечная. При этом масса предлагаемой конструкции на 10-12% меньше (таблица) Важно отметить, что трехстоечная опора состоит из сборных легких компонентов, что, в свою очередь, обеспечивает простоту транспортировки к месту установки (особенно актуально для труднодоступной местности).
В результате выполненых исследований выявлено, что менее металлоемкими при строительстве опор ЛЭП большой высоты из многогранных гнутых стоек являются опоры, в которых верхняя часть выполнена из одиночного стержня, а основание опоры состоит из трех наклонных стержней. При этом принципиальное решение данной опоры определяется предлагаемым узлом соединения трубчатых стержней. Количество многогранных стержней - 3 шт. Так как конструкция в основании на трех стержнях обладает большей устойчивостью, она не требует введения новых конструктивных элементов в виде поперечных диафрагм жесткости и изготовления дополнительного фундамента, как это требует опора из четырех стержней [9].
а) в)
Рис. 7. Конструкции опор с новыми узлами соединения трубчатых стержней: а - опора ветрогенераторной установки; б - опора линий электропередачи; в - изополя напряжений ANSYS
в)
Рис. 8. Способ изготовления опоры многранного сечения на примере реализованной опоры сотовой связи РМГ-30: а - общий вид РМГ-30; б - способ изготовления опоры; в - изополя напряжений Autodesk Inventor
Опору изготавливают из стального листа с образованием заготовки в виде вытянутого прямоугольника или трапеции. Гибку заготовки выполняют с образованием граней и сварку свободных кромок по длине - с созданием замкнутого сечения. Заготовку по длине образуют из стальных листов разной толщины, которая уменьшается к вершине опоры, при этом стальные листы между собой соединяют стыковой сваркой и продольными диафрагмами жесткости в виде пластин, установленных на ребро в промежутке между гранями поперечного сечения опоры.
На рис 8. приведен вид стальной заготовки в виде вытянутой трапеции для опоры переменного сечения, составленной по длине из листов разной толщины 11 и 12 с установленными диафрагмами в местах стыка листов (штриховыми линиями обозначены будущие грани), и показан процесс гибки заготовки с образованием граней.
Опору изготавливают из стальных листов 1 трапециевидной формы, при этом листы по длине опоры имеют разную толщину и, 2 уменьшающуюся к вершине опоры. Между собой листы разной толщины соединены стыковой сваркой и продольными диафрагмами 2 в виде пластин, установленных на ребро между гранями поперечного сечения опоры.
Изготовление опоры начинается с раскроя стального листа с образованием заготовки в виде вытянутой трапеции 1. Заготовку по длине образуют из листов разной толщины, которые соединяют стыковым швом и продольными диафрагмами в виде пластин 2, устанавливаемых на ребро между гранями поперечного сечения опоры. После изготовления заготовки ее подвергают гибке с образованием замкнутого попе-
речного сечения.
Основной вопрос изготовителей и монтажников -это вопрос о равнопрочности стыка. Численные исследования показали, что предлагаемый стык обладает большим запасом прочности. Прочность в данном случае регламентируется длиной сварного шва и качеством сварки. В данном случае длина сварного шва получилась в 4 раза длиннее, чем если бы это был просто стыковой узел. А изополя напряжений (рис. 8, в) показали равномерное перераспределении внутренних усилий на стыке. При реализации такого конструкторского решения удалось сделать опору легче на 385 кг и состыковать металл из кусков по 6 м по длине опоры.
В заключение сформулируем выводы:
1. Разработаны и запатентованы 7 технических решений, благодаря которым можно изготовить опоры для энергетического строительства. Это уже установленные опоры контактных сетей электротранспорта, рекламные конструкции, опоры освещения, опоры для ветрогенераторных установок, опоры ЛЭП и опора сотовой связи.
2. Выполнено численное исследование НДС соединений труб разного диаметра и определена действительная работа. Полученные графики зависимости усилий от глубины (h) посадки труб показывают, что при глубине посадки, равной h = 2-2,3 d (где d -диаметр меньшей трубы), практически стабилизируются усилия, что совпадает с полученными по программе «AutoRSS.01» данными для телескопических соединений.
3. Анализ результатов НДС, полученных при помощи известных ПК«АNSYS», «Autodesk Inventor»,
Параметры, полученные при помощи программы Autodesk Inventor
Параметры Опора на 3-х ножках высотой 40 м Одиночная опора высотой 40 м Разница
Эквивалентная сосредоточенная сила Н 23000 23000 0%
Напряжение по Мизесу мПа 206 204 0,50%
Коэффициент запаса прочности Ml 1,05 1,06 0,90%
Смещение см 124 163 24%
Масса кг 4110 4800 12%
позволил подобрать оптимальные параметры для частного случая - опоры ЛЭП, высотой 40 м, из многогранных гнутых стоек: сечения стоек, толщину фланца (8-10) мм из листовой стали, толщина которой со-
ставляет 5-7 мм. Масса такой конструкции по сравнению с одностоечной опорой легче в 1,3 раза (см. таблицу).
Статья поступила 26.03.2015 г.
1. Кузнецов И.Л., Сабитов Л.С., Исаев А.В. Конструкции с соединениями стальных труб разного диаметра: монография. Казань: КГАСУ, 2012. 123 с.
2. Пат. № 2288399, РФ. Узел соединения труб / И.Л. Кузнецов, А.В. Исаев, Л.С. Сабитов. Заявл. 07.04.2005; опубл. 27.11.2006. Бюл. № 18/2007. 4 с.
3. Пат. № 2337268, РФ. Способ соединения труб разного диаметра / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов, А.В. Исаев. Л.С. Заявл. 28.03.2007; опубл. 27.10.2008. Бюл. № 30. 4 с.
4. Пат. № 2365805, РФ. Узел соединения труб разного диаметра» / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 22.05.2008; опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24. 6 с.
5. Пат. № 2382266, РФ. Способ изготовления узла соединения труб разного диаметра / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 05.11.2008; опубл. 20.02.2010. Бюл. № 5. 6 с.
6. Пат. № 2495213, РФ. Способ изготовления стальной опоры регулярного переменного сечения» // И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 19.04.2012; опубл. 10.10.2013. Бюл. № 28. 6 с.
7. Пат. № 2511239, РФ. Узел соединения трубчатых стержней // Л.С. Сабитов, И.Л. Кузнецов, А.А. Биктимиров. Заявл. 09.10.2012; опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10. 6 с.
8. Пат. № 2541006, Р.Ф. Узел соединения трубчатых стержней // Л.С. Сабитов, И.Л. Кузнецов И.Л., И.Н. Хамидул-лин, Р.П. Степанов. Заявл. 21.03.2014; опубл. 10.02.2015.
Библиографический список
Бюл. № 4. 6 с.
9. Пат. №118666, РФ. Опора линии электропередачи // В.Т. Белозерцев, Б.М. Гершкович, Б.М. Игнатьев, С.Б. Игнатьев С.Б. Заявл. 06.03.2012; опубл.: 27.07.2012. Бюл. № 21. 2 с.
10. Сабитов Л.С Разработка и исследование соединений стальных труб разного диаметра // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. № 1 (9). С. 102-105.
11. Сабитов Л.С. Напряженно-деформированное состояние узла соединения трубчатых стержней опоры линии электропередач. // Материалы международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2014» посвященной 90-летию со дня рождения Юнусова Файзрахмана Салаховича: в 2-х ч. Казань, . АО КНИАТ, 2014. Ч. 2. С. 117-120.
12. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Гатиятов И.З Экспериментальные исследования узлов соединения труб разного диаметра в опорах контактных сетей электротранспорта //Вестник гражданских инженеров. 2014. № 6 (47). С. 90-95.
13. Хамидуллин И.Н., Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Ильин В.К. К вопросу о рациональности применения опор линий электропередачи из многогранных гнутых стоек // Энергетика Татарстана. 2014. № 1 (33). С. 43-47.
УДК 691.327
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
© П.С. Созонов1, Б.И. Пинус2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты экспериментально-аналитических исследований о влиянии скорости нагружения в режиме постоянства деформирования на нормируемые показатели прочности и деформативности бетона. Подтверждена не тождественность их изменения и качественная структурная трансформация сжимаемости бетона при скоростях воздействия, сопоставимых с сейсмическими. На основании статистических данных сделаны выводы о характере изменения поведения бетона. Выполнен сопоставительный анализ экспериментально полученных и закрепленных в нормах параметров бетона.
Ключевые слова: бетон; динамическое упрочнение; предельные деформации; диаграмма a-e; нормативные параметры, сейсмическое воздействие.
1Созонов Павел Сергеевич, аспирант, тел.: 89500615891, e-mail: [email protected] Sozonov Pavel, Postgraduate, tel.: 89500615891, e-mail: [email protected]
2Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, тел.: 89025130501, e-mail: [email protected]
Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Structures, tel.: 89025130501, e-mail: [email protected]
