Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Геммерлинг А.В. Расчет стержневых систем

.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.26 Mб
Скачать

много меньше единицы для стержней, которые уменьшались при оптимизации рамы, и немного больше единицы для увеличи­ ваемых.

В такой постановке оптимизация каждого стержня также выполнима методами нелинейного программирования.

Переходим к оптимизации сечении. Для_ каждого сечения имеются значения жесткостей ЕІ\, Eli, EF\,EFi, вводимые в

расчет оптимального на данной итерации стержня. Оптимизация параметров сечения производится при ограни­

чениях, определяемых из требований прочности и устойчивости

элементов сечения, а также при

ограничениях в жесткостях и

отпорностях сечений:

 

ЕІХ> Ё7і; £ /а> £ / а;

EF1> ËFi; EF2^ E F 2

или опять с введением дополнительного коэффициента с, близ­ кого к единице.

Оптимизация сечения производится методами математичес­ кого программирования при возможности принимать любые значения варьируемых параметров или методом направленного перебора, если возможны лишь элементы определенного сорта­ мента.

Приведенный схематический пример не претендует, конечно,

. на исчерпывающую полноту. Он преследует лишь цель показать возможность поэтапной оптимизации достаточно сложной кон­ струкции, а увеличение количества этапов позволит перейти к сложным рамам, учету пространственное™ и дойти до каркаса здания в целом.

При поэтапной оптимизации могут быть случаи, когда итера­

ционный процесс

начинает расходиться

или

зацикливаться.

В таких случаях

всегда можно остановить

его

и ограничиться

последним сошедшимся решением.

Расчетный алгоритм всегда может содержать определенные проверки, останавливающие итерационный процесс, как только он начинает отклоняться от желаемого направления. Кроме то­ го, добиваться достижения математического максимума при ре­ шении задач проектирования, как правило, не обязательно из-за приближенности исходных предпосылок.

Если в качестве исходного для оптимизации принято обосно­ ванное действующими нормативами решение, то достаточно приблизиться к'некоторому оптимуму, как к глобальному, так и к локальному. Всякое улучшение принимаемого проектного ре­ шения дает явный экономический эффект.

Изложенный пример показывает, что при поэтапной оптими­ зации можно рассматривать достаточно сложные конструкции. Хотелось бы подчеркнуть, что задача оптимизации может ре­ шаться и ограниченно. Значительную ценность представляют и методы расчета, позволяющие получить не только оптимальное, но и относительно лучшее решение.

200

ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е

Вработе изложены основы общего метода расчета

стержневых систем из упругопластического материала как еди­ ных физически- и геометрически-нелинейных систем. Показано,, что исчерпание несущей способности таких систем при наличии в них сжатых или сжато-изогнутых стержней происходит в ре­ зультате потери устойчивости конструкции, которая может быть, как общей, так и местной, т. е. такой, при которой кинематичес­ кую свободу получают не все, а часть узлов системы или даже лишь один узел.

Общим критерием потери устойчивости является достиже­ ние состояния нулевой отпорности, т. е. критерия теории устой­ чивости второго рода. В большинстве случаев в этот же момент удовлетворяется и критерий теории устойчивости первого рода, основанный на бифуркационном признаке. Однако бифуркация обычно происходит не в виде смены одной формы равновесия другой, а в виде смены устойчивых состояний равновесия и от­ сутствия возможных состояний равновесия, если нагрузка на систему не уменьшается.

Для идеальных систем, деформирующихся под влиянием внешних воздействий по формам, не содержащим характерных перемещений низшей формы потери устойчивости, бифуркацион­ ный критерий может дать меньшее значение критической на­ грузки по сравнению с критерием нулевой отпорности. В одних случаях при этом происходит смена одной формы деформирова­ ния другой, причем при новой форме деформирования состояния равновесия устойчивы, и возможно некоторое повышение на­ грузки до достижения системой состояния нулевой отпорности. Это возможно за счет того, что в момент смены форм деформи­ рования может происходить изменение направления прираще­ ний деформаций и возникают зоны разгрузки, за счет которых отпорность системы увеличивается. В других случаях происхо­ дит действительная потеря устойчивости ранее достижения со­ стояния нулевой отпорности.

В основе изложенных выводов лежит метод двух расчетных сечений, разработанный автором [8]. Этот метод, имея большую физическую наглядность, позволил разложить полные деформа­ ции и напряжения в сечении стержня из упругопластического материала на их простейшие составляющие (сжатие, изгиб и т. д.), выявить связь между полными деформациями и напряже­ ниями и их приращениями, определить положение и значение центров тяжести первого и второго расчетных сечений и их фи­ зический смысл.

Все это позволило придать разработанному методу расчета хорошую физическую обоснованность.

Большое значение имеет выполненный анализ роли осевых укорочений и сближения концов сжатых и сжато-изогнутых

201;

•стержней. Это позволило выявить закономерности поведения та­ ких стержней в закритической стадии, а также поведение стати­ чески неопределимых систем со стержнями, перешедшими в закритическую стадию. На этой же основе удалось показать, что для стержневых систем из упругопластического материала весь­ ма часты местные формы потери устойчивости, при которых ки­ нематическую свободу получает один или группа (но не все) узлов системы.

Для выявления не только общих, но и местных форм потери устойчивости конструкции в расчете должны учитываться все возможные перемещения каждого из узлов, в том числе и пере­ мещения узлов в направлении оси сжатого или сжато-изогнуто­ го стержня (колонны). На основе всех этих исследований уда­ лось разработать общий метод расчета статически неопредели­ мых стержневых систем из упругопластического материала как единых физически- и геометрически-нелннейных систем.

Чтобы реализовать этот метод, разработан ряд алгоритмов и программ для ЭВМ, на которых рассчитывают различные ра­ мы (одноэтажные, многоэтажные). Все алгоритмы построены на разделении расчета на этапы: «рама», «стержень», «сечение», в каждом из которых решение ведется итерационным методом.

Расчеты; выполненные по этим программам, показали зна­ чительную неравнопрочность элементов рам, рассчитанных об­ щепринятым методом, и значительно более высокую их несу­ щую способность, так что переход на расчет рам разработанным методом позволит повысить их надежность и получить эконо­ мию материалов.

Вместе с тем выявились весьма существенные недостатки и других имеющихся методов расчета статически неопределимых рам. Метод последовательного образования пластических шарни­ ров, игнорируя возможность потери устойчивости, по существу, является расчетом на прочность и поэтому всегда завышает не­ сущую способность рамы. Это завышение тем больше, чем боль­ ше гибкость сжатых и сжато-изогнутых стержней. Таким обра­ зом, необходимо определение четких границ, в которых метод последовательного образования пластических шарниров может применяться.

Общие классические методы расчета на устойчивость упру­ гих линейно-деформируемых рам не учитывают местных форм потери устойчивости, связанных с вертикальными перемещения­ ми одного или группы узлов рамы. Это является следствием игнорирования вертикальных перемещений узлов рамы. Таким образом, и этот метод расчета не может рассматриваться как общий.

Разработанный общий метод расчета, изложенный в данной работе, лишен этих недостатков и в этом смысле является более общим и строгим, в силу чего его можно рекомендовать для практического применения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б а ж а н о в Б. Г. К расчету сжато-изогнутых стержней

из алюмини­

евых

сплавов. «Строительная

механика и

расчет сооружений»,

1967, № 1 ■

2.

Б е л ь с к и й Г. Е. Об

устойчивости

сжато-изогнутого стержня. «Стро­

ительная механика и расчет сооружений». 1965, № 2.

3. Б л е я х Ф. Устойчивость металлических конструкций. М., Госфизмат-

нздат,

1959..

.

4.

Б о л о т и н

В. В. О понятии устойчивости в строительной механике.

В сб.: «Проблемы устойчивости в строительной механике», под ред. В. В. Бо­ лотина, И. М. Рабиновича, А. Ф. Смирнова. М., Стройиздат, 1965.

5. Б р о у д е Б. М. О линеаризации уравнений устойчивости равнове­ сия внецентренно сжатого стержня. В сб.: «Исследование по теории сооруже­

ний», вып. VIII. М., Госстройиздат, 1959.

 

 

 

 

6.

В л а с о в В. 3.

Тонкостенные

упругие стержни. М., Госфизматиздат,

1959.

В о л ь м и р А. С. Устойчивость

деформируемых

систем.

М.,

«Наука»,

7.

1967.

Г е м м е р л и н г

А. В. Несущая

способность

стержневых

стальных

8.

конструкций. М., Госстройиздат, 1958.

 

стержневых

систем в

упруго-плас­

9.

Г е м м е р л и и г

А. В. О работе

тической стадии. «Строительная механика и расчет сооружений», 1964, № 6. 10. Г е м м е р л и н г А. В. Общий метод расчета рам из упруго-пласти­

ческого материала. «Строительная механика

и расчет сооружений», 1968, № 3.

11. Г ем м ер л и н г А. В., К у з н е ц о в

Б. Н. Приспособляемость сжато­

изогнутых стержней. «Строительная механика и расчет сооружений», 1967,

6.

В. Н. Устойчивость

предварительно

напряженного

вне-

12. Г у с а к о в

центренно сжатого

стержня, состоящего

из разнородных

материалов,

при

кратковременном действии нагрузки. «Строительная механика и расчет со­

оружений», 1971, № 5.

 

13.

И к р и н В. А. Исследование деформаций системы с двумя степенями

свободы. «Строительная

механика и расчет сооружений», 1966, № 5.

14.

И л ь ю ш и н А. А., Л е н с к и й В. С. Сопротивление материалов. М.,

Физматгиз, 1959.

А. П. Влияние предварительного напряжения на ус­

15.

К о в а л ь с к и й

тойчивость внецентренно сжатых железобетонных стержней. В сб.: «Строи­ тельные конструкции», вып. VI. Киев, «Будівельннк», 1967.

1,6. К о л о м и е ц В. П. Метод определения напряжений и деформаций в сечении балки при произвольном нагружении с учетом действительной диа­ граммы —в). «Известия вузов» (серия «Авиационная техника), 1966.

1.

17. К о р н о у X о в Н. В. Прочность и устойчивость стержневых систем. М., Стройиздат, 1949.

18.Л ей т е с С. Д. Устойчивость сжатых стальных стержней. М., Строй­ издат, 1954.

19.Л е й т е с С. Д. О мгновенной жесткости сечения при упруго-пласти­

ческих деформациях. «Строительная механика и расчет сооружений», 1963,

6.

20. М а т е в о с я н Р. Р., Ш а х о в В. Н. Качественные исследования ус­ тойчивости нелинейных стержневых систем. «Строительная механика и рас­ чет сооружений», 1968, № 6.

21.

М е ж л у м я н

Р. А. Инженерный сборник АН СССР, т. XIV, 1963.

22.

П р о ц е н к о

А. М. Об одном критерии устойчивости нелинейных

систем. «Строительная механика и расчет сооружений», 1967, № 3.

203

23. Р ж а и и ц ы н А. Р. Устойчивость равновесия упругих систем. М., ■Строішздат, 1955.

24. Р ж а и и ц ы и А. Р. К вопросу о мгновенной жесткости сечения. «Стро­

ительная механика и расчет сооружений», 1966, № 2.

 

 

25.

С л и в к е р

В. И. К расчету нелинейно-упругих систем. «Строитель­

ная механика и расчет’сооружений», 1971, № 6.

 

 

26.

С м и р н о в

А. Ф. Устойчивость и колебания сооружений. М., Транс-

жнлдорпздат, 1958.

 

прочности

тонкостенных

27.

С т р е л ь б и ц к а я А. И. Исследования

■стержней за пределом упругости. Изд. АН УССР, Киев, 1958.

Гостехиздат,

28.

Т и м о ш е н к о С. П. Устойчивость упругих

систем, М.,

■1955.

Т у р к и н В. С. Экспериментально-теоретическое исследование упру­

29.

го-пластической работы стальных балок. В сб. ЦНИПС: «Расчет металличес­ ких конструкций с учетом пластических -деформаций» (под ред. С. А. Берн­ штейна). М. — Л., Госстройнздат, 1938.

30. X о ф ф Н. Продольный изгиб и устойчивость. М., ИЛ, 1955.

31. X о X а р и н А. X., Б е л е н я Е. И. Изучение напряженного состояния стальных колонн при загружении их внецентренно приложенной крановой

нагрузкой. В сб. ЦНИПС: «Исследования по

стальным

конструкциям»

(под ред. В. А. Балдина). М., Строішздат, 1956.

vol. 14, № 5,

1974.

32. G h а п ! е у F. R. Journ of the Aeron. Sc.,

О Г Л А В Л Е Н И Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стр.

Предисловие..........................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Введение . . . ................................................................................................

4

Г л а в а

1. Жесткость и отпорность сечения стержня на сжатие и изгиб

9

§

1.

Допущения

и

 

терминология..........................................

 

и з г и б

 

 

9

 

§

2.

Жесткость сечения на сжатие и

 

 

11

 

§ 3.

Отпорность

сечения на

сжатие

и и з г и б ......................

 

 

17

 

§ 4. Физический

смысл

расчетных

усилий, жесткостей и отпорнос-

 

§ 5.

тей сеч ен и й .........................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

Связь между величинами жесткости и отпорности...

28

 

Г л а в а

2. Практические методы определения жесткости и отпорности

 

 

 

сечения

..................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

 

§ 6. Общие

методы

определения жесткости и отпорности сечения

 

 

 

при

плоском

изгибе со

сж атием ..................................

 

 

 

31

36 '

§ 7. Жесткость

и отпорностц сечения

при косом изгибе со сжатием

§ 8. Идеализированная

упругопластическая

диаграмма работы ма­

 

 

 

териала. Пластический

ш арнир.......................................

 

 

из

 

38

 

§ 9. Жесткость

и отпорность

сечения

стержня

материала, под­

 

 

 

чиняющегося

диаграмме

П р а н д т л я ........................

 

 

42

 

Г л а в а

3. Жесткость

и отпорность сжато-изогнутого

стержня . . .

44

§ 10.

Допущения. Исходные

уравнения..................................

 

 

 

44

 

§

11. Итерационное

решение

дифференциального

уравнения оси

 

 

 

изогнутого

стерж ня...........................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

§ 12. Решение

дифференциального уравнения с

помощью системы

 

§ 13.

фундаментальных

ф ункц ий ............................................

 

 

 

 

 

55

 

Метод начальных

парам етров......................................

на

и з г и б

 

62

 

§

14.

Жесткость

и отпорность

стержня

..............

66

 

§

15.

Жесткость

и

отпорность

стержня

на

с ж а т и е ..........

69

 

Г л а в а

4. Устойчивость

стержня

в

плоскости

и з г и б а ..........

75

 

§

16. Отклонения

деформируемой

конструкции

от

состояния рав­

 

§

17.

новесия : : : :

...............................................................

 

 

 

стержня

 

 

75

77

Устойчивость

сжато-изогнутого

в плоскости изгиба

§

18. Приближенные

методы

расчета

на

устойчивость

сжатых

 

§

19.

стерж ней...............................................................................

 

 

 

 

 

 

внецентренно-сжатых

81

85

Упрощенный метод расчета

стержней

§ 20. Сравнение

результатов

расчета

с

экспериментальными дан­

88

 

 

ными

..................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г л а в а

5. Пространственная устойчивость

сжато-изогнутого стержня

90

§ 21.

Степень

разработки .........................................................

 

 

 

 

 

устойчивость

90

91

§ 22.

Пространственное

деформирование и

стержня

§ 23.

Огибающая критических сил. Результаты испытаний

. . . .

94

§ 24.

О пространственных формах потери

устойчивости

стержней

95

§ 25. Приближенный

 

способ

проверки

пространственной устойчи­

 

 

 

вости колонн

каркасных

зданий ...................................

 

 

 

97

 

Г л а в а

6. Закритическая

стадия

работы

сжато-изогнутого

стержня

99

205

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стр.

§ 26. Отпорность

на

сжатие

 

различных

 

стерж н ей ........................

 

 

99

§ 27. Стержень

в

статически

 

неопределимой си стем е ...................

 

101

§ 28. Результаты статических испытании Т-образных

рам . . . .

106-

§ 29. Догружающие

системы

или

системы

с отрицательной

отпор-

ПО

 

н о с т ы о

........................................

 

 

 

 

 

 

 

.....................................................

 

 

 

 

 

 

Г л а в а

7. Несущая

способность

 

материала,

сечения, стержня,

конст­

113

рукции

................................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 30. Несущая

способность

м атери ала................................................

 

 

 

 

 

113

§ 31. Несущая

 

способность

сечения....................................................

 

 

 

 

 

 

115

§ 32. Несущая

способность

стерж н я .....................................................

 

 

 

 

 

 

116

§ 33. Несущая способность конструкции................................................

 

 

 

 

 

117

§ 34. Характерное

перемещение..............................................................

 

состоянии

 

 

 

118

§ 35.

Расчетные

 

критерии

предельных

 

 

 

120

Г л а в а

8. Критерии

устойчивости........................................

 

 

 

 

 

 

 

122

§ 36.

Основные

 

полож ения.....................................................................

 

 

 

 

 

 

систем . .

122

§ 37.

Естественная

форма

деформированиянелинейных

125

§ 38.

Стержень, искривляющийсяS-образно...................................

 

по высшей

129

§ 39. Конструкции,

принудительно

деформирующиеся

135

 

ф о р м е .................................................................................................

 

 

 

 

 

 

исследования

 

стержней,

деформирую­

§ 40. Экспериментальные

 

138

§ 41.

щихся

 

S-образно............................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Критерии

 

устойчивости

 

 

 

 

 

 

 

 

140

Г л а в а

9. Расчет

рам . . .............................................................................

141

§ 42. Применяемые методы ................................................................

 

общую устойчивость

 

 

141

§ 43. Расчет

 

упругих

рам

на

 

 

 

145

§ 44. Общий

 

метод

расчета

р а м ..............................................................

р а м

 

 

 

 

148

§ 45. Результаты

 

расчетов

 

стальных

...........................................

 

 

 

153

§ 46.

Результаты

 

расчетов

 

П-образных ......................................

р а м

 

 

 

154

§ 47.

Результаты

 

расчетов

 

двухпролетных .................................

 

р а м

 

 

 

158

Г л а в а

10. Расчет рам на устойчивость...............................................

 

 

 

 

 

160

§ 48.

Особые

случаи

деформирования .......................

конструкции

 

 

160

§ 49. Устойчивость

рам

в

плоскости

изгиба

при стационарных уси­

162

 

лиях

в

 

стерж нях............................................................................

 

на

устойчивость

 

 

 

§ 50. Общий

метод

расчета

 

 

 

164

§ 51. Устойчивость

плоской

формы

изгиба

 

стержней, рамы . . .

165

§ 52.

Местная устойчивость элементов тонкостенных

стержней . .

167

Г л а в а

11. Повторные

нагружения...................................... .....................

 

 

 

 

'

 

 

169

§ 53. Условия

работы

реальных конструкций . . .

.

. ' . . . .

169

§ 54. Приспособляемость

сечения

стержня.

Общие

теоремы

при­

169

§ 55.

способляемости

....................................

 

 

сечений

при

повторных

нагружениях

Прочность

 

различных

172'

§ 56. Устойчивость

сжато-изогнутого

стержня при повторных на­

175

 

гружениях

 

........................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г л а в а

12. Расчетные

сочетания .............................................

нагрузок

 

 

 

 

 

177

§ 57. Необходимость, разработки методики

 

назначения

расчетных

177

 

сочетаний

нагрузок . . . . .........................................................

§ 58. Критерий характерного перемещения................................. ....

 

 

 

.

178

§ 59.

Метод

 

ориентированного ...................................................

гр а ф а

 

 

 

 

 

 

180

Г л а в а

13. Расчет нелинейно-деформируемых стержневых

систем . .

182

§ 60.

Метод

 

конечных

элементов........................................................

 

 

 

 

 

 

 

182

§ 61.

Расчет

 

плоских рам

 

со

..............................................

стенками

 

 

 

 

 

184

206

 

 

 

 

 

 

Стр.

§ 62.

Расчет

пространственных

к а р к а с о в

..........................................

190

§ 63.

Расчет

пространственных

покрытий

..........................................

193

Г л а в а

14. Оптимизация

ко н стр у к ц и и .........................................................

 

196

§ 64.

Имеющиеся м е то д ы .......................................................................

 

 

196

§ 65.

Метод

поэтапной

оптимизации....................................................

 

198

Заклю чение...........................................................................................................

 

 

 

 

201

Список

литературы..............................................................

 

..........................

'

203

!

f

I

цнииск

Анатолий Владимирович Геммерлинг, д-р техн. наук, проф.

Расчет стержневых систем

Редактор издательства Л . И . К р у г л о в а Технические редакторы В. М. Р о д и о н о в а , И. В. П а н о в а

Корректор Е. А. С т е п а н о в а

Сдано в набор 4.VI 1973 г. Подписано к .печати 17.IX 1973 г. Формат 60Х90'/іб. Бумага типографская № 3. 13,0 печ. л. (уч.-нзд. 13,0 л.) Тираж 8000 экз. Изд. № И ѴІІІ-3323.

Зак. № 456. Дена 87 коп.

Стройиздат 103777, Москва, Кузнецкий мост, д. 9

Владимирская типография Союзполнграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.

 

 

О ПЕ Ч А Т К И

Страница

Строка

Напечатано

20

10-я снизу

d'2* = - r* V

 

 

 

 

& Oy " Гу ^2 г»

65

2-я сверху

{ k i i i -

85

10-я сверху

отпорностен на изгиб

Следует читать

d r2x — — т~х dk.ly

dfoу гу ^^'2х *

( kt и - k t D d l

критических сил

Зак. 456

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ