Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Большепролетные конструкции

Экспериментальное исследование мембранного покрытия


Экспериментальное исследование мембранного покрытия

В связи с уникальностью пространственного большепролетного покрытия универсального стадиона кроме аналитического расчета проводились исследования работы конструкции на моделях.

Задачами исследования являлись:
-- экспериментальная проверка характера работы мембранного покрытия в форме эллиптического параболоида под нагрузкой, в особенности неравномерной;
-- расчет модели покрытия с определением усилий, деформаций и перемещений в основных элементах модели покрытия при различных схемах загружения и их анализ;
-- проверка правильности принятых теоретических предпосылок и допущений и оценка точности результатов численного расчета покрытия сравнением их с данными эксперимента;
-- выявление влияния изгибной жесткости радиальных ребер на работу покрытия.

Чтобы выявить общий характер работы системы под нагрузкой в упругой стадии, была изготовлена модель покрытия в масштабе 1 : 150 с основным размером 1,3x1,6 м. Модель состояла из опорного контура, мембраны и постамента. Опорный контур эллиптического очертания в плане выполнялся с малой изгибной жесткостью в горизонтальной плоскости для того, чтобы легче было выявить характер и относительные деформации опорного контура при разных видах загружения.

Испытания модели показали высокую несущую способность покрытия в форме эллиптического параболоида на действие статических нагрузок, а также подтвердили положение о том, что нагрузка, равномерно распределенная по покрытию, является определяющей как по вертикальным перемещениям мембраны, так и по деформациям опорного контура.

Для более глубокого экспериментального исследования была изготовлена модель покрытия в масштабе 1:65 с основным размером в плане 2,8X3,43 м и стрелкой провиса 19 см (рис. 1). Модель была выполнена с соблюдением полного геометрического подобия. Габаритные размеры и жесткостные характеристики основных элементов, нагрузки на модель назначались на основе теории размерностей, исходя из критериальных условий. Для определения усилий и перемещений в натурной конструкции по результатам эксперимента были получены масштабные коэффициенты.



Рис. 1. Экспериментальное испытание модели мембранного покрытия


Модель состояла из мембраны покрытия, подкрепленной ребрами, центральной плиты, наружного опорного контура, колонн и постамента.

Модель испытывалась в упругой стадии на статические нагрузки. При испытаниях измерялись относительные деформации мембраны, радиальных ребер, наружного опорного контура и стоек. Кроме того, измерялись вертикальные перемещения мембранной оболочки, горизонтальные перемещения опорного кольца и центральной плиты.

Испытания проводились по четырем схемам загружения: на нагрузку, равномерно распределенную по всей поверхности покрытия (I схема), на нагрузку с плавно увеличивающейся интенсивностью к центру покрытия (II схема) и на неравномерные нагрузки с максимальной интенсивностью в трети соответственно длинной и короткой осей сооружения (III и IV схемы).

Чтобы выявить зависимость напряженно-деформированного состояния покрытия от жесткости радиальных ребер, испытания по всем четырем схемам загружения проводились при двух вариантах конструкции радиальных ребер.

Экспериментальные данные по тензометрии модели оболочки, записанные на перфоленту, обрабатывались на ЭВМ с помощью специальной программы, разработанной в ЦНИИСКе.

Экспериментальные исследования модели покрытия показали следующие результаты.

При первых двух схемах загружения (осесимметричных) максимальный прогиб был в центре покрытия. В схемах одностороннего загружения (III и IV) максимальные прогибы были со стороны, где интенсивность нагрузки большая — на расстоянии примерно 1/7 радиуса от центра покрытия. Наиболее невыгодной, с точки зрения максимальных прогибов, оказалась IV схема одностороннего загружения с осью симметрии по короткой оси сооружения. Для этой схемы нагрузки со стороны незагруженной часта покрытия наблюдалось даже .поднятие оболочки. Максимальный прогиб от односторонней нагрузки (IV схема) на 18% превышал соответствующий прогиб от осесимметричной нагрузки (II схема).

Увеличение жесткости ребер не привело к какому-либо существенному изменению характера распределения и значений прогибов, в том числе и при неравновесных схемах загружения.

Радиальные напряжения незначительно изменялись вдоль радиуса оболочки, достигая своего максимума в большинстве случаев примерно в четверти пролета. Такой характер распределения напряжений зависит, с одной стороны, от геометрии покрытия (меридиан очерчен по кривой, занимающей промежуточное положение между квадратной и кубической параболами), а, с другой стороны, от изменения продольной жесткости оболочки вдоль радиуса. Нахлестка отдельных лепестков друг на друга и радиальные ребра по мере приближения к центру покрытия увеличивают продольную жесткость оболочки. Радиальные напряжения (растягивающие по всей поверхности оболочки) вдоль длинной оси сооружения превышали соответствующие значения напряжений вдоль короткой оси. При осесимметричных схемах загружения это превышение составило 55—75 %. При односторонних вариантах загружения под более нагруженной частью покрытия напряжения были на 35—55% больше, чем напряжения на противоположной стороне.

Максимальные радиальные напряжения для каждой из схем загружения модели покрытия отличались незначительно (до 20 %). Максимальные радиальные напряжения оказались при III схеме нагрузки.

Касательные напряжения были примерно одинаковыми по всей поверхности мембраны и мало зависели от схемы загружения. Они были в 3—4 раза меньше радиальных и кольцевых напряжений. Это свидетельствует о том, что траектории главных напряжений в мембранной оболочке близки к линиям главных кривизн оболочки.



Рис. 2. Эпюры радиальных а и кольцевых б напряжений в модели мембраны для II варианта загружени


Экспериментальные исследования модели оболочки с увеличенной жесткостью радиальных ребер не показали качественного изменения напряженно-деформированного состояния мембранного покрытия. Однако напряжения в мембране в этом случае уменьшились в среднем на 25 %.

Сжимающие усилия в наружном опорном контуре при осесим-метричных схемах загружения (I и II варианты) оказались большими у короткой оси сооружения, чем усилия у длинной оси. При односторонних схемах загружения (III и IV варианты) максимальные сжимающие усилия в контуре были со стороны более загруженной части покрытия. Нормальные усилия в контуре модели оболочки с увеличенной жесткостью радиальных ребер при всех схемах загружения оказались меньше, чем усилия в варианте с меньшей жесткостью радиальных ребер. Максимальные сжимающие усилия в контуре были отмечены при IV схеме загружения модели оболочки. Эпюры изгибающих моментов в горизонтальной плоскости опорного контура имеют пилообразный характер с переломами в местах опирания на колонны и сопряжений с радиальными ребрами. Изменение моментов вдоль контура (эпюра осредненных изгибающих моментов) указывает на то, что они вызваны не только местными деформациями, обусловленными сосредоточенными упругоподатливыми связями в местах сопряжений контура с колоннами, но и общей деформацией оси контура — изменением ее первоначальной кривизны. Это четко видно на эпюрах перемещений контура покрытия в своей плоскости в радиальном направлении.

Изгибающий момент в наружном опорном контуре оказался максимальным при II схеме загружения. Влияние жесткости радиальных ребер на изгибающие моменты, а также распределение их и радиальных перемещений наружного опорного контура в своей плоскости оказались незначительными (до 10%). Сжимающие усилия в колоннах при всех схемах загружения были больше в колоннах, расположенных у длинной оси сооружения. При осесимметричных схемах загружения (I и II варианты) это превышение составило примерно 30 % Для случая с повышенной жесткостью радиальных ребер и 45 % для случая с меньшей жесткостью радиальных ребер. При односторонних схемах загружения большие сжимающие усилия в колоннах были со стороны более загруженной части покрытия. Сжимающее усилие в колоннах оказалось максимальным при I схеме загружения.

Были исследованы также наиболее ответственные узлы конструкции, в частности узел примыкания мембраны к опорному контуру.

Натурные образцы узла испытывались на растяжение с изгибом, равным изгибу приконтурной зоны мембраны вследствие изменения угла наклона касательной к поверхности оболочки при ее загружении. Для учета влияния повторно-переменных нагрузок, вследствие загружения пролетной конструкции временной снеговой нагрузкой, испытания образцов проводились при переменных усилиях, равных соответствующим усилиям в мембране. Каждый образец испытывали при 300 циклах нагружения, после чего узел доводился до разрушения.

При испытании на повторно-переменные нагрузки никаких повреждений (трещин), характерных для усталостного разрушения основного металла, сварного шва и болтовых соединений, обнаружено не было. Минимальное разрывное усилие на образен составило 960 кН, что соответствует 3200 кН/м, при максимальном цепном усилии в месте примыкания мембраны к опорному контуру 640 кН/м. Таким образом, узел примыкания мембраны к наружному опорному контуру имеет пятикратный запас прочности.



Похожие статьи:
Рекомендации из опыта проектирования и строительства большепролетных сооружении Олимпиады-80 в Москве

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Большепролетные конструкции

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум