В ПОМОЩЬ ПРОЕКТИРОВЩИКУ
УДК 624.072.22:621.874
Напряженно-деформированное состояние узлов
подкраново-подстропильных ферм
Константин Иванович ЕРЕМИН, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО НИУ «Московский государственный строительный университет», 129337 Москва, Ярославское ш., 26,
e-mail: moscow@weld.su
Степан Николаевич ШУЛЬГА, начальник отдела экспертизы зданий и сооружений
ОАО «Магнитогорский Гипромез», 455044 Магнитогорск, просп. Ленина, 68, e-mail: kornel22@list.ru
Аннотация. Приведены данные об изучении фактического напряженно-деформированного состояния узлов.
Проведен анализ материала в зонах наиболее вероятного разрушения подкраново-подстропильных ферм (ППФ),
сопоставлены полученные значения тензометрии и результатов обследований с расчетными данными.
Перечислены факторы, определяющие безопасную эксплуатацию ППФ.
Ключевые слова: подкраново-подстропильная ферма, обследование, напряженно-деформированное состояние.
STRESSED-STRAINED STATE OF CRANE-RAFTER TRUSSES JOINTS
Konstantin I. EREMIN, Stepan N. SHULGA
Abstract. Data on the study of actual stressed-strained state of joints are presented. An analysis of the material in zones of the most
possible destruction of crane-rafter trusses (CRT) is conducted; the obtained values of tensometry and results of the inspection
are compared with the design data. Factors determining the safe operation of CRT are enumerated.
Key words: crane-rafter truss, inspection, stressed-strained state.
© ЕРЕМИН К. И., ШУЛЬГА С. Н., 2012
Накопленные с годами результа-
ты наблюдений за техническим
состоянием подкраново-подстро-
пильных ферм (ППФ) позволяют
сейчас судить об эффективности
принятых инженерных решений в
проектировании ППФ. Выявленные
повреждения и дефекты, а также
современные методы диагностиро-
вания и программно-вычислитель-
ные комплексы дают представление
о фактическом напряженно-дефор-
мированном состоянии конструкции
ППФ.
До настоящего времени в конст-
рукции ППФ недостаточно изучена
работа узлов сопряжения решетки с
нижним поясом. Подтверждение
этому — возникновение трещин в зо-
не сопряжения прорезных фасонок
с верхним поясом и опорной диа-
фрагмой по сварному шву и около-
шовной зоне уже в первые годы
[1, 2] эксплуатации этих конструк-
ций (рис. 1). Длина таких трещин
достигает порой размеров, равных
длине самого сварного шва, и их ус-
транение является трудоемким про-
цессом.
При проектировании ППФ руко-
водствуются методикой, разрабо-
танной ЦНИИПСК им. Мельникова,
а также СНиП 11-23-81* «Стальные
конструкции» (пп. 13.29—13.35).
Недостатки используемых мето-
дов расчета еще в 1980-х гг. отметил
в своих исследованиях Б. Б. Лампси
[3]. Так, при расчете ППФ на верти-
кальную нагрузку от четырех кранов
(по два крана наибольшей грузо-
подъемности в каждом пролете) и
на поперечную горизонтальную на-
грузку от двух кранов в элементах
определяли:
•	осевые усилия — по шарнирной
схеме;
Рис. 1. Схемы расположения дефектов в узле сопряжения прорезных
фасонок со стенкой и верхним поясом коробчатого нижнего пояса ППФ
на опоре (а) и в месте примыкания стойки (6)
•	момент и поперечную силу в ниж-
нем поясе от вертикальной нагрузки
— как в балке на упругоподатливых
опорах.
Такой подход, казалось бы, упро-
щает задачу расчета, так как обес-
печивает минимальную статическую
неопределимость системы. Однако
анализ проектов и реализованных
конструкций показал, что узловые
соединения как в примыкании ре-
шетки к ездовым поясам, так и в ос-
52
ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО 7/2012
В ПОМОЩЬ ПРОЕКТИРОВЩИКУ
тальных узлах обладают значитель-
ной изгибной жесткостью в плоско-
сти системы.
Нижний пояс ППФ представляет
собой тонкостенный стержень пере-
менной толщины замкнутого короб-
чатого сечения (табл. 1), который
работает на растяжение, изгиб в
двух плоскостях и стесненное круче-
ние. Такие элементы рассчитывали в
соответствии с общей теорией тон-
костенных стержней. При определе-
нии крутящих воздействий и момен-
та от горизонтальных поперечных
сил жесткость решетки не учитыва-
ли, и нижний пояс рассматривали
как тонкостенный стержень с дли-
ной, равной пролету фермы.
В действительности же горизон-
тальные линейные смещения и угло-
вые смещения этого пояса неизбеж-
но вовлекают в работу элементы ре-
шетки. Последние испытывают при
этом изгиб из плоскости системы и
кручение, оказывая, в свою очередь,
поддерживающее влияние на ездо-
вой пояс, уменьшая его смещения и
соответственно усилия и напряже-
ния.
Кроме того, было отмечено, что
имеется острая необходимость в
разработке методов учета концент-
рации напряжений в конструкциях
различного вида, и в первую оче-
редь воспринимающих значитель-
ные локальные нагрузки.
Так, имеющие ездовые пояса в
виде тонкостенных стержней короб-
чатого сечения ППФ попадают под
требования п.13 СНиП 11-23-81*, ко-
торый предписывает учет местных
напряжений, но на практике отсутст-
вуют достаточно точные теоретичес-
кие расчетные методы определения
этих напряжений.
В настоящее время эту задачу
можно решить пространственным
расчетом, выполненным в программ-
но-вычислительных комплексах типа
SCAD или ANSYS. Преимущество
пространственного расчета заклю-
чается в том, что имеется возмож-
ность получить объемную картину
полей напряжения и деформаций
опорных узлов и сопоставить эту ин-
формацию с существующими на се-
годняшний день исследованиями
фактического напряженно-дефор-
мированного состояния.
Основной метод исследования
1. Геометрические характеристики коробчатого сечения нижнего
пояса ППФ
Место расположения					Характеристики сечения	Характеристики стали (по результатам анализов отобранных проб)
1. В	межопор 	я	 -2390 x 25/» . 	L		ной части -3400 х25 Т -3400 х16		А = 2589 см2 Wy = 234533 см3 Wz = 236178 см3 !у = 25420809 см4 /z= 39870731 см4	09Г2С ст = 345 МПа св = 516 МПа V = 73,6 % 6 = 30,2 %
2. В о		порном у 	и	 \2390х40х'Ж _ /		зле -3400 х25 Т -3400 Х28 /	А = 3714 см2 Wy= 355187 см3 Wz = 297357 см3 /у = 35369228 см4 4 = 60381816 см4	14Г2АФ-12 ст = 520 МПа св = 700 МПа V = 73,6 % 6 = 30,2 %
фактического напряженно-дефор-
мированного состояния — тензомет-
рические измерения, к косвенным
можно отнести метод магнитной па-
мяти металла.
Для определения степени досто-
верности прочностного расчета ППФ,
выполненного в программно-вычис-
лительном комплексе SCAD, прове-
ден сопоставительный анализ полу-
ченных расчетных результатов на-
пряженно-деформированного состо-
яния с результатами уже известных
тензометрических замеров опорных
узлов ППФ, данные о которых взяты
из монографии [4].
С этой целью методом конечных
элементов-пластин была задана
пространственная расчетная схема
ППФ треугольного очертания с треу-
гольной решеткой и дополнительны-
ми стойками решетки, расположен-
ная в отделении непрерывной раз-
ливки стали кислородно-конвертер-
ного цеха ОАО «ММК». Раскосы и
стойки решетки ферм — составного
двутаврового сечения. Нижний пояс
— неразрезная балка коробчатого
сечения размером 3400x2431 мм,
длиной 193,5 м, пролет балок между
опорами — 24 м.
На ППФ действует комплекс по-
стоянных, кратковременных и осо-
бых нагрузок. Так, основной посто-
янной нагрузкой является, прежде
всего, нагрузка от собственной мас-
сы строительных конструкций. Для
здания ячейкой 30x24 м с кранами
грузоподъемностью 500 т собствен-
ная масса ППФ складывается из
массы нижнего пояса (около 80 т) в
одном пролете (24 м), раскосов и
стоек, общая масса которых в сред-
нем в одном пролете достигает 28 т.
Собственная масса покрытия со-
стоит из массы стропильных ферм,
площадок обслуживания светильни-
ков, связей и металлических щитов
покрытия, конструкций фонарей,
нормативные нагрузки которых при
пролете цеха 30 м составляют: стро-
пильных ферм и связей — 0,54 кПа;
щитов покрытия — 0,7 кПа; фонарей
— 0,28 кПа.
К особым нагрузкам, действую-
щим на подкраново-подстропильные
фермы, относятся:
•	нагрузка от пыли, которую необ-
ходимо учитывать в уровне верха по-
крытия (принимается 0,5 кПа) и на
элементах самой ППФ. Практика по-
казывает, что на подкраново-под-
стропильной ферме не предусмот-
рены специальные устройства по за-
щите и отчистке ее от пыли. Внутри и
на верхней поверхности коробчато-
го нижнего пояса ППФ при продол-
жительной эксплуатации (около 20
лет) накапливаются значительные
отложения производственной пыли
— от 0,2 м (внутри и снаружи) до
1,5 м (в отсеках с открытым вход-
ным люком). При плотности пыли
-800 кг/м3 распределенная норма-
тивная нагрузка может достигать
1,6 кПа и более;
•	температурные воздействия. Вли-
яние повышенных температур на
ППФ незначительно. Максимальная
температура нагрева ППФ при теп-
ловыделении из ковшей с открытым
зеркалом расплавленного металла
зафиксирована в осях расположе-
ния сталеплавильных агрегатов и со-
7/2012 ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
53
В ПОМОЩЬ ПРОЕКТИРОВЩИКУ
2. Характеристики мостовых кранов
Параметр	Кран № 1	Кран № 2
Грузоподъемность 0, т	500+100/20т	125/20т
Режим работы крана	7К	7К
Нагрузка на колесо F^BX, кН	Р1 = 670, Р2 = 693	РЗ = 283,5, Р4 = 294,5
Масса тележки GT, т	172,4	50,43
Масса крана с тележкой G, т	582,9	143,75
Ширина крана Вкр, м	19,48	11,56
Колесная база крана К, м	9,75	7
ставляет 64—80 °C (в зоне располо-
жения конвертеров и машин непре-
рывной разливки стали). Макси-
мальный температурный перепад
по всей длине ППФ составляет до
125 °C (с учетом охлаждения край-
них пролетов ППФ в зимний период
времени до —35 °C).
Основная временная нагрузка,
действующая на ППФ, — крановая
нагрузка. Грузоподъемность кранов
в кислородно-конвертерных цехах
достигает 500 т, режим работы кра-
нов — тяжелый (7К) и весьма тяже-
лый (8К).
Характеристики мостовых кранов
исследуемой ППФ приведены в
табл. 2. Расположение крановой
нагрузки представлено на рис. 2 и 3.
По результатам тензометрии мак-
симальные напряжения в опорном
узле ППФ (рис. 4, узел 3) выявлены
при двустороннем загружении фер-
мы крановой нагрузкой в зоне со-
пряжения верхней полки с опорной
диафрагмой. Размах напряжений в
этой зоне составляет До = 454,5...
469,6 МПа (0,9от). Также наиболее
нагруженной зоной является зона
сопряжения приопорного ребра с
поясами и самой стенкой, размах
главных напряжений в этой зоне со-
ставляет До = 224,9—266,1 МПа
(0,51от).
Прочностный расчет, выполнен-
ный в программно-вычислительном
комплексе SCAD (критерий Губера
— Мизеса), показал следующие мак-
симальные эквивалентные напряже-
ния для положений крановой на-
грузки (см. рис. 4):
•	№ 1 — в зоне сопряжения прорез-
ной фасонки с опорной диафраг-
мой узла 2 крайнего пролета ППФ
oZ=0,86oT;
•	№ 2 — в зоне сопряжения опорно-
го ребра со стенкой и нижней пол-
кой узла 3	= 0,38от (в положе-
нии № 4 ст’*® = 0,56от);
•	№ 3 — в зоне сопряжения прорез-
ной фасонки с опорной диафраг-
мой узла 1 крайнего пролета ППФ
о-вх=0,82от;
•	№ 4 — в зоне сопряжения про-
резной фасонки с верхней пол-
кой узла 3 крайнего пролета ППФ
nZ=0,8o.
Экспериментальные значения на-
пряжений в зонах возможных и вы-
явленных усталостных повреждений
в опорных частях ППФ превышают
теоретические (расчетные) в поло-
Рис. 2. Схема расположения кранов в цехе (а) и на ППФ при максимальном сближении кранов (б)
30S36
54
ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО 7/2012
В ПОМОЩЬ ПРОЕКТИРОВЩИКУ
Рис. 3. Схема положений крановой нагрузки
Рис. 4. Общий вид пространственной расчетной схемы ППФ
(метод конечных элементов-пластин)
жении крановой нагрузки № 4 на
12 % и более. При этом макси-
мальные эквивалентные напряже-
ния, полученные прочностным рас-
четом в зоне сопряжения стенки с
верхней полкой ППФ, соответствуют
о’кавх = 150,7 МПа (0,43от) (в край-
них пролетах ППФ при положении
крановой нагрузки № 1), что в 2
раза ниже напряжений, полученных
расчетом в узлах сопряжения ре-
шетки с нижним поясом ППФ.
Выводы
1. Современные вычислительные
комплексы позволяют наиболее тех-
нологично решать инженерные за-
дачи по проектированию и выпол-
нять поверочные расчеты таких сло-
жных сооружений, как ППФ.
2. Расчет, выполняемый с помо-
щью построения пространственной
расчетной схемы методом конечных
элементов-пластин на современных
вычислительных комплексах, позво-
ляет учесть:
•	совместное влияние изгибающих и
крутящих моментов, вовлекающих в
работу все элементы ППФ;
•	реалистичную жесткость узловых
соединений и выполнить расчет без
снижения статической неопредели-
мости за счет шарнирности узлов;
•	физическую нелинейность дефор-
мированной схемы;
•	расчет неразрезной ППФ или ППФ
в виде ригелей рам зданий с доста-
точной точностью расчета в сравне-
нии с фактическим уровнем напря-
жений.
3.	Результат решения перечис-
ленного комплекса задач, расчет ко-
торых ранее был в значительной
степени приближенным и приводил
к значительным погрешностям, стал
с большей точностью сопоставим с
фактическими значениями напря-
женно-деформированного состоя-
ния ППФ.
4.	Полученные расчетом значения
напряженно-деформированного со-
стояния тем не менее ниже экспери-
ментальных значений.
5.	Наличие большого количества
трещиноподобных повреждений уже
после нескольких лет эксплуатации,
а также их распределение свиде-
тельствуют о том, что до сих пор не-
достаточно изучен вопрос о вынос-
ливости ППФ.
Выносливость цельных элементов
(стенки, полки, диафрагмы и др.) су-
щественно выше, чем выносливость
узловых соединений этих элемен-
тов. Определяющим фактором для
безопасной эксплуатации ППФ явля-
ется расчет не только на прочность,
но и на выносливость зон сопряже-
ния:
•	стенки нижнего пояса с полкой;
•	прорезных фасонок с верхней
полкой и опорной диафрагмой
ППФ;
•	приопорного ребра с нижней пол-
кой и стенкой.
Расчет выносливости всех отме-
ченных зон ППФ позволит снизить
затраты на обслуживание как са-
мих ферм, так и, возможно, всего
каркаса.
ЛИТЕРАТУРА
1.	О состоянии подкрановых конст-
рукций корпуса конвертерного
производства ОАО «Северосталь»
/ В. Н. Артюхов, Е. А. Щербаков,
В. М. Горицкий, Г. Р. Шнейдеров
// Промышленное и гражданс-
кое строительство. 2001. № 6.
С. 31-34.
2.	Романов М. В. Напряженно-де-
формированное состояние опор-
ных частей подкраново-подстро-
пильных ферм : дис. ... канд. техн,
наук. Магнитогорский государст-
венный технический университет
им. Т. И. Носова. Магнитогорск,
2002. 166 с.
3.	Лампси Б. Б. Оценка влияния осо-
бенностей конструкции и нагрузки
на напряженное состояние и проч-
ность ездовых поясов систем типа
подкраново-подстропильных ферм
: дис. ... канд. техн. наук. Горьков-
ский инженерно-строительный ин-
ститут им. В. П. Чкалова. Горький,
1983. 220 с.
4.	Еремин К. И. Предотвращение
разрушений строительных конст-
рукций. Изучение напряженно-де-
формированного состояния ППФ
ККЦ ОАО «ММК» / Магнитогор-
ский государственный технический
университет им. Т. И. Носова. Маг-
нитогорск, 2004. С. 109—115.
5.	Оценка напряженно-деформиро-
ванного состояния продольных
сварных стыковых соединений ко-
робчатого пролетного строения
методом магнитной памяти метал-
ла / В. М. Горицкий, А. В. Малань-
ин, О. В. Горицкий, Г. М. Плесков
/ / Промышленное и граждан-
ское строительство. 2011. № 6.
С. 33-37- 
7/2012 ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
55