книги из ГПНТБ / Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование)

Транспортно-отвальные мосты и от14Х2ГМР, 14ГСМФР,

14валообразователи. Основные тяжело12Г2СМФ, нагруженные элементы ферм и опор­ 15ХГ2СМФР ных конструкций; С70/60—С85/75

Гусеничные и шагающие экскаваторы. 14Х2ГМР, 12Г2СМФ,

15Тяжелонагруженные элементы несу­ 15ХГ2СМФР щих металлоконструкций; С70/60— С85/75

16Мосты для автотранспорта; С46/33— 15ХНД. 10ХСНД, 15Г2АФДпс, С70/60 16Г2АФ, 14Х2ГМР

П р и м е ч а н и е . Запись (г. т.) означает применение горячекатаной пли термообработанной стали. Характер термообработки определяется соответст­ вующими ГОСТ или ТУ.

Вподкрановых балках пролетом 6—12 м рекомендуется при­ менение стали класса С46/33. При выполнении подкрановых ба­ лок из двух классов в поясах можно применять стали класса С60/45, а в стенке С38/23. Деформативность сечения может быть снижена устройством строительного подъема. В этом случае об­ ласть рационального применения балок, особенно для пролетов 18—36 'м расширяется. В табл. IV. 7 приведена область рацио­ нального применения сплошных подкрановых балок в зависи­ мости от класса стали, пролета и грузоподъемности крана.

Впромышленных зданиях колонны крайних рядов, выполнен­ ные полностью из сталей повышенной и высокой прочности, мо­ гут применяться при кранах грузоподъемностью 50 т и выше, шаге 12 м и более. Колонны крайних рядов из двух классов

сталей: подкрановая — из высокопрочной стали класса С70/60, а надкрановая — из СтЗ или низколегированной — рекомендует-

П4

ся применять при кранах грузоподъемностью 20 тн выше и шаге 12 м и более. Применение в колоннах крайних рядов стали клас­ са С70/60 рационально при шаге 18—24 м.

Колонны средних рядов из высокопрочных сталей класса С60/45 рекомендуются при кранах грузоподъемностью 30 г и выше, шаге 6 м и более. Колонны средних рядов из двух клас­ сов сталей эффективны при кранах грузоподъемностью 20 т и - выше, шаге 6—12 м и больше.

Применение в колоннах сталей класса С70/60 рационально при больших нагрузках и шаге 12-—24 м; С70/60 + С38/23, С70/60+ + С46/33 — под краны грузоподъемностью 50 и более тонн.

Следует иметь ввиду, что практическое применение фасонной термически упрочненной стали (в частности, уголков) классов С60/45 и выше пока еще ограничивается возможностью получе­ ния термически упрочненного проката. Указанное в известной мере относится также к гнутосварным профилям из высокопроч­ ного металла. Таким образом, в настоящее.время наиболее ре­ альным в фермах следует считать применение высокопрочных сталей для трубчатых элементов. Для сварных элементов из листов использование высокопрочного проката не ограничива­ ется.

В табл. IV. 8 приводятся сооружения и конструкции с общими рекомендациями по выбору сталей повышенной и высокой проч­ ности для их основных элементов [29, 31, 40, 41, 42, 43, 44]. На­ копление опыта применения сталей высокой прочности позволит расширить область их применения, увеличит количество реко­ мендуемых марок и даст возможность более точно и обосновано подбирать сталь для конкретной конструкции.

8*

Г л а в а V

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕЙ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

ВСТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ

§21. Башенные конструкции

Развитие радиосвязи, телевидения, энергетики и промышлен­ ности требует создания башен и опор большой высоты. Затраты металла на башенные сооружения велики. Вес строительных ме­ таллоконструкций одной телевизионной опоры высотой 300— 400 м исчисляется тысячами тонн. Аналогичны затраты металла и на высокие дымовые трубы. Таким образом, успешное решение проблемы снижения металлоемкости и стоимости башенных опор представляет важную народно-хозяйственную задачу, которая в значительной мере может быть решена прежде всего за счет широкого использования высокопрочных сталей. Главным при этом является применение систем конструкций, -позволяющих максимально снижать гибкости основных сжатых элементов и как минимум до 30—40.

В башенных сооружениях высокопрочные стали применяются пока мало. Первая телевизионная опора (по проекту ГПИ Укрпроектстальконструкция) с использованием стали высокой проч­ ности сооружена в Киеве (рис. V. 1) и представляет собой цельносварную башню высотой 375,103 м со стволом в виде восьмигранной решетчатой призмы. Ниже отметки 72,0 призма­ тический ствол переходит в расширяющуюся базу и образует четыре ноги, с разносом точек опирания «а фундаменты по окружности с диаметром 90 м. Выше отметки 239,425 решетчатая часть башни уступом переходит в антенный ствол— ступенча­ тый сплошностенчатый цилиндр с нижним диаметром 4,0 и верх­ ним 0,72 м.

Начиная с отметки 239,425 м и до низа башни антенный ствол, сохраняя диаметр 4,0 м, служит для размещения лифтов, лест­ ницы и фидерных линий. На отметках башни 75,075 и 190,210 расположены помещения для размещения технологического обо­ рудования. Оба помещения для уменьшения ветровой нагрузки запроектированы круглыми в плане: нижнее — в виде цилиндра, верхнее — в виде усеченного конуса.

Вся решетчатая часть башни выполнена из трубчатых элемен­ тов, в которых для наиболее нагруженных стержней (пояса до отметки 201,26) применена высокопрочная сталь класса С70/60 марки 14ХГН2МД, для остальных — сталь 20.-Антенный цилинд­ рический ствол осуществлен из листовой стали ВСтЗсп.

Сварные трубы из высокопрочной стали 14ХГН2МД для поясов башни приняты диаметром 550 мм с толщиной стенок 22 и 28 мм

116

и воспринимают максимальные расчетные

А=41,2. В ногах опорной базы сжимающие усилия составляют 5 = —398' т.

Изготовление труб осуществлялось на Ждановском заводе тяжелого машинострое­ ния и является одним из первых опытов из-, готовления сварных труб из высокопрочной стали для строительных металлоконструк­ ций.

Стыки трубчатых поясов из стали 14ХГН2МД сваривались встык на подклад­ ках с предварительным подогревом до тем­ пературы 150—160°С (рис. V. 2). Все мон­ тажные стыки также сваривались. После механической обработки усиления шва и рентгенографии производилась термообра­ ботка стыка — низкий отпуск при нагреве до 400°С в течение часа. Элементы решетки приваривались к поясам впритык без фасонок. Такое выполнение узлов башни являет­ ся наиболее прогрессивным и максимально уменьшает концентрацию напряжений. При помощи фасонок решались только примыка­ ния радиальных стержней диафрагм, креп­ ления площадок под оборудование и конст­ рукции технологических помещений.

Полный расход стали на сооружение со­ ставил 2239 т, из них трубчатых элементов из высокопрочной стали 673 т, или 33%; из стали 20 — 777,2 т.■

117

Вкачестве другого примера применения высокопрочных сталей

ввысоких башенных конструкциях можно привести проект под­ держивающего каркаса башни трубы Углегорской ГРЭС по про­ екту ГПИ Укрпроектстальконструкция. Опора представляет со­ бой свободно стоящую решетчатую башню высотой 291,0 м, к которой на отметке 281,0 м подвешены три газоотводящих ство­ ла диаметром 7,8 м и высотой 320 м каждый (рис. V. 3).

Несущие конструкции башни имеют форму шестигранной призмы, вписанной в плане в окружность диаметром 32 м.

Призматичёская часть жестко защемлена в основании и под­ держивается на отметке 101,0 только от горизонтальных переме­ щений разнесенной базой с тремя опорными ногами. Точки опирания ног в плане на фундаменты расположены по окружности диаметром 100 м.

Все элементы металлической конструкции башни выполнены

из трубчатых профилей.

Для наиболее напряженных участков поясов призматической части до отметки 181,0 использовалась сталь высокой прочности класса СбО/45 марки 16Г2АФ. Остальные участи поясов призма­ тической части и пояса базы выполнены из низколегированной стали повышенной прочности марки 09Г2С класса С46/33. Для элементов решетки (распорок и раскосов) приняты стали 09Г2С и ВСтЗопб. Распределение сталей по основным элементам кон­ струкции дано на рис. V. 3, б.

Основными несущими элементами башни являются пояса, максимальные расчетные сжимающие усилия в которых состав­ ляют 2970 т (между отметками 61,0 и 131,0). Сечение поясов при­ нято трубчатое, диаметром 1220 мм, толщины труб в зависи­ мости от величины расчетных усилий изменяются в пределах от 26 мм в наиболее нагруженных участках до 18 мм в менее на­ груженных. В верхней части башни от отметки 181,0 используют­ ся трубы также диаметром 1220 мм, но из низколегированной стали 09Г2С толщиной от 16 до 12 мм. Использование для всех участков поясов одного диаметра труб с варьированием в зави­ симости от величины расчетных усилий только толщинами сте­ нок является оправданным, так как упрощает осуществление как заводских, так и монтажных стыков. Расчетные длины сжатых элементов поясов призматической части, башни одинаковы — 10000 мм. Гибкость наиболее нагруженных участков равна X— =23,4; коэффициент продольного изгиба при стали класса С60/45 ф=0,94. Таким образом, использование прочностных свойств принятой высокопрочной стали в основных сжатых эле­ ментах высокое.

Пояса базы изготовлены из труб диаметром 1820 мм с толщи­ ной стенок 20 мм. Расчетное сжимающее усилие в поясах базы составляет S = —2050 т. Сталь принята 09Г2С. Применение в поясах базы стали класса С46/33 взамен высокопрочной объясня­ ется значительной расчетной длиной поясов и высокой гибкостью,

119

при которой эффективность использования высокопрочного ме­ талла значительно снижается. Этим же и объясняется приме­ нение для поясов труб такого большого диаметра — 1820 мм.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что в данной кон­ струкции оказалось эффективным применение трех марок ста­ лей: высокопрочной класса С60/45, низколегированной класса С46/33 и углеродистой класса С38/23.

Общие затраты стали на это сооружение составили 3315 т, в том числе количество высокопрочной стали 16Г2АФ — 719 т, или 22,1%.

§ 22. Применение высокопрочных сталей в мостах

Имеющийся практический опыт использования в мостостро­ ении высокопрочных сталей показывает возможность получения ощутимой экономии в затратах металла и уменьшения собствен­ ного веса пролетных строений, который занимает существенную часть общего комплекса действующих на мост нагрузок. Однако широкое применение сталей высокой прочности в мостовых кон­ струкциях осложняется, во-первых, сравнительно низкой уста­ лостной прочностью высокопрочного металла, и во-вторых, слож­ ностью обеспечения необходимой жесткости и устойчивости как отдельных элементов конструкции, так и сооружения в целом при выполнении их из высокопрочных сталей.

Так как мосты представляют собой сооружения, испытываю­ щие систематические переменные нагрузки, то вопрос о выборе марки высокопрочной стали с наиболее высокими значениями усталостной прочности и создание конструкций с минимальными концентраторами напряжений стоит очень остро.

Соблюдение нормированных в мостостроении относительных прогибов пролетных строений (в соответствии со СН 200—62 максимальные прогибы пролетов для железнодорожных мостов 1/800 I, для городских и автородорожных мостов на дорогах I, II, III и IV категорий — 1/400 I) в балочных мостах средних и больших пролетов неизбежно влечет перерасход металла главных балок и снижение эффективности использования высокопрочных сталей. В зарубежной практике нормированные прогибы мостов допускаются несколько большие, в связи с чем и эффективность применения таких сталей повышается.

Внашей стране стали высокой прочности в мостостроении пока еще широкого применения не нашли. Тем не менее в качестве примеров можно привести три строящихся мостовых перехода: через реку Смотрич в Каменец-Подольоке, через реку Старый Днепр в Запорожье и Северный мост через Днепр в Киеве.

Впервом случае русло реки перекрывается стальным рамным трехпролетным строёнием общей длиной 178,8 м (рңс. V. 4). Га­ барит моста Г-14, расчетные нагрузки: автомобильная Н-30 и

колесная НК-80.

120

Металлическое пролетное строение представляет собой две трехпролетные (балки (средний пролет 76, боковые 51,35 м), поддерживаемые жестко соединенными с ними наклонными нога­ ми. Расстояние между опорами ног 148,84 м. В пролетном стро­ ении предусмотрено использование трех марок сталей — высоко­ прочной 14Х2ГМР класса С70/60 для наиболее напряженных участков нижнего пояса главных балок, повышенной прочности марки 14Г2 класса С46/33— для все прочих ответственных эле­ ментов и углеродистой стали класса С38/23 марок ВМСтЗоп и ВМСтЗпс — для вспомогательных.

Главные балки выполнены коробчатого сечения с расстоянием между осями 8300 мм и имеют переменную высоту по длине от 3300 мм на средних до 1700 мм на крайних опорах и в середине среднего пролета.. Ширина главных балок принята 2000 мм и постоянна по всей длине моста. Нижние пояса главных балок, выполненные из стали 14Х2ГМР, имеют переменную' толщину по длине, изменяющуюся от 28 мм в местах сопряжения с на­ клонными ногами до 12 мм в средней части. Все прочие элементы главных балок, в том числе вертикальные стенки, выполнены из стали 14Г2. Таким образом, в рассматриваемой конструкции мы имеем дело с бистальными балками — в нижней их части, д значит, и с появлением при первом загружении пластических деформаций в нижней части стенок.

В продольном направлении нижние .пояса главных балок под­ креплены ребрами из полос переменного сечения по длине, изме­ няющегося от 200X14 до 180X12 мм.

Помимо этого, главные балки укрепляются поперечными диа­ фрагмами из листов толщиной 10 мм, устанавливаемых через 4,0 м в местах крепления поперечных балок ортотропной плиты (рис. V. 5). Толщина стенок главных балок изменяется в пре­ делах 12—16 мм.

Проезжая часть решена в виде стальной ортотропной плиты — (сталь 14Г2), подкрепленной в продольном направлении ребрами трапецеидального сечения с шагом 550 мм.

Большая жесткость коробчатых главных балок на кручение позволила отказаться как от вертикальных, так и горизонтальных связей, ограничившись устройством только вертикальных связей между опорами.

Все заводские и монтажные соединения элементов выполнены на сварке.

В рассматриваемом мостовом переходе использование высоко­ прочной стали 14Х2ГМР является опытным и поэтому ее при­ менение ограничено и составляет всего 90 т.

В строящемся автодорожном мосте через Старый Днепр в Запорожье (по проекту ЦНИИПпроектстальконструкции) пред­ усматривается значительно большее количество высокопрочной стали. Весь мостовой переход длиной 320,0 м разбивается на две эстакады — левобережная четырехпролетная длиной 51,2 м и

122