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

Мост через реку'Уиски находится в штате Калифорния. В нем приняты три марки сталей'; высокопрочная Т-1, А-373 и А-242. Высокопрочная сталь была принята в поясах главных балок, имеющих высоту стенки 3660 мм, в местах наибольших напряже­ ний, т. е. в средней зоне главного пролета. На этом участке тол­ щина поясов из стали Т-1 составляет 50 мм. Если бы на этом

Рис. V. 14. Схема пролетного строения Ныо-Олбанского моста:

1 — в ы со ко п р о ч н ая с т а л ь Т -І; I I — с т а л и о бы чн ой и п о вы ш ен н ой п роч н ости .

участке пояса балки были изготовлены из стали А-242, то их толщина составила бы 115 мм, а при применении стали А-373 — 145 мм.. Таким образом, использование высокопрочной стали Т-І взамен углеродистой позволило снизить толщину поясов главных балок почти втрое [50].

Ныо-Олбанский мост — это двухъярусное сооружение, состоя­ щее из двух арочных пролетов длиной, по 244 м каждый. Постро­ ен с применением высокопрочной стали Т-1 и N-A-XTPA-100, низколегированной стали А-242 и малоуглеродистых сталей А-7 и А-373 (рис. V. 14).

Мост в Калифорнии — ферменный, балочный, построен с при­ менением трех марок стали—высокопрочной Т-1, низколегиро­ ванной А-242 и углеродистой А-373. Мост трехпролетный, с раз-

Рнс. V. 15. Схема пролетного строения ферменного моста в Калифорнии:

I — в ы с о к о п р о ч н ая с т а л ь Т -1; Ц — с т а л и о б ы чн ой и п о вы ш ен н о й п р оч н ости .

бивкой на пролеты длиной 125,5+336,0+125,5 м. Схема моста консольная (крайние пролеты имеют консоли, на которые опира­ ются подвесное пролетное строение главного пролета). Высоко-

133

■прочная сталь применялась в наиболее нагруженных элементах (рис.V. 15) [49].

Мост через пролив Карквинец — сквозной, балочный, общая длина 980 м, разбит на четыре, пролета. При строительстве при­ менены три марки стали: высокопрочная Т-1, низколегированная А-242 и малоуглеродистая А-373. Общие затраты металла со-

Рнс. V. 16. Схема главной фермы моста через пролив Карквинец:

/ — в ы с о к о п р о ч н ая с т а л ь Т-1; //„ — ст ал и о бы чн ой н п о вы ш ен н о й п роч н ости .

ставляют 13340 т. Распределение затрат металла по маркам ста­

стали Т-1 позволило сэкономить на этом мосте около 3000 т низколегированной стали А-242 (рнс. V. 16) [51, 52].

Около тг'Манрое (Вашингтон) осуществлен балочный мост через реку Снохомиш с применением высокопрочной стали SSS-100, что позволило получить значительную экономию метал­ ла по сравнению с вариантом моста при использовании обычных малоуглеродистых сталей. Сталь SSS-100 имеет повышенную коррозионную стойкость, поэтому эксплуатационные расходы по мосту значительно снизились.

Резервуары для хранения нефтепродуктов и воды. Для строи- - тельства резервуаров применяются стали с сгт = 45—90 кг/мм2.

Во многих резервуарах применяется сталь Т-1 с o’=63 кг/мм2. Сталь Т-1А использована для строительства цилиндрического резервуара емкостью 42,8 тыс. м3 диаметром 45,5 м и высотой 26 м в Фолл-Ривер (штат Массачесет, США); резервуара ем­ костью 56,8 тыс. м3 диаметром 83 м и высотой 11 м в Сан-Джоуз (штат Калифорния); цилиндрического резервуара в Ныо-Бран- суике диаметром 23,5 м и высотой 38 м (рис. V. 17) [55]. В по­ следнем случае использование стали Т-1А дало возможность уменьшить толщину листов в нижней части резервуара с 52 до 22 мм, а в верхней — вместо листов толщиной 16 мм из мало­ углеродистой стали применить листы 6,3 мм из стали Т-1А. При этом экономия стоимости составила около 20%-. Сталь Т-1А применялась в США также при изготовлении емкостей для воды.

Из стали Т-1 в Японии были сооружены сферические резерву­ ары диаметром 33,7 м и объемом 19500 м3 каждый. В этих ре­ зервуарах толщина оболочки была принята 19,5 мм вместо 50 лш

134

I' л а в а VI

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕЙ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ В СТРОИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

За последние годы в ряде научно-исследовательских, проект­ ных и производственных организаций были проведены работы по опытному использованию высокопрочных сталей в металлических конструкциях сооружений и технологического оборудования гор­ ной промышленности*. В этих конструкциях впервые были при­ менены новые отечественные высокопрочные стали класса С70/60 марок 14Х2ГМР и 14ХМ.НДФР. Сталь 14ХМНДРФ вследствие наличия в ней никеля и меди при одинаковых механических ха­ рактеристиках оказалась дороже стали 14Х2ГМР. Поэтому в качестве основной марки была принята сталь 14Х2ГМР.

Высокопрочные стали применяются еще редко, а поэтому лю­ бой опыт их использования представляет большой интерес. В связи с этим ниже, помимо строительных металлоконструкций, приводятся конструкции горного технологического оборудования, в которых использование высокопрочных сталей оказалось весьма эффективным и дало возможность изучить работу этих сталей под нагрузкой [62].

§26. Применение высокопрочных сталей

вметаллических крепях угольных шахт

Механизированные крепи для очистных работ. При создании горношахтного оборудования, предназначенного для работы в подземных условиях, помимо экономии металла, очень важно со­ кратить вес конструкций. В первую очередь это относится к ме­ ханизированным крепям для угольных лав, требующих значи­ тельных затрат стали.

Механизированные шахтные крепи для лав состоят из гидрав­ лических стоек с опорными плитами и сварных перекрытий (рис. VI. 1). Облегчение гидравлических стоек за счет изменения типов сталей малоперспективно. Перекрытия крепей представ­ ляют собой массовые сильно нагруженные сварные балочные конструкции. Затраты стали на этот вид конструкций исчисля-

* Работы в основном выполнялись в институте электросварки им. Е. О. Па­ тона АН УРСР, на-кафедре металлических и деревянных конструкций Киев­ ского инженерно-строительного института, в институтах Южгипрошахт. Гипроуглемаш и Укрпроектстальконструкция, на Уралмаше, Дружковском ма­ шиностроительном заводе и др.

136

ются десятками тысяч тони в год. Поэтому применение в них сталей наибольшей прочности оправдано.

Для применения сталей высокой прочности был принят как опытный комплекс механизированной крепи М-87Д, в перекры­ тиях которого была использована сталь марок 14Х2ГМР и 14ХМНДФР. Экспериментальные работы проводились в Инсти- -

Рис. VI. 1. Шахтная механизированная крепь:

туте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР с участием ин­ ститута Гипроуглемаш под руководством автора.

Перекрытия М-87Д представляют собой широкие сварные четырехстенчатые коробчатые балки малой высоты, воспринимаю­ щие значительные нагрузки от горного давления.

Вес перекрытия из стали 10Г2С1 при серийном изготовлении составляет 470 кг. Исследования показали, что при применении сталей классов прочности от С70/60 до С100/90 вес перекрытий можно уменьшить до 2,5 раз.

Общие размеры облегченного перекрытия М-87 из стали 14Х2ГМР, эквивалентного по прочности серийному перекрытию М-87Д, представлены на рис. VI. 2, где в скобках для сравнения даны также размеры и толщины элементов серийного перекры­ тия М-87Д из стали І0Г2С1. Применение стали 14Х2ГМР сокра­ тило вес листового металла с 368 до 210 кг, т. е. на 43%, а вес перекрытия целиком с учетом закладных частей, которые были оставлены без изменений, с 470 до 312 кг, т. е. на 33% [63].

В связи с резким уменьшением толщины ребер, и особенно го­ ризонтальных листов, в Институте электросварки им. Е. О. Па­ тона в лабораторных условиях были проведены эксперимен­ тальные исследования перекрытий из стали 14ХМНДФР и 14Х2ГМР в натуральную величину на стенде. Необходимо было определить напряженное состояние, качество сварных соедине­ ний, несущую способность, деформативность, испытать перекры­ тия на кручение, местное продавливание горизонтальных листов, продавливаиие переднего и заднего опорных башмаков, а так­ же определить общую разрушающую нагрузку.

137

Экспериментальные исследования показали хорошее совпаде­ ние теоретических и практических результатов (прогибов и полей напряжений), позволили получить для некоторых видов загружений предельные нагрузки, определение которых теоретически представляет некоторые затруднения (кручение, продавливание

установили надежность работы конструкции.

В результате снижения металлоемкости перекрытий, примене­ ния тонкого листового проката и сварных швов малой толщины общие трудозатраты на изготовление снизились в среднем на 17%. Кроме того, расход сварочных материалов и электроэнер­ гии значительно уменьшился *.

Более 600 штук облегченных перекрытий, установленных на шахтах Донбасса (на шахте № 1 «Центральная» и «Краснолиманская», № 3 и 17—18 РККА, на шахте им. 50-летия Октября, впервые дали возможность практически оценить высокие каче­ ства стали 14Х2ГМР и надежность перекрытий во время эксплуа­ тации.

Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, опыта изготовления и эксплуатации позволяют считать, что вопрос о возможности и целесообразности примене­ ния новых высокопрочных сталей в перекрытиях механизирован­ ных крепей в принципе решен и эти стали должны найти широкое применение в подобных конструкциях.

Металлические арочные крепи для подготовительных и капи­ тальных выработок. На современных угольных и рудных шахтах все чаще применяются металлические крепи для капитальных

* Данные Дружковского машиностроительного завода.

138

иподготовительных выработок. В угольной промышленности наиболее часто пользуются стальной податливой арочной крепью, представляющей собой раму из двух стоек и дугообразного верхняка (рис. VI. 3). В зависимости от горного давления стойки

иверхняки выполняются из взаимозаменяемых желобчатых спец-

Рис. VI 3. Арочная стальная податливая крепь горных выработок угольных и рудных шахт:

/ — ст о й к а; 2 — д у г о о б р а зн ы й в ер х н я к ; 3 — со е д и н и т ел ь н ы е ск о б ки и п л а н ­ ки ; 4 — сечен и е ар о ч н о й кр еп и .

профилей пяти типоразмеров: СВП-14, СВП-17, СВП-І9, СВП-22, СВП-27. Цифры в обозначении профиля показывают вес одного погонного метра профиля в кг.

Соединение стоек с верхняком осуществляется при помощи скоб и планок. Податливость крепи производится за счет проскаль­ зывания одного звена в другом и может регулироваться натя­ жением скоб. Материалом спецпрофилей в основном служит

Вес одной рамы из спецпрофиля с крепежными деталями со­ ставляет 170—34СГ7сг. Так как протяженность горных выработок на угольных и рудных шахтах, крепление которых должно осу­ ществляться металлической арочной крепью, исчисляется мно­ гими сотнями километров, то потребность в спецпрофилях только •по угольной промышленности определяется сотнями тысяч тонн стали в год.

Таким образом, изыскание эффективных путей создания сталь­ ной крепи для капитальных и подготовительных выработок шахт, способной выдержать значительные нагрузки горного давления, при минимальных затратах металла остается весьма актуаль­ ной задачей. Решение ее должно идти в основном по пути при­ менения более прочного металла. Весьма перспективным в связи

139

с этим является использование для изготовления спецпрофилей новых термически упрочненных сталей высокой прочности. В этом направлении исследования ведутся рядом организаций (ДоиУГИ, Днепропетровский институт черной металлургии и др.). Ниже •приводятся некоторые результаты работ кафедры металлических

дельных элементов спецпрофиля и ее влияния на общую несу­ щую способность арки из высокопрочного металла.

Результаты определения общей несущей способности арок из профиля СВП-22 для горной выработки площадью 12,5 м2 пред­ ставлены на рис. VI. 4. Как видно, несущая способность такой крепи при загружении одной сосредоточенной силой составляет 23,11 т и в среднем превышает несущую способность аналогич­ ных арок из стали Ст5 в 1,9 раза. '

Подводя итоги по первому этапу исследований и опытному из­ готовлению арочной крепи из спецпрофилей, прокатанных из высокопрочной стали 14Х2ГМР и прошедших термообработку, можно вделать вывод, что применение в арочной крепи высоко­ прочной стали классов С70/60 и выше является весьма эффектив­ ным и сможет почти вдвое снизить расход металла, при этом важным является выбор наиболее дешевых марок сталей и опти­ мальных режимов термообработки.

Можно предположить, что наибольшая экономия металла в арочных крепях от применения высокопрочных сталей будет до­ стигнута при использовании более тяжелых спецпрофилей про­

* Первые три арки были испытаны в ДоиУГИ.

140

ката. Перспективным, по-видимому, окажется использование сталей высокой прочности в арочных крепях глубоких шахт.

Практическое применение высокопрочной стали осуществлено на шахте «Молодогвардейская» комбината Краснодонуголь в Донбассе, где на одном из участков горной выработки уста­ новлена арочная крепь из стали 14Х2ГМР. В настоящее время ведутся работы по изысканию более дешевых высокопрочных сталей для арочных крепей, в том числе и для рудных шахт Кривбасса.

§ 27. Стальные цилиндрические бункера-питатели угольных гидрошахт

На угольной гидрошахте «Новодонецкая» комбината Красноармейскуголь в Донбассе была применена высокопрочная сталь 14Х2ГМР для изготовления двух камер бункер-питателя, распо­ ложенного на глубине 300 м. Камеры находятся в системе гидро­ подъема угля из шахты на обогатительную фабрику. Емкость каждой камеры 125 м3, рабочее давление пульпы 52 ата, при возможных гидроударах в 100 ата.

Такие камеры обычно выполнялись из железобетона с внутреиней оболочкой из стали 20 толщиной 14 мм. Однако при эксплуа­ тации вследствие образования трещин в оболочке камеры вы­ ходили из строя. Для обеспечения надежности при эксплуатации было решено выполнить оболочку камер из высокопрочной стали 14Х2ГМР толщиной 45 мм. Предполагалось, что все нагрузки от внутреннего давления пульпы будут восприниматься только стальной оболочкой, без учета железобетонного массива, в ко­ тором она помещена (обычно при расчете таких камер учиты­ вается совместная работа оболочки и железобетонного массива). Конструкция камеры из стали 14Х2ГМР представляет собой цилиндрический резервуар диаметром .3,0 м и высотой 14,4 м со сферическими днищами, к которым подходят подающие и сливные трубы пульповодов. Резервуар сваривается из обечаек (всего 41) высотой по 1150 мм, каждая из которых в свою оче­ редь сваривается из двух полуколец. Общий вес листовой стали 14Х2ГМР одной камеры 57 т. В настоящее время намечено из­ готовление третьей камеры. бункер-питателя на упомянутой шахте.

*■

§28. Эффективность применения высокопрочных сталей

иновые системы металлических копров

для угольных и рудных шахт

Надшахтные копры являются одной из наиболее ответственных строительных конструкций на поверхности угольных и рудных шахт. Их параметры различны и зависят от вида подъема, про­ изводительности шахты, глубины ствола и принятой технологии діа поверхности.

141

В настоящее время на шахтах горнодобывающей промышлен­ ности применяется два типа копров: для одноканатных подъе­ мов— с подъемными машинами на уровне земли и для много­ канатных — с подъемными машинами непосредственно на копрах. В первом случае копры применяются укосные, во вто­ ром—башенные. На современных глубоких шахтах большой про­ изводительности в основном применяются башенные надшахтные копры, представляющие собой крупные инженерные сооружения высотой до 100—120 м.

Копры для одноканатных подъемов по конструкции проще, их высоты и воспринимаемые нагрузки меньше, чем у башенных копров (обычно высота копра 30—50 м). Материалом для несу­ щих конструкций башенных копров служит как сталь, так и же­ лезобетон; укосные копры для одноканатных подъемов в основ­ ном изготовляются металлическими.

Башенные копры для многоканатных подъемов. Наиболее рас­ пространены в СССР и за рубежом призматические башенные копры. Отечественные скиповые башенные копры имеют размеры в плане 18X18 или 18X24 м, клетьевые^— 18X18 м. Высота ба­ шен принимается 90—ПО м для скиповых и 40—50 м для клетьевых копров (угольных шахт). Помимо призматических, как в Советском Союзе, так' и за рубежом применяются железобетон­ ные цилиндрические башенные копры, возводимые в подвижной опалубке, а также трехопорные (шахта им. XXII Партсъезда комбината Кадиевуголь, проект института Южгипрошахт) и шатровые башенные копры по проектам института Днепрогипрошахт. В угольной промышленности башенные копры в основном изготавливаются из железобетона. В железорудной промышлен­ ности предпочтение отдается стальным копрам.

В настоящее время основные научные направления создания прогрессивных конструкций башенных копров для многоканат­ ных подъемов могут быть сформулированы следующим образом: переход от железобетонных несущих конструкций на стальные с широким использованием сталей повышенной и высокой проч­ ности; вовлечение в работу на основные нагрузки ограждающих конструкций; применение при стальных несущих каркасах легких и огнестойких стеновых панелей. ' '

Стальные призматические копры каркасной системы. Исследог вание эффективности применения сталей высокой прочности в каркасах призматических башенных копров и разработка реаль­ ных проектов копров с использованием указанных сталей осу­ ществлялись Укрпроѳктстальконструкцией, кафедрой металличе­ ских и деревянных конструкций КИСИ и др. Исследования пока­ зали, что наиболее металлоемкими элементами стальных башен­ ных копров являются колонны и балки перекрытий, составля­ ющие около 80% общих затрат стали на копер.

Основными сжатыми элементами являются мощные тяжело нагруженные колонны с расчетными усилиями 800—2000 т и

142