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

. гибкостями в пределах 30—50. Вес таких колони составляет около 30% общего веса всех сжатых элементов и применение в них высокопрочных сталей вследствие малых гибкостей является перспективным. Применение высокопрочных сталей в изгибае­ мых элементах несколько менее эффективно вследствие регла­

то реальная экономия металла в башенных копрах против конструкций из стали СтЗ может со­ ставлять 20—25% [66].

Применение высокопрочных сталей в колоннах наиболее эф­ фективно при больших усилиях и использовании коробчатых сечений. Так, при усилиях более 800 тгибкость таких колонн при расчетной длине 4—8 м оказывается малой и равна 20—40, а коэффициенты продольного изгиба (ф) наоборот высокими — 0,94—0,80. При Н-образном сечении и указанных выше расчетных параметрах гибкость составляет 30—60, а коэффициенты про­ дольного изгиба 0,89—0,61. Таким образом, экономия металла в- колоннах при применении стали класса С70/60 и квадратных се­ чений по сравнению с традиционными решениями и использова­ нием стали класса С38/23 может составлять 40—50% (рис. VI. 5).

Эффективность применения стали высокой прочности в башен­ ных копрахбыла иследована на примере копра шахты «Капи­ тальная» комбината Воркутауголь (проект института Укрпроектстальконструкция). Указанный копер каркасной системы име­ ет высоту 81,6 м, размеры в плане 18,0Х 18,0 м, шаг колонн 6,0 м, связи крестовой системы, расположенные по всему периметру башни. Высота междуэтажных,перекрытий составляет 3,6—7,0 м (кроме машзалов). Шахтных подъемов три, подъемные машины расположены в двух машинных залах на отметках 60,70 и 67,20. Проект копра предусматривает применение двух марок сталей:

143.

низколегированной повышенной прочности класса С46/33 марки 10Г2С1 и углеродистой класса С38/23 марки ВСтЗ.

Изучалась возможность и эффективность частичного примене­ ния в колоннах и наиболее напруженных балках высокопрочной стали класса С70/60. Исследование показало, что в колоннах за­ траты металла по сравнению со сталью класса С46/33 (10Г2С1) сокращаются «а 33—41%, а по сравнению со сталью класса С38/23 — на 45—52 %■ При этом клонны внутреннего ряда и угловые колонны наружного каркаса должны приниматься ко­ робчатого сечения, а рядовые колонны наружного контура с раз­ личными расчетными длинами в двух взаимно перпендикуляр­ ных плоскостях — Н-образного.

В делом по копру частичное использование стали класса С70/60 позволяет снизить общие затраты металла на 20—23%, или на 200—240 т.

В качестве примера практического применения сталей высокой прочности в каркасных башенных копрах можно назвать проект копра для подземного рудника Соколовско-Сарбайского горнообогатительного комбината, разработанный институтом Укрпроектстальконструкция. Система указанного копра призматическая, каркасная, высота копра 95,35 м, сечение в плане 21,0X21,0 м, количество подъемов два, машзалов для размещения подъемных машин два (рис. VI. 6). Колонны каркаса башни копра, воспри­ нимающие все основные нагрузки, расположены с шагом 6,0 и 9,0 м. Высоты этажей 4,1—7,0 м. Связи, обеспечивающие гори­ зонтальную жесткость всей башни, выполнены раскосной и по­ лураскосной системы и расположены по всему периметру башни.

Сечение колонн традиционное, Н-образное, сварное из листов. В рассматриваемом проекте копра использованы четыре марки сталей: одна высокопрочная класса С70/60 марки 14Х2ГМР (для наиболее нагруженных колонн), две низколегированные повы­ шенной прочности класса С46/33 марок 14Г2 и 10Г2С1 и одна углеродистая обычной прочности класса С38/23 марки ВСтЗ.

Затрачено металла: высокопрочной стали класса С70/60 — 241,6 т, или 13,3%; низколегированной класса С46/33 — 751,70 т, или 41,4%; углеродистой класса С38/23 — 824,0 т, или 45,3%.

Обобщая изложеное, можно считать, что применение сталей высокой прочности в башенных копрах каркасной системы явля­ ется целесообразным и позволит снизить затраты металла на этот вид сооружений. В дальнейшем следует направить исследования на изыскания более эффективных систем каркасных копров, а также на замену тяжелых железобетонных ограждающих кон­ струкций на более легкие. При выборе высокопрочных сталей желательно ориентироваться на более дешевые марки, что в особенности относится к сталям класса С70/60, стоимость кото­ рых пока еще высока (например на сталь 12Г2СМФ вместо 14Х2ГМР). Достаточно рациональным окажется и применение стали класса С60/45, например марок 16Г2АФ, 15Г2СФ.

144

ѳ © © ®

Рис. VI. 6. Башенный копер' подземного рудника Соколовско-Сарбаіі- ского горнообогатительного комбината:

Стальные цилиндрические копры. Поиски новых конструктив­ ных форм башенных копров, наилучшим образом отвечающих работе высокопрочных сталей и позволяющих совместить в одной конструкции несущие и ограждающие функции, привели к со­ зданию принципиально новой конструкции — стальных цилиндри­ ческих башенных копров *. Башня — основная несущая конструк­ ция этих копров — представляет собой стальную цилиндрическую оболочку, подкрепленную для повышения критических папря-

Рис. VI. 7. Стальной цилиндрический1башенный копер для южного вен­ тиляционного ствола Запорожского железорудного комбината № 1:

/ — п о м ещ ен и е м а ш з а л а ; 2 — ц и л и н д р и ч е с к а я о б о л о ч к а; 3 — п о м ещ ен и е п о д обо*, р у д о в д н н е; 4 — л ест н и ц ы ; 5 — у ст ье ст в о л а ш ах ты .

жений системой кольцевых и меридиональных ребер, которая одновременно выполняет и ограждающие функции [67].

Основная часть копра — оболочка башни — может быть вы­ полнена из стали ВСтЗ, а также из сталей повышенной и высо­ кой прочности. В том и другом случаях затраты металла, объем железобетона и стоимость сооружения значительно сокращаются против копров каркасных систем.

* Система предложена автором.

146

На рис. VI. 7 приведена конструкция стальных цилиндриче­ ских башенных копров для многоканатного подъема высотой 33 м, сооруженных на Южном и на Северном вентиляционных стволах Запорожского железорудного комбината № 1 *. В обо­ их копрах вследствие новизны конструкции в качестве материа­ ла оболочки башни была принята сталь ВСтЗпс.

Конструкция копра состоит из двух основных частей: цилиндри­ ческой башни и прямоугольной в плане надстройки, в которой размещается машинный зал многоканатной машины. Башня копра представляет собой цилиндрическую оболочку диаметром 6,5 м из листовой стали толщиной 6= 8 мм, состоящую из от­ дельных колец высотой 2,0 м (за малым исключением), укреплен­ ных по торцам фланцами из листовой стали. С внутренней сто­ роны каждое кольцо подкрепляется одним дополнительным горизонтальным ребром, а также вертикальными ребрами, обе­ спечивающими необходимую местную устойчивость стенки коль­ ца. Башенный копер с несущей конструкцией в виде тонкостен­ ной цилиндрической оболочки обладает значительно меньшим весом, объемом железобетона и общей стоимостью, а затраты металла в нем даже несколько ниже затрат стали в железобе­ тонном варианте.

Применение в оболочке высокопрочной стали взамен стали ВСтЗ оказывается рациональным только при условии создания конструкции, обеспечивающей наиболее полное использование несущей способности высокопрочного материала. Исходя из это­ го, требованиям наименьшего веса будет отвечать такая оболоч­ ка, в которой критические напряжения потери устойчивости должны быть максимально приближены к пределу текучести ма­ териала.

Наиболее полно соответствовать указанному условию будет оболочка с частным расположением продольных ребер — стрин­ геров и редкими кольцевыми — шпангоутами.

Проектные проработки такого вида оболочек для высоких мно­ гоподъемных башенных копров для мощных шахт Донбасса по­ зволили разработать конструкцию стального цилиндрического копра высотой 119 м** (рис. VI. 8). Нижняя часть башни копра до отметки 71,60 представляет собой цилиндрическую тонкостен­ ную оболочку диаметром 10 м и толщиной’ 6= 6ч-8 мм, верхняя, выше отметки 71,60 ж — каркасно-решетчатую восьмигранную конструкцию, в которой на трех этажах размещаются подъемные машины и другое оборудование. Материалом как цилиндрической оболочки — башни, так и всех остальных ответственных элемен­

тов служит сталь класса С70/60 (марки 14Х2ГМР или 12Г2СМФ)

[ 68] .

*Проект института УкрнНИИпроект.

**Работы проводились кафедрой металлических, и деревянных конструк­ ций КИСИ и институтом Южгипрошахт.

Сравнивая технико-экономические показатели стального ци­ линдрического копра с показателями ряда аналогичных осуще­ ствленных конструкций копров, в том числе со стальным башен­ ным копром ствола № 3 им. XXII съезда КПСС в Донбассе, являющимся примером экономического решения стальных ба­ шенныя копров, видим следующее:

затраты металла по сравнению с расходом стали в железобетон­ ных копрах составляют около 70%, а по сравнению с металличе­ скими — 35—45%;

Рис. VI. 8. Стальной цилиндрический башенный ко­ пер высотой 119 м:

I — п о м ещ ен и е м а ш за л о в ; 2 — ц и л и н д р и ч е с к а я о б о л о ч к а ; 3 — л и ф т и л е с т н и ч н а я к л е т к а ; 4 —-зд а н и е п р и ем ки у г л я ; 5 — о п орн ы й п о р т ал ; 6 — п ри ем д л я за в о д к и п о д ъ е м н ы х со су д о в .

затраты железрбетона меньше, чем в железобетонных кон­ струкциях в 18—22 раза, и в 4,5—7 раз меньше, чем в метал­ лических;

вес надземной части сооружения меньше в 8—10 раз, чем в же­ лезобетонных копрах, и меньше в 4 раза, чем в стальных;

148

общая стоимость строительства меньше в 1,2—1,4 раза, чем железобетонных, и в 1,5—1,8 раза меньше, чем металлических башенных копров традиционных систем (надземной части).

Приведенные данные свидетельствуют о большой эффектив­ ности как цилиндрической системы стальных копров, так и при­ менения в них сталей высокой прочности. Однако изготовление таких оболочек из высокопрочной стали представляет известные трудности и этот вопрос подлежит еще более детальному изу­ чению.

Снижение веса копров для одноканатных подъемов при ча­ стичном применении высокопрочных сталей будет составлять 15— 25%, количество используемой высокопрочной стали 12—18%. Сталь высокой прочности в надшахтных копрах для одноканат­ ных подъемов можно рекомендовать при наличии двух или трех подъемов, при разрывных усилиях свыше 100 г и высоте копра более 35 м. В остальных случаях использование высокопрочной стали в такого вида сооружениях является малоэффективным. Изготавливать из высокопрочных сталей следует только наиболее нагруженные элементы головок и основные элементы укосин.

§ 29. Общие направления использования сталей высокой прочности в оборудовании для угольных и рудных карьеров

К числу металлических конструкций, применяемых в горной промышленности, следует также отнести несущие конструкции тяжелого горнотранспортного оборудования для открытых гор­ ных работ: экскаваторов, отвалообразователей и транспортноотвальных мостов. Параметры и вес этого оборудования велики, затраты сталей на их несущие металлические конструкции зна­ чительны и для крупных, высокопроизводительных машин исчи­ сляются сотнями и тысячами тонн.

Одним из эффективных способов совершенствования несущих металлических конструкций горнотранспортного оборудования является применение новых сталей высокой прочности. Ниже приводятся некоторые примеры практического их использования, а также результаты проведенных исследований и проектных проработок [69].

Применение высокопрочных сталей в несущих конструкциях экскаваторов. В технологических металлических конструкциях, применяемых в современном машиностроении, помимо их облег­ чения, одной из главных задач является повышение надежности

идолговечности конструкций при эксплуатации.

Всвязи с этим в течение ряда лет Уралмашзаводом, Институ­ том электросварки им. Е. О. Патона АН УССР и ЦНИИЧМ им. Бардина проводилась работа по исследованию, освоению и опробованию в тяжело нагруженных элементах конструкций гу-' сеничных и шагающих экскаваторов высокопрочной стали марок

149

14ХМНДФР и 14Х2ГМР. Ооновной целью применения указанных сталей было не облегчение вес?, а увеличение надежности и сро­ ка службы машин при эксплуатации в тяжелых условиях север­ ных районов страны [26].

Так, в цехах Уралмашзавода из указанных сталей были изго­ товлены балки рукоятей и стрелы к серийному экскаватору ЭКГ-4,6, ковши 'емкостью 15 м3 к шатающему экскаватору ЭШ-15/90, а также ковши емкостью 4,6 м3 для экскаватора ЭКГ-4,6. Балки и стрелы изготавливались "по серийным чертежам, без уменьшения веса.

У экскаваторов ЭКГ-4,6 балки, изготовленные из рядовых низколегированных сталей, обычно выходят из строя через 6—10 месяцев. Эксплуатация экскаваторов ЭКГ-4,6 на комбинате Ураласбест с балками из сталей 14ХМНДФР и 14Х2ГМР показа­ ла, что срок службы таких балок в несколько раз превышает срок эксплуатации балок из обычных сталей. В связи с этим Уралмашзавод изготовил Норильскому горнометаллургическому комбинату комплект стрел из указанных сталей для экскаваторов ЭКГ-4,6. На Енакиевском и Дружковском карьерах Донецкой области и в Североуральске эксплуатируются экскаваторные ковши с литыми задними стенками из стали 14Х2ГМР. При про­ ектировании сверхмощного экскаватора ЭШ-80/100 также при­ менялась сталь 14Х2ГМР.

Широкое применение высокопрочных сталей в узлах тяжелых экскаваторов задерживает низкое значение усталостной проч­ ности, и применение таких сталей в основном осуществляется в элементах конструкций, работающих на постоянные нагрузки.

Транспортно-отвальные мосты. Одним из важнейших вопросов эксплуатации карьеров является транспорт и отвалообразование вскрышных пород. Наиболее удобно укладвать вскрышку во вну­ тренние отвали при транспортировании породы по кратчайшему пути поперек разрезной траншеи от места выемки до внутренних отвалов, применяя транспортно-отвальные мосты (в последнее время для этой цели применяются также ленточные отвалообразователи).

Транспортно-отвальные мосты представляют собой сложные передвижные мостовые конструкции, состоящие в основном из пролетной части и отвальной консоли (рис. VI. 9). Их несущие металлические конструкции поддерживают системы конвейеров, а также механическое и электрическое оборудования, восприни­ мают все действующие нагрузки и передают их через подвижные опоры на грунт. Параметры мостов значительны: вылеты отваль­ ных консолей 80—200 м, пролеты 100—200 м. Вес несущих ме­ таллических конструкций 1000—2800 т (при общем весе мостов 2000—5600 т), иногда и больше.

Основной вертикальной нагрузкой на несущие металлические конструкции является их собственный вес и вес установленного оборудования. Временные вертикальные -нагрузки от перемещае­

мо

мой породы незначительны и составляют менее 30% всех вер­ тикальных нагрузок. Таким образом, сокращение веса транспорт- но-отвалыных мостов в основном должно осуществляться за •счет облегчения их несущих конструкций [59].

Одним из эффективных, способов является использование бо­ лее прочного металла, в первую очередь термически упрочненных сталей класса С70/60 и даже С85/75.

Рис. VI. 9. Схема транспортно-отвального моста:

Опытное проектирование и исследование зависимости между классами применяемых сталей (С38/23, С46/33, С70/60, С85/75, С100/90) и весом несущих металлических конструкций позволили установить, что теоретическое снижение веса конструкций в зави­ симости от класса стали составляет 21—50%- По сравнению с мостами из стали класса С46/33 при применении сталей класса С70/60, как наиболее реальных в настоящее время, снизить вес металлоконструкций можно на 28—30%.

Применение высокопрочных сталей в существующих системах •несущих металлоконструкций транспортно-отвальных мостов (например в жесткой) имеет некоторые особенности и не всегда может дать желаемый результат. Большинство элементов глав­ ных ферм мостов имеет большую длину (10—-20 м), поэтому в таких сжатых элементах при традиционных сечениях трудно добиться малых гибкостей и использование'высокопрочного ме­ талла становится малоэффективным. Таким образом, необходимо изыскивать пути сокращения длин элементов (например, путем постановки шпренгелей, что требует дополнительного расхода металла), а-также применять эффективные сечения — круглые или квадратные трубы вместо сечений из уголков или листов.

Уменьшение длин отдельных элементов связано с изысканием путей существенного уменьшения высоты главных ферм (в дей­ ствующих мостах высота равна 10—20 м). Крайне желательно уменьшение высоты до 3,8 м, при которой ферма умещается в габарите железнодорожного состава. В настоящее время метал­ локонструкции мостов, вследствие больших линейных размеров перевозятся к месту монтажа «россыпью», т. е. отдельными эле­ ментами и узлами, что усложняет сборку, ухудшает качество

151

конструкций и даже при максимальном внедрении сварки по­ является необходимость применения большого количества бол­ товых соединений.

Возможность успешного решения этой задачи связана с из­ менением системы несущих металлоконструкций мостов путем создания предварительного напряжения главных ферм, и, таким образом, превращения жесткой системы в комбинированную,

Рис. VI. 10. Жестко шпренгельная предварительно-напряженная система транспортно-отвальных мостов:

1 — г л а в н а я ф ер м а (б а л к а ж е с т к о с т и ); 2 — п и л о н ы ; 3 — к а н а т ы .

что позволяет существенно уменьшить высоту ферм, длину па­ нелей и отдельных стержней и с учетом использования сталей высокой прочности коренным образом сократить затраты метал­ ла. Указанная новая система несущих металлических конструк­ ций транспортно-отвальных мостов представлена на рис. VI. 10 и названа жестко-шпренгельной преднапряженной * [60]. Наи­ более простым способом создания предварительного напряжения главных ферм транспортно-отвальных мостов является примене­ ние выносных шпренгелей, состоящих из одной или двух жестких стоек-пилонов (плоских ферм) и стальных предварительно на­ пряженных канатов [54]. В этом случае вся система превраща­ ется . в комбинированную с повышенной общей жесткостью (несмотря на резкое уменьшение высоты главных ферм, которые, по сути, превращаются в балку жесткости вантовой комбиниро­ ванной системы). Шпренгели в зависимости от параметров мо­ стов могут быть одноканатные и многоканатные.

Следует отдавать предпочтение однокаінатным двухпилонным шпренгелям, хотя могут применяться двух- и трехканатные.

На рис. VI. И представлена эпюра моментов от вертикальных нагрузок для моста жесткой системы и разгружающие эпюры моментов от предварительного напряжения.

Жесткошпренгельная преднапряженная система вследствие наличия малых длин элементов ферм дает широкие возможности для применения эффективных сечений и сталей высокой проч­ ности. В работах [59, 61] указывается, что при двухканатном

* Предложена автором.

152