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

При этом в расчетное сечение опорной стойки включается ребро жесткости и полоса стенки шириной до 12 6 с каждой стороны ребра, где 6 — толщина стенки (рис. III. 8).

При проектировании ферм из сталей высокой прочности сле­ дует обращать особое внимание на конструирование узловых со­ единений элементов и их стыков с целью максимального умень-

шения возможных концентраторов напряжений. Так, желательно применять фасонки с плавными переходами от примыкающих элементов к поясам; во избежание резкой концентрации напря­ жений элементы решетки необходимо приваривать к фасонке с каждой стороны двумя фланговыми швами и выводом на торец элемента концов швов «а длину 20 мм. При этой желательно элементы решетки не доводить до поясов ферй нарасстояние не менее 50 мм. Использование прерывистых швов для прикреп­ ления фасомок к поясам следует не допускать.

Внастоящее время, вследствие отсутствия термоупрочненного фасонного проката, наиболее рациональным является примене­ ние круглых или квадратных сварных труб.

Узловые сопряжения в таких фермах желательно осуществлять путем непосредственного примыкания элементов решетки к по­ ясам, без применения фасонок.

Вфермах при пролетах свыше 24 м рекомендуется устраивать строительный подъем, равный прогибу от постоянной нагрузки и половины временной. При плоских кровлях можно применять строительный подъем независимо от пролета. При этом величи­ на строительного подъема можёт приниматься равной прогибу от постоянной и временной нагрузки, увеличенной на 20%. Мон­ тажные стыки в фермах из высокопрочных сталей могут осуще­ ствляться как на сварке, так и на высокопрочных б(?лтах.

§ 14. Влияние переменной нагрузки на сварные конструкции из сталей высокой прочности

Изучение влияния переменной нагрузки на сварные конструк­ ции из сталей высокой прочности, способствующей возможности появления усталостных разрушений, является весьма важным и необходимым. Высокопрочные стали и их соединения чувстви­ тельны к любым концентраторам напряжений, в связи с чем в отдельных случаях их вибрационная прочность может быть весьма низкой. Проведенные в этом направлении исследования показывают, что при обычной технологии сварки и принципах конструирования усталостная прочность сварных соединений из высокопрочной стали близка пределу выносливости стали СтЗ. Вместе с тем усталостная прочность стандартных гладких образ­ цов из стали высокой прочности значительно выше стали СтЗ.

Центральной лабораторией металлических конструкций ЦНИИСК были проведены исследования выносливости низколе­ гированных сталей 14Г2, 15ГС, 10Г2С и термически упрочнен­ ных— 12Г2СФ и 15ХГ2СМФР. Образцы вырезались вдоль про­ ката и испытывались осевой нагрузкой при характеристиках

циклов загружений р= =0,5; 0,14 и —1. Ограниченный пре-

°м а к с

дел выносливости определился при 2- ІО6 циклах загружений. Полученные данные подтверждают чувствительность высоко­

прочных сталей к концентраторам напряжений. Например, при угловых и фланговых швах и р = 0,14 вибрационная прочность со­ ставляет только 7—10% предела прочности стали и находится на уровне вибрационной прочности стали СтЗ или обычных низко­ легированных сталей [25].

• Вместе с тем вибрационная прочность основного металла вы­ сокопрочных сталей значительно выше вибрационной прочности основного металла стали СтЗ. Например, при р= 0,14 предел выносливости листа с прокатной поверхностью из термически упрочненной стали 15Г2СФ выше на 60, а из стали 15ХГ2СМФР на 80% по сравнению с пределом выносливости аналогичных об­ разцов из стали СтЗ. Наличие отверстий уже снижает вибрацион­ ную прочность и доводит ее до уровня стали 10Г2С1 (20 кг/мм2).

В настоящее время достаточно широко применяется высоко­ прочная сталь класса С70/60 марок 14Х2ГМР и 14ХМНДФР, в связи с чем исследование усталостной прочности этой стали яв­ ляется необходимым. Некоторые работы в этом направлении были проделаны в институте ЦНИИЧЕРМЕТ по заказу Уралмашзавода, а также в Институте электросварки им. Е. О. Пато­ на АН УССР. Так, по работе [26] вибрационная прочность стали 14Х2ГМР при коэффициенте ассиметрии р= —1 для основного металла равна 17—23 кг/мм2-, для стыкового шва — 21 кг/мм2, а для лобового и флангового швов — 6—12 кг/мм2. Пределы уста­ лости сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР, а также сталей МІ6С,

84

09Г2С и 10ХСНД даны в таблице III. 9. Ограниченный предел выносливости основного металла-и стыковых соединений из ста­ ли 14Х2ГМР по данным работы [27] при коэффициентах ассиметрии цикла р=0,3 и р= —1, представлен в табл. III. 10.

Т а б л и ц а III. 9

Таким образом, одной из главных задач при применении ста­ лей высокой прочности является максимально возможное исклю­ чение концентраторов напряжений, основным видом которых в современных конструкциях являются сварные швы.

Т а б л и ц а III. 10

Имеется ряд способов повышения усталостной прочности свар­ ных соединений. Наиболее радикальные из них два: 1) обработ­ ка швов и мест перехода к основному металлу механическим спо­ собом (зачистка наждачным камнем, поверхностный наклеп дро­ бью и т. д.); 2) создание плавного перехода к основному метал­ лу путем оплавления границ шва неплавящимся электродом в среде газа аргона без присадочной проволоки [28] *.

В первом случае предел выносливости термоупрочненных ста­ лей класса С70/60 может быть повышен на 80—90% (рис. III. 9), т. е. практически вибрационная прочность таких соединений рав­ на основному металлу. Оплавление границ швов неплавящимся электродом примерно в таких же пределах повышает усталост-

* Новый способпредложен Институтом электросварки нм. Е. О. Патона АН УССР.

85

ную прочность сталей 14Х2ГМР н 14ХМНДФР (рис. III. 10). Исследования показывают, что при увеличении угла между ка­ сательной к поверхности шва и основным металлом вибрацион­

других авторов можно сделать следующие выводы.

Если предел прочности ’высокопрочных сталей превышает пре­ дел прочности стали СтЗ в 2—3 раза, то вибрационная прочность

86

предела прочности), при лобовых швах и катетах шва с соотношением 1 : 1,5 вибрационная прочность несколько повы­ шается.

Наиболее совершенным видом соединения элементов из высо­ копрочных сталей следует считать применение стыковых швов с подваркой корня и снятием усиленной части шва заподлицо с основным металлом, при котором вибрационная прочность близ­ ка вибрационной прочности основного металла.

Вибрационная прочность для сталей различных марок одного и того же класса прочности может быть не одинаковой и поэтому для каждой марки стали необходимо определение вибрационной прочности для различных циклов загружений.

Исследования и опыт применения высокопрочных сталей по­ казывают, что при отсутствии концентраторов напряжений вы­ сокопрочные стали могут достаточно успешно применяться в конструкциях, подверженных воздействию вибрационных и мно­ гократно повторяющихся нагрузок. При этом, однако, эффек­ тивность использования таких сталей окажется несколько меньшей, чем в конструкциях, работающих на статические на­ грузки.

Весьма важным вопросом при изучении конструкций из высо­ копрочных сталей, работающих на циклические воздействия на­ грузок, является определение реально возможного спектра на­ грузок за весь период эксплуатации конструкции и фактических коэффициентов ассиметрии циклов. Указанное особенно необхо­ димо при применении высокопрочных сталей в оборудовании и сооружениях горной промышленности, в которой предприятия (шахты и карьеры) имеют сравнительно небольшой срок служ­ бы, связанный с выработкой запасов полезного ископаемого и обычно ограничиваемый периодом в 30—60 лет. Важным являет­ ся не только определение предела усталости конструкций из ста­ лей высокой прочности, т. е. при количестве циклов около 2- ІО6, но также и изучение работы таких конструкций на переменные нагрузки с различным меньшим количеством циклов.

Следует иметь в виду, что явления усталости могут возникать в различного вида конструкциях,' в том числе и в высотных со­ оружениях- (мачты, башни, дымовые трубы), подъемно-тран- опортных сооружениях, конструкциях, подверженных действию ветра, и т. д.

Расчет на выносливость производится путем умножения рас­ четных сопротивлений основного металла и соединений на пони­ жающий коэффициент у, меньший, единицы и определяемый в со­ ответствии со СНиП П-В. 3—72 по двум формулам: если наиболь­ шее по абсолютной величине напряжение является растягиваю­ щим,

с

(Ш. 19)

а — Ьр

87

если сжимающим,

Здесь р — коэффициент ассиметрии цикла, а и b — коэффициен­ ты, принимаемые по СНиП ІІ-В.З—72 в зависимости от группы элемента или соединения конструкции; с — коэффициент, завися­ щий от количества циклов нагружений конструкций за вое время ее эксплуатации.

Значения указанных коэффициентов даются только для трех классов сталей: С38/23, С44/29 и С46/33, что и предопределяет применение в элементах, непосредственно воспринимающих мно­ гократно действующие подвижные и вибрационные нагрузки, только сталей указанных трех классов. Поскольку стали более высоких классов прочности обладают пониженной вибрационной прочностью, перед применением их в конструкциях, где могут возникать явления усталости, необходимы более глубокие иссле­ дования. Следует ожидать, что по мере накопления опыта работы конструкций из высокопрочных сталей на цикличные нагрузки значения коэффициентов а, Ь и с будут определены и для дру­ гих более высоких классов сталей, а это позволит осуществлять наиболее правильный их выбор и расширить область применения высокопрочных сталей в конструкциях.

§ 15. Соединения элементов металлоконструкций из высокопрочных сталей

Основным видом соединений элементов металлических кон­ струкций из сталей высокой прочности, осуществляемых в за­ водских условиях, есть сварка. Соединения при помощи заклепок в конструкциях, выполненных из высокопрочного металла, не рациональны и поэтому'не применяются.

Важным является выбор вида монтажных соединений. Реко­ мендуются два способа: монтажная сварка или соединения на высокопрочных болтах.

Соединение нагруженных элементов при помощи монтажной сварки эффективно, однако требует повышенного качества кон­ троля сварных швов, что в условиях монтажа бывает затрудни­ тельным. Поэтому весьма перспективны соединения на высоко­ прочных болтах. Особенность последних состоит в передаче сдви­ гающих усилий не путем работы стержня болта на срез или смятие, а только силами трения, образующимися за счет предва­ рительного стягивания болтами соединяемого пакета на опре­ деленную, заданную проектом величину. Болты от работы на срез и смятие освобождаются за счет свободной постановки в отвер­ стия. Так как в стержне болта для обеспечения необходимых сил трения развиваются значительные растягивающие усилия, то материалом таких болтов в конструкциях из сталей высокой

88

прочности должны служить легированные стали, например 40Х — по ЧМТУ 14—4—87—72, 40ХФА и 38ХС — по ГОСТ 4543—61 *, а болты должны проходить термическую обработку, обеспечива­ ющую предел прочности таких болтов не ниже 11000 кг/см2 при стали 40Х и 13500 кг!см2при сталях 40ХФА и 38ХС.

Взарубежной практике применяются фрикционные соединения

свысокопрочными болтами, работающими одновременно на срез

исмятие. В таких соединениях несущая способность болтов вы­ ше, чем в соединениях, работающих только на трение.

Кчислу возможных и перспективных соединений элементов ме­ таллических конструкций из высокопрочных сталей могут быть отнесены так называемые комбинированные болто-клеевые соединения с использованием высокопрочных болтов. В таких соединениях сдвигающие усилия воспринимаются как силами трения от натяжения болтов, так и силами сцепления от склеи­ вания, и количество болтов в болтоклеевых соединениях по срав­ нению с фрикционными уменьшаются в 2—3 раза. Пока что ука­

занные соединения являются опытными и должны быть более детально исследованы.

Расчет соединений на высокопрочных болтах разделяется на два этапа: определение максимально допустимого усилия натя­ жения высокопрочного болта Р\ из принятой марки стали и

определение количества болтов в соединении в забисимости от действующего усилия N и коэффициента трения / соединяемых поверхностей.

Усилие натяжения высокопрочных болтов определяется из вы­ ражения

Яб = 0,65/г0Опч , (III. 21)

где FQ— площадь сечения болта нетто по резьбе;

0,65 — обобщенный коэффициент однородности и условия ра­ боты;

а®ч— предел прочности болта.

где т — коэффициент условия работы соединения на высоко­ прочных болтах, принимаемый равным 0,9;

/ — коэффициент трения.

Необходимое количество высокопрочных болтов в соединении с расчетным усилием N составит

где. п тр— количество поверхностей трения в соединении. Правильное назначение коэффициента трения является важ­

ным цри расчете соединений на высокопрочных болтах. При этом

89

желательно, чтобы в рассматриваемых соединениях (фрикцион­ ных) коэффициент трения был наибольшим. В таком случае оно будет наиболее эффективным и количество болтов наименьшим.

Проведенные исследования показывают, что величина коэф­ фициента трения зависит от многих причин, главными из кото­ рых являются состояние контактных поверхностей, способы их очистки и марки сталей .сплачиваемых элементов. Для увели­ чения коэффициента трения контактные поверхности должны иметь повышенную шероховатость. Окалина, наличие краски, масла и загрязнения уменьшают коэффициенты трения. Спосо­ бами очистки поверхностей служат пескоструйная обработка, огневая очистка, очистка щетками и химическая обработка. Пе­ скоструйная и химическая обработка полностью снимает окали­ ну. Наиболее шероховатая поверхность получается при песко­ струйной обработке. Химическая обработка более сложна и не всегда может быть применена в условиях строительства. При огневой очистке окалина удаляется частично, а очистка метал­ лическими щетками в основном снимает только грязь. Коррозия повышает шероховатость металла. Разные стали по-разному подвергаются очистке. Так, окалина легче удаляется с углероди­ стых сталей, чем с низколегированных, поэтому коэффициенты трения f для различных сталей при одном и том же методе очи­ стки могут быть неодинаковы. Однако данные различных авторов о влиянии марок сталей на коэффициент трения достаточно раз­ норечивы.

Таблица III. 11

В настоящее время можно рекомендовать значения коэффици­ ента трения f, указанные в табл. III. 11.

Г л а в а VI

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ВЫБОРА И ЭКОНОМИКИ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

§ 16. Экономия металла при замене сталей на более прочные

Эффективность высокопрочных сталей определяется соотноше­ нием между экономией в весе и удорожанием, получаемым в ре­ зультате повышенной стоимости высокопрочной стали. Наиболь­ ший экономический эффект можно получить в случае, если основ­ ные детали конструкции выполнены из высокопрочной, а вспомо­ гательные — из углеродистой стали. Это необходимо учитывать при проектировании.

Экономия в весе в общем случае определяется по формуле

G3

где а= Q- — коэффициент снижения веса, равный отношению

веса конструкции из высокопрочной стали и эта­ лона.

За эталон обычно принимают типовую конструкцию из стали СтЗ или из низколегированной, имеющую такие же геометриче­ ские параметры, нагрузки и условия эксплуатации, как и кон­ струкция из высокопрочной стали.

Вес конструкции может быть представлен как произведение теоретического веса Стна конструктивный коэффициент ij>K

Ок = <ЬК(7Т.

Теоретический вес определяется по расчетному сопротивлению Я без каких-либо запасов

І

1

где Nt —: усилие в і-м стержне; lj — длина стержня;

у — объемный вес стали.

Конструктивный коэффициент имеет достаточно сложную структуру и в общем виде равен'

Фк = ФсФііФііФт , (IV. 2 )

где ?/>с— строительный коэффициент, учитывающий вес вспомога­ тельных (дополнительных) деталей: фасонок, ребер

'91

жесткости, прокладок, соединительных накладок, опор­ ных узлов и т. п.;

фн— коэффициент, учитывающий увеличение веса за счет влияния продольного изгиба;

ф„— то же за счет неточностей при подборе сечения, завися­ щих от градации сортамента;

фт — то же за счет повторяемости одинаковых типоразмеров сечений по условиям трудоемкости изготовления или конструктивным соображениям.

В общем случае любая конструкция рассматривается как кон­ струкция из основных и вспомогательных деталей, т. е. GK= Go+ + Gд. При применении высокопрочных сталей изменяются сече­ ния только основных деталей, а 'вспомогательные детали, разме­ ры которых определяются конструктивными факторами, условно могут быть приняты без изменения. Строительный коэффициент конструкции из высокопрочной стали равен.

Вес вспомогательных деталей конструкции из стали СтЗ, выра­ женный через ее строительный коэффициент, равен

,|,С тЗ Q C T3 _ _ 0 С т З _j_ о СтЗ ^

откуда

0 с т з = С ? с т з (ф С т з _ J )

Принимая G*= G%r3 и подставив полученную выше зависи­

получим выражение для строительного коэффициента конструк­

В указанных выше формулах и далее «в» обозначает конструк­ ции из высокопрочной стали, а «СтЗ» — из углеродистой. Исполь-

92