4. Болтовые соединения

Для соединения металлических конструкций помимо сварки применяют болты и заклепки. Простота соединения и надежность в работе способствовали распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций.В строительных конструкциях применяют болты грубой, нормальной и повышенной точности, высокопрочные, самонарезающие и фундаментные (анкерные). Болт для соединения конструкций имеет головку,гладкую часть стержня длиной на 2-3 мм меньше толщины соединяемого пакета и нарезную часть стержня, на которую надевается шайба и навинчивается гайка. Болты грубой и нормальной точности различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для болтов грубой и нормальной точности отклонения диаметра могут достигать соответственно 1 мм и 0,52 мм (для болтов d?30 мм). Изготовляют болты из углеродистой стали горячей или холодной высадкой, иногда с последующей термообработкой. В зависимости от процесса изготовления различают несколько классов прочности болтов от - 4,6 до 8,8. Класс прочности болтов обозначен числами. Первое число, умноженное на 10,.обозначает временное сопротивление кгс/мм²), а произведение первого числа на второе - предел текучести материала (кгс/мм²).Болты в соединении ставят в отверстия на 2-3 мм больше диаметра болта, образованные продавливанием или сверлением в отдельных элементах. Они находят широкое применение в монтажных соединениях, где болты работают на растяжение или являются крепежными элементами.Болты повышенной точности . Изготавливают также из углеродистой стали, и они имеют те же классы прочности, что и болты нормальной точности.Высокопрочные болты  (сдвиго-устойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности, их ставят в отверстия большего, чем болт, диаметра, но их гайки затягивают тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. высокопрочный болт, работая на осевое растяжение, обеспечивает передачу сил сдвига трением между соединяемыми элементами, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным, Для увеличения сил трения поверхности элементов в месте стыка очищают от грязи, масла, ржавчины и окалины металлическими щетками, пескоструйным или дробеструйным аппаратом, огневой очисткой и не окрашивают.Самонарезающие болты отличаются от обычных наличием резьбы полного специального профиля на всей длине стержня для нарезания резьбы и завинчивания в ранее образованные отверстия соединяемых деталей. Материалом для них служит сталь Ст10кп термоупрочненная. Применяются они в основном d = 6 мм для прикрепления профилированного настила к прогонам и элементам фахверка, и их большим преимуществом является необходимость доступа к конструкции только с одной стороны.Фундаментные (анкерные) болты ) служат для передачи растягивающих усилий с колонн на фундамент.

5. Работа и расчет болтовых соединений на сдвиг при действии статической нагрузки.

В соединениях на болтах класса точности В и С силы стягивания невелики и неопределимы. Основу работы таких болтов составляет непосредственная передача сдвигающего усилия со стержня болта на стенки отверстия. Работа эта осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, а также зазором между диаметрами болтов отверстий. Поэтому расчет соединения носит условный характер. Рассмотрим работу обычных болтов на сдвиг.

Болты класса точности В и С за счет зазора 2…3 мм работают неравномерно. 1 этап работы соединения – преодоление силы трения. Затем болты касаются стенок отверстия и работают частично на срез и частично на смятие. Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения – по срезу болта (при толстых листах) или по смятию поверхности отверстия (при тонких листах). Болты класса точности В и С за счет зазора 2…3 мм работают неравномерно. 1 этап работы соединения – преодоление силы трения. Затем болты касаются стенок отверстия и работают частично на срез и частично на смятие. Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения – по срезу болта (при толстых листах) или по смятию поверхности отверстия (при тонких листах).

Более равномерно работают болты класса точности А. Различие между работой болтов класса точности А, В, С учитывается в расчетах коэффициентом условия работы соединения (γb), величиной расчетного сопротивления. Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом (несущая способность болта) на срез, определяется по формуле на смятие, определяется по формуле

Здесь Rbs, Rbр, Rbt – расчетные сопротивления болтовых соединений на срез, смятие и растяжение; Rbs, Rbt – зависят от класса прочности болта; Rbp – зависят от класса точности болта и временного сопротивления стали (Run); А – расчетная площадь сечения стержня болта; d – наружний диаметр стержня болта; ns – число расчетных срезов одного болта; γb – коэффициент условий работы соединения; min∑t - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении. Несущая способность болта на растяжение (9.3) принимая, что силы между болтами распределяются равномерно. Аbn – площадь сечения болта нетто (т.е. без учета резьбы) .Количество болтов в соединении определяют по формуле: Nmin – меньшее из значений расчетного усилия для одного болта; γс – коэффициент условий работы.

Расчет болта на смятие стенки отверстия носит условный характер, так как в местах передачи усилия с болта на соединяемые листы отмечается сложное напряженное состояние. Трудность учета действительного напряженного состояния привела к тому, что в расчете принимается равномерное давление болта на стенку отверстия по всему диаметру болта. Следует проверять также и соединяемые элементы по ослабленному сечению: При действии на соединение момента, вызывающего сдвиг соединяемых элементов, распределение усилий следует принимать пропорционально расстояниям от центра тяжести соединения до рассматриваемого болта. Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, следует проверять отдельно на срез и на растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, следует проверять на равнодействующее усилие от осевой сдвигающей силы и изгибающего момента. Соединения на высокопрочных болтах следует рассчитывать в предположении передачи действующих в стыках и прикреплениях усилий через трение, возникающее по соприкасающимся плоскостям соединяемых элементов от натяжения высокопрочных болтов. При этом распределение продольной силы между болтами следует принимать равномерным. Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, следует определять по формуле где Rbh – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; µ – коэффициент трения, принимаемый по табл. 36* СНиП; γh – коэффициент надежности, принимаемый по табл. 36* СНиП; Abn – площадь сечения болта нетто, определяемая по табл. 62* СНиП; γb – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества n болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия, и принимаемый равным: 0,8 при n < 5; 0,9 при 5 ≤ n < 10; 1,0 при n ≥ 10. Количество n высокопрочных болтов в соединении при действии продольной силы следует определять по формуле

где k – количество поверхностей трения соединяемых элементов. Натяжение высокопрочного болта следует производить осевым усилием

3514-254

Стальные затворы гидротехнических сооружений

Затвор - подвижная конструкция, перекрывающая и частично или полностью открывающая водопропускное отверстие гидротехнического сооружения для регулирования уровня верхнего бьефа, пропуска определенных расходов воды, пропуска судов и т. д. К числу поверхностных затворов, передающих давление воды на быки (устои), относятся шандоры, плоские затворы, сегментные и вальцовые.

ПЕРЕЧЕНЬ НАГРУЗОК И ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

При проектировании гидротехнических сооружений необходимо учитывать следующие нагрузки и воздействия:

7. Постоянные и временные (длительные и кратковременные):

а) собственный вес конструкции и сооружения;

б) вес постоянного технологического оборудования (затворов, турбоагрегатов, трансформаторов и др.), месторасположение которого на сооружении не меняется в процессе эксплуатации;

в) давление воды непосредственно на поверхность сооружения и основания; силовое воздействие фильтрующейся воды, включающее объемные силы фильтрации и взвешивания в водонасыщенных частях сооружения и основания и противодавление на границе водонепроницаемой части сооружения при нормальном подпорном уровне, соответствующем максимальным расходам воды расчетной вероятности превышения основного расчетного случая и нормальной работе противофильтрационных и дренажных устройств;

г) вес грунта и его боковое давление; горное давление; давление грунта, возникающее вследствие деформации основания и конструкции, вызываемой внешними нагрузками и температурными воздействиями;

е) нагрузки от предварительного напряжения конструкции;

ж) нагрузки, вызванные избыточным поровым давлением незавершенной консолидации в водонасыщенном грунте при нормальном подпорном уровне и нормальной работе противофильтрационных и дренажных устройств;

з) температурные воздействия строительного и эксплуатационного периодов, определяемые для года со средней амплитудой колебания среднемесячных температур наружного воздуха;

и) нагрузки от перегрузочных и транспортных средств и складируемых грузов, а также другие нагрузки, связанные с эксплуатацией сооружения;

к) давление волны, определяемое при средней многолетней скорости ветра, кроме портовых сооружений, для которых указанное давление следует определять по СНиП 2.06.04-82;

л) давление льда, определяемое при его средней многолетней толщине, кроме портовых сооружений, для которых указанное давление следует определять по СНиП 2.06.04-82;

м) нагрузки от судов (вес, навал, швартовные и ударные) и от плавающих тел;

н) снеговые и ветровые нагрузки;

о) нагрузки от подъемных и других механизмов (мостовых и подвесных кранов и т. п.);

п) давление от гидравлического удара в период нормальной эксплуатации;

р) динамические нагрузки при пропуске расходов по безнапорным и напорным водоводам при нормальном подпорном уровне.

2. Особые (при особом сочетании нагрузок они заменяют соответствующие им постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки):

с) давление воды непосредственно на поверхности сооружения и основания; силовое воздействие фильтрующейся воды, включающее объемные силы фильтрации и взвешивания в водонасыщенных частях сооружения и основания и противодавление на границе водонепроницаемой части сооружения; нагрузки, вызванные избыточным поровым давлением незавершенной консолидации в водонасыщенном грунте, при форсированном уровне верхнего бьефа, соответствующем максимальным расходам воды расчетной вероятности превышения поверочного расчетного случая или при уровнях верхнего бьефа выше НПУ, соответствующих максимальным расходам воды расчетной вероятности превышения основного расчетного случая (см. п. 2.12) и при нормальной работе противофильтрационных или дренажных устройств или при нормальном подпорном уровне верхнего бьефа, соответствующем максимальным расходам воды расчетной вероятности основного расчетного случая и нарушения нормальной работы противофильтрационных или дренажных устройств (взамен нагрузок подпунктов "в" и "ж");

т) температурные воздействия строительного и эксплуатационного периодов, определяемые для года с наибольшей амплитудой колебания среднемесячных температур наружного воздуха (взамен нагрузок подпункта "з");

у) ледовые нагрузки, определяемые при максимальной многолетней толщине льда или прорыве заторов при зимних попусках воды в нижний бьеф (вместо нагрузки подпункта "л"), кроме портовых сооружений, для которых ледовые нагрузки при особом сочетании не учитываются:

ф) давление волны, определяемое при максимальной расчетной скорости ветра (взамен нагрузки подпункта "к"), кроме портовых сооружений, для которых указанное давление при особом сочетании не учитывается;

х) давление от гидравлического удара при полном сбросе нагрузки (взамен нагрузки подпункта "п") ;

ц) динамические нагрузки при пропуске расходов по безнапорным и напорным водоводам при форсированном уровне верхнего бьефа (вместо нагрузок подпункта "р");

ч) сейсмические воздействия;

ш) динамические нагрузки от взрывов;

щ) гидродинамическое и взвешивающее воздействия, обусловленные цунами.

Указания о сочетаниях нагрузок и воздействий приведены в п. 2.8 и в СНиП на проектирование отдельных видов гидротехнических сооружений.

Плоский двухригельный затвор

конструкция с плоской обшивкой с напорной стороны, снабженная на концах колесными, Катковыми или скользящими опорами, перемещающимися в пазах быков (устоев) в вертикальном направлении. Для обеспечения перелива воды и сброса льда и др. плавающих тел поверху затворов и облегчения маневрирования ими плоские затворы иногда подразделяют по высоте на 2 части (сдвоенный затвор), перекрываемая площадь — 240 м2.

Определение усилий на элементы обшивки, отдельные стрингера, ригели затворов

Обшивка непосредственно воспринимает гидростатическое давление и передает его на ригели через систему подкрепляющих ее элементов – стрингеров . Стрингеры располагаются параллельно ригелям и опираются на поперечные балки – диафрагмы , которые, в свою очередь, крепятся к ригелям2.

Таким образом, обшивка непосредственно опирается на стрингеры и ригели и работает на местный изгиб в пролете между точками опирания. Расчетную схему обшивки можно представить в виде балки-полоски единичной ширины, упруго закрепленной на опорах и нагруженной усредненной погонной нагрузкой

Особенности работы затвора

1-верхняя обвязка, 2-нижняя обвязка, 3-ригель, 4-стойка, 5-обшивка верхняя

6-обшивка нижняя, 7-уплотнительный брус

Работа и расчет обшивки

Обшивка расчитывается на прочность при изгибе, толщина от 4 до 20 мм в Бел.

В тонких обшивках напряжения от σ_м на порядки меньше чем напряжения от силы N, поэтому их рассчитывают только на растяжение.

К тонким обшивкам относят те обшивки в которых l/t>250…300.

В толстых обшивках при отношении l/t<50, σ_м на порядки больше чем σ_N, поэтому толстые обшивки рассчитывают на прочность при изгибе.

Обшивки с промежуточными геометрическими параметрами рассчитывают по формуле σ_м+ σ_N ≤R_y*γ_c.

Достаточно точно расчитать обшивку раствора по методике Баха.

Эта методика позволяет учесть уменьшения изгибающего момента на величину H*f.

M=N-H*f

• Определение усилий в ригелях

Расчетная схема ригеля при воздействии гидростатического давления

Ригели высотой более 1м составными, сварныс в виде двутавра из 3 элментов.

γ_g=1- коэффициент надежности по нагрузке для гидростатического давления.

К₁=1,1- учитывает вертикальную нагрузку от веса элементов затвора

К₂=1,08- учитывает увеличение прогиба за счет уменьшения высоты на опорах в пределах (0,5-0,6) принятой высоты ригеля.

• Расчет обшивки.

Заранее расставим стрингеры и подберем обшивку такой толщины , чтобы выполнялось прочность на местный изгиб:

σ≤R_­y­/γ_­n­, где γ_­n­=1.25 коэффициент надежности по назначению.

σ=M/W; W= 1∙п.м∙t²/6 → W≥M×γ_­n­/R_­y ­ → t≥(6×M×γ_­n­­/R_­y)^1/2

При расстановке стрингеров желательно добиться того, чтобы площади эпюры давления приходящиеся на каждый стрингер, были близкими между собой по значению.

Прочность обшивки и стрингеров рассчитывают на гидростатическое давление при закрытом отверстии. Для восприятия ударов плавающих тел и льда в уровне верхнего бьефа, кроме верхней обвязки, ставят дополнительный стрингер. Обшивка непосредственно опирается на стрингеры и ригели и крепится к ним на сварке.

q_­­=γ_­в­×(h_­i­­­+h_i+1)/2 – берем среднее значение на участке закрепления.

M_оп=q×b²/16 – момент на опоре наибольший, ведем проверку прочности по нему.

Составим таблицу для M_i и t_i, для каждого участка закрепления.

M_i= γ_­в×( h_­i­­­+h_i+1)×b_i²/32.

Из таблицы найдем наибольшее значение толщины обшивки и примем его за расчетное.

• Подбор сечения стрингеров.

Примем их количество таким, чтобы расстояние между ними находилось в пределах (1.2-2)м. Шаг диафрагм d=1.65 → количество их n=11 шт.

В приведенной расчетной схеме максимальный изгибающий момент возникает в сечении на второй опоре: M_­c­=q_c×d²/10 где q_c= γ_в×0.5×(h_i+h_i+1).

Стрингер представляет собой многопролетную балку нагруженную равномерно распределенной по длине нагрузкой q_c , которая определяется шириной его участка загружения гидростатическим давление (см. формулу выше) .

Конструкции стрингеров, ригелей плоских затворов

В целом, общее количество стрингеров зависит от несущей способности обшивки. При малых толщинах обшивки потребуется большее количество стрингеров. В затворах пролетом более 10 м толщина обшивки принимается не менее 10 мм; толщина листов менее 6 мм в затворах не допускается.

Опорами стрингеров служат поперечные поддерживающие элементы пролетного строения- диафрагмы, располагающиеся по длине ригеля с шагом (рис.4).

Расчет поясных швов ригелей затворов

Поясными сварными швами крепиться к стенке ригеля обшивка и безнапорный пояс. Катет К двухсторонних швов рассчитывается по условиям прочности металла шва

и металла на границе сплавления

, где

S- статический момент сечения прикрепляемого металла,

коэффициенты глубины проплавления, зависящие от вида сварки,

коэффициент условий работы шва, применяемый в зависимости от температуры эксплуатации затвора.

расчетные сопротивления угловых швов по металлу шва и границе сплавления.

Расчет ведется для сечения вблизи опоры, где поперечная сила максимальна. Принимается наибольшая величина катета из двух полученных, округленная до целых значений в мм. Применять толщину швов менее 4 мм не рекомендуется из-за возможных потерь на коррозию.

• Расчет поясных швов.

L_ш= 0.6h-t₀-t_п-8ммБудем рассматривать только один шов. Это шов крепления стенки ригеля к опорно-концевой стойке. Шов работает на срез.

Рассматривают два условия прочности:

1. По прочности металла шва материала: τ≤R_wfγ_wf/γ_n

2. По прочности контакта шва: τ≤R_wzγ_wz/γ_n

τ=Q/kL_ш2β ; где β –коэффициент глубины проплавления шва.

Для автоматической сварки β_wf=1.1; β_wz=1.15

1. k≥(Qγ_n)/(R_wfγ_wfL_ш2β)=0.38см ; R_wf=21.5 кн/см², сталь С345

2. k≥(Qγ_n)/(R_wzγ_wzL_ш2β)=0.39см ; R_wz=20 кН/см².

Конструкции ферм и их узлов плоских затворов

В плоскости безнапорных поясов ригелей и диафрагм устанавливаются раскосы, что образует продольную вертикальную ферму. При подъёме затвора ферма воспринимает около 40% веса затвора G и передает эту нагрузку на опорно-концевые стойки. Кроме того, связевая ферма вместе с ригелями и обшивкой создает пространственное ядро жёсткости – центроплан, снижающее изгибно-крутильные деформации затвора.

Расчётная погонная нагрузка, воспринимаемая фермой, имеет величину:

, где коэффициент надёжности по нагрузке;

- вес затвора, где

Q - равнодействующая гидростатической нагрузки на затвор,

L – ширина отверстия в свету,м.

Конструкции основных узлов плоских затворов

• Опорно-ходовые части

Простейший по конструкции тип ходовых частей – скользящие в виде полоза. Корпус полоза, прикрепляемый к безнапорному поясу опорно-концевой стойки, имеет вкладыш из древесно-слоистого пластика, уменьшающего силы трения в зоне контакта с рельсом при перемещении затвора.

Длину полоза определяют по допускаемому давлению в зоне контакта от опорной реакции ригеля Q:

Минимальная длина ограничивается 600 мм.

Кроме полозов на опорно-концевой стойке располагаются направляющие колёса – боковые и обратные– предотвращающие перекосы и вибрацию затвора при его движении.

Расчет диафрагмы

Диафрагма представляет собой поперечную балку, опирающуюся на ригели и воспринимающие опорные реакции стрингеров (рис. 13).

Расчетную схему диафрагмы можно изобразить в виде двухконсольной балки на 2-х опорах (рис. 14), нагруженной неравномерным давлением, определяющимся гидростатическим давлением

, где

d- ширина площади загружения, т.е. расстояние между диафрагмами.

Высота диафрагмы принимается конструктивно по высоте ригеля за вычетом толщины обшивки и высоты стрингера (рис. 15). Толщина стенки принимается такой же, как у стенки ригеля.

Рис. 13

В месте примыкания верхней консоли к ригелю предусматривают монтажный разъем для возможности перевозки затвора к месту монтажа частями. На монтаже стыкуются обшивка, приваривается стенка диафрагмы к стенке ригеля двухсторонними угловыми швами, и безнапорный пояс диафрагмы стыковым швом соединяется с поясом ригеля. При необходимости нижняя консоль так же может присоединяться на монтаже, что обуславливается габаритной шириной монтажных элементов, которая не должна превышать 3,85 м. Для пропуска поясных швов ригеля в стенке диафрагмы делают вырезы размером 40 Ч 40 мм. Крайние диафрагмы, так называемые опорно-концевые стойки, не имеют монтажных разъемов и привариваются к ригелям на месте сборки.

Высота сечения опорно-концевых стоек принимается равной высоте ригеля на опоре (рис. 13). Ширина их безнапорного пояса должна быть не менее 300 мм для удобства крепления опорных полозьев. Напорным поясом стойки служит обшивка затвора (рис. 13).

Поскольку данное соединение выполняется на монтаже, то расчётные характеристики этих швов принимаются как для ручной сварки.

Принятое конструктивно сечение диафрагмы, как правило, обладает большим запасом. Однако в узле примыкания верхней консоли к ригелю действуют большие изгибающий момент

и поперечная сила

,

что влечет за собой необходимость проверки на прочность монтажных сварных швов крепления стенки диафрагмы к стенке ригеля.

Стенкой диафрагмы воспринимается вся поперечная сила и часть момента:

,

где момент инерции стенки относительно оси, через центр тяжести сечения диафрагмы; момент инерции всего сечения диафрагмы.

Монтажная сварка обычно предполагается ручная, катет швов k в затворах принимают толщиной не менее 5 мм.

Условие прочности швов имеет вид:

.

вызывает наибольшее растяжение в приопорном раскосе

Безнапорные пояса ригелей, являясь поясами связевой фермы одновременно, испытывают усилия

,

где

- изгибающий момент, действующий в сечении фермы посередине пролёта;

В результате, в поясе нижнего ригеля возникает дополнительное растягивающее нормальное напряжение:

Следовательно, прочность безнапорного пояса должна проверяться на действие суммарных нормальных напряжений

Конструкции сегментных затворов

Сегментный затвор, имеющий в поперечном сечении форму кругового сектора, снабжен обшивкой по двум или всем трем граням. Затвор гидравлического действия, вращаясь относительно горизонтальной оси, закрепленной на пороге сооружения, может опускаться (частично или полностью) в спец. нишу (камеру давления). Поступление в нее воды верхнего бьефа, оказывающей давление на обшивку радиальной грани затвора, или выпуск ее в нижний бьеф осуществляются при помощи задвижек, регулируемых обычно автоматически посредством поплавков, перемещающихся в камерах быков при колебании уровня верхнего бьефа

Пролет металлич. плоских затворов достигает 45 м, выс.— 18 .м, общая перекрываемая площадь — 300 м2. Железобетонные предварительно напряженные затворы достигают (по данным зарубежной практики) размеров 16 .их5 м, а из пластмассы, армированной стекловолокном, 8,1 мХ2,1 м. Сегментный затвор имеет цилиндрич. обшивку и опорные рамы (ноги) с шарнирами на концах, обеспечивающие вращение затвора. Благодаря тому, что равнодействующая давления воды проходит через ось вращения, подъемное усилие для сегментного затвора гораздо меньше, чем для плоского. Сегментные затворы иногда устраиваются сдвоенными и с клапаном. Меневрирование затвором может осуществляться при помощи механич. привода, иногда автоматически действием воды.

Поверхностные затворы служат для перекрытия водосливных отверстий плотин, водосбросов, водозаборов. Наиболее распространены в СССР. плоские и сегментные, благодаря их простоте, надежности действия, хорошим эксплуатационным и технико-экономич. показателям. В качестве ремонтно-аварийных и строит, затворов применяют преим. шандоры и плоские затворы

Методика расчета изгибаемых элементов, центрально-сжатых элементов стальных затворов.

Смотри всё в тексте выше

3515-255