11. Работа и расчет болтовых соединений

Соединения на болтах являются распространенным видом крепления металлических конструкций и их элементов. Этому способствуют преимущества болтовых соединений по сравнению с другими видами соединений:

• простота установки болтов;

• возможность плотно стянуть соединение;

• автоматический контроль правильности установки болтов, совпадением отверстий в соединяемых элементах.

Болтовые соединения в строительных конструкциях начали применять одновременно с появлением чугунных конструкций (примерно с половины XVIII в.), а практика использования болтовых соединений показала их надежность в работе.

В соединениях стальных конструкций применяют обычные, высокопрочные и анкерные болты. Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные – для присоединения конструкций к фундаменту. Обычно болты изготовляют грубой, нормальной и повышенной точности, которым соответствуют по новым нормам классы точности С, В и А соответственно. Для нерасчетных монтажных соединений следует применять болты класса точности С, а для соединений, воспринимающих расчетные усилия, – болты класса точности В и А. Болты изготавливают диаметром от 12 до 48 мм с длиной стержня 25 – 300 мм.

В зависимости от механических свойств сталей, из которых выполняются болты, последние делятся на классы прочности. Класс прочности обозначен двумя цифрами, разделенными точкой, например 4.6, 5.8, 6.6:

• первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальное временное сопротивление материала болта, кН/см²;

• вторая цифра, умноженная на 10, обозначает соотношение , %.

Болты классов точности С и В изготавливают из углеродистых и малоуглеродистых сталей (ВСт3, ВСт5 и др.). Эти болты удобны при монтаже конструкций, но получаемые соединения довольно деформативны и являются в основном фиксирующими соединениями.

Болты класса точности А устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный диаметр в собранных элементах, и их диаметр больше диаметра стержня болта на 0,25–0,30 мм. При приложении нагрузки к такому соединению все болты практически одновременно вступают в работу и поэтому соединение малодеформативно и применяется преимущественно в рабочих монтажных соединениях. Эти болты изготавливают из углеродистых и низколигированных сталей.

Болтовые соединения конструктивно представляют собой нахлесточные соединения, в которых усилия с одного рабочего элемента на другой передаются при помощи вспомогательных деталей – накладок. Основной вид работы болтовых соединений – работа на сдвиг. Распределение продольной силы N принимают во всех соединениях равномерным, что дает основание считать несущую способность каждого болта одинаковой. Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом, определяют формулами:

• из условия работы на срез ;

• из условия работы на смятие ;

• из условия работы на растяжение .

Здесь , , – расчетные сопротивления материала болта соответственно срезу, смятию и растяжению (по табл. СНиП [1]);

– коэффициент условий работы соединения (табл. 35 СНиП [1]);

– расчетная площадь сечения стержня болта;

– число срезов одного болта;

– наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении;

– площадь сечения болта нетто.

Количество болтов в соединении определяют:

,

где – наименьшее значение расчетного усилия, воспринимаемого одним болтом из условия его работы на срез, смятие и растяжение.

Если болтам придать большое предварительное натяжение, то возникающие вследствие значительного сжатия силы трения по контактирующим плоскостям способны полностью воспринять внешние усилия, приложенные к соединению.

Для изготовления высокопрочных болтов применяют легированные стали, так как они обладают хорошей прокаливаемостью, что обеспечивает более равномерное распределение механических свойств по сечению болта после его термической обработки (40X «селект», 48ХФА «селект» и др.).

Прочность соединений на высокопрочных болтах зависит от сил трения, возникающих по соприкасающимся плоскостям соединения под влиянием натяжения болтов. Соединение будет тем более эффективно, чем выше коэффициент трения. Для строительных конструкций повысить коэффициент трения можно за счет повышения шероховатости поверхностей, что достигается специальной обработкой поверхностей.

Расчет прочности соединения на высокопрочных болтах выполняют в предположении, что внешнее усилие распределяется между болтами равномерно.

Расчетное усилие, воспринимаемое поверхностью трения под одним высокопрочным болтом, определяют по формуле:

,

где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта ,

– наименьшее временное сопротивление материала болта разрыву (табл. 61 СНиП [1]);

– коэффициент трения, зависящий от способа обработки соединяемых плоскостей и определяемый по табл. 36 СНиП [1];

– коэффициент надежности соединения, зависящий от характера нагрузки, воспринимаемой соединением, разности номинальных диаметров отверстий и болтов, от способа контроля натяжения болтов и от способа обработки поверхностей соединяемых деталей, =1,02–1,70 (табл. 36 СНиП [1]);

– коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия, =0,8–1,0.

Количество высокопрочных болтов в соединении:

,

где – число плоскостей трения соединяемых элементов.

При конструировании болтовых соединений следует стремиться к передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем при условии обеспечения удобства выполнения соединения.

Болты располагают в соединении по прямым линиям – рискам, параллельным действующему усилию. Расстояние между смежными рисками называют дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами – шагом. Расстояние между центрами болтов нормируется, исходя из прочности элементов соединения и удобства выполнения работ. Размещение болтов по рискам может быть рядовым или шахматным (рис. 35).

Рис. 35. Расположение болтов:

а – шахматное; б – рядовое

Шаг болтов регламентируется СНиП [2]. Минимальное расстояние определено из условия прочности основного материала между отверстиями, максимальное – из условия обеспечения плотности соединения при его работе на растяжение и устойчивости отдельных элементов соединения в промежутках между болтами – при восприятии сжимающих усилий.

В расчетных стыках и узлах прикрепления элементов для уменьшения расхода металла на накладки необходимо принимать минимальный шаг болтов.

В слабо нагруженных соединениях шаг болтов необходимо назначать максимальным для уменьшения их количества.

При конструировании болтовых соединений следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах каждого конструктивного элемента и к наименьшему числу диаметров болтов во всем сооружении. Наибольшее применение в конструкциях средней мощности находят болты диаметром 20– 24 мм.

Стыки и прикрепления листового металла могут выполняться внахлестку и встык с применением односторонних или двусторонних накладок. Предпочтение отдается соединениям с двусторонними накладками, обеспечивающими симметричный силовой поток при передаче усилия с одного элемента на другой. Применение стыков с односторонней накладкой, а также соединений внахлестку вызывает отклонение силового потока в одну сторону от оси действия усилия, что приводит к изгибу листов под нагрузкой. Поэтому в таких соединениях количество болтов увеличивают на 10 % по сравнению с расчетом.

Стыки фасонного проката выполняют при помощи накладок. Уголковые соединения стыкуются обычно уголковыми накладками тех же профилей или листовыми накладками, если на каждой накладке можно поставить болты по двум рискам. Швеллеры и двутавры стыкуются при помощи листовых накладок.

Для нормальной работы соединения на высокопрочных болтах действительная сила трения должна строго соответствовать расчетной, что достигается определенной технологией контролируемого натяжения болтов.