Глава XII

КОНСТРУКТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

§ 1. Понятие о конструктивной прочности

Вопрос о том, какое явление следует принимать в качестве признака наступления предельного состояния при оценке проч­ности конструкции, в научной литературе освещен слабо. При расчетах на прочность могут быть приняты следующие предель­ные состояния; а) наступление текучести металла, б) нараста­ние пластических деформаций без повышения нагрузки (для одноосного растяжения гладкого стержня это соответствует до­стижению а_а), в) наступление разрушения (появление первых трещин и макронесплошностей в металле), г) распространение разрушения с разделением конструкции на части, д) потеря устойчивости и некоторые другие.

Расчет на прочность при статической нагрузке, когда сопо­ставляют ег_т с напряжениями, действующими в конструкции, строго говоря, не является расчетом на прочность, так как он не рассматривает разрушение металла, а ограничивает наступле­ние текучести в нем. Тем не менее, наступление текучести в эле­менте весьма часто принимается как предельное состояние при оценке прочности конструкций, работающих под статическими пли мало изменяющимися нагрузками.

Естествен вопрос, для каких материалов и типов конструк­ций следует и;пользовать те или иные предельные состояния при оценке статической прочности сварных конструкций. Для кон­струкций из пластичных металлов, если пластичность не утра­чивается в результате технологических операций, процессов ста­рения, напряженного состояния или снижения температуры, предельным состоянием обычно считают наступление текучести в расчетном элементе без учета концентрации напряжений. Такой подход является оправданным потому, что пластичный металл оказывается способным воспринять значительную

261

пластическую деформацию в концентраторах без разрушения, прежде чем наступит текучесть элемента в целом. Например, расчет комбинированных сварных соединений (с лобовыми, фланговыми и тавровыми швами) предполагает, что металл швов способен перенести без разрушения такие пластические де­формации, благодаря которым сварное соединение передает нагрузку равномерно через все свои составные элементы.

Для конструкций'и отдельных элементов из пластичных ме­таллов, не имеющих значительных концентраторов напряжений, дли которых изменение начальных размеров в результате пла­стических деформаций допустимо, в качестве предельного состояния иногда принимают сг_в (для одноосных растяжений) или максимально возможное давление р_тат (в сосудах), когда пластические деформации нарастают без повышения нагрузки. Это возможно потому, что при достаточной пластичности метал­ла и незначительных концентраторах напряжения в основном несущем элементе могут достигнуть а_в прежде, чем в зоне кон­центрации будет достигнуто истинное разрушающее напряже­ние Одр и наступит разрушение. Такой метод опенки предельной прочности применяется иногда для стержней и сосудов, работа­ющих под внутренним давлением.

Оценка прочности конструкций из металлов малопдлстичных и пепластичных является более сложной задачей. Для таких металлов характерно сближение величин а_и и а_т и резкое повы­шение чувствительности металла к концентрации напряжений. Становится весьма существенным влияние на прочность таких факторов, как конструктивные формы, технология изготовления и условия нагружения конструкции. Попытки использовать для ыалопластичпых металлов в качестве предельных состояний на­ступление текучести или тем более достижение 0„ неоднократно приводили к крупным просчетам в оценке действительной проч­ности конструкций из подобных материалов. Разрушения в кон­центраторах наступали до того, как в основных несущих сече­ниях конструкции достигалось о_т, не говоря уже о а_в. При оцен­ке прочности конструкций из малопластичных металлов пре­дельным состоянием следует считать наступление разрушения в наиболее опасной точке конструкции. Величина средних напря­жений в расчетных сечениях при этом может оказаться сущест­венно меньше о_т, если в конструкции имеются острые концент­раторы или зоны с резко пониженными пластическими свойства­ми металла.

Аналогичное положение наблюдается при работе конструк­ций под переменными нагрузками. Разрушение металла в зоне концентрации напряжений наступает при средних напряжениях, меньших ov Попытки расчета конструкций под переменную на­грузку по предельному состоянию наступления текучести при статическом нагружении оказались несостоятельными: конструк-

262

ции, рассчитанные по такому методу, нередко разрушались, вызывая аварии.

Лишь переход к предельному состоянию, при котором исполь­зуется наступление разрушения от переменных нагрузок (появление усталостной трещины), вывел конструкторов на пра­вильный путь оценки действительной прочности. Аналогичная лпртнна наблюдается в настоящее время при расчете конструк­ций, работающих при низких температурах, когда пластичный при комнатных температурах металл становится малопластич-,!ым при отрицательных температурах.

Сварные конструкции обычно содержат различные по форме .1 остроте концентраторы, имеют зоны с разнообразными свой­ствами металла. Учет всего многообразия указанных факторов чрезвычайно усложня­ет расчеты. Во внима­ние принимаются лишь основные из них. По­этому оказывается, что даже- при правильно иыбранном- для расче-конструкщш пре­дельном состоянии ре­альная или ■ конструк­тивная, прочность изде-

ТП->1^! МОЖСТ ОТКЛОНЯТЬСЯ

') ту-нли иную сторону от расчетной. Под конструктивной проч-чосп'Ю обычно понимают прочность конструкции, получаемую м рез^мьтате испытании при конкретных, формах изделия, свой­ствах материала, характере действия нагрузок, средъг и техноло­ги изготовления.

Стремление уменьшить вес конструкции заставляет создавать ■лес «''олее прочные материалы и использовать их при высоком урп'.ше рабочих напряжений. При этом, в качестве предельного состояния часто принимают такую нагрузку, когда дальнейшее нарастание пластических деформаций происходит без се увели­чения. (В случае одноосного нагружения это соответствует вре­менному сопротивлению а_в). Практика изготовления таких кон­струкций показала/что в ряде случаев имеется существенное расхождение между расчетной и конструктивной прочностью.

На рис. 12-1, а, составленном на основе опытных данных, по­казана зависимость прочности конструкции Ск от а . Повышение прочности материала достигнуто различной термообработкой. Из рисунка видно, что зависимость <x_K=-f(cr_B} имеет максимум, и увеличение предела прочности сверх величины a_Bi вы­зывает уже не возрастание, а резкое уменьшение прочности

Рис. 12-1. Схематическая зависимость а_к от временного сопротивления а_в (а) и от темпе­ратуры испытания Т (б)

263

конструкции о_к. Это можно объяснить тем, что с ростом сг_в рас­тет чувствительность материала к концентрации напряжений, причем более резко это проявляется в условиях нагружения кон­струкции, а не образца, так как в конструкции неблагоприятное сочетание факторов, снижающих прочность, более вероятно, чем в образце.

Нечто аналогичное наблюдается для некоторых материалов с понижением температуры Т (рис. 12-1,6). Несмотря на рост временного сопротивления при снижении температуры, конструк­тивная прочность падает. Это означает, что расчет по о_в теряет смысл, так как свойства материала конструкции, уровень при­мененной технологии и конструктивные формы изделия не обес­печивают достижения в конструкции этого уровня напряжений.

Если бы во внимание были приняты реальные свойства ме­талла и концентраторы напряжения, а расчет был выполнен по предельному состоянию наступления разрушения, то столь зна­чительного противоречия между расчетной и конструктивной прочностью не обнаружилось бы. Следует однако заметить, что расчет на прочность с учетом концентрации напряжений и ло­кального- изменения свойств материала в настоящее время раз­работан в незначительной мере и, по-видимому, на первых по­рах будет пригодным только для простейших конструкций.

Нередко возникает необходимость в определении запаса конструктивной прочности, найденной путем испытаний, по сра­внению с нормальными эксплуатационными условиями нагру­жения до наступления предельного состояния. Этот запас мо­жет быть определен двумя способами. Первый способ заклю­чается в сравнении напряжений или нагрузок, вызывающих наступление предельного состояния, с действующими в конст­рукции напряжениями или нагрузками при ее эксплуатации. Этот способ оценки наиболее распространен. Он отражает тра­диционный прием сравнения действующего напряжения с допу­скаемым напряжением или с пределом текучести металла и мо­жет использоваться, когда в качестве предельного состояния принимается наступление текучести в несущем расчетном эле­менте.

Однако, если в качестве предельного состояния при испыта­нии конструкции принимается наступление разрушения или достижение а_в, такой способ количественной оценки запаса кон­структивной прочности оказывается малопригодным. Объясняет­ся это тем, что зависимость между деформациями и напряже­ниями (рис. 12-2) за пределами упругости имеет нелинейный характер и сравнение напряжений между собой не отражает способности конструкции выдерживать пластические деформа­ции без разрушения.

Более объективной является оценка запаса конструктивной прочности вторым способом — путем сравнения величины дефор-

264

мадии несущего элемента, которая достигается в момент наступ­ления предельного состояния, с деформацией металла в этом элементе, возникающей от действующих или расчетных нагру­зок. Обоснованность такого подхода вытекает из того факта, что зависимость между напряжениями и деформациями имеет нели­нейный характер и при а>а_т большим изменениям деформаций соответствуют малые приращения напряжений (рис. 12-2).

Если в этой области производить оценку запаса по напря­жениям, то окажется, что конструкции, разрушающиеся при

Рис. 12-2. Диаграммы зависимости и от Е для различных металлов

напряжениях, соответствующих точкам 1 и 2, имеют примерно одинаковый запас конструктивной прочности. Между тем извест­но, что конструкции, разрушающиеся после малой пластической деформации (точка /), обладают значительно меньшей надеж­ностью, чем конструкции, разрушающиеся после большой пла­стической деформации (точка 2).

Ухудшение свойств металла, переход к неблагоприятным схе­мам напряженного состояния, накопление повреждений в метал­ле приводят, в первую очередь, к уменьшению деформационной способности и лишь затем к заметному падению разрушающих напряжений или нагрузок. При этом, как следует из рис. 12-2, переход из точки 2 в точку 3 вследствие уменьшения деформа­ционной способности конструкции не вызывает заметного пони­жения напряжений, но приближает конструкцию к тому момен­ту, когда она будет разрушаться при напряжениях, меньших а _т (точка 4), Сравнение между собой средних деформаций в несу­щем элементе конструкции отражает реальный запас деформа­ционной способности, а следовательно, и конструктивной проч­ности.

Следует различать между собой такие понятия, как предель­ное состояние, расчетное предельное состояние и предельное на­пряженное состояние.

265

Расчетные предельные состояния могут включить несколько предельных состояний. Классификация, принятая в строительных нормах и правилах (СНиП), вводит три расчетных предельных состоянии (см. главу IV).

Предельным напряженным состоянием называется такое на­пряженное состояние металла, которое соответствует либо нача­лу его разрушения, либо наступлению текучести, либо возникно­вению иного физического процесса, почему-либо недопустимого, нежелательного или опасного.