Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

А. М. БОЛДЫРЕВ, В. В. ГРИГОРАШ

СВАРКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ: ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ И ОБОРУДОВАНИЕ

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским советом Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям «Строительство», «Транспортное строительство»,

«Автоматизированные технологии и производства»

Воронеж 2009

1

УДК 621.791:69(075.8) ББК 38.634я73

Б 791

Рецензенты:

кафедра оборудования и технологии сварочного производства Воронежского государственного технического университета:

И.И. Иванов, д-р техн. наук, профессор кафедры сварки Воронежского государственного университета;

Болдырев, А. М.

Б 791 Сварка в строительстве: технология сварочных работ и оборудование:

курс лекций / А.М. Болдырев, В.В. Григораш; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. -

Воронеж, 2009. — 114 с.

ISBN 978-59040-208-0

В курсе лекций изложена технология сварочных работ в строительстве. Описываются физические основы сварки металлов; физические процессы, происходящие в сварочной дуге; тепловые процессы при сварке плавлением; строение сварного соединения и т.д. Дается понятие физической и технологической сущности процесса сварки, приводится механизм возникновения сварочных напряжений и способы их уменьшения.

Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлениям «Строительство», «Транспортное строительство», «Автоматизированные технологии и производства» и может использоваться для специальной подготовки ИТР, аттестуемых на право руководства сварочными работами на объектах подконтрольных Ростехнадзору.

Ил.91..Табл. 13.

УДК 621.791:69(075.8) ББК 38.634я73

2

3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………113

4

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

ЛЕКЦИЯ 1 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

1.1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ — ОСОБЫЙ ВИД СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Строительная отрасль является одной из самых материалоемких отраслей экономики.

Затраты на материалы в строительстве составляют более половины общей стоимости строительно-монтажных работ (СМР). И хотя в современном строительстве в большом объеме применяется сборный и монолитный железобетон, без металлических конструкций в настоящее время не строится ни одно здание, ни одно инженерное сооружение.

Потребность в строительных металлических конструкциях чрезвычайно велика и ежегодно возрастает благодаря преимуществу металла по сравнению с другими конструкционными материалами.

Поэтому современный инженер-строитель должен иметь представления о структуре и свойствах металла, из которого изготавливаются металлические конструкции, о технологии изготовления и особенностях работы этих конструкций в эксплуатационных условиях.

Металлические конструкции незаменимы там, где необходимы пролеты большой протяженности, большая высота помещения, значительные нагрузки.

Несмотря на большое разнообразие конструктивных форм, все металлические конструкции объединены двумя основными факторами, позволяющими изучать металлоконструкции как единый вид.

Во-первых, исходным материалом всех строительных металлоконструкций является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту или сертификату (лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т. п.).

Это обеспечивает постоянство физических и химических свойств исходного материала, а следовательно, и постоянство прочностных его свойств и высокую точность расчетов конструкции на прочность и деформации при различных нагрузках.

Во-вторых, все металлоконструкции объединены общим технологическим процессом, в основе которого лежат два этапа изготовления:

а) заготовительные операции (сюда относятся раскрой и резка листового и профильного металла, гибка, пробивка или сверление отверстий, очистка металла, подготовка кромок под сварку и т. п.);

б) сборочные операции — соединение отдельных деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-клепаные или сборочно-сварочные и другие сборочные операции).

6

ЛЕКЦИЯ 1

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ФОРМАМ И НАЗНАЧЕНИЮ

Металлические конструкции по назначению и виду их конструктивных форм можно разделить на восемь групп.

1.Промышленные здания с цельнометаллическими или смешанными кар-

касами. Цельнометаллические каркасы применяются в зданиях с большими пролетами, высотами и оборудованных кранами большой грузоподъемности. В смешанных каркасах колонны изготавливают из железобетона, а на них монтируют металлические конструкции покрытия здания («шатер») и устанавливают подкрановые пути. Каркасы промышленных зданий являются наиболее сложными, ответственными и металлоемкими конструкциями.

2.Большепролетные покрытия применяют для зданий общественного назначения (спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, цирки, театры и т. п.), а также для специальных зданий промышленного назначения (самолетные ангары, авиасборочные цехи, лаборатории для испытания крупногабаритных объектов и т. п.). Эти здания имеют пролеты длиной 100 и более метров, перекрывать которые наиболее целесообразно металлическими конструкциями (балочными, рамными, арочными, висячими и др.).

3.Мосты и эстакады. Мостовые металлические конструкции применяют на железнодорожных и автомобильных магистралях. В этих сооружениях также применяют разнообразные системы — балочные, арочные, висячие и комбинированные.

4.Листовые металлические конструкции — сюда относятся резервуары для различных жидких и сухих веществ, трубопроводы большого диаметра (500—2000 мм), сооружения доменного комплекса, химического производства

инефтепереработки.

Листовые конструкции являются тонкостенными оболочками и должны быть не только прочными, но и герметичными, непроницаемыми для жидкостей или газов. Они часто эксплуатируются в условиях низких или высоких температур, в химически агрессивных средах. Этим условиям работы хорошо удовлетворяют такие металлы, как сталь, алюминиевые и титановые сплавы.

5.Башни и мачты. Эти металлоконструкции применяются для радиосвязи, телевидения, для опор линий электропередач. К этой группе металлоконструкций можно также отнести надшахтные копры, нефтяные вышки, дымовые и вентиляционные трубы и т. п.

6.Каркасы многоэтажных зданий применяют в гражданском строительстве в условиях плотной застройки городов, а также для некоторых промышленных зданий (например, многоэтажных автогаражей).

7.Крановые и другие подвижные конструкции. К ним относятся металли-

ческие конструкции мостовых, башенных, козловых кранов и крановперегружателей, конструкции крупных экскаваторов, разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений.

7

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

8. Металлические конструкции специального назначения — атомные элек-

тростанции, радиотелескопы, лыжные трамплины и др.

1.3. ДОСТОИНСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Широкое применение металлических конструкций в практике сооружения различных объектов объясняется следующими их достоинствами:

1.Высокая надежность металлических конструкций, которая обеспечива-

ется высоким сходством их действительной работы с расчетными предположениями. То есть заложенные в расчеты схемы распределения напряжений и деформаций (разумеется, если эти схемы составлены грамотно, с использованием вычислительной техники и современных положений строительной механики), с высокой вероятностью совпадают с реальным распределением напряжений и деформаций в металлоконструкциях. Это, как уже упоминалось, объясняется тем, что, в отличие от других строительных материалов, металл обладает большой однородностью структуры, постоянством химического состава и механических свойств независимо от времени и места его производства, достаточно близко соответствует расчетным представлениям о его упругой или упругопластической работе. Например, свойства бетона зависят от более чем 60-ти различных факторов (месторождение входящих в состав бетона ингредиентов, размер их зерен, погодные условия при изготовлении и твердении и др.). Поэтому свойства бетона колеблются в большом диапазоне, что заставляет проектировщиков закладывать в расчетах более высокие значения коэффициентов безопасности.

2.Высокая эффективность использования металла в строительных кон-

струкциях. Из всех изготавливаемых в настоящее время несущих строительных конструкций (железобетонные, каменные, деревянные) металлические конструкции при одинаковой несущей способности являются наиболее легкими.

Для оценки эффективности конструкционных строительных материалов используют так называемый коэффициент конструктивного качества К, который определяется путем деления средней плотности материала (удельного веса

металла) — ρ на расчетное сопротивление материала R.

K = ρR м−1 .

Чем меньше величина коэффициента К (т. е. чем меньше плотность и больше расчетное сопротивление материала), тем легче конструкция при одинаковой несущей способности.

Втабл. 1 представлены значения коэффициента конструктивного качества

Кдля различных строительных материалов.

Если принять коэффициент К для стали марки Ст3 за единицу, то, как следует из приведенной таблицы, вес конструкций из стали 60 и сплава Д16 будет составлять соответственно 46 % и 30 % от веса конструкции, изготовленной из

8

ЛЕКЦИЯ 1

Ст3. А деревянные и бетонные конструкции в 1,46 и в 5 раз соответственно тяжелее, чем конструкции из стали Ст3.

3.Высокая индустриальность металлоконструкций. Большим преимуще-

ством металлических конструкций перед конструкциями из других материалов является то, что большая их часть изготавливается в заводских условиях, с использованием более точных приспособлений и методов контроля качества изготовления. То есть металлоконструкции обладают высокой степенью индустриализации их изготовления. Да и монтаж металлоконструкций на месте возведения сооружения, производимый, как правило, специализированными монтажными организациями с помощью высокопроизводительной техники, также весьма индустриализирован.

4.Непроницаемость, герметичность металлоконструкций. Металлы об-

ладают не только значительной прочностью, но и высокой плотностью — непроницаемостью для жидкостей и газов. Высокая герметичность листовых металлоконструкций (газгольдеров, цистерн, нефте- и газохранилищ, атомных и химических реакторов и т. п.) обеспечивается соединением деталей и узлов с помощью сварки, применение которой является необходимым условием при изготовлении этих сооружений

1.4. НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие применение и обусловливающие использование специальных мер по их нейтрализации.

К этим недостаткам относится, во-первых, низкая коррозионная стойкость металлических (в первую очередь стальных) конструкций. Сталь, не защищенная от воздействия влажной атмосферы, а часто (что еще хуже) соприкасающаяся со средой, содержащей агрессивные газы, подвергается коррозии, т. е. разрушению под действием окружающей среды. Низкоуглеродистые стали при взаимодействии с атмосферой образуют на поверхности рыхлую окисную пленку, состоящую из окислов железа FeO, Fe2О3 и Fe3O4. Эта пленка не препятствует проникновению кислорода и других агрессивных элементов в металл, находящийся под пленкой. То есть окисная пленка, образующаяся на поверхности низкоуглеродистой стали (например, Ст3), не защищает металл от дальнейшего окисления. На-

9

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

личие в атмосфере агрессивных веществ, выхлопных газов, промышленных выбросов — СО2, SO2, NO2, NH3, HCl и др., повышает скорость коррозии сталей. О влиянии состава атмосферы на скорость коррозии сталей можно судить по следующим данным: в сельской местности годовые потери металла из-за коррозии составляют 100—250 г/м2, а в городской промышленной (промышленной) — 450—550 г/м2. При неблагоприятных условиях (плохая антикоррозионная защита, выбросы или утечка агрессивных газов и т. п.) разрушение конструкции может произойти через два-три года с начала эксплуатации объекта.

Алюминиевые сплавы, благодаря образованию на поверхности деталей плотной защитной окисной пленки Al203, обладают значительно более высокой стойкостью против коррозии. Однако и они подвержены коррозии, особенно при неправильном проектировании конструкции или неправильной эксплуатации.

Хорошо сопротивляется коррозии чугун. Для повышения коррозионной стойкости металлоконструкций применяют специально легированные стали, периодическое покрытие конструкций защитными пленками (лаки, краски, кадмирование, цинкование, анодирование и др.).

Фактор коррозии конструкции необходимо учитывать еще на стадии проектирования. Надо стремиться выбирать такие формы элементов конструкции, при которых отсутствуют щели и пазухи — места скопления грязи, пыли, влаги, являющиеся очагами коррозии. Необходимо также предусматривать возможности удобного подхода к наиболее корродируемым участкам для их очистки и защиты при периодических осмотрах и ремонтах конструкции в процессе эксплуатации.

Во-вторых, для металлоконструкций характерна невысокая огнестойкость. Это связано с тем, что предел текучести σт металла с повышением температуры резко уменьшается и при определенной температуре, зависящей от марки металла, становится равным нулю. То есть металл становится настолько пластичным, что для его деформации практически не требуются никакие усилия и конструкция теряет устойчивость под действием собственного веса. Для конструкций из стали эта опасная температура находится в интервале 600—800 о С, а для алюминиевых сплавов — 300—400 оС (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость величины предела текучести σт от температуры

10