книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

Т а б л и ц а 3.10. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для сварных нахлесточных соединений

(сталь марки М16С)

Эти результаты свидетельствуют об очень низкой вибрацион­ ной прочности сварных нахлесточных соединений, многие из ко­ торых уступают даже вибрационной прочности клепаных соеди­ нений.

Самая низкая вибрационная прочность наблюдается у соеди­ нений с боковыми швами. Разрушение таких соединений всегда происходит в сечении по основному металлу, расположенному у концов сварных швов. Это объясняется наиболее значительной концентрацией напряжений в этом сечении. Максимальные на­ пряжения имеют место в точках, расположенных у концов швов. Именно здесь и начинаются разрушения.

Соединения с лобовыми швами также характеризуются низкой вибрационной прочностью, хотя она и несколько выше, чем в слу­ чае нахлесточного соединения с боковыми швами. Разрушение соединения с лобовыми швами всегда происходит по основному металлу и начинается в наиболее перенапряженных точках, рас­ положенных на границе лобовых швов. Применение швов с раз­ ными катетами, несколько снижает концентрацию напряжений соединения и повышает его вибрационную прочность. Однако эта мера является малоэффективной. Даже применение механической обработки поверхности сварных соединений в месте перехода от швов к основному металлу не может должным образом снизить концентрацию напряжений и повысить вибрационную прочность. Результаты исследований Б. Н. Дучинского показали, что только в случае, когда толщина накладок 'будет увеличена в два раза по сравнению с требуемой по условиям их прочности, а размеры сварных швов будут увеличены до соотношения катетов 1 : 3,8 и когда, кроме того, будет обеспечен плавный переход дополнитель­ ной механической обработкой, только тогда вибрационная проч­ ность сварного нахлесточного соединения может быть повышена до уровня вибрационной прочности основного металла. Но в этом

случае полностью пропадает основное преимущество сварного нахлесточного соединения (простота его изготовления), а поэтому применение всех перечисленных мер вряд ли может быть при­ знано целесообразным.

Низкие характеристики вибрационной прочности нахлесточных соединений могут служить объяснением причин появления преждевременных разрушений некоторых сварных конструкций, воспринимающих переменные нагрузки (мостовых кранов, под-

Рис. 3.21. Диаграмма значений пределов выносливости для различных соединений из малоуглеродистой стали

крановых балок, пролетных строений железнодорожных мостов и т. п.), в которых эти соединения иногда допускались в сильно напряженных участках главных элементов конструкции. Опыт эксплуатации таких конструкций послужил основанием для того, чтобы отказаться от применения нахлесточных соединений в от­ ветственных узлах и допускать их только для второстепенных слабо нагруженных узлов сварных конструкций (для связей и других вспомогательных элементов).

На рис. 3.21 дана общая оценка вибрационной прочности раз­ личных сварных соединений, составленная на основании приве­ денных выше данных.

Штриховыми линиями отмечены уровни пределов выносливости основного металла и клепаного соединения с накладками.

§ 13. МЕРЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

При использовании результатов испытаний сварных соедине­ ний ударной и вибрационной нагрузками следует иметь в виду, что они не всегда в полной мере отражают реальные условия ра­ боты конструкций и что критерии прочности сварных соединений при динамической нагрузке в ряде случаев окончательно еще не установлены.

Поэтому для сварных соединений целесообразно применять метод сравнительной оценки, сопоставляя отдельные характери­ стики их динамической прочности с соответствующими характе­ ристиками, полученными для некоторых эталонных образцов.

В качестве таких эталонов, с одной стороны, может быть при­ нято клепаное соединение, которое достаточно полно проверено многолетним опытом эксплуатации различных конструкций. Ха­ рактеристики динамической прочности клепаного соединения могут быть приняты в качестве некоторых минимально допустимых пределов. С другой стороны, в качестве эталона может быть при­ нят образец из основного металла. Характеристики динамической прочности образца из основного металла следует рассматривать в качестве некоторого верхнего предела.

Производя оценку динамической прочности различных сварных соединений и узлов по вышеуказанным крайним пределам, можно установить оптимальные формы сопряжений, а также наметить пути их дальнейшего совершенствования.

Многообразие форм сварных соединений предоставляет боль­ шие возможности для создания конструкций, которые являются более совершенными, чем клепаные конструкции, и превосходят их по работоспособности.

При оценке прочности различных по форме сварных соеди­ нений необходимо учитывать концентрацию напряжений и ее влияние на прочность в зависимости от вида нагрузки.

Для наиболее характерных в сварных конструкциях соедине­ ний встык и впритык коэффициенты концентрации напряжений значительно ниже, чем для клепаных соединений. Для сварных соединений внахлестку, а также для некоторых других отдельных случаев сопряжения коэффициент концентрации напряжений мо­ жет быть более высоким.

При статических и ударных нагрузках процесс разрушения сварных соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталей сопровождается значительными пластическими деформа­ циями, поэтому в этих условиях концентрация напряжений, за исключением некоторых особых случаев, на прочность влияния не оказывает.

При действии статической нагрузки в условиях нормальных температур в конструкциях могут быть использованы все обычные формы сварных соединений, в том числе и сварные соединения

внахлестку, которые обеспечивают более простые условия сборки. При эксплуатации конструкций в условиях действия низких температур, когда возможны случаи хрупких разрушений, не­ обходимо ограничивать применение соединений с особо резкими изменениями формы. Кроме того, в этих условиях большое поло­ жительное значение может иметь также применение низколеги­

рованной стали.

При вибрационной нагрузке необходимо применять более со­ вершенные формы сопряжения. В этих случаях следует избегать применения соединений внахлестку. Наилучшим типом соедине­ ния будет соединение встык, характеризующееся наименьшими изменениями формы. Для стыковых соединений дополнительная механическая обработка поверхности не является обязательной и может применяться только для исправления поверхностных де­ фектов. Для тавровых соединений, характеризующихся более зна­ чительными изменениями формы, дополнительная местная меха­ ническая обработка поверхности переходов от швов к основному металлу может являться уже более необходимой.

Повысить вибрационную прочность можно поверхностным на­ клепом. Эта мера получила наиболее широкое применение в кон­ струкциях машиностроительного типа, для которых действие вибрационной нагрузки является наиболее характерным. Для многих машиностроительных конструкций разработаны опреде­ ленные приемы осуществления поверхностного наклепа.

В конструкциях общего назначения, для которых нагрузка может характеризоваться не только наличием отдельных пере­ менных составляющих, но также и значительной долей постоянной составляющей, применение поверхностного наклепа не дает та­ кого положительного эффекта, как в машиностроении. Это объ­ ясняется тем, что степень повышения вибрационной прочности при наклепе проявляется главным образом при большом количе­ стве циклов переменной нагрузки, что характерно для конструкций машиностроительного типа. При малом количестве циклов дей­

зультаты ряда исследований, весьма полезным для прочности кон­ струкций оказывается их предварительное нагружение, которое должно производиться при положительной температуре. Предва­ рительное загружение оказывается также полезным и для кон­ струкций, работающих в условиях вибрационной нагрузки, по­ этому его можно рекомендовать, как меру повышения прочности сварных соединений при любых условиях эксплуатации. В ка­ честве такого предварительного загружения вполне целесообраз­ ным является пробное испытание конструкций, производимое при сдаче их в эксплуатацию.

Г л а в а IV

ОСНОВЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И ВЫНОСЛИВОСТЬ

§ 14. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ

При проектировании конструкций оценка их прочности про­ изводится на основании расчетов, которые сводятся в основном к определению напряжений, возникающих в отдельных элементах и частях конструкций под действием различных нагрузок, и к проверке условий прочности, гарантирующих безопасность эксплуатации. Условия прочности записываются обычно в виде некоторого уравнения и выражают связь между прочностными характеристиками материала и вычисляемыми при расчете на­ пряжениями.

Все принятые в строительной механике расчеты, являются приближенными. Вычисление напряжений производится на ос­ новании допущений, принятых в курсе сопротивления материа­ лов. Это вызвано сложностью учета сил, действующих на соору­ жение, трудностью определения действительных значений напряжений в отдельных частях конструкций, наличием неодно­ родности свойств применяемых материалов, а также трудностями учета многих других факторов, оказывающих влияние на каче­ ство конструкции, к числу которых следует отнести производ­ ственные условия, имевшие место при изготовлении, и некоторые другие. Все это и создает условия, при которых полный и точный учет всех отмеченных факторов, является невозможным. При этом оказывается нерациональным также и применение более точных методов вычислений напряжений.

Применяемые приближенные методы расчета дают возможность получить решение с меньшей затратой времени. Однако расчеты нуждаются в дополнительной корректировке, которая произво­ дится на основании опыта, накопленного в процессе изготовления, эксплуатации и экспериментального исследования различных кон­ струкций. По мере развития техники совершенствуются и методы расчета конструкций.

В соответствии с различными условиями работы конструкций должны выбираться и методы их расчета. В настоящее время существуют два основных метода расчета конструкций, сущность которых изложена ниже.

Расчет по допускаемым напряжениям. При расчете конструк­ ций по допускаемым напряжениям условие прочности имеет вид

Здесь а — напряжение в опасном сечении элемента; [о] — до­ пускаемое значение напряжений.

Для безопасности сооружения допускаемое напряжение должно составлять лишь некоторую часть от предела текучести (или, как это принято для хрупких материалов, от предела прочности)

где п — коэффициент запаса.

Правильный выбор коэффициента запаса имеет такое же влия­ ние на окончательный результат расчета, как и правильное опре­ деление величины и характера действующей нагрузки и опреде­ ление напряжений в элементах конструкции. В связи с этим выбор норм допускаемых напряжений должен быть увязан в целом с ме­ тодами применяемых расчетов. Поэтому для наиболее характерных

нормы допускаемых напряжений. Так, например, для строитель­ ных конструкций общего типа допускаемое напряжение в случае применения стали марки Ст.З составляет [а] = 1600 кгс/см2 =

=160 МПа.

Для пролетных строений железнодорожных мостов для той же

марки стали оно составляет [а] = 1400 кгс/см2 == 140 МПа. При этом значение допускаемых напряжений устанавливается только для основных напряжений, а величина местных напряже­ ний (т. е. наибольших напряжений в месте концентрации, создан­ ной изменением формы или условиями передачи нагрузки) не ограничивается нормой допускаемых напряжений.

Основные напряжения (характеризующие собой некоторое усреднение значения напряжений) вычисляются на основании общеизвестных допущений, принятых в формулах, установлен­ ных в сопротивлении материалов.

При действии осевых нагрузок напряжения вычисляют исходя из предположения об их равномерном распределении, по формуле

где Р — осевое усилие; F— площадь поперечного сечения элемента. При действии изгибающего момента нормальные напряжения

вычисляются по формуле

где М — изгибающий момент; W — момент сопротивления се­ чения.

Метод расчета по допускаемым напряжениям достаточно прост. Это является его основным достоинством. Однако его недостатком является то, что выбор допускаемых напряжений или установле­ ние коэффициента запаса производится без достаточно полного учета всех условий работы конструкций, связанных с особенно­ стями действия различного рода нагрузок, с наличием возможных изменений свойств отдельных применяемых материалов и с дру­ гими условиями эксплуатации.

В связи с этим за последние годы была разработана новая методика расчета конструкций, получившая название расчета по предельным состояниям. Эта методика используется сейчас при проектировании всех строительных конструкций. Предполагается, что на основе обобщения необходимого опыта она будет посте­ пенно распространена и на другие области производства.

Особенности расчета по предельным состояниям. Предельным состоянием конструкции называется такое состояние, при котором она перестает удовлетворять предъявленным к ней эксплуата­ ционным требованиям, т. е. перестает оказывать сопротивление внешним воздействиям или получает недопустимые деформации или местные повреждения.

Установлены следующие три расчетных предельных со­ стояния:

первое предельное состояние, определяемое несущей способ­ ностью элемента (прочностью, устойчивостью или выносливостью); второе предельное состояние, характеризующееся развитием

чрезмерных деформаций; третье предельное состояние, характеризующееся образова­

нием или раскрытием трещин.

Первое предельное состояние относится к расчету отдельных элементов сварных конструкций и к расчету сварных соединений.

Второе предельное состояние относится ко всему сооружению в целом.

Третье предельное состояние применяется главным образом к железобетонным конструкциям (при раскрытии трещин в рас­ тянутой зоне бетона).

При проектировании конструкций условие прочности по пре­

Здесь N — расчетное воздействие или наибольшая расчетная на­ грузка (усилие или момент); F — геометрическая характеристика сечения (площадь, момент сопротивления и т. п.);

R — расчетное сопротивление материала; т — коэффициент условий работы.

Наибольшая расчетная нагрузка определяется суммой про­ изведений нормативной нагрузки данного вида (т. е. нагрузки

нормальной интенсивности) на соответствующий коэффициент перегрузки

где Ni -— нормативная нагрузка; и - — соответствующий ей коэф­ фициент перегрузки.

Расчетное сопротивление материала R представляет собой произведение наименьшего опасного напряжения, при котором может наступить разрушение и которое называется нормативным сопротивлением Ru (для стали это предел текучести ат), на коэф­ фициент однородности материала k

Он может учитывать опасность хрупких разрушений, неблаго­ приятное влияние агрессивной среды и других факторов.

с применением электродов типов Э42, Э42А, Э50А и Э55, норма­ тивные сопротивления растяжению и сжатию принимаются рав­ ными нормативным сопротивлениям растяжению или сжатию прокатной стали свариваемой конструкции. Нормативные со­ противления срезу для металла сварных угловых швов прини­ маются равными нормативным сопротивлениям растяжению, ум­ ноженным на коэффициент, равный 0,7,

Т а б л и ц а 4.4. Расчетные сопротивления RCB в кгс/см2 (10 МПа)

сварных швов, выполненных аргоно-дуговой сваркой в конструкциях из алюминиевых сплавов

Коэффициенты однородности металла сварных швов прини­ маются такими же, как и для основного металла.

С целью повышения гарантии обеспечения высокого качества сварных стыковых соединений, выполненных ручным способом с применением электродов типов Э42, Э42А, Э50А и Э55, а также полуавтоматическим способом под флюсом, рекомендуется приме­ нять контроль просвечиванием. Для случаев, когда контроль ка­ чества сварных стыковых швов осуществляется только наружным осмотром, коэффициенты однородности понижаются на 15%.

Приведенные значения расчетных сопротивлений для стыковых швов относятся к соединениям, выполненным двусторонней свар­ кой или односторонней сваркой с подваркой корня шва или с при­ менением обеспеченного формирования шва с обратной стороны.

Для односторонних стыковых швов, в которых формирование шва с обратной стороны не обеспечено, расчетные сопротивления снижаются путем умножения на коэффициент 0,7.

Принципиальное отличие нового метода расчета по предельным сопротивлениям от старого метода (по допускаемым напряже­ ниям) состоит в том, что при новом методе расчета общий коэф­ фициент запаса учитывается тремя коэффициентами: коэффициен­ том перегрузки п; коэффициентом однородности k и коэффи­ циентом условий работы т.

Более дифференцированный метод учета общего коэффициента запаса позволяет более обоснованно подойти к его определению, учитывая своеобразие в условиях действия отдельных нагрузок, в свойствах различных материалов, а также и в различных усло­ виях работы конструкций.

Разделение одного коэффициента запаса на три независимых коэффициента позволяет более правильно характеризовать все особенности условий работы данной конструкции (учитывая от­ дельно особенности нагрузок, материала и условий эксплуатации).

Так, например, коэффициент перегрузки от собственного веса и гидростатического давления принят равным п = 1,1, от ветра