Металлические конструкции в транспортном строительстве

Для двутаврового сечения радиус ядра в плоскости стенки составляет примерно 0,37h, а для прямоугольного – 0,16h, т. е. для сечения, например, с высотой 50 см и при эксцентриситете равном 16 см двутавр будет только сжат, а прямоугольник будет иметь уже разнозначную эпюру напряжения. Для того чтобы увязать эксцентриситет с радиусом ядра сечения, в нормах используют относительный эксцентриситет:

Третий фактор – форма сечения – учитывается только для стержней со сплошной стенкой. С этой целью для этих стержней вычисляется приведенный эксцентриситет:

где η – коэффициент влияния формы сечения на развитие пластических деформаций.

Коэффициент η зависит от того, какая часть сечения охватывается пластичностью при одной и той же эпюре напряжений. На рис. 3.9 приведены эпюра напряжений, где часть напряжений достигла предела текучести, и два двутавровых сечения, различно ориентированных относительно плоскости изгиба.

Из рисунка видно, что в первом случае (стенка двутавра совпадает с плоскостью изгиба) пластичностью охвачена значительно большая часть сечения (на рис. 3.9 эта часть сечения заштрихована), чем во втором (стенка двутавра перпендикулярна плоскости изгиба).

Коэффициент влияния формы отражает указанную разницу: чем большая часть сечения охватывается пластичностью при одинаковой эпюре напряжений, тем больше значение этого коэффициента. Например, для прямоугольника, а также для двутавра на рис. 3.9, в η = 1, для двутавра на рис. 3.9, б η = 2,5.

Значения коэффициента η приведены в нормативных документах в зависимости от вида сечения, относительного эксцентриситета и условий гибкости, которая равна:

51

ванию пластинок, т. е. к потере местной устойчивости (на рис. 3.10 изображена потеря местной устойчивости одной из полок). Следствием этого становится резкое уменьшение несущей способности всей конструкции. Для того чтобы местная устойчивость не ограничивала несущую способность всей конструкции, необходимо превышение или равенство напряжений, вызывающих потерю местной устойчивости отдельных пластинок, и напряжений, определяющих несущую способность конструкции по прочности или по общей устойчивости.

Рис. 3.10. Потеря местной устойчивости полки двутавра

При определении значений напряжений, при которых происходит потеря местной устойчивости, составные части сечений (пластинки) рассматриваются, как отдельные элементы с соответствующими закреплениями краев. Например, в двутавровом сечении полка рассматривается, как пластинка с одним защемленным и другим свободным краем, а стенка – как пластинка с двумя защемленными краями.

Условия закрепления краев пластинок изменяют не качественную сторону потери местной устойчивости, а только количественные значения критических напряжений. Следует отметить также, что потеря местной устойчивости зависит не от длины, а от ширины пластинки.

53

В нормах проверка местной устойчивости при однородном напряженном состоянии сводится к сравнению отношения h / t с предельным отношением:

Устойчивость стенок балок 1-го класса следует считать обеспеченной, если условная гибкость стенки:

не превышает значений:

3,5 – при отсутствии местного напряжения;

2,5 – при наличии местного напряжения.

Расчет поперечных и продольных ребер жесткости приведен в нормативной литературе.

Устойчивость сжатых поясов следует считать обеспеченной, если условная гибкость свеса пояса:

3.10. Расчет металлических конструкций на усталость

На усталость рассчитываются металлические конструкции, воспринимающие многократно действующие, подвижные и вибрационные (динамические) нагрузки с количеством циклов загружений за весь период эксплуатации не менее 105. Принятый в нормах метод расчета основан на предположении, что появление усталости определяется действием наибольших нормальных напряжений. Исходя из этого предположения, проверочная формула имеет вид:

где σmax – наибольшее по абсолютному значению напряжение, определяемое с учетом ослаблений сечения и без учета коэффициента

54

динамичности и коэффициентов φ, φe, используемых при расчетах элементов на общую устойчивость;

α– коэффициент, зависящий от количества циклов загружения;

u – коэффициент, учитывающий характеристику цикла загру-

жения (отношение σmin / σmax), а также вид напряженного состояния (растяжения или сжатие);

fu – расчетное сопротивление усталости, назначаемое в зави-

симости от прочности металла и группы элементов, которые определяются видом концентратора напряжений.

Следует отметить, что расчетное сопротивление усталости слабо зависит от прочности металла. Например, при увеличении прочности металла (временного сопротивления) в 1,5 раза расчетное сопротивление усталости увеличивается только в 1,2 раза. Кроме того, высокопрочные стали более чувствительны ко всякого рода изменениям сечений, что имеет место, прежде всего, в болтовых и сварных соединениях. В этих местах расчетное сопротивление усталости высокопрочных сталей имеет такое же значение, как и сталей малопрочных. Из сказанного следует, что применение высокопрочных сталей в металлических конструкциях, воспринимающих многократно повторяющиеся нагрузки, в большинстве случаев является неэффективным.

3.11. Расчет элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения

Центрально и внецентренно растянутые элементы, а также растянутые зоны изгибаемых элементов, эксплуатируемых при температурах ниже –30 ºC, необходимо проверять на прочность с учетом хрупкого разрушения.

Способствует хрупкому разрушению, кроме вышеуказанных факторов, вид реза металла: при гильотинной резке вероятность хрупкого разрушения возрастает. Также следует отметить, что стали повышенной и высокой прочности (ƒud > 420 МПа) более подвержены хрупкому разрушению, чем стали обычной прочности.

Другие факторы, способствующие хрупкому разрушению: низкая температура, динамические нагрузки, местные (локальные) напряжения, концентрация напряжений.

55

Для повышения сопротивляемости хрупкому разрушению следует: избегать расположения сварных швов в растянутой зоне, особенно сварных швов, расположенных перпендикулярно к направлению напряжений; избегать пересечения сварных швов; при сварке применять выводные планки; по возможности не использовать решетчатые конструкции; отдавать предпочтение тонкостенным профилям. Необходим правильный выбор марок и толщин стали по нормативным документам (для предотвращения слоистого разрушения, образующегося под действием сварки в толстостенных элементах из низколегированной стали). Склонность проката к слоистым разрушениям следует определять при испытаниях. Дефекты необходимо контролировать с помощью ультразвуковой дефектоскопии.

56

4.СОЕДИНЕНИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ

4.1.Болтовые соединения

По способу восприятия сдвиговых усилий различают болтовые соединения на обычных болтах и на высокопрочных. В соединениях на обычных болтах сдвиг воспринимается за счет работы самих болтов на срез и соединяемых элементов на снятие. В соединениях на высокопрочных болтах сдвиг воспринимается силами трения, возникающими между соединяемыми элементами при их обжатии болтами, при этом сами болты работают на растяжение. Сила натяжения обычного болта не контролируется и не учитывается при расчете. Натяжение высокопрочных болтов является величиной контролируемой, т. к. оказывает решающее влияние на несущую способность соединения. Кроме сдвигоустойчивых соединений существуют еще фланцевые соединения, где болты работают на растяжение. Такие соединения рекомендуется выполнять на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением.

4.1.1. Болтовые соединения на обычных болтах

Соединения образуются постановкой в проколотые или просверленные отверстия болтов с последующим закручиванием гаек. Под гайку, а иногда и под головку болта, ставят шайбу. По точности изготовления болты подразделяются на классы «С», «В» и «А». Класс точности «С» допускает плюсовые и минусовые допуски при изготовлении болта, например, при номинальном диаметре болта 20 мм его фактический диаметр может быть в интервале 19,45–20,84 мм. То же допускается для болтов класса точности «В», но в меньшем интервале. Болты класса точности «А» могут иметь только минусовые допуски. Для болта с номинальным диаметром 20 мм его фактический диаметр может быть в интервале 19,72–20 мм. Болты точности «С» и «В» ставят в отверстия, диаметр которых на 2–3 мм больше диаметра стержня болта. При сборке соединений на болтах точности «С» и «В» допускается несовпадение («чернота») отверстий. Болты точности «А» ставятся в отверстия, равные диаметру болта («чернота» здесь не допускается). Соединения на болтах класса точности «В» и «С» являются более простыми в изготовлении

57

(отверстия можно сверлить или колоть отдельно в каждом соединяемом элементе), но такие соединения являются более деформативными и в них возможна неравномерность в распределении усилия между болтами. Соединения на болтах класса точности «А» являются более трудоемкими, но зато менее деформативными. Такие соединения используются преимущественно в конструкциях, работающих на динамические нагрузки. При динамических нагрузках для предотвращения самооткручивания гаек следует использовать контргайки или пружинные шайбы, если соединение работает на сдвиг и только контргайки, если соединение работает на отрыв.

При размещении болтов ограничиваются как минимальные расстояния между болтами, так и максимальные. Минимальные расстояния определяются из условия прочности металла соединяемых элементов, максимальные – из условия плотности соединений. Из этих же условий определяются минимальные и максимальные расстояния от центра болта до края элемента. При размещении болтов следует также учитывать минимальные расстояния, необходимые для закручивания гаек.

4.1.2. Расчет соединений на обычных болтах

Металлы для болтов подразделяются на классы: 4.6, 5.6, 4.8, 5.8, 6.6, 8.8, 10.9. Первая цифра, умноженная на 10, – это временное сопротивление в кН/см2; произведение первой и второй цифр равно пределу текучести металла, также в кН/см2. Выбор болтов производится в зависимости от климатического района, вида нагрузки (статическая или динамическая) и вида напряженного состояния (растяжение или срез).

Несущая способность болтового соединения определяется как прочностью металла болта, так и прочностью металла соединяемых элементов. Металл болта находится в сложном напряженном состоянии (рис. 4.1). В рабочем состоянии в болтах возникают следующие усилия: растяжение, изгиб, срез и скручивание. По действующим нормам расчет болтов выполняется только на срез, поэтому этот расчет следует считать условным.

Также в сложном напряженном состоянии находятся и соединяемые элементы (рис. 4.2). В соединяемых элементах возникают напряжения растяжения, сжатия и смятия.

58