3.2. Сварные соединения

лении и монтаже строительных металлоконструкций преимущественно применяет­ ся электродуговая сварка. В зависимости от условий изготовления и монтажа, кон­ структивных особенностей узлов и элементов металлоконструкций, основных кон­ струкционных материалов могут применяться следующие способы электродуговой сварки: автоматическая, полуавтоматическая и ручная.

Основные типы и конструктивные элементы сварных швов и соединений, вы­ полняемых электродуговой сваркой, регламентируются государственными стандар­ тами, приведенными в табл.3.1.

Таблица 3 .1 . Государственные стандарты на основные типы швов сварных соединений, их конструктивные элементы и область применения

160

Стандарты, приведенные в табл.3.1, определяют не только конструктивные элементы подготовленных под сварку кромок и возможные отклонения их основ­ ных размеров, но устанавливают и размеры выполненных швов, а также предель­ ные отклонения их геометрических параметров.

Кроме электродуговой в практике металлостроигельства применяются электрошлаковая и реже контактная сварки. Основные конструктивные элементы и раз­ меры сварных соединений и швов для электрошлаковой сварки регламентируются ГОСТ 15164-78*, а для контактной - ГОСТ 15878-79.

Стандартами на электродуговую сварку предусмотрены следующие типы свар­ ных соединений металлоконструкций: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные,

Рис.3.2. Нахлесточные соединения

а - фланговые швы; 6 - лобовой шов

161

Таблица 3 .2 . Сварные соединения, наиболее часто применяемые при изготовлении и монтаже металлоконструкций

162

163

матическая с предварительной подваркой корня шва; ПФ - полуавтоматическая на весу; ПФ0 - полуавтоматическая на остающейся подкладке; ПФш - полуавтоматическая с предварительным наложением подварочного шва; УП - в углекислом газе или его смеси с кислородом плавящимся электродом.

164

Рис.3.3. Положения сварных швов в пространстве

а - расположение: 1 - нижнее; 2 - вертикальное; 3 - потолочное; 6 - то же, горизонтальное на вертикальной плоскости; в - положение элементов при сварке “в лодочку”

При проектировании металлоконструкций типы сварных швов назначаются с учетом методов сварки, толщины свариваемых элементов, положения в простран­ стве и технологии сварки.

Стыковые сварные соединения находят широкое применение в конструкциях различного назначения: резервуарах и газгольдерах, корпусах доменных печей, воздухонагревателей и атомных реакторов, бункерах и силосах, различного рода оболочках, колоннах и подкрановых балках промышленных зданий, магистральных и технологических трубопроводах и т.д.

Стыковые соединения особенно целесообразны в сосудах различного назначе­ ния, так как хорошо обеспечивают плотность швов, удобны для выполнения не­ разрушающих методов контроля качества, экономичны, характеризуются менее резким изменением геометрической формы и меньшей концентрацией напряже­ ний.

При выборе стыковых швов следует учитывать, что площадь поперечного сечения шва с двумя симметричными скосами двух кромок (тип соединения С25, ГОСТ 8713-79*, ГОСТ 5264-80*) примерно в 2 раза меньше площади сечения шва со ско­ сом одной кромки (тип соединения С21). Второе преимущество шва с двумя скосами двух кромок - симметричность сечения, что уменьшает деформации при сварке.

Для сварных соединений при толщине деталей более 30 мм применяют глав­ ным образом швы с криволинейным скосом двух кромок (тип соединения С23). Некоторое повышение трудоемкости обработки кромок в этом случае компенсиру­

165

ется значительным уменьшением объемов сварочных работ и количества наплав­ ленного металла.

Тавровые соединения применяются для прикрепления взаимно перпендику­ лярно расположенных элементов, например в колоннах, балках, фермах и других конструкциях.

При воздействии статических нагрузок тавровые соединения выполняют, как правило, без разделки кромок, с предусмотренным конструктивным непроваром. Обеспечение полного проплавления тавровых соединений усложняет процесс сварки, удорожает изготовление конструкции и поэтому может применяться толь­ ко в обоснованных случаях, например при проектировании поясных швов балок под подвижную нагрузку, так как непровар в корне шва приводит к заметному снижению усталостной прочности.

Односторонние угловые швы в соответствии со СНиП П-23-81* допускается применять в тавровых соединениях конструкций группы 4 (пп.7.2, 7.3, 13.12, 13.26), при этом катеты сварных швов следует принимать по табл.38* указанного СНиП.

В настоящее время значительно расширена область применения односторонних угловых швов в колоннах и балках для сооружений, строящихся в климатических районах П4 и П5, а также для конструкций, находящихся в отапливаемых зданиях, независимо от района их строительства, эксплуатируемых в неагрессивной или слабоагрессивной средах.

Односторонние угловые швы, помимо конструкции группы 4, рекомендуется применять:

•при выполнении поясных швов центрально сжатых, внецентренно сжатых и сжато-изгибаемых колонн конструкции группы 3 с толщиной стенки до 12 мм;

•при выполнении механизированной сваркой поясных швов балок с толщиной стенок до 10 мм конструкции группы 2 (за исключением балок с гибкими стен­ ками), нагрузка на которые передается через ребра жесткости или настил, опи­ рающихся на пояса балок, симметрично относительно ее поперечного сечения;

•для прикрепления промежуточных ребер жесткости (в том числе односторон­ них) и диафрагм в конструкциях групп 2 и 3;

•для приварки промежуточных ребер жесткости (в том числе односторонних) и диафрагм в конструкциях группы 1, за исключением подкрановых балок, рас­ считываемых на выносливость с количеством циклов нагружения 2 - 106 и более.

При применении односторонних поясных швов в колоннах и балках мини­ мальные катеты швов должны соответствовать требованиям табл.38 СНиП П-23-81*.

В сварных двутаврах с односторонними поясными швами в узлах крепления связей, балок, распорок и других элементов, передающих усилия в плоскостях сте­ нок двутавров, следует применять двусторонние поясные швы, выходящие за кон­ туры прикрепляемых элементов (узлов) на длину 30Kf с каждой стороны (Ку по

п.12.9, табл.38*, СНиП П-23-81*).

Вмонтажных условиях допускается односторонняя сварка с подваркой и вы­ боркой корня шва или сварка на остающейся подкладке. Применение прерыви­ стых швов, а также электрозаклепок, выполняемых ручной сваркой с предвари­ тельным сверлением отверстий, допускается только в конструкциях группы 4. Рас­ стояния в свету между участками прерывистых швов должны быть не более 15 S в сжатых элементах и не более 30 S - в растянутых и неработающих элементах (S - наименьшая толщина соединяемых элементов).

Нахлесточные соединения применяются при сварке ферм, днищ и щитков кровли резервуаров, настилов технологических площадок и т.д. Для соединений этого типа допустима меньшая точность выполнения технологических операций. В

166

Таблица 3 .3 . Допустимая наибольшая разность толщин деталей, свариваемых встык без скоса кромок

При разности в толщине свариваемых деталей свыше значений, указанных в табл.3.3, на детали, имеющие большую толщину, должен быть сделан скос 1:5 с одной стороны или с двух сторон до толщины тонкой детали (табл.3.4). При этом конструктивные элементы подготовленных кромок и размеры сварного шва следу­ ет выбирать по меньшей толщине.

Таблица 3 .4 . Величины скосов деталей, имеющих большие толщины в стыковых соединениях

При сварке стыковых соединений в заводских и монтажных условиях в соответ­ ствии с требованиями ГОСТ 5264-80*, ГОСТ 8713-79*, ГОСТ 14771-76* допускают­ ся следующие смещения свариваемых кромок одна относительно другой:

значения швов сварных соединений выполняются в соответствии с ГОСТ 2.312-72* над или под полками линий-выносок, которые заканчиваются односторонними стрелками (рис.3.5). Видимые швы обозначают над полками, а невидимые - под полками. Независимо от способа сварки видимые швы на чертежах изображают сплошными линиями, а невидимые - штриховыми. Стандартом определены вспо­

168

Таблица 3 .5 . Вспомогательные знаки для обозначения швов сварных соединений

При разработке чертежей КМ стальных конструкций, вследствие специфических требований проектирования, обозначения швов сварных соединений рекомендуется выполнять в соответствии с СН 460-74 (разд.5), условные изображения швов сварных соединений представлены в табл.3.6. Обозначения швов сварных соединений по ука­ занному документу в этом случае допускается использовать без выносных линий, помещая их непосредственно над или под изображением соответствующего сварного шва вне зависимости от того, является ли сварной шов видимым или невидимым.

169

Таблица 3 .6 . Условные изображения швов сварных соединений, применяемых при проектировании строительных металлоконструкций

Пример:

способа электродуговой сварки определяется конструктивной формой сооружения, свойствами конструкционного материала, условиями изготовления и монтажа, а также стремлением к экономической эффективности выбранного способа сварки.

При конструктивно-технологической проработке проектов сооружений необхо­ димо иметь представление о производственных возможностях способов сварки. В практике металлостроительства применяются следующие способы электродуговой сварки:

автоматическая под слоем флюса отличается наибольшей производительно­ стью, выполняется в нижнем положении, рекомендуется для стыковых и угловых прямолинейных швов протяженностью более 500 мм. Автоматическую сварку при­ меняют для поясных швов балок, колонн, укрупнения листовых конструкций и других элементов;

полуавтоматическая сварка несколько менее производительна, чем автомати­ ческая, но весьма эффективна при выполнении прямолинейных и коротких кри­ волинейных швов в нижнем и наклонном положениях и реже - в вертикальном. Наиболее эффективна полуавтоматическая сварка при изготовлении решетчатых конструкций, при приварке ребер жесткости, диафрагм, патрубков, люков, флан­ цев и т.д. Существует несколько разновидностей полуавтоматической сварки, от­ личающихся применением сварочных материалов: в среде углекислого газа или смеси газов проволокой сплошного сечения; в среде углекислого газа порошковой проволокой или самозащитной проволокой. Для сварки в нижнем положении применяется полуавтоматическая сварка под слоем флюса;

ручная штучными электродами - наиболее маневренная, применяется для вы­ полнения различных швов во всех пространственных положениях преимуществен­ но в монтажных условиях. Ручная сварка применяется для выполнения швов в труднодоступных местах, при постановке сборочных прихваток, при ремонте свар­ ных соединений и т.д.

Сварочные материалы для электродуговой сварки строительных конструкцион­ ных сталей выпускаются промышленностью в соответствии с действующими стан­ дартами и техническими условиями. Основные механические свойства сварных соединений и металла шва проектируемых металлоконструкций, определяемые в каждом конкретном случае выбранным типом сварочного электрода, должны быть не ниже значений, указанных в табл.3.7.

Таблица 3 .7 . Механические свойства металла шва, наплавленного металла и сварного соединения, выполненных электродами для конструкционных сталей

171

Выбранные сварочные материалы должны обеспечивать механические свойства металла шва и сварных соединений при положительной и отрицательной темпера­ турах не ниже нормируемых механических свойств для категорий стали. Свароч­ ные материалы, соответствующие наиболее распространенным в строительстве маркам сталей, приведены в СНиП П-23-81* (табл.55*). Сварочные материалы для сварки сталей с особыми свойствами, применяемыми в металлостроительстве, представлены в табл.3.8.

В табл.3.9 представлены варианты труднодоступных для ручной сварки мест, встречающихся в практике изготовления металлоконструкций.

На рис.3.6 показана доступность выполнения угловых швов при сварке балоч­ ных конструкций в положении «в лодочку» широко распространенным автоматом тракторного типа ТС-17МУ.

соединений металлоконструкций производится по СНиП П-23-81* пп.11.1*, 11.4. Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил рассчитываются на условный срез по двум сечениям (рис.3.7): по металлу шва и по металлу линии сплавления.

Рис.3.7. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом

1 - сечение по металлу шва; 2 - сечение по металлу границы сплавления

172

173

Таблица 3.9. Доступность мест наложения швов при ручной сварке (все размеры, мм)

174

В табл.3.10 и 3.11 приведены наименьшие значения предельных усилий, полу­ ченные расчетом на срез (условный):

•по двум сечениям - формулы (120) и (121) СНиП П-23-81*;

•по металлу шва

N — $ fK fR \v f1 w flc >

•по металлу границы сплавления

N —[}-. К/Кк.-ук.-ус ,

где ру, (Зг - коэффициенты для расчета углового шва, соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления, принимаемые по табл.34 СНиП П-23-81*; Kf - катет углового шва; RWf, Rwz - расчетные сопротивления углового шва срезу (условному), принимаемые по табл.З СНиП П-23-81*; yWf, ywz, ус - коэффициенты

табл.З. 11), уWf = 0,85 - для металла шва с Rw m = 420 МПа, ywz = 0,85. Для всех ста­ лей ус = 1.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоско­ сти, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует производить по двум сечениям в соответствии с требованиями п. 11.3* СНиП П-23-81*.

3.3. Б олтовые соединения

3.3.1. Общие положения. Характеристика болтовых соединений. Отечествен­ ная и зарубежная практика показывают, что на современном этапе развития металлостроигельства болтовые соединения элементов стальных каркасов одно- и многоэтажных зданий и сооружений являются наиболее эффективным видом со­ единений. Это обусловлено следующими свойствами болтовых соединений:

•относительно малой трудоемкостью и простотой технологии выполнения, не требующей монтажников высокой квалификации; возможностью полного ис­ ключения сварочных работ и, следовательно, сварщиков высокой квалифика­ ции на монтаже стальных каркасов зданий и сооружений;

•большой надежностью, разнообразием конструктивных форм и характеристик поведения, способных наиболее полно отвечать эксплуатационным функциям соединяемых элементов и каркаса в целом.

Реализация эффективности болтовых соединений требует высокой культуры

проектирования и изготовления металлических конструкций. Вместе с тем резервы эффективности болтовых соединений, связанные с уточнением их действительной работы и совершенствованием методов расчета, изучением их влияния на поведе­ ние стального каркаса в целом, далеко не исчерпаны. Это подтверждают результа­ ты интенсивных исследований болтовых соединений, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом.

За последние 15 лет были проведены многочисленные научно-технические конференции, симпозиумы и т.п., посвященные болтовым соединениям. В частно­ сти, на московском коллоквиуме в 1989 г. было подчеркнуто, что созданные мето­ ды расчета прочности болтовых соединений достаточно полно отвечают их дейст­ вительному поведению и обеспечивают высокую эксплуатационную надежность. На последнем, регулярно действующем рабочем совещании по болтовым соедине­ ниям, состоявшемся в 1991 г. в г.Пигсбурге (США), было отмечено, что разрабо­ танные в нашей стране методы расчета болтовых соединений по критерию деформативности наиболее рациональны. Эти методы представлены в настоящем спра­ вочнике. В то же время оценка работоспособности болтовых соединений по крите-

175

Таблица 3.10. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для конструкций 2-4 групп, возводимых в районах с расчетной температурой выше минус 40 °С

176

Таблица 3.11. Предельные усилия на сварные соединения с угловыми швами для конструкций 2-4 групп, возводимых в районах с расчетной температурой ниже минус 40 °С, а также для конструкций 1-й группы, возводимых во всех районах

177

Продолжение табл.З. 11

178

рию деформативности позволяет реализовать одно из перспективных современных направлений - учет влияния реальной жесткости соединений на действительное поведение стальных каркасов зданий и проектирование последних с заранее за­ данными характеристиками.

В настоящее время наиболее распространенными и массовыми типами болто­ вых соединений, отличающимися между собой механизмами передачи внешних усилий, являются следующие.

Фрикционные или сдвигоустойчивые соединения, в которых внешние усилия воспринимаются вследствие сопротивления сил трения, возникающих по контакт­ ным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Эти соединения наиболее трудоемки по сравнению с другими типами болтовых соединений. Поэтому область применения фрикционных соединений должна быть строго ограничена условиями, при которых наиболее полно реализуются их поло­ жительные свойства - высокая надежность при восприятии различного рода виб­ рационных, циклических, знакопеременных нагрузок.

Срезные соединения, в которых внешние усилия воспринимаются вследствие сопротивления болтов срезу и соединяемых элементов смятию. Отличительное свойство срезных соединений - достаточно высокая деформативность, определяе­ мая главным образом деформациями смятия соединяемых элементов болтами. По­ этому основная область их применения - соединения элементов, подвергающиеся воздействию статических нагрузок. При этом деформативность соединений не должна препятствовать нормальной эксплуатации конструкции.

Фрикционно-срезные соединения, в которых внешние усилия воспринимаются в результате совместного сопротивления сил трения болтов срезу и соединяемых элементов смятию. Эти соединения весьма эффективны, когда соединяемые эле­ менты подвергнуты воздействию как статических, так и циклических нагрузок, в том числе знакопеременных. Тогда последние виды нагрузок целесообразно вос­ принимать за счет фрикционного эффекта.

Фланцевые соединения, в которых внешние усилия воспринимаются главным образом вследствие преодоления сопротивления сжатию фланцев от предваритель­ ного натяжения высокопрочных болтов. Фланцевые соединения являются одним из наиболее эффективных типов болтовых соединений, поскольку высокая несу­ щая способность высокопрочных болтов используется впрямую и практически полностью.

Область применения фланцевых соединений достаточно велика. Они могут ис­ пользоваться для соединений элементов, подверженных растяжению, изгибу или совместному их действию. Возможно их использование и для передачи цикличе­ ских нагрузок, однако в этом случае необходимы соответствующие расчетные про­ верки.

Другие типы болтовых соединений, к которым относятся болто-клеевые, бол­ тозаклепочные, болтосварные, а также соединения с временным характером креп­ лений для последующей обварки или клепки конструкций. Учитывая, что приме­ нение подобных соединений носит частный характер, в этом справочнике они не рассматриваются.

Области применения. Болтовые соединения должны отвечать эксплуатацион­ ным функциям соединяемых элементов стальных конструкций зданий и сооруже­ ний, поэтому с точки зрения требований, предъявляемых к болтовым соединени­ ям, рассматривают три группы стальных конструкций зданий и сооружений.

Группа 1. Конструкции и их элементы, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию знакопеременных, динами­ ческих, вибрационных или подвижных нагрузок, в том числе конструкции, рассчи­

179

тываемые на выносливость (подкрановые балки; подкраново-подстропильные фермы; колонны с фрезерованными торцами; балки перекрытий технологических и рабочих площадок; стыки балок между собой; тормозные конструкции; узлы го­ ризонтальных и вертикальных связей по поясам стропильных ферм; стыки растя­ нутых поясов стропильных и подстропильных ферм; фасонки ферм; узлы крепле­ ния вертикальных связей по колоннам; элементы конструкций бункерных и раз­ грузочных эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных со­ ставов; пролетные строения и опоры транспортерных галерей и т.п.).

Группа 2. Конструкции, либо их элементы, подвергающиеся воздействию ста­ тических нагрузок (балки перекрытий, технологических и рабочих площадок; фер­ мы; ригели рам; стыки балок, поясов стропильных и подстропильных ферм на на­ кладках; узлы крепления горизонтальных и вертикальных связей по поясам стро­ пильных ферм для зданий с кранами легкого и среднего режимов работы; узлы крепления путей подвесного транспорта и монорельсов; узлы крепления крановых рельсов, разрезных подкрановых балок между собой и к колоннам; узлы крепления стропильных ферм к колоннам и подстропильным фермам, а также подстропиль­ ных ферм к колоннам при условии передачи вертикального опорного давления через столик; косоуры лестниц; опоры BJI и т.п.).

Группа 3. Вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи, эле­ менты фахверка, лестницы, трапы, площадки, ограждения и т.п.). Рекомендуемые области применения болтовых соединений и классы прочности болтов для них приведены в табл.3.12.

Материалы. Металлопрокат для элементов конструкций с болтовыми соедине­ ниями следует применять в соответствии с требованиями главы СНиП П-23-81*.

Для фланцев элементов стальных конструкций, подверженных растяжению, изгибу или их совместному действию, следует применять листовую сталь по ГОСТ 19903-74* с гарантированными механическими свойствами в направлении толщи­ ны проката по ТУ 14-1-4431-88, классов 3-5, марок 09Г2С-15 и 14Г2АФ-15 (по ГОСТ 19282-73) или по ТУ 14-105-465-89 марки 14Г2АФ-15. Допускается приме­ нение листовой стали электрошлакового переплава марки 16Г2АФШ по ТУ 14-1- 1779-76 и 10ГНБШ по ТУ 14-1-4603-891 .

Фланцы могут быть выполнены из листовой низколегированной стали марок С345, С375 по ГОСТ 27772-88*, при этом сталь должна удовлетворять следующим требованиям:

•категория качества стали (только для марок С345 и С375) - 3 или 4 в зависимо­ сти от требований к материалу конструкции по СНиП П-23-81*;

•относительное сужение стали в направлении толщины проката \\iz >15%, ми­ нимальное для одного из трех образцов \|/г>10%. Проверку механических свойств стали в направлении толщины проката осуществляет завод строитель­ ных стальных конструкций по методике, изложенной в прилож.8 [1].

Фланцы сжатых элементов стальных конструкций следует изготовлять из лис­ товой стали по ГОСТ 19903-74*. Характеристики сплошности стали для фланцев в зонах шириной 80 мм симметрично вдоль оси симметрии каждого из элементов профиля, присоединяемого к фланцу, должны удовлетворять требованиям, указан­ ным в табл.З. 13.

1 Механические характеристики листовой стали марки 10ГНБШ толщиной 10-40 мм: вре­ менное сопротивление ав= 520-700 М Па, предел текучести ст= 400 М Па, относительное удлинение 21 %, относительное сужение в направлении толщины 35 %, ударная вязкость при температуре -60 °С KCV не менее 8 кгс.см с гарантируемым отсутствием нарушения сплошности площадью более 10 см2.

180

Таблица 3.12. Рекомендуемые области применения болтовых соединений и классы прочности болтов

П р и м е ч а н и я . 1. Применение высокопрочных болтов с минимальным временным сопротивлением 1400 Н /м м 2 по ТУ 14-4-1414-87 для фрикци­ онных соединений допустимо для климатических районов строительства с расчетной температурой минус 40°С и выше. 2. Фланцевые соединения (с контролируемым натяжением болтов) следует применять в конструкциях, возводимых в климатических районах с расчетной температурой минус 40°С и выше. 3. Болты, имеющие по длине ненарезанной части участки с различными диаметрами, допускается применять только во фрикционных соединениях.

181

Таблица 3.13. Характеристика сплошности

фланцев

Контроль качества стали методами ультразвуковой дефектоскопии осуществляет завод строительных конструкций. На рис.3.8 для примера показаны зоны контроля стали фланцев для соединений элементов открытого и замкнутого профилей. Оценку качества стали фланцев марки 10ГНБШ по ТУ 14-1-4603-89 по характери­ стикам сплошности методом ультразвуковой дефектоскопии завод строительных конструкций не выполняет.

Зона

контроля

Рис.3.8. Зоны контроля качества стали фланцев по характеристикам сплошности

Для болтовых соединений следует применять:

болты классов прочности 5.6, 5.8, 8.8, 10.0 и гайки должны удовлетворять тре­ бованиям ГОСТ 1759-87*; шайбы к ним должны удовлетворять требованиям ГОСТ 18123-82*. Болты классов прочности 5.6, 5.8, 8.8 и 10.9 следует назначать по СНиП П-23-81* табл.57 и ГОСТ 15589-70*, ГОСТ 15501-91*, ГОСТ 7796-70*.

Гайки необходимо применять по ГОСТ 5915-70*: для болтов классов прочности 5.6 и 5.8 - гайки класса прочности 5, для болтов класса прочности 8.8 - гайки класса прочности 8, для болтов класса прочности 10.9 - гайки класса прочности 10. Шайбы следует применять: круглые по ГОСТ 11371-78*, косые по ГОСТ 1090678* и пружинные нормальные по ГОСТ 6402-70*. Допускается применение болтов классов прочности 5.6, 6.8, 8.8, гаек и шайб к ним из стали других марок. Геомет­ рические и механические характеристики таких метизов должны отвечать требова­ ниям соответствующих ГОСТов и СНиП П-23-81* п.2.4.

Высокопрочные болты с минимальным временным сопротивлением 1100 Н/мм2 (далее в тексте - болты класса прочности 110) М16, М20, М24 и М27, гайки и шайбы к ним должны удовлетворять требованиям ГОСТ 22353-77* - ГОСТ

182

22356-77*. Допускается применение высокопрочных болтов, гаек и шайб к ним из стали других марок. Геометрические и механические характеристики таких болтов должны отвечать требованиям ГОСТ 22353-77*, ГОСТ 22356-77* для болтов испол­ нения XJI, гаек и шайб к ним - ГОСТ 22354-77* - ГОСТ 22356-77*. Применение таких болтов в соединениях для каждого конкретного объекта должно быть согла­ совано с проектной организацией-автором.

Высокопрочные болты с минимальным временным сопротивлением 1400 Н/мм2 (далее в тексте - болты класса прочности 140) М16, М20, М24, выполнен­ ные из стали марки 20Х2НМТРБПВ, должны удовлетворять требованиям ТУ 14-4- 1414-87.

Расчетные сопротивления и усилия. Расчетные сопротивления стали соеди­ няемых элементов фланцев, сварных швов и коэффициенты условий работы сле­ дует принимать в соответствии с указаниями главы СНиП П-23-81*. Расчетные сопротивления болтов срезу Rbs и растяжению Rbt следует определять по формулам, приведенным в табл.З. 14.

Таблица 3.14. Определение расчетного сопротивления болтов срезу и растяжению

П р и м е ч а н и е . Кьип - нормативное сопротивление стали болтов, принимаемое равным временному сопротивлению с* по государственным стандартам и техническим условиям на болты.

Расчетные усилия В0 предварительного натяжения болтов классов прочности 10.9, 110, 140 во фрикционных и фрикционно-срезных соединениях следует принимать

Расчетные усилия В0 предварительного натяжения болтов во фрикционных и фрикционно-срезных соединениях приведены в табл.3.16.

Таблица 3.16. Расчетные усилия В0, кН, предварительного натяжения болтов во фрикционно-срезных соединениях

Расчетные усилия В0 предварительного натяжения болтов во фланцевых соеди­ нениях следует принимать

183

Расчетные усилия В0 предварительного натяжения болтов во фланцевых соеди­ нениях приведены в табл.З. 17.

Таблица 3.17. Расчетные усилия В0, кН, предварительного натяжения болтов во фланцевых соединениях

Расчетные сопротивления одноболговых соединений смятию соединяемых эле­ ментов Rbp из стали с пределом текучести до 440 МПа следует определять по фор­ мулам, приведенным в табл.3.18.

Таблица 3.18. Определение расчетного сопротивления одноболтовых соединений смятию элементов

Обозначения, принятые в табл.3.18: а - расстояние вдоль усилия от края элемента до центра

ближайшего отверстия; d - диаметр отверстия для болта; R un - временное сопротивление стали соединяемых элементов разрыву, МПа. Если соединяемые элементы (в том числе на­ кладки) выполнены из стали разных марок, то в формулах следует принимать наименьшее из значений временного сопротивления Run.

сопротивления смятию соединяемых элементов приведены в прилож.4 [2].

3.3.2. Конструирование болтовых соединений. Номинальные диаметры стержней болтов и соответствующие им номинальные диаметры отверстий приведены в табл.З. 19. При назначении диаметров отверстий для соединений, воспринимающих усилия сдвига (фрикционные, срезные и фрикционно-срезные), необходимо учи­ тывать влияние остаточных перемещений сдвига на поведение конструкций и обеспечивать полную собираемость соединений на монтаже. В тех случаях, когда не обеспечивается полная собираемость двухсрезных фрикционных соединений, допускается назначение номинальных диаметров отверстий средних стыкуемых элементов, превышающих указанные в табл.3.19. При этом разность номинальных диаметров отверстий и болтов должна быть не более 12 мм; в этом случае в числи­ тель формулы (3.4) вводится коэффициент к&= 0,9, а толщина накладок должна быть не менее 20 мм.

Конструирование соединений, воспринимающих усилия сдвига. Под гайки болтов классов прочности 5.6, 5.8, 8.8, 10.9 следует устанавливать круглые шайбы по ГОСТ 11371-78*, под гайки и головки высокопрочных болтов - шайбы по ГОСТ 22356-77*. Для высокопрочных болтов по ГОСТ 22353-77* с увеличенными размерами головок и гаек и при разности номинальных диаметров отверстия и болта, не превышающей 3 мм, а в конструкциях, изготовленных из стали с временным сопротивлением не ниже 440 МПа, не превышающей 4 мм, допускается установка одной шайбы под гайку. В срезных и фрикционно-срезных соединениях резьба болта должна нахо­ диться на глубине менее половины толщины прилегающего к гайке элемента.

184

Таблица 3.19. Номинальные диаметры стержней болтов и диаметры отверстий

Болты следует размещать в соответствии с табл.3.20. Соединительные болты должны размещаться, как правило, на максимальных расстояниях; в стыках и уз­ лах необходимо размещать болты на минимальных расстояниях. При размещении болтов в шахматном порядке расстояние между их центрами вдоль усилия следует принимать не менее С+ 1,5d, где С - расстояние между рядами поперек действия усилия; d - диаметр отверстия для болта. При таком размещении площадь сечения элемента определяется с учетом ослабления его отверстиями, расположенными только в одном сечении поперек усилия (не по “зигзагу”).

Конструирование фланцевых соединений (ФС). ФС элементов, подверженных центральному растяжению, следует применять для передачи усилия, кН, не пре­ вышающего для элементов из:

парных уголков - 3000; одиночных уголков - 1900;

широкополочных двутавров и круглых труб -3500; широкополочных тавров и прямоугольных труб - 2500.

ФС сварных или прокатных двутавров, подверженных изгибу или совместному действию изгиба и растяжения, необходимо использовать, если суммарное растя­ гивающее усилие, воспринимаемое ФС от растянутой зоны присоединяемого эле­ мента, не превышает 3000 кН.

Для ФС элементов стальных конструкций следует применять высокопрочные болты диаметром 24 мм (М24); использование болтов М20 и М27 можно допускать в тех случаях, когда постановка болтов М24 невозможна или нерациональна.

При конструировании ФС применяются следующие сочетания диаметра болтов

Толщина фланцев проверяется расчетом в соответствии с указаниями п.3.3.3. Болты растянутых участков фланцев разделяют на болты внутренних зон, огра­

ниченных стенками (полками профиля, ребрами жесткости) с двух и более сторон,

иболты наружных зон, ограниченных с одной стороны (рис.3.9); характер работы

ирасчет ФС в этих зонах различны.

185

Рис.3.9. Фланцевые соединения растянутых элементов открытого профиля а - ФС элементов из широкополочных тавров; 6 - ФС - элементов из парных уголков

186

Таблица 3.20. Размещение болтов

*В соединяемых элементах из стали с пределом текучести свыше 380 М Па минимальное расстояние между центрами болтов следует принимать равным 3d, а минимальное рас­ стояние от центра болта до края элемента вдоль усилия - 2,5d.

П р и м е ч а н и е . Обозначения, принятые в табл.3.20: d - диаметр отверстия для болта; t - толщина наиболее тонкого элемента; а - расстояние вдоль усилия от края элемента до цен­ тра ближайшего отверстия; b - то же между центрами отверстий.

Болты растянутых участков фланцев следует располагать по возможности рав­ номерно по контуру и как можно ближе к элементам присоединяемого профиля, при этом (см.рис.3.9):

где by - расстояние от центра отверстия до края профиля соединяемого элемента у-го участка фланца; ds - наружный диаметр шайбы; db - номинальный диаметр резьбы болта; (Oj - ширина фланца, приходящаяся на j -ый болт наружной зоны; kf- катет углового шва.

Если по конструктивным особенностям ФС а> 1,2by , то в расчетах на проч­ ность ФС величину «а» принимают равной 1,2by .

При конструировании ФС элементов, подверженных воздействию центрального растяжения, болты следует располагать безмоментно относительно центра тяжести присоединяемого профиля с учетом неравномерности распределения внешних усилий между болтами наружной и внутренней зон (см.табл.3.29). Если такое рас­ положение болтов невозможно, то несущую способность ФС определяют с учетом действия местного изгибающего момента.

187

Конструктивная схема соединяемых элементов (полуфермы, рамные конструк­ ции и др.) должна обеспечивать возможность свободной установки и натяжения болтов, в том числе выполнения контроля усилий натяжения болтов согласно п.3.3.4. Сварные швы фланца с присоединяемым профилем следует выполнять угловыми без разделки кромок. В обоснованных случаях может быть допущена сварка с разделкой кромок. Если несущая способность сварных швов присоедине­ ния профиля к фланцу недостаточна для передачи внешних силовых воздействий или необходимо повысить несущую способность растянутых участков ФС без уве­ личения числа болтов или толщины фланцев, то последние следует усиливать реб­ рами жесткости (рис.3.10).

б)

Рис.3.10. Фланцевые соединения растянутых элементов замкнутого профиля

а - ФС элементов из круглых труб; б - ФС элементов из гнутосварных профилей

188

Толщина ребер жесткости не должна превышать 1,2 толщины элементов основ­ ного профиля, длина должна быть не менее 200 мм. Ребра жесткости следует рас­ полагать так, чтобы концентрация напряжений в сечении основных профилей бы­ ла минимальной. Ребра жесткости могут быть использованы для крепления связей, путей подвесного транспорта и т.п.

ФС элементов из круглых труб, подверженных воздействию центрального рас­ тяжения, следует выполнять со сплошными фланцами и ребрами жесткости в ко­ личестве не менее 3 шт. Ширина ребер определяется разностью радиусов фланцев и труб, длина - не менее 1,5 диаметра трубы (рис.3.10).

ФС элементов из гнутосварных профилей прямоугольного или квадратного се­ чений, подверженных воздействию центрального растяжения, следует выполнять со сплошными фланцами и ребрами жесткости, расположенными, как правило, вдоль углов профиля (рис.3.10). Ширина ребер определяется размерами фланца и профиля, длина - не менее 1,5 высоты меньшей стороны профиля.

Если между ребрами жесткости будет размещено более двух болтов или ребра жесткости будут установлены не только вдоль углов профиля, то ФС элементов из гнутосварных профилей данного типа могут быть применены только после экспе­ риментальной проверки натурных соединений данного типа.

ФС элементов из прокатных широкополочных или сварных двутавров, подвер­ женных воздействию изгиба, необходимо выполнять со сплошными фланцами с постановкой ребра жесткости на растянутом поясе в плоскости стенки двутавра. При необходимости увеличения количества болтов и ширины фланцев соответст­ вующее уширение поясов двутавров осуществляется приваркой дополнительных фасонок (рис.3.11,а).

ФС элементов из прокатных широкополочных или сварных двутавров, подвер­ женных воздействию изгиба, можно выполнять со сплошными фланцами, высота которых не превышает высоты двутавра (рис.3.11,б). Такие соединения следует применять, если расчетный момент в рамных соединениях ниже несущей способ­ ности двутавров на изгиб.

При необходимости уменьшения количества болтов или увеличения жесткости растянутых участков ФС допустимо применять составные фланцы, увеличивая их толщину на растянутом участке до 36-40 мм (рис.3.11,в). Если изгибающий мо­ мент в рамных соединениях превышает несущую способность двутавра на изгиб, следует предусматривать устройство вутов (рис.3.11,г).

Для ФС элементов, подверженных воздействию сжатия, когда не предусмот­ ренные проектом (КМ) эксцентриситеты передачи продольных усилий недопусти­ мы, необходимо строго выполнять требования по точности изготовления и монта­ жа ФС, изложенные в п.3.3.4. В таких соединениях следует предусматривать также установку болтов с суммарным предварительным натяжением, равным расчетному усилию сжатия в соединяемых элементах.

3 .3 .3 . Расчет болтовы х соединений. Фрикционные соединения. При действии

продольной силы, проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным. При действии на со­ единение изгибающего момента М распределение усилий между болтами следует принимать равномерным (при прямоугольных эпюрах распределения усилий меж­ ду болтами (рис.3.12).

Расчетное усилие Qh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом, следует определять по формуле

Q h —0 Уп А-Ъп ц/Уй ? (3-4)

189

Рис.3.11. Фланцевые соединения изгибаемых элементов из прокатных или сварных двутавров

190

где у„ - коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества п бол­ тов, необходимых для восприятия расчетного усилия, и принимаемый равным: 0,8 при п < 5; 0,9 при 5 < п < 10; 1 при п > 10; ц - коэффициент трения, принимаемый по табл.3.21; у/, - коэффициент надежности, принимаемый также по табл.3.21.

Таблица 3 .2 1 . Значения коэффициентов уй и |J,

обеспечивающие значения коэффициентов трения ц не ниже указанных в табл.3.21. 2. Спо­ соб регулирования натяжения болтов по М означает регулирование по моменту закручива­ ния, по а - углу поворота гайки.

Расчетные усилия, которые могут быть восприняты каждой поверхностью тре­ ния соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом М24, приве­ дены в табл.3.22.

Количество п болтов в соединении при действии продольной силы N следует

Расчет на выносливость фрикционных соединений следует выполнять в соот­ ветствии с требованиями п.9.2 СНиП П-23-81*, относя эти соединения к 1-й груп­ пе элементов.

Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящегося на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить: при динамических нагрузках - по площади сечения нетто Ап , при статических нагрузках - по площади сечения брутто А при Ап >0,85Д либо по условной площади Ас = 1,18Ап при Ап < 0,85А

191

Таблица 3 .2 2 . Расчетные усилия Qhl и Qh2, которые могут быть восприняты каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом М24 из стали 40Х «Селект»

П р и м е ч а н и я . 0м - расчетные усилия, которые могут быть восприняты каждой поверх­ ностью трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом М24, при динамической нагрузке и 5=2...6 мм, при статической нагрузке и 5=5...6 мм; 0/а - то ж е> ПРИ динамиче­ ской нагрузке и 5=1 мм, при статической нагрузке и 5=1...4 мм; 5 - разность номинальных диаметров отверстий и болтов.

Срезные соединения. При действии продольной силы, проходящей через центр тяжести соединения, распределение этой силы между болтами следует принимать равномерным. При действии на соединение изгибающего момента распределение усилий между болтами следует принимать пропорционально расстояниям от цен­ тра тяжести соединения до рассматриваемого болта (при треугольных эпюрах рас­ пределения усилий между болтами, рис.3.13).

Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и изгибающего момента, необходимо проверять на равнодействующее усилие. Рас­ четное усилие, которое может быть воспринято одним болтом, следует определять по формулам:

192

на срез:

гДе Ум _ коэффициент условий работы, учитывающий неодновременность включе­ ния болтов в работу, который следует принимать по табл.3.23; уЬ2 ~ коэффициент условий работы, учитывающий расстояния вдоль усилия от края элемента до цен­ тра ближайшего отверстия и между центрами отверстий, который следует прини­ мать по табл.3.24; А = тI2/ 4 - расчетная площадьсечения стержня болта, см2 (см.табл.3.15); ns -число расчетных срезов одного болта;у(?) - коэффициент, учи­ тывающий толщину соединяемых элементов, определяемый

t - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; db - номинальный наружный диаметр стержня болта, см.

Таблица 3.23. Коэффициент условий работы соединения ум

Таблица 3 .2 4 . Коэффициент условий работы соединения уЬ2

П р и м е ч а н и е . Расстояние b должно бьтгь больше расстояния а , по крайней мере, на 0,5 d. В противном случае а = Ъ - 0,5d.

Расчетные усилия, которые могут быть восприняты одним болтом многоболто­ вого соединения на срез с одной плоскостью среза, приведены в табл.3.25.

Таблица 3 .2 5 . Расчетные усилия Nbs, кН, которые могут быть восприняты одним болтом многоболгового соединения на срез

с одной плоскостью среза

193

Количество п болтов в соединении при действии продольной силы N следует определять по формуле

где Qb - меньшее из расчетных усилий для одного болта Nbsи Nbp, вычисленных по формулам (3.6) и (3.7).

Возникающие при работе соединений перемещения смятия каждого элемента - и от действия расчетных нагрузок следует определять:

а) при Nbp < Nbs - по табл.3.26.

Таблица 3.26. Определение расчетных сопротивлений смятию в зависимости от перемещений смятия соединяемых элементов

Допускается принимать значения перемещений смятия каждого соединяемого элемента иотдействия расчетных нагрузок меньше значений,приведенных в табл.3.27, при этом расчетное сопротивление одноболговыхсоединений смятию следует определять по формуле

Таблица 3.27. Значения перемещения смятия от расчетных нагрузок

Коэффициент / в зависимости от перемещений смятия каждого соединяемого элемента и приведен в табл.3.28;

б) при Nbs<Nbp - по формулам (3.11), (3.12) и по табл.3.28, заменяя в формуле (3.7) Nbpu a N bs.

Прочность элементов, ослабленных отверстиями в срезных соединениях, следу­ ет проверять с учетом полного ослабления сечений отверстиями.

Фрикционно-срезные соединения. Распределение усилий между болтами во фрикционно-срезных соединениях аналогично распределению усилий в срезных соединениях (см.п.3.3.3). Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним

где Nbp - расчетное усилие, кН, которое может быть воспринято одним болтом по смятию, определяемое по формуле (3.7); Ки - коэффициент уменьшения предвари­ тельного натяжения болтов, который следует находить по табл.3.27;

194

Таблица 3.28. Коэффициент / в зависимости от перемещения смятия соединяемых элементов

Если расчетные сопротивления смятию приняты отличными от приведенных в табл.3.27, коэффициент уменьшения предварительного натяжения болтов следует определять линейной интерполяцией. Qh - расчетное усилие, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним болтом, вычисляемое по формуле (3.4).

Количество п болтов в соединении при действии продольной силы N следует

где Qbh - меньшее из расчетных усилий для одного болта Nbs и Nbh , вычисленных по формулам (3.6) и (3.12).

Возникающие при работе соединений перемещения смятия каждого элемента и от действия расчетных нагрузок следует находить:

при Nbh<Nbs - по табл. 3.26;

при Nbs<Nbh - по формулам (3.11), (3.12) и по табл.3.28, заменяя в формуле (3.12) Nbh на Nbs, учитывая зависимость между коэффициентом уменьшения пред­ варительного натяжения болтов и перемещениями смятия каждого соединяемого элемента и , мм:

Расчет на выносливость фрикционно-срезных соединений следует выполнять в соответствии с требованиями п.9.2 СНиП П-23-81*,относясоединения сэлемен­ тами из стали с временным сопротивлением разрыву более 420 МПа к второй группе элементов, а менее 420 МПа - к третьей группе.

Прочность элементов, ослабленных отверстиями во фрикционно-срезных со­ единениях, следует проверять с учетом полного ослабления сечений отверстиями.

Фланцевые соединения (ФС). ФС элементов стальных конструкций следует про­ верять расчетами на: прочность болтов; прочность фланцев на изгиб; прочность соединений на сдвиг; прочность сварных швов соединения фланца с элементом конструкции. Предлагаемые методы расчета следует применять только для ФС, конструктивная форма которых отвечает требованиям п.3.3.2.

195

Предельное состояние ФС определяют следующие условия:

•усилие в наиболее нагруженном болте, вычисленное с учетом совместной рабо­ ты болтов соединения, не должно превышать расчетного усилия растяжения болта;

•изгибные напряжения во фланце не должны превышать расчетное сопротивле­ ние стали фланца по пределу текучести.

Расчет прочности ФС элементов открытого профиля, подверженных цен­ тральному растяжению. Количество болтов внутренней зоны щ определяет кон­ структивная форма соединения. Количество болтов наружной зоны предваритель­ но назначают из условия

и н — 'V'Vp.ir) / -^нп ;

где N - внешняя нагрузка на соединение; NBU - предельное внешнее усилие на один болт внутренней зоны, равное 0,9 Вр; Bp=RbtAbn - расчетное усилие растяже­

ней нагрузки между болтами внутренней и наружной зон, определяемый по табл.3.29.

Таблица 3.29. Значение коэффициента К

Прочность фланца и болтов, относящихся к внутренней зоне, следует считать обеспеченной, если: болты расположены в соответствии с указаниями п.3.3.2, тол­ щина фланца составляет 20 мм и выше, а усилие на болт от действия внешней

При расчете на прочность болтов и фланца, относящихся к наружной зоне, вы­ деляют отдельные участки фланцев, которые рассматриваются как Г-образные (см.рис.3.9) шириной соу.

Прочность ФС следует считать обеспеченной, если

где Т - расчетное усилие растяжения, воспринимаемое ФС, определяемое по фор­ мулам:

если NH< Жнп ,

196

где N H= m m N ^ , Жну=тт(Л ф у, N Sj); N Sj- - расчетное усилие на болт, определяемое из условия прочности соединения по болтам; Лфу, Ny - расчетное усилие на болт;