Файл: Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали (характеристики, область применения, расчет и проектирование).pdf

личину 20 мм (для уменьшения концентраций напряжений у концов фланговых швов). К нижним растянутым поясам, как наиболее подверженным хрупким и усталостным разрушениям в местах концентраторов напряжений, подкладки не приварива­ ются вообще.

Рис. III. 6. Примыкание ребер жесткости к поясам свар­ ных балок из высокопрочных сталей.

При динамических переменных, знакопеременных и вибрацион­ ных нагрузках ребра жесткости следует устанавливать так, как

Увеличение нижних скосов желательно для уменьшения отри­ цательного влияния поперечных швов в наиболее напряженной растянутой части стенки.

Горизонтальные ребра жесткости (если они необходимы по условиям местной устойчивости стенок) устанавливаются в со­ ответствии с рис. III. 7.

Применять высокопрочную сталь для ребер жесткости балок нет необходимости (кроме опорных ребер) и поэтому в целях удешевления конструкции материалом ребер, как правило, долж­ на служить сталь СтЗ.

Ширина выступающей части вертикального ребра жесткости

Опорные ребра балок выполняются из высокопрочных.сталей.

82

При этом в расчетное сечение опорной стойки включается ребро жесткости и полоса стенки шириной до 12 6 с каждой стороны ребра, где 6 — толщина стенки (рис. III. 8).

При проектировании ферм из сталей высокой прочности сле­ дует обращать особое внимание на конструирование узловых со­ единений элементов и их стыков с целью максимального умень-

шения возможных концентраторов напряжений. Так, желательно применять фасонки с плавными переходами от примыкающих элементов к поясам; во избежание резкой концентрации напря­ жений элементы решетки необходимо приваривать к фасонке с каждой стороны двумя фланговыми швами и выводом на торец элемента концов швов «а длину 20 мм. При этой желательно элементы решетки не доводить до поясов ферй нарасстояние не менее 50 мм. Использование прерывистых швов для прикреп­ ления фасомок к поясам следует не допускать.

Внастоящее время, вследствие отсутствия термоупрочненного фасонного проката, наиболее рациональным является примене­ ние круглых или квадратных сварных труб.

Узловые сопряжения в таких фермах желательно осуществлять путем непосредственного примыкания элементов решетки к по­ ясам, без применения фасонок.

Вфермах при пролетах свыше 24 м рекомендуется устраивать строительный подъем, равный прогибу от постоянной нагрузки и половины временной. При плоских кровлях можно применять строительный подъем независимо от пролета. При этом величи­ на строительного подъема можёт приниматься равной прогибу от постоянной и временной нагрузки, увеличенной на 20%. Мон­ тажные стыки в фермах из высокопрочных сталей могут осуще­ ствляться как на сварке, так и на высокопрочных б(?лтах.

§ 14. Влияние переменной нагрузки на сварные конструкции из сталей высокой прочности

Изучение влияния переменной нагрузки на сварные конструк­ ции из сталей высокой прочности, способствующей возможности появления усталостных разрушений, является весьма важным и необходимым. Высокопрочные стали и их соединения чувстви­ тельны к любым концентраторам напряжений, в связи с чем в отдельных случаях их вибрационная прочность может быть весьма низкой. Проведенные в этом направлении исследования показывают, что при обычной технологии сварки и принципах конструирования усталостная прочность сварных соединений из высокопрочной стали близка пределу выносливости стали СтЗ. Вместе с тем усталостная прочность стандартных гладких образ­ цов из стали высокой прочности значительно выше стали СтЗ.

Центральной лабораторией металлических конструкций ЦНИИСК были проведены исследования выносливости низколе­ гированных сталей 14Г2, 15ГС, 10Г2С и термически упрочнен­ ных— 12Г2СФ и 15ХГ2СМФР. Образцы вырезались вдоль про­ ката и испытывались осевой нагрузкой при характеристиках

циклов загружений р= =0,5; 0,14 и —1. Ограниченный пре-

°м а к с

дел выносливости определился при 2- ІО6 циклах загружений. Полученные данные подтверждают чувствительность высоко­

прочных сталей к концентраторам напряжений. Например, при угловых и фланговых швах и р = 0,14 вибрационная прочность со­ ставляет только 7—10% предела прочности стали и находится на уровне вибрационной прочности стали СтЗ или обычных низко­ легированных сталей [25].

• Вместе с тем вибрационная прочность основного металла вы­ сокопрочных сталей значительно выше вибрационной прочности основного металла стали СтЗ. Например, при р= 0,14 предел выносливости листа с прокатной поверхностью из термически упрочненной стали 15Г2СФ выше на 60, а из стали 15ХГ2СМФР на 80% по сравнению с пределом выносливости аналогичных об­ разцов из стали СтЗ. Наличие отверстий уже снижает вибрацион­ ную прочность и доводит ее до уровня стали 10Г2С1 (20 кг/мм2).

В настоящее время достаточно широко применяется высоко­ прочная сталь класса С70/60 марок 14Х2ГМР и 14ХМНДФР, в связи с чем исследование усталостной прочности этой стали яв­ ляется необходимым. Некоторые работы в этом направлении были проделаны в институте ЦНИИЧЕРМЕТ по заказу Уралмашзавода, а также в Институте электросварки им. Е. О. Пато­ на АН УССР. Так, по работе [26] вибрационная прочность стали 14Х2ГМР при коэффициенте ассиметрии р= —1 для основного металла равна 17—23 кг/мм2-, для стыкового шва — 21 кг/мм2, а для лобового и флангового швов — 6—12 кг/мм2. Пределы уста­ лости сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР, а также сталей МІ6С,

84

09Г2С и 10ХСНД даны в таблице III. 9. Ограниченный предел выносливости основного металла-и стыковых соединений из ста­ ли 14Х2ГМР по данным работы [27] при коэффициентах ассиметрии цикла р=0,3 и р= —1, представлен в табл. III. 10.

Т а б л и ц а III. 9

Таким образом, одной из главных задач при применении ста­ лей высокой прочности является максимально возможное исклю­ чение концентраторов напряжений, основным видом которых в современных конструкциях являются сварные швы.

Т а б л и ц а III. 10

Имеется ряд способов повышения усталостной прочности свар­ ных соединений. Наиболее радикальные из них два: 1) обработ­ ка швов и мест перехода к основному металлу механическим спо­ собом (зачистка наждачным камнем, поверхностный наклеп дро­ бью и т. д.); 2) создание плавного перехода к основному метал­ лу путем оплавления границ шва неплавящимся электродом в среде газа аргона без присадочной проволоки [28] *.

В первом случае предел выносливости термоупрочненных ста­ лей класса С70/60 может быть повышен на 80—90% (рис. III. 9), т. е. практически вибрационная прочность таких соединений рав­ на основному металлу. Оплавление границ швов неплавящимся электродом примерно в таких же пределах повышает усталост-

* Новый способпредложен Институтом электросварки нм. Е. О. Патона АН УССР.

85

ную прочность сталей 14Х2ГМР н 14ХМНДФР (рис. III. 10). Исследования показывают, что при увеличении угла между ка­ сательной к поверхности шва и основным металлом вибрацион­

других авторов можно сделать следующие выводы.

Если предел прочности ’высокопрочных сталей превышает пре­ дел прочности стали СтЗ в 2—3 раза, то вибрационная прочность

86

предела прочности), при лобовых швах и катетах шва с соотношением 1 : 1,5 вибрационная прочность несколько повы­ шается.

Наиболее совершенным видом соединения элементов из высо­ копрочных сталей следует считать применение стыковых швов с подваркой корня и снятием усиленной части шва заподлицо с основным металлом, при котором вибрационная прочность близ­ ка вибрационной прочности основного металла.

Вибрационная прочность для сталей различных марок одного и того же класса прочности может быть не одинаковой и поэтому для каждой марки стали необходимо определение вибрационной прочности для различных циклов загружений.

Исследования и опыт применения высокопрочных сталей по­ казывают, что при отсутствии концентраторов напряжений вы­ сокопрочные стали могут достаточно успешно применяться в конструкциях, подверженных воздействию вибрационных и мно­ гократно повторяющихся нагрузок. При этом, однако, эффек­ тивность использования таких сталей окажется несколько меньшей, чем в конструкциях, работающих на статические на­ грузки.

Весьма важным вопросом при изучении конструкций из высо­ копрочных сталей, работающих на циклические воздействия на­ грузок, является определение реально возможного спектра на­ грузок за весь период эксплуатации конструкции и фактических коэффициентов ассиметрии циклов. Указанное особенно необхо­ димо при применении высокопрочных сталей в оборудовании и сооружениях горной промышленности, в которой предприятия (шахты и карьеры) имеют сравнительно небольшой срок служ­ бы, связанный с выработкой запасов полезного ископаемого и обычно ограничиваемый периодом в 30—60 лет. Важным являет­ ся не только определение предела усталости конструкций из ста­ лей высокой прочности, т. е. при количестве циклов около 2- ІО6, но также и изучение работы таких конструкций на переменные нагрузки с различным меньшим количеством циклов.

Следует иметь в виду, что явления усталости могут возникать в различного вида конструкциях,' в том числе и в высотных со­ оружениях- (мачты, башни, дымовые трубы), подъемно-тран- опортных сооружениях, конструкциях, подверженных действию ветра, и т. д.

Расчет на выносливость производится путем умножения рас­ четных сопротивлений основного металла и соединений на пони­ жающий коэффициент у, меньший, единицы и определяемый в со­ ответствии со СНиП П-В. 3—72 по двум формулам: если наиболь­ шее по абсолютной величине напряжение является растягиваю­ щим,

с

(Ш. 19)

а — Ьр

87