Основные типы соединений металлоконструкций

15.06.2016

При заводском изготовлении элементов и блоков пролетных строений используют, как правило, листовую и широкополосную сталь с толщиной листа от 6 до 60 мм, шириной 200—2400 мм и длиной 5—12 м. Кроме того, обычно для связей применяют фасонный прокат, т.е. уголки и швеллеры в широком диапазоне размеров. Для соединения деталей из указанного проката применяют все известные типы скреплений: заклепочные, болтовые, сварные, а также комбинированные.
Заклепочные соединения. В 70-х гг. на мостовых заводах прекратили производство пролетных строений с клепаными элементами. Ho потребность применения некоторых клепаных узлов осталась. Поэтому на предприятиях сохранили технологический процесс клепки (на скобе). В основном, это касается узлов и соединений конструкций, работающих в особо тяжелых (преимущественно северных) условиях, испытывающих ударные, знакопеременные нагрузки, обладающих низкой выносливостью. Кроме того, заклепочные соединения в несколько раз дешевле соединений на высокопрочных болтах (ВПБ), что немаловажно при определении стоимости строительства.
В мостах применяют заклепки диаметром 17, 20, 23, 26 и 29 мм (наиболее распространен диаметр 23 мм). Нагретый стержень заклепки полностью заполняет отверстие. За счет этого при сдвиге листов склепанного пакета относительно друг друга усилиями N, стержень заклепки работает на местное смятие напряжениями σсм по боковой поверхности и срез по плоскостям а—а и б—б (рис. 2.5).
Основные типы соединений металлоконструкций

Обычные болты (грубой, нормальной и повышенной точности) работают аналогично заклепкам. Ho в стальных пролетных строениях капитальных мостов их почти не применяют, а используют, в основном, во вспомогательных сооружениях.
В настоящее время основными типами соединений в данных конструкциях являются сварные и на высокопрочных (фрикционных) болтах. При изготовлении элементов мостовых конструкций в заводских условиях используют, в основном, электросварку. На строительной площадке при монтаже могут применять сварку или BПБ, а также комбинированные соединения, сочетающие в одном соединении и то и другое.
Соединения на высокопрочных болтах. Принципиальная схема соединения на ВПБ приведена на рис. 2.6. Такие соединения называют еще фрикционными, так как усилия с элемента на элемент при их относительном сдвиге силами Q передаются только за счет трения, возникающего по контактным поверхностям соединяемых деталей вследствие натяжения болтов силами Р.
Основные типы соединений металлоконструкций

Преимущества ВПБ по сравнению с клепаными соединениями связаны как с увеличением несущей способности одного скрепления (что приводит к сокращению их числа), так и с улучшением условий труда (меньше загрязнение воздуха при нагреве заклепок, шум и вибрация), с сокращением производственного цикла и числа технологических операций.
В металлоконструкциях применяют ВПБ типов 110, 110XЛ и 135. Цифровой индекс означает минимальное сопротивление болта разрыву в кН/см2, буквами XЛ обозначены изделия в северном исполнении.
Болты типов 110 и 110XЛ изготавливают из стали марки 40Х «селект», а типа 135 — из стали марок 30ХЗМФ и 30Х2НМФА. Гайки для ВПБ изготавливают из стали марок 35, 40, 35Х и 40Х, а шайбы — из стали марок ВСт5сп2, ВСт5пс2, 35 и 40. Механические характеристики ВПБ указаны в табл. 2.8.
Основные типы соединений металлоконструкций

В мостостроении используют болты диаметром 18, 22, 24 и 27 мм. Их длину выбирают в зависимости от толщины стягиваемого ими пакета. Номинальный диаметр отверстий под ВПБ в стыках и прикреплениях основных несущих элементов, определяющих проектное положение конструкции, принимается на 3 или 4 мм больше диаметра болтов размерами соответственно 18...22 и 24...27 мм. В прикреплениях элементов, не определяющих проектные положения конструкций, допускается рассверливать отверстия диаметром на 5...6 мм больше диаметра болтов. Здесь не допускается контакт стержня болта с внутренней поверхностью отверстия, так как болт должен работать только на растяжение, без смятия, среза и изгиба.
Рабочие контактные поверхности соединяемых элементов и деталей перед постановкой ВПБ должны быть очищены от ржавчины, отстающей окалины, масляных пятен, грязи и грунтовки. Для этого нужно воспользоваться одним из перечисленных способов: пескоструйной или дробеструйной обработкой, газоплазменной обработкой (огневой очисткой), очисткой металлическими щетками, дробеметной обработкой, которая может быть дополнена газоплазменным нагревом поверхности металла в зоне отверстия до 250...300°С.
После подготовки контактных поверхностей часто применяют клеефрикционое покрытие. Его несущая способность обеспечивается введением между соприкасающимися поверхностями промежуточного слоя из абразивного материала — карбида кремния (карборунда). Для образования клеефрикционного покрытия на поверхность наносят эпоксидный клей и внедряют в него порошковый абразивный материал. Клей защищает контактную поверхность от коррозии и удерживает выступающие над ним зерна абразивного материала, которые обеспечивают высокий и стабильный коэффициент трения в зоне контакта.
Такие покрытия можно наносить на обе соприкасающиеся поверхности, хотя обычно подобной предварительной обработке подвергается поверхность только одного из соединяемых элементов (фасонки или накладки). Поверхность другого элемента обычно очищают металлическими щетками или газоплазменным способом на строительной площадке перед монтажом.
Натяжение ВПБ на нормативное усилие производится динамометрическими ключами, ручными, гидравлическими или пневматическими гайковертами. Применяют два способа: закручивание гайки с обеспечением требуемого крутящего момента (натяжение но крутящему моменту) или поворот гайки на заданный угол от фиксированного начального положения (натяжение по углу поворота).
Технология сборки соединений на ВПБ, натяжения болтов, контроль технологических операций и другие вопросы более подробно изучают в дисциплине «Строительство мостов».
Сварные соединения. В последние десятилетия электросварка как вид соединения завоевала господствующее положение при изготовлении мостовых конструкций на заводах. На строительной площадке сварку используют при монтаже балочных сплошностенчатых пролетных строений автодорожных и городских мостов. За рубежом применяют также сварные стыки пролетных строений железнодорожных мостов.
Сваркой называется процесс образования неразъемного соединения отдельных частей из твердых материалов, происходящий в результате действия сил сцепления между атомами. Сущность процесса заключается в том, что кромки свариваемых деталей и присадочный металл расплавляются электрической дугой и образуют сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии, затем затвердевает и кристаллизуется. Отличительные особенности технологического процесса изготовления таких конструкций — изменение свойств металла в зоне термического влияния сварки, возникновение остаточных напряжений и образование деформаций.
Повсеместное использование сварки в мостах связано с уменьшением трудозатрат, снижением расхода стали из-за устранения ослабления сечений элементов отверстиями для болтов, отсутствием различных щелей, характерных для клепаных и болтовых соединений элементов и становящихся очагами их коррозии. В то же время сварные соединения требуют более тщательного исполнения, чем соединения на ВПБ. Для них характерны дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, которые необходимо выявлять при изготовлении и учитывать в расчетах конструкций на выносливость.
Из известных способов сварки в мостостроении применяют электрическую дуговую и электрошлаковую. С точки зрения механизации процесса, используют ручную и механизированную (автоматическую и полуавтоматическую) дуговую электросварку. Она выполняется плавящимся и неплавящимся электродом. Сварка металлическим плавящимся электродом — наиболее распространенный способ. При этом материал электрода одновременно проводник электрического тока и присадочный металл. При сварке неплавящимся электродом дуга горит между ним и изделием, а присадочный металл (сварочная проволока) подается отдельно в расплавленную ванну. Чтобы изолировать зону сварки от вредных примесей из воздуха (кислорода и азота) и легирования расплавленного металла, автоматическая и полуавтоматическая сварка проводится под слоем флюса. Он представляет собой зернистое вещество, которое при расплавлении образует шлак, покрывающий расплавленный металл шва, защищая его от атмосферных воздействий. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей наибольшее применение получили высококремнистые марганцевые флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45. При такой сварке получают однородный плотный шов с глубоким проваром, т.е. с проникновением наплавленного металла в основной металл соединяемых элементов на глубину не менее 2 мм.
Ручную электросварку используют при необходимости устройства швов в потолочном положении или в стесненных условиях. При этом используют электроды, покрытые толстой обмазкой, глубина проплавления основного металла — 1...2 мм.
Основные типы соединений металлоконструкций

Для соединения вертикальных стенок балок применяют электрошлаковую сварку. В пространстве, образованном кромками свариваемых деталей и формирующими ползунами, создается ванна расплавленного шлака, в которую погружается сварочная проволока. Процесс происходит при отсутствии электрической дуги (рис. 2.7). Ток, проходя между основным металлом и электродом, нагревает расплав и поддерживает в нем высокую температуру и электропроводность.
Основные типы соединений металлоконструкций

Применяют следующие основные виды сварных соединений: стыковые, тавровые соединения и соединения внахлестку (рис. 2.8). Кроме того, часто используют (например, для коробчатых эле ментов) угловые сварные швы (рис. 2.9, а). Правда, в соединениях металлоконструкций мостов нахлесточные швы не применяют из-за их пониженной выносливости, так как в них велика концентрация напряжений под нагрузкой.
Основные типы соединений металлоконструкций

В зависимости от толщины свариваемого металла швы могут отличаться формой подготовки кромок: без скоса, со скосом одной или двух кромок; способом выполнения — односторонними или двухсторонними. Подготовка кромок и выполненный шов для некоторых видов тавровых и угловых соединений, применяемых для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, показаны на рис. 2.9, стыковых соединений — на рис. 2.10. Форма подготовки кромок характеризуется углом скоса α, притуплением р и зазором а и зависит от толщины проката.
В процессе сварки металлы шва и основного изделия около шва нагреваются до высокой температуры и расширяются. Свободному расширению препятствует холодный металл, окружающий зону сварки. Благодаря пластичности нагретый металл приобретает новую форму. Охлаждаясь, он вновь становится упругим и стремится укоротиться. Однако окружающий холодный металл препятствует сжатию. Вследствие этого в металле шва и околошовной зоне основного металла при остывании возникают остаточные сварочные напряжения.
Основные типы соединений металлоконструкций

Помимо них на несущую способность сварных соединений влияют различные дефекты, образующиеся в процессе сварки. К ним относятся наплывы, подрезы, газовые поры, шлаковые включения, трещины, непровары и др. Дефекты выявляют контролем каждого шва и ликвидируют до выпуска продукции с завода или сдачи моста заказчику.
В комбинированных соединениях применяют сварку и ВПБ, стремясь использовать каждый вид соединения с наиболее выгодной стороны.