Характеристики материалов металлоконструкций, их механические свойства при различных условиях и воздействиях

Особенности работы стальных мостов при воздействии нагрузок. Элементы пролетных строений мостов, особенно железнодорожных, под нагрузками оказываются в очень сложном напряженном состоянии. Пролетное строение представляет собой пространственную конструкцию, в которой каждый элемент по-своему реагирует на загружение моста временной нагрузкой. Рассмотрим их работу на примере главных ферм балочного разрезного пролетного строения с треугольной решеткой.
Помимо напряжений σq от статических постоянных нагрузок q, в элементах главных ферм в общем случае действуют еще три компонента напряжений σ(t):

где σ1(t) — напряжения от статического воздействия временной нагрузки, являющиеся переменными во времени t вследствие движения поезда или колонны автомобилей по пролетному строению. Характер диаграммы изменения этих напряжений определяется схемой движущейся нагрузки и видом линии влияния усилий в элементе;
σ2(t) — дополнительные напряжения от общих динамических деформаций пролетного строения. Изменение напряжений σ2(t) во времени зависит от динамических прогибов пролетного строения;
σ3(t) — дополнительные напряжения в элементах от их местных поперечных вибраций. Характер диаграмм напряжений соответствует виду напряженного состояния элемента, совершающего изгибные колебания.
Схематически характер деформаций, вызывающих указанные напряжения, показан на рис. 2.1, а. На рис. 2.1, б приведена часть диаграммы фибровых напряжений в сечении I—I раскоса 6—7 при движении временной нагрузки по мосту. При ее перемещении по пролетному строению изменяются осевые напряжения σ1(t) в раскосе по закону, изображенному кривой 1. Статические напряжения при этом соответствуют прогибу пролета на величину f1. Общие вертикальные колебания пролетного строения (около положения статического равновесия) с амплитудой f2 и периодом T1 обусловливают динамические напряжения σ2(t) во всех элементах фермы, в том числе в раскосе 6—7' (кривая 2 на рис. 2.1, б). Местные поперечные вибрации элемента конструкции с амплитудой f3 и периодом T2 являются причиной дополнительных динамических изгибных напряжений σ3(t) (кривая 3).
Множество динамических воздействий от движения по мосту временной нагрузки принято учитывать при расчете металлических пролетных строений упрощенно: умножением усилий в элементах конструкции от статического действия расчетной подвижной нагрузки на коэффициент динамики 1+μ.

С учетом изложенного полные напряжения в сечениях элементов пролетного строения могут быть определены следующим образом:

Данные особенности выделяют мостовые металлоконструкции среди других строительных сооружений и предъявляют особые требования к их материалам.
Характеристики механических свойств материалов. Важнейшей прочностной характеристикой стали является диаграмма растяжения, отражающая зависимость ε = f(ε). На рис. 2.2 показаны зависимости σ = f(ε) для сталей обычной 1, повышенной 2 и высокой 3 прочности. По ним определяют начальный модуль упругости E = tg φ, предел пропорциональности σpr, до которого справедлив закон Гука: G = Ее, а также предел упругости σel, до которого материал не получает остаточных деформаций после снятия нагрузки. В интервале между σpr и σel проявляется нелинейная упругость.

Предел текучести σy соответствует началу развития пластических деформаций и площадки текучести. Для сталей повышенной прочности, не имеющих ярко выраженной площадки текучести, за этот показатель условно принимают напряжения, при которых образец получает остаточную относительную деформацию 0,2 % (после разгрузки). На рис. 2.3 приведены диаграммы растяжения сталей некоторых марок, применяемых в мостостроении.
Временное сопротивление (предел прочности) σu соответствует началу разрушения образца и подсчитывается по отношению к нервоначальной площади его поперечного сечения.

Относительное удлинение при разрыве характеризует пластичность металла и определяется по формуле

где lmax и l0 — соответственно длина образца после и до разрыва.
Если обозначить символом A0 первоначальную площадь поперечного сечения образца, а через А — площадь поперечного сечения в момент определения деформации, то отношение

называется относительным сужением.
При проектировании мостов нормативные сопротивления стали по пределу текучести Ryn или по временному сопротивлению Run принимают по значениям σy и σu в соответствии с ГОСТ на сталь.
Расчетные сопротивления стали на растяжение, сжатие и изгиб по пределу текучести Ry или по временному сопротивлению Ru устанавливают в зависимости от значений Ryn и Run:

где γm — коэффициент надежности по материалу.
В обычных условиях эксплуатации напряжения от временной нагрузки в элементах конструкций не превышают величины предела текучести стали и, как правило, намного ниже его. Однако в отдельных случаях воздействия временной нагрузки (обычно ударной) на элементы моста приводят к появлению в них пластических деформаций, когда сталь деформируется как упругопластический материал. В этом случае при снятии нагрузок деформированная сталь частично восстанавливает свою первоначальную форму (явление пружинения), однако деформации полностью не исчезают.
Ударная вязкость характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Оно значительно опаснее пластического, так как происходит внезапно без предшествующих видимых деформаций. Вероятность проявления хрупкого разрушения возрастает с понижением температуры и увеличением концентрации напряжений в опасном сечении. Величину ударной вязкости определяют на основе испытаний на маятниковом копре образцов стали с U-образным или F-образным (острым) надрезами при различных температурах. Ее значение отражает отношение работы, затрачиваемой на разрушение образца с надрезом, к площади его поперечного сечения в ослабленном месте.
В результате многократного приложения нагрузки в элементах мостовых конструкций могут возникнуть и постепенно развиться усталостные микротрещины. На определенной стадии их развития возможно полное разрушение отдельных элементов, приводящее в итоге к разрушению конструкции в целом.
Усталостное разрушение отличается от статического рядом характерных особенностей. Оно может вызываться относительно невысокими напряжениями, составляющими порядка 30...60 % предела прочности стали. При знакопеременных силовых воздействиях разрушение стали может начинаться и при более низких напряжениях.
Усталостное разрушение элементов стальных конструкций — процесс многостадийный. Он начинается с постепенного накопления необратимых физико-механических изменений в материале, которые вызывают образование микротрещин. Затем некоторые из них, развиваясь, образуют макротрещину. Распространяясь, она вызывает полное разрушение элемента конструкции.
Возможные места зарождения усталостных трещин — зоны концентрации напряжений в местах резкого изменения сечения конструкции, различных выкружек, отверстий, переходов сварных швов на основной металл, дефектов стали и сварных швов. Коррозионные язвы, трещины и царапины на поверхности металла, а также остаточные сварочные напряжения также могут существенно уменьшать сопротивление материала усталости.
Зависимости, количественно описывающие усталостный процесс, устанавливают обычно экспериментальным путем. Одним из основных показателей сопротивления металла усталости является циклическая долговечность — число циклов приложения нагрузки, выдержанных конструкцией до образования усталостной трещины определенных размеров пли до полного усталостного разрушения.
Связь между максимальным напряжением цикла σmax и циклической долговечностью N в графическом виде представляет собой кривую усталости (рис. 2.4). В полулогарифмических (σ, LgN) координатах кривую усталости обычно аппроксимируют двумя отрезками прямых линий: крутопадающим и горизонтальным. Напряжение σR, отвечающее горизонтальному участку кривой усталости, служит важнейшим ее параметром — пределом выносливости.

Расчет на выносливость элементов пролетных строений мостов условно проводится после 2 млн циклов нагружения и данных усталостных испытаний моделей различных соединений с определением их пределов выносливости. Для этого же числа циклов построены диаграммы выносливости и выведены расчетные формулы, положенные в основу расчета мостовых конструкций на выносливость.
Коэффициентом асимметрии цикла называется отношение абсолютных величин наименьших напряжений σmin к наибольшим σmax (со своими знаками) в пределах цикла их изменения. Экспериментальные данные (см. рис. 2.4) показывают, что долговечность некоторых соединений может быть в несколько раз ниже долговечности стального проката. Долговечность и предел выносливости стали любой марки уменьшаются с увеличением концентрации напряжений в исследуемом сечении и переходом от нагружения переменными растягивающими усилиями (ρ ≥ 0) к нагружению знакопеременными усилиями, т.е. растягивающе-сжимающими (ρ ≤ 0).
Общепринятая оценка влияния концентрации напряжений на выносливость соединений элементов основана на использовании так называемого эффективного коэффициента концентрации напряжений

где σ-1, σ-1к — пределы выносливости соответственно образца без концентратора и с концентратором напряжений при нагружении знакопеременными усилиями и характеристике цикла ρ = -1.
За предельное состояние в расчетах на выносливость принимают появление усталостной трещины в материале элемента или соединении. Гарантия от усталостного разрушения в результате многократных загружений достигается ограничением величины максимального (вычисленного для повторяющихся загружений) напряжения пределом выносливости σR. Подобная проверка условна, так как расчетная схема обычно не дает возможности вычислить наибольшие напряжения в точках их концентрации при наличии таких факторов, как резкое изменение сечения, неровная поверхность, наличие отверстий, сварных швов и т.д. В расчетах оперируют с условными численными значениями предела выносливости, определяемыми экспериментально на специальных образцах под переменными нагрузками, изменяющимися по синусоидальному закону. Для различных типов соединений исследованиями установлены пределы выносливости для полного симметричного цикла σ-1к.
Численное значение характеристики режима повторно-переменных напряжений определяется при помощи безразмерной величины коэффициента режима. Этот коэффициент имеет сложную зависимость от параметров нагружения элементов конструкции. В целом он отражает изменение характера накопления усталостных повреждений при нестационарном режиме нагружения по отношению к стационарным (σmax = const, σmin = const) условиям нагружения конструкции. Предел выносливости σR элемента конструкции при его реальном режиме нагружения в зависимости от величины σ-1 описывается функцией вида

где a = f(β, ξ) — параметр, зависящий от режима нагружения элемента конструкции и величины эффективного коэффициента концентрации напряжений его прикрепления;
ψ = σ-1/σu — отношение предела выносливости для основного металла при ρ =-1 к его пределу прочности.