Основы стальных конструкций 

Способы соединения стальных конструкций:

1. Способы соединения стальных конструкций:

Существует три способа соединения стальных конструкций: сварка, болтовое соединение и заклепочное соединение.

(1) Сварка

Сварка заключается в том, что под действием тепла, выделяемого дугой, происходит локальное плавление электрода и свариваемых деталей, которые после охлаждения затвердевают, образуя сварной шов, тем самым соединяя детали в единое целое.

Преимущества: не уменьшает сечение детали, экономит сталь, простая конструкция, удобство изготовления, высокая жесткость соединения, хорошая герметичность, при определенных условиях легко автоматизировать, высокая производительность.

Недостатки: в зоне термического влияния, образующейся вблизи сварного шва под воздействием высоких температур, сталь в некоторых местах может стать хрупкой; в процессе сварки сталь подвергается неравномерному нагреву и охлаждению, что приводит к появлению остаточных напряжений и деформаций, которые оказывают определенное влияние на несущую способность, жесткость и эксплуатационные характеристики конструкции; из-за высокой жесткости сварных конструкций локальные трещины, как только они возникают, легко распространяются на всю конструкцию, особенно при низких температурах, когда возникает риск хрупкого разрушения; Сварные соединения обладают низкой пластичностью и вязкостью, при сварке могут возникать дефекты, что снижает усталостную прочность.

(2) Болтовые соединения

Болтовые соединения представляют собой соединение деталей в единое целое с помощью болтов как крепежных элементов. Болтовые соединения подразделяются на обычные и высокопрочные.

Преимущества: простая технология изготовления, удобство монтажа, особенно подходит для монтажа на строительной площадке, а также удобно демонтировать, подходит для конструкций, требующих монтажа и демонтажа, и для временных соединений.

Недостатки: необходимость прорезания отверстий в деталях и совмещения отверстий при сборке, что увеличивает объем производственных работ и предъявляет высокие требования к точности изготовления; отверстия для болтов также ослабляют сечение детали, а соединяемые детали часто требуют взаимного нахлеста или установки дополнительных соединительных пластин (или уголков), что делает конструкцию более сложной и требует большего расхода стали.

(3) Заклепные соединения

Заклепное соединение заключается в том, что заклепку с полукруглой готовой головкой на одном конце раскаливают до красного каления и быстро вставляют в отверстие соединительного элемента, а затем с помощью заклепочника заклепывают другой конец, формируя головку, чтобы обеспечить прочность соединения.

Преимущества: заклепочное соединение обеспечивает надежную передачу усилия, обладает хорошей пластичностью и вязкостью, качество легко контролировать и гарантировать, может применяться в конструкциях, подвергающихся тяжелым и директным динамическим нагрузкам.

Недостатки: процесс заклепочного соединения сложен, требует больших затрат труда и материалов, а также характеризуется высокой трудоемкостью, поэтому в настоящее время он практически полностью вытеснен сваркой и соединениями с помощью высокопрочных болтов.

1. Сварные соединения

(1) Методы сварки

Наиболее распространенным методом сварки стальных конструкций является дуговая сварка, включающая ручную дуговую сварку, автоматическую или полуавтоматическую дуговую сварку, а также сварку в среде защитных газов и т. д.

Ручная дуговая сварка является наиболее распространенным методом сварки стальных конструкций; она отличается простотой оборудования и гибкостью в эксплуатации. Однако условия труда при этом неблагоприятны, производительность ниже, чем при автоматической или полуавтоматической сварке, а качество сварных швов сильно варьируется и в определенной степени зависит от уровня квалификации сварщика.

Качество сварных швов при автоматической сварке стабильно, внутренних дефектов в швах мало, они обладают хорошей пластичностью и ударной вязкостью, что делает этот метод подходящим для сварки длинных прямых швов. Полуавтоматическая сварка, благодаря ручному управлению, подходит для сварки криволинейных или произвольной формы швов. При автоматической и полуавтоматической сварке следует использовать сварочную проволоку и флюс, подходящие для основного металла; сварочная проволока должна соответствовать требованиям национальных стандартов, а флюс — определяться в соответствии с требованиями технологии сварки.

При сварке в среде инертного газа в качестве защитной среды для дуги используется инертный газ (или CO₂), который изолирует расплавленный металл от воздуха, обеспечивая стабильность процесса сварки. При сварке в среде инертного газа нагрев дугой является концентрированным, скорость сварки высокая, глубина проплавления большая, поэтому прочность сварного шва выше, чем при ручной сварке. Кроме того, сварной шов обладает хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, что делает его подходящим для сварки толстых стальных листов.

(2) Формы сварных швов

Формы сварных соединений в зависимости от взаимного расположения соединяемых деталей можно разделить на четыре типа: стыковое, нахлесточное, Т-образное и угловое соединения. Для этих соединений используются два основных типа сварных швов: стыковые и угловые. При конкретном применении выбор следует производить с учетом нагрузок на соединение, а также с учетом условий изготовления, монтажа и сварки.

По своему назначению сварные швы делятся на несущие и герметичные. Несущие швы служат только для передачи внутренних сил, а герметичные, помимо передачи внутренних сил, должны также обеспечивать герметичность от утечки газов или жидкостей.

По положению при сварке швы делятся на четыре типа: горизонтальные, вертикальные, поперечные и наклонные. Сварка в горизонтальном положении удобна в выполнении, обеспечивает хорошее качество и высокую производительность; вертикальная и горизонтальная сварка — это вертикальные и горизонтальные швы, выполняемые на вертикальной поверхности, их производительность и качество сварки несколько уступают сварке в вертикальном положении; сварка в вертикальном положении — это сварка с лицевой стороной, обращенной вверх, условия работы при этом самые неблагоприятные, качество сварного шва трудно гарантировать, поэтому ее следует по возможности избегать.

(3) Конструкция сварного шва

1. Стыковый шов

В стыковом шве передача усилий происходит непосредственно и плавно, без заметного скопления напряжений, благодаря чему он обладает хорошими несущими свойствами и подходит для соединения деталей, подвергающихся статическим и динамическим нагрузкам. Однако ввиду высоких требований к качеству стыкового шва и строгих требований к зазору между свариваемыми деталями он, как правило, чаще всего используется в заводских соединениях.

Стыковые сварные швы также называют швами с фаской, поскольку при сварке края листов необходимо обработать, придав им фаску соответствующей формы и размера (как показано на рисунке ниже), чтобы обеспечить необходимое пространство для перемещения электрода и гарантировать достаточную глубину проплавления внутри стыкового сварного шва. Основные формы фасок включают I-образную, одностороннюю V-образную, V-образную, X-образную, U-образную и K-образную. Форма фаски зависит от толщины листа и метода сварки. При ручной сварке, если толщина листа t ≤ 10 мм, можно использовать I-образный шов без снятия фаски, достаточно лишь соблюсти зазор 0,5–2 мм; при t ≤ 5 мм можно выполнять одностороннюю сварку; при толщине листа t = 10–20 мм используют V-образную или полу-V-образную фаску; для более толстых листов t ≥ 20 мм используют X-образную, U-образную или K-образную фаску. Для V-образного и U-образного шва необходимо очистить корень сварного шва и провести подварку.

Если нет возможности очистить корень и провести подварку, необходимо заранее установить подкладную пластину. При автоматической сварке из-за высокой силы тока и большой глубины проплавления V-образный паз используется только при t ≥ 16 мм.

В соединениях, где ширина или толщина свариваемых деталей изменяется, для уменьшения концентрации напряжений с одной или обеих сторон листа следует выполнить скос с уклоном не более 1:2,5, как показано на рисунке, чтобы обеспечить плавный переход. Если разница в толщине листов не превышает 4 мм, скос можно не выполнять.

2. Угловые сварные швы

(1) Формы угловых сварных швов

Угловые сварные швы, в зависимости от направления их длины и направления действия внешних сил, можно разделить на боковые угловые сварные швы, параллельные направлению действия силы, фронтальные угловые сварные швы, перпендикулярные направлению действия силы, косые угловые сварные швы, пересекающие направление действия силы под углом, а также обводные сварные швы.

По форме сечения угловые сварные швы подразделяются на обычные, с плоским уклоном и с глубокой проплавлением. На рисунке hf обозначает размер углового шва. У обычного сечения соотношение сторон углового шва составляет 1:1, что приблизительно соответствует равнобедренному прямоугольному треугольнику; линия передачи силы изгибается довольно резко, поэтому наблюдается сильная концентрация напряжений. Для конструкций, непосредственно подвергающихся динамическим нагрузкам, с целью обеспечения плавного передачи усилий для фронтальных угловых сварных швов рекомендуется использовать плоско-наклонный тип с соотношением размеров двух угловых сторон 1:1,5 (длинная сторона расположена в направлении внутренних сил), а для боковых угловых сварных швов — тип с глубокой проплавлением с соотношением 1:1.

(4) Набор обозначений сварных швов и методы их обозначения

В «Правилах обозначения сварных швов» предусмотрено: обозначение сварного шва, как правило, состоит из основного символа и направляющей линии; при необходимости к ним могут добавляться дополнительные символы и размеры сварного шва.

Основной символ: обозначает форму поперечного сечения сварного шва, например, « » обозначает угловой сварной шов, а «V» — стыковой сварной шов с V-образным пазом;

Дополнительные символы: дополняют описание определенных характеристик сварного шва; например, « » обозначает сварной шов, выполняемый на месте монтажа, а « » — сварной шов с трех сторон сварной детали;

Направляющие линии: обычно состоят из горизонтальной линии и наклонной линии со стрелкой; стрелка указывает на соответствующее место сварного шва на чертеже, а пространство над и под горизонтальной линией используется для обозначения основного символа, размеров сварного шва и т. д.

Если расположение сварных швов достаточно сложное или вышеуказанные методы обозначения не позволяют четко его передать, на чертеже можно нанести сетку одновременно с обозначением символов сварных швов.

(5) Контроль качества сварных швов и классы качества сварных швов

Наличие в сварных швах таких дефектов, как поры, включения и подкалы, не только ослабляет площадь, принимающую нагрузку, но и вызывает концентрацию напряжений в местах дефектов, что способствует образованию трещин. В соединениях, подверженных растяжению, трещины легче распространяются, что приводит к разрушению сварного шва при прочности ниже прочности основного материала. Аналогичным образом, дефекты также снижают усталостную прочность соединения. Поэтому качество сварных швов следует классифицировать в зависимости от характера нагрузки и места расположения.

В соответствии с типом конструкции и ее важностью «Нормы приемки качества строительства стальных конструкций» делят уровни контроля качества сварных швов на три категории. Пункт проверки III уровня предусматривает только визуальный осмотр всех сварных швов, то есть проверку соответствия фактических размеров сварных швов требованиям и наличия внешних дефектов; для сварных швов I и II уровней, помимо визуального осмотра всех сварных швов на наличие дефектов соответствующего уровня, необходимо проводить ультразвуковой контроль для выявления внутренних дефектов; если ультразвуковой контроль не позволяет определить наличие дефектов, следует применять радиографический контроль. Для сварных швов I уровня доля ультразвукового и радиографического контроля составляет 100% в обоих случаях, для сварных швов II уровня — 20% в обоих случаях, причем длина контроля не должна быть менее 200 мм. Если длина сварного шва меньше 200 мм, необходимо провести контроль по всей длине шва.

В стальных конструкциях обычно достаточно сварных швов класса III для удовлетворения требований прочности, однако прочность на разрыв стыковых сварных швов имеет значительную изменчивость. Согласно «Нормативам проектирования стальных конструкций», их расчетное значение составляет лишь около 85% от прочности основной стали. Поэтому для стыковых сварных швов, подверженных значительным растягивающим нагрузкам, а также для важных сварных швов элементов, непосредственно воспринимающих динамические нагрузки, можно частично использовать сварные швы класса II, а в местах с повышенными требованиями к сопротивлению динамическим нагрузкам и усталостной прочности — сварные швы класса I. Класс качества сварных швов должен быть указан в рабочих чертежах, однако для сварных швов класса III такая пометка не требуется.

III. Болтовые соединения

(1) Конструкция обычных болтовых соединений

1. Форма и размеры обычных болтов

В стальных конструкциях обычно используются болты с большой шестигранной головкой, обозначение которых состоит из буквы M и номинального диаметра (мм). В строительстве часто используются болты M18, M20, M22, M24. Согласно международным стандартам, болты обозначаются по классу прочности, например «класс 4.6», «класс 8.8» и т. д. Цифра перед запятой обозначает минимальную предел прочности на разрыв материала болта, например, «4» означает 400 Н/мм², а «8» — 800 Н/мм². Цифры после запятой (0,6, 0,8) обозначают коэффициент соотношения предела текучести к пределу прочности, то есть отношение предела текучести к минимальному пределу прочности на разрыв.

В зависимости от точности обработки болты обычные болты подразделяются на три класса: A, B и C.

Болты классов A и B (точечные болты) изготавливаются из стали класса 8.8, обрабатываются на токарных станках, имеют гладкую поверхность и точные размеры, а также используются с отверстиями класса I (то есть отверстия для болтов просверлены или рассверлены в собранных деталях, стенки отверстий гладкие, а отверстия точно соответствуют размерам болтов). Благодаря высокой точности обработки и плотному прилеганию к стенкам отверстий деформация соединения минимальна, а несущая способность высока, поэтому такие болты можно использовать в соединениях, подверженных значительным сдвиговым и растягивающим нагрузкам. Однако их изготовление и монтаж требуют больших трудозатрат и высоких затрат, поэтому они редко используются в стальных конструкциях.

Болты класса C (болты грубой обработки) изготавливаются из стали класса 4.6 или 4.8, имеют грубую обработку, недостаточно точные размеры и требуют только отверстий класса II (т. е. отверстия для болтов, пробитые за один раз на отдельной детали или просверленные без использования сверлильных шаблонов. Обычно диаметр отверстия на 1–2 мм больше диаметра стержня болта). При передаче сдвигающего усилия соединение сильно деформируется, но при передаче растягивающего усилия характеристики остаются достаточно хорошими; для работы не требуется специального оборудования, а стоимость низкая. Часто используется в болтовых соединениях, воспринимающих растягивающее усилие, а также во второстепенных сдвиговых соединениях конструкций, воспринимающих статические нагрузки или косвенно воспринимающих динамические нагрузки.

2. Расположение болтов в обычных болтовых соединениях

Расположение болтов должно быть простым, единообразным и компактным, соответствовать требованиям по нагрузкам, иметь разумную конструкцию и быть удобным для монтажа. Существуют два типа расположения: параллельное и шахматное (как показано на рисунке). Параллельное расположение более простое, шахматное — более компактное.

(1) Требования к нагрузкам

Минимальное расстояние между отверстиями для болтов (d0) на торце (по направлению действия нагрузки) составляет 2d0, чтобы предотвратить срез торца листа; минимальное расстояние от отверстий для болтов до края (перпендикулярно направлению действия нагрузки) составляет 1,5 d0 (для резанных краев) или 1,2 d0 (для прокатных краев). Минимальное расстояние между отверстиями для болтов в середине (расстояние между болтами и расстояние между линиями) составляет 3d0, в противном случае взаимное влияние концентрации напряжений вокруг отверстий для болтов будет значительным, а сечение стальной пластины будет чрезмерно ослаблено, что приведет к снижению ее несущей способности.

(2) Конструктивные требования

Расстояние между болтами также не должно быть слишком большим, особенно в случае сжимаемых пластин, поскольку при слишком большом расстоянии между болтами легко возникает выпуклое искривление. При соединении пластин с жесткими элементами (такими как швеллеры, уголки и т. п.) слишком большое расстояние между болтами затрудняет плотный контакт, что способствует проникновению влаги в зазоры и образованию ржавчины. Согласно нормам, максимальное расстояние между центрами отверстий для болтов при сжатии составляет 12 d0 или 18 tmin (где tmin — толщина самой тонкой пластины внешнего слоя), при растяжении — 16 d0 или 24 tmin, а максимальное расстояние от центра до края элемента — 4 d0 или 8 tmin.

(3) Требования к монтажу

Между болтами должно быть достаточное расстояние, чтобы можно было поворачивать гаечный ключ и затягивать гайки.

Исходя из указанных выше максимального и минимального допустимого расстояний между болтами, при их расположении следует ориентироваться на минимальное допустимое расстояние, которое должно быть кратным 5 мм, и располагать болты на равном расстоянии друг от друга, чтобы уменьшить размеры соединения. Максимальное допустимое расстояние обычно применяется только в конструктивных соединениях, выполняющих связующую функцию.

Телефон для бизнес-консультаций: 18629661984, менеджер Цяо

 18092560186 Менеджер дверей

Адрес: 15-й улицы Вэйхуэй, Демонстрационная зона Янлин, провинция Шэ