/
Author: Блинов А.Н. Лялин К.В.
Tags: сооружения и части сооружений по виду строительных материалов и методам возведения строительство сварка строительные конструкции сварные конструкции
ISBN: 5-274-00293-5
Year: 1990
Text
А.Н. Блинов, К.В.Лялин
СВАРНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
А.Н.Блинов|, К.В.Лялин
СВАРНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
Допущено Главным управлением кадров
асоциального развития Министерства монтажных
и специальных строительных работ СССР в ка-
честве учебника для учащихся техникумов, обу-
чающихся по специальности ^Технология свароч-
ного производства» (специализация — еСварочныв
работы в строительно-монтажном производстве»)
Москва Стройиздат 1990
ББК 38.54
Б 69
УДК 624.014.25(075.32)
Рецензенты — зам. директора ВНИИМонтажспенстроя СССР,
д-р техн. наук, проф. Б. В. Поповский, нач. отдела свар-
ки Главного науч.-техн. управленвя Мннмонтажспсцстроя
СССР В. С. Конопатов
Редактор — О. В. Блинкова
I Блинов А. Н. |, Лилии К. В.
Б 69 Сварные конструкции: Учеб, для техникумов.
М.: Стройнздат, 1990. — 353 с.: ил.
ISBN 5-274-00293-5
На основе достижений отечественной н зарубежной нау-
ки и техники излагаются вопросы расчета н конструирования
различных вндов сварных строительных конструкций, приво-
дятся данные о классификации, назначении и принципе рабо-
ты. Даются основы расчета и конструирования сварных кон-
струкций в целом, отдельных элементов, а также' примеры
практических расчетов сварных строительных соединений.
Для учащихся строительных техникумов.
„ 3305000000—587 „„
Б-----------------28—91
047(01)—90
ББК 38.54
Учебное издание
I БЛИНОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ. |
ЛЯЛИН КОНСТАНТИН ВАСИЛЬЕВИЧ
СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Мл. редактор Т. В. Большакова. Художественный редактор Л. Ф. Егоренко.
Технический редактор Л. И. Шерстнева. Корректор Г. А. Кравченко
ИБ М 4970
- - . — ' . т
Сдано в набор 20.00.90. Подписано в печать 25.09.90. Формат 84X108*/,»
Бумага тип. К« 1. Гарнитура Литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 18,48,
Усл. кр.-отт. 18.79. Уч.-нзд. л. 18.73. Тираж 29 500 9КЭ. Изд. № АШ-2728.
Заказ № 593. Цена 60 коп.
Стройпэдат. 101442. Москва. Каляевская. 23а
Владимирская типография Госкомпечати СССР
800000. г. Владимир. Октябрьский проспект, л. 7
ISBN 5-274-00293-5
© |А. Н. Блинов), К. В. Ля»
лив, 1990
ПРЕДИСЛОВИЕ
Сварные конструкции широко используются при со-
оружении объектов любого назначения — каркасов круп-
ных промышленных объектов, резервуаров и емкостей
любого назначения и объема, доменных печей и храни-
лищ для овощей и фруктов, сосудов и аппаратов, маги-
стральных трубопроводов протяженностью в десятки
тысяч километров, технологических газопроводов в до-
мах на различные давления и различных размеров.
От прочности и надежности сварных конструкций во
многом зависит надежность и долговечность строящих-
ся и реконструируемых объектов.
Содержание настоящего учебника направлено на изу-
чение сварных конструкции, их классификацию, назна-
чение, принципов их работы, расчета и конструирова-
ния. Поскольку в учебнике не представляется возмож-
ным охватить все многообразие встречающихся в
народном хозяйстве типов сварных конструкций, преду-
сматривается изучение только той их части, с которой
наиболее часто встречаются на практике организации
и предприятия Минмонтажспецстроя СССР. Одновре-
менно учитывался также профиль работы будущих спе-
циалистов, требования к их квалификации иа должно-
стях мастеров в сборосварочных цехах заводов метал-
локонструкций, монтажных участков или в качестве
квалифицированных рабочих на сборке или монтаже
сварных конструкций.
Материал учебника построен с учетом того, что уча-
щийся знаком с основами сопротивления материалов,
металловедения и термической обработки, а также
в соответствии с учебным планом изучил технологию
и оборудование электрической сварки плавлением
и контактной сварки, но в то же время, чтобы учащиеся,
изучив изложенный материал, знали бы классификацию,
назначение и принцип работы различных сварных кон-
струкций, применяемые материалы, основные виды свар-
ных соединений, их механические свойства, принципы
3
расчета сварных конструкций и соединений, могли бы
самостоятельно производить несложные расчеты, имели
бы представление о принципах рационального конструи-
рования и в конечном итоге были готовы к выполнению
курсового проекта в соответствии с программой.
Одновременно с изложением программного материа-
ла в учебнике приводятся ссылки на соответствующие
нормативные документы. Полагается также, что необ-
ходимые данные для производства расчетов учащиеся
должны уметь находить в справочной литературе, по-
этому в учебнике приводятся только некоторые сведения
о цифровых данных в качестве иллюстративного мате-
риала.
Введение, разделы I и III написаны проф. канд.техн.
наук А. Н. Блиновым, раздел II — канд. техн, наук
К. В. Лялиным.
Раздел I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
И СОЕДИНЕНИЯХ
Глава I.
СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
§ 1. Определение и история развития сварных
конструкций
Практически во всех отраслях народного хозяйства
находят широкое применение различного рода и назна-
чения конструкции. Они отличаются друг от друга раз-
мерами, конфигурацией, принципами действия, спосо-
бом изготовления. Конструкциями являются микропро-
цессор и самолет «Руслан», кофемолка и электровоз,
оконная фрамуга и газопровод «Уренгой — Помары —
Ужгород». Конструкции изготавливаются при помощи
различных технологических процессов, в зависимости от
этого они могут быть литыми, коваными, точеными, кле-
еными, штампованными, сварными, а также комбиниро-
ванными— клеесвариыми, штампосварными и т.д.
В дальнейшем будут рассматриваться только сварные
конструкции, а также некоторые комбинированные.
К сварным относятся такие конструкции, неразъемные
соединения которых выполняются при помощи сварки.
Таким образом, сварными конструкциями являются
сетка радиолампы, кабина автомобиля, корпус балли-
стической ракеты, кожух доменной печи, металлическая
часть ствола Останкинской телебашни. Трудно найти
такую отрасль, где не находили бы применения те или
иные сварные конструкции.
До применения в металлообработке электросварки
как основного технологического процесса неразъемные
соединения выполнялись, как правило, клепаными, а не-
которые виды конструкций не могли вообще быть изго-
товленными. Сварка и резка металлов непосредственным
действием электрического тока с применением угольной
5
дуги была предложена Н. Н. Бенардосом в 1882 г.,
а электрическая сварка металлическим электродом раз-
работана Н. Г. Славяновым в 1888— 1890 гг., однако
десятилетня понадобились на совершенствование про-
цесса. создание надежных и мощных источников тока
и качественных сварочных материалов. Только в 20-х го-
дах текущего столетия сварка начала применяться как
прогрессивный технологический процесс обработки ме-
таллов.
Широкое применение сварные конструкции нашли
в строительстве. В начале 30-х годов сварка стала при-
меняться как основной тип соединений вместо клепки
при изготовлении и монтаже строительных металличе-
ских конструкций. Перед Великой Отечественной вой-
ной сварка широко распространяется и в машинострое-
нии.
Военные и послевоенные периоды характеризуются
бурным развитием сварочной науки и техники, причем
особо велика роль в этом академика АН УССР Е. О. Па-
тона и организованного им Института электросварки
АН УССР, которому присвоено его имя. В это время
появляются иа производстве и совершенствуются новые
способы и виды сварки, в том числе механизированные
и автоматизированные — сварка под флюсом и электро-
шлаковая сварка.
Внедрение в производство сварочных технологий,
способных обеспечить высокое качество наплавленного
металла и сварных соединений, повлекло за собой раз-
работку и применение в конструкциях легированных
сталей повышенной и высокой прочности, а также свар-
ных конструкций из сплавов цветных металлов.
Разработка сварки в защитных газах, в первую оче-
редь углекислым, и аргоне позволила в 50—60-х годах
осуществить дальнейшее повышение уровня механиза-
ции и автоматизации сварочных работ и качества свар-
ных соединений. Расширяются возможности создания
аппаратов, машин и конструкций, работающих в особых
условиях эксплуатации. Следует отметить, что исполь-
зование в народном хозяйстве атомной энергии стало
возможно в значительной мере благодаря достижениям
сварочной науки н техники.
Параллельно с дуговыми развиваются также другие
виды и способы сварки: контактная, электронно-лучевая,
ультразвуковая, взрывом и др.
6
Высокие темпы развития производства сварных кон-
струкций характерны также для строительной отрасли.
Практически все строительные металлические конструк-
ции, за очень редким исключением, являются сварными.
Правда, в последнее время в проектировании сварных
металлоконструкций имеет место тенденция на макси-
мальное сокращение сварочных работ в монтажных ус-
ловиях. В связи с этим монтажные стыки конструкций,
это в первую очередь относится к каркасным конструк-
циям, выполняются на болтовых соединениях. Указан-
ное обстоятельство никак не исключает эти конструкции
из числа сварных, так как все соединения элементов
и деталей, из которых она состоит, — сварные.
Особо велико значение сварки там, где необходимо
кроме прочности, обеспечить еще и плотность соедине-
ний. В строительстве это — резервуары, трубопроводы,
сосуды и аппараты, котлы, а также другие конструкции,
собираемые, укрупняемые и свариваемые при сооруже-
нии тех или других объектов строительства. При этом
следует отметить прогрессивный метод изготовления
и монтажа резервуаров и других аналогичных емкост-
ных конструкций из рулонных заготовок с применением
автоматической сварки, разработанный в содружестве
ученых Института электросварки нм. Е. О. Патона и ин-
женеров организаций и предприятий Минмонтажспец-
строя СССР.
Основным направлением повышения уровня механи-
зации сварочных работ при изготовлении и монтаже
сварных конструкций в строительстве является его ин-
дустриализация, т.е. перенесение максимально возмож-
ного числа технологических операций в условиях заво-
дов, цехов, мастерских, полигонов, сборочных площадок
и сварочных стендов. В то же самое время создаются
технологии, дающие возможность механизировать сва-
рочные процессы при сварке конструкций в их проект-
ном положении. Например, сварка сферических резер-
вуаров без их вращения, сварка кровли и уторных швов,
цилиндрических резервуаров, орбитальная и контактная
сварка трубопроводов и т. д.
Дальнейшее совершенствование производства свар-
ных конструкций, как наиболее экономичных п ресурсо-
сберегающих, в ближайше годы пойдет, во-первых, по
пути разработки и проектирования эффективных конст-
руктивных решений и, во-вторых, использования при из-
7
готовленин и монтаже конструкций прогрессивной
технологии. В первом случае речь идет о применении
в сварных конструкциях сталей и сплавов высокой проч-
ности, новых эффективных профилей металлопроката
и труб, что позволит при тех же условиях эксплуата-
ции снизить удельный расход металла, металлоемкость
конструкций. Во втором случае использование новых
сварочных материалов, создание высокомеханизирован-
ных и автоматизированных процессов сборки и сварки,
применение роботов на массовых операциях создаст ус-
ловия для значительного повышения производительно-
сти труда. В целом же будет достигнута значительная
интенсификация производства.
Важной задачей является повышение качества свар-
ных конструкций, решение ее заложено во всех стади-
ях их создания: при проектировании, при разработке
технологического процесса изготовления, транспорти-
ровке к месту установки, во время осуществления мон-
тажных работ, включая испытания, а также при экс-
плуатации. Все необходимые требования и инструктив-
ные материалы должны быть учтены в проектной
и нормативной документации.
§ 2. Классификация сварных конструкций
Большое разнообразие сварных конструкций не по-
зволяет осуществить единую их классификацию, поэто-
му существует несколько методов классификации. В ос-
нову одного из них положен способ получения заготовок,
из которых собирается конструкция, например, лито-
сварные конструкции, кованосварные, штампосварные,
листовые; или из технологии их изготовления (клее-
сварные, сварноклепаные). Таким образом, заготовки
и детали штампосварной конструкции выполняют мето-
дом штамповки, а соединение их в целостную конструк-
цию выполняют сваркой. Соединение заготовок в свар-
иоклепаиых конструкциях выполняется с помощью
клепки и сварки (подробнее в § 7).
Конструкции можно классифицировать по целевому
назначению (строительные, судовые, авиационные
и т.д.); по применяемым материалам (стальные, алю-
миниевые, пластмассовые); по характеру нагрузок и ус-
ловий эксплуатации. Классификация сварных конст-
8
Рис. 1.1. Классификация сварных конструкций
рукций по этому признаку будет иметь следующие ка-
тегории (группы):
Балки — конструктивные элементы, работающие на
поперечный изгиб, соединенные жестко между собой,
образуют рамные конструкции.
Колонны — элементы конструкции, работающие на
сжатие или на сжатие с продольным изгибом.
Решетчатые конструкции — система стержней, рабо-
тающих на растяжение или сжатие, и соединенных же-
стко между собой в узлах. К ним относятся: фермы, свя-
зи, опоры транспортеров, мачты линий электропередач,
сетки арматуры железобетона и др.
Оболочковые конструкции — различные емкости, ре-
зервуары, аппараты и трубопроводы, к которым предъ-
являются требования прочности и плотности.
Корпусные транспортные конструкции — корпуса су-
дов, вагонов, кузова автомобилей.
Детали машин и приборов, работающие преимуще-
ственно при переменных многоцнкловых нагрузках (ста-
нины, валы, колеса и др.).
Однако целый ряд сварных деталей, в частности при-
боров, может работать и при статической или других
нагрузках (температура, действие агрессивных сред
и т. д.).
Ниже рассматривается классификация сварных кон-
струкций применительно к работам, выполняемым пред-
приятиями и организациями Мин монта жспецстроя
СССР, учитывая при этом основные положения приве-
денной выше методики.
При этом сварные конструкции подразделяются на
три категории: строительные металлоконструкции, ма-
9
Рис. 1.2. Классификация строительных металлических конструкций
шиностроительные конструкции и трубопроводы (рис.
1.1). К строительным металлическим конструкциям от-
несены сварные конструкции, порядок расчета, проек-
тирования, изготовления и монтажа которых регламен-
тированы соответствующими главами СНиПа и други-
ми нормативными документами Госстроя СССР.
К машиностроительным сварным конструкциям отнесены
конструкции, расчет и конструирование которых произ-
водится на машиностроительных заводах, а изготовление
или доизготовление и монтаж осуществляются органи-
Ю
зациями министерства. Трубопроводы различных назна-
чений выделены в третью категорию конструкций.
В свою очередь, каждая из категорий подразделяет-
ся на группы конструкций. На рис. 1.2 приведена упро-
щенная классификация сварных строительных металло-
конструкций. Как следует из рцс. 1.2 строительные ме-
таллоконструкции разделены на шесть групп: каркасы
промышленных зданий, которые являются основным ви-
дом конструкций, производимых на заводах министер-
ства; сплошностенчатые листовые конструкции; мачты
и опоры; обслуживающие конструкции; сетки и каркасы
арматуры для железобетона и пр. Как следует из схемы,
каждая из приведенных групп состоит из нескольких
подгрупп.
Так, каркасы промышленных зданий состоят из ко-
лонн, ферм, связей, балок и ограждающих конструкций.
Ограждающие конструкции не несут основных нагрузок,
а только как бы «ограждают» (защищают) внутреннее
помещение здания. К ним относятся панели, витражи,
оконные переплеты, ворота и т. д.
К сплошностенчатым листовым конструкциям отно-
сятся: различные емкостные сварные конструкции, ос-
новными из которых являются резервуары всех типов
(вертикальные сварные — РВС, изотермические, тран-
шейные и горизонтальные сварные — РГС, а также газ-
гольдеры постоянного и переменного объема); диа-
фрагмы и мембраны (в основном — перекрытия
большепролетных зданий и сооружений); конструкции
вентиляционных систем, включая сварные воздуховоды,
а также большая часть конструкции доменного комплек-
са (кожух доменной печи, воздухонагреватели, пыле-
уловители и т.д.).
Отдельной подгруппой стоят решетчатые высотные
сооружения и опоры. К ним относятся телевизионные,
радио- и радиорелейные мачты, мачты линий электро-
передач (ЛЭП), а также опорные конструкции.
Назначение обслуживающих конструкций следует из
их названия: они обеспечивают возможность эксплуа-
тационному персоналу выполнять свои функции при со-
блюдении правил безопасности. В эту группу конст-
рукций входят лестницы, площадки и ограждения.
В самостоятельную группу выделены сетки и карка-
сы арматуры железобетона, а также прочие конструкции
11
Рис. 1.3. Классификация машиностроительных сварных конструкций
(кронштейны, подвески, опоры трубопроводов и другие
мелкие конструкции).
Машиностроительные сварные конструкции условно
разделены на пять групп (рис. 1.3). К первой из них от-
носятся емкостные конструкции, среди которых можно
выделить несколько подгрупп: сосуды и аппараты; кот-
лы, емкости и оборудование специального назначения.
Сосуды (как правило, пустотелые) и аппараты (с внут-
ренними устройствами) работают под давлением. Они
подведомственны Госпроматомнадзору СССР, так же, как
и котлы. Емкости имеют различную вместимость (от до-
лей до сотен кубометров) и назначение (декомпозеры,
хранилища сырья и готовой продукции, отстойники
и т.д.). К оборудованию специального назначения отне-
сены различные печи (в том числе вращающиеся), кон-
верторы, миксеры и другое аналогичное оборудование.
К группе разных конструкций относятся рамы под
оборудование (насосы, компрессоры, приводные и на-
12
ТРУБОПРОВОДЫ
Рис. 1.4. Классификация трубопроводов
тяжные станции и т.п.), а также так называемые эта-
жерочные (опорные) конструкции, несущие оборудова-
ние н трубопроводы.
К нестандартному оборудованию условно отнесены
конструкции всевозможных бункеров, течек, затворов,
кожухов оборудования и других многочисленных конст-
рукций, поставка которых входит в обязанности заказ-
чика.
Трубопроводы представляют собой устройства для
транспортирования жидких, газообразных и сыпучих ве-
ществ при различных давлениях и температурах. За не-
большим исключением, трубопроводы являются сварны-
ми конструкциями и классифицируются в соответствии
с рис. 1.4. Магистральные трубопроводы транспортиру-
ют жидкости и газы от места их добычи к месту перера-
ботки или потребления. Отличительная особенность ма-
гистральных трубопроводов — их большая протяжен-
ность, измеряемая сотнями и тысячами километров,
и постоянный диаметр, достигающий 1420 мм и более.
Промысловые трубопроводы предназначены для сбо-
ра нефти и газа от скважин (включая герметизацию
нефтяных скважин), и доставку нефти к нефтесборным
пунктам, а газов к компрессорным станциям. Они име-
ют сравнительно небольшой диаметр (100...377 мм) и ма-
лую протяженность.
К технологическим трубопроводам относятся трубо-
проводы промышленных предприятий, по которым тран-
спортируют сырье, полуфабрикаты и готовую продук-
цию, а также материалы, обеспечивающие введение тех-
нологического процесса и отходы производства.
Энергетические трубопроводы, или трубопроводы
13
энергетических блоков обеспечивают работы тепловых
и атомных электростанций и групповых котельных ус-
тановок.
Санитарно-технические трубопроводы служат для
создания комфорта в жилых домах, объектах культур-
но-бытового назначения и промышленных предприятий
(хозяйственно-питьевые водопроводы, газопроводы, тру-
бопроводы горячей воды и канализации). Для этих тру-
бопроводов характерны малые диаметры труб и боль-
шой удельный вес резьбовых соединений.
В последнее время расширяется применение пласт-
масс в качестве конструкционных материалов, ко-
торые заменяют металлы там, где это возможно и целе-
сообразно. Следует отметить, что пластмассы использу-
ются в строительных конструкциях при изготовлении
воздухопроводов и вентиляционных камер, работающих
в агрессивных средах, а также применяются в качестве
наполнителя при изготовлении ограждающих много-
слойных панелей типа «сэндвич».
В машиностроительных сварных конструкциях
пластмассы в основном применяются при изготовлении
емкостей для хранения агрессивных жидкостей, а так-
же нестандартного оборудования для тех же условий
эксплуатации.
Весьма перспективны пластмассы как конструкцион-
ный материал для санитарно-технических и технологи-
ческих трубопроводов для давлений до 1...1.6 МПа и тем-
ператур среды до 6О...8О°С.
В последующих разделах и главах основные из пере-
численных выше конструкций будут рассмотрены по-
дробно.
Контрольные вопросы
1. Роль процесса сварки в развитии строительных конструкций.
2. Принципы классификации строительных сварных конструкций.
3. Как классифицир'уютси машиностроительные сварные конст-
рукции?
4. Классификация трубопроводов.
14
Глава fl.
МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯ
§ 3. Стальной прокат и трубы
Основным материалом, используемым для изготов-
ления сварных конструкций, является сталь. По содер-
жанию углерода С стали подразделяются на низкоугле-
родистые (0,09—0,25 %), среднеуглероднстые (0,25...
0,46 %) и высокоуглеродистые (0,46—0,75 %). Примене-
ние ннзкоуглеродистых сталей характерно для строи-
тельных конструкций н трубопроводов, средиеуглероди-
стых — для машиностроения, высокоуглероднстая сталь—
инструментальная.
Для придания сталям различных служебных свойств
в их состав добавляют различные легирующие примеси,
прн этом стали называют легированными. По количест-
ву легирующих примесей они подразделяются на низко-
легированные, с содержанием легирующих элементов
в сумме 1,8...2,5%, среднелегированные (2,5—8%) и вы-
соколегированные (свыше 8%). В строительных метал-
лических конструкциях используют низколегированные
стали, в трубопроводах — все группы легированных
сталей.
В сварных металлических конструкциях применяют
прокат стали — горячекатаные и гнутые профили. На
рис. 2.1 представлены основные виды сортового и фасон-
ного проката. Наибольший удельный вес при изготовле-
нии сварных конструкций имеет листовой прокат, сор-
тамент которого регламентирован ГОСТ 19903—74*. Ли-
стовой прокат разделяется на тонкий (до 4 мм)
и толстый (4 мм и выше). При изготовлении металло-
конструкций применяют гнутые фасонные профили
(рис. 2.2), например оконные для промышленных окон-
ных переплетов.
Стальной прокат изготавливается из различных ма-
рок стали. Наиболее широко в строительных конструк-
циях применяют углеродистую сталь обыкновенного ка-
чества по ГОСТ 380—88. В зависимости от назначения
и гарантируемых свойств сталь подразделяется на три
группы:
15
16
A — по механическим свойствам (табл. 2.1)\ Б — по
химическому составу (табл. 2.2); В — по механическим
свойствам и химическому составу.
По химическому составу сталь группы В должна со-
ответствовать нормам, указанным для стали группы Б,
за исключением нижнего предела для углерода.
По степени раскисления при выплавке стали разде-
ляются на спокойные, полуспокойные н кипящие. Спо-
койными называют стали, раскисленные добавлением
кремния и алюминия, остывающие в изложницах, без
интенсивного выделения газов. Спокойные стали обла-
дают более стабильными свойствами, поэтому их при-
меняют в ответственных конструкциях. Полуспокойные
стали занимают промежуточное положение и по механи-
ческим свойствам ближе к спокойным сталям. Кипящие
стали имеют неоднородный состав, склонны к хрупким
разрушениям (см. гл. 5) и обозначаются путем добав-
ления соответствующих букв в марке стали: для кипя-
щих «кп», для спокойных — «сп» и для полуспокойных —
«ПС».
Сталь, поставляемая по группе В, подразделяется на
6 категорий в зависимости от нормируемых показателей
и различается по ударной вязкости. Основными норми-
руемыми показателями для всех марок стали являются:
временное сопротивление разрыву, предел текучести, от-
носительное удлинение, сопротивление изгибу в холод-
ном состоянии, химический состав. Кроме того, ударная
вязкость нормируется для 3-й категории, при температу-
ре 20 °C; для 4-й категории — при —20 °C; для 5-й кате-
гории— при —20 °C и после механического старения,
а для 6-й — после механического старения.
В строительных конструкциях из низколегированных
сталей используют термически упрочненную сталь
Рис. 2.1. Сортамент горячекатаных профилей
а — сталь прокатная равнополочная по ГОСТ 8509—86: б— сталь прокатная
угловая нсравнополочная по ГОСТ 8510—86; о — балки двутавровые по ГОСТ
8239—72*: е —двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями
полок шнрокополочные по ГОСТ 26020—83: д — швеллеры по ГОСТ 26020—83;
швеллеры по ГОСТ 8240—72*
Рис. 2.2. Гнутые профили
а— замкнутые квадратный и б — прямоугольный по ТУ 36-2287—80: в — С-об-
разный равнололочный по ГОСТ 8282—83*; г — швеллер равнололочный по
ГОСТ 8278—83
17
00
2.1. Механические свойства некоторых сталей группы А (ГОСТ 380—88)
Марка стали Временное сопротивле- ние разрыву, МПа Предел текучести, МПа. для толщины, мм 1 Относительное удлинении %, для толщины, мм Изгиб на 1Я0( для толщины до 20 мм
до 20 21...40 41...100 более 100 ДО 20 21...40 'олее 100
Ст2кп 330...420 220 210 200 190 33 32 30 С=0
Ст2пс Ст2сп 340...440 230 220 210 200 32 31 29 Без оправки
СтЗкп 370...470 240 230 220 200 27 26 24
СтЗпе СтЗсп 380...490 250 240 230 210 26 25 23 б'=0,5 а
СтЗпе 380...500 250 240 230 210 26 25 23 —
2.2. Химический состав стали группы Б, % (ГОСТ 380—88)
Марка стали Углерод КрсмпаП Марганец
БСт2кп 0,09...0,15 Не Солее 0,7 0,25...0,5
БСт2пе 0,09...0,15 0,05...0,17 0.25...0 5
БСтЗкп 0,14...0,22 Не более 0,07 0,3...0.6
БСтЗпс 0,14...0,22 0,05...0,17 0,4...0,65
БСтЗсп 0,14...0,22 0,12...0,30 0,4...0,65
БСтЗГпс 0,14...0,22 Не более 0,15 0,8...1,1
(ГОСТ 14637—79*) и сталь углеродистую качественную
конструкционную (ГОСТ 1050—74**).
Для ответственных металлоконструкций, а также для
арматуры железобетона используются легированные
стали. В сварных конструкциях применяют низколеги-
рованную толстолистовую сталь и широкополосную уни-
версальную (ГОСТ 19282—73*). Указанную сталь по-
ставляют по 15 категориям. Для всех категорий норми-
руются механические свойства при растяжении и
сопротивлении изгибу в холодном состоянии. По пока-
зателям ударной вязкости для различных категорий
нормируют температуру испытаний и механическое ста-
рение. Так, ударная вязкость гарантируется: для 3-й ка-
тегории— при температуре 20 °C; для 8-й — при —60 °C;
для 15-й — при —70°С после механического старения.
В табл. 2.3 приведен химический состав стали, а в
табл. 2.4 — механические свойства.
В мостостроении применяют стали по ГОСТ
6713—75*, который предусматривает для определенных
марок стали гарантию свариваемости, а также поставку
по трем категориям в зависимости от термообработки.
Для армирования железобетонных конструкций
предназначена горячекатаная сталь круглого гладкого
и периодического профиля (ГОСТ 5781—82*) и в виде
арматурных стержней (ГОСТ 10884—81*), термически
упрочненная (табл. 2.5 и 2.6). Арматурные стали не ис-
пользуют, как правило, в строительных металлоконст-
рукциях, однако организации Минмонтажспецстроя
СССР выполняют большой объем сварочных работ на
монтаже конструкций из сборного железобетона, где
широко применяют указанные стали.
В машиностроительных сварных конструкциях Epo-
s’ 19
2.3. Химический состав некоторых марок низко
Марка стали Углерод С КремииП $1 Марганец Мп Хром Сг
09Г2 <0,12 0,17...0,38 1,4...1,8 <0,3
14Г2 0,12...0,18 0,17...0,37 1,2...1,6 <0,3
17ГС 0,14...0,2 0,4...0,6 1,0...1,4 <0,3
С9Г2С <0,12 0,5...0,8 1,3...1,7 <0,3
1612АФ 0,14...0,2 0,3...0,6 1.3...1,7 0,4
10ХСНД <0,12 0,8...1,1 0,5...0,8 0,6...0.9
10ХНДП <0,12 0,17...0,37 0,3...0,6 0.5...0,8
ме сталей, перечисленных выше, широкое применение
находят также легированные конструкционные стали по
ГОСТ 4543—71* н стали высоколегированные и сплавы
коррозноиио-стойкне, жаростойкие и жаропрочные по
ГОСТ 5632—72*. Легированные конструкционные стали,
как правило, имеют высокие показатели прочности, вре-
менное сопротивление разрыву не ниже 70...90 МПа, до-
стигая в отдельных случаях 1450...1650 МПа после тер-
мической обработки. Марганец, кремний, хром, никель,
молибден или ванадий могут служить единственной ле-
гирующей добавкой, а также в смеси друг с другом. По-
этому эти стали называются хромистыми, марганцови-
стыми, хромокремнистыми, хромомолибденованадиевы-
ми, хромоникельмолибдепованадиевыми и т. д.
Стали, применяемые в строительных конструкциях,
подразделяют на условные классы вне зависимости от
их химического состава и марки стали, принимая во
внимание только их механические свойства при растя-
жении (табл. 2.7).
К высоколегированным сталям относятся сплавы,
в которых содержание железа составляет более 45%,
а суммарное содержание легирующих элементов не ме-
нее 10 %. Указанные стали и сплавы подразделяют на
коррозионно-стойкие (кислотостойкие, нержавеющие),
жаростойкие и жаропрочные. Первые имеют стойкость
против различных видов коррозии, вторые устойчивы
против химического разрушения при температурах выше
550 °C в газовой среде в иеиагружеином или слабоиагру-
жеииом состоянии, третьи обеспечивают прочность при
высоких температурах и нагрузках, сохраняя при этом
жаростойкость. Легированные стали в зависимости от
20
легированной стали (ГОСТ 19282—73*), %
Ник-ль NI Медь Си Ванадий V Другие элементы
<0,3 <0,3 __
<0,3 <0.3 —
<0,3 <0,3 — —
<0,3 <0,3 —
0,3 0,5...0.8 <0,3 0.4...0,6 0,08...0,14 Азот 0,015...0,025
0,3...0,6 0,3...0,5 — Фосфор 0,07.. .0,012
структуры металла делятся на несколько классов: мар-
тенситные, имеющие в основе мартенситную структуру;
мартепситио-ферритиые, в которых кроме мартенсита
содержится ие меиее 10 % феррита; ферритные, имею-
щие структуру феррита; аустенито-мартенситные — ста-
ли со структурой аустенита и мартенсита, число которых
зависит от химического состава и термической обра-
ботки; аустенито-ферритные, в которых кроме аустенита
содержится более 10 % феррита, и аустенитные — со
структурой аустенита.
Углеродистые и низколегированные стали могут так-
же относиться к перлитному и перлитоферритиому
классам.
Сталь прокатную угловую равнополочиую (см. рис.
2.1, а) изготовляют из углеродистой и низколегирован-
ной сталей. Условное обозначение (пример): 100Х100Х
XL где 100 — ширина полки в мм, а 7 — средняя тол-
щина в мм.
Сталь прокатная иеравнополочиая отличается от
предыдущей разными размерами полок (см. рис. 2.1,6).
Условное обозначение— 125Х80ХЮ.
Двутавровые балки (см. рис. 2.1, в) имеют небольшую
по сравнению со стенкой полку. У двутавров при сравни-
тельно небольших площадях поперечного сечения боль-
шие моменты инерции. Двутавры различаются по номе-
рам, которые определяют его высоту, так № 18 означает,
что высота двутавра равна 180 мм.
Более экономичными являются широкополочные дву-
тавры (см. рис. 2.1, г). Условное обозначение: 4ОШ2,
означает, что высота балки 400 мм, что она широкоио-
21
to
to
2.4. Механические свойства некоторых марок низколегированной стали (ГОСТ 19282—73*)
Марка стали Толщин? проката, мм Временное сон ротипленне разрыву, МПа П редел текучести, МПа Отпос11тслы10е удлинение 64, % Ударная вязкость. МДж/мг, при темпера- туре. СС
+20 -10
Нс менее
09Г2 4...20 450 310 21 — 0,3
21...32 450 300 21 — 0,4 —
14Г2 4...9 470 340 21 0,35 —
10...32 460 330 21 — 0,3 —
17ГС 4 520 350 230
5...9 520 350 230 —— 0,45
10...20 500 350 230 — 0,35 —
09Г2С 4 500 350 210
5...9 500 350 210 0,65 0,4 0,35
10...20 480 330 210 0,6 0,35 0,3
16Г2АФ 21...32 470 310 210 0,6 0,35 0,3
33...60 460 290 210 0,6 0,35 0,3
16Г2АФ 4...8 600 450 200 0,45 0,3
10...32 600 450 200 — 0,4 0,3
33...50 580 420 200 — 0,4 0,3
ЮХСНД 4...9 540 400 190 0,5 0,35
10...15 540 400 190 0,4 0,3
16...32 540 400 190 — 0,5 0,3
10ХНДП 4 480 350 200 —
5...9 480 350 200 — 0,4 —
2.5. Механические свойства арматурной стали по классам
Класс арматуры стали Диаметр СГСрЖНЯ, мм Марка стали Предел теку- чести. МПа Временное сопротнпле- нне раэрыиу. МПа Относитель- ! ное удлине- ние о4. % Испытанно ни изгиб п холодном СОСТОЯНИИ
А-1 6...40 ВСкп2 ВСтЗпс2 ВСтЗсп2 240 380 250 На 180° c=0,5d
А-П 10...40 ВСт5сп2 300 500 190 На 180° с=3 d
A-III 6...40 35ГС, 25Г2С 400 600 140 На 90° c=3d
А-IV 10...22 80С, 20Х2Ц 600 900 60 На 45° с=5 d
2.6. Механические свойства арматурных стержней без термической
обработки
Класс стержней Темпера- тура электро- нагрева. •С. не ниже Номинальны Л диаметр стержня, мм Временное сопротивле- ние разрыву, МПа Условный предел текучес- ти. МПа Относитель- ное удлине- ние после разрыва б*. %
AT-IV 350 10...40 900 600 7
AT-V 400 10...40 1000 800 6
AT-V1 450 10...40 1200 1000 5
AT-VII 500 10...32 1400 1200 5
Примечание. Стержни нспытыоают на нагиб в холодном состояние
вокруг оправки толщиной, равной 5 диаметрам арматуры.
лочиая второго типа (тип балки отличается шириной
и толщиной полки).
Швеллеры (см. рис. 2.1,д) выпускают с параллель-
ными гранями и с гранями, имеющими уклон, номер
швеллера обозначает его высоту в мм.
Листовой прокат обозначается: 1550X6000X5 мм
(ширинаХдлинаХтолщииа).
Гнутые профили (см. рис. 2.2) изготовляются из го-
рячекатаной и холоднокатаной отожженной листовой
ленточной и полосовой стали как обыкновенного качест-
ва, так и низколегированной. Применяемые в строи-
тельных конструкциях гнутые профили могут иметь
23
2.7. Классы стали для строительных конструкций
Класс стали Механические свойства при растяжении (ие ниже)
Временное сопротив- ление разрыву. МПа Предел текучес- ти. МПа Относительное удлинение 0». %
С 235 360 235 25
С 245 370 245 24
С 255 380 255 24
С 276 390 275 23
С 285 400 285 23
С 345 490 345 21
С345К 490 345 21
С 375 510 345 21
С 440 600 440 20
С 590 685 590 14
С 590К 688 590 14
замкнутый и открытый профиль. Замкнутые гнутые про-
фили могут быть квадратными (см. рис. 2.2, а) или пря-
моугольными (рис. 2.2,6). Условные обозначения: 120Х
X120X5 — профиль гнутый замкнутый сварной квад-
ратный, сторона квадрата 120 мм, толщина металла
5 мм; 120X80X4 — профиль прямоугольный со сторона-
ми 120 и 80 мм и толщиной стенки 4 мм. Открытый гну-
тый С-образный равиополочный профиль (см. рис.
2.2, в) обозначается: 460X160X60X4, где 460 — высота
профиля, 160 — ширина полки, 60 — размер, 4 — толщи-
на металла в мм. Гнутый швеллер обозначается: 120Х
Х60Х5 мм (высота полкиХширииа полкиХтолщииа
металла).
С учетом различных марок сталей, которые могут
быть использованы при изготовлении проката, а также
количества его типоразмеров в соответствии со стан-
дартами, общее число так называемых типосортопрофи-
леразмеров достигает более 10 тыс. Если при проектиро-
вании применять все типоразмеры, то это затруднит
заказ металла, его комплектацию и изготовление конст-
рукций. Поэтому в целях унификации применяемых
в различных конструктивных элементах марок сталей
и типоразмеров профилей в дополнение к СНиП 11-23-81*
совместным решением Госстроя СССР, Минмоптажспец-
строя СССР и Института электросварки им. Е. О. Пато-
на в 1984 г. введен в действие сокращенный сортамент
металлопроката. Этот сортамент разработан на основа-
14
иии имеющегося опыта у проектных, научно-исследова-
тельских организаций, у промышленных предприятий
и их конструкторских бюро. Сокращенный сортамент
распространяется на проектирование всех несущих
стальных конструкций производственных зданий и со-
оружений, а применение профилен проката и марок ста-
лей, не предусмотренных этим сортаментом, допускает-
ся только по согласованию с Минмоитажспецстроем
СССР. В конечном итоге, в результате применения со-
кращенного сортамента, количество применяемых типо-
сортопрофилеразмеров сокращено до 756.
Одним из основных видов материалов, применяемых
в сварных конструкциях, являются трубы. Трубы обыч-
но используют для изготовления и монтажа трубопро-
водов различного назначения, в сборочных единицах
и элементах машиностроительных конструкций, в пер-
вую очередь в химическом и энергетическом оборудова-
нии, а также небольшим числом в строительных конст-
рукциях.
Разнообразие физико-химических свойств и рабочих
параметров (давление, температура) транспортируемых
по трубопроводам продуктов приводит к использованию
в трубопроводах металлических и неметаллических труб,
изготовленных различными способами из разных мате-
риалов. Основной материал для изготовления труб —
сталь.
По способу изготовления стальные трубы могут быть
бесшовными (горяче- и холоднодеформированиыми)
и сварными. Сварные трубы получают из специально
прокатанной листовой стали путем ее формирования и
сварки различными способами (электродуговой под флю-
сом, контактной, печной и др.). По способу формования
и сварки эти трубы могут быть прямошовные, спираль-
ные и водогазопроводиые. При изготовлении и монтаже
трубопроводов применяется большое число типоразме-
ров труб, изготовленных из разных марок сталей, поэто-
му, по аналогии с металлопрокатом, в целях упрощения
процесса проектирования, комплектации и изготовления
разрабатывают и применяют ограничительные сортамен-
ты труб (например, для технологических трубопрово-
дов). Внедрение ограничительных сортаментов способ-
ствует организации массового изготовления деталей
трубопроводов (см. гл. 12) и приводит в конечном ито-
ге к значительному экономическому эффекту.
25
Трубы обозначают двумя размерами — величиной
наружного диаметра и толщиной стенки в мм, напри-
мер 219X8 или 57X3,5 н т. д. Один из основных пара-
метров, определяющих условия работы трубопровода,—
давление транспортируемой среды, которое является
основой для расчета трубопровода на прочность. Введе-
но понятие условного давления Ру — наибольшее избы-
точное давление при температуре продукта или окружа-
ющей среды 20 °C, при котором допустима длительная
работа арматуры и соединительных частей трубопрово-
дов, имеющих заданные размеры, обоснованные расче-
том на прочность.
Основными видами трубопроводов, монтаж которых
осуществляют организации Миимоитажспецстроя СССР,
являются технологические трубопроводы и трубопрово-
ды пара и горячей воды, подведомственные Госпром-
атомиадзору СССР. По технологии изготовления и мон-
тажа эти трубопроводы мало чем отличаются друг от
друга. Однако имеют разные требования к трубам и рас-
чету на прочность. В табл. 2.8 приведены данные рабо-
чих параметров некоторых труб для технологических
трубопроводов.
Требования к трубам для трубопроводов пара и го-
рячей воды регламентированы Правилами устройства
и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горя-
чей воды, утвержденными Госпроматомиадзором СССР.
С целью гарантии прочности каждая труба, предназна-
ченная для указанных трубопроводов, должна подвер-
гаться гидравлическому испытанию на заводе-изготови-
теле, а электросварные трубы 100%-ному контролю
сварных швов неразрушающими физическими методами
контроля и выборочному испытанию механических
свойств их сварных соединений (от каждой партии труб).
В табл. 2.9 приведены пределы применения труб для
этих целей. Химический состав труб должен соответст-
вовать нормам соответствующих нормативных докумен-
тов. Особые требования качества предъявляются к тру-
бам, предназначенным для использования на паропро-
водах I категории.
Прочность сварных конструкций зависит от прочно-
сти их сварных соединений, сварных швов, выполненных
тем или другим способом сварки, т. е. в определенной,
V. немалой, степени от свойств применяемых сварочных
материалов. При большом разнообразии способов и ви-
26
2.8. Рабочие параметры применения труб для технологических трубопроводов
Трубы Предельные рабочие параметры
Тип ГОСТ, ТУ, группа иостаакп Марка стали Ру. МПа Температура стенки. 'С
Бесшовные 8731-87 8732—78* 20(ГОСТ 1050-74*) 10 -40... 450
8733—87 8734-75* Группа В 10Г2(ГОСТ 4543—71*) 10 -70...40
550-75* 15Х5М(ГОСТ 20072-74*) 10 -40... 600
ТУ 14-3-460-76 12X1 МФ (ТУ 14-3-460-75) 10 —40...570
9941-81* 12Х18Н10Т 10 -253... 600
Электросварные 10704—76* ВСтЗсп, ВСтЗпс 2,5 —30... 3000
10706— 76* 8696-74* Группа В (ГОСТ 380-88)
ТУ 14-3-109-73 17ГС(ГОСТ 19282-73*) 2,5 1... 40... -т-400
Водогазопроводные обыкновенные 3262— 75* СтЗсп. СтЗпс 1 До -J-200
Электросварные 11068—81* 12X18HI0T (ГОСТ 5632-72) 2,5 -196...600
2.9. Пределы применения некоторых труб для трубопроводов пара
и горячей воды, подведомственных Госпроматомнадзору СССР
Трубы Предельные параметры продукта
Тип ГОСТ, ТУ. группы поставки Марка стали Темпера- тура, °C Условное давление, МПа
Бесшовные ТУ 14-3-460-75 20, 15ГС 450 Нс огранн-
чсно
15ХМ 550 То же
12Х1МФ 570 »
12Х18Н12Т 610
8731—87 10 н 20 425 4
8733—87 ВСтЗсп, ВСтЗпс 300 4
Группа В
Электросвар- ТУ 14-3-109—73 16ГС, 17ГС 425 4
ные 10706—76* 10Г2С1 359 2,5
Группа В ВСт2сп, ВСтЗсп 300 2,5
10706—76* ВСт2кп, ВСтЗкп 200 1.6
Группы Л н В 08, 10, 20 ВСтЗпс. ВСтЗсп. 300 1,6
Ст2сп. СтЗсп, ВСт2сп
8696—74* ВСт2кп 200 1,6
Группы А н В ВСт2сп. ВСтЗсп, Ст2сп. СтЗсп 300 2,5
10Г2С1 350 2.5
Водогазопро- 3262—75* ВСт2, ВСтЗ 200 1.6
водные усиленные обыкновенные Ст2, СтЗ 200 2
дов сварки, применяемых при изготовлении и монтаже
сварных конструкций преимущество за электродуговы-
ми способами. При изготовлении строительных металло-
конструкций и трубопроводов в заводских или стендо-
вых (полигонных) условиях используют преимущест-
венно механизированную сварку в защитных газах
(углекислом, аргоне или в их смеси) и автоматизиро-
ванную сварку под флюсом. Ручную электродуговую
сварку применяют в основном при укрупнении элементов
трубопроводов в сборочные единицы (см. гл. 12). Что
касается сварочных процессов при монтаже сварных
конструкций, то доминирующим способом является руч-
ная электрсдуговая сварка покрытыми электродами и в
28
небольшом объеме сварка под флюсом и в защитных га-
зах. Таким образом, в системе Миимоитажспецстроя
СССР используют преимущественно три способа сварки:
ручную электродуговую, механизированную в защитных
газах (в основном углекислом) и автоматизированную
под флюсом. Другие способы сварки встречаются эпизо-
дически. Например, электрошлаковая — при сварке ко-
жухов крупных доменных цехов, ручная газовая — при
сварке технологических трубопроводов малого диамет-
ра, самозащитиой порошковой проволокой, электрокои-
тактная стыковая — при изготовлении арматурных се-
ток железобетона и т. д.
Плавящиеся металлические электроды для ручной
дуговой сварки классифицируют по назначению, виду
покрытия и свойствам металла шва. Систематизация
электродов регламентируется ГОСТ 9466—75* в следу-
ющем порядке: по назначению, толщине покрытия, ка-
честву изготовления и видам покрытия, по допустимым
пространственным положениям сварки, по роду и поляр-
ности тока. В зависимости от принадлежности электро-
дов к той или другой классификационной категории они
маркируются при помощи особых условных обозначений:
1. По назначению: «У» — для сварки углеродистых
и низколегированных сталей с временным сопротивлени-
ем разрыву до 600 МПа; «Л» — для сварки легирован-
ных сталей с временным сопротивлением разрыву свы-
ше 600 МПа; «Т» — для сварки легированных теплоус-
тойчивых сталей; «В» — для сваркн высоколегированных
сталей с особыми свойствами;
2. По толщине покрытия: «М» — тонкое; «С» — сред-
нее; «Д» — толстое; «Г» — особо толстое.
В зависимости от качества изготовления, состояния
поверхности покрытия, порообразования в шве, содер-
жания серы и фосфора в иаплавлеииом металле, элек-
троды подразделяются на 1-, 2- и 3-ю группы.
3. По видам покрытия: «А» — кислое; «Б» — основ-
ное; «Ц» — целлюлозное; «Р»—рутиловое; соответству-
ющее двойное обозначение — смешанное; «П» — прочее.
4. 1 — по допустимым пространственным положени-
ям сварки: для всех положений; 2 — для всех положе-
ний, кроме вертикального сверху вниз; 3 — для нижнего,
горизонтального иа вертикальной плоскости и верти-
кального снизу вверх; 4 — для иижиего.
5. По роду тока, полярности постоянного тока и ио-
29
Pirc. 2.3. Услоэг-ос обозначение электродов
/ — тип; 2 —марка: 3 — диаметр, мм: 4 — обозначение назначения электродов:
В — обозначение толщины покрытия: б —группа электродов: 7 —группа ин-
дексов. указывающих характеристики наплавленного металла к металла шва;
В — обозначение вида покрытия: 9 — обозначение допустимых пространствен-
ных положений сварки или наплавки; 10 — обозначение рода применяемого
при сварке тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения
холостого хода источника питания сварочной дуги; 11 —ГОСТ 9456—75*; 12 —
обозначение стандарта па типы электродов
минального напряжения холостого хода: 0; 3; 6; 9 — для
обратной полярности, 2; 5; 8 — в зависимости от напря-
жения холостого хода; для прямой полярности, 1; 4; 7 —
для любой.
На рис. 2.3 приведена схема расположения условных
обозначений электродов, которая должна быть указана
на упаковке электродов в виде этикеток или марки-
ровки.
В зависимости от химического состава и от механи-
ческих свойств наплавленного металла сварного соеди-
нения электроды подразделяются на типы в соответст-
вии с ГОСТ 9467—75*, ГОСТ 10051—75* и ГОСТ
10052—75* (табл. 2.10). По получаемым механическим
свойствам наплавленного металла и сварного соедине-
ния можно оценить и отнести к соответствующему типу
также электроды, полученные механизированными и ав-
томатизированными видами электродуговой сварки.
В зависимости от состава покрытия существует мно-
го марок электродов, относящихся по свойствам наплав-
ленного ими металла к различным типам. В целях уни-
фикации производства, учитывая также ограничитель-
ные сортаменты проката черных металлов и труб,
применяемые в системе Минмонтажспецстроя СССР
электроды для сварки конструкционных сталей ограни-
чены преимущественно марками МР-3 (Э46). УОНИ
13/45 (Э42А), УОНИ 13/55 (350А) и УОНИ 13/65 (Э60).
30
2.10. Механические свойства наплавленного металла шва
при дуговой сварке металлическими электродами
гост Тип электрода Прсмепнсс сопротивле- ние разрыву. МПа Относите.*'»* «ос удлине- ние % Ударная нязкесть, МДж/м*
9467—75* Э42 410 18 0,8
Э42Л 410 22 1.5
Э46 450 16 0,8
Э46А 450 22 1,4
Э50 490 16 0.7
Э50А 490 20 1.3
Э55 540 20 1.2
Э60 590 18 1
Э70 685 14 0,6
9467—75* Э09МХ 460 18 0,9
теплоустой- Э09Х2МЙ. 500 16 0,8
чнвые Э09Х1МФ
10052—75* 312X13 600 16 0,5
Э04Х20Н9 553 30 1
Э02Х19Н9Б 550 30 1.2
Э08Х19Н12Г2Б 550 2-1 0.8
Э08Х19Н1СГ2МБ 600 2-1 0.7
Примечания: 1. Для электродов типов Э42. Э46, ЭЗОА п Э55 угол
изгиба металла соединения, сваренного электродами диаметром менее 3 мн.—
1БС‘: типов Э42Л н Э16Л — ISO”. а типоп Э50 и Э60— 120*. 2. Для электродов,
предназначенных для сваркн теплоустойчивых сталей, в также Э12Х1Э при-
ведены механические свойства металла после термической обработки по ре-
жимам. предусмотренным нормативными документами.
Первые три марки изготавливаются серийно. Естествен-
но, что в случае необходимости используются и другие
марки электродов, однако их удельный вес в общем ко-
личестве крайне невелик.
Достаточно ограничен и сортамент применяемых сва-
рочных материалов в случаях механизированных и ав-
томатизированных способов сваркн. При сварке конст-
рукций и трубопроводов в защитных газах применяется
преимущественно сварочная проволока .марки Св-08Г2С,
при сварке под флюсом — Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2
и Св-ЮНМА, а при механизированной сварке самоза-
щитные порошковые проволоки СП-2, СП-3, ППТ-9,
ПП-11 и др. Указанные сварочные проволоки обеспечи-
вают необходимую прочность сварных соединений из
иизкоуглеродистых и низколегированных сталей.
31
§ 4. Цветные металлы, нх сплавы. Пластмассы
В сварных конструкциях, встречающихся в строи-
тельстве, цветные металлы и их сплавы играют второ-
степенную роль и используются в тех случаях, когда
применение стали либо невозможно, либо экономически
целесообразно. Чаще всего применяют алюминиевые
и титановые сплавы, а также медь и ее сплавы. В строи-
тельных конструкциях применяются сплавы на основе
алюминия и титана, которые обладают значительно
меньшей, чем сталь, плотностью, а также сохраняют вы-
сокую работоспособность при низких температурах. Не-
достатком этих материалов является их низкий модуль
упругости, а следовательно, низкая устойчивость и вы-
сокая деформируемость элементов конструкций, изго-
товленных из этих сплавов, по сравнению с остальными.
Кроме того, цветные сплавы обладают повышенной чув-
ствительностью к концентраторам напряжений по
сравнению со сталями обыкновенного качества. Медь
и ее сплавы в строительстве используются для трубо-
проводов н электротехнических конструкций (кабели,
шинопроводы н токопроводы).
Как известно, алюминиевые сплавы подразделяются
на литейные— (недеформируемые) и деформируемые,
которые и применяются в сварных конструкциях (табл.
2.11).
2.11. Механические свойства алюминиевых сплавов
Система Марка сплавов Состояние обработки Механические свойства Коррозионная стойкость
°в- МПа МПа 6,о. %
Л1—Мп АМц Отожженное 130 50 23 Высокая
Л1—Mg AMrl » ПО 50 30 Средне- высокая
Al—Mg АМг5 » 300 150 20 То же
Al—Mg АМгб » 340 170 20 »
Al—Mg АМгб Нагартовка 10% 350 250 14 >
Al—Mg АМгб Нагартовка 4О?6 470 370 6 >
П р и и с ч а и к с. Модуль упругости для всех сплавов Е—6,8-10*...7-10*
МПа.
32
Пределы прочности и текучести, а также пластич-
ность алюминиевых сплавов с понижением температу-
ры повышаются, а с повышением — резко снижаются.
Сплавы, легированные цинком и магнием, имеют хоро-
шую свариваемость (см. § 10). Титановые сплавы име-
ют низкую плотность (около 4500 кг/м3).
Алюминиевые сплавы для изготовления строитель-
ных конструкций поставляют в виде листов или прессо-
ванных профилей различной конфигурации, изготовляе-
мых непосредственно на заводах алюминиевых конст-
рукций. Для трубопроводов поставляют бесшовные
трубы диаметром до 180 мм и толщиной стеики до
10 мм. Сварные трубы из листового металла изготовля-
ются диаметром 108...1012 мм и толщиной стенки до
6 мм.
Титановые сплавы имеют низкую плотность (около
4500 кг/м3) и высокие показатели механических свойств.
Так, пределы прочности и текучести достигают величи-
ны свыше 1000 МПа, а их соотношение составляет 0,75...
0,95. Соответственно высокими являются прочностные
показатели сварных соединений по отношению к анало-
гичным показателям основного металла (0.8...1). Поло-
жительным свойством титановых сплавов является вы-
сокая коррозионная стойкость. Однако следует учиты-
вать, что конструкции из титановых сплавов очень
чувствительны к концентраторам напряжений. Титано-
вые сплавы поставляют в виде листов, гнутых профилей
и труб — бесшовных диаметром до 325 мм и толщиной
стенки до 30 мм и сварных диаметром 38...102 мм и тол-
щиной стенки 1,5...2 мм.
Медь и ее сплавы поставляют в виде листов или в ви-
де труб. Медные трубы могут быть бесшовными (тяну-
тыми или катаными) диаметром до 360 мм и толщиной
стенки до 10 мм, прессованными (диаметром до 300 мм)
и сварными из листовой меди толщиной до 5 мм диа-
метром 410—510 мм. Латунные трубопроводы изготов-
ляются из бесшовных труб размером до 100X10, а так-
же из сварных труб из листовой латуни толщиной до
6 мм диаметром 103—1012 мм.
Из года в год в строительстве увеличивается приме-
нение пластических масс. Они находят широкое'приме-
нение в виде отделочных, теплоизоляционных и санитар-
но-технических материалов различной фурнитуры
и электроустановочных изделий, а также основных ма-
33
2.12. Физико-химические свойства некоторых пластмасс
Вид пластмасс Плотность, кг/мэ Предел прочност.1, МПа Относитель- ное удлине- ние б), % Пределы применения
при растя- жении сжатии изгибе рабочее дав- ление, МПа температура, ’С
Полиэтилен высо- кой плотности, ПВП 920...930 12...16 11,5 12...17 150...160 До 1 -70... 108
Полиэтилен низ- кой плотности, ПНП 940...960 32...34 40...45 45...60 200...90 До 1 -70... 120
Поливинилхлорид (винипласт) 1380 50 80...100 100...120 10...25 До 1,6 -20...60
Полистирол 1070 35...60 До 120 37...80 I...5 До 1 До 80
териалов для изготовления сварных конструкций. В этом
качестве пластические массы применяют в основном
в виде трубопроводов различного назначения, а также
химической аппаратуры, преимущественно емкостной.
Для изготовления сварных конструкций применяют
термопластичные полимеры (термопласты), которые
хорошо соединяются сваркой. В табл. 2.12 приведены
основные свойства некоторых наиболее часто применяе-
мых пластмасс.
Пластмассовые трубы имеют ряд преимуществ перед
металлическими: небольшая плотность; высокая корро-
зионная стойкость; относительно низкие значения гид-
равлического сопротивления, снижающие энергетические
потери при эксплуатации трубопроводов; повышение
производительности труда при изготовлении и особенно
монтаже. Вместе с тем они не свободны и от недостат-
ков: сравнительно невысокие прочностные показатели,
снижающиеся к тому же при повышении температуры;
низкая морозостойкость полиэтилена, полистирола и по-
ливинилхлорида; склонность к старению. Однако, несмо-
тря на указанные недостатки, пластмассы успешно вы-
тесняют металлические трубопроводы, работающие под
давлением до 1 МПа и температуре до 50...100Х.
Трубы и детали из термопластов имеют размеры по
наружному диаметру 10...630 мм, причем наружный диа-
метр не меняется с толщиной стенок. Трубы из полиэти-
лена в зависимости от рабочего давления выпускают
четырех типов: легкий (иа давление до 0,25 МПа), сред-
нелегкий (до 0,4 МПа), средний (до 0,6 МПа) и тяже-
лый (до 1 МПа). Из полипропилена изготовляют трубы
легкого, среднего и тяжелого типов, а из поливинилхло-
рида — среднего и тяжелого.
* * *
В заключение рассмотрим основные области приме-
нения различных материалов в сварных конструкциях,
применяемых в строительстве.
В каркасах промышленных зданий в зависимости от
характера нагрузок, условий эксплуатации и назначения
применяют конструкционные низкоуглеродистые и низ-
колегированные стали. Вертикальные цилиндрические
резервуары и газгольдеры изготовляют из низколегиро-
ванных и низкоуглеродистых сталей, причем чем боль-
ше емкость резервуаров, тем выше доля низколегиро-
35
ванных сталей повышенной и высокой прочности. Изо-
термические резервуары изготовляют из легированных
сталей различных классов. Марки стали назначают
в зависимости от рабочей температуры и емкости резер-
вуара— от низколегированных до средне- и высоколе-
гированных (см. § 36 и 37). Для этих целей могут быть
использованы также алюминиевые сплавы.
Обслуживающие и ограждающие конструкции вы-
полняют, как правило, из низколегированных сталей,
а также из алюминиевых сплавов (конструкции типа
«сэндвич», подвесные потолки, профилированный на-
стил).
При изготовлении и монтаже трубопроводов приме-
няют практически все типы и классы сталей, сплавы
цветных металлов, перечисленных выше, и никеля, мо-
либдена, свинца, а также пластические массы. Поэтому
при сварке трубопроводов требуется наивысшая квали-
фикация рабочих, инженеров и техников.
Такой же широкий диапазон материалов используют
при изготовлении сварных конструкций в машинострое-
нии. Когда такие конструкции по своим размерам могут
быть собраны и сварены только на месте монтажа (на-
пример, шаровые резервуары), эти работы зачастую вы-
полняют монтажные организации.
Контрольные вопросы
1. Какие виды стального проката Вам известны?
2. Назовите основные характеристики арматурных сталей.
3. Основные положения сокращенного сортамента.
4. Характеристика труб, применяемых для технологических тру-
бопроводов.
5. Какие алюминиевые сплаэы применяются для изготовления
строительных конструкций?
6. Пластмассы, применяемые для строительных конструкций. Их
краткая характеристика.
36
Глава 111-
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА
СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
§ 5. Расчеты по предельным состояниям
При расчете сварных конструкций на прочность су-
ществует два принципа расчета. Первый — оценка
несущей способности конструкций и соединений по пре-
дельным состояниям, второй — по допускаемым напря-
жениям. Первый применяется при расчете строитель-
ных конструкций, второй — машиностроительных и тру-
бопроводов.
Принцип расчета строительных конструкций по пре-
дельным состояниям заключается в том, что указанные
конструкции рассчитывают на такие силовые воздейст-
вия, при которых они перестают удовлетворять требо-
ваниям, заданным при их проектировании.
В зависимости от вида конструкции, ее назначения
и эксплуатационных требований различают две группы
предельных состояний. Первая группа характеризуется
потерей несущей способности или непригодности к эк-
сплуатации сварной конструкции. К ней относятся: раз-
рушение любого характера (хрупкое, вязкое и т. д.),
возникающее под воздействием силовых факторов или
неблагоприятного влияния внешней среды или того
и другого вместе; качественное изменение конфигурации
конструкции, делающее невозможным дальнейшую ее
эксплуатацию; появление ползучести, чрезмерного рас-
крытия трещин, текучести металла н т. п. Иными сло-
вами, появление первой группы предельных состояний
требует прекращения эксплуатации конструкции. Вто-
рая группа предельных состояний не прекращает, ио
затрудняет нормальную эксплуатацию конструкций.
В этом случае снижается долговечность конструкций
или в ней появляются недопустимые перемещения, на-
пример прогибы.
При расчете по предельным состояниям за основные
характеристики сопротивления стали силовым воздейст-
виям приняты нормативные сопротивления, которые ус-
танавливаются исходя из механических свойств мате-
риала. В качестве нормативных сопротивлений принима-
ет
ются наименьшее значение предела текучести стали
Куп н наименьшее значение временного сопротивления
разрыву /?нп.
Так как свойства металлов имеют определенную не-
однородность, связанную с химическим составом, мето-
дами выплавки и проката, конфигурацией профиля
и другими причинами, расчетные сопротивления сталей
при работе на растяжение, сжатие и изгиб определяют
путем деления нормативных сопротивлений иа величину,
называемую коэффициентом надежности по материалу
Уш. Величина указанного коэффициента: для низкоугле-
родистых сталей 1,025... 1,05 (прокат), для низколегиро-
ванных повышенной прочности 1,05—1,1 и для сталей
высокой прочности 1,1...1,5. Таким образом, расчетное
сопротивление для иизкоуглеродистых сталей составля-
ет в среднем 0,9 от нормативного. Ниже приведены рас-
четные сопротивления прокатной стали в напряженном
состоянии.
Растяжение, сжатие и изгиб:
по пределу текучести.......................Я„ = /?уп/уто
по временному сопротивлению разрыву Ru — RHn/vm
Сдвиг .....................................Rs =-- 0,58 Rv
Смятие торцевой поверхности . . Rp = Ru
Растяжение в направлении толщины про-
ката .....................................Rth = 0,5 Ru
Действительная работа материалов, элементов кон-
струкций и соединений имеет ряд особенностей, которые
отличают ее от чисто теоретических предпосылок. Не-
обходимо учитывать дополнительно длительность и по-
вторяемость силовых воздействий на конструкцию, тех-
нологию ее изготовления, условия эксплуатации и дру-
гие факторы. С этой целью вводится коэффициент усло-
вий работы уе, устанавливаемый на основе эксперимен-
тальных и теоретических данных (табл. 3.2).
Госстроем СССР с 01.07.1981 г. введен коэффициент
надежности по назначению конструкций уп (табл. 3.2),
учитывающий специфический характер работы конкрет-
ных конструкций, степень ответственности зданий и со-
оружений. Его назначение зависит от степени ответст-
венности и капитальности зданий, а также значимости
последствий наступления тех или иных предельных со-
стояний. Этот коэффициент учитывают при определе-
нии расчетных сопротивлений стали или для корректи-
ровки расчетных нагрузок.
38
3.1. Коэффициенты условий работы для некоторых видов
конструкций (по СНиП 11-23*81*)
Элементы конструкций Коэффициент условий работы ус
Сплошные балки и сжатые элементы ферм перекры- тий при весе перекрытий, равном или большем вре- менной нагрузки ' 0,9
Балки, несущие статическую нагрузку с прокатны- ми н составными сварными сечениями, прн расчете иа прочность 1.1
Колонны, несущие статическую нагрузку, с прокат- ными и сварными сечениями, при расчете на проч- ность 1.1
Сжатые элементы ферм (кроме трубчатых) 0,95
Растянутые элементы в сварных стержневых конст- рукциях покрытий и перекрытий Элементы ферм, несущих статическую нагрузку, при расчете на прочность: 0,95
а) сжатые элементы сварных ферм перекрытий 0,946
б) растянутые элементы с проектными или свар- ными сечениями 1,05
3.2. Коэффициенты надежности по назначению
Класс конст- рукций Степень ответственности объекта Пример объекта 1 жоэффициемт надежности
1 Основные здания п со- оружения объектов, име- ющих особо важное на- роднохозяйственное или социальное значение Главные корпуса ТЭС, АЭС, главные узлы доменных пе- чей, резервуары для нефти н нефтепродуктов объемом более 10 000 мэ и т. п.
II Здания и сооружения объектов, имеющих важ- ное народнохозяйствен- ное значение или соци- альное значение Объекты, не вошедшие в I н III классы 0,95
III Здания и сооружения объектов, имеющих ог- раниченное народнохо- зяйственное или социаль- ное значение Склады для хранения сель- хозпродуктов, угля, удоб- рений и др., теплицы, пар- ники, временные здания н сооружения со сроком службы свыше 5 лет 0,9
Примечание. Для.временных эдакий н сооружений со сроком служ-
бы до 5 лет допускается принимать уп*0.8.
39
g 3.3. Расчетные сопротивления стали и сварных соединений для марок сталей ограничительного сортамента
ГОСТ иля ТУ Марка стали Вид проката Толщина Норматипиые со- противления, МПв Расчетные сопротивле- ния. МПа Расчетные сопротивления сварных соединений, МПа
Ryn Rnn Ry Rs RW Rp Rtvu‘ 0.95JRy RWt Ru>f
380—88 ВСтЗкп2 Лист 4.. .20 225 365 2(5 125 350 (80 165 180
Фасон 21.. .40 215 205 120 175
ВСтЗпсб Лист 4.. .20 235 370 225 130 350 190 165 180
Фасон 4. .20 245 235 135 200
ВСтЗспб Лист 4. .20 235 370 225 130 350 190 165 180
Фасон 4. .20 245 235 135 200
ВСтЗГпсб Лист 4.. .20 235 370 225 130 350 (90 165 180
Фасон 4. .20 245 235 135 200
ВСтЗкп2-1 Лист 4. .10 225 355 220 125 345 185 160 180
11. .20 215 345 210 120 355 180 155 180
Фасон 4. .10 235 365 230 130 355 195 165 180
11. .20 225 355 220 125 345 185 160 180
ВСтЗпсб-1 Лист 4. .10 235 365 230 130 355 195 160 180
11. .20 235 355 230 130 345 195 160 180
Фасон 4.. .10 245 370 240 140 360 205 165 180
11.. .20 245 365 240 140 355 205 165 180
21.. .30 225 355 220 125 345 185 160 180
ВСтЗпсб-2 Лист 4.. .10 275 370 270 155 360 220 165 180
Фасон
ВСтЗспб-1 Лист
Фасон
ВСтЗсп5-й Лист
Фасон
19282-73* 09Г2 Лист
09Г2С »
19281—73* Фасон
19282— 73* 16Г2АФ Лист
14-1-1217-75 10ХНДП »
11. ..20 265 365 260 150 355 220 165 180
4. ..10 275 380 270 155 370 230 170 180
11. ..20 275 370 270 155 360 230 160 180
4. ..10 245 365 240 140 355 205 165 180
11. ..20 235 365 230 130 355 195 165 180
4. ..10 255 380 250 145 370 210 170 180
11. ..20 245 370 240 140 140 205 165 180
21. ..30 235 365 230 130 355 195 165 180
4. ..10 275 380 270 155 370 230 170 180
11. ..20 265 370 260 150 360 220 165 180
4. ..10 285 390 280 160 380 240 175 180
11. ..20 275 380 270 155 370 230 170 180
4. ..20 305 440 290 170 420 245 200 200
21. ..32 295 440 280 160 420 240 200 200
4. ..9 345 490 330 190 465 280 220 240
10. ..20 325 470 310 180 450 265 210 215
21. ..32 305 460 290 170 440 245 205 215
33. ..60 285 450 270 155 430 230 200 200
4. ..9 345 490 330 190 465 280 220 240
10. ..20 325 470 310 180 450 265 210 215
21. .32 305 460 290 170 440 245 205 215
4. ..32 440 590 400 230 535 340 265 280
33. ..50 410 570 375 220 520 320 255 280
4. .9 345 470 330 190 450 280 210 215
10. .16 295 440 280 160 420 240 200 200
Целесообразно учитывать коэффициенты условий
работы и надежности по назначению при определении
расчетных сопротивлений стали Rv=yc/yn или Ru=
=yclyn, причем коэффициент надежности по назначе-
нию уп необходимо вводить во все выполняемые расче-
ты, а коэффициент условий работы ус вводят в зависи-
мости от типа конструктивного элемента и условий его
работы, т. е. в соответствии с табл. 3.2.
Расчетное сопротивление для сварных соединений
определяют в зависимости от величины расчетных со-
противлений основного металла. При этом расчетное
сопротивление зависит от конструктивных особенностей
соединения, технологии его выполнения и характера
нагрузок.
Для стыковых соединений, выполненных дуговой
сваркой, расчетное сопротивление Rwy—kRy, где значе-
ния коэффициента k меняются в зависимости от указан-
ных выше факторов:
Л=1—для случаев растяжения, сжатия и изгиба
при ручной, механизированной и автоматизированной
сварке с условиями, что будет обеспечен полный провар
соединяемых элементов н осуществлен контроль каче-
ства сварных швов физическими методами;
Л=0,85— в случае растяжения или изгиба для всех
способов электродуговой сваркн при отсутствии конт-
роля физическими методами;
Л=0,7 — для швов, в которых невозможно обеспе-
чить гарантированный провар свариваемых элементов.
Определение расчетных сопротивлений для угловых
швов зависит от ориентации шва относительно направ-
ления действующего усилия, причем в расчет принима-
ются наиболее неблагоприятные условия (фланговый
шов). Установлены два расчетных сопротивления — по
металлу шва Raf и по металлу границы оплавления RWI,
исходя из вариантов возможного характера разрушения.
Расчетные сопротивления угловых швов срезу по
металлу границы сплавления определяют, исходя из
нормативного сопротивления стали свариваемых эле-
ментов, причем, если сварное соединение выполняют из
сталей с различными прочностными характеристиками,
принимают наименьшие значения прочности. Таким об-
разом Rwz =0,45/?ил.
Расчетные сопротивления металла шва устанавлива-
ют в зависимости от применяемых сварочных материа-
42
лов. Для наплавленного металла, соответствующего ти-
пу электродов Э42 и Э42А, расчетное сопротивление
RWf принимается 180 МПа, типу Э46 и Э46А — 200 МПа,
типу Э50 и Э50А — 215 МПа и для типа Э60—240 МПа.
В табл. 3.3 приведены расчетные сопротивления ста-
ли и сварных соединений применительно к ограничи-
тельному сортаменту, применяемому на предприятиях
Минмонтажспецстроя СССР при изготовлении строи-
тельных металлоконструкций.
§ 6. Расчеты по допускаемым напряжениям
Расчет прочности при проектировании машинострои-
тельных сварных конструкций и трубопроводов произ-
водится по допускаемым напряжениям. Так же, как
и расчетные сопротивления при проектировании строи-
тельных конструкций, величина допускаемых напряже-
ний зависит от следующих условий:
1. Свойства материалов могут изменяться в зависи-
мости от способа их производства, изменения химичес-
кого состава в пределах нормативных значений, мето-
дов и способов обработки. Например, выплавка стали
может производиться в конвертерах и в электропечах,
во втором случае ее свойства будут выше; химический
состав стали может быть выдержан как по верхнему,
так и по нижнему пределу содержания элементов, в со-
ответствии с ГОСТом; сталь может подвергаться тер-
мообработке, изменяя при этом свои свойства. Поэтому
чем выше механические свойства материала, тем выше
допускаемые напряжения.
2. Чем выше точность производимых расчетов, допус-
каемые напряжения тем выше. В свою очередь, точ-
ность расчетов зависит от совершенства теории, поло-
женной в основу этих расчетов, а также от степени уче-
та всех нагрузок, действующих на конструкцию, так
как иногда бывает чрезвычайно сложно учесть все воз-
можные варианты, особенно в их взаимодействии.
3. От вида усилий — растяжения, сжатия, изгиба
и среза (характер зависимости будет изложен ниже).
4. От качества технологического процесса, которое
в первую очередь влияет на определение допускаемых
напряжений в сварных соединениях, сварных швах.
В связи с переходом ручных способов сварки к механи-
зированным и автоматизированным повышается допус-
43
каемое напряжение. Тому же способствует н общее
повышение культуры производства, применение эффек-
тивных режимов сварки, оснастки и приспособлений,
контроля за исполнением заданного технологического
процесса.
5. Большое значение имеет также характер нагру-
зок, при которых работает конструкция. Наибольшее
значение допускаемые напряжения имеют при статичес-
кой нагрузке, при переменных нагрузках его величина
уменьшается.
В итоге допускаемое напряжение, условно принимае-
мое в качестве разрушающего, рассчитывают с учетом
коэффициента запаса прочности, который всегда боль-
ше 1. Обычно принимают п= 1,4... 1,6.
Допускаемое напряжение при растяжении [о] на-
зывается основным, так как допускаемые напряжения
при других видах усилий определяются как производ-
ные от него.
Основное допускаемое напряжение [о]Р при стати-
ческом нагружении определяется в зависимости от пре-
дела текучести:
[о]р = от/л.
При переменных нагрузках допускаемое напряжение
(о]р=ОтУ/П,
гле y — коэффициент, учитывающий характер переменной нагрузки
(см. § 9).
Величина допускаемого напряжения при сжатии за-
висит от конструктивных особенностей проектируемой
конструкции. Если сжатые элементы конструкции не-
большой длины и нет продольного изгиба, то
[°1сж = 1°1р •
При сжатии длинных элементов, подверженных продоль-
ному изгибу,
[°]сж = 1°1р Ф»
ГдС ф—коэффициент продольного изгиба (см. § 22), зависящий от
гибкости элемента.
При изгибе стальных конструкций [о]п=[о]Р, при
срезе допускаемое напряжение [т] = (0,5...0,6)[о]Р.
Допускаемые напряжения в сварных швах устанав-
ливают в зависимости от допускаемых напряжений ос-
новного металла, соблюдая при этом принцип равно-
44
прочности. Если сваривают элементы конструкции из
разных марок стали, при расчете принимаются меньшие
значения допускаемых напряжений.
Механизация сварочных процессов, применение вы-
сококачественных сварочных материалов позволяют
улучшить механические свойства соединений и тем са-
мым повысить допускаемое напряжение. Сварные со-
единения низкоуглеродистых и низколегированных ста-
лей, выполненных электродуговой сваркой, можно ус-
ловно разделить на три группы.
К первой группе относятся сварные швы, у которых
механические свойства наплавленного металла и около-
шовной зоны идентичны свойствам основного металла.
Это сварные швы, выполненные механизированными
и автоматизированными способами сварки, а также
ручной сваркой с использованием электродов типа Э42А,
Э46А и Э50А. Ко второй группе относятся сварные швы,
выполненные электродами обычного качества (типа
Э42, Э46, Э50). Третью группу составляют сварные швы
сталей, обладающих специальными свойствами: высо-
копрочных, коррозионно-стойких, хладостойких и т. д.
В этом случае механические свойства металла шва или
околошовной зоны отличаются от свойств основного ме-
талла.
В табл. 3.4 приведены допускаемые напряжения для
сварных швов первой и второй групп. Допускаемые на-
пряжения для сварных швов третьей группы назнача-
ются иа основе экспериментальных данных с учетом
результатов испытаний, проведенных на образцах и ма-
кетах в условиях, близких к реальным.
При стыковой контактной сварке, когда технологи-
ческий процесс позволяет получить с достаточной сте-
3.4. Допускаемые напряжения для сварных швов
Группа соединения Допускаемые напряжения в швах при:
растяжении сжатии срезе
Первая Вторая Мр 0,9 [ajp Мр !а1р 0,65 [о]р 0.6 |ajp
Абсолютные значения для стали СтЗ, МПа
Первая
Вторая
160 160 100
144 160 96
45
пенью надежности высокие механические свойства свар*
ных соединений, не допускаемые напряжения могут
быть приняты равными таковым при дуговой сварке.
Для соединений, выполненных точечной контактной
сваркой, допускаемые напряжения среза принимаются
для нпзкоуглеродистых сталей [т'] =0,4[а]р, а при от-
рыве [т/]=0,3 [о] р.
Допускаемые напряжения для сварки сталей специ-
альными способами определяются аналогично третьей
группе соединений, на основе экспериментальных дан-
ных в каждом конкретном случае.
Контрольные вопросы
1. Основные положения принципа расчета конструкций по пре-
дельным состояниям.
2. Сущность метода расчета по допускаемым напряжениям.
3. Какой метод применяется для расчета строительных конст-
рукций?
4. Какой метод расчета используется для машиностроительных
конструкций?
Глава IV,
ТИПЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И ВИДЫ СВАРНЫХ ШВОВ
§ 7. Классификация и типы сварных соединений
При всем многообразии сварных конструкций, с ко-
торыми приходится встречаться при производстве мон-
тажных и специальных строительных работ, а следова-
тельно, и сварных соединений, последние возможно
классифицировать в зависимости от применяемых спо-
собов сваркн основных принципов их проектирования.
Наибольшее распространение при изготовлении и
монтаже сварных конструкций, описанных в 1-й главе,
имеет электродуговая сварка плавлением. На рис. 4.1
показана классификация сварных соединений, выпол-
ненных дуговой сваркой, а на рис. 4.2 — сварные соеди-
нения.
Стыковым соединением называется сварное соедине-
ние двух элементов, расположенных в одной плоскости
46
Рис. 4.1. Классификация сварных соединений, выполненных дуговой
сваркой
ПРЕРЫВИСТЫЕ
а)
6)
rs/rss^/ss/s/iva
Рис. 4.2. Конструкции соединений, выполненных дуговой сваркой
а — стыковое; б — угловое; в — нахлесточное; г — тавровое
47
или на одной поверхности (рис. 4.2, а). Стыковые соеди-
нения являются наиболее распространенным видом
сварных соединений ответственных конструкций, таких,
например, как сосуды, аппараты, трубопроводы и дру-
гие аналогичные конструкции. Они широко применяют-
ся в конструкциях, где нужно выполнить требования
прочности и плотности.
Угловое соединение (рис. 4.2,6} — двух элементов,
расположенных под прямым углом друг к другу и сва-
ренных в месте примыкания их краев. Угловое соедине-
ние не является таким распространенным, как стыковое,
однако тоже находит применение в прочно-плотных со-
единениях.
В строительных конструкциях широко применяют
нахлесточные соединения (рис. 4.2, в), в которых свари-
ваемые элементы расположены параллельно и перекры-
вают друг друга. На рис. 4.2, г приведены схемы тав-
ровых соединений, к боковой поверхности одно-
го элемента которых примыкает под углом н приварен
торцом другой элемент. В некоторых случаях примыка-
ющих элементов—два, и тавровое соединение приобре-
тает крестообразное сечение.
По расположению сварных швов стыковые соедине-
ния могут быть односторонние и двухсторонние. Так
как в стыковых соединениях важнейшим требованием
к их исполнению является обеспечение полного прова-
ра, то двухсторонние соединения, в особенности на
больших толщинах металла, являются предпочтитель-
ным. Однако при сварке некоторых конструкций, на-
пример трубопроводов, невозможно осуществить двух-
сторонний подход к стыку, поэтому в этом случае про-
ектируется одностороннее стыковое соединение.
Односторонние соединения применяются также в том
случае, если толщина свариваемых элементов невелика
и используется ток небольшой плотности (сварка под
флюсом) с приспособлениями, обеспечивающими пол-
ный провар соединения (флюсовые подушки, подкладки
и др.). Однако следует помнить, что при больших тол-
щинах металла односторонние соединения, требующие
разделки кромок, становятся не экономичными по срав-
нению с двухсторонними из-за большого объема на-
плавленного металла и значительных деформаций кон-
струкции.
Различные требования к подготовке свариваемых
48
кромок предъявляются в зависимости от толщины сва*
риваемых элементов. В табл. 4.1 приведены примеры
подготовки кромок стыковых соединений для сварки
под флюсом. Из данных таблицы следует, что соедине-
ние с отбортовкой кромок используют только при ма-
лых толщинах свариваемых элементов. То же можно
сказать и про соединения, свариваемые без скоса кро-
мок. Соединения с двумя симметричными или несиммет-
ричными скосами кромок применяются при сварке эле-
ментов большой толщины.
По характеру свариваемых поверхностей стыковые
соединения подразделяются на плоские прямые, кольце-
вые и фасонные. Как следует из названия, плоские пря-
мые соединения образуются при сварке элементов, ле-
жащих в одной плоскости (стыковка листовой стали
в полотнища), или стыков, лежащих на одной прямой
(продольные швы обечаек или прямошовных труб).
Кольцевые стыки образуются при сварке элементов,
лежащих на криволинейной, чаще всего на цилиндриче-
ской поверхности. К ним относятся стыки трубопрово-
дов, сварные швы сферических резервуаров, кольцевые
стыки сосудов н аппаратов и др. Таким образом, изго-
тавливая цилиндрическую емкость или аппарат, ис-
пользуют стыковые соединения обоих типов. Фасонные
стыковые соединения получаются при сварке трубных
тройников (на пересечении цилиндрических поверхно-
стей) или криволинейных соединений судовых конструк-
ций.
Нахлесточные соединения можно разделить по трем
признакам. По расположению сварных швов они могут
быть односторонние и двухсторонние. При изготовлении
строительных конструкций толщины элементов, соби-
раемых н свариваемых внахлест, обычно не превышают
16...20 мм и не требуют специальной подготовки кромок.
По виду сварных швов нахлесточные соединения могут
быть сплошные н прерывистые. Часто при проектирова-
нии сварных конструкций прерывистые и сплошные швы
предусматриваются в двухсторонних нахлесточных со-
единениях, при этом лицевой шов выполняется сплош-
ным, а изнаночный — прерывистым.
По аналогии со стыковыми соединениями нахлесточ-
ные в зависимости от характера свариваемых поверхно-
стей, также могут быть: плоскими прямыми, кольцевы-
ми или фасонными. Так, при изготовлении горнзонталь-
49
4.1. Примеры стыковых соединений, выполняемых сваркой под флюсом (ГОСТ 8713— 79*)
Форма подготовленных кромок Характер выполненного шва Форма поперечного сечения выполненного шва Пределы толщи- ны свариваемых элементов, мм Условное обоэна* чение сварного соединения
С отбортовкой двух кромок Односторонний 1,5...3 С1
Без скоса кромок Двухсторонний 2...20 С2
То х<е Односторонний 2... 12 С4
Со скосом двух кромок Односторонний на под- " 4 1 8...30 С18
кладке
С двумя симметричными ско- сами двух кромок Двухсторонний 20...60 СЗО
С двумя несимметричными скосами двух кромок » 16...60 С34
ных габаритных цилиндрических резервуаров при
малой толщине стенок применяются нахлесточные соеди-
нения. В этом случае продольные швы будут прямыми,
а поперечные—кольцевыми, приварка же усиливающих
воротников на люках резервуаров — фасонными.
Тавровые соединения находят широкое применение
при изготовлении строительных металлоконструкций
и различных видов оборудования. Как видно из рис. 4.1,
тавровые соединения классифицируются по расположе-
нию швов на односторонние и двухсторонние, причем
последние применяются в качестве основных при изго-
товлении сварных двутавровых балок, колонн и других
стержневых конструкций. В зависимости от толщины
свариваемого металла и назначения конструкций тав-
ровые соединения могут выполняться с разделкой н без
разделки кромок, в свою очередь разделка может быть
как двухсторонней, так и односторонней. Швы тавровых
соединений могут быть сплошные и прерывистые (при-
варка ребер жесткостей, например). Как и предыдущие
соединения, в зависимости от формы свариваемых по-
верхностей тавровые соединения могут быть плоскими
прямыми (преимущественно), кольцевыми (жесткости
в аппаратах и емкостях, приварка фланцев на трубо-
проводах) и фасонными (врезки типа «труба в трубу»).
Перечисленные выше типы сварных соединений яв-
ляются основными при изготовлении сварных конструк-
ций различного назначения. Указанному обстоятельству
способствует также приоритет дуговых способов свар-
ки. Однако на практике встречаются также и некоторые
другие типы сварных соединений, пробочные проплавы,
получающиеся при применении электрошлаковой и
электроконтактной сварки, паяные и комбинированные
(сварно-клепаные и клеесварные).
На рис. 4.3 представлено пробочное проплавное со-
единение, иногда называемое «электрозаклепочным».
Его применяют в некоторых нахлесточных соединениях,
несущих преимущественно связующие нагрузки, на
сравнительно небольших толщинах свариваемых эле-
ментов. В некоторых случаях, когда необходимо увели-
чить толщину металла, свариваемые элементы подго-
тавливают (в проплавляемой детали сверлится отвер-
стие), в этом случае толщина проплавляемого металла
может достигать 12...16 мм.
Электрошлаковую сварку применяют преимущест-
61
А-А
Рис. 4.3. Проплввное про-
бочное (электрозаклепка)
соединение
Рис. 4.4. Примеры сварных
соединений, выполненных
электрошлаковой сваркой
а — стыковое; б — угловое; в —•
тавровое
венно при изготовлении тяжелых толстостенных маши-
ностроительных конструкций. На строительно-монтаж-
ных работах этот способ бездуговой сварки встречается
при сооружении доменных комплексов (сварка кожу-
хов доменных печей), вращающихся печей (сварка
скорлуп в кольца), а также на объектах другого назна-
чения. На рис. 4.4 приведены примеры сварных соеди-
нений, выполненных электрошлаковой сваркой, толщи-
ны элементов при этом могут колебаться в широких
пределах (от 16 до 600...800 мм). При электрошлаковой
сварке укладывают швы с вертикальным расположени-
ем свариваемых кромок, причем специальной разделки
со скосом они не требуют (подробней — в § 38).
В последние годы в строительстве находит примене-
ние контактная сварка — стыковая и точечная. Стыко-
вую контактную сварку в системе Минмонтажспецстроя
СССР применяют преимущественно на заводах желе-
зобетонных изделий при сварке стержней арматуры
для сборного железобетона. В Миннефтегазстрое стыко-
вую контактную сварку используют при сварке магист-
ральных трубопроводов большого диаметра. Точечную
контактную сварку применяют при изготовлении метал-
локонструкций лестниц, площадок, настилов и оконных
52
Рис. 4.5. Соединения, выполненные контактной сваркой
а — стыковое; б — нахлесточное точечное
°).
Л 1НП1П11ЦЦ|\
о о;
; О О I
: тптп
I О О
9
Р _______ Р
SSSBSBSBSSBSSSSBS*}
----1---
О I о
О I о
I
Рис. 4.6. Виды паяных соеди-
нений
а — трубчатое стыковое; б — на-
хлесточное
Рис. 4.7. Комбинированные
сварно-клепаные соединения
переплетов. На рис. 4.5 даны сварные соединения, вы-
полненные контактной сваркой.
На рис. 4.6 представлены два вида паяных соедине-
ний — трубчатое встык и нахлесточное. Пайку осущест-
вляют присадочным металлом — припоем, имеющим бо-
лее низкую температуру плавления, чем металл соеди-
няемых элементов, и она пока не находит достаточного
применения в строительстве.
Комбинированными называются такие соеди-
нения, в которых применены два или несколько спосо-
бов их получения. На рис. 4.7 показаны два вида
комбинированного сварно-клепаного соединения. В свар-
53
Рис. 4.8. Некоторые типы соединений стержней арматуры
а — стыковые, выполненные контактной сваркой; б — стыковые, выполненные
дуговой ванной сваркой; в — крестовые; г — тавровые; д — нахлесточные, вы*
полненные дуговой сваркой
Рис. 4.9. Типы сварных соединений конструкций из пластмасс
а — стыковое прутковое: 6 — стыковое контактное; в — в раструб прутковое;
е — враструб контактное; д — нахлесточное прутковое; е — нахлесточное
ультразвуковое
но-клепаном соединении одна часть усилий воспринима-
ется сварными швами, а другая — заклепками, причем
недостатком таких соединений является неравномер-
ность распределения усилий между заклепками и шва-
ми. Такого рода соединения обычно применяют для уси-
ления клепаных конструкций, находящихся в эксплуата-
Б4
ции. Аналогичные конструкции могут быть использованы
и в случае применения болтовых соединений вместо за-
клепочных. Одна из разновидностей комбинированных
соединений — клеесварные, которые применяют в конст-
рукциях из алюминиевых сплавов и относят к нахлес-
точным. При этом клеевая прослойка повышает сопро-
тивляемость конструкции коррозии, воспринимает часть
усилий, а также уменьшает в соединении концентрацию
напряжений, увеличивая тем самым прочность конст-
рукции.
При сварке стержней арматуры железобетона фор-
ма сварных соединений отличается от описанной выше.
На рис. 4.8 даны некоторые типы соединений стержней:
стыковые, крестовые, тавровые и нахлесточные.
В особую группу следует выделить сварные соедине-
ния пластмассовых конструкций (рис. 4.9), которые с
каждым годом все шире применяют в конструкциях
различного назначения и в строительстве — прежде
всего в трубопроводах. При изготовлении конструкций
из пластмасс используют следующие способы сварки:
прутковую горячим воздухом, ультразвуковую и кон-
тактную с нагревательным элементом. Прутковая свар-
ка может образовывать стыковые, нахлесточные тавро-
вые и раструбные соединения, ультразвуковая — на-
хлесточные, а контактная — стыковые и раструбные.
Кроме того, при обработке пластмасс может быть так-
же использовано склеивание. Наиболее широкое приме-
нение в строительных конструкциях иашли поливинил-
хлорид (винипласт) и полиолефины (полиэтилен). Из
винипластов изготавливаются различного рода емкости
для хранения агрессивных продуктов, вентиляционные
воздуховоды и камеры, из полиэтилена — трубопрово-
ды различного назначения.
§ 8. Классификация сварных швов
Сварной шов является участком сварного соедине-
ния, образовавшимся в результате кристаллизации ме-
талла сварочной ваниы. В дальнейшем будут рассмат-
риваться преимущественно швы, образованные дуговы-
ми способами сварки, наиболее распространенными при
изготовлении и монтаже сварных конструкций в систе-
ме Минмонтажспецстроя СССР. На рис. 4.10 приведена
классификация сварных швов.
65
Рис. 4.10. Классификация сварных швов
ЛОЛУПОТОЛОЧНЫЕ |—I ПОТОЛОЧНЫЕ
Рис. 4.11. Виды швов
а — рабочий, б — связующий и в — подварочиый
По виду сварных соединений швы разделяются на
стыковые, присущие стыковым соединениям всех типов
и видов, и угловые, к которым относятся сварные швы
угловых, нахлесточных и тавровых соединений.
По назначению швы бывают рабочие, связующие
и подварочиые. На рис. 4.11 можно понять принцип, по-
ложенный в основу этой классификации. Две металли-
ческие полосы (рис. 4.11, а) соединены стыковым швом,
расположенным перпендикулярно направлению дейст-
вия растягивающих соединение сил. В этом случае раз-
рушение сварного шва приведет к разрушению всей
конструкции. Сварные соединения и швы, разрушение
которых влечет за собой выход из строя конструкции,
называются рабочими, а напряжения, возникающие
в них, рабочими напряжениями.
На рис. 4.11,6 приведен вариант связующего шва,
в котором при приложении усилий, параллельных оси
шва, возникают напряжения той же величины, что и в
основном металле. Такие напряжения вследствие их со-
вместной работы с основным металлом не опасны для
прочности конструкции и называются связующими. Со-
ответственно так же называют соединения и сварные
швы.
Подварочный шов представляет собой меньшую
часть двухстороннего шва, выполняемую предваритель-
но для предотвращения прожогов при последующей
сварке или накладываемую в последнюю очередь в ко-
рень шва для обеспечения высокого качества (рис.
4.11. в).
В зависимости от числа слоев швы могут быть одно-
слойные и многослойные. Под слоем понимается часть
металла сварного шва, образованная одним или несколь-
кими валиками, располагающимися на одном уровне
67
КОРЕНЬ USA
Рис. 4.12. Корень шва
а — тазропого соединения: б — стыкового одностороннего; о —стыкового двух»
стороннего
поперечного сечения шва. Понятия «однослойный шов»
и «однопроходный шов» не являются синонимами. Осо-
бое значение для прочности сварного шва имеет корень
шва (рис. 4.12), являющийся частью сварного шва, где
дно сварочной ванпы пересекает поверхность основного
металла. Корень шва при некачественном его исполне-
нии может стать источником появления дефектов, в осо-
бенности трещин, которые могут привести к разрушению
сварного соединения. Поэтому к качеству корневого
шва предъявляются повышенные требования, вплоть до
проведения промежуточных контрольных операций
(проверка проникающим излучением и цветной дефек-
тоскопией).
По месту выполнения сварные швы разделяют на за-
водские и монтажные, осуществляемые на месте монта-
жа конструкции. Заводские швы сваривают, как прави-
ло, при помощи механизированных и автоматизирован-
ных способов сварки, что позволяет получить швы
достаточно высокого качества при высокой производи-
тельности процесса. Монтажные соединения выполняют
преимущественно ручной дуговой сваркой, что предъяв-
ляет повышенные требования к квалификации рабочих-
сборщиков и сварщиков.
По протяженности сварные швы могут быть непре-
рывными и прерывистыми, с промежутками по длине.
Разделение по протяженности относится к угловым
швам. В свою очередь, прерывистые швы тавровых со-
единений разделяются на цепные и шахматные. Цепным
является двухсторонний прерывистый шов таврового
соединения, у которого промежутки расположены по
58
Рис. 4.13. Основ-
ные параметры уг-
ловых швов
а — усиление; 6 —
ослабление; в — тол-
щина; г — расчетная
высота: д — расчет-
ный катет
обеим сторонам стенки один против другого. У шахмат-
ного шва, в отличие от цепного, промежутки на одной
стороне стенки расположены против сваренных участ-
ков шва ее другой стороны.
В зависимости от внешней формы сваренные швы
подразделяют на нормальные, усиленные и ослаблен-
ные, эта классификация относится преимущественно
к угловым швам. Внешняя форма швов определяется их
основными геометрическими параметрами. На рис. 4.13
приведены основные параметры угловых швов. Усилен-
ные (выпуклые) швы характеризуются усилением
«д» — частью наплавленного металла, образующего вы-
59
Рис. 4.14. Виды нахлесточных швов
о — лобовой; 6 — фланговый; в — косой: г — комбинированный
пуклость углового шва. Ослабленные швы (рис. 4.13, б)
характеризуются ослаблением шва «т», которое измеря-
ется расстоянием между плоскостью, проходящей через
видимые линии сплавления шва с основным металлом
и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наи-
большей вогнутости углового шва.
Толщиной углового шва является наибольшее рас-
стояние от поверхности углового шва до точки макси-
мального проплавления основного металла (рис. 4.13, в).
Под расчетной высотой углового шва (рис. 4.13, г) по-
нимается длина перпендикуляра, опущенного из точки
максимального проплавления в месте сопряжения сва-
риваемых частей на гипотенузу наибольшего вписанно-
го во внешнюю часть углового шва прямоугольного
треугольника. Основная величина для расчета угловых
швов на прочность — их расчетный катет (рис. 4.13, д).
За расчетный катет принимается переходящий через
зазор катет наибольшего прямоугольного треугольника,
вписанного во внешнюю часть углового шва. При сим-
метричном шве за расчетный принимается любой из ка-
тетов, при асимметричном — меньший из них.
Регламентацию сварных швов по их положению
в пространстве осуществляет ГОСТ 11969—79*. в соот-
ветствии с которым различаются, в частности, следую-
щие положения: иижнее «в лодочку» (условное обозна-
чение Нл), нижнее угловое (Ну), нижнее стыковое (Нс),
горизонтальное (ГР), вертикальное (Вр), полупотолоч-
иое (ППт), потолочное (Пт).
Для нахлесточных сварных соединений характерна
классификация сварных швов в зависимости от их рас-
положения по отношению к направлению действующих
на соединение сил (рис. 4.14). Швы, направленные пер-
60
пендикулярно усилию, называют лобовыми, а швы на-
правленные параллельно, — фланговыми. Косые швы
направлены к усилию под некоторым углом, а комбини-
рованные представляют собой сочетание лобовых, флан-
говых и косых швов.
В зависимости от вида сварных швов и сварных со-
единений, применяемой технологии сварки, характера
конструкций регламентируются геометрические размеры
и подготовка кромок свариваемых элементов, допуски
па отклонения от номинальных размеров, условные
обозначения швов. Регламентацию осуществляет ряд
государственных стандартов, из которых наибольшее
распространение в условиях организаций и пред-
приятий Минмонтажспецстроя СССР имеют следу-
ющие:
ГОСТ 5264—80 распространяется на швы сварных
соединений из углеродистых и низколегированных ста-
лей, выполняемых ручной электродуговой сваркой ме-
таллическим плавящимся электродом во всех простран-
ственных положениях (кроме швов сварных соединений
трубопроводов);
ГОСТ 8713—79* распространяется на швы сварных
соединений из углеродистых и низколегированных ста-
лей, выполняемых автоматической и механизированной
сваркой под флюсом;
ГОСТ 14771—76* регламентирует швы сварных со-
единений из углеродистых и низколегированных сталей,
которые выполнены при помощи сварки в защитных
газах;
ГОСТ 16037—80 рассматривает швы сварных соеди-
нений трубопроводов из сталей низкоуглеродистых, низ-
колегированных н теплоустойчивых, марки этих сталей
определены стандартом.
Кроме перечисленных выше, имеется целый ряд
стандартов, касающихся сравнительно редко встречаю-
щихся соединений (швы соединений с расположенными
под углом друг другу свариваемыми элементами, свар-
ные соединения, выполняемые контактной электросвар-
кой, швы, выполненные электрошлаковой сваркой
и т. д.). Все приведенные выше стандарты устанавлива-
ют основные типы сварных соединений. В них рассмот-
рены характеристики и взаимосвязь вида соединения,
формы подготовки кромок, формы поперечного сечения
кромок и шва, пределы толщин свариваемых деталей,
61
а также условные обозначения способа сварки и . шва
сварного соединения.
Обозначения сварных соединений и швов на черте-
жах производятся в соответствии с ГОСТ 2.312—71,
при этом видимый сварной шов изображают сплошной
основной линией, а невидимый — штриховой. От изобра-
жения шва проводят линию-выноску со стрелкой, ука-
зывающей место расположения шва. Для упрощения
технической документации на изготовление и монтаж
сварных конструкций стандартами предусмотрено при-
менение различного рода условных обозначений.
Типы сварных соединений обозначают следующим об-
разом: «С» — стыковые, «У» — угловые, «Т» — тавро-
вые, «Н» — нахлесточные, «О» — (особые) нестандарт-
ные. Цифры возле обозначения типа сварного соедине-
ния указывают: номер данного шва в соответствующем
стандарте, форму разделки кромок н размеры соедине-
ния в сборе.
Способы сварки также имеют свои условные обозна-
чения: «Э» — дуговая, «Г» — газовая, «У» — в углекис-
лом газе, «И» — в инертных газах, «Ш» — электрошла-
ковая, «К» — контактная. Механизацию процесса свар-
ки определяют индексом перед обозначением способа
сварки: «Р» — ручная, «А» — автоматизированная.
«П» — механизнрованиая. Таким образом, РЭ обозна-
чает ручную дуговую сварку, АИ — автоматизирован-
ную в инертном газе (например, аргоне), ПУ — меха-
низированную в углекислом газе и т. д.
Существуют также условные обозначения для техно-
логических приемов, используемых в процессе сварки.
Так, для автоматизированной сварки под флюсом при-
меняют следующие обозначения: А (без дополнитель-
ного индекса) —сварка на весу, А$> — сварка иа флюсо-
вой подушке; Ае — сварка на стальной подкладке; А»,—
сварка на флюсомедной подкладке; Аиш ““ сварка по
подварочному шву, Апк — сварка с предварительной
подваркой корня шва.
В случае применения контактной сварки используют
следующие обозначения: Ке — стыковая сварка, Ксс —
стыковая сварка сопротивлением, Кео — то же, с оплав-
лением, Кт — точечная, Кр — шовная. Буквенные обо-
значения дуговой и ручной дуговой сварки на чертежах
не проставляют. Буквенные обозначения других спосо-
бов сварки проставляют на чертежах только в случаях
62
4.2. Типы швов сварных соединений
ГОСТ Вид снарки Вид соединений Пределы толщины спариваемых деталей, мм Ус.юпяые обояяаче- яия швов
5264 -80 Ручная дуговая Стыковое 1... 100 С1...С25
Тавровое 2...100 Т1...Т11
Нахлесточное 2...69 Н1...НЗ
Угловое 1...50 У1...У10
8713-79’ Автоматическая и меха- Стыковое 1,5...160 С1...С34
ннзнрованная под флю-
СОМ Тавровое 3...60 Т1...Т13
Нахлесточное 1...40 Н1...Н6
Угловое 1,5...40 У1...У10
14771—76* В защитных газах Стыковое 0,5...120 С1...С28
Тавровое 0,8...100 Т1...ТЮ
Нахлесточное 0,8...60 Н1...Н2
Угловое 0,5...109 У1...У10
S Примечание. Данные таблицы не относятся к сварным соединениям трубопроводов.
одновременного применения нескольких способов. В том
случае, когда применяется один способ сварки, его ука-
зывают в технических условиях (требованиях) на чер-
теже.
В табл. 4.2 приведены данные по типам сварных
швов и их условным обозначениям применительно к
строительным металлическим конструкциям.
В условных обозначениях швов (табл. 4.3) при
разработке технической документации допускаются не-
4.3. Условные обозначения швов
Вспомога-
тельный
знак
Значение вспомогательного знака
Усиление шва снять
Наплывы н неровности шва об-
работать с плавным переходом
к основному металлу
Монтажный шов
Шов прерывистый с цепным
расположением
То же с шахматным располо-
жением
Шов по замкнутой линнн
Шов по незамкнутой линии
64
которые упрощения, смысл которых сводится к следую-
щему. Если сварку конструкций выполняют одним спосо-
бом. т. е. по какому-либо одному из стандартов, обозна-
чение этого стандарта указывают только в технических
требованиях. Одинаковые швы на чертеже должны
иметь одинаковый номер, который наносится на полку
линни-выноски, при этом на одном из этих швов нано-
сят полное его обозначение. Если запись в технических
требованиях чертежа может однозначно определить
места сварки, способы сварки, типы швов и размеры их
конструктивных элементов, то разрешается не отмечать
на чертежах швы линиями-выносками.
В табл. 4.4 приведены примеры условных обозначе-
ний сварных швов.
4.4. Примеры условных обозначений сварных швов
Наименование шоа
Пример обозначений
Шов стыкового соединения со
скосом двух кромок, двухсто-
ронний, выполняемый ручной
дуговой сваркой па монтаже.
С лицевой стороны усиление
~\rm526^-S9-C50 -Q.
снято
Шов таврового соединения без
скоса кромок, двухсторонний,
прерывистый с шахматным рас-
положением, выполняемый ме-
ханизированной сваркой в уг-
лекислом газе по замкнутой ли-
нии. Катет шва 8 мм. Длина
привариваемого участка 50 мм,
шаг — 200 мм
Г0СГ №11-69-75-УП-Лв-50УЮ
Контрольные вопросы
1. Классификация сварных соединений.
2. Классификация сварных швов.
3. Условные обозначения сварных швов.
65
Глава V
РАБОТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
НАГРУЗКАХ И ВОЗДЕЙСТВИЯХ
§ 9. Механические свойства и прочность
сварных соединений
Под прочностью сварных соединений понимается их
способность сопротивляться разрушению нли необрати-
мому изменению формы (пластической деформации) при
воздействии внешних нагрузок. Прочность сварных со-
единений зависит от многих факторов, в первую очередь
от свойств свариваемых и сварочных материалов,
а также от характера напряженного состояния, включая
остаточные напряжения, и условий, в которых эксплуа-
тируют данное сварное соединение. Ниже будут рас-
смотрены все аспекты работы сварных соединений
d различных условиях, при различных нагрузках и воз-
действиях.
Основными количественными показателями прочно-
сти сварных соединений являются их механические
свойства, которые могут изменяться в зависимости от ус-
ловий нагружения. Статическую прочность рассчитыва-
ют в условиях статического нагружения. Для данного
сварного соединения она может изменяться в значитель-
ных пределах в зависимости от наличия концентрато-
ров. изменения температуры эксплуатации, величины
остаточных внутренних напряжений и некоторых других
факторов. Усталостную прочность сварных соединений
определяют при переменных нагрузках. Кроме того,
различают также технологическую и конструкционную
прочность для сварных соединений н конструкций.
Количественно прочность оценивают напряжениями,
при которых наступает разрушение или текучесть метал-
ла или соединения. Определение механических свойств
производится на стандартных образцах различной кон-
фигурации в зависимости от схемы нагружения (в свар-
ных соединениях преимущественно растяжение, изгиб
и удар). На рис. 5.1 представлена зависимость условных
напряжений при растяжении металла от деформаций.
Примем следующие обозначения: Р — сила, действую-
щая на образец; Fo — первоначальная площадь его по-
66
Рис. 5.1. Зависимость напряже-
ния при растяжении металла
Т — условная; 1 — действительная
Рис. 5.2. Образцы для испыта-
ний
в — статическое растяжение; б -
ударный изгиб
перечного сечения, а 1о — первоначальная расчетная
длина образца, тогда: условное напряжение o=P/F0.
а деформация е=Л///0. где AZ — удлинение образца.
Механизм деформирования образца при нагружении
можно представить следующим образом. При постепен-
ном увеличении силы Р на первой стадии (участок ОА
на кривой 1) происходит упругая деформация (удлине-
ние) образца, т. е. после снятия нагрузки образец при-
нимает первоначальные размеры. Дальнейшее увеличе-
ние нагрузки приводит к появлению в образце необра-
67
тимых пластических деформаций (точку В называют
действительным пределом текучести). Если из точки на
линии абсцисс с координатой е=0,2 % провести пря-
мую, параллельную отрезку ОА до ее пересечения
с кривой, то получим точку С, соответствующую вели-
чине условного предела текучести о0,г- Последующий
рост нагрузки приводит образец к состоянию, которое
называется потерей пластической устойчивости (точка
В) и характеризуется появлением шейки (местному
утонению образца). Напряжение, соответствующее точ-
ке Р на диаграмме, называют временным сопротивле-
нием ио- В точке Е наступает разрушение образца. Из-
меряя длину образца при разрушении 1К, а также пло-
щадь шейки FK, вычисляют величины относительного
удлинения б = (1К—1о)/1о и поперечного сужения XF=
~ (Л)—Рk)/Fq.
Кривая 2 на рис. 5.1 соответствует величине действи-
тельных напряжений оя и деформаций ед, которые мо-
гут в значительной степени отличаться от условных.
Механические свойства сварных соединений опреде-
ляют в соответствии с положениями ГОСТ 6996—66*.
Кроме указанного стандарта действует ряд других нор-
мативных документов, регламентирующих методику
механических испытаний металлов и пригодных для ис-
пытаний при сварке различных конструкций.
Наиболее широко на промышленных предприятиях
и в монтажных организациях Мин монта жспецстроя
СССР применяют стандартные методы испытаний иа
растяжение, статический изгиб гладких образцов, удар-
ный изгиб надрезанных образцов, а также определение
твердости после термической обработки. Все указанные
испытания производят заводские или монтажные сва-
рочные лаборатории как для оценки механических
свойств сварных соединений, так и металла шва и око-
лошовных зон.
На рис. 5.2, а представлен образец для испытаний иа
статическое растяжение. Такие образцы чаше всего ис-
пользуют для определения механических свойств на-
плавленного металла (металла шва). В этих целях,
чтобы получить достаточные размеры шва для вырезки
стандартных образцов, производят многослойную на-
плавку «в лодочку» на пластины, соединенные «втавр».
Рабочая длина таких образцов в пять раз больше диа-
метра, их можно использовать как при нормальных, так
68
н пониженных температурах. Изложенной выше мето-
дикой определяют временное сопротивление разрыву
св, предел текучести от. относительные удлинения 65
п сужение ЧЛ
Испытание на определение сопротивления металла
разрушению при ударных нагрузках производят на об-
разцах, приведенных на рис. 5.2, б. Для имитации воз-
действия концентраторов на прочность на образцах де-
лают надрезы двух видов — тупой и острый. На таких
образцах можно определять ударную вязкость для раз-
личных участков сварного соединения (металл шва,
околошовные зоны, основной металл), с этой целью
надрез выполняется в том месте, где необходимо опре-
делить свойства.
Разрушают образцы на специальной установке (так
называемый копер Шарли) при нормальной или пони-
женной температурах. Ударную вязкость ан определя-
ют величиной работы, израсходованной на излом образ-
ца А, отнесенной к площади поперечного сечения об-
разца в зоне надреза F, т. е. au=A/F. Таким образом,
измеряя работу в джоулях (Дж или МДж), а площадь
в м2, получим, что величину ударной вязкости выража-
ют в Дж/мг или МДж/м2.
На рис. 5.3 показаны образцы для испытания стыко-
вых сварных соединений на статическое растяжение.
Образец (рис. 5.3, а) служит для определения прочно-
сти сварного соединения в целом, усиление шва при
этом снимается, разрушение может произойти и по
сварному шву, н по основному металлу (в околошовиой
зоне). В том случае, когда необходимо определить проч-
ность металла шва, используют образец, приведенный
на рис. 4.3, б, форма которого заранее определяет раз-
рушение образца по шву. Усиление шва при этом ие
снимается, но при определении временного сопротивле-
ния разрыву вводится поправочный коэффициент (для
сталей) — 0,9 о' =kP[F.
При сварке трубопроводов и строительных конструк-
ций распространен метод определения пластичности
сварного соединения испытанием на статический изгиб
(рис. 5 4). Суть указанного метода заключается в сле-
дующем: образцы прямоугольной формы, механически
обработанные со всех сторон (усиление шва тоже сня-
то), помешаются на опоры, имеющие цилиндрическую
„форму и установленные с определенным расстоянием
69
Рис. 5.3. Образцы
а — для определения прочности стыкового соединения: в — временного сопро-
тивления металла шва разрыву
Рис. 5.4. Испытание на статический изгиб
а — образец для испытания: б — схема испытания; 1 — опора; i — образец}
3 — пуансон; в —образец после испытания
между собой (базой), которое зависит от толщины сва-
риваемого металла (стенки трубы). Образец укладыва-
ют на опоры таким образом, чтобы сварной шов распо-
лагался на равном расстоянии от опор. Изгиб образцов
осуществляют (см. рис.) пуансоном, имеющим радиус
закругления, соответствующий толщине образца. Его
производят до появления трещины или надрывов на
растянутой стороне образца. Пластичность сварного со-
единения определяет величина угла а. Максимально
возможный угол изгиба 180°, а минимально допусти-
мый определяют нормативными документами, и ои раз-
личен для разных марок сталей, типов и назначения
конструкций, сварочных материалов. При малых разме-
рах свариваемых деталей, например трубы малого диа-
метра с тонкими стенками, из которых невозможно вы-
разить образцы стандартных размеров, испытания на
статический изгиб обычно заменяют испытаниями на
70
сплющивание (отсутствие трещин или надрывов при
сплющивании).
При проведении термической обработки сварных со-
единений для косвенного определения механических
свойств измеряют твердость основного металла, метал-
ла шва и околсшсвнсй зоны. В заводских условиях из-
мерение твердости производят с помощью твердомеров
серийного производства (например, по Бриннелю). Так
как применение серийных приборов требует приготовле-
ния макрошлифсв (т. е. разрушения сваренных соеди-
нений) и они не могут использоваться как переносные,
то в монтажных условиях чаще всего используется так
называемый прибор Польди, который прост в изготов-
лении и использовании и не требует специальной подго-
товки поверхности металла и оператора.
Сварное соединение при своем образовании любым
из термических или термомехаиических способов сварки
претерпевает достаточно сложные термические воздейст-
вия. На рис. 5.5 приведены характерные для сварного
соединения сваренного встык электродуговыми спосо-
бами кривые распределения температур в процессе
сварки и последующего остывания. Нетрудно заметить,
что сварной шов п прилегающие к нему зоны основного
металла подвергаются в различной степени нагреву
и охлаждению, в том числе и нагреву выше температу-
ры фазовых превращений Ас. Поэтому для сварных со-
единений характерно наличие механической неоднород-
ности, т. е. неоднородности механических свойств в раз-
личных участках соединения. В зависимости от свойств
основного металла, применяемых сварочных материа-
лов, а также характера термического цикла, в попереч-
ном сечеиин сварное соединение может иметь несколько
участков (зон) с различными механическими свойства-
ми. На рис. 5.5 приведено стыковое сварное соединение,
в котором можно различить 4 таких участка: сварной
шов, свойства которого соответствуют свойствам литого
металла; околошовиая зона, металл которой может
иметь различную структуру, тем более, что этот участок
соединения, как правило, нагревается выше температу-
ры фазовых превращений; зона высокого отпуска и, на-
конец, зона, металл которой не подвергался достаточ-
но высокому нагреву для изменения своих свойств,
соответствующих свойствам основного металла. Приве-
денная выше схема является в некоторой степени упро-
71
Рис. 5.5. Термическое воздейст-
вие процесса сварки на металл
соединения
I — сваркой шов; 2 — околошовпая
зона: 3 — эона высокого отпуска;
4 — эона, нс изменяющая своих
свойств
Рис. 5.6. Твердые и мягкие про-
слойки в сварных соединениях
щепной, так как в действительности могут встречаться
более сложные варианты, например, сварка труб из
мартенситных сталей высоконнкелевыми аустенитными
электродами. В случае стыковой электродуговой сварки
разнородных сталей и сплавов сварное соединение бу-
дет иметь асимметричную механическую неоднород-
ность. Таким образом, для всех сварных соединений ха-
рактерно различие механических свойств металла в раз-
ных участках, ширина которых зависит главным образом
от толщины свариваемого металла. Это все относится
к поперечному сечению соединения, так как по его дли-
не механические свойства практически неизменны.
Очевидно, что в результате воздействия всех приве-
денных выше факторов в процессе сварки и последую-
щего остывания в сварном соединении образуется ряд
чередующихся зон с различными механическими свой-
ствами, иногда значительно отличающимися друг от
друга. Зоны, где металл обладает пониженным преде-
72
Ряс. 5 7. Схема образования
кс;:ие:-:траи;;п напряжений
лом текучести по отношению к пределу текучести ме-
талла соседней зоны, называют мягкими прослойками.
В том случае, когда имеет место обратная картина, та-
кая зона называется твердой прослойкой. Твердые
и мягкие прослойки могут по-разному чередоваться
в сварном соединении (рис. 5.6). Появление указанных
прослоек в сварном соединении характерно при сварке
легированных сталей, склонных к фазовым превраще-
ниям и закалке. Возможность появления твердых и мяг-
ких прослоек в сварных соединениях и их влияние на
прочность, которое неоднозначно и зависит от вида
и характера нагрузок, вида конструкции, применяемых
материалов, должно учитываться при проектировании
сварных конструкций.
Важным фактором, оказывающим влияние на проч-
ность сварного соединения, является наличие в нем
различных концентраторов напряжений. Особенно опас-
на концентрация напряжений при работе конструкций
с переменными нагрузками, так как она значительно
снижает в этом случае прочность. Однако в зависимо-
сти от характера концентратора и вида конструкции мо-
жет быть существенно снижена прочность н при стати-
ческих нагружениях. Концентрация напряжений — обра-
зование значительных напряжений па участках малой
протяженности, вызванное так называемыми концентра-
торами. Концентраторами напряжений могут являться:
технологические дефекты сварных швов (поры, шлако-
вые включения, подрезы, непровары и трещины), нера-
циональные очертания швов и конструкции соединений,
нерациональное проектирование конструкций.
На рис. 5.7 показана схема образования концентра-
ции напряжений в растянутой полосе, ослабленной эл-
липтическим-отверстием размерами Ь (ось эллипса, пер-
пендикулярная усилию) и с (ось, параллельная усилию).
73
Концентрация напряжений характеризуется ее коэффи-
циентом, который представляет собой отношение мак-
симального значения напряжения отах к его среднему
значению о, т. е. Кт=Отах/о. Для случая, приведенного
на рис. 5.7, коэффициент концентрации Кт=1+2Ь/с.
Нетрудно заметить, что в случае круглого отверстия
(Ь = с) Кт=3, т. е. напряжение, возникающее у края от-
верстия, в 3 раза превышает напряжение у края поло-
сы. Подробнее о влиянии концентраторов напряжений
на прочность будет изложено ниже.
Главным условием при проектировании сварных со-
единений является условие равнопрочности. Это значит,
что сварное соединение должно быть равнопрочно ос-
новному металлу при заданных условиях его работы.
При этом прочность и пластичность металла шва долж-
ны быть не ниже соответствующих показателей основ-
ного металла. Сложнее бывает обеспечить надлежащие
показатели прочности в скслошовной зоне (зоне терми-
ческого влияния), в особенности при сварке легирован-
ных сталей. Поэтому нормативные документы, регламен-
тирующие технологические процессы сварки, преду-
сматривают проведение специальных операций
(например, термической обработки) для получения необ-
ходимых механических свойств сварного соединения.
В табл. 5.1 приведены в качестве примера механиче-
5.1. Механические свойства наплавленного металла и стыковых
сварных соединений
Тип электрода Механические свойства металла шва Механические своЛства сварного соединения
Временное сопротнале- 11 нс разрыву ав, МПа Относитель- ное удли- нение С. % Ударная вязкость °lf МДж,‘м* Временное соиротиоле- ине разрыву. МПа Угол загиба а. град
пс менее
Э42 420 18 0.8 420 120
Э42А 420 22 1.4 420 180
Э46 460 18 0,8 460 120
3-16А 460 22 1.4 460 150
359 500 16 0,6 500 90
Э50А 500 20 1.3 500 150
355А 550 20 1.2 550 140
Примечание. I Дж/м* приблизительно равен 10 кгс-м/см*.
74
скис свойства наплавленного металла и стыковых свар-
ных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой
толстообмазаиными штучными электродами.
При проектировании сварных соединений и конст-
рукций для определения механических свойств в каж-
дом конкретном случае следует пользоваться справоч-
ной литературой.
Сказанное выше касается сварных соединений из
стали. Выполнить условия равиопрочиости при сварке
соединений из цветных сплавов значительно сложнее,
а иногда и вообще невозможно. Наиболее распростра-
нены в строительстве сплавы на основе алюминия, маг-
ния и титана, значительно реже — меди.
При использовании в сварных конструкциях алюми-
ниевых и магниевых сплавов прочность сварных соеди-
нений 70—95 % прочности основного металла, причем
повышение прочности сварного соединения достигается
последующей термической или механической (проков-
ка, прокатка) обработкой. В конструкциях, изготавли-
ваемых из титановых и медных сплавов прочность свар-
ных соединений, как правило, соответствует или близка
к прочности основного металла. Это относится к меха-
нической прочности сварных соединений при статичес-
ком нагружении. Однако во многих случаях сварные
конструкции, а следовательно, и сварные соединения
в них подвергаются воздействию переменных (цикличе-
ских) нагрузок. Переменным нагрузкам подвержены
конструкции мостов, подкрановых балок, трубопрово-
дов, насосных и компрессорных станций, транспортеров,
канатных и подвесных дорог и многие другие строитель-
ные и машиностроительные сварные конструкции. Проч-
ность при переменных нагрузках зависит от многих
факторов, основными из которых являются число и ха-
рактер циклов иагружеиия, а также свойства материа-
лов, из которых изготовлена конструкция, условия ее
работы, виды нагружения, состояния поверхности. Цик-
лом иагружеиия называется совокупность всех значений
напряжений за время одного периода иагружеиия. Fla
рис. 5.8 приведены различные схемы циклов переменно-
го иагружеиия: симметричное нагружение (цикл), асим-
метричное знакопеременное, знакопостоянное и отнуле-
вое. Отношение г = опнп/amax называется характеристи-
кой цикла. Максимальное напряжение, при котором ма-
териал не разрушается при достаточно большом количе-
75
Рис. 5.8. Схема циклов переменных нагрузок
а — симметричные; б — асимметричные знакопеременные; о — знакопостоян-
ные; г — отиулевые
стве циклов нагружсиия (обычно для стали N=W), на-
зывается пределом выносливости и имеет следующие
обозначения: о_(— при симметричном цикле. По—при
отнулевом, о,— в остальных случаях. Предел выносли-
вости, а следовательно, и прочность конструкции при пе-
ременных нагрузках зависят от наличия в пей концент-
раторов напряжения. Показателем прочности при этом
служит эффективный коэффициент концентрации напря-
жений К3, который выражается в виде отношения пре-
дела выносливости гладкого образца к пределу вынос-
ливости такого же образца, но при наличии концентра-
тора. Нетрудно заметить, что значения указанного ко-
эффициента всегда больше 1. Предел выносливости для
иизкоуглеродистой стали при симметричном цикле со-
ставляет примерно % предела текучести. Влияние коэф-
фициента концентрации на предел выносливости увели-
чивается по мере уменьшения абсолютной величины ха-
рактеристики цикла, т. е. наибольшее снижение предела
выносливости происходит при р=—1.
Предел выносливости сварных соединений зависит
кроме материала, рода усилия и характеристики цикла
нагружения еще и от формы конструкции и технологи-
ческого процесса сварки. Большую роль при этом игра-
ет наличие и характер концентраторов напряжений.
При отсутствии таковых в сварных конструкциях из
низкоуглеродистых сталей в стыковых соединениях при
76
симметричном цикле иагружеиия предел выносливости
сварного соединения составляет более 90 % предела вы-
носливости основного металла. При этом предел вынос-
ливости сварных соединений, выполненных автоматичес-
кой сваркой под флюсом, выше, чем сваренных ручной
дуговой.
Основой для расчета сварных конструкций, работа-
ющих под переменными нагрузками, его исходными
данными, являются данные о металле, характеристика
цикла р, величина эффективного коэффициента концен-
трации напряжений К3, а также продолжительность
эксплуатации (число нагружений N). Расчет строитель-
ных конструкций производится в соответствии с норма-
ми СНиП П-23-81*, машиностроительных — по ведом-
ственным нормативам.
СНиПы основываются на расчете прочности основно-
го металла в зоне сварных швов, считая, что прочность
швов обеспечивается расчетом на их равнопрочиость
основному металлу. Поэтому сварные соединения, встре-
чающиеся в строительных конструкциях, разбиты на
восемь условных групп в зависимости от вероятности
появления в них концентраторов напряжений. Таким
образом, принадлежность сварного соединения к той
или иной группе косвенно учитывает величину коэффи-
циента концентрации напряжений. В табл. 5.2 приведе-
ны примеры распределения сварных соединений по
группам.
Расчет прочности производится с учетом расчетных
сопротивлений по предельным состояниям, причем зна-
чения этих сопротивлений умножаются иа поправочный
коэффициент:
у = с!(а — Ьр) — в случае растягивающих напряжений
у = с/(Ь — ар) — и в случае сжимающих,
где р — характеристика никла, коэффициенты а, b и с определяют-
ся из табл. 5.3.
Нетрудно заметить, что усталостная прочность зави-
сит от трех факторов: от наличия и характера концен-
траторов напряжений, характеристики цикла и числа
циклов иагружеиия. Чем меньше концентраторов напря-
жений, чем тщательней они обработаны (слажены), тем
выше усталостная прочность. При симметричном цикле
иагружеиия предел выносливости при прочих равных
условиях минимален. С увеличением характеристики
77
5.2. Группы элементов и сварных соединений при расчете
на усталостную прочность для строительных металлических
конструкций по СНиПу
Группа
элемента
или соеди-
нения
Характеристикя сечения
2
3
4
а) Основной металл с необработанной прокатной по-
верхностью и с прокатными, обрезанными или обра-
ботанными механическим путем, кромками в сечени-
ях вне сварных швов, заклепок и болтов.
б) Основной металл с необработанной прокатной по-
верхностью и обработанными механическим путем
кромками при разной ширине в радиусе перехода
±200 мм
а) То же, что и 1а, ио с кромками, обрезанными газо-
вой резкой
б) Основной металл в месте перехода к стыковому шву,
обработанному в этом месте абразивным кругом или
специальной фрезой при стыковании листов одина-
ковой толшниы и ширины
в) Основной металл вблизи диафрагм и ребер, прива-
ренных угловыми швами к растянутым поясам ба-
лок и элементам ферм при механической обработке
швов
г) Сварные сечения двутаврового, таврового н других
типов, сваренные непрерывными продольными шва-
ми автоматической сваркой при действии усилия
вдоль оси шва по основному металлу
То же, что и 2а, при стыковании листов разной тол-
щины
а) То же, что и 1а, ио с кромками, обрезанными руч-
ной резкой
б) То же, что 16, ио в радиусе перехода, равного 10 мм
в) Основной металл в месте перехода к необработан-
ному стыковому шву с усилением, имеющим доста-
точно плавный переход при стыковании листов оди-
наковой толщины и ширины
г) Основной металл в месте перехода к поперечному
(лобовому) угловому шву при передаче усилия че-
рез швы при механической обработке перехода от
шва к основному металлу при отношении катетов
1:1,5 (при направлении большего катета вдоль
усилия)
д) Основной металл в месте перехода к поперечному
(лобовому) угловому шву без механической обра-
ботки при передаче усилия через основной металл,
при зачнетке зоны перехода от шва к основному ме-
таллу
е) Основной металл в соединениях с фланцами при
плавном переходе шва к основному металлу и с ме-
ханической обработкой этого перехода
78
Продолжение табл. 5.2
Группа
элемента
нлн сое-
динения
Характеристика сечения
6
7
8
ж) То же, что 2в, без механической обработки, но при
наличии плавного перехода от швов к металлу при
ручной и механизированной сварке
з) Фасонки, привариваемые встык пли втавр к стенкам
и поясам балок, а также к элементам ферм, при
плавной криволинейной форме и механической об-
работке перехода от фасонки к элементу конструк-
ции, при полном проваре на всю толщину фасонки
и) Основной металл трубы у сварного шва, выполнен-
ного на подкладном кольце
а) То же, что и 4в, при стыковании листов разной тол-
щины с плавным переходом
б) Фасонки трапециевидной формы, привариваемые
двумя фланговыми и двумя косыми швами (с соот-
ношением катетов 1:1 для фланговых и 1:1,5 для
косых швов), при механической обработке швов на
концах фасонок
То же, что и 4д, но без зачистки зоны перехода от
шва к основному металлу
а) То же, что н 4 г, без механической обработки
б) То же, что и 4е, без механической обработки, но
с глубоким проваром присоединения
в) Обрыв поясного листа сварной балки при уменьше-
нии толщины (ширины) листа к месту обрыва с ук-
лоном 1 :5, без механической обработки поперечно-
го (лобового) шва с соотношением катетов 1: 2
г) Фасонки прямоугольной и трапециевидной формы,
привариваемые к поясам внахлестку с обваркой по
контуру нахлестки, без механической обработки зон
концентрации напряжений
а) Основной металл в соединениях с фланговыми шва-
ми, работающими на срез от осевой силы, в местах
перехода от элемента к концам фланговых швов не-
зависимо от обработки с двумя фланговыми швами
б) То же с фланговыми и лобовыми швами
в) То же при передаче усилия через основной металл
г) Фасонки прямоугольной формы, привариваемые
встык или втавр к элементам конструкций, без ме-
ханической обработки перехода от фасонки к эле-
менту
д) Основной металл у трубы растянутого раскоса при
соотношении толщины стенки к наружному диамет-
ру трубы пояса как 1:14
79
5.3. Значения коэффициентов а, b и с для расчета усталостной
прочности в строительных металлических конструкциях
цикла усталостная прочность возрастает, достигая мак-
симального значения при р=1. С увеличением числа
циклов нагружения N предел выносливости снижается.
Механические свойства и прочность сварных конст-
рукций н соединений в зависимости от применяемых
материалов могут изменяться в достаточно большом
диапазоне при изменении температуры при их монтаже
и эксплуатации. Ниже рассматривается влияние низких
и высоких температур на свойства сварных соединений.
В последние годы значительно увеличился объем из-
готовления и монтажа сварных конструкций, работаю-
щих в условиях низких температур. Это объясняется, во-
первых, расширением строительства в условиях Крайне-
го Севера и Дальнего Востока и, во-вторых, развитием
технологических процессов, связанных с низкими и сверх-
низкими (криогенными) температурами. Для второго
80
случая наиболее характерны резервуарные (изотермиче-
ские цилиндрические и сферические резервуары) и тру-
бопроводные (криогенные трубопроводы жидких водоро-
да и гелия) конструкции.
Металлы и их сплавы при понижении температуры
ведут себя по-разному. Изменение свойств металлов при
понижении температуры зависит от химического состава,
вида кристаллической решетки, макро- и микрострукту-
ры, наличия и характера концентраторов напряжений.
У большинства металлов (на гладких образцах, без уче-
та концентраторов напряжений) при понижении темпера-
туры увеличиваются предел прочности, предел текучести,
твердость, причем наиболее резко у аустенитных корро-
зионно-стойких сталей и титановых сплавов. У алюми-
ниевых п медных сплавов предел текучести по сравнению
с пределом прочности повышается незначительно. Пере-
численные выше металлы и сплавы относятся к хладо-
стойким. Металлы и сплавы, у которых предел текучести
повышается значительно сильнее предела прочности, а
пластичность резко снижается, относятся к хладолом-
ким. Низколегированные низкоуглеродистые конструкци-
онные стали, у которых пластичность с понижением тем-
пературы снижается, относятся к хладоломким сталям,
для которых характерно проявление хрупкости с пони-
жением температуры. Под хрупкостью понимается спо-
собность конструкций (металла) разрушаться без замет-
ной пластической деформации; поверхность излома при
этом — кристаллическая. Хрупкое разрушение конст-
рукции происходит при весьма незначительной пласти-
ческой деформации металла, расположенного вблизи
поверхности разрушения. Хрупкое разрушение харак-
терно для ряда конструкционных сталей при низких
температурах, в особенности в присутствии концентра-
торов напряжений. Переходу к нему способствует по-
нижение температуры, увеличение концентрации напря-
жений и скорости нагружения, которые в предельных
условиях могут стать ударом. Следует отметить, что
усталостная прочность при прочих равных условиях при
понижении температуры в большинстве случаев возра-
стает.
Из сказанного выше становится понятным, почему
при сооружении изотермических резервуаров для хране-
ния, сжиженного метана (температура —196 °C) и тру-
бопроводов для перекачки жидкого водорода (—255 °C)
81
Рнс. 5.9. Кривая ползучее?!
стали ЭИ 756 при температур*
600’С
/ — напряжение 200 МПа; 2 -
190 МПа; 3 — 170 МПа
в качестве материала для конструкций применяют ни*
келевую и хромоникелевую сталь.
Прочность сварных соединений при высоких темпе-
ратурах, равно как и прочность основного металла, име-
ет ряд особенностей, зависящих от характера измене-
ний в межатомных связях. По мере роста температуры
в металле снижается прочность межатомных связей. По-
этому в зависимости от величины нагрева и нагружения
в металле могут изменяться деформации и напряжения
при неизменных нагрузках. Непрерывную пластическую
деформацию металла под действием постоянной нагруз-
ки называют ползучестью. Кривая зависимости дефор-
мации от времени нагружения носит название кривой
ползучести. На рис. 5.9 приведена кривая ползучести
стали для разных нагрузок. Типичная кривая ползуче-
сти состоит из трех участков (см. кривую 2), каждый
из которых отражает соответствующие стадии ползуче-
сти. На первой стадии процесс ползучести еще ие уста-
новился, скорость пластической деформации постепен-
но уменьшается (участок ОА). Вторая стадия характер-
на установившимся процессом деформации, причем
скорость деформации минимальна (участок АБ). На
третьей стадии скорость пластической деформации рез-
ко возрастает вплоть до разрушения конструкции (уча-
сток БВ). Для оценки прочности при высоких темпера-
турах служат предел ползучести и предел длительной
прочности. Предел ползучести — напряжение, при кото-
ром деформация за заданный промежуток времени до-
стигает значений, установленных нормативными доку-
ментами, при котором скорость деформации соответст-
82
вует нормативной. Первое определение относится к
конструкциям с небольшой продолжительностью работы,
второе — для конструкций, работающих в течение дли-
тельного времени при высоких температурах. Предел
длительной прочности — напряжение, вызывающее раз-
рушение при заданной температуре через определенный
промежуток времени. Разрушение конструкций при вы-
соких температурах носит характер хрупкого разруше-
ния.
К сварным конструкциям, изготавливаемым или мон-
тируемым организациями Мипмонтажспецстроя СССР
и работающим в условиях высоких температур, можно
отнести только трубопроводы энергетических и техно-
логических установок, в частности, паропроводы, трубо-
проводы печей риформинга и другие, им аналогичные.
Работа сварных соединений в условиях высоких тем-
ператур имеет следующие особенности, обусловленные
особенностями самого соединения.
Металл шва, переходная от шва к основному метал-
лу зона, а также зоиа термического влияния могут
иметь химический состав и структуру, отличиые друг
от друга и от основного металла, а, следовательно,
н разные механические свойства. Концентраторы напря-
жений в сварных соединениях при высоких температу-
рах являются факторами, ослабляющими прочность.
Прочность сварного соединения, при высоких темпера-
турах определяют длительная прочность и пластичность.
В табл. 5.4 приведены пределы длительной прочности
сварных соединений, выполненных ручной дуговой свар-
кой.
5.4. Пределы длительной прочности сварных соединений од.п., МПа
Маркл стали Тип электрода Л1СП •с Основной Металл шва металл Сварочное соединение
Длительность испытай ий. я
10» 1О‘ 10» 10» 10* 10» 10» 10* 10»
20 Э42А 420 170 125 80 210 140 90 170 125 80
15ХМ ЭХМ 510 240 165 120 260 170 110 240 165 ПО
12Х1МФ ЭХМФ 565 170 130 100 190 130 80 170 120 80
83
§ 10. Технологическая прочность сварных
се единений. Свариваемость
Под свариваемостью понимается комплексная тех-
нологическая характеристика металлов и сплавов, оп-
ределяющая влияние процесса сварки иа свойства сва-
риваемых материалов и их техническую пригодность
для выполнения сварных соединений с заданными свой-
ствами. Свариваемость зависит от многих факторов,
и степень ее у различных материалов различна.
Степень свариваемости показывает, насколько изме-
няются свойства материала при сварке и выполнимо
ли сварное соединение при данных условиях. Для оцен-
ки свариваемости существует ряд показателей свари-
ваемости, которые определяются методом сравнивания
соответствующих показателей свариваемого материала
и сварного соединения и измеряется в %. Например,
показатель свариваемости по временному сопротивле-
нию разрыву, по ударной вязкости и т. д.
Обычно свариваемость оценивают по совокупности
характеристик, которые определяются в соответствии
с конкретными требованиями, предъявляемыми к свар-
ной конструкции. Как правило, к указанным характе-
ристикам относят испытания:
на сопротивляемость образованию холодных и горя-
чих трещин (на технологическую прочность), статичес-
кую прочность, ударный изгиб, усталостную прочность
и прочность при низких температурах, на длительную
прочность при высоких температурах, а также другие
испытания.
Вопросы, связанные с механическими свойствами и
прочностью сварных соединений, рассмотрены в § 9.
Для окончательного решения вопроса свариваемости
необходимо рассмотреть технологическую прочность
сварных соединений.
Технологическая прочность сварных соединений
представляет собой их способность без разрушений вы-
держивать различного рода воздействия, которые могут
возникнуть в процессе сварки, остывания или вылежи-
вания сварных конструкций, под влиянием сварочных
деформаций и напряжений.
Основной критерий технологической прочности свар-
ных соединений, определяющий эксплуатационную их
надежность — сопротивляемость образованию горячих
84
Рис. 5.10. Зависимость пластич-
ности металла от температуры
ТРЕГ4Ш1А
Рис. 5.11. Механизм образова-
ния горячен трещины в стыко-
вом шве
и холодных трещин. К горячим относятся трещины, об-
разующиеся в сварном соединении (сварном шве), в
процессе кристаллизации металла после или в процес-
се сварки либо при работе сварных конструкций в усло-
виях высоких температур вследствие вязкопластичных
деформаций. Холодные трещины образуются в сварном
соединении в твердом состоянии, как правило, под влия-
нием фазовых превращений в сталях после окончания
сварки по истечению достаточно продолжительного вре-
мени (до нескольких суток)
Рассмотрим механизм образования горячих трещин.
На рис. 5.10 представлена зависимость пластичности
металла б от температуры. Так при повышении темпе-
ратуры пластичность высокая, однако, при достижении
металлом температуры, при которой начинается оплав-
ление зерен (температура солидуса Тс) пластичность
резко падает, достигая при этом 0,1...0,5 % первона-
чальной. Низкий уровень пластичности сохраняется
вплоть до достижения температуры плавления (точка
ликвидуса Т„). Интервал температур между точками
солидуса и ликвидуса, для которого пластичность нахо-
дится на низком уровне, называется температурным ин-
тервалом хрупкости (ТИХ). Явление ТИХ характерно
как для процесса плавления, так и процесса кристалли-
зации при охлаждении сварного соединения (шва)
в процессе сварки. Поэтому, если в процессе сварки на
сварное соединение действуют усилия, приводящие к
85
деформации удлинения (в первую очередь температур-
ные) и превышающие уровень пластичности, то в свар-
ном шве или вблизи линии сплавления могут образовы-
ваться продольные или поперечные горячие трещины.
На рис. 5.11 показана схема, объясняющая механизм
образования горячей трещины в стыковом шве. При
сварке встык двух достаточно узких пластин происходит
температурная деформация значительной величины,
пластины изгибаются в разные стороны, зазор между
ними увеличивается, рядом со сварочной ванной (уча-
сток 1) создается значительное удлинение металла,
в результате чего в шве образовывается продольная
горячая трещина.
Чем меньше пластичность металла в температурном
интервале хрупкости, чем шире этот интервал и чем
больше скорость изменения деформации от температу-
ры, тем больше вероятность образования горячих тре-
щин.
Поскольку величина ТИХ и степень снижения плас-
тичности в нем для каждого металла свои, образование
горячих трещин в конечном итоге зависит от состава
и свойств основного металла и металла шва, а также
от конструктивных особенностей сварного соединения
и выбранной технологии сварки, включая сборочно-сва-
рочные приспособления и оснастку. Для повышения
технологической прочности сварных соединений путем
уменьшения возможности образования горячих трещин
необходимо повысить пластичность металла в темпера-
турном интервале хрупкости, уменьшить ширину этого
интервала, а также исключить или уменьшить до мини-
мума деформации металла сварного соединения в вы-
соко температурной области. Для этого необходимо:
правильно подобрать присадочный металл; улучшить
по возможности качество и свойство основного метал-
ла, в необходимых случаях заменить его; избегать при
проектировании пересечения швов или их параллель-
ности на близком расстоянии; применять приспособле-
ния и оснастку, уменьшающие деформации при сварке,
и т. д.
Механизм образования холодных трещин достаточ-
но сложен, на возникновение холодных трещин влияет
много внутренних и внешних факторов. Наиболее часто
холодные трещины возникают в сварных конструкциях
из легированных сталей, склонных к закалке. В этом
86
случае в сварном соединении в процессе сварки могут
образовываться зоны полной или частичной закалки,
а наличие в соединении остаточных сварочных напряже-
ний может привести к образованию холодных трещин.
Холодные трещины возникают на участке зарождения
размером в пределах нескольких зерен металла, причем
разрушение происходит по границам зерен и иосит
хрупкий характер. Далее, на участке распространения
трещины развитие разрушения может сопровождаться
пластической деформацией.
Причины появления холодных трещин в сварных со-
единениях достаточно разнообразны. Основные из них:
закалочные напряжения, возникающие при увеличе-
нии объема металла при мартенситном превращении
аустенита;
образование участков зарождения трещин в местах
концентрации примесей на границах аустенитных зерен
при нагреве, при сварке, в присутствии водорода;
скопление неметаллических включений в околошов-
ных зонах при полосчатой структуре сталей.
Перечисленные причины характерны в основном для
среднелегироваииых сталей мартенситного, ферритного,
перлитного и перлитоферритного классов. К факторам,
способствующим возникновению холодных трещин, сле-
дует отнести наличие водорода в металле сварного
соединения, а также присутствие растягивающих напря-
жений. Поскольку образование холодных трещин проис-
ходит при пониженных напряжениях, сварочные напря-
жения могут привести к их возникновению.
Для металлов, склонных к холодным трещинам при
сварке, сопротивляемость их возникновению возрастает
со временем, а также при нагреве и охлаждении. Охла-
ждение до температур — 70 °C или нагрев до 200...
300 °C полностью исключают возможность появления
трещин, а нагрев до 1ОО...15О°С существенно ослабляет
склонность к трещинообразованию.
В зависимости от конкретных условий холодные
трещины могут образовываться в сварном шве, окоЛо-
шовиой зоне, зонах термического влияния и сплавле-
ния. Они могут быть продольными и поперечными, вхо-
дящими иа поверхность соединения, и внутренними.
Для предупреждения появления холодных трещин не-
обходимо осуществить тщательный выбор основного
и сварочных материалов, разработать рациональный
87
режим сварки термической обработки, включая предва-
рительный, сопутствующий и последующий подогрев
сварного соединения.
Для определения склонности металлов и сварных со-
единений к образованию горячих и холодных трещин
существует целый ряд методов механических испыта-
ний на специальных образцах, имитирующих условия,
при которых осуществляется сварка, или провоцирую-
щих условия возникновения трещин. Вместе с тем суч
шествует методика предварительной оценки склонности
металла к образованию трещин. В этом случае техноло-
гическая прочность сварного соединения, точнее — ос-
новного металла, предварительно оценивается по
химическому составу, путем определения эквивалента уг-
лерода — Сэ. Для подсчета величины эквивалента уг-
лерода существует несколько методов (формул), в част-
ности:
сэ = С + Мп/20 + Ni/15 I- (Сг -|- Mo + VJ/1O.
Таким образом, в формулу для подсчета эквивален-
та углерода входит химический состав металла (стали),
а точнее — процентное содержание легирующих элемен-
тов. При наличии в стали титана и ниобия их рассмат-
ривают при подсчете Сэ как аналоги ванадия. Анало-
гичную формулу предлагает Международный институт
сварки (МИС):
Со = С 4- Мп/6 -ь (С -ь Мо V)/5 (Ni 4- Сг)/15.
Стали, у которых Сэ=0,2...0,35 %, хорошо сварива-
ются при Сэ=0,45...0,5 %, допускают сварку без подо-
грева при толщине свариваемых элементов до 10 мм.
При более высоком содержании Сэ необходима различ-
ная степень подогрева или сварка вообще невозможна.
Нетрудно заметить, что возможен случай, когда сталь
одной и той же марки будет иметь различную техноло-
гическую прочность, так как содержание элементов
в различных плавках может отличаться неоднозначной
рекомендацией стандартов. В табл. 5.5 приведены зна-
чения Сэ для некоторых марок стали.
Как следует из приведенных данных, в зависимости
от химического состава сталь может иметь удовлетво-
рительную сопротивляемость горячим и холодным тре-
щинам при содержании углерода и легирующих приме-
сей на нижнем пределе и практически не сваривается
при их содержании на верхнем пределе. Величина экви-
88
5.5. Эквивалент углерода для некоторых низколегированных
сталей, %
Марка стали Максимальны Л Минимальный
09Г2, 1СГ2С 0,26 0,14
14Г, 15Г 0,28 0,18
10ХСНД 0,3 0,18
14Г2 0,31 0,21
20Г, 14ХГС 0,34 0,22
15ХСНД 0,36 0,22
Примечание. Максимальное значение Са соответствует содержанию
углерода п легирующих элементов па верхнем пределе, минимальное — на
нижнем пределе.
валента углерода стали 1612АФ, применяемой для из-
готовления ответственных строительных металлоконст-
рукций, 0,48 % при содержании элементов иа нижнем
пределе и 0,59 % — на верхнем (при расчете по форму-
ле МИС), т. е. в первом случае эта сталь сваривается
при соблюдении специальных технологических приемов,
включая предварительный и сопутствующий подогрев.
Во втором случае сварка конструкций из этой стали
чрезвычайно затруднена, а в монтажных условиях прак-
тически невозможна. Применение этой стали для кожу-
ха доменной печи объемом 5400 м3 в г. Череповце стало
возможным после улучшения ее качеств путем электро-
шлакового переплава. Холодные трещины, образующие-
ся при сварке стали 1612АФ, сделали невозможным ее
применение при изготовлении сферических резервуаров,
работающих под давлением.
§ 11. Конструктивная прочность
сварных соединений.
Сварочные напряжения и деформации
Конструктивной прочностью называют способность
конструкции сопротивляться наступлению тех предель-
ных состояний, от которых зависят ее служебные свой-
ства, ее назначение. Таким образом конструктивная
прочность представляет собой сложное взаимодействие
свойств материалов, входящих в состав конструкции,
и свойств самой конструкции (статическая прочность,
.усталостная прочность, хладостойкость, сопротивление
89
ползучести, технологическая прочность, коррозионная
стойкость и т. д.), а также условий работы конструкции,
определяемых так называемыми внешними факторами
(характер и величина нагрузок, характер и величина
напряжений, температура и время эксплуатации и т. д.).
Способность конструкций сопротивляться наступлению
предельных состояний называется ее несущей способ-
ностью.
Учесть с достаточной точностью степень влияния
каждого из множества факторов, перечисленных выше,
на несущую способность конкретной конструкции прак-
тически не представляется возможным. Поэтому на
практике в расчетах принимают лишь главные из них,
вследствие чего вводится понятие — расчетная проч-
ность — способность конструкции сопротивляться на-
ступлению тех предельных состояний, от которых зави-
сят ее служебные свойства, определенная расчетным
путем на основе экспериментальных характеристик ма-
териала и теоретического аппарата. Очевидно, что рас-
четная прочность не совпадает с конструкционной по
ряду причин, основными из которых являются:
1. Состояние науки о прочности не позволяет учи-
тывать одновременное действие многих факторов, по-
этому расчеты производят по главному фактору (пре-
дельное состояние наступления текучести илн потеря
устойчивости или хладостойкость и т. д.).
2. Исключение из расчета слабо изученных факторов
(например, влияние дефектов), которые в реальных ус-
ловиях работы конструкций могут иметь доминирую-
щее значение.
3. Неправильным выбор предельных состояний п
критериев для оценки прочности конструкции и проведе-
ния расчетов (например, назначение критериев механи-
ческой прочности без учета концентрации напряжений,
использование только силовых критериев без учета де-
формационных и т. д.).
4. Трудно учесть заранее вероятность появления де-
фектов, их величины и характера распределения, также
иногда фактически невозможно выявить все дефекты,
применяй существующие методы и способы контроля
качества сварных соединений.
Одной из важных задач, имеющих не только техни-
ческое, но и экономическое значение, является сближе-
ние расчетной и конструктивной прочности, определение
90
степени надежности сварных конструкций. Решение
этой задачи позволит уменьшить вес и габариты (раз-
меры) конструкций, сэкономить материалы, в частности
металл, удешевить производство. Для достижения бо-
лее точного совпадения расчетной и конструкционной
прочности необходимо выполнить ряд условий при про-
ектировании и изготовлении сварных конструкций. Не-
обходимо совершенствовать определение и выбор нор-
мативов для расчета, обеспечивать правильный выбор
предельных состояний и показателей с максимально
возможным учетом большинства дополнительных фак-
торов, позволяющих более точно отобразить реальное
состояние конструкции в условиях эксплуатации. Пер-
спективным в этом отношении является применение ве-
роятностных методов расчета, позволяющих определить
надежность сварных конструкций, т. е. вероятность вы-
полнения ими заданных функций в течение требуемого
периода времени.
На стадии проектирования следует принимать такие
конструктивные решения форм и узлов, которые позво-
лили бы более точно учесть все факторы, влияющие иа
прочность. Большое значение имеет также разработка
оптимальной технологии изготовления конструкций, поз-
воляющей с помощью различных приемов устранить
влияние тех факторов, которые трудно или невозможно
учесть расчетом. К таким факторам относятся введение
термической обработки, снимающей остаточные напря-
жения, применение оснастки, исключающей или снижа-
ющей остаточные деформации, 100 %-ный контроль
сварных швов.
К факторам, влияющим на конструктивную прочность
и несущую способность сварных конструкций, относятся
собственные напряжения при сварке и деформации,
в том числе остаточные, из-за которых конструкцию без
переделки нельзя использовать. В отдельных случаях
эти деформации могут привести к аварии.
Собственными называют напряжения, которые су-
ществуют в конструкции или элементе при отсутствии
приложенных к ним поверхностных или объемных сил.
Собственные напряжения возникают вследствие различ-
ных видов деформации металла — температурных, по-
являющихся при изменении температуры, или вследст-
вие структурных превращений, визуальных, характери-
зующихся изменениями размеров тела — линейных и уг-
91
ловых и внутренних (упругих и пластических). Величи-
на наблюдаемых деформаций равна сумме температур-
ных и внутренних.
На рис. 5.12 представлена классификация собствен-
ных напряжений. Собственные напряжения в зависимо-
сти от объема взаимно уравновешенных частиц тела
подразделяют на напряжения I рода, которые уравно-
вешиваются в макрообъемах (сварное соединение, свар-
ной шов), II рода — уравновешиваются в пределах зе-
рен металла и III рода—в пределах кристаллической
решетки. Собственные напряжения в сварных соедине-
ниях относятся к напряжениям I рода.
В зависимости от характера напряженного состоя-
ния собственные напряжения могут быть одноосными
или линейными, двухосными или плоскостными, трех-
осными или объемными. Образование в сварных соеди-
нениях того или другого вида напряжений зависит от
характера нагрузки и толщины свариваемого металла.
По продолжительности существования собственные
напряжения бывают временные, которые существуют
в период выполнения процесса сварки термической об-
работки (технологического процесса), и остаточные, со-
храняющиеся устойчиво в течение длительного периода
после окончания процесса производства.
Причинами возникновения собственных напряжений
могут быть либо механическое или пластическое дефор-
мирование при сборке, правке и монтаже, либо упру-
гие и пластические деформации вследствие неравномер-
ного нагрева при сварке или термообработке, либо
структурные и фазовые превращения, сопровождаю-
щиеся неравномерным изменением объема.
Рассмотрим процесс образования собственных на-
пряжений в стержне с жестко заделанными концами
иод воздействием температуры — случай, наиболее ха-
рактерный для сварных соединений. Известно, что на
теплофизические (табл. 5.6) и механические свойства
(рис. 5.13) металлов влияют изменения температуры.
Представим материал стержня, как идеальный упру-
гопластичный (рис. 5.14, а), в этом случае диаграмма
растяжения может быть описана двумя характеристи-
ками — модулем упругости Е и пределом текучести от,
т. е. ет=от/£-
Построим диаграмму изменения напряжений в стер-
жне (рис. 5.14,6, в). Напряжения' растяжения будем
92
Рис. 5.12. Классификация собственных напряжений
5.6. Теплофизические свойства некоторых металлов
Материал а. 1.10'. К~' тср. °C. для X- СУ- о Вт.'(М-К)
Нчзкоуглеродистые стали Низколегированные стали Аустенитные хромоникеле- вые стали Алюминий Технический титан 12... 16 16,5...17* 16...20 23...27 8,5 500...600 600 300 700 38...42 25...33 270 17
Продолжение табл. 5.6
Материал су. МДж/(№!<) а. см’/с
Низкоутлероднстые стали 4,9...5,2 0,075...0.09
Низколегированные стали Аустенитные хромоиикеле- 4,4...4,8 0,053...0.07
вые стали Алюминий 2,7 1
Технический титан 2,8 0,06
* Средний коэффициент лннеЛпого расширения а
тур 0...I000 °C, при определении которого исключено
вследствие структурного превращения.
в диапазоне темпера-
сокращенне металла
считать положительными, а сжатия — отрицательными,
деформации удлинения откладывать вправо, укороче-
ния — влево. Кроме того, примем, что модуль упругости
изменяется с температурой в соответствии с графиком
(рис. 5.13, а), а предел текучести — с кривой 2 (рис.
5.13, б). Примем
®и ®упр ®ПЛ »
где €„ — наблюдаемая линейная деформация; е>Лр — виутреиияя уп-
ругая деформация; епл—внутренняя пластическая деформация;
е.—температурная деформация, а также, что напряжение 0=
£вупр.
Так как в закрепленном по концам стержне (рис.
5.14,6) наблюдаемая деформация ен равна нулю, то
полная собственная деформация
® = ®уар “Ь епл = ®а •
При нагреве температурная деформация положитель-
на, поэтому е=еУпр+епл<0 и кривая напряжений из
84
Рис. 5.13. Зависимость механических свойств от температуры
а — модулеЛ упругости £ и коэффициента Пуансона низколегированных ста-
лей: б — предела текучести; I — ннэкоуглсроднетой стал»; 2 — титанового
сплава
Рис. 5.14. Образование напряжении в стержне с жесткозадсланвымн
копнами
а — диаграмма растяжения идеально упругого материала; б — схема нагружс*
ипя стержня; о — схема образования напряжений
95
точки 0 (рас. 5.И, в) идет вниз влево. В дальнейшем счи-
таем. что коэффициент линейного расширения в диапа-
зоне температур до 600 °C остается неизменным и рав-
ным 12-lO-^’C-1 (табл. 5.6), а модуль упругости Е
и предел текучести от изменяются при изменении темпе-
ратуры соответственно рис. 5.13,а,б. На участке ДО
(рис. 5.14, в) пластических деформаций пет, в точке А
напряжение достигает предела текучести при температу-
ре около 100°. При дальнейшем повышении температуры
до 500 °C (участок АВ на диаграмме) полная деформа-
ция е=—еа возрастает, напряжение от снижается, оста-
ваясь равным пределу текучести пт, который с повыше-
нием температуры падает (см. рис. 5.13, б).
В точке В в стержне имеются пластические деформа-
ции, равные:
8плВ = 8аВ 8упрВ» где 8упрВ ~ °тВ^В •
В свою очередь, о и Ев — предел текучести и модуль
упругости при температуре в точке В.
При снижении температуры пластические деформа-
ции, соответствующие точке В, станут играть роль на-
чальных деформаций стоил- Наблюдаемая деформация по-
прежнему равна нулю, поэтому
еуир + Депл 6а 8опл 8‘
На участке ВС напряжения меняют знак, однако при-
рост пластической деформации Д<упл=О, пока полная де-
формация е<от/Е, т. е. пока температура соответствует
температуре в точке С. В дальнейшем, вплоть до полно-
го охлаждения (точка) напряжения будут равны преде-
лу текучести, который меняется с изменением темпера-
туры (рис. 15.13,6). После полного остывания темпера1
турная деформация станет равной нулю, а остаточная
пластическая деформация будет равна алгебраической
сумме пластической деформации, возникшей при нагре-
ве, п приросте деформации, образовавшегося при остыва-
нии. Так как еа=0,
80пл + ДеплД =— 8упрД =~ °тд/^д ,
т. е. остаточная деформация отрицательная, остаточные
собственные напряжения — сжимающие. Если стержень
освободить от защемления, то его длина укоротится на
величину (ьд/Ед.
Распределение собственных напряжений в сварных
66
соединениях весьма многообразно и трудно поддается
регламентации и четкой классификации. Поля распреде-
ления напряжений изменчивы и зависят от большого чис-
ла факторов. Более или менее стабильный характер име-
ют остаточные собственные напряжения вдоль швов,
в первую очередь, стыковых. На рис. 5.15 показан харак-
тер распределения остаточных напряжений и однопро-
ходных сварных соединениях различных сталей с исполь-
зованием различных сварочных материалов. Распределе-
ние остаточных напряжений ох вблизи стыкового шва из
низкоуглеродистой стали СтЗ толщиной 8 мм приведено
на рис. 15.5, а. Вблизи шва — растягивающие остаточ-
ные напряжения, которые соответствуют пределу текуче-
сти. Рис. 15.5, б представляет собой распределение оста-
точных напряжений в сварном соединении из сред-
нелегироваииой стали, причем присадочный металл
соответствует химическому составу основного. В этом
случае шов и околошовная зона подвергались при нагре-
ве и охлаждении структурным превращениям, которые
и сопровождались значительным удлинением металла
и завершились при сравнительно низкой температуре,
поэтому в шве и околошовной зоне возникли напряжения
сжатия. Несколько иная картина, если эту же сталь сва-
ривают аустенитными электродами и наплавленный ме-
талл не претерпевает структурных превращений. В этом
случае структурные превращения имеют место только
в околошовной зоне, где и возникают остаточные напря-
жения сжатия — рис. 15.5, в, а растягивающие напряже-
ния — в сварном шве.
В сварных швах большой толщины, выполненных мно-
гослойной дуговой или электрошлаковой сваркой, возни-
кают сложные объемные остаточные напряжения. При
многослойной сварке каждый очередной слой вызывает
поперечную усадку и изгиб заваренной части, в резуль-
тате чего, если сваривается жесткая конструкция, в кор-
не шва могут появиться сжимающие напряжения, по ве-
личине превышающие предел текучести, а на поверхно-
сти — растягивающие, равные примерно его половине.
Рассмотрим деформации конструкций, вызванные
сваркой и сопровождающиеся искажением размеров
и формы элементов конструкции. Перемещения, которые
происходят в конструкции в процессе сварки, зависят
в первую очередь от конструктивных решений, принятых
при проектировании, от технологии и режимов сварки.
97
Рис. 5.15. Характер распределения остаточных напряжений в стыко-
вых сварных соединениях
а — янэкоуглсроднстая сталь: б — среднслегнрованная сталь; е — то же, сва-
ренная аустенитными электродами
определяющих тепловые процессы, происходящие в кон-
струкции. Расчет деформаций в сварных конструкциях
производят в два этапа, на первом — находят деформа-
ции и перемещения в зоне сварных соединений, а на вто-
ром — перемещения в конструкции на основе методов,
принятых в сопротивлении материалов.
При всем многообразии перемещений, встречающих-
ся на практике в сварных конструкциях, их первопричи-
ной является несколько видов деформаций и перемеще-
ний в зоне сварных соединений. К ним относятся:
1. Продольные остаточные деформации, создающие
усадочную силу. Возвращаясь к рассмотренному выше
примеру об образовании в стержне с защемленными кон-
цами остаточных напряжений и деформаций при нагреве
и охлаждении, можно полагать, что в зонах сварного со-
единения, прилегающих к сварному шву и претерпеваю-
щих пластические деформации, появятся остаточные
пластические деформации укорочения (отрицательные
деформации). Напряжения сжатия, возникающие в свар-
ном соединении, можно уравновесить силой, которая на-
зывается фиктивной усадочной силой Рус. На рис. 5.16,
а, б приведена схема образования деформации усадки
и приложения усадочной силы к сваренным пластинам.
РУс вызывает по всей ширине сварного соединения
равномерное сжатие <Тсж=Рус/2В$, где $ — толщина сва-
риваемых пластин. Для расчетов деформаций при сварке
конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных
98
сталей с пределом текучести до 300 МПа при дуговой
сварке стыковых, тавровых и нахлесточных соединений
элементов с большой площадью поперечного сечения
(большой жесткостью) за один проход может быть ис-
пользована эмпирическая формула
230000?
yCJK~fl>+ 12600ц. ’
где Рус.ж — усадочная сила в соединении большой жесткости, нью-
тон; g—эффективная мощность, Дж/с; vc — скорость сваркн, см/с;
?о = 9/ос5расч — удельная погонная энергия сварки, Дж/см1; «Р»сч —
расчетная толщина свариваемых элементов, см; Sp«4=0I5(sl-|-S2),
в стыковых или угловых соединениях элементов толщиной Si и sj,
Sp»c4=0,5(2$o+sc) в тавровом нлн нахлесточном соединении, здесь
ал и зс — толщина соответственно полки н стенки.
По приведенной формуле можно производить расчеты
при эффективности мощности </о=4ООО...38 000 Дж/см2.
Определив Рус. нетрудно вычислить укорочение пла-
стины (см. рис. 5.16):
Дир =
Рус 1-9
2В$Е *
Равномерные по толщине свариваемого элемента по-
перечные остаточные пластические деформации, которые
в совокупности дают поперечную усадку ДПоп- В зависи-
мости от принятой технологии и режимов сварки ДПоП
69
Рис. 5.17. Угловые перемещения при сварке различных соединений
а — стыкового: б — нахлесточного; в — таврового; г — зависимость углового
перемещения от провара
принимают разные значения в соответствии со следую-
шей формулой:
Anon=A7tfh’
где Л — эмпирический коэффициент, принимающий значения: в слу-
чае элсктродуговой сварки 1...1.2, при электрошлаковой—1,6. Ос-
тальные составляющие — из табл. 5.6.
Для определения поперечной усадки в нахлесточных
и тавровых соединениях эффективная мощность прибли-
женно
“ 2sn+sP '
где 9л —эффективная мощность, вводимая в лист толщиной $л, к ко-
торому приваривают другой лист толщиной sP; q—полная эффек-
тивная мощность источника нагрева.
3. Неравномерные по толщине поперечные пластиче-
ские деформации образуют угловое перемещение в зоне
сварного соединения.
На рис. 5.17 показаны возможные угловые перемеще-
ния при электродуговой сварке различных типов соеди-
нений. Перемещения зависят от провара (рис.-5.17; г).
Для таврового соединения, представленного на рис.
5.17,-в, в случае, если катет швов равен или менее поло-
100
Рис. 5.18. Образование грибовидное™ при сварке таврового сосди
нения
Рис. 5.19. Перемещения при сварке пластин встык с зазором
випы толщины полки тавра, суммарное угловое переме-
щение (радиан)
р = 0,1(——0.1Y
\ sn /
4. При перемещении в зоне шва в направлении пер-
пендикуляра к поверхности свариваемых листов, в ре-
зультате чего последние образуют смещение Дг. Дефор-
мация таврового соединения, как показано на рис. 5.13,
носит название «грибовидности». Деформация тем боль-
ше, чем больше толщина полки тавра и катет сварного
шва.
При сварке стыковых соединений (рис. 5.19) с зазо-
ром одновременно образуется несколько видов переме-
щений. От неравномерного нагрева свариваемых пластин
по их ширине, пластины изгибаются с раскрытием зазо-
ра (пунктирная линия иа рисунке). Остывание металла
в зоне уже сваренного шва приводит к образованию пе-
ремещений в поперечном направлении, к сближению и по-
вороту пластин, который стремится закрыть зазор. Кро-
ме указанных перемещений могут возникнуть деформа-
ции, вызванные изменением объема металла при его
структурных превращениях. Их действие и величину труд-
но бывает рассчитать заранее.
Характерными являются перемещения, возникающие
101
Рис. 5.20. Перемещения при сварке продольных швов тавра
а — тавр до сварки; 6 — тавр после сваркн
при сварке балочных конструкций, имеющих, несмотря
иа различное назначение, общие особенности: относи-
тельно большая длина по сравнению с высотой и шири-
ной, преимущественно тавровые швы — большой протя-
женности поясные и короткие, прикрепляющие ребра
жесткости и диафрагмы. На рис. 5.20 приведены харак-
терные перемещения, происходящие при сварке продоль-
ных швов тавра. После окончания сваркн в тавре возни-
кает усадочная сила Рус, которая, во-первых, создает уко-
рочение балки, и, во-вторых, образует момент на плече
et относительно центра тяжести поперечного сечения
тавра. Момент вызывает изгиб тавра. В результате воз-
никают следующие деформации:
прогиб
ЛШ __ РусегР
6EI ~ 6EI 1
угловой поворот концов
V = ML/E1;
продольное ускорение
_ PycL
лпр- EF ,
где — расстояние от шва до центра тяжести сечения; L — длина
тавра; 1 — момент инерции тавра относительно оси /; F — площадь
поперечного сечения тавра.
102
При проектировании, изготовлении, транспортировке,
монтаже и эксплуатации сварных конструкций необходи-
мо учитывать нежелательные последствия, к которым
в соответствующих условиях могут привести сварочные
напряжения, перемещения и деформации. К ним можно
отнести, например, искажение точных форм и размеров
конструкций, потерю товарного внешнего вида, в резуль-
тате чего необходимо применять дополнительные опера-
ции правки, которые приводят к непроизводительным по-
терям и удорожанию конструкций.
Более серьезное последствие — снижение технологи-
ческой прочности, при которой в сварных соединениях
под воздействием растягивающих сварочных напряжений
появляются горячие или холодные трещины. В опреде-
ленных условиях может возникнуть снижение статиче-
ской прочности или потеря устойчивости сварной конст-
рукции, что, в свою очередь, может привести к ее разру-
шению. Для конструкций, работающих в среде
с повышенной агрессивностью, в случае растягивающих
остаточных напряжений, возникает вероятность появле-
ния коррозионного растрескивания или усиления корро-
зионных процессов.
Таким образом, в целях повышения прочности и рабо-
тоспособности сварных конструкций, а также соблюдения
их формы и размеров, необходимо иа стадиях проекти-
рования, изготовления и монтажа этих конструкций при-
нимать меры, направленные на максимальное уменьше-
ние влияния сварочных напряжений, деформаций или на
исключение возможности их появления.
Методы, применяемые в этих целях при проектирова-
нии конструкций, подробно изложены в гл. 6, а при изго-
товлении и монтаже — в курсе «Организация и произ-
водство сварочно-монтажных работ», одиако здесь необ-
ходимо сформулировать основные положения. Необходи-
мо уменьшить объем наплавленного металла и тепло-
вложение в сварной шов, что позволит максимально
уменьшить пластические деформации. Сварные швы рас-
полагать симметрично друг другу, не допускать по воз-
можности пересечения швов, в особенности стыковых
большой толщины. При разработке технологического
процесса изготовления сварных конструкций предусмат-
ривать рациональную последовательность сборочно-сва-
рочных операций, конструкции приспособлений и оснаст-
ки должны предусматривать возможность осуществлять
103
в процессе сборки под сварку предварительные переме-
щения (деформации обратного знака, например) или
приложение растягивающих продольных нагрузок на
сварной шов. Осуществлять в процессе изготовления
н монтажа конструкций механическую (проковка или
прокатка сварных швов) или термическую обработку,
в частности предварительный и сопутствующий нагрев,
местный (стыки трубопроводов) или общий отпуск свар-
ных конструкций.
На прочность сварных соединений оказывает влияние
наличие и характер дефектов в сварных швах. Дефекты
могут быть: явными (выявляемые визуально), скрытыми
(выявляемые специальными методами контроля), допус-
тимыми, исправимыми и неисправимыми. В случае про-
явления в сварном шве неисправимых дефектов он подле-
жит удалению (вырубке, вырезке). Из наиболее часто
встречающихся дефектов при изготовлении и монтаже
строительных металлоконструкций и трубопроводов к яв-
ным относятся дефекты формы шва (наплывы, натеки,
утяжки), подрезы, прожоги, незаплавленные кратеры.
Скрытые дефекты — поры, шлаковые включения, непро-
вары и трещины. Разные нормативные документы по-раз-
ному квалифицируют отнесение дефектов к допустимым
и исправимым. Так как дефекты в сварных соединениях
приводят к уменьшению прочности и эксплуатационной
надежности, то очевидно, чем больше относительный раз-
мер дефекта (в % от толщины свариваемого металла)
и чем выше коэффициент концентрации напряжений де-
фекта (каждый дефект в сварном шве является концен-
тратором), т. е. чем «острее» форма дефекта, тем более
снижает дефект прочность сварного соединения, проч-
ность конструкции. Во всех нормативных документах
трещины отнесены к недопустимым дефектам. При не-
больших размерах трещин по длине н глубине дефект
может быть исправлен путем засверливания концов тре-
щины, вырубке ее и последующей заварки дефектного
места.
Остальные дефекты относятся к допустимым, если их
величина не превышает установленных нормативами раз-
меров.
Различные дефекты при одинаковых размерах по-раз-
ному влияют на прочность соединений, так поры благо-
даря своим округлым формам менее опасны, чем шлако-
вые включения, так как последние — более активные
104
концентраторы напряжений. Непровары корня шва яв-
ляются тем большими концентраторами, чем меньший
зазор был установлен при сборке стыка, и т. д.
Формализовать зависимость между прочностью со-
единения и характером дефектов в сварном шве не пред-
ставляется возможным, поэтому нормативные докумен-
ты по-разному устанавливают допустимость н нормы от-
браковки дефектов в сварных швах. Во всяком случае
влияние дефектов на прочность усиливается при работе
сварных соединений при переменных нагрузках также
в условиях низких температур.
Контрольные вопросы
1. Какие показатели определяют прочность сварных соединений?
2. Как воздействует процесс сварки на металл сварного соеди-
нения?
3. Дайте характеристику усталостной прочности. От каких фак-
торов она зависит?
4. Что такое свариваемость и как оиа определяется?
5. Характеристика технологической прочности.
6. Способы определения эквивалентного углерода.
7. Конструктивная прочность. От каких факторов оиа зависит?
Глава VI.
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
сварных соединений
§ 12. Расчет сварных соединений,
выполненных дуговыми и электроконтактными
способами сварки
Как уже излагалось в гл. III, в зависимости от назна-
чения и характера сварных конструкций применяют два
принципа их расчета — по предельным состояниям и до-
пускаемым напряжениям. В практике организаций
н предприятий Минмонтажспецстроя СССР используют-
ся оба указанных принципа. Первый — в основном при
расчетах, связанных со Строительными металлическими
конструкциями, второй — на трубопроводах, при расчете
всякого рода оснастки, приспособлений, такелажных
устройств и т. д. Поэтому в настоящей главе при расчете
105
Рис. 6.1. Сварные стыковые швы» работающие на растяжение
а — прямой; б — косой
сварных швов и соединений будут рассмотрены оба прин-
ципа. Основной объем используемых в системе министер-
ства сварных конструкций изготовляют и монтируют из
стального проката труб, и сваривают при помощи дуго-
вых способов сварки, этому обстоятельству подчинено со-
держание настоящей главы.
Сварные стыковые соединения. При про-
ектировании и расчете стыковых швов имеют место два
подхода. В том случае, когда сварные стыковые соеди-
нения выполнены с полным проваром, с использованием
качественных сварочных материалов, причем качество
сварного соединения подтверждено неразрушающими
физическими методами контроля, Строительные Нормы
и Правила не предусматривают проверку прочности
стыковых швов. При этом считается, что при соблюдении
приведенных выше условий расчетные сопротивления
Rwy сварных соединений и расчетные сопротивления Ry
стали свариваемых элементов равны.
В случае неравенства расчетных сопротивлений,т. е.
когда RWy<Ry, необходим расчет стыковых швов с уче-
том напряженного состояния, возникающего в соедине-
нии под воздействием нагрузок.
Прочность прямого стыкового шва, продольная ось ко-
торого направлена перпендикулярно действию (рис.
6.1. а), вызывающему в шве напряжения растяжения илн
сжатия, при расчете по предельному состоянию, прове-
ряют по формуле
N
< Rwy Vci (6.1)
-mln ‘ш
где N — расчетное усилие в соединении; Smm — толщина более тон-
кого нз соединяемых элементов; 1а — расчетная длина шва.
306
Рис. 6.2. Схема работы стыкового шва
а — па чистый изгиб; б — на сложное сопротивление
Расчетную длину шва определяют нз условия, что
в начале процесса сварки и в конце в сварном шве мо-
гут быть дефекты, снижающие его прочность (непрова-
ры, кратеры, поры). Поэтому расчетную длину шва при-
нимают меньше ширины свариваемых элементов на вели-
чину удвоенной минимальной их толщины, т. е. lw=b—
—2Sfnin-
В этом случае, если стыковой шов выводят на специ-
альные планки или соединение кольцевое (например,
трубный стык), расчетная длина равна ширине свари-
ваемых элементов (периметру стыка).
В том случае, когда на стыковое соединение действу-
ет изгибающий момент М (рис. 6.2, а), напряжение
в сварном шве
6Л4
Ош = ~ < Ray Ус, (6-2)
$ I2
min ш
где №и> — момент сопротивления свариваемого сечения; ус — коэф-
фициент условий работы (см. гл. 3).
При одновременном воздействии на стыковое соеди-
нение изгибающего момента М и продольной силы N
101
(рис. 6.2, б) прочность сварного стыкового шва проверя-
ют по формуле
N 6.М
~ |- Rtsyfc’ (6-3)
sinin *u> s , /*
mln ш
Во всех случаях при сварке элементов из стали раз-
ной прочности принимают меньшее значение расчетного
сопротивления, однако с учетом толщин свариваемых
элементов, т. е. при соблюдении принципа равнопроч-
постн.
В определенных условиях возникает необходимость
применять в конструкциях косые стыковые соединения
(рис. 6.1, б). Такие соединения чаще всего используют
в тех случаях, когда длина прямого шва оказывается не-
достаточной, чтобы получить соединение, равнопрочное
основному металлу, а применение усиливающих накла-
док нежелательно вследствие образования концентрации
напряжений (стыковка стенок или полок подкрановых
балок, работающих в условиях циклических нагрузок).
Опираясь на условия, определяемые СНиПом, при свар-
ке качественными электродами с полным проваром шва,
можно определить минимальный угол а, который дает
гарантию равнопрочности. Этот угол при расчете по пре-
дельному состоянию — 67°, т. е. если угол наклона и ко-
сого стыка равен или менее указанной величины, то рас-
чет на прочность такого стыка не производят.
Расчет стыковых соединений по допускаемым напря-
жениям производится следующим образом. При работе
соединения на растяжение определяют допускаемое в нем
усилие
Р ~ (^'IpSinln 1’ (6.4)
где $<r.in — минимальная толщина свариваемых элементов; I — длина
шва, равная ширине свариваемых элементов; (о')р— допускаемое
напряжение растяжения сварного соединения.
Если [<т,]р=[сг]р> то сварной шов равнопрочен основ-
ному металлу. Поверочный расчет производят определе-
нием напряжений в сварном шве и сравнением его с до-
пусками, т. е.
ср = —— < )р. (6.5)
smin *
При работе конструкции, элементы которой выполне-
ны из сталей, претерпевающих структурные изменения
108
Рис. 6.3. К расчету угловых швов
о —схема расчетных сечепнЛ; / — по металлу шва; 2 — по металлу границы
сплавления; б — соединение с двумя расчетными лобовыми швами; в — то же,
с одним швом
при сварке, благодаря чему самым слабым участком
в сварном соединении становится околошовная зона,
расчет па прочность сварного шва заменяют расчетом
прочности ослабленной зоны. В этом случае все исход-
ные для расчетов данные принимаются для свойств ме-
талла в ослабленной зоне. В машиностроении равнопроч-
ность косых стыковых швов принимается при углах на-
клона 45° и менее.
Расчет угловых швов (рис. 6.3). По пре-
дельному состоянию сварные соединения с угловыми
швами (угловые, нахлесточные и тавровые соединения)
рассчитывают по двум сечениям (рис. 6.3, а): по метал-
лу шва и по металлу границы сплавления. В первом слу-
чае расчетное сопротивление Rwf устанавливают в зави-
симости от свойств применяемых сварочных материалов,
во втором — Rwz по прочностным характеристикам ос-
новного металла. Выбор расчетных сопротивлений пре-
следует цель получения равнопрочности сечений, одна-
ко в действительности одно из расчетных сечений будет
неизбежно обладать меньшей прочностью. Именно это
сечение и следует рассматривать при расчете угловых
соединений на срез. В случае расчета по металлу расчет
выполняется в зависимости от временного сопротивления
стали сопрягаемых элементов растяжению Run, норма-
тивного сопротивления металла шва Rwun (табл. 6.1)
и коэффициента Pf (табл. 6.2), который характеризует
собой вид сварки, положение шва и толщину сваривае-
мых деталей.
109
6.1. Нормативные и расчетные сопротивления металла швов
сварных соединений с угловыми швами
Тип электрода по ГОСТ 9467—75 Марк» проволоки по ГОСТ 2246—70* для авто- матизированной и механизированной сварки ^wun > МПа МПа
под флюсом в углекислом газе порошко- вой про* ВОЛ ОКОЙ
Э42, Э42А Св-08 __ 410 180
Св-08А — —
Э46, Э46А СВ-08ГА — — 450 200
Э50, Э50А Св-ЮГА Св-08Г2С ПП-АНЗ 490 215
Св-08Г2СЦ ПП-АН8
Э60 Св- 10НМА Св-08Г2С» — 590 240
Св- 10Г2 Св-08Г2СЦ* —
Э70 Св-08ХН2ГМЮ Св-10ХГ2СМА 685 280
Э85 — — — 835 340
1 Только для uidod с катетом Л/ им в конструкциях из стали с преде-
лом текучести 400 МПа и выше.
В любом случае проверка прочности угловых швов за-
ключается в сравнении напряжений, возникающих под
действием приложенных к сварному соединению усилий,
с соответствующими нормативными расчетными сопро-
тивлениями и коэффициентами условий работы. При
этом сравнивать можно как по напряжениям, возникаю-
щим в металле шва, так и по напряжениям в металле
границы сплавления.
Лобовые швы (рис. 6.3, б, в) достаточно равномерно
передают усилия по ширине соединения, однако в корне
шва образуется значительная концентрация напряжений,
которая тем больше, чем больше разница в толщине сва-
риваемых элементов. Для того, чтобы при расчетах
учесть образующееся в лобовых швах сложное напряжен-
ное состояние, нх вне зависимости от фактической рабо-
ты рассчитывают на условный срез. При действии на ло-
бовые швы продольной или поперечной силы прочность
нх проверяют на условный срез
N
tf = ft"—Г~ < Ruf tuf Yc. (6.6)
пр/ К/ lw
где р/ — коэффициенты, применяемые по табл. 6.2; 1К — расчетная
длина шва, за которую принимается его фактическая длина, умень-
шенная на 10 мм .(по 5 мм на сторону),
ПО
6.2. Значения коэффициентов Р/ и Р=
Вид сварки при диаметре сварочной проволоки d, мм Предел текучести стали. МПа Положенно шва Коэффи- циент Значения коэффициентов при катетах швов, мм
3...8 9...12 14...16 18 н более
Автоматизированная при d=3...5 Автоматизированная и механизиро- ванная при d=l,4...2 До 580 До 580 В лодочку р/ — 1.1 — 0,7
Pz — 1,15 1
Нижнее р/ 1.1 0,9 0,9 0,7
Pz 1,15 1,05 1,05 1
В лодочку р/ 0,9 0,8 0,8 0,7
Рг 1,05 1,05 1 1
Нижнее, гори- зонтальное и вертикальное Р/ 1,05 1,05 0,7 0,7
Pz 1,05 1,05 1 1
Ручная, механизированная проволо- кой сплошного сечения d = l,4 или порошковой проволокой До 580 Любое Р/ 0,7 0,7 0,7 0,7
Pz 1 1 1 1
Ручная, механизированная или авто- матизированная независимо от диа- метра Св. 580 Любое Р/ 0,7 0,7 0,7 0,7
Рг 1 1 1 1 1
Рис. 6.4. Схема рас-
чета угловых фланго-
вых швов
а — соединение полос
фланговыми швами: С —
соединение углового
профиля с полосой
Если концы швов выведены за пределы соединения,
то за расчетную длину принимают полную длину шва;
h — число швов в соединении. Для двухстороннего лобо-
вого шва (рис. 6.3,6) п=2, а для одностороннего (рис.
6.3, о) п = 1.
Используя формулу (6.6), можно выполнить обрат-
ный расчет, т. е.. принимая определенные значения рас-
четных сопротивлений, вычислить величину катета свар-
ных швов или их расчетную длину:
«Р/ lw-Ru’l Уш/Ус
"Р/ к/ Rwf То,/ ус
При использовании в соединениях фланговых швов
происходит концентрация напряжений как по длине швов,
так и по поперечному сечению (рис. 6.4, а). Однако при
расчете фланговых швов коэффициент концентрации не
учитывают, так как при переходе к состоянию пластиче-
ской деформации напряжения в швах выравниваются.
Фланговые, а также комбинированные соединения на
действие продольной или поперечной силы рассчитывают
по формулам (6.6), (6.7) и (6.8). В этом случае в соеди-
нении, содержащем только фланговые швы (рис. 6.4, а, б)
при п=2, а при наличии еще и лобового шва в качестве
расчетной длины швов следует принимать их суммарную
112
Рис. 6.5. Схема расчета угло-
вого шва на действие изгибаю-
щего момента
Рис. 6.6. К расчету угловых
швов — соединение, работаю-
щее на поперечный изгиб
Рис. 6.7. К расчету угловых тавровых швов
а —с раздслкоП кромок и неполным проваром: б —то же без разделки кро-
мок: в — то же с полным проваром двусторонним швом it разделкой кромок:
г —то же с односторонним швом
длину при и = 1. В этом случае применяют принцип неза-
висимости действия сил, т. е. действующую в соединении
силу перераспределяют между лобовыми и фланговыми
швами пропорционально их длинам.
Расчет соединений на действие изгибающего момента
в плоскости расположения швов (рис. 6.5) выполняют
проверочным по металлу шва пли металлу границы
сплавления
М
//х + Ify
V№ -р/ « RWf Уц,/ тс,
(6.9)
где 7/х и //у—моменты инерции расчетного сечения швов относи-
тельно главных осей соединения; у х3+у1 расстояние от центра
тяжести периметра шва до наиболее удаленной точки шва (точка
А): х и у — координаты точки А относительно главных осей соеди-
нений.
113
При действии момента в плоскости, перпендикулярной
плоскости расположения швов, напряжения рассчитыва-
ют по формуле
М
v = (6.10)
где W/— момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва
относительно оси у.
При одновременном действии в сварном нахлесточном
соединении нескольких усилий суммарное напряжение
определяют как сумму векторов напряжений от каждого
усилия. Так, в соединениях, работающих иа поперечный
изгиб (рис. 6.6), расчет сварного шва на прочность про-
изводят по формуле
Ь = V°lf + < % ywl vc. .(6-П)
где Ом/ — напряжение от изгибающего момента M=Ql, направленное
перпендикулярно шву; ти/ — напряжение от поперечной силы Q,
направленное вдоль шва.
Расчет угловых швов тавровых соединений произво-
дят в зависимости от характера провара привариваемого
элемента (рис. 6.7). В том случае, когда обеспечивается
полный провар соединения (рис. 6.7, в, г), толщина швов
равна толщине привариваемого элемента, поэтому расчет
этих швов выполняют так, как стыковые, т. е. проверя-
ют условия прочности по формулам (6.1), (6.2) и (6.3).
В том случае, когда имеет место неполный провар соеди-
нения (рис. 6.7, а, б), расчет производят на срез. В со-
единениях с разделкой кромок, сваренных двухсторонней
сваркой (рис. 6.7, а), с учетом наличия двух швов, расчет
производят по металлу шва
N
(6-12)
и по металлу границы сплавления
N
Л О. (6.13)
где h — глубина разделки кромок, принимаемая в соответствии
с нормативными документами.
Если на тавровое соединение действует растягиваю-
щее усилие, при котором угловые швы работают как ло-
бовые, то проверяется дополнительно прочность основно-
го металла в указанном сечеиии:
114
в случае неполного провара прикрепляемого элемен-
та, приваренного с разделкой кромок двухсторонним
швом (рис. 6.7, а)
N
------------ (6-И)
2 (Л 4- 0,25s) lw
то же, без разделки кромок (рис. 6.7, б)
(6-15)
при полном проваре двухсторонним швом
(6-16)
при полном проваре в соединении с односторонним швом
и разделкой кромок
(6.17)
гле Rth — расчетное сопротивление растяжению в направлении тол-
щины проката; s — толщина привариваемого элемента; lw— полная
длина шва.
Принципы расчета угловых швов по допускаемым на-
пряжениям в машиностроительных конструкциях имеют
ряд особенностей.
Расчетная высота шва зависит от технологического
процесса сварки и характеризуется величиной /С0, где
К — катет шва, если представить сечение шва в виде
прямоугольного треугольника; 0 — коэффициент, учиты-
вающий технологию сварки:
при ручной и многопроходной автоматической и меха-
низированной сварке 0=0,7;
при двух- и трехпроходиой механизированной свар-
ке — 0,8;
при двух- и трехпроходной автоматической и однопро-
ходной механизированной — 0,9;
при однопроходной автоматической — 1,1.
Расчет прочности лобовых швов производится на
срез, причем проверяют прочность по наиболее слабому
сечению шва, за которое принимают плоскость, совпа-
дающую с биссектрисой прямого угла, проходящей че-
рез корневой шов. Практически это сечение совпадает
с сечением 1 (рис. 6.3, а) (по металлу шва).
115
Допускаемое усилие для соединения с одним лобовым
швом (рис. 6.3, в) будет
Р=[т']р/(/, (6.18)
где I — длина швов.
А в случае двух лобовых швов (рис. 6.3, б)
Р = 2 [т'!₽/(/. (6.19)
При расчете фланговых швов расчетное сечение при-
нимается то же, что и для лобовых швов, при этом пред-
полагается, что напряжения вдоль флангового шва рас-
пределяются равномерно. Допускаемое усилие во флан-
говом шве (рис. 6.4, а)
Р = 21т'1₽Я/.
Особенность в расчеты вносит применение в конструк-
ции сварного соединения фасонных профилей проката.
Наиболее часто используют уголковые профили. На
рис. 6.4, в приведено сварное соединение, состоящее из
равнобокого уголка, приваренного фланговыми швами
к косынке из листового металла. В этом случае усилия
в швах Р[ и Р2 будут соотноситься между собой обратно
пропорционально расстояниям от оси уголка до его кро-
мок. Для равнобоких уголков можно принять
Pi/Pg=3/7, т.е. Рфл = Р1 + Р2 = 0,ЗРфЛ + 0,7РфЛ.
В комбинированных швах при расчетах применяют
принцип независимого действия сил, при этом допускае-
мое усилие в комбинированном шве
= + Рфл >
где Рл и Рфл — соответственно допускаемые усилия для лобового
и фланговых швов. Отсюда
Рк = (V) (РК/Л + 2рК(фл). (6.20)
При равенстве катетов лобовых и фланговых швов
Рк = 1г')Р/а, (6.21)
где L — длина периметра швов.
Порядок расчета сварных тавровых соединений зави-
сит от его конструкции и технологии выполнения. Тавро-
вые соединения с неполным проваром (рис. 6.7, а, б) рас-
считывают на срез, а соединения с полным проваром
(рис. 6.7, в, г) — на растяжение, т. е. в первом случае до-
пускаемое усилие
(6.22)
Р = 2[т'] РК1,
116
Рис. 6.8. Тавровые швы, рабо-
тающие на изгиб
fl-c полным проплавленном; б-
с непроваром
Рис. 6.9. Сварные соединения,
обваренные по периметру уг-
ловыми швами
а во втором случае
P = (0'JpsZ, (6.22)
где $ — толщина элемента.
На рис. 6.8 приведены схемы сварных тавровых со-
единений. работающих на изгиб и сложное сопротивле-
ние. В том случае, когда швы выполнены с подготовкой
кромок, обеспечивающих полный провар, расчет произ-
водится как для стыкового соединения (рис. 6.8, а)
<J = M/W + N/F<]c,]p, (6.24)
где W — момент сопротивления сечения; F — плошадь поперечного
сечения привариваемой полосы 1Г*= —.
На рис. 6.8,6 представлен вариант приварки полосы
двумя угловыми швами без подготовки кромок, с остаю-
щимся непроваром. В этом случае расчет производится
из условия, что швы работают на срез,
Т = M/Wc + N/Fc < |т'J. (6.25)
Здесь в отличие от формулы (6.24), момент сопротивления и пло-
117
Рис. 6.11. Точки односрезные
(а) и двухсрезные (6)
Рис. 6.10. Точечное сварное со-
единение
цадь свариваемого сечения рассчитываются по плоскости среза уг-
ловых швов, т. е. a Fc=2pKh.
Сварное соединение, обваренное по периметру угло-
выми швами (рис. 6.9), часто встречается иа практике
при проектировании машиностроительных конструкций
(приварка различных кронштейнов, перекладин, опор
и т. д.). Если такая конструкция работает при сложном
сопротивлении, например, изгибающем моменте М и про-
дольной силе N’, суммарное напряжение в соединении:
_ М г N
т, Лпах । с
*с ~с
(6.26)
где /с — расчетный момент инерции периметра швов относительно
оси х—х, a Fe — расчетная площадь швов FC=₽KL, где L — длина
периметра швов.
Угловые соединения применяют в связующих элемен-
тах и поэтому не подлежат расчету на прочность.
Широкое распространение в машиностроительных кон-
струкциях имеет контактная электрическая сварка —
стыковая, точечная и шовная. Одиако в строительстве
контактная сварка имеет ограниченное применение. Сты-
ковую контактную сварку применяют при изготовлении
арматурных каркасов железобетона, конструкций окоп-
ных переплетов промышленных зданий, при прокладке
магистральных и промысловых трубопроводов. Точечная
сварка перспективна при изготовлении решетчатых ме-
таллоконструкций, конструкций лестниц, обслуживающих
площадок, ограждений, рам небольшого сечения и дру-
гих аналогичных конструкций.
118
На рис. 6.10 представлено смешанное сварное точеч-
ное соединение. В зависимости от направления нагрузки
точечные соединения могут быть продольными, у кото-
рых точки расположены в один ряд вдоль направления
нагрузки; поперечными, у которых ряд точек направлен
перпендикулярно направлению усилий, и смешанными,
многорядными. Основными параметрами точечного свар-
ного соединения являются: d — диаметр точки; t — шаг
точек; t\ — расстояние от центра сварной точки до края
детали в направлении действия силы; fa — расстояние от
центра сварной точки до края детали в направлении, пер-
пендикулярном усилию, действующему на соединение.
Исходный параметр — выбор диаметра точки, кото-
рый зависит от толщины и характера свариваемого ме-
талла. Обычно для иизкоуглеродистых сталей при толщи-
не свариваемого металла 1.5...3 мм рекомендуется d—
= l,2s-|-4 мм, а при толщине свыше 3 мм—d=l,5.$+
+5 мм, где з — наименьшая из свариваемых толщин.
Расчет точечных соединений производят на срез. Рас-
четное напряжение в односрезной (рис. 6.11, а) точке
T = 4P/nd2<[<]; (6.27)
в лвухсрезной (рис. 6.11,6)
t = 2PW < [то]. (6.28)
Расчеты сварных соединений, выполненных из цвет-
ных металлов и сплавов, производятся по тем же фор-
мулам и методам, что и стальные конструкции, приме-
няя, естественно, значения расчетных и допускаемых на-
пряжений для соответствующих сплавов. Наиболее
часто из цветных сплавов в строительных металлокон-
струкциях применяют алюминиевые сплавы. Расчетные
сопротивления в этом случае зависят от вида материала
и способа сварки. При применении контактной точечной
сварки в расчетах используют расчетные усилия на срез
одной точки в зависимости от марки сплава н толщины
наиболее тонкого металла в соединении. Например, для
сплава АМгб толщиной 1 мм расчетное усилие 1 кН; тол-
щиной 2 мм — 2,4 кН; толщиной 3 мм — 4 кН и т. д.
119
§13. Основы конструирования
сварных соединений
Как уже указывалось выше, при проектировании, из-
готовлении и монтаже сварных конструкций должны быть
соблюдены условия, обеспечивающие механическую, тех-
нологическую и конструкционную прочности, высокое
качество, надежность и долговечность конструкций,
а также их товарный вид. Так как основной вид неразъ-
емных соединений в них — сварка, то указанными выше
качественными показателями должны обладать сварные
соединения и швы.
Наряду с потребительскими показателями качества,
обеспечивающими служебные свойства конструкций, до-
статочно важны также технологические качественные
показатели, проявляющиеся при изготовлении и монта-
же конструкций. Они должны обеспечить: возможность
повышения производительности труда на сборочно-сва-
рочиых работах; применение высокопроизводительных
способов сварки, быстродействующих приспособлений
и оснастки; возможность производить сварку преимуще-
ственно в нижнем положении; свободный доступ к мес-
там наложения швов; снижение до минимума отделочных
операций — правки, термической обработки и др.
Ниже приводятся основные правила и требования,
предъявляемые к сварным соединениям.
На стадии проектирования. Основные пред-
посылки высокого качества конструкций закладывают-
ся на стадии разработки проекта. Поэтому конструк-
тор должен учитывать в своей работе целый ряд реко-
мендаций, направленных на повышение прочности кон-
струкций, снижение уровня остаточных напряжений,
уменьшение концентраторов напряжений, сведение к ми-
нимуму остаточных деформаций.
Необходимо стремиться к уменьшению объема метал-
ла, вовлекаемого в пластическую деформацию во время
сварочных процессов. Число и размеры сварных швов
должны быть минимальны. При проектировании сварных
соединений следует выбирать такую технологию сварки,
чтобы избежать разделки кромок, выполнять стыковые
швы по возможности двухсторонними, так как при той
же односторонней сварке количество наплавленного ме-
талла— больше. В то же время, как уменьшение объ-
ема наплавленного металла в стыковых швах не всегда
120
бывает возможно из конструктивных соображений (нель-
зя, например, использовать двухстороннюю сварку сты-
ков труб недостаточно большого диаметра и т. д., сече-
ния угловых швов следует принимать по расчету
на прочность или в соответствии с рекомендациями о ми-
нимальных катетах швов).
С целью снижения массы наплавленного металла
следует также по мере возможности максимально ис-
пользовать в качестве элементов конструкций прокатные
профили, сводя к минимуму применение составных свар-
ных сечений. Число деталей в конструкциях следует так-
же по возможности сокращать, уменьшая тем самым объ-
ем наплавленного металла. Там, где этого не требуется
по условиям прочности, элементы конструкций необходи-
мо приваривать односторонними угловыми швами вмес-
то двухсторонних (например, ребер жесткости в балочных
конструкциях).
Для того чтобы уменьшить вредное влияние остаточ-
ных деформаций и напряжений на работу сварной кон-
струкции, необходимо избегать сосредоточения большого
числа сварных швов в одном месте, не допускать резких
перепадов размеров свариваемых сечений, исключать
ориентацию швов поперек направления действия растя-
гивающих напряжений.
Сварные стыки отдельных элементов нерационально
проектировать с использованием накладок, следует ори-
ентироваться на полное проплавление при двухсторонней
сварке или с использованием подкладок или подварки
корпя шва. В тех случаях, когда применения накладок
невозможно избежать, их выполняют двухсторон-
ними, симметрично располагая относительно оси со-
единения.
Балочные конструкции следует конструировать таким
образом, чтобы моменты, создаваемые усадочными сила-
ми, уравновешивали друг друга, что сводило бы к мини-
муму возможные изгибы балок.
Сварные швы в конструкциях следует размешать та-
ким образом, чтобы передаваемое иа сварное соединение
усилие лежало на оси, проходящей через центр тяжести
соединения. Соблюдение этого условия не дает возмож-
ности возникнуть в соединении дополнительному момен-
ту от эксцентриситета приложения силы.
При сварке стыковых соединений деталей неодинако-
вой толщины стандартами регламентирована наибольшая
121
6.1. Допустимая величина разности толщин стыкуемых деталей,
свариваемых без дополнительного скоса кромок
гост Способ снарк» Толщина тонкого лис- та. мм Максимальная разность толщин, мм
5264 —80 Ручная дуговая До 3 0,7 s
4...8 0,6s
9...11 0,4s
12...25 5
Более 25 7
87 J 3—79* Сварка под флюсом и в за- 2...3 1
14771—76* щитиых газах 4...30 2
Примечание. S — толщина тонкого листа.
разность толщин стыкуемых листов, свариваемых без
дополнительного скоса кромок (табл. 6.1).
В этом случае кромки под сварку подготавливают так
же. как и для листов одинаковой толщины, причем кон-
структивные элементы кромок и размеры шва принима-
ют по наибольшей толщине.
Если разность толщин стыкуемых листов превышает
регламентированную нормативными документами вели-
чину. то на толстом листе выполняют односторонний или
двухсторонний скосы (рис. 6.12). Величина скоса зави-
сит от способа сварки. Для ручной дуговой сварки при
одностороннем скосе L=S\—S2. при двухстороннем L=
=2,5 ($i—S2). Для автоматической и механизированной
сварки под флюсом и в защитных газах соответственно
L=5(Si + S2) и L=2,5(si—$2). Приведенные выше нор-
мы не распространяются иа сварку труб.
Для строительных металлических конструкций
СНиПы устанавливают требования к угловым швам
в сварных соединениях.
Ограничивают максимальную величину катетов угло-
вых швов ^max=l,2smin, где smin — толщина более тон-
кого элемента. В нахлесточных соединениях размер ка-
тета не должен превышать толщины привариваемого
(наиболее тонкого) элемента. В тех случаях, когда угло-
выми швами приваривают прокатный профиль с закруг-
ленными кромками полок, катет шва — не более 0,9 тол-
щины полки.
Вместе с тем регламентируют минимальные размеры
катетов угловых швов, которые приведены в табл. 6.2.
122
Рис. 6.12. Обработка кро-
мок при различной толщи-
не свариваемых элементов
а — одностороиннП скос; б —
двухсторонний скос
6.2. Минимальные катеты угловых швов, мм
Вид сварки Предел теку- чести стали, МПа Толщина Солсе толстого иэ свариваемых элементов» мм
4...5 6...10 II...16 17...22 23...32 33...40
Автоматическая До 430 3 4 5 6 7 8
н механизиро- ванная 430...580 4 5 6 7 8 9
Ручная дуговая До 430 4 5 6 7 8 9
430.. .580 5 6 7 8 9 10
Примечание. В конструкциях с пределом текучести более 580 МПа
или толщпиоП металла более 80 мм, минимальные катеты швов принимают
по специальным техническим условиям.
В местах зажигания и обрыва дуги механические
свойства швов ухудшаются, поэтому устанавливают ми-
нимальную их длину. Для лобовых и фланговых швов
минимальная расчетная длина /min=4ftf, но не менее
40 мм. Максимальную расчетную длину угловых швов,
в которых усилие действует на всем протяжении шва,
обычно не ограничивают. Напуск в соединениях вна-
хлестку, т. е. расстояние между лобовыми швами (вели-
чина с иа рис. 6.3, в), должен быть не менее c=5smin.
На рис. 6.13 приведены возможные очертания угло-
вых швов. Допустимые выпуклости (рис. 6.13, б) и вогну-
тости (рис. 6.13, в) регламентированы стандартами и за-
висят от способа сварки и пространственного положения
шва. Для ручной дуговой сварки металлоконструкций
и технологических трубопроводов выпуклость для швов,
выполненных в ннжнем пространственном положении, не
123
Рис. 6.13. Очертания угловых швов
« — нормальные: б — выпуклые; о — вогнутые; г—е отношением катетов I : 1.5:
О — то же с 1 : 2
должна превышать 2 мм, а для других пространственных
положений — 3 мм. В случае применения сварки под
флюсом допускаемая выпуклость зависит также и от ка-
тета: при катете до 5 мм выпуклость — до 1 мм, при ка-
тете 5... 10 мм — 2 мм и при катете более 10 мм — до 3 мм.
Для сварки в защитных газах допустимая выпуклость
для всех случаев равна 0,ЗЛ, ио не более 3 мм. Допускае-
мая вогнутость для всех способов сварки, всех простран-
ственных положений не должна превышать 3 мм.
Соотношения размеров катетов обычно принимают
1 : 1. Однако в конструкциях, работающих в условиях ди-
намических нагрузок, допускают применять швы с соот-
ношением катетов 1 :1,5. При этом больший катет распо-
лагают вдоль передаваемого швом усилия, но при рас-
чете принимают во внимание меньший катет. Угловые
швы с вогнутостью применяют в конструкциях, подвер-
женных динамическим нагрузкам с целью уменьшить
концентрацию напряжений.
Площадь поперечного сечения и погонная энергия при
однопроходной сварке, а также усадочная сила и попе-
речная усадка обратно пропорциональны квадрату катета
свариваемого шва. Поэтому при ручной дуговой сварке
за одни проход выполняют шов с катетом, не превышаю-
щим 8 мм. В случае большей толщины следует применять
многопроходную сварку. Максимально допустимая вели-
чина катетов угловых швов 20 мм.
При применении прерывистых швов следует учиты-
вать, что расстояние между соседними концами участков
124
прерывистого шва не должно превышать 185т|Пдля сжа-
тых и 24smm для растянутых элементов.
Общие требования к проектированию сварных соеди-
нений машиностроительных конструкций остаются
в принципе такими же, как и для строительных, однако
имеются и некоторые особенности. Наименьшая толщина
рабочих угловых швов в машиностроительных конструк-
циях 3 мм, за исключением случаев, в которых толщина
свариваемого металла меньше этой величины. ХЪт'я верх-
ний предел катетов угловых швов не ограничен, приме-
нение катетов свыше 20 мм не рекомендуется.
Минимальная длина рабочих угловых швов ограни-
чивается 30 мм, а расстояние -с-, между лобовыми шва-
ми должно быть не менее c±4s. С учетом концентрации
напряжений расчетная длина фланговых швов должна
быть не менее 50к, где к — катет шва.
На стадии изготовления также должен осу-
ществляться ряд мер, направленных на соблюдение
условий, изложенных в начале § 13.
Способы сварки должны использоваться с минималь-
ными тепловложениями. При этом контактная сварка
имеет преимуществ перед дуговой, автоматизированная
сварка под флюсом — перед ручной, многопроходная ду-
говая сварка перед однопроходной и т. д. Одновременно
следует учитывать структурные изменения, происходящие
в металле соединения при сварке и последующем охлаж-
дении, и не превышать допустимые скорости охлаждения
металла.
Технология сборочно-сварочных операций должна
быть разработана таким образом, чтобы при сварке швов
моменты инерции и площади поперечных сечений сва-
риваемых элементов были бы по возможности максималь-
ными. Этим достигается минимальная деформативиость
конструкции при сварке. Из этого же следует вывод о це-
лесообразности сборки всей конструкции (по возможно-
сти) на прихватках с последующей сваркой.
В тех случаях, когда позволяет характер конструкции,
следует обеспечивать возможность свободного сокраще-
ния элементов при усадке после сварки. Цель этого ме-
роприятия — давая возможность образования местных
перемещений предохранить от деформаций всю конст-
рукцию. Следуя этому правилу, например, сварку сты-
кового соединения листов необходимо выполнять до при-
крепления нх и другим частям конструкции, пахлесточ-
•Ь25
S)
Рис. 6.14. Способы компенсация
сварочных перемещений
а — сборка с переменным зазором;
б — сборка под углом
ные соединения в конструкции следует сваривать
в последнюю очередь и т. д.
Особенно подвержены деформациям конструкции
с тонкостенными элементами, поэтому сварные швы на
тонком металле следует располагать на жестких элемен-
тах (например, на каркасе) или, если это невозможно,
вблизи них.
Нередко, несмотря на принятые меры, конструкция
после сварки имеет остаточные недопустимые деформа-
ции и требует правки, поэтому как иа стадии проектиро-
вания, так и на стадии разработки технологического про-
цесса, должна быть предусмотрена возможность правки
с минимальными затратами. Например, конструкцию
расчленяют таким образом, чтобы каждая из сборочных
единиц могла бы быть легко выправлена по отдельности,
а затем после сборки сварена в целом с минимальными
деформациями. Когда конструкция собирается из не-
скольких элементов с различной жесткостью, целесооб-
разно выполнять сборку, начиная с наиболее жесткого
из них.
Оснастка и приспособления для сборки элементов
должны обеспечивать либо ликвидацию (недопущение)
временных перемещений, которые ие сопровождаются
большими усадочными силами, либо надежную фикса-
цию элементов собираемой конструкции как в процессе
сборки,так и сварки.
Один из распространенных методов уменьшения ос-
таточных деформаций — их компенсация иа стадии за-
готовительных и сборочных операций путем создания пе-
ремещений, противоположных сварочным (рис. 6.14).
К ним относят, например, сборку свариваемых элементов
с переменным по длине зазором (рис. 6.14, а)-, компенса-
цию угла при сварке односторонних стыковых соедине-
ний (рис. 6.14, б). Нередко предварительную пластиче-
скую деформацию заготовок осуществляют перед
сваркой, создавая перемещения, противоположные ожи-
даемым.
Снижению остаточных деформаций способствуют так-
126
же меры, направленные на уменьшение остаточных на-
пряжений в сварном соединении. К ним относят подо-
грев при сварке, проковку и прокатку, приложение на-
грузок, а также термическую обработку.
Предварительный и сопутствующий подогрев при
сварке изменяет распределение температур в зонах ме-
талла, прилегающих к сварному шву, при этом изменя-
ются напряжения, связанные со структурными превраще-
ниями; уменьшаются также механические свойства сва-
риваемого металла и градиент температур при сварке,
что приводит к уменьшению остаточных напряжений,
причем чем выше температура подогрева, тем меньше
остаточные напряжения.
Проковку выполняют в процессе сварки по горячему
металлу или после полного остывания. Суть процесса
проковки заключается в том. что металл осаживается по
толщине, при этом происходят пластические деформации
в направлениях, перпендикулярных направлению ударов
при проковке. Цель процесса — снижение до минимума
растягивающих остаточных напряжений. Прокатка зо-
ны сварного соединения преследует те же цели, что
и проковка. Прокатку осуществляют при помощи цилин-
дрических роликов, проковку — механизированным ин-
струментом (электро- и пневмомолотками).
Для уменьшения остаточных напряжений растяжения
и усадочной силы используют приложение нагрузок. Эти
нагрузки прикладывают таким образом, чтобы создать
в зоне сварки растягивающие напряжения. Нагружение
можно производить как во время сварки, так и после пее.
В качестве метода термической обработки, исполь-
зуемой для снятия остаточных напряжений, чаще всего
используют высокий отпуск. Высокий отпуск может
быть: общим, когда нагреву подвергается конструкция
в целом; местным, при котором нагреву подвергается
часть конструкции, прилегающая к зоне сварного соеди-
нения; а также поэлементным и поэтапным. В монтаж-
ных условиях широкое применение находит местный вы-
сокий отпуск сварных соединений трубопроводов, однако
в последнее время проявляется тенденция к использова-
нию общего высокого отпуска для снятия остаточных на-
пряжений в сферических резервуарах.
Повышению усталостной прочности сварных конст-
рукций и соединений способствует максимально возмож-
ное снижение влияния концентраторов напряжений на
127.
прочность. Один из основных приемов — обеспечение
плавных переходов от наплавленного металла к основ-
ному, что обеспечивается, например, механической обра-
боткой сварных деталей, обработкой сварных швов арго-
но-дуговой сваркой вольфрамовым электродом. Кроме
того, повышению усталостной прочности сварных соеди-
нений способствует проковка и прокатка сварных соеди-
нений. Высокий отпуск не дает эффекта для конструк-
ций, работающих в условиях динамических нагрузок, так
как устраняя остаточные сварочные напряжения, отпуск
одновременно изменяет механические свойства металла,
в частности предел текучести.
Материал, посвященный основам конструирования
сварных соединений, будет рассматриваться в гл. 8—12
в связи с конкретными сварными конструкциями.
§14. Примеры расчета и конструирования
сварных соединений
Примеры расчета сварных соединений сведены в два
раздела: в первом собраны примеры расчета сварных со-
единений в строительных конструкциях (расчеты по пре-
дельному состоянию), во втором — сварных соединений
в машиностроительных конструкциях, где расчеты про-
изводятся по допускаемым напряжениям.
Расчеты по предельным состояниям:
Пример 1. Определить продольную силу N. которую сможет вы-
держать тяга (рис. 6.15). Размер поперечного сечения тяги ЗООх
Х20 мм, металл — сталь 09Г2С, сварка двухсторонняя ручная дуго-
вая с полным проваром, контроль качества сваркн — визуальный.
Решение. Определяем расчетное сопротивление стали и сварно-
го соединения, используя данные табл. 3.4. Для листовой стали мар-
ки 09Г2С толщиной 20 мм расчетное сопротивление Rv = 310 МПа;
для сварного стыкового соединения — RKV=265 МПа.
Расчетная длина сварного шва lw=b—s, отсюда lw=300—20=
=280 мм.
Напряжение в сварном шве (формула (6.1) |: принимая Ye—0.95
(табл. 3.2), а» = J?w|,-0,95. откуда N = RvyF-0,95 = 265- 10э(280х
Х20-106)0.95=1410 кН.
Пример 2. На стыковое соединение листов (рис. 6.16. а) дейст-
вуют момент М=40 кН и поперечная сила Q=200 кН. Произвести
поверочный расчет соединения, если Ь=300 мм, s=20 мм, сварка
механизированная в углекислом газе, основной металл марки
ВСтЗсп-2. контроль качества сварки — рентгеновский (к=1).
Решение. Для листовой стали ВСтЗсп-2 из табл. 3.4 имеем, рас-
четное сопротивление растяжению на изгиб Rv=260 МПа, при за-
данных условиях расчетное сопротивление для сварного стыкового
соединения Rvv=Ra=260 МПа. Коэффнцнёнт условий работы ус=
128
Рис. 6.15. Стыковое соедине-
ние, нагруженное продольной
силой
Рис. 6.16. Стыковые соединения
а — нагруженные моментом и ионе-
речной силой: б — моментом в про
рольной силой
/? =200 кН
М- 00 кНи
N= Ы)0 кН
М= ЬОКН-М
6)
=0.95 {табл. 3.2).
Расчетную длину шва принимаем lw=300—20 = 280 мм.
Определяем нормальное напряжение по формуле (6.2)
Л1 6Л1
я ®= л Vc 260-0,95 МПа;
й'® Щд
6-80-103
аш = Па = 1-53-10" Па = 153 МПа.
20-280*-10-э
Касательные напряжения вычисляются по формуле Журавского
— < Rws Vc•
*® smln
где Q — расчетная поперечная сила, Н; sw— статический моменг
площади половины продольного сечения шва относительно нейтраль-
ной оси, м3; /и — момент инерции площади всего сечеиня шва от-
носительно нейтральной осн, м4; Smm—наименьшая толшнна стыку-
емых элементов, м.
п 4 ' С
В нашем случае = — и sm|n = s.
129
Подставляя эти значения в выражение для касательных напря-
жений, имеем
04>2 3 Q
Т“ “ 84 4 " 2 s/w •
Таким образом,
3-200-10»
Т№=- — — . = 53,5-10’ Па = 53,5 МПа;
2-20-280-10-’
тш = 53,5 МПа< 143 МПа= 150-0,95 МПа.
Приведенные напряжения рассчитываются по следующей фор-
муле:
аг₽<1 = + З^и-.со <
где си — нормальное напряжение в шве до изгибающего момента:
тк,ас — среднее значение касательных напряжений;
О 200-10®
-3s’7-7-ic*m - *’ мпа;
Р — коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций
(Р=1,15).
ared = V153? + 3-35,7® = 165 МПа <265-1,15 МПа.
Пример 3. На стыковое соединение (рис. 6.16,6) действуют из-
гнбаюшнн момент М=40 кН-м и продольная сила, равная 400 кН.
Используя исходные данные предыдущего примера, произвести по-
верочный расчет соединения.
Решение. Расчет по формуле (6.3):
% = ^ + 6Л1<<
400-10» , 6-40-10»
о --------------к----------= 224 МПа:
20-280-10-’ т 20-280?-10»
ою = 224 МПа < 265-0,95 = 252 МПа.
Пример 4.
Дано: сечение листов ЬХз=200х20 мм, материал листов —
ВСтЗпсб. Конструкция эксплуатируется в нормальных условиях.
Сварку производят электродами марки МР-3 (тип Э-46). Коэффи-
циент условий работы Ус=у«/=0,95. Расчетная длина лобовых швов
/«=200—20=180 мм.
Рассчитать нахлесточное соединение с лобовыми швами (рнс.
6.17). нагруженное продольным усилием, равным 250 кН.
Решение. Рассчитаем величину катетов лобовых швов [форму-
ла (6.6) J:
N N
Ч = ~о—— . откуда к/ = —-----------—.
лр/ и//ш лр/ т/ /ш
130
iiiiiiiiiiM'iiiiiiiiM Т^гпки
ИИШЖИ_-у
N
N--6C0kH
ииянп
Рис. 6.17. Нахлесточное соеди-
нение с лобовыми швамн, на-
груженное продольной силой
^]шпл|п[нш1[шттмш11ипт|шт|[]й11пи:
я пптшппппппйп ишипптп п пни гш.1^
Рис. 6.18. Нахлесточное соеди-
нение с фланговыми швами,
нагруженное продольной силой
ii'iiiiiiiiiiiininiii'iiiiiiiiil |итпитп1пп!1№1;||кппш
1г»м1||ПЦИ1ГЯ1^ ||И|И?И|Г|Я-ИтаЯ11
Рис. 6.19. Нахлесточное комби-
нированное соединение, нагру-
женное продольной силой
Принимая т/=Рм/уш/ус, имеем:
N
Kf = "оПо--------Г • где л = 2; ₽/ = 0|7 (табл. 6.2); /?„/ =
nP/RwfVwfVclw
= 200 МПа (табл. 6.1);
250-10®
К/ 2-0,7-200-10®-0,95-0,95-180-10® °’055 м-
Таким образом, расчетная величина катета к=5,5мм. Фактический
размер катета 0/=5.5: 0,7=7,8 мм. Принимаем к =8 мм, толщину
накладок принимаем равную катету шва, т. е. тоже 8 мм.
Производим проверку прочности накладок из условия
u=N/F <RV, где J?ff = 225 МПа (табл. 3.4)
и F — суммарная площадь поперечного сечення накладок.
250-10®
о=- .АХ = 78,1-10® Па = 78,1 МПа <225 МПа.
2 (200-8) 10*
Пример 5. Рассчитать нахлесточное соединение с фланговыми
швамн (рис. 6.18), к которому приложена продольная сила М=
=250 кН. Сечення основных листов Ьхз=200х20 мм, накладок
5iXSi=l60x8 мм, зазор между стыкуемыми листами 10 мм, мате-
риал основных листов и накладок — ВСтЗпсб. Конструкция эксплу-
131
атируется в нормальных условиях. Сварку производят электродами
МР-3 (тип Э-46). Коэффициенты условий работы Ус=¥«/ = '- Рас"
четное сопротнвлеине /?«/—200 МПа (табл. 6.1).
Решение. Расчет прочности накладок выполнен в предыдущем
примере (исходные условия одинаковы), поэтому определяют сум-
марную длину четырех фланговых швов (с одной стороны соеди-
нения)
^fKfRwf
где Р/=0,7, а к/ принимает равным толшнне накладки, т. е. 8 мм:
250-10э
Lof -------------------= 0.223 м = 223 мм.
0,7-8.108-200-10е
Расчетная длина одного шва /»=£и//4= 223/4 =56 мм. Геометриче-
ская длина одного шва (=/w+s=56+8=64 мм.
Таким образом, размеры накладок:
длина 2/+А=2-644-10=138 мм;
ширина Ь= 160 (по условию задачи).
Принимаем размер накладок 140X160.
Пример в. Рассчитать нахлесточное комбинированное соедине-
ние (рис. 6.19), нагруженное продольной силой М=600 кН. Осталь-
ные условии — из предыдущего примера. Расчетное сопротивление
стали /?„=225 МПа.
Решение. Производим поверочный расчет прочности я накладки
N 600-10s
181-10» Па= 181 МПа<
< 225 МПа.
Принимаем величину катета шва равной толщине накладок, т. е.
8 мм. Находим ту часть усилия АГ/Г которую воспринимают лобо-
вые швы:
М/г = ₽/к/ LwfrRwl,
где Р/«=0,7; к;=8мм, суммарная длина лобовых швов 27^=2(160—
—8) =300 мм.
Nfr = 0,7-8-10»-300- КР-гОО- 10е = 336- 10s;
/7 = 330 кН.
Усилие, приходящееся на фланговые швы:
Nfi 600-330 = 270 кН.
Определяем суммарную длину фланговых швов Lfi=4lwta
, Nfi 270- 10s
PfK/Rwf ~ 0,7-10-s-200 10e = 124
Расчетная длина каждого флангового шва 0,24/4=0,06 м.
Геометрическая длина флангового шва (=,Zk/i+s=60-}-8=68mm
принимаем равной 70 мм. '
Следовательно, длина накладок 214- А = 2-70 + 10 = 150 мм
а ширина —160 мм (по условию задачи). '
132
Пример 7. Выполнить поверочный расчет нахлесточного комби*
нированного соединения (рис. 6.20), нагруженного моментом М»
•=20 кНм (чистый нэгиб). Основной металл соединения — сталь
марки 09Г2С, сварку производят электродами УОНИ 13/55 (тип
Э50А). Размеры поперечного сечения привариваемого элемента
200X10 мм. толщина основного элемента конструкции — 20 мм.
Катеты лобового и фланговых швов одинаковы н равны 10 мм, дли-
на нахлеста /,= 100 мм. Коэффициент условий работы уе=уи/=0,95.
Расчетные сопротивления /?к=310 МПа; /?»/=215 МПа.
Решение. Поверочный расчет соединения на действие изгибаю-
щего момента выполним в соответствии с формулой (6.9) по метал-
лу шва
т/ = —-——— "К< Rwf ?с ywf •
hx + Ify
При наличии фланговых и лобовых швов соединение является
симметричным относительно главной оси х—х, ось у—у удалена от
лобового шва ка расстояние xa(x=lt—ха).
Расчет начинаем с определения координаты xD:
*ц 2/.Л/ + /2*/ 2/, + /г
Подставляем значения /2 и k, в полученное выражение:
100г — 0,5-200-10
2-100 + 200
= 22,5 мм = 2,25 см.
При отсутствии лобового шва хц=0,51|.
Определяем моменты ннерцнн расчетного сечения по металлу шве
относительно главных осей соединения (см4):
Г kf 4 Pa+L'Y] =
Ох=Р/[-k- + 2fcMl 2
Рис. 6.20. Нахлесточное комбинированное соединение, нагруженное
моментом
133
л Г1-203 /20+1\*1
==0,71~12_ +21'1о(-2 ) =2600 см‘;
/л=р/ -F
/ Л \2
+ 2й/ /, I — — xu I + kf 1Ъ (хи + 0,5kf)2
Г 1-Юя I 10 \«
= 0,7Гб— + 2-1101 — -2,25] + 1-20(2,25 + 0,5)*
= 310 см*.
Расчетный полярный момент ннерцин периметра швов
1Г} = itx + liv = 2600 + 310 = 2910 см* = 2,91 10~? м*.
Радиуса-вектора (ОА):
ОА = jA?+y? = J^(/1-x,1)* + !<? = V 7,75*+10* =
= 12,6 см = 0,126 м.
Величина касательных напряжений (по металлу шва)
20-10»
т/ = 2 9~f0-6 |26'10-3 = 86|6‘10 Па = 86,6 МПа;
ту = 86,6 МПа < 215-0,95-0,95= 193 МПа.
Пример 8. Рассчитать тавровое соединение (рис. 6.21) верти-
кального ребра толщиной $=12 мм к полке сварного двутавра (тол-
Рпс. 6.21. К расчету таврового соединения
134
щпна полки Si=20 мм). Расчетная нагрузка Q=200 кН, эксцентри-
ситет е=200 мм. Конструкция выполнена из стали 16Г2АФ. Коэф-
фициент условий работы ус=у»/=1,1. Расчетное сопротивление ос-
новного металла Лу=400 МПа, сварного соединения Лиц,=340 МПа.
Сварка мехаинзпропанпая порошковой проволокой марки ППАН8,
расчетное сопротивление сварного шва /?»/=215 МПа. Разделка
кромок обеспечивает полный провар.
Решение. Сварное соединение можно рассматривать как стыко-
вое, испытывающее изгиб от действия момента:
М = Qe = 200- 10э-0,2 Нм = 40-103 Нм,
а также сдвиг от действия поперечной силы Q=200-103 Н.
Исходя из выражения
М 6М
=-----= ——
wc sx-
и принимая о1е=/?и!,=340 МПа, определим расчетную длину шва:
~6М
sRwy
Принимаем lw =0,25м=250 мм Из условия прочности на сдвиг
(см. пример 3):
" 3 О
lw — — — где Rwa ус Уц,/ = -0,59-1,1 1,1 =
* smin Ки,е Yc rwf
= 280 МПа;
lw~
6-40-Ю3 Л
-----------------= 0,244 м.
12- 10~’-340-10“
Q
..._3_ 3-200-103
w~ 2 ' 2-12-»-280-10®
0,09 м = 90 мм.
В данном случае решающим является расчет на изгиб, т. е. при-
нимаем расчетную длину шва 250 мм, отсюда геометрическая длина
шва х=/(о+з=250+12=262 мм, принимаем 270 мм.
Рассчитываем величину приведенного напряжения.
6Л! 6-40-103
cw = = 320' 10‘ Па = 320 МПа;
sl'i 12-l0-3-250*
_ 200-10’
Тш.вв- 12.103.250-10-’
= 72-10“ Па = 72 МПа;
Ored = + Зт?,.по = К32О’ + 3-72* = 374 МПа <
< = 1,15-340=391 МПа.
Расчеты по допускаемым напряжениям.
Пример 9. Полоса сечением 300X12 мм прикреплена к листу
фланговыми н косыми швами с катетами 12 мм н лобовым швом
с катетом 8 мм (рис. 6.22). Определить допускаемое усилие р, если
допускаемое напряжение [т'] = 120 МПа, сварка автоматическая
135
Рис. 6.23. К расчету сварного уз-
ла
Рнс. 6.22. К расчету комби-
нированного соединения
Решение. Определяем суммарную плошадь сечення сварных
швов
= + ^Фл>
где Ря, Гц я ЛфЯ — соответственно площади сеченяя лобового, ко-
сых н фланговых швов.
Fл = ₽КЛ 1Л = 1 -8-100 = 800 мм?;
FK = 2РКк /к = 2-1 • 12-140 = 3360 мм?;
РфЛ = 2₽КФ /ф = 2-1 • 12-150 = 3600 мм»;
= 800 + 3360 + 3600 = 7760 мм?.
Допускаемое усилие (по сварным швам)
Pw (alp Рп = 120- 1О«.776О-10* = 931 200 Н = 931,2 кН.
Производим расчет допускаемого усилия в полосе, принимая Га]р“
-200 МПа:
Ра = (°lp Fo = 200- Ю’-ЗОО-12-10-® = 720-10® Н = 720 кН.
Сварные швы прочнее полосы. Для получения равнопрочного
соединения с минимальным расходом металла производим коррек-
тировку длины фланговых швов. Применяя принцип независимого
действия снл, определяем допускаемые усилия в лобовом и косых
швах
р„ = (Т'1 рл = 120-10®-800-10-® = 96 кН;
P„ = [T']FK = 120-10®-3360-10-® = 404 кН.
Усилие, приходящееся на фланговые швы:
Рф = рп - (Рл -L рк) = 720 — (96 + 404) = 220 кН.
Определяем длину фланговых швов
Рф = (т'1 РфЛ = |т'] 2РКФЛ /фд, следовательно,
Рф 220-10»
Ф’’ ~ ? г' ] 2?Кф.., = 120-10*.2-1 -12-10® —
Принимаем длину фланговых швов 80 мм каждый.
136
л
А-А
Q = 50 кН
Рнс. 6.24. Расчет сварных швов прн сложном сопротивлении
Д — точка приложения силы Q
Пример 10. Определить требуемые длины фланговых швов в уз*
ле для прикрепления двух тяг из равнобокового углового профиля
100x8 (рис. 6.23). Площадь сечения каждой тяги равна 15,6 см2.
Подвешенный груз Р=200 кН, сварка механизированная (0=0,8).
Допускаемое напряжение сварных швов на срез [т'] = 120 МПа.
Решение. Определяем усилие Ptl действующее в каждой тяге.
Учитывая, что угол наклона тяги к горизонту 45°, усилие в каж-
дой тяге
= Р/2 = 200/1.41 = 142 кН.
Принимаем величину катета швов к=8 мм, тогда суммарная
длина фланговых швов
Р 142-10э
/фл = I т'1 ₽КфЛ = 120-10"-0,8.8-10» = °’184 = 184 ”М'
В свою очередь,
А>л = ^Ф1 + >
1Ф1 — фланговый шов, приваривающий полку уголка;
/ф2—фланговый шов, приваривающий обушок уголка. Известно,
что /ф|=0,3/фл, а /фг=0,7/ф1 отсюда:
/ф! = 184-0.3=55,2 мм, принимаем /ф1=60 мм,
/ф2=184-0.7=129 мм, принимаем /ф2=130 мм.
Пример II. Произвести поверочный расчет сварных твои соеди-
нений консольной балки двутаврового профиля, прикрепленной по
периметру угловыми швами с катетом к=6 мм. Балка нагружена
продольной силой У=75 кН и поперечной силой Q—50 кН (рис.
624). Сварка механизированная (3=0,8). Все размеры приведены
ва рисунке.
Решение. Определяем момент инерции периметра угловых швов
/ = 2-24’0,6/12 +2 (19-0,6’/12 + 19-0,6-12.92) +
+ 2 (2-8,6-0,6’/12 + 2-8,6-0,6-11,73)= 8000 см*.
137
Расчетный момент инерции угловых швов с учетом разрушения
по опасной плоскости (0=0,8)
/с = /р = 0.8-8000 ± 6400 см*.
Ордината г/л = 120 мм = 12 см. Площадь всего периметра угло-
вых швов
Г =2,24-0,6 = 2,19-0.6 + 4-8,6 0,6 = 72,2 см5?.
Расчетная площадь в этом случае
fc = ₽f = 0,8-72,2 = 57,7 см2.
Расчетная площадь вертикальных швов с учетом разрушения
но опасной плоскости
Fe = 2-0,8-0,6-24 = 23 см2.
Напряжения от изгиба на крайней кромке вертикального ли-
ста равны:
.. 50-IO»-1000-10-® 12-IO-» п,
МуА /!с~______________.------------=94 МПа.
6400-10-»
Напряжения от предельной силы в угловых швах соединения
Тд, = N/Fc = (75-Ю’)/(57,7-10-10) = 12,6 МПа.
Суммарное напряжение т=Т|+Т№94+12,6=106,6 МПа. Среднее
касательное напряжение в вертикальных швах
О
т0 = -4- = (50-10»)/(23-10—«) = 21.7 МПа.
Результирующее напряжение прн рд = 120 мм
Трез = 1А2 + *0 = *06,64 + 21,7® = 108 МПа.
Напряжение от изгиба прн t/mai=132 мм
тм = Л4утах//£ = 50-10’-1 -132-1-» = 103 МПа.
Суммарное напряжение от момента и предельной силы прн
= 132 мм
t£ = tm + tw = 103,2+12,6= 115,8 МПа<[т'1.
Пример 12. Определить число сварных точек для прикрепления
к листу швеллера № 6,5 площадью сечення F=8,28 см2 н толщиной
стенкн 4,5 мм при усилии Р=Ю0 кН с допускаемым напряжением
иа срез сварной точки [т'о] =90 МПа. Произвести расстановку то-
чек с учетом величин t, Л и 4 (рис. 6.25).
Решение. Прн заданной конструкции сварные точки будут ра-
ботать как односрезные. Рассчитываем диаметр точки, учитывая, что
толщина свариваемого металла (стенка швеллера) равна: s=4,5 мм;
d=l,5; s+5= 1,5-4,5+5=11,75 мм. Принимаем диаметр точки d=
= 12 мм.
138
a) S)
Р=100кН
Phc. 6.25. Соединение, выполненное точечной сваркой
а — задание к расчету; б — окончательное конструктивное решение
Определяем допускаемое усилие на одну точку (Р():
₽1 = [ть] nd®/4 = 90- 10*-л- 12г- КГ'М = 10170 Я;
№10,2 кН.
Поскольку на сварное соединение действует сила Р=100 кН, а до-
пускаемое усилие на одну точку Р( = 10.2 кН, то необходимое чис-
ло точек— 10. Учитывая диаметр н количество точек, а также раз-
меры швеллера, наиболее целесообразно расположить точки в два
ряда вдоль продольной оси швеллера.
Шаг точек (расстояние между инмя) -‘=3d=3-12=36 мм; рас-
стояние от центра точки до края швеллера в направлении действия
силы Р (i=2d=2-12=24 мм; расстояние от центра точки до кромки
(обушка) швеллера /?= 1.5d= 1,5-12= 18 мм. Так как шаг точен
36 мм, а высота швеллера 65 мм, /2 не может быть больше 14.5 мм,
этот размер и принимаем. Некоторое его уменьшение по сравнению
с рекомендуемым не имеет в данном случае значения, так как до-
полнительную прочность н жесткость придают конструкции полки
швеллера. Окончательная конструкция соединения представлена на
рис. 6.25,6.
Контрольные вопросы
1. Принципы расчета угловых швов.
2. Проверка лобовых швов на условный срез.
3. Особенности расчета фланговых швов.
4. Расчет сварного соединения па действие изгибающего мо-
мента.
5. Особенности расчета угловых швов по допускаемым напряже-
ниям.
6. Требования, предъявляемые к сварным соединениям при про-
ектировании.
7. Методы уменьшения остаточных деформаций.
Раздел II
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
КОНСТРУКЦИИ
Глава VII.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
В настоящее время около 98 % стальных строитель-
ных конструкций в нашей стране выполняются сварны-
ми. Стремительный рост объемов производства сталь-
ных строительных конструкций прежде всего связан
с широким применением сварки.
Однако для обеспечения высокой работоспособности
сварных конструкций при проектировании приходится
учитывать ряд требований.
На несущую способность сварной конструкции боль-
шое влияние оказывают применяемые сварочные
материалы, которые влияют ие только на эксплуа-
тационные свойства конструкции, но определяют и ее
стоимость изготовления. Поэтому материал выбирают,
принимая во внимание характер нагрузки (статические,
динамические, повторно переменные), температурные ус-
ловия, сейсмичность, агрессивность среды и т. д.
Большое значение для конструкций, работающих
в условиях динамического нагружения или низких тем-
ператур, имеет форма сварного соединения.
Наличие концентраторов напряжения в сварных соеди-
нениях в процессе эксплуатации конструкции может при-
вести к снижению или потере пластических свойств и раз-
рушению конструкции.
Температурное воздействие иа свариваемые кромки
вызывает образование структурных неодно-
родностей, т. е. зон с различными механическими
свойствами. В сочетании с геометрическими несовершен-
ствами эти структурные неоднородности также могут
привести к снижению несущей способности конст-
рукции.
140
Процесс сварки вследствие неравномерного нагрева
п последующего охлаждения вызывает образование сва-
рочных напряжений и деформаций. Поэто-
му для каждой конструкции необходимо выбирать такие
процессы сварки и технологические приемы, которые
обеспечивали бы образование минимальных напряжений
и деформаций.
Промышленные предприятия и сложные гражданские
здания и сооружения проектируются в две стадии — тех-
нический проект (чертежи КМ) и рабочие чертежи
(КМД). Технический проект содержит данные о составе
и мощности предприятия, источниках обеспечения сырь-
ем, энергией и водой, технологические схемы производ-
ства, основные объемно-планировочные и конструктивные
решения, а также проект организации строительства
(ПОС). Чертежи КМ содержат основные виды (проек-
ции) конструкций, сложных элементов, продольные и по-
перечные разрезы, характерные сечения, узлы сопряже-
ния. Кроме того, в чертежах КМ приводятся все
генеральные и основные размеры конструкций и их эле-
ментов, сечения и профили проката, размеры и типы
сварных швов, усилия в стержнях и узлах, а также опор-
ные реакции. К чертежам КМ прилагают пояснительную
записку и спецификацию на металл с указанием марки
стали, профиля и массы, включая общую массу конструк-
ций, а также технологическую записку и ее краткое по-
яснение о способе сварки и сварочных материалах.
Чертежи КМД (деталировочные) разрабатывает за-
вод-изготовитель на основе чертежей КМ с учетом спе-
цифики производства данного завода, имеющегося в на-
личии металлопроката, разбивки конструкций на отпра-
вочные узлы. В чертежах КМД приводят также данные
о маркировке элементов конструкций.
Для наиболее крупных и важных объектов разработ-
ке чертежей КМД предшествует проработка проекта
КМ на технологичность изготовления конструкций и их
монтажа. В результате этой работы формулируют до-
полнительные технические требования (ДТТ), которые
прилагают к договору, заключенному между заводом-
изготовителем и заказчиком (монтажной организацией).
Работу по экспертизе чертежей на технологичность
выполняет отдел главного конструктора завода, а для
более ответственных объектов — институты, специализи-
рующиеся на вопросах технологии изготовления и моита-
141
жа металлоконструкций. В системе Минмонтажспец-
строя СССР экспертизу на технологичность изготовления
осуществляет институт ВНИКТИсталькоиструкция, а на
технологичность монтажа — ВНИПИпромстальконструк-
ция.
В процессе экспертизы проектов КМ решаются сле-
дующие задачи:
1. Снижение металлоемкости конструкций за счет
уменьшения их массы, применения более эффективных
марок сталей и профилей проката, наиболее полного ис-
пользования несущей способности металла сварных швов,
использования проката стандартных размеров.
2. Снижение трудоемкости, стоимости и сроков изго-
товления конструкций.
Для этого используют:
максимальную типизацию конструктивных элементов
и стандартизацию деталей по нормалям заводов-изгото-
Вителей с целью организации так называемого груп-
пового запуска деталей в производство (из
разных заказов группируются детали по признакам тех-
нологического подобия);
перенос наиболее трудоемких операций по сборке
и сварке в условиях завода-изготовителя, поставку кон-
струкций крупными блоками с учетом размеров и гру-
зоподъемности транспортных средств;
возможность сборки и сварки наиболее трудоемких
операций с проектной отметки вниз, на площадку для
укрупнительной сборки;
применение передовой технологии изготовления и мон-
тажа обрабатывающих станков с числовым програм-
мным управлением (ЧПУ), автоматических и полуавто-
матических сварочных и газорезательных установок,
сборки и сварки конструкций в кондукторах, при-
менение на монтаже болтовых соединений вместо
сварных, конвейерного и безвыверочиого монтажа
и т. д.
3. Применение в проектах решений, обеспечивающих
получение высококачественных сварных и болтовых со-
единений, т. е. расположение сварных швов и болтов
в местах, удобных для производства работ и контроля
качества;
4. Выбор рациональной конструктивной формы свар-
ных соединений, предупреждающей образование боль-
ших сварочных напряжений и деформаций, исключающей
142
концентраторы напряжений и снижающей склонность
к хрупкому разрушению.
Проектное решение в целом должно обеспечивать на-
дежную эксплуатацию конструкций в течение расчетного
срока службы здания или сооружения при максималь-
ных трудовых и денежных затратах иа содержание кон-
струкций и текущий ремонт.
Следует отметить, что выполнение всех этих условий
в реальных проектах весьма затруднительно вследствие
их противоречивости. Однако внесение поправок в про-
ектные решения позволяет в ряде случаев получать суще-
ственную экономию материалов и повышать технологич-
ность изготовления конструкций и их монтажа.
§15 . Выбор материалов и назначение
способов сварки
В соответствии с главой СНиП 11-23-81* все стальные
конструкции отнесены к четырем группам в зависимости
от степени ответственности и условий эксплуатации.
1. Конструкции, работающие в особо тяжелых усло-
виях или подвергающиеся непосредственному воздейст-
вию динамических нагрузок (подкрановые балки; балки
рабочих площадок цехов; элементы конструкций бункер-
ных и разгрузочных эстакад, непосредственно восприни-
мающих нагрузку от подвижных составов; фасонки
ферм; пролетные строения и опоры транспортных гале-
рей; специальные опоры больших переходов линий элек-
тропередачи высотой более 60 м; элементы оттяжек
мачт, оттяжечных узлов и т. п.).
2. Конструкции или их элементы, работающие при
статической нагрузке на растяжение, изгиб, изгиб с рас-
тяжением (фермы; ригели рам; балки перекрытий и по-
крытий, лестничные косоуры; опоры линий электропере-
дачи, за исключением опор больших переходов; опоры
сборных шин и выключателей открытых распределитель-
ных устройств подстанций; элементы комбинированных
опор антенных сооружений; трубопроводы ГЭС, насос-
ных станций и т. п.).
3. Конструкции или их элементы, работающие при
статической нагрузке на сжатие и сжатие с изгибом (ко-
лонны; стойки; опорные плиты, конструкции, поддержи-
вающие технологическое оборудование; опоры открытых
распределительных устройств, за исключением опор груп-
143
пы 2; элементы стволов и башен антенных сооружений;
прогоны покрытий и т. д.).
4. Вспомогательные конструкции зданий и сооруже-
ний (связи; элементы фахверка; лестницы; плошадки;
ограждения; второстепенные элементы антенных соору-
жений и т. п.).
В качестве основного критерия, определяющего вы-
бор материала конструкций, принимают стоимостные по-
казатели. Стоимость, в свою очередь, определяют стои-
мостью металла, изготовления и монтажа
Оптимальная величина этих трех показателей может
быть обеспечена в условиях типизации конструк-
ций, т. с. комплекса требований, которым должна быть
подчинена конструктивная форма однородных конструк-
ций: была наиболее экономичной по затратам металла,
наименее трудоемкой в изготовлении и удобной в монта-
же. В основе типизации лежит принцип модуль-
ности, т. е. соизмеримость размеров элементов, крат-
ности их определенной величине, называемой модулем.
Унификация объемио-плапировочных и конструктив-
ных решений создает условия для резкого сокращения
числа типоразмеров конструктивных элементов каркасов
зданий и открывает возможность разработки типовых
конструкций для многократного применения.
В настоящее время для производственных зданий об-
щего назначения разработаны чертежи типовых колонн,
ферм, подкрановых балок, фонарей и вспомогательных
конструкций. Применение типовых конструкций резко
ускоряет проектирование и изготовление конструкций,
снижает стоимость и улучшает их качество.
С целью повышения технологичности новых конструк-
тивных решений на стадии разработки типового проекта
принимают участие технологические институты Минмои-
тажспецстроя СССР по технологии изготовления
ВНИКТИстальконструкция и по технологии монтажа
ВНИПИПромстальконструкция.
§16 . Нормализация и стандартизация
строительных конструкций
Система стандартизации направлена на ускорение на-
учно-технического прогресса, повышение эффективности
общественного производства и производительности тру-
да. Поэтому при разработке и утверждении нормативных
144
документов учитывается накопленный передовой опит
в различных отраслях народного хозяйства и за рубе-
жом.
Улучшение качества продукции является не менее важ-
ной задачей стандартизации Требования нормативной
документации заставляют предприятия и организа-
ции неустанно работать иад повышением качества про-
дукции, способствуют освоению новой продукции, освое-
нию новой техники и технологии, углублению специали-
зации производства. Система стандартизации приводит
к рациональному использованию производственных фон-
дов, увеличению фондоотдачи, экономии материалов тру-
довых ресурсов, т. е. к повышению производительности
труда. Нормативные документы могут ограничивать или
совсем исключать применение устаревших, неэффектив-
ных материалов и конструкций, устанавливать прогрес-
сивные допуски и технологию, тем самым способствуя
механизации и автоматизации производства.
Одла из основных целей системы стандартизации —
обеспечение охраны здоровья, безопасности труда рабо-
тающих, охраны окружающей среды. Так, например,
в области сварочного производства нормативные доку-
менты запрещают выпуск сварочных материалов, содер-
жащих вредные для здоровья сварщиков вещества, огра-
ничивают напряжение холостого хода источников свароч-
ного тока и т. д.
Система стандартизации охватывает все сферы на-
родного хозяйства, начиная от планирования, управле-
ния, проектирования, научных исследований, унифика-
ции, технологии изготовления и эксплуатации продук-
ции, включая строительную, вплоть до стандартизации
параметров технологических операций.
В нашей стране применяют следующие виды норма-
тивных документов: стандарты, технические условия
(ТУ), строительные нормы и правила (СНиП), правила
устанавливаемые органами надзора.
Стандарты, в свою очередь, подразделяются на две
категории:
государственные стандарты (ГОСТ) и технические
условия (ТУ).
Государственные стандарты утверждаются Советом
Министров СССР, Государственным комитетом СССР по
стандартам и Госстроем СССР (в области строительст-
ва и строительной индустрии). ГОСТы являются обяза-
145
тельными для всех отраслей народного хозяйства. В этих
документах установлены нормы, параметры, размеры,
требования, правила, показатели технического уровня
и качества продукции и другие объекты межотраслево-
го, общегосударственного применения. В обозначение
стандарта входят: индекс, регистрационный номер и год
утверждения или пересмотра.
* Кроме того, стандарт имеет наименование, в ием ого-
вариваются область применения и сроки действия, ука-
зывается срок ввода в действие.
Технические условия утверждает министерство или
ведомство, являющееся ведущим в производстве данно-
го вида продукции. ТУ является обязательным для всех
организаций и предприятий данной отрасли. ТУ может
быть распространен и на другие отрасли, производящие
аналогичную продукцию. В этом случае его введение
оформляют приказом по данной отрасли. Технические
условия имеют обозначения, содержащие индекс, шифр
министерства, утвердившего документ, порядковый но-
мер и год утверждения или пересмотра. Например, ТУ
25-895—79. В этом случае цифра 25 — шифр министер-
ства, следующая цифра — регистрационный номер и по-
следняя год утверждения или пересмотра. ТУ устанавли-
вают: требования к продукции, ие относящиеся к облас-
тям государственной стандартизации; нормы, правила
и требования, специфические для отрасли и необходи-
мые для осуществления производственно-технической
деятельности предприятий и организаций отрасли.
Для ТУ устанавливают сроки ввода их в действие
и время действия, которое может быть как ограничен-
ным, так и не ограниченным. В ряде случаев ТУ согласо-
вываются с другими министерствами или ведомствами.
Например, ТУ, содержащие требования по обеспечению
безопасных условий труда и охраны здоровья работаю-
щих, согласовываются с Министерством здравоохране-
ния СССР, соответствующими центральными комитета-
ми профсоюзов, а в отдельных случаях с органами госу-
дарственного надзора, например с Госпроматомнадзо-
ром СССР.
Большое значение имеет комплексная стандартиза-
ция, обеспечивающая взаимосвязь требований, входящих
в стандарты, включая проектирование изделия, сбороч-
ные единицы, детали, полуфабрикаты, материалы, техно-
логию, а также методы подготовки и организации про-
146
изводства. Примерами комплексной стандартизации мо-
гут служить разработка, утверждение н внедрение
единых общегосударственных систем конструкторской
документации (ЕСКД), технологической подготовки
производства (ЕСТПП), технологической документации
(ЕСТД), система подготовки документации для строи-
тельства (СПДС).
Система ЕСКД определяет порядок разработки,
оформления и обращения конструкторской документа-
ции, включая классификацию и обозначение изделий
в конструкторских документах, правил выполнения чер-
тежей в промышленности и строительстве, порядок уче-
та, хранения, дублирования и внесения изменений в про-
ектно-конструкторскую документацию, а также правила
выполнения эксплуатационной и ремонтной оснастки.
Введена в 1971 г.
Система ЕСТПП регламентирует правила организа-
ции и управления процессом технологической подготовки
производства, обеспечение технологичности конструкций,
разработки и применения технологических процессов
н оснастки, применения технических средств механиза-
ции и автоматизации инженерных работ. Внедрение ука-
занной системы способствовало широкому использова-
нию прогрессивных типовых технологических процессов,
стандартной технологической оснастки и оборудования.
Введена в 1975 году.
Система ЕСТД представляет собой комплекс государ-
ственных стандартов, устанавливающих порядок разра-
ботки, оформления и обращения технологической доку-
ментации применительно к машино- и приборостроитель-
ным отраслям народного хозяйства. Введена в 1975 году.
Система СПДС представляет собой систему ЕСКД,
переработанную применительно к специфике документо-
оборота в строительстве.
Руководит стандартизацией в нашей стране Государ-
ственный комитет стандартов Совета Министров СССР
(Госстандарт). Для координации работ по стандартиза-
ции и нормализации, а также для обеспечения техниче-
ского единства в различных отраслях народного хозяй-
ства в министерствах и ведомствах, по согласованию
с Госстандартом, назначаются головные и базовые ор-
ганизации по стандартизации. Головные организации
осуществляют научно-техническое и организационно-ме-
тодическое руководство работами по стандартизации
147
и нормализации в соответствующей отрасли народного
хозяйства. Базовые организации координируют работы
по стандартизации соответствующих групп продукции
и обеспечивают техническое единство по этой продукции
в различных отраслях народного хозяйства.
Так, например, головной организацией по сварочным
материалам является Всесоюзный научно-исследователь-
ский институт метизов (ВНИИМЕТИЗ г. Магнитогорск),
по электросварочному оборудованию—ВНИИЭСО, по
оборудованию и технологии газопламенной и плазменно-
дуговой обработки — ВНИИавтогенмаш и т. д.
Контрольные вопросы
1. Основные понятия стадий проектирования — технический про-
ект (КМ) и рабочие чертежи (КМд).
2. Какие факторы влияют иа снижение металлоемкости н тру-
доемкости изготовления строительных конструкций?
3. Основные понятия комплексной стандартизации.
Глава VIII.
КАРКАСЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ
§17 . Состав, назначение и область
применения каркасов
Промышленную продукцию производят в специальных
зданиях, называемых производственными зда-
ниями или цехами.
Производственные здания могут быть одноэтажными
и многоэтажными. Наибольшее распространение получи-
ли одноэтажные производственные здания. с)ти здания
обычно оборудуют мостовыми электрическими кранами.
В ряде случаев используют подвесной электрический
транспорт.
Мостовые краны и подвесной транспорт могут обслу-
живать практически весь цех, обеспечивая функциониро-
вание различных технологических процессов.
Современные технологические процессы предъявляют
к производственным зданиям различные требования по
высоте пролета (до 50 м), ширине (до 120 м), по грузо-
148
Рис. 8.1. Схема стального каркаса двухпролетиого производствен-
ного здания
1 — колонны; 2 — стропильные фермы; 3 — подкрановые балки; 4 — светоаэра-
иконные фонари; S — связи по колоннам
подъемности кранов (до 50 т. а для уникальных сооруже-
ний — до 600 т и более).
Конструкции производственного здания воспринима-
ют различные нагрузки: от веса ограждающих конструк-
ций (кровли, стеновых панелей, переплетов остекления),
атмосферные нагрузки (снег, ветер) и крановые нагруз-
ки. Зачастую на конструкции производственного здания
передаются нагрузки от технологического оборудования,
установленного в цехе.
Комплекс несущих конструкций, воспринимающих ат-
мосферные и эксплуатационные нагрузки, образует кар-
кас здания.
Каркас здания в зависимости от его размеров, грузо-
подъемности и режима работы кранов, условий техноло-
гического процесса может быть выполнен из стали или
железобетона. Часто применяют смешанные каркасы про-
изводственных зданий, в которых часть конструктивных
элементов, например покрытия и подкрановые балки, де-
лают из стали, а колонны — из сборного железобетона.
Производственные здания могут быть однопролетными
и миогопролетными.
Рассмотрим пример стального двухпролетиого произ-
водственного здания (рис. 8.1). Основу каркаса составля-
ют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко за-
крепленных в фундаменте, и ригелей (стропильных
ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами.
Расстояние между осями колонн в поперечном иаправле-
149
нии здания называют пролетом. Расстояние между
рамами называют шагом рам (колонн). В продоль-
ном направлении на рамы опираются подкрановые бал-
ки, элементы покрытия и фонари.
Для обеспечения устойчивости каркаса и его отдель-
ных элементов применяют систему вертикальных и гори-
зонтальных связей.
Вертикальные связи по колоннам воспринимают про-
дольные усилия от воздействия ветра на торец здания
и от сил продольного торможения кранов.
Горизонтальные, а в некоторых случаях н вертикаль-
ные связи по шатру здания обеспечивают устойчивость
конструкций покрытия.
К элементам каркаса крепятся ограждающие конст-
рукции. По ригелям рам и фонарю закрепляют конструк-
ции покрытия. Для поддержания стен, оконных перепле-
тов и ворот используют элементы стенового каркаса —
фахверк, закрепляя его к рамам.
В зависимости от назначения здания н применяемого
технологического процесса производственное здание мо-
жет быть оборудовано мостовыми кранами в двух яру-
сах с устройством рабочих площадок для обслуживания
тяжелого оборудования, что требует существенного
усложнения несущих конструкций каркаса здания.
На работу каркаса здания большое воздействие ока-
зывают краны. Под воздействием динамических, много-
кратно повторяющихся и достигающих значительных
крановых нагрузок отдельные конструктивные элементы
каркаса здания часто подвергаются преждевременному
износу и выходят из строя. В частности, наибольшему
воздействию подвергаются подкрановые балки. Поэтому
при проектировании каркаса здания особое внимание
уделяют эксплуатационному режиму работы мостовых
кранов, который зависит прежде всего от производствен-
ного назначения здания.
Различают пять режимов работы кранов: с ручным
приводом (Р); с машинным приводом — легкого режима
(Л); среднего (С), тяжелого (Т) и весьма тяжелого
(ВТ).
Краны с ручным приводом (Р) ввиду их
незначительной грузоподъемности в современных произ-
водственных зданиях почти ие применяют (лишь для
вспомогательных н ремонтных работ).
Краны легкого режима работы (Л) при-
ISO
меняют для монтажа оборудования и выполнения ремонт-
ных работ. Используют с большими перерывами в рабо-
те н редко поднимают грузы предельной нагрузки.
Краны среднего режима работы (С) ра-
ботают в более интенсивных условиях. Как правило, это
крюковые крапы механо-сборочных цехов и ремонтно-
механических предприятий со среднесерийным производ-
ством.
Краны тяжелого режима работы (Т) —
крюковые краны литейных, ковочных и завалочных це-
хов, работающие в более интенсивном режиме, близком
к предельному.
Краны весьма тяжелого режима рабо-
т ы (ВТ) характеризуются весьма интенсивным режимом
работы и нагрузкой предельной величины. К этой группе
относятся: мостовые краны металлургических цехов; ли-
тейные; колодцевые краны для раздевания слнтков;
грейферные; магнитные с жесткой и гибкой траверсой;
.магнитогрейферные; краны шихтовых, скрапных и коп-
ровых отделений; краны с лапами и траверсами на жест-
ком подвесе.
Каркасы зданий, в которых эксплуатируются краны
«особого» режима работы, подвергают интенсивным на-
грузкам динамического характера. При расчетах и про-
ектировании таких каркасов учитывают особые усло-
вия — особые коэффициенты условий работы, меньшне
предельные гибкости, прогибы и деформации, конструк-
тивные ограничения.
В процессе эксплуатации каркас здания подвергают
коррозионному воздействию со стороны внутрицеховой
среды. Различают три степени скорости коррозии, изме-
ряемой в мм/год: слабая (до 0,1), средняя (до 0,5) и силь-
ная (свыше 0,5).
Характер агрессивной среды оказывает влияние на
характер конструктивных решений. Так, для средней
и сильной степени агрессивности применяют по возмож-
ности открытые элементы, позволяющие легко осуществ-
лять очистку и окраску. Выбирают лакокрасочные ма-
териалы с соответствующими свойствами.
Каркасы зданий, эксплуатируемых в условиях низких
температур (климатические пояса с расчетными темпе-
ратурами — 40°C до —65°C), рассчитывают только по
упругой стадии работы, в проектах таких каркасов пре-
дусматривают дополнительные конструктивные элемен-
151
ты (связи), обеспечивающие жесткость каркаса, умень-
шают размеры температурных отсеков, принимают меры
по снижению концентрации напряжений.
При проектировании конструкций здания необходимо
учитывать экономические факторы, включающие затра-
ты на возведение сооружения, стоимость материалов,
стоимость изготовления, перевозки и монтажа металло-
конструкций. Учитывается эффект от сокращения сроков
строительства, а также затраты, связанные с обеспече-
нием условий его нормальной эксплуатации в течение
всего срока службы.
Экономические факторы весьма сложны, порой про-
тиворечивы — расход стали и трудоемкость изготовления
конструкций; затраты на возведение сооружения и рас-
ходы на поддержание конструкций в необходимом со-
стоянии и т. д.
Выбор материала каркаса (металлический, железо-
бетонный или смешанный) определяется эксплуатацион-
ными требованиями и экономическими факторами.
Металлические каркасы наиболее рациональны для
производственных зданий с кранами тяжелого и весьма
тяжелого режимов работы, так как в условиях непрерыв-
но повторяющихся динамических нагрузок металличе-
ские конструкции наиболее надежны.
Наибольшие преимущества стальных каркасов для
производственных зданий в большей степени проявляют-
ся на объектах, возводимых в труднодоступных районах
при значительном удалении строящихся объектов от про-
изводственных баз, так как стальные каркасы собирают-
ся из стальных конструктивных элементов относительно
малой массы.
Стальные конструкции позволяют воздвигать здание
в более короткий срок по сравнению с железобетонными,
что снижает стоимость строительства и сокращает сроки
введения объекта в эксплуатацию.
Наиболее рационально применять металлические кар-
касы для производственных зданий с большими пролета-
ми (30 м и более, а в неотапливаемых зданиях— 18 м
и более), значительной высоты (расстояние от низа ферм
более 14 м), при большом шаге колонн (12 м и более),
в зданиях с тяжелыми кранами (грузоподъемностью бо-
лее 50 т), прн двухъярусном расположении кранов.
Смешанные каркасы обычно применяют для зданий
с кранами легкого и среднего режима работы (грузо-
152
подъемностью до 30 т), с меньшими пролетами и вы-
сотой.
Железобетонный вариант каркаса выбирают при еще
меньших параметрах зданий. Одиако подкрановые бал-
ки в этом случае выполняют стальными.
§18 . Сварные балки. Назначение,
нагрузки, классификация
Балка представляет собой конструктивный элемент
сплошного сечения, предназначенный для работы на по-
перечный изгиб. Балки применяют в различных перекры-
тиях, рабочих площадках, эстакадах, мостах, подкрано-
вых балках и других конструкциях. Наиболее широкое
применение сплошностенчатые балки находят для не-
больших пролетов при больших нагрузках. В случае
больших пролетов и малых нагрузок рациональнее ис-
пользовать сквозные балки или фермы, так как получае-
мая в данном случае экономия металла более сущесг-
венна, чем увеличение трудоемкости.
Сварные балки обычно состоят из трех элементов]
вертикального — стенки и двух горизонтальных — поясов
(полок), присоединяемых к стенке при помощи сварки,
как правило, автоматической (рис.8.2). Возможны и дру-
гие конструктивные решения составных балок (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Сварная балка с по-
ясами из нескольких листов
Рис. 8.2. Сварная балка из трех
листов
а — распределение нагрузки; о —
конструкция балки
153
Устройство поясов нз нескольких листов, сваренных по
продольным кромкам, менее предпочтительно ввиду не-
обходимости сраркн протяженных швов, сложности обес-
печения плотного прилегания поясных листов друг к дру-
гу, неравномерности распределения напряжений (рис.
8.3 — заштрихована эпюра нормальных напряжений
в верхнем листе, не заштрихована — в нижнем).
В настоящее время все более широко применяют
сквозные (перфорированные) двутавровые балки. Рос-
пуск стенки горячекатаного двутавра по ломаной линии
(рис. 8.4) с последующим совмещением и сваркой вы-
ступающих гребней (рис. 8.4, б) обеспечивают получение
элемента двутаврового сечения с шестиугольными от-
верстиями, напоминающими пчелиные соты. Иногда та-
кие балки называют «сотовыми». Они имеют ряд пре-
имуществ по сравнению с обычными сплошностенчатымн.
В частности, при одинаковом расходе металла момент
инерции сквозного двутавра fx в 1,5—2 раза больше, чем
у исходного прокатного.
Следует, однако, отметить, что изготовление «сото-
вых» балок связапо с определенными трудностями (ко-
робление балок после роспуска сплошностенчэтого про-
катного двутавра, необходимость применения специаль-
ного кондуктора для сборки таких балок и последующей
сварки).
Благодаря повышенной несущей способности «сото-
вые» балки конкурентоспособны не только с обычными
сплошностенчатымн балками, но и с решетчатыми кон-
154
Рис. 8.5. Типы балочных клеток
о — упрощенная; б — нормальная; в — усложненная
струкциями. Однако применяют их все же ограниченно
в условиях статического нагружения.
По статической схеме балки классифицируются на
разрезные, консольные и неразрезные. В металлических
конструкциях чаще применяют разрезные свободно опер-
тые (без защемления) балки. Неразрезные балки и од-
попролетные защемленные балки более экономичны по
расходу металла, однако сложнее в изготовлении и осо-
бенно в монтаже.
Балки разделяют по способу соединения элементов на
сварные и клепаные (рис. 8.5, в). Наибольшее распрост-
ранение получили сварные балкн, так как они более эко-
номичны по расходу металла и менее трудоемки при из-
готовлении. Клепаные балки применяют редко, как пра-
вило, для конструкций, работающих в условиях тяжелых
динамических или вибрационных нагрузок.
Составные балки могут изготовляться из элементов
с разными марками стали. Стенку балки, работающую
в большей части на изгиб с незначительными напряже-
ниями изготовляют из менее прочной и более дешевой
углеродистой стали, а пояса — из низколегированной.
Наибольший эффект достигается при использовании
в растянутых элементах высокопрочной стали.
Используются и металлические предварительно па-
155
a) {) i)
Рис. 8.6. Сопряжение балок
а — этапное: б — в одном уровне: в — пониженное
пряженные балки, в которых в результате предваритель-
ного напряжения стенки обеспечивается экономия ме-
талла.
Система несущих балок, образующих конструкцию
перекрытий, рабочих площадок, проезжей части мостов
н других конструкций, называется балочной клет-
кой.
Балочные клетки могут быть трех типов: упрощен-
ные, нормальные и усложненные.
В упрощенной балочной клетке (рис. 8.5, а) нагрузка
на покрытие или площадку передается через настил на
балки настила и с балок настила — на стены или другие
несущие конструкции, ограничивающие площадку.
В нормальной балочной клетке (рис. 8.5. б) нагрузка
с балок настила передается через главные балки на
опоры.
В усложненной балочной клетке (рис. 8.5, в) нагруз-
ка передается многоступенчато: настил опирается иа
балки настила, балки настнла — на вспомогательные
балки и вспомогательные балки —на главные.
Размер от нижнего пояса главной балки до верха на-
стила называют строительной высотой балочной клетки.
Сопряжение балок в клетке может быть этажным,
в одном уровне и пониженным (рис. 8.6). Самое простое
этажное соединение. Его применяют при достаточной
строительной высоте. Сопряжение в одном уровне н по-
ниженное используются в случае необходимости получе-
ния меньшей строительной высоты.
Для настила балочных клеток применяют либо сталь-
ные листы, либо сборные железобетонные плиты.
156
§ 19. Основные принципы конструирования
сварных балок
Сварные балки должны удовлетворять требованиям
прочности, жесткости, общей и местной устойчивости.
Вместе с тем они должны быть и экономичными по
затратам металла. Важнейшая задача при подборе се*
чения составной балки — установление рациональной
высоты балки ft, главного размера сечения. Как правило,
высота составных балок й= (1/8—1/12)/, хотя могут
быть и отступления как в меньшую, так и в большую сто-
рону. Высота балкн зависит от предъявляемых к ней тре-
бований жесткости и наибольшего расчетного изгибаю-
щего момента М.
§ 20. Принципы расчета сварных балок
1. Определение наименьшей высоты сечения балки из
условий жесткости.
Относительный прогиб разрезной балки определяют
по формуле
//Z=(/H"/)/10£Z. (8.1)
Подставляя в эту формулу значение момента инер-
ции / = П^й/2 (при напряжении в балке MIW = /?), по-
лучим:
HI = {/Ин Z)/5£W7i = (еЛ/И'1 )/5£йА4 « (//?)/10» hM" IM, (8.2)
где Я и £ в кН/смг.
Отсюда минимальная высота сечения балки ftmin при
заданном относительном прогибе /// выразится:
hmtn = eR/10» |//е) /И» /М. (8.3)
Если по условиям невозможно запроектировать бал-
ку с высотой, большей или равной ftmin, то можно подо-
брать сечение н с меньшей высотой, удовлетворяющей
заданному относительному прогибу. Однако в этих усло-
виях балка будет работать с пониженными напряжения-
ми (с большим запасом). Характер нагрузок мало влия-
ет на отношение нормативного момента к расчетному
Мп1М, обычно в пределах 0.7...0.9. Поэтому в прибли-
женных расчетах при предварительном определении на-
именьшей высоты балки это отношение может быть ус-
реднено н принято равным 0,8.
157
Рис. 8.8. Зависимость площади
сечення балки от ее высоты
Рис. 8.7. Симметричное сечение
составной сварной балки
2. Определение оптимальной высоты сечения балки
из условий наименьшего расхода металла.
Несущую способность сечеиия на изгиб определяет
момент сопротивления. Если пренебречь толщиной поя-
сов по сравнению с высотой балки (в этом случае htv
«йст), то момент сопротивления двутаврового симмет-
ричного сечення выразится (рис. 8.7)’.
W = —
h
бет ft*
бет
6
12 1 2;
Fh 6СТ ft8
= 2
В этой формуле Fn выражено через всю площадь се-
чения F:
(8.4)
3
Fn — g (F — FCT) — (F — бст Л).
Если ввести в эту формулу гибкость стенки, т. е. от-
ношение высоты стенки к ее толщине k=ft/6CT и выра-
зить бст=Л/к, получим площадь сечения
„ 2117 2 fts
Л З к
Исходя из минимальной площади сечения балки и,
следовательно, минимального расхода металла, найдем
оптимальную высоту сечения.
(8.5)
158
С этой целью необходимо взять первую производную
по высоте и приравнять ее к нулю (при заданном посто-
янном значении гибкости стенки к=й/б):
dE
— =_ 2W/H14- 4/ЗА/к = 0.
dh
Произведя преобразование, получим оптимальную
высоту сечения
(8.6)
Лопт —
3
— IFk.
2
Если в эту формулу подставить значение к=Л/6ст,
получим оптимальную высоту сечения в зависимости от
толщины стенки бст:
(8.7)
На графике (рис. 8.8) приведена зависимость площа-
ди сечения балки от ее высоты. Как видно из графика,
даже значительное изменение высоты (уменьшение или
увеличение от оптимального значения) мало изменяет
площадь сечения. Исходя из этого, оптимальная высота
сечения балок на практике несколько ниже теоретичес-
кой, так как в этом случае уменьшается масса ребер же-
сткости и протяженность сварных швов. Тогда оптималь-
ную высоту балки определяют по формуле
hom = к ИЛИ
8odt — ।®
(8.8)
U?tp
бст
где требуемый момент сопротивления W,V=M/R.
При постоянном сечении сварной балки допускают-
ся пластические деформации. Требуемый момент сопро-
тивления в этом случае находят по формуле WTV=M/
/1,12/?. В балках, работающих с развитием пластичес-
ких деформаций, гибкость стенки по условиям местной
устойчивости не должна превышать к=Л/6Ст=70. Бал-
ки в этом случае получаются менее экономичными, чем
балки, работающие в упругой стадии, но имеющие более
высокое значение к.
Для определения ЛОпт необходимо заранее знать зна-
чение к=й/бст или толщину стенки бСт. Исходя из усло-
159
вий местной устойчивости, гибкость стеики в балках ле-
жит в пределах
Лст/^ст =» <1<к».. .200)
Ранее уже отмечалось, что балки с высокими значе-
ниями гибкости более экономичны по расходу металла.
Толщина стенки балки возрастает с увеличением вы-
соты сечения. Ее определяют предварительно по эмпи-
рической формуле
6CT = 7 + 3h, (8.9)
где бе., мм; h — высота балки, м
В связи с тем, что /ion, еще не определена, высота
балки может быть принята й= (1/8-е-1/12) I, где I —
пролет, м. По конструктивным соображениям толщина
стенки обычно принимается не менее 6 мм.
Гибкость стенки к нли толщина стенки бс. могут быть
взяты при подборе сечения нз табл. 8.1, составленной на
8.1. Гибкость стенки к и ее толщина бет в зависимости
от пролета балки
Пролет балки, м 6 12 18 24 30 36 42
К 80...100 100...140 ПО...150 130...170 150. .180 160...200 200
0__. ст б...8 8...12 12...№ 16...20 18...22
основе практики проектирования.
Для определения высоты сечения на основании табл.
8.1 задаются гибкостью стенки к или ее толщиной бет
и по одной из формул (8.8) определяют йопт.
Может оказаться, что при больших нагрузках на бал-
ку толщина стенки при найденной оптимальной высоте
сечения будет недостаточной по прочности, исходя из ра-
боты на срез от наибольшей поперечной силы Q (опор-
ной реакции). Для проверки наименьшей толщины стен-
ки пользуются формулой
, I.2Q
^ст.т1п > .г, • (8.10)
плср
где Rep — расчетное сопротивление стали срезу.
160
При недостаточной толщине стенки ее увеличивают.
3. Компоновка сечения сварных балок.
Высоту сечения балки принимают по большему из
значений — /imin или Лопт. Эту высоту округляют, как
правило, в меньшую сторону, приводя ее к стандартной
ширине прокатной универсальной или толстолистовой
стали (ГОСТ 82—70* и ГОСТ 19903—74*). В некоторых
случаях высоту балки приводят кратной модулю 100 мм.
Далее по высоте и толщине стенки находят площади се-
чения поясов.
Момент инерции поясов
/п = /тр - /ст = (И7тр Л)/2 - (бет л»)/12. (8.11)
где /,Р — требуемый момент инерции всего сечения; /с, — момент
инерции стенки.
Однако момент инерции поясов выражается через
площади поясов балки Гп:
Определив по этой формуле площадь пояса и подста-
вив момент инерции поясов из предыдущей формулы,
найдем требуемую площадь одного пояса
-----------(8.12)
п Л® h 6
Исходя из площади определяем размеры поясного
листа
ГП = бп 6п.
Ширину поясного листа принимаем в пределах
ьп=(1/5 —1/3) л,
где Л— высота балки.
Ширину листа из местной устойчивости пояса опре-
деляют, как
где R — расчетное сопротивление стали, кН/см’.
Наиболее подходящий материал для поясов балок—
универсальная широкополосная сталь (ГОСТ 82—70*).
При подборе реального сечения параметры поясов
(высота, площадь) округляют и фактический момент
сопротивления может отличаться от U7TP. Поэтому опре-
161
деляют фактические геометрические характеристики
принятого сечения и по ним проверяют прочность и жест-
кость балки по формулам:
нормальное напряжение
° = V</?: (8‘,3>
касательные напряжения у опоры
т=-^—</?ср- (814)
/0Ст
§21. Примеры конструирования и расчета
сварных балок
Пример. Необходимо подобрать сечение главной балки рабочей
площадки. Ширина ячейки площадки а=6 м, длина ее /= 12 м (рис.
8.9).
На рабочую площадку действует равномерно распределенная
нагрузка <?2=20 кН/м.
Настил площадки состоит нз прокатных двутавров № 27а с ша-
гом 80 см с уложенным по ним стальным листом толщиной 8 мм.
Балки пастила опираются иа главные балки, выполненные из стали
класса С 255 (ВСтЗпсб).
Нагрузки. Нсрмативпаи погонная нагрузка на балку
q" = («7+4") а = (0,339/0,8+ 1,4-0,08-70,5-}-20) 6= 126,3 кН;
массы балок настила
q'\ — нормативная нагрузка от собственной
Рис. 8.9. К примеру расчета сварной составной балки
а — схема площадки: 6. в — сечения конструктивных влемептоэ
162
(вес I м балки I № 27а —0,339 кН, расположены они через 0,8 м)
и настила (78.5 кН/м’— удельный вес стали).
Расчетная погонная нагрузка
? = (л( 9" Ч- '|.2 <) а = (1,1 • 1,05 4- 1,2-20) б = 153,2 кН/м,
где П| и П1—коэффициенты перегрузки для постоянной и времен-
ной нагрузки.
Расчетные усилия. Максимальный изгибающий момент
Mmas = оР/8 = 153,2-12г/8 = 2760 кН-м;
максимальная поперечная сила
Стая = <№ = 153,2-12/2 = 919 кН.
Для подбора сечения балки находим М" (нормативный изги-
бающий момент)
д»Г- 126,3-12- „_________ „
М« = —-— =---------------= 22/о кНм.
8
8
Высота балки
8.2. Отношения
в
минимальной высоты сечения балки к пролету
зависимости от прогиба (для СтЗ)
f 1 1 1 I 1 1 1
1 Пд 1000 750 600 500 400 250 200
6min 1 1 1 JL 1 J_
1 6 8 10 12 15 25 30
По табл. 8.2 f/l=\f4W находим минимальную высоту ftraln по
формуле (8.3):
IR 1200-21 227 500
Л"’,п“ 10М//Л М"1М~ IO5- 1/400 276000 ~ СМ'
В этой формуле R=21 кН/см2—расчетное сопротивление стали
Требуемый момент сопротивления
М 276000 ,„,СЛ ,
------= 13 150 см».
21
’’’'тр- R
Толщину стенки находят по формуле (эмпирической)
6СТ = 7-f-3h = 7 +3-1,2= 10,6 мм.
Здесь принято, что h~ 1/101=12/10=1,2 м.
Толшипу стенки или зиаченне к = /kt/бет можно взять из
табл. 8.1.
Для упрощении расчетов примем бе»=10 мм. Тогда по форму-
ле (8.8):
Vf UZrp 13150
-т~ = 1,1 —------= 126 см.
бет ।
163
Рис. 8.10. К расчету соединения поясов балок со стенкой
а — схема перемещений полок относительно стенки; б — схема напряжений:
в — сварной вариант соединения
Проверим стейку балки на срез по формуле (8.10):
1,2Q 1,2-919
U1,n~ ft/?cp ~ 126-13
0,68 см.
Здесь Рср=13 кН/см2.
Таким образом, принимаем окончательную высоту балки h=
= 120 см и толщину стенки бс,= 10 мм.
Площадь пояса определим по формуле (8.12):
2^__^ = Д150_М20_
п ft 6 120 6
Примем пояс балки из ближайшего большего по размеру листа
широкополосной универсальной стали сечением 400X25 мм
= 100 см’). Учитывая, что Ьп/бя=40/2,5= 16<30, считаем, что
местная устойчивость листа обеспечена. Сечение балки приведено
иа рис. 8.9, б.
Расчет соединения поясов со стенкой
Соединение поясов со стенкой в сварных балках осу-
ществляют при помощи сварных швов.
Если бы пояс и стенка не были соединены друг с дру-
гом, то при изгибе они сдвинулись бы друг относительно
друга (рис. 8.10). Соединение пояса со стенкой ликвиди-
рует возможность такой деформации. Однако в соедине-
нии в этом случае возникают касательные напряжения,
направленные вдоль оси балки (рис. 8.10, б).
Касательные напряжения в стенке по линии ее сое-
динения с поясом определяют по формуле
/бет
(8.15)
164
где Sn — статический момент пояса (сдвигающейся части сечения)
относительно нейтральной оси.
Сдвигающее усилие Т, приходящееся на 1 см балки:
Т = = . (8.16)
Это сдвигающее усилие воспринимается двумя шва-
ми длиной 1 см, рабочей площадью
Гш = 2 * 0,7йщ — 1,4ЛШ»
где Лш—катет сварного шва.
В результате формула проверки прочности сварных
швов балок будет иметь вид
-----(8.17)
1,4ЛШ I "
Очевидно, что наибольшее значение касательные на-
пряжения будут иметь на опоре, где будет максималь-
ная поперечная сила Q. Поясные швы на сварных бал-
ках обычно выполняют сплошными н одного катета, что
в значительной мере обусловлено возможностью приме-
нения автоматической сварки.
Минимальные размеры катетов поясных швов выби-
раются исходя из технологических возможностей и со-
ставляют 0,5...0,8 толщины стенки.
Нормативные требования по обеспечению местной
устойчивости элементов балки.
Нормы проектирования требуют выполнения следую-
щих условий, обеспечивающих местную устойчивость
элементов балки:
а) предельное отношение ширины свеса пояса балки
Ьо к его толщине бп должно соответствовать табл. 8.3.
8.3. Предельное отношение свеса пояса к толщине в полках
Класс стали С235 С245, С345 С375 С285 С345 С345К
^0 /^11 15 13 11 10,5 10 9
Прнмечани с. В случае ведонанряжения балки эти значения могут
быть увеличены в yfЛ/о раза, во не более чем па 25 % (R — расчетное со-
противление стали; о — действительное напряжение в поясе).
165
б) местная устойчивость стенки балки проверяется
в зависимости от отношения йо/бст и напряженного со-
стояния:
йо/бст^70 VziiR — стенка устойчива при любом напря-
женном состоянии. Промежуточные ребра ие нужны да-
же в случае подвижной нагрузки;
Ло/бст^80 1^21/7? — стенка устойчива при любом напря-
женном состоянии. Однако в этом случае требуется уста-
новка ребер жесткости для случая подвижной нагрузки;
расстояние между ребрами жесткости принимают исходя
из конструктивных соображений, ио не более чем через
2,5 йо;
йо/бст^ЮО jZ'21//? — стенка устойчива прн отсутствии
местных сжимающих напряжений (ом=0). В этом слу-
чае ребра жесткости устанавливаются, исходя из кон-
структивных соображений, иа расстоянии не более чем:
2,5/ig если h0/6CT < 100; (8.18)
2,Ойо если й0/6> 100.
В остальных случаях — зависимости от фактическо-
го напряженного состояния — достаточно проверить ус-
тойчивость стенки в опорном и среднем отсеках и в от-
секе, где изменяется сечение по формуле
т/тср« 1; (8.19)
в составных сварных балках под опорами обязатель-
но ставят опорные ребра (рис. 8.11, а).
При отношении йо/бст^ 160 стенку балки обычно ук-
репляют продольными ребрами (рис. 8.11, б), а в неко-
торых случаях и дополнительными короткими ребрами.
Непрерывными могут быть как поперечные, так и про-
дольные ребра. Непрерывные продольные ребра вклю-
чаются в сечение балки при расчете ее на изгиб. Расчет
балки на местную устойчивость в этом случае произво-
дят по СНиП П-23-81* (нормы проектирования).
Опорные узлы балки
В местах опирания балок могут развиваться боль-
шие сосредоточенные усилия (опорные реакции), что
предъявляет особые требования к конструкции этих уз-
лов.
В опорных узлах прокатных балок в случае незначи-
тельных опорных реакций (примерно до 100 кН) мож-
166
Рис. 8.11. Расстановка ребер жесткости
а — поперечные ребра: б — поперечные и продольные ребра (пунктиром но-
казаны дополнительные поперечные покрытия ребра); /. 2 — опорные ребра
но не ставить ребер жесткости (рис. 8.12). Стенку балки
при этом проверяют на устойчивость по формуле
А А
Ф^оп.ч ф (& + *)
< R.
(8.20)
где Fen.4= (1»+^)бст — рабочая площадь опорной части стенки; b —
длина стенки, расположенной иа опоре; k — расстояние от наруж-
ной грани балки до начала закругления стенки (рис. 8.12, а)-, бег —
толщина стенки.
Коэффициент <р принимается по гибкости как для
центрально-сжатой стойки высотой h:
В случае больших опорных реакций прокатные под-
крановые балки укрепляют на опоре торцовым опор-
ным ребром (рис. 8.12, б), которое проверяют расчетом
по аналогии с опорными ребрами составных балок.
Опорные части составных балок во всех случаях ук-
репляют ребрами (рис. 8.13). Распространенное решение
опорной части балки представлено на рис. 8.13, а, б.
Здесь опорная реакция передается через торец опорного
ребра, предварительно обработанный механическим спо-
собом (строжкой, фрезерованием).
167
Рис. 8.12. Опирание прокатных балок
о — без опорных ребер (Д<100 кН): б —с опорными ребрами (Л>100 кН)
Реже принимается решение с внутренним опорным
ребром (рис. 8.13, в), так как в этом случае сложнее из-
готовить такой узел, и не обеспечивается центральная
передача нагрузки на колонну.
Для проверки опорных ребер па сжатие используют
формулу
А А
°см — “Z =7 <" < ^см.т> (8.21)
Гем <7оп.р °оп.р
где Feu — площадь опорного ребра; /?с«.т — расчетное сопротивле-
ние стали смятию торцовой поверхности.
На практике вначале находят требуемую площадь
опорных ребер из условий смятия Ртр=Л/7?ся.т, затем
задаются толщиной опорного ребра боп.р=16-ь20 мм
и после этого определяют ширину ребра Ьоп.р=/7тр/боп.р.
Минимальная ширина ребра —180...200 мм; его на-
ибольшая толщина из условий устойчивости не должна
168
°)
A-А
A
и.р\
а=15...?0мм
Dona
а. б — передача ре-
акции через тореи
опорного ребра; • —
передача через
внутренние опорные
ребра
Рис. 8.13. Опор-
ные узлы состав-
ных балок
превышать
Нижияя выступающая часть торцового ребра должна
быть не более а^1,5 боп.р- Обычно ее принимают 15...
20 мм.
В сварных балках с внутренним опорным ребром его
торец не подгоняют к нижнему поясу. В этом случае пе-
редачу опорной реакции осуществляют через горизон-
тальные сварные швы, прикрепляющие опорное ребро
к нижнему поясу. Эти швы проверяют иа срез от опор-
ной реакции, а площадь опорных ребер — на смятие.
169
М
h
Рис. 8.14. Примыкание
вспомогательных балок
к главным
о. б —в одном уровне; в —
в разных уровнях
Рис. 8.15. Жесткая за-
делка балок
Если торец внутреннего опорного ребра подогнан к ниж-
нему поясу, то горизонтальные швы, прикрепляющие
ребро к нижнему поясу, принимаются из конструктивных
соображений минимального размера.
Проверку опорной части балки на устойчивость из
170
плоскости балки производят как нейтрально-сжатого
стержня по формуле
Ч^оач
где Гоп.ч — расчетная часть опорного сечеяня балки, принимаемая
равной площади опорного ребра и части стенки на длине 15 ее тол-
щин от ребра в обе стороны (fon-ч — заштрихована иа рис. 8.13, л);
Ч- — коэффициент продольного изгиба опорной части сечеиня балки,
определяемый по гибкости:
/оп.ч
(8.22)
где /оп.ч — момент инерции опорной части сечения относительно
стенки оси (из плоскости балки).
Далее <р выбирают по таблице (СНиП П-23-81).
Балки иа опорах соединяют между собой или с ко-
лонной болтами грубой или нормальной точности (т. е.
с зазором). Это делают для обеспечения плотного опи-
рания торца и предупреждения работы болтов на срез
от опорной реакции (рис. 8.13, а, б).
Обычно эти болты располагают в ннжней части се-
чения на расстоянии '/3—'/2 й, так как при изгибе опор-
ные части балки поворачиваются и в случае верхнего
расположения болтов последние будут препятствовать
раскрытию зазора. Такое же требование предъявляют
и к соединительным накладкам между болтами (рис.
8.13, в).
Можно применять и другие схемы опирания вспомо-
гательных балок иа главные. Крепление их в одном
уровне друг к другу может осуществляться, как показа-
но на рис. 8.14, а, т. е. к ребру главной балки крепят
вспомогательные, предварительно срезав у них полки.
Передачу опорной реакции в этом случае осуществляют
через болты или через сварной монтажный шов. И бол-
ты, и шов должны быть рассчитаны на опорную реакцию
А, а стенку вспомогательной балки в обоих случаях про-
веряют на срез по формуле
Т — < #ср»
Г СП
(8.23)
где Лр —площадь среза; Г<р=ЛРбСт в случае сварного соединения.
Иногда используют решение с жесткой заделкой за-
щемлением балок на опорах (рис. 8.15). В этом случае
171
Рис. 8.16. Соединение балок встык
а — прокатных; 6 — составных (/, 2. 3 — последовательность положения швоа):
в — косой (равнопрочный) стык нижнего пояса
вертикальная реакция Q передается через столик, а из-
гибающий момент М— через поясную накладку и гори-
зонтальный лист опорного столика. Сечение этих эле-
ментов, а также горизонтальные швы, прикрепляющие
балку, должны быть проверены на силу N—MIh.
Стыки балок
В случае когда имеющийся в наличии прокат меньше
требуемой длины балки, используют так называемые
заводские стыки балок. В процессе выполнения монтаж-
ных работ для соединения отдельных отправочных эле-
ментов применяют монтажные или укрупнительиые сты-
ки балок. Если заводские стыки делают, как правило,
сварными, то монтажные могут быть сварными, болто-
выми, а в некоторых случаях и клепаными.
Наиболее простой тип стыковочного соединения —
встык (рис. 8.16). Этот тип применяют как для завод-
ских, так и для монтажных соединений прокатных и со-
ставных балок (рис. 8.16, а, 6). В случае прямых стыков
полок, выполняемых ручной дуговой сваркой, н приме-
нения обычных способов контроля качества шва несу-
щая способность стыка меньше, чем основного се-
чения, так как расчетное сопротивление сварного шва
172
Рис. 8.17. Стыки балок с накладками
а — встык с накладками; б — при помощи накладок
встык растяжению /?'” без осуществления физических
способов контроля качества шва меньше расчетного со-
противления стали R:
Mc? = ^niax-^-*0.85Almax.
Обычно стараются расположить такие стыки в месте
действия минимального изгибающего момента. Для по-
лучения равнопрочного стыка стык нижнего пояса вы-
полняют косым (рис. 8.16, в).
С целью уменьшения сварочных напряжений в сты-
ках крупных составных балок применяют некоторые кон-
структивные и технологические мероприятия — опреде-
ленный порядок наложения сварных швов (рис. 8.16, б).
В первую очередь сваривают стыковые швы стенки, пос-
ле этого — поясов, которые дают максимальную попе-
речную усадку.
На заводе при изготовлении составных балок остав-
ляют незаверенными участки поясных швов длиной
500 мм, что позволяет несколько вытягиваться при свар-
ке стыка поясным листам при усадке поперечных швов.
Если не оставлять незаваренные участки, то в попереч-
ных швах могут появиться трещины. В последнюю оче-
редь заваривают угловые швы 3.
В случае необходимости получения равнопрочного
стыка с основным сечением балки применяют соедине-
ние встык с усилением полок накладками (рис. 8.17, а).
173
В этом случае расчетный момент стыка восприни-
мают швы (стыковые) и накладки
М = + ЛГВ h,
где W—момент сопротивления сечения балки; Л'» — усилие в на-
кладке; h — высота балки.
Более просты в исполнении соединения при помощи
накладок на полки и стенку (рис. 8.17, б), так как в этом
случае не требуется подготовки торцов и разделки кро-
мок. Однако такой способ имеет и недостаток, заключа-
ющийся в наличии большого количества концентрато-
ров напряжений, поэтому может быть рекомендован
только для работы в условиях статических нагрузок.
Изгибающий момент в этом случае передается через
поясные накладки, а поперечная сила Q — через двух-
сторонние накладки стенки. Усилие в накладке и ее тре-
буемую площадь определяют:
Nn = Mfh и F^ = R"/R.
Швы, прикрепляющие накладку к поясу, рассчиты-
вают на усилие Nn.
Сечение накладки на стейках принимается конструк-
тивно: толщина накладки примерно равна толщине стен-
ки балки, ширина—150...200 мм. В случае большой по-
перечной силы Q швы, прикрепляющие накладки к стен-
ке, проверяют на срез.
§ 22. Сварные колонны. Назначение,
нагрузки, классификация
Колонны служат для передачи нагрузки от вышерас-
положенных конструкций через фундаменты иа грунт.
Каждая колонна (рис. 8.18) состоит из 3 основных час-
тей:
стержня — основного несущего элемента колонны;
оголовка, представляющего собой опору для выше-
лежащей конструкции и распределяющего нагрузку по
сечению стержня;
базы (башмака), распределяющей сосредоточенную
нагрузку от стержня по поверхности фундамента и за-
крепляющей колонну в фундаменте.
Наиболее распространенные типы колони приведены
на рис. 8.18. Самая простая по конструкции колонна —
прокатный двутавр (рис. 8.18, а). Однако небольшая
174
Рис. 8.18. Сплошная колонна
А-А
боковая жесткость такой колонны не позволяет исполь-
зовать прокатный двутавр в тех случаях, когда в плос-
кости меньшей жесткости применяются дополнительные
раскрепления (связи).
Широкое распространение получили составные дву-
тавровые сечения (рис. 8.18, в).
Сечения элементов (полок и стенки) выбирают таки-
ми, чтобы обеспечить одинаковую жесткость в обоих на-
правлениях. Такие колонны имеют достаточно высокую
технологичность в изготовлении и экономичны по затра-
там металла. С точки зрения экономики еще более ра-
циональны колонны трубчатого сечения (рис. 8.18, г).
Однако ввиду дефицита труб такие колонны применя-
ются редко.
Все шире применяют колонны из прокатных широ-
кополочных двутавров производства Нижне-Тагильского
металлургического комбината. Этот профиль обладает
высокой жесткостью как в плоскости, так и из плоскос-
ти стенки и требует минимальных затрат при изготов-
лении колонны.
В некоторых случаях применяются и другие сечения
(рис. 8.18, д).
В зависимости от того, как передается колонной на-
грузка, различают центрально- и внецентренно-сжатые
колонны.
Центрально-сжатые колонны работают иа продоль-
175
ную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую
равномерное сжатие поперечного сечения.
Центрально-сжатые колонны бывают как сплошпо-
стенчатыми, так и решетчатыми. Сплошностенчатые ко-
лонны применяют при больших нагрузках и небольших
высотах, а решетчатые, напротив, при малых нагрузках
и больших высотах.
В центрально-сжатых колоннах нагрузки приложены
либо непосредственно к центру сечения колонны, либо
симметрично относительно оси стержня.
Впецентренно-сжатые колонны кроме осевого сжа-
тия от продольной силы работают также на изгиб от
момента.
Колонны разделяются:
по типу — с постоянным и с переменным по высоте
сечением;
по конструкции сечения стержня — на сплошностен-
чатые и решетчатые (сквозные), состоящие из отдель-
ных ветвей, соединенных раскосами или планками.
§ 23. Основные принципы конструирования
сварных колонн
Оголовок колонны является опорой для вышележа-
щей конструкции (балки, фермы) и распределяет сос-
редоточенную нагрузку на колонну равномерно по сече-
нию стержня.
Конструкции, расположенные выше, опираются на
колонну сверху или примыкают сбоку. В случае опира-
ния сверху часто используют решение, в котором опор-
ный узел вышележащей конструкции имеет поперечное
ребро с выступающим на 15...20 мм фрезерованным тор-
цом, через который и передается давление на колонну
(рис. 8.19).
Иногда используют решение, в котором опорное дав-
ление передается внутренним ребром, расположенным
над полкой колонны (рис. 8.19, д, е).
Если усилие от вышерасположенной конструкции пе-
редается через опорную плиту (рис. 8.19, б) на фрезеро-
ванный торец колонны, сварные швы, прикрепляющие
опорную плиту, принимаются из конструктивных сооб-
ражений минимального сечения по СНиП 11-23-81*. На
чертеже дается указание о фрезеровке торца колонны.
В случае передачи давления через выступающий то-
176
Рис. 8.19. Оголовки колоии при опирании иа них конструкций сверху
а — передачи усилия через опорное ребро; б —через опорную плнту; е, г —
комбинированная передача усилия: д. е — через внутреннее ребро
рец ребра (рис. 8.19, в, г) — опорное давление передается
сначала на опорную плиту оголовка колонны, затем иа
опорное ребро оголовка, с этого ребра — на стенку ко-
лонны (или траверсу в сквозной колонне) (см. рис. 8.19,
в, г) и далее равномерно распределяется по сечению
стержня. Опорная плита оголовка служит для передачи
давления с торцов балки на опорные ребра оголовка,
поэтому ее толщину определяют не расчетом, а конст-
руктивными соображениями (неточность совпадения ре-
бер балки и колоииы, деформации опорной плиты от
сварки и т. д.), принимают обычно 16... 25 мм.
С опорной плиты давление передается иа опорные
ребра оголовка через горизонтальные сварные швы, при-
крепляющие торцы ребер к плите.
При опирании конструкций на колонну сбоку (рис.
8.20) вертикальная реакция передается через строганый
торец опорного ребра балки иа торец опорного столика,
а с него — на полку колонны. Толщину опорного столика
177
Рис. 8.20. Оголо-
вок колонны при
опирании на нее
конструкций сбоку
принимают на 5...10 мм больше толщины опорного реб-
ра балки. Если опорная реакция балки не превосходит
200 кН, опорный столик делают нз толстого уголка со
срезанной полкой. При большей величине реакции сто-
лик делают из листа со строганым верхним торцом. Швы,
прикрепляющие столик к колонне (каждый в отдельно-
сти), рассчитывают на 2/э опорной реакции. Это учиты-
вает возможную непараллельность торцов балки и сто-
лика вследствие неточностей при изготовлении и свя-
занную с этим неравномерность передачи давления
между торцами.
Опорное ребро балки крепится к полке колонны иа
болтах грубой или нормальной точности, поставленных
в отверстия, диаметр которых на 3 мм больше, чем диа-
метр болтов, так как возможны случаи, когда при не-
больших отклонениях в отверстиях балка может завис-
нуть на болтах и не касаться опорного столика.
База колонны (башмак) служит для распределения
сосредоточенного давления от стержня колонны равно-
мерно по площади опирания и обеспечивает закрепле-
ние нижнего конца колонны в соответствии с принятой
расчетной схемой.
В центрально-сжатых колоннах базы могут быть шар-
нирными или жесткими. Шарнирные базы имеют более
простую конструкцию (рис. 8.21, а). Они крепятся ан-
керными болтами непосредственно за опорную плиту
(двумя, а иногда четырьмя анкерными болтами). Для
сильно нагруженных колонн с целью равномерного рас-
178
Рис. 8.21. База центрально-сжатых колонн
а — шарнирные; б — жесткие
пределения давления при передаче на опорную плиту
устанавливают траверсы и ребра.
Жесткие базы имеют, как правило, не менее четырех
анкерных болтов, которые крепятся к траверсам (рис.
8.21, б). Поэтому после затяжки болтов исключается по-
ворот колонны иа опоре.
Толшина опорной плиты базы определяется расчетом.
Однако нз конструктивных соображений — не менее
20 мм.
179
Анкерные болты также принимают из конструктив-
ных соображений: для шарнирных баз 0 20...30 мм и бо-
лее (в зависимости от мощности колонны). При уста-
новке анкерные болты заводят в специальные проушины,
ширина которых на 10...30 мм больше диаметра болта,
или пропускают между траверсами. После этого на бол-
ты надевают шайбы толщиной 20...30 мм с отверстиями
на 3 мм большими, чем диаметр болта, или анкерные
плитки толщиной 30...40 мм. Гайки завертывают, а шай-
бы (плитки) приваривают монтажной сваркой к плите
или траверсам.
В легких колоннах опорную плиту обычно привари-
вают к траверсам и стержню колонны. Для тяжелых ко-
лонн чаще применяют безвыверочный метод монтажа.
В этом случае торец колонны и поверхность плиты фре-
зеруют, плиту при помощи установочных болтов выве-
ряют на фундаменте в проектное положение, подливают
жидким раствором и после этого на плиту устанавлива-
ют колонну.
Длину заделки анкерного болта, длину нарезки
и максимальный размер проушины принимают в зави-
симости от диаметра анкерного болта по СНиП 11-23-81*.
Как правило, базы колонн устанавливают иа 500...
1000 мм ниже отметки пола здания и обетонируют для
защиты от коррозии.
Базы внецентренно-сжатых сквозных колонн имеют
180
Рис. 8.23. База
внеиентренпо-
сжатой сплошной
колонны
Рис. 8.24. К рас-
чету базы ннецент-
решю-сжатой
сплошной колонны
много общего с базами центрально-сжатых колонн, так
как ветви колонны нагружены центральной продольной
силой (рис. 8.22). Поэтому расчет и конструирование
баз внецентренно-сжатых сквозных колонн аналогичны
расчету и конструированию баз центрально-сжатых ко-
лонн.
В случае действия большого изгибающего момента
и незначительной продольной силы в одной из ветвей
колонны может возникнуть растяжение и она будет стре-
миться оторваться от фундамента. Растянутую ветвь
181
притягивают к фундаменту анкерными болтами, поэтому
в данном случае болты являются рабочими и их сечение
определяется расчетом.
Базы внецентреино-сжатых сплошных колонн имеют
в плоскости действия момента вытянутую форму и боль-
шое плечо анкерных болтов (рис. 8.23 и 8.24).
При проектировании баз колонн по возможности
стремятся использовать простые решения с минималь-
ным количеством деталей и швамн, доступными для
сварки.
§ 24. Принципы расчета сварных колонн
Сплошностенчатую колонну проверяют иа прочность
и общую устойчивость по формулам:
N N
с — —— < R и а =---------— < R, (8.24)
О1т Vinin FСр
где N—расчетная продольная сила; F„T н Fop— площадь сечения
стержня нетто н брутто; <pmln — коэффициент продольного изгиба,
взятый по большей гибкости: Л*=/*/2 или ^y=lv/ru (где г*, гу —
соответственно расчетные длины н радиусы инерции сечення для
осей х—х н у—у).
Учитывают также условие — наибольшая гибкость
колонны не должна превосходить предельную Л^[Х],
равную для основных колонн 120 и для второстепенных
150 (табл. 8.4).
8.4. Предельная гибкость сжатых элементов
X для кон-
Элсмснт конструкции струкций
(стальных)
I. Пояса, опорные раскосы и стойки ферм, передающие
опорные реакции.......................................... 120
2. Прочие элементы ферм.................................. 150
3. Верхние пояса стропильных ферм, ие закрепленные
в процессе монтажа....................................... 220
4. Основные колонны...................................... 120
5. Второстепенные колонны (стойки фахверка, фона-
рей и т.п.), элементы вертикальных связей между
колоннами (ниже подкрановых балок) .... 150
6. Связи (кроме указанных в п. 5)................... 200
7. Стержни, служащие для уменьшения расчетной дли-
ны сжатых стержней, и другие неработающие эле-
менты .............................................. 200
В процессе конструирования колонны ее элементы
(пачки, свесы, стенка) должны обеспечивать местную
устойчивость.
182
Местная устойчивость полок двутаврового сечения
зависит от класса стали, гибкости стержня (с увеличе-
нием гибкости реальные напряжения в элементе умень-
шаются). Она будет обеспечена, если отношение свеса
пояса Ьо к его толщине бп не будет превышать величии,
приведенных в табл. 8.5.
8.5. Предельные значения Ьо/Ь для полок двутавров
Класс стали Гибкость /.
25 59 75 100 125
С 235 14 16 18,5 20,5 23
С 245 12 15 18 20 22
С 255
С 275 10 14 17 18.5 19.5
С 285 9,5 13,5 16,5 17.5 18.5
С 345 9 12,5 15,5 16.5 17,5
С 345К 8,5 11,5 14 15 16
Если стержень колонны имеет недонапряжение, то
значения &0/бп могут быть увеличены в Раз (Я—
расчетное сопротивление стали; c=N/F — реальное осе-
вое напряжение), но не более чем на 25 %.
Местная устойчивость стеики двутаврового сечения
зависит и от гибкости стержня и будет обеспечена при
условии (рис. 8.25, а). ___
«40 Л/ -^-4-0,4Х, (8.25)
ост У R
где R — расчетное сопротивление стали, кН/см2.
Если предельное отношение Лст/бст ие может быть
выдержано, стенку колонны укрепляют продольными
ребрами. Тогда предельное значение Лст/бст может быть
увеличено в ₽ раз в зависимости от значения -у=//ЛСтб’т
(/—момент инерции сечения ребра). Значения ₽иу
приведены в табл. 8.6.
8.6. Значения коэффициента б
Т 0 1 2 4 6
₽ 1 1 1.8 2
183
wsmw//w
4»
X
9
Рис. 8.25. Сечение сплошной колонны двутаврового сечення
а — обозначение размеров: 6 — ребра жесткости: в — с не учитываемся рас-
четом (неустойчивой) стенкой
Продольное ребро вводится в расчетное сечение ко-
лонны (рис. 8.25, б).
Следует отметить, что продольные ребра увеличива-
ют трудоемкость изготовления колонны. Поэтому на
практике часто принимают неустойчивую часть стеики
выключившейся из работы и в расчетном сечении стерж-
ня колонны считают только полки и крайние участки
стенки шириной пбст с каждой стороны (рас. 8.25, в).
Коэффициент п принимают по табл. 8.7.
8.7. Значения коэффициента
Класс стали С235 С245, С255 С276 С285 С345 С345К
15 и ,3 12,5 12 11
Рассчитывают такие стержни как сплошные.
Решетчатые (сквозные) колонны.
Основные типы сечений сквозных колонн показаны
на рис. 8.26. Ветвн колонны соединяют между собой при
помощи уголковых раскосов, накладок (планок), раско-
сов из гиутосварных труб (ГСП). Соединение ветвей ко-
лонны раскосами придает стержню большую жесткость.
Такие колоииы применяют при значительных нагрузках,
а также при незначительных отклонениях продольной
силы с оси стержня.
Прочность стержня сквозной колонны в случае ос-
184
Рис. 8.26. Типы сечений и соединение
ветвей сквозных колонн
лабления ее ветвей какими-либо отверстиями (например,
под болты или заклепки) проверяют по формуле
N
c = ——<R, (8.26)
гИТ
где N — расчетная продольная сила; FK, — площадь нетто ветвей
колонны.
Проверке на устойчивость подвергается стержень ко-
лонны. В двухветвевой колонне ось, пересекающую вет-
ви, называют материальной, а ось, пересекающую рас-
косы (или планки)—свободной. В четырехветвевой ко-
лонне обе оси свободные.
Устойчивость стержня относительно материальной
оси <гх—х» проверяют так же, как и для сплошного цен-
трально-сжатого стержня по формуле
N
—— <R,
Ф.Т Fбр
(8.27)
где Fop — площадь сечення ветвей брутто; ф*— коэффициент про-
дольного изгиба, взятый для гибкости:
где 1х и гх — расчетные длина и радиус инерции сечения относитель-
но материальной осн х—х.
185
Жесткость колонны в направлении свободной оси
у—у понижена, так как ветви колонны в этом направ-
лении не имеют сплошного соединения. Это учитывается
приведенной жесткостью стержня Хпр. зависящей от кон-
струкции соединения ветвей. Устойчивость стержня ко-
лонны относительно свободной осн проверяют по фор-
муле
—— < R.
% ГСр
(8.23)
где — коэффициент продольного изгиба для у—у (рис. 8.27, а)
или для обеих осей (рис. 8.27,6), взятый по приведенной гибкости.
Для сечений с одной свободной осью (рис. 8.27, а)
приведенную гибкость определяют по формулам:
в случае соединения ветвей раскосами
хпр= V<8-2Э)
г • pi
в случае соединения ветвей планками
+ (83°)
Для сечения с двумя свободными осями (рис. 8.27, б):
в случае соединения ветвей раскосами
(8.31)
в случае соединения ветвей планками
<8-32>
Момент инерции здесь вычисляется как для сплошно-
го сечения
/в=2(/р+/:ваг)—для двухветвевого сечения и 1У = 4(70-f-Feaj) —
для четырсхветвевого сечения, где 7.y~lvlrv — гибкость стержня ко-
лонны относительно оси для расчетной длины всего стержня (с уче-
том условий опирания в этой плоскости и радиуса инерции по фор-
муле гу= ]/ h/F).
В приведенных формулах:
Jo — собственный момент инерции сечения одной ветви относительно
оси /—/, проходящей через центр тяжести ветви; Fa— площадь
одной ветви но — расстояние от оси центров тяжести ветви до сво-
бодной осн (рис. 8.27); Fop —площадь сечения брутто всего стерж-
186
Рис. 8.27. К расчету стержня сквозной колонны
а — двухвствсвос ссчспнс: б — чстырсхвствевос сечение
ня; Fpi и £Pi — плошали сечения раскосов, лежащих в плоскостях,
соответственно перпендикулярных осям 1—1 н 2— 2\ kt н А2—ко-
эффициенты, зависящие от угла наклона решетки а {рис. 8.26)
а-30е, Л=45; а=40°, й=31; а=45-60°, k=27.
\>| = ^вУгв, и ^в,/гв,»
АВ(, ABj — гибкость отдельной ветви колонны относительно соответ-
ственной осн 1—1 н 2—2 (рис. 8.27).
Расчетную длину ветви /в для колонн с раскосами
принимают равной расстоянию между узлами решетки,
а для колонн с планками — расстоянию между планка-
ми (рис. 8.26).
Потеря несущей способности сквозной колонны мо-
жет произойти не только от потери устойчивости стер-
жня в целом, ио и от потери устойчивости отдельной вет-
ви на участке между узлами крепления раскосов или
планок. Устойчивость ветви проверяют по формуле
о = —< R, (8.33)
ФвЛ>
где Nt=N/2— усилие в одной ветви (для колонн с двумя одинако-
выми ветвями); — площадь сечения ветви; <р,—коэффициент
продольного изгиба ветви, взятой по гибкости Ав для сечения с дву-
мя ветвями, или большей из гибкостей Ав и ABj для сечения с че-
тырьмя ветвями.
Жесткость стержня в сквозных колоннах с планками
обеспечивается, если расстояние между планками не пре-
вышает 40.
187
8.8. Коэффициенты расчетной длины ц для стержней постоянного
сечения
Схема
закрепления
концов стержня
Коэффициент
расчетной дли-
ны ц
Продолжение табл. S.S
Схема
закрепления
концов стержня
Коэффициент
расчетной дли
пы ц
Внецентренно-сжатые колонны.
Одновременное воздействие продольной силы и изгн*
бающего момента — особенность внецентренио-сжатых
колонн. Это диктует и особенности их сечения в отличие
от центральио-сжатых колони. Часто оно несимметрич-
но, так как от действия момента одна сторона сечения
пригружается, а другая — разгружается. Сторона, вос-
принимающая изгибающий момент, имеет более разви-
тое (большее по высоте) сечение.
Внецентренно-сжатые колонны могут быть как
сплошные, так и сквозные, как постоянного по высоте
сечення, так и переменного.
В сплошных колоннах, воспринимающих небольшие
усилия, а также, когда изгибающий момент может дей-
ствовать как в одну, так и в другую сторону, применяют
симметричные сечения (рис. 8.28, а). Если усилия, вос-
принимаемые колонной, велики и воздействуют на одну
сторону колонны чаще, используют несимметричные се-
чения, варианты которых представлены иа рис. 8.28, б.
Прочность внецентренно-сжатых элементов проверя-
ют по формулам:
N W , М
FR ) +«7ПЛУ?<1
(8.34)
188
Рис. 8.28. Сечения виецентренно-сжатых сплошных колонн
о — симметричные: б — несимметричные
или при действии изгибающих моментов в обеих плос-
костях
f_N_ W Мх Му
\ FR / IV,,.,, xR ' IV™, yR
(8.35)
Однако прочность, определенная по этим формулам,
резко лимитирует несущую способность колонн. В ряде
случаев под воздействием расчетной продольной силы N
и изгибающего момента М колонна может разрушиться
от потери устойчивости в плоскости действия момента
или в перпендикулярном направлении — из плоскости
действия момента, изгибно-крутнльная форма потери ус-
тойчивости).
Устойчивость внецентрепио-сжатых и сжато-изогпу-
тых стержней в плоскости действия момента проверяют
по формуле
о
N
<РВ" ^бр
(8.36)
</?,
где фол — коэффициент понижения напряжений при виецентрепном
продольном изгибе, принимаемый по таблицам значений коэффи-
циент <р продольного изгиба центрально-сжатых стержней в зави-
симости от условий гибкости стержня Хх и приведенного эксцентри-
ситета Ш|.
Условная гибкость стержня равна:
(8.37)
где R и Е—расчетное сопротивление стали и модуль ее упругости.
189
Эксцентриситет mt определяют по формуле
... _ „ Мх /о QO,
1 ~л “ ** ~ 1 л' 1ГЛ ’ (8'38’
где г) — коэффициент влияния формы сечения, принимаемый по таб-
лицам (СНиП 11-23-81*); 1П=1жГс,Р/№*—относительный эксцентри-
ситет; 1*=МХ/М— эксцентриситет приложения силы относительно
оси х—х- Авр — площадь сечеиня стержня брутто; W, — момент со-
противления брутто (у несимметричных сечений для наиболее сжа-
того волокна).
Устойчивость колонн из плоскости действия момента
'(относительно оси у—у) проверяют по формуле
N
а=--------—« R, (8.39)
сФи сПр
где фр — коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии
принимаемый по таблицам значений ф продольного изгиба цент-
рально-сжатых стержней (СНиП 11-23-81*) п зависимости от гиб-
, 'и Р
кости = —; с=—-------------— коэффициент влияния момента
Гу I I ШПх
на устойчивость впецептрепно-сж этого стержня.
Коэффициенты а и ₽ принимают по СНиП П-23-81*.
Относительный эксцентриситет тх определяют:
а) для стержней с концами, закрепленными от сме-
щения перпендикулярно плоскости действия момента—
максимальный момент в пределах средней трети длины
(но не менее половины наибольшего на длине стержня
момента); б) для консолей — момент в заделке.
Элементы сечения колонны (полки, стенка) проверя-
ются на местную устойчивость. Полки двутавровых
сжатых колони проверяют на местную устойчивость по
аналогии с полками центрально-сжатых колонн (см.
§ 20).
Местная устойчивость стенки колонны зависит от со-
отношения сжимающих напряжений в крайнем волокне
(S) стенки и на противоположном краю стенки (Ez)
а = 2 — 272.
а также среднего касательного напряжения в стенке
Т = Q/h^-r бст.
При 0,5<а<1 наибольшие соотношения принимают
по линейной интерполяции между значениями, вычис-
ленными приа=0,5 и а=1.
Если стенка окажется неустойчивой, то увеличивают
ее толщину или укрепляют продольными ребрами.
190
Рис. 8.29. Сечения внеиентреи-
но-сжатых сквозных колони
о — симметричные; б — несиммет-
ричные
Рис. 8.30. К расчету внецент-
ренно-сжатой сквозной колон-
ны
Сквозные внецентренно-сжатые колонны.
Наиболее распространенные типы сечений сквозных
виецентренно-сжатых колонн показаны на рис. 8.29. На-
личие изгибающего момента вызывает существенную по-
перечную силу, поэтому ветвн внецентренно-сжатой ко-
лонны соединяют раскосной решеткой. Симметричные
сечення стержней колонн используют при небольших уси-
лиях или в тех случаях, когда изгибающие моменты дей-
191
ствуют в обе стороны. При одностороннем моменте вет-
ви колонн нагружают неодинаково н более рациональны
несимметричные решения. Ширину обеих ветвей из со-
ображений удобства крепления раскосов решетки обыч-
но принимают одинаковой.
Сквозные колонны работают как фермы с параллель-
ными поясами: расчетные усилия колонны N и М рас-
кладываются по поясам, где возникают только осевые
продольные усилия.
Решетка колонны воспринимает усилия от попереч-
ной силы, фактической или условной (в случае ее боль-
шего значения).
В общем случае несимметричного сечения (рис. 8.30)
продольные усилия в ветвях колонны определяют по
формулам:
для ветви, догруженной изгибающим моментом,
Ne‘ = N~T'+~r ' (84Э)
Ло Ло
для ветви, разгруженной изгибающим моментом,
Nv,=* N, (8.40')
«о Ло
где N и М — расчетные продольная сила и нагибающий момент; </»
и № — расстояния от центра тяжести сечения колонны до центра тя-
жести сечении соответствующих ветвей; Ло={/|+!/2—расстояние
между центрами тяжести сечений ветвей колонны.
Ветви колонны, после определения в иих расчетных
усилий, проверяют на устойчивость в обеих плоскостях
по аналогии с проверкой устойчивости ветвей централь-
но-сжатых сквозных колонн.
Сквозную колонну как единый стержень составного
сечения не проверяют на устойчивость из плоскости
действия момента, так как последняя обеспечивается
проверкой устойчивости в этом направлении обеих вет-
вей.
Для предупреждения скручивания ветви колонны сое-
диняют жесткими поперечными диафрагмами, которые
располагают примерно через 3...5 м.
Элементы решетки сквозной внецентренно-сжатой ко-
лонны рассчитывают на большую из поперечных снл:
реальную, которая определяется при статическом расче-
те, или на условную, найденную так же, как и для цен-
трально-сжатых колонн (табл. 8.9).
192
8.9. Условная поперечная сила QyCM кН
Класс 1 стали 1 С235 1 1 С245 । I С255, 1 С276 । С285 । । C345 । C345K
Русл 0,2F | °’3f l 1 °-,f 1 ’-SF | 0,6F | | 0.7F
Примечание. F — площадь сечении стержни колонны (брутто), см*.
Подбор сечения элементов решетки осуществляют
точно так же, как и в централыю-сжатых колоннах.
§ 25. Примеры конструирования и расчета
сварных колонн
1. Подобрать сечение сплошной сварной колонны двутаврового
сечення нз стали класса С 255 марки ВСт-Зкп2, нагруженной про-
дольной расчетной силой W=2200 кН. Высота колонны /=8 м, опи-
рание через шарнирную базу.
Площадь сечення определим по формуле
е N 2200 lJn ,
тр“ (0,7...0,9)/? ” 0.75-21 “ СМ '
Так как концы колонны закрепляют шарнирно, коэффициент рас-
четной длины колонны р=1, а ее расчетная длина в обоих направ-
лениях равна:
lx = lv = pl = 800 см.
Наименьшие размеры сечения h н ft:
. 1х 800
Л
ах\ 0,42-80 24 СМ5
1У 800
= 41 см.
Ъ> аиК 0,24-80
В связи с тем, что ширина колонны ft не может быть больше
высоты Л, принимаем сечение колонны размерами:
/I ss ft ss 40 см (рис. 8.31,а)
для поясов —2 листа 380X16 площадью 2X38X1.6=121,6 см8; для
стенки— I лист 368X8 площадью 36,8X 0.8= 29,4 см8.
Геометрические характеристики принятого сечения определи
ются:
6ст^т
/.г = + 2fo (/«ст/2 + М2)2 ==
0,8-36,8’
—------— Ч- (2-38-1,6) 19,2’ = 48100 см8;
12
193
Рнс. 8.31. Сечение колонн
а — к примеру I; <5 — к примеру 2
4 = 2—^ = 2 (1,6-38’)/12 = 14600 ем4;
гх = -у~ = 1/48100/151 = 17,9 см;
rv = = V14600/151 = 9,84 см.
Гибкость колонны в обоих направлениях будет соответственно
равна:
Хк = — =800/17,9=44,7;
Ge
194
1.в = — = 800/9,84 = 81,3.
гу
Коэффициент продольного изгиба выбираем по большей нз гиб-
костей фт ,>=0.695 н проверяем устойчивость стержня колонны по
формуле
Л'
2200
о =----------= „ ——— = 20,9 кН/см1 < R = 21 кН/см2.
Vmin Ктр 0,695-lol
Местную устойчивость элементов колонны проверяют по табл.
8.5.
£о/6и= 18,6/1,6= 11,6 < 19 (для стали С 235 гибкости 81,3);
Лет/6ст = 36,8/0,8 = 46 < 40
21
— 4-0,4Х = 40 + 0,4-81,3 =
= 72,5.
2. Подобрать сечение сквозной колонны из двух швеллеров, со-
единенных планками. Данные аналогичны предыдущему примеру.
Требуемую площадь сечения определяем ориентировочно по
формуле, приняв <р=0,85:
FTp = N/q>R = 2200/0,85-21 = 123 см».
По сортаменту швеллеров принимаем два швеллера № 40. площадь
которых Г=61.5-2=123 см1.
Из условия равноустойчнвостн колонны определяем расстояние
между швеллерами по табл. 8.10.
8.10. Приближенные значения радиусов инерции сквозных сечений
(/х=ахЛ и rv=<zv5)
Сечение ад й’ Т^ТТ * 4f нг
0,41 0,38 0,33 0 43
аУ 0.52 0,44 0,6 0,43
b > 1,3
1хЛу
, , „800-0,38
h = 1,3 ---------
800-0,44
40 = 45 см.
Примем ширину сечения 8=50 см (рис. 8.31.6). Геометрические
характеристики сечения колонны:
/х = 2-15220 = 30 440 см4;
195
Jv = 2[70 + Fdasl = 2 (642 + 61,5-22,55s) = 62100 см4;
rs = 30440/123= 15,7 см;
ry = 62100/123 = 22,5 см.
Гибкость стержня и коэффициент продольного изгиба
телыю материальной осн х—х:
1Х 800
Фх = 0,862.
относи-
свобод-
относи-
Для определения приведенной гибкости относительно
ной оси у—у вначале определяем длину и гибкость ветвн
тельно осп 1—1 (по сортаменту) гЯ{ =3,23 см.
Наибольшая длина ветвн
Z„ < 40ги, = 40-3,23 = 129 см.
Расстояние между центрами планок примем /=140 см, что при
высоте планки алл=30см [аПл= (0,5...0,7)/>„.,] дает расчетную длину
ветвн 1В1=И0 см (рис. 8.31,6).
Определим гибкость ветвн относительно осн 1—1 и коэффици-
ент <р
3L = k = 110/3,23 «34; <рв = 0,928.
Приведенную гибкость колонны Х„Р относительно оси у—у оп-
ределяем по формуле (8.30) н соответствующий ей коэффициент про-
дольного изгиба фу:
\ip = V % + ^35,5»+ 34»- 50; Ф = 0,867.
Здесь
Гу = — = 800/22,5 = 35,5.
'у
Устойчивость колонии проверяется по формулам (8.36) и (8.39)
относительно материальной оси х—х и свободной оси у—у:
N 2200
° = W = о яло юч = 20’8 кН/см* < Я = 21 кН/см2;
Фх г V,8o2* 123
N 2200 ____
W = пмт ют = 20’7 кН/см= < Я = 21 кН/см2.
Фу г 0,867-123
Расчет соединительных планок.
Высоту планок примем
</пл = (0,5...0,7) д = 0,6-50 = 30 см;
толщину планок
о =
6ил>~^’=35’ = 1см-
196
Условная поперечная сила для расчета планок
QUJI = 0,2F = 0,2-123 = 24,6 кН.
Усилия в планках определяем по формулам:
Тпл==^=2^М=39,5кН:
2с 2-44,5
(?усл/ 24,6-140
/Ипл= = ——--------= 660 кН/см.
4 4
Выбираем катеты швов, прикрепляющих планки к ветвям,
=0,8 см и проверяем их на прочность по формуле (8.21). Для этого
находим напряжения в шве от изгиба н среза
о.™шС
6
7* ил
39 5
тш= ———— = —-—*_ „ = 2,35 кН/см2.
0.7Лш</ил 0,7-0,8-30
Равнодействующее напряжение.
Ill • ш
“1В
= 10,6 кН/см2< R™ = 15 кН/см4.
§ 26. Сварные фермы. Назначение, нагрузки,
классификация
Решетчатые конструкции, работающие на изгиб, на-
зываются фермами. Фермы состоят нз отдельных стерж-
ней, соединяющихся в узлах и образующих геометриче-
ски неизменяемую систему. Если ферма в целом работает
на изгиб, то в ее конструктивных элементах возни-
кают только продольные усилия сжатия или растяже-
ния. Это позволяет более рационально использовать ма-
териал (металл) по сравнению, например, с балками.
Фермы более экономичны по расходу металла, однако
более трудоемки в изготовлении. Поэтому их применя-
ют для перекрытия больших пролетов прн относительно
небольших нагрузках.
Ферма включает в себя три основных конструктивных
элемента — верхний и нижний пояса и решетку, состо-
ящую, как правило, из раскосов и стоек. Расстояние
между узлами решетки фермы называется панелью,
а расстояние между ее опорами — пролетом.
197
ВЕРХНИЙ ПОП
Рис. 8.32. Элементы ферм н нх классификация по очертанию поясов
и типу решетки
а — с параллельными поясами; б — полигональные; в — арочные (сегмент-
ные); г — треугольные; д — с треугольной решеткой: е—с раскосной решет-
кой: ас —со шпрснгслыюй решеткой; э. и, к — со спсцнальнымн решетиамн
Фермы классифицируют по различным признакам:
по назначению — фермы мостов, покрытий (стро-
пильные и подстропильные), транспортных эстакад, гид-
ротехнических затворов, грузоподъемных кранов и т. д.;
по профилю очертания поясов — фермы с параллель-
ными поясами, полигональные, арочные и треугольные
(рис. 8.32, а—г). Очертание поясов фермы определяется
назначением фермы и принятой конструктивной схемой
всего сооружения;
по системе решетки — фермы с треугольной решеткой
и треугольной с дополнительным стойками (рис. 8.32, о),
фермы с раскосной (рис. 8.32, е), шпренгельной решет-
кой (рис. 8.32, ж) и решетками специальных типов: крес-
товой, ромбической, полураскосной (рис. 8.32, э, и, к).
Чаще всего в фермах применяют наиболее простую
в исполнении треугольную решетку. Дополнительные
стойки ставят тогда, когда в месте их расположения
прикладываются сосредоточенные силы или возникает
необходимость в уменьшении длины панели верхнего,
сжатого пояса.
198
В раскосной решетке все раскосы имеют усилие од-
ного знака, а все стойки — противоположного. При вос-
ходящем направлении раскосов стойки растянуты, а при
нисходящем—сжаты. Шпренгельную решетку применя-
ют в случае более частого приложения сосредоточенных
сил к верхнему поясу. Крестовую решетку в фермах ис-
пользуют при двухсторонней нагрузке. Крестовые рас-
косы, как правило, проектируют из гибких элементов,
которые воспринимают только растягивающие усилия,
а при сжатии выключаются из работы. Благодаря это-
му ферму с крестовой решеткой рассчитывают как ста-
тически определимую систему.
Решетки ромбические и полураскосные применяют
редко, в основном в конструкциях с большими попереч-
ными силами.
По виду статической схемы фермы бывают неразрез-
ными, разрезными и консольными. В зависимости от уси-
лий в элементах фермы нх разделяют на легкие (проле-
том до 50 м с наибольшим усилием в поясах Л;1Пах =
=5000 кН) и тяжелые. По конструктивному решению —
на обычные, комбинированные и с предварительным на-
пряжением.
Чаще всего используют в сечениях элементов фермы
спаренные уголки. Комбинируя сечения из равнобоких
и неравнобоких уголков, соединяя нх малыми и больши-
ми полками, можно получить сечение, равноустойчивое
в обеих плоскостях, которое хорошо работает на про-
дольную силу.
В узлах фермы стержни соединяются при помощи
листовых фасонок (рис. 8.33, а), хотя возможно и бес-
фасоночное соединение раскосов с поясами (рис. 8.33, б).
Фермы из открытых гнутых или гнутосварных профи-
лей обычно иа 15...20 % легче, чем фермы из парных
уголков. Гнутые открытые и гнутосвариые профили по-
ставляет металлургическая промышленность, хотя в по-
следние годы их производство организовано непосред-
ственно на заводах металлических конструкций.
Трубчатое сечение элементов ферм, весьма рацио-
нальное по расходу металла (рис. 8.26, в), имеет высо-
кую коррозионную стойкость. Однако трудоемкость из-
готовления таких узлов выше из-за сложности примы-
кания отдельных элементов друг к другу и применение
их ограничено.
Тяжелые фермы с усилиями в стержнях выше 5000 кН
199
Рис. 8.33. Типы сечений стержней ферм
о — иэ прокатных уголков; б — из гнутых профилей; в — нз труб
обычно делают из прокатных или сварных двутавров
(или тавров). Передачу усилий от элементов решетки
к поясам осуществляют через две фасонки. Поэтому та-
кие фермы называют двухстенчатыми.
200
§ 27. Сварные фермы. Методы определения
расчетных усилий в стержнях
Стропильные фермы рассчитываются на следуй щие
виды нагрузок:
1. Постоянные нагрузки от веса кровли и собствен-
ного веса несущих конструкций покрытия.
2. Временные нагрузки от снега, ветра и т. д.
3. Прочие нагрузки, которые могут восприниматься
фермами (от подъемио-транспортного оборудования
и др.).
I. Постоянные нагрузки от веса кровли и собственно-
го веса конструкций стропильных ферм, связей по по-
крытию принимаются равномерно распределенными.
Если ферма воспринимает большие сосредоточеные на-
грузки (свыше 30—50 кН), то они учитываются по фак-
тическому расположению.
Для определения постоянной нагрузки иа 1 м2 покры-
тия используют формулу
? = ?ф/соза, (8.41)
где <7ф — фактический вес кровельной конструкции на 1 м’; а —угол
наклона кровли к горизонту.
Если уклон кровли не превышает */в. принимают
cos а=1.
Расчетную погонную нагрузку иа ферму определяют
по формуле
9Р = ?В. (8.42)
где В — шаг стропильных ферм.
Узловые силы иа ферму определяются умножением
нагрузки на длину панели верхнего пояса*/ (рис. 8.34, а):
P = qvd. (8.43)
Нагрузки от снега (нормативная на 1 м2 площади)
регламентируются СНиП 2.01.07—85 «Нагрузки и воз-
действия» и рассчитываются по формуле
Р" = Рос, (8.44)
где Ро—вес снегового покрова на I м’ (принимается по СНиПу
в зависимости от географического района СССР); с — коэффициент,
зависящий от конфигурации кровли.
Расчетная нагрузка на 1 м2 кровли определяется по
нормативной нагрузке с учетом коэффициента перегруз-
ки п, принимаемого равным 1,4...1,6 в зависимости от
201
Рис. 8.34. К опре-
делению нагрузок
на стропильные
фермы
I ВАРИАНТ
11 ВАРИАНТ
отношения нормативного веса покрытия к нормативно-
му весу снегового покрова.
Расчетную погонную нагрузку от снега иа ферму на-
ходят, умножая нагрузку 1 м2 кровли на шаг ферм В:
Рр = пР«В. (8.45)
Коэффициенты с для одиопролетных и миогопролет-
ных зданий при сопряженности кровли в одном уровне
принимают в соответствии с рис. 8.34. Для бесфонарных
кровель (рис. 8.34, б) при угле наклона кровли а^25°
коэффициент с=1 и при а>60° с=0. Промежуточные
значения коэффициентов с определяются линейной ин-
терполяцией.
В случае двускатного покрытия с углом наклона
20°...30° включительно учитывают второй вариант нагру-
жения снегом: равномерно распределенная нагрузка
с коэффициентом с=0,75, с одной стороны, и равномер-
но распределенная нагрузка с коэффициентом с =1,25,
с другой.
При более сложных конфигурациях покрытия с пе-
репадами пролетов по высоте снег сдувается иа ниже*
202
Рнс. 8.35. К расчету ферм
а — расчетная схема шпренгсля: б — местный изгиб пояса
лежащие фермы с высоких пролетов и образуется зона
повышенных нагрузок (снеговые мешки). Определяют
эти нагрузки по СНиП 2.01.07—85.
Расчетные узловые силы иа ферму от веса снега оп-
ределяют умножением расчетной погонной нагрузки на
длину панели верхнего пояса d.
2. Определение усилий в стержнях фермы. Определе-
ние усилий в стержнях производится графическим или
аналитическим способом. Для ферм с наклонными поя-
сами используют графический способ при помощи диаг-
раммы усилий Кремоны. Для этого определяют опорные
реакции фермы, обозначают (цифрами и буквами) поля
между силами и стержнями, строят диаграмму усилий.
Расчет узлов выполняют таким образом, чтобы в каж-
дом последующем узле было не более двух неизвестных
усилий.
В фермах со шпренгелямн узловые нагрузки со-
бирают по основным узлам, считая, что шпренгелей нет.
Строят диаграмму усилий. После этого рассматривают
шпреигельный элемент (рис. 8.35, а) — выделен жирны-
ми линиями — как самостоятельную ферму. В этой фер-
ме при помощи диаграммы Кремоны находят усилия от
силы иа стойку шпренгеля Рк. Затем к усилиям основной
фермы добавляют усилие от шпреигельного элемента иа
участках их совпадения. Эти усилия н будут расчетны-
ми для шпренгельиой фермы.
В некоторых случаях не все силы совпадают с узла-
ми ферм (например, для покрытий из плит или панелей
шириной 1,5 м в фермах с размером панели d=3 м).
Здесь продольные усилия в элементах фермы определя-
ют от всей нагрузки, собранной в сосредоточенные силы
203
по узлам фермы. Сила Рм, действующая между узлами,
создает в стержне дополнительный местный изгибающий
момент Мы по аналогии с балкой (рис. 8.35, б). В резуль-
тате такой элемент будет работать на внецентренное
сжатие от продольной силы и местного изгибающего мо-
мента. Это учитывается при подборе сечения такого эле-
мента.
Учитывая, что пояс неразрезиой, местные изгибаю-
щие моменты, определенные как для свободно опертых
балок, могут быть уменьшены на 10 % для всех пане-
лей, кроме опорной. В конкретных случаях необходимо
учитывать, что местный изгиб значительно утяжеляет
ферму по сравнению со шпренгельной фермой. Вместе
с тем шпренгельная решетка более трудоемка в изготов-
лении.
Более просто аналитическим путем расчетные усилия
определяются в фермах с параллельными поясами. Здесь
все размеры принимаются по осевым линиям, проходя-
щим через центры тяжести сечений элементов.
3. Расчетные длины стержней ферм. Стержни фермы
воспринимают продольные усилия сжатия или растяже-
ния. Несущая способность сжатого стержня зависит от
его расчетной длины и определяется потерей устойчиво-
сти
/р = Ц|. (8.46)
где ц — коэффициент, зависящий от способа закрепления концов
стержня; / — геометрическая длина стержня (расстояние между
центрами узлов).
Устойчивость стержней проверяют в двух направле-
ниях— в плоскости фермы и из плоскости фермы, так
как заранее нельзя определить, в каком из этих возмож-
ных направлений будет происходить потеря устойчиво-
сти фермы.
Несущая способность растянутых стержней не зави-
сит от длины. Однако тонкие и длинные растянутые
стержни могут провисать под влиянием собственной мас-
сы и колебаться под воздействием внешних нагрузок.
В связи с этим гибкость растянутых элементов фермы
ограничена нормами, и поэтому для ее определения так-
же необходимо знать расчетные длины растянутых стер-
жней как в плоскости, так и из плоскости фермы.
Расчетную длину всех стержней фермы принимают
равной расстоянию между центрами узлов (рис. 8.36),
за исключением промежуточных раскосов и стоек, при-
204
Рис. 8.36. К определению расчетных длин стержней ферм
7 — плиты покрытия: 2 — свяэсвая распорка: 3 — связи;---направления
выпучивания фермы в плоскости и из плоскости
мыкающих к растянутому поясу. Растягивающее усилие
в нижнем поясе препятствует повороту нижнего узла
(рис. 8.36), поэтому стержни решетки имеют схему
с шарнирным опиранием вверху и частичным защемле-
нием внизу и их расчетная длина равна 0,8 геометриче-
ской длины, т. е. расстояния между центрами узлов.
К опорному раскосу растянутый нижний пояс подхо-
дит только с одной стороны, что не обеспечивает за-
щемления. Поэтому его расчетная длина принимается
равной геометрической длине.
Устойчивость фермы из плоскости обеспечивают эле-
менты покрытия и связи по верхним и нижним поясам.
По верхним поясам укладываются прогоны или плиты
покрытия. В коньке фермы обычно устанавливают свя-
205
зевую распорку, обеспечивающую устойчивость ферм
в процессе монтажа, а также служащую опорой фермы
из плоскости при наличии фонаря.
Нижний пояс фермы закрепляется системой связей по
нижним поясам. За расчетную длину поясов ферм при-
нимают расстояние между точками, закрепленными от
смещения из плоскости фермы связями, плитами пли
прогонами с коэффициентом ц=1.
У раскосов и стоек фермы в направлении из плоско-
сти расчетная длина равна расстоянию между центрами
узлов, так как небольшая жесткость поясов на кручение
и гибкость узловых фасонок приближают работу
этих стержней к схеме с шарнирным опиранием
концов.
Подбор сечений стержней ферм. Наиболее распрост-
раненное сечение поясов стропильных и подстропильных
ферм — тавровое, образованное парой уголков. В конст-
руктивном отношении такое сечение очень удобно, так
как обеспечивает простое соединение стержней в узлах.
Кроме того, уголковый профиль позволяет легко комби-
нировать типы уголков (равнополочиые или неравиопо-
лочные) и соединять нх в сечении (полками в сторону).
Это позволяет конструировать стержни с различными
радиусами инерции гх и гу и, следовательно, при различ-
ной расчетной длине 1Х и 1У в плоскости и из плоскости
фермы отдельных ее элементов подобрать наиболее эко-
номичные, равноустойчивые сечения (с одинаковой гиб-
костью Хх и Ху) в обоих направлениях.
В табл. 8.11 приведены различные сечения из уголков
и даны соотношения их радиусов инерции.
Верхние пояса ферм из плоскости раскреп-
ляют прогонами или плитами покрытия в каждом узле,
и тогда расчетные длины будут 1Х—1У\ илн через узел,
и тогда соотношение расчетных длин станет 1У=21Х.
В первом случае наиболее экономичным было бы сече-
ние пояса из двух неравнополочных уголков, поставлен-
ных малыми полками в сторону (гхжгу). Однако такое
сечение применяется редко, так как вследствие неболь-
шой ширины пояса фермы оно неудобно при транспор-
тировании и монтаже. По этим соображениям при 1Х=
—1и чаще применяют сечение верхнего пояса из двух
равиополочных уголков. При расчетной длине пояса из
плоскости фермы вдвое большей, чем в плоскости фермы
(/9=2/х), наиболее рационально сечение из неравнопо-
206
8.11. Соотношения радиусов инерции сечений из уголков
Состав сечений
Соотношения
радиусов
инерцнн
Состав сечений
Соотношения
радиусов
инерцнн
'у 2г
Продолжение табл. t.fl
У
У
лочных уголков, поставленных большими полками в сто-
рону (гу^2гх).
Нижние пояса ферм обычно работают на рас-
тяжение, поэтому соотношение радиусов инерции сече-
ния не влияет на их несущую способность. Однако для
обеспечения требований по предельной гибкости, а так-
же из условий транспортировки и монтажа более раци-
онально широкое сечение из неравнополочных уголков,
поставленных большими полками в сторону.
Опорные раскосы имеют одинаковую расчет-
ную длину в плоскости и из плоскости фермы (1Х=1У).
Поэтому наиболее рациональное для них сечение из не-
равнополочиых уголков, поставленных малыми полка-
ми в сторону (гх=гу).
Промежуточные раскосы и стойки при
сжимающих усилиях проектируют из равнополочных
уголков (г* «0,8 гу). Растянутые элементы решетки мо-
гут приниматься и из неравиополочных уголков, если
можно подобрать их сечение с меньшей площадью. Стой-
ки ферм с примыкающими связевыми элементами обыч-
но проектируют крестового сечения. В этом случае их
207.
гибкость определяется наибольшей расчетной длиной
(1У из плоскости фермы) и минимальным радиусом инер-
ции гх- Для вспомогательных элементов решетки (шпрен-
гелей) иногда принимают сечения из одиночных уголков.
В этом случае их гибкость также определяется большей
расчетной длиной и минимальным радиусом инерции.
Наибольший неравнополочный уголок 250X160X20
имеет площадь сечения 78,5 см2, поэтому при очень боль-
ших усилиях в стержнях для всех элементов приходится
применять равнополочные уголки, площадь сечеиия ко-
торых 142 см2 (для уголка 250X30).
Для трубчатых ферм диаметр труб поясов рекомен-
дуется принимать не более чем в три раза большим диа-
метра труб решетки. Толщина стенки труб поясов и опор-
ных раскосов желательна не менее 3 мм, отношение
толщины стенки к диаметру трубы '/«.J/ts. Для проме-
жуточных раскосов и стоек толщину стенок труб можно
брать до 2 мм с отношением ее к диаметру трубы до
1/во-
Сечения сжатых стержней обычно подбирают, начи-
ная с элементов, воспринимающих большие усилия. Тре-
буемая площадь двух уголков
FTp = JV/(<pR) = Nl[ (0,6.. .0,9) R|, (8.47)
где N—расчетное усилие в стержне; <р — коэффициент продольного
изгиба, равный: для поясов 0.7...0.9, для элементов решетки 0.6...0.8;
R — расчетное сопротивление стали.
По сортаменту подбирают близкие по требуемой пло-
щади сечеиия уголки, исходя из их геометрических ха-
рактеристик составляют сечение из двух уголков и опре-
деляют гибкости стержня в обоих направлениях (в плос-
кости и из плоскости фермы) по формулам:
^х = ^х/гх!
где 1Х и lv — расчетные длины стержня в плоскости и из плоскости
фермы.
Для сжатых стержней следует выбирать по сортамен-
ту уголки с наиболее тонкими полками, так как они об-
ладают большей жестокостью и несущей способностью
(даже по сравнению с сечениями, имеющими большую
площадь, но более толстостенными). Наибольшая гиб-
кость стержней нормирована и зависит от вида элемен-
та фермы и ее материала. Поэтому, определив гибкости
стержней, их следует сравнить с предельными (табл.
8.12).
208
8.12. Предельная гибкость [X] сжатых элементов
Элемент конструкции
Для
стальных
конст-
рукций
Для алю-
миниевых
конст-
рукций
1. Пояса, опорные раскосы и стойки ферм,
передающие опорные реакции
2. Прочие элементы ферм
3. Верхние пояса стропильных ферм, оста-
ющихся не закрепленными в процессе
монтажа (предельная гибкость после за-
вершения монтажа должна соответство-
вать п. 1)
4. Основные колонны
5. Второстепенные колонны (стойки фах-
верка. фонарей и т. п.), элементы верти-
кальных связей между колоннами (ниже
подкрановых балок)
6. Связи (кроме указанных в п. 5)
7. Стержни, служащие для уменьшения
расчетной длины сжатых стержней,
и другие неработающие элементы
120 100
150 120
220 170
120 100
150 120
200 150
200 150
После определения предельной гибкости проверяют
напряжения в принятом сечении
a = W/(<PminFcp)<^. (8.48)
где Фт;п—коэффициент продольного изгиба, принимаемый по боль-
шей нз гибкостей X» или Xv; Гер — площадь сечення выбранных
уголков.
Если напряжение окажется больше расчетного сопро-
тивления или значительно меньше его, то берут другой
набор уголков и вновь проверяют их расчетом.
Усилия в панелях верхнего пояса фермы имеют раз-
личные значения и теоретически надо бы подбирать раз-
ные сечеиия. Однако ферма в этом случае будет очень
иетехнологичиой в изготовлении, так как будет иметь
большое количество стыков. На практике для ферм про-
летом 18...24 м применяют одно сечение иа всей длине
пояса, а для ферм большего пролета делают пояс из
двух сечеиий.
В шарнирно опертых фермах крайние панели вообще
не имеют усилий, поэтому один из поясных уголков об-
рывается в узле у опорного раскоса. В некоторых слу-
чаях в этой панели обрывают оба поясных уголка и за-
209
меняют их другими, минимального по предельной гиб-
кости сечения.
В процессе погрузки, перевозки, монтажа длинные
гибкие элементы могут быть деформированы, поэтому
напряжения в раскосах и стойках ферм (исключая опор-
ный раскос) проверяют введением коэффициента усло-
вий работы т, учитывающего эти факторы:
о = Л'/(т<рД) < R, (8.49)
где /?1=0,8 — для элементов решетки при гибкости более 60 (по этим
же соображениям для любых сечений стержней ферм не использу-
ют уголки менее Б0Х4 мм).
В фермах из труб в зоне примыкания раскосов и стоек
к поясам напряжения распределяются по сечению тру-
бы неравномерно, поэтому элементы решеток, работаю-
щие на сжатие при гибкости Л<60, проверяют иа проч-
ность без учета коэффициента <р, с коэффициентом усло-
вий работы т=0,8.
Сечение растянутых стержней подбирают, начиная
с элементов, воспринимающих наибольшие усилия.
Площадь сечеиия определяется по формуле
fTp=W//?. (8.50)
По сортаменту выбирают ближайшие по площади
уголки, выписывают геометрические характеристики се-
чения, составленного из двух уголков, и определяют гиб-
кости стержня в плоскости н из плоскости фермы. Наи-
большая гибкость растянутых стержней также норми-
рована и зависит от вида элемента фермы, условий ее
работы и материала конструкции (табл. 8.13).
Если гибкость подобранного элемента не превосходит
предельной, то проверяют фактические напряжения
в стержне по формуле
c = NlFw<R. (8.51)
В фермах из труб по тем же причинам, что и в сжа-
тых элементах, при проверке прочности вводится коэф-
фициент условий работы лг=0,8.
С целью экономии материала для нижних поясов
ферм иногда применяют комбинацию из двух сечений
со стыком в узлах.
По мере приближения к середине фермы усилия
в раскосах уменьшаются. Таким образом фактором, оп-
ределяющим сечение средних раскосов, является пре-
дельная гибкость. Если средние раскосы имеют неболь-
210
8.13. Предельные гибкости [X] растянутых элементов
Для конструкций
Элемент конструкции
Пояса и опорные раско-
сы ферм
Прочие элементы ферм
Нижние пояса подкра-
новых балок и ферм
Элементы вертикальных
связей между колонна-
ми (ниже подкрановых
балок)
Прочие элементы связен
400 250 250
400 350 300
— 150 150
300 300 200
400 400 300
Примечания: I. В сооружениях, не подвергающихся динамическим
воздействиям, гибкость растянутых элементов проверяется только в верти-
кальной плоскости. 2. Гибкость растянутых элементов связей, подвергнутых
предварительному напряжению, нс ограничивается 3. При проверке гибкости
растянутых стержней перекрестной решетки из одиночных уголков радиус
инерции сечения уголка принимается относительно осн. параллельной полке
уголка.
шое усилие растяжения (до 100 кН), то при случайной
односторонней нагрузке (например, при монтаже плит
на прогоне, очистке снега п др.) усилие может умень-
шиться и перейти в сжатие. С учетом этого в средних
слабо растянутых раскосах гибкость должна быть не
более 150 и подбирают ее по предельной гибкости для
сжатых стержней.
Если пояс состоит из различных сечеиий, смещение
центров тяжести уголков (эксцентриситет осей) не дол-
жно превышать 5% высоты пояса. В противном случае
в узле возникают значительные изгибающие моменты,
которые необходимо учитывать расчетом.
Определяя радиус инерции суммарного сечения нз
двух уголков, необходимо учитывать расстояние в све-
ту между параллельными полками, которое определя-
ется толщиной фасонок фермы. Толщина фасоиок зави-
сит от усилий в стержнях фермы и может быть принята
по табл. 8.14.
211
8.14. Рекомендуемые толщины фасонок ферм
Наибольшее рас- четное усилие в опорном раскосе» кН До 200 200...450 450...750 750...1150
Толщина фасо- нок. мм 8 10 12 14
Продолжение табл. 8.14
Наибольшее рас-
четное усилие
опорном^аскосс.
1150...
1650...
2250
2250...
3000
3000...
3800
До 5000
1650
Толщина фасо-
нок. мм
18 20 22
25
Фасонки обычно принимаются одной толщины. Одна-
ко для ферм с большими пролетами допускается делать
опорные фасонки на 2 мм толще, чем промежуточные.
Для подбора сечения стержней ферм удобно поль-
зоваться табличной формой без промежуточных вычис-
лений. Такие таблицы дают возможность выполнить рас-
четы в компактной форме и контролировать все факторы.
После расчета всех сечений стержней фермы необхо-
димо определить общее число используемых на ферму
профилей. Если в ферме пролетом до 24 м окажется
больше 5...6 профилей, а в ферме пролетом более 24 м—
7...9, то близкие профили принимаются по большему се-
чению и общее число профилей уменьшается.
§ 28. Основные принципы конструирования
сварных ферм
При конструировании фермы решается несколько за-
дач.
В первую очередь определяется геометрическая
схема и центрация узлов.
Схему фермы (рис. 8.37, а) строят таким образом,
чтобы центры тяжести сечения совпадали с осевыми ли-
ниями. В фермах со стержнями из парных уголков при-
вязка обушков к осевым линиям z (рис. 8.37,6) берется
212
Рис. 8.37. Геометрическая схема фермы н центрация узлов
а — геометрическая схема фермы: б — опорный узел; в — промежуточный
узел: г — неправильно центрированный узел
по таблицам сортамента уголков и округляется до 5 мм.
В некоторых случаях вначале задаются габариты
фермы — высота стропильных ферм по граням поясных
уголков й (рис. 8.37, б). Здесь геометрическая высота
фермы иа опоре йоп будет зависеть от привязки к осям
поясных уголков zt и Zz, уклона верхнего пояса i и рас-
стояния разбивочной оси до грани фермы а:
йоп=(Л + «0 — 1+»г)-
213
Непременное условие — схождение осевых линий
стержней в одной точке (см. рис. 8.37, в). Если это усло-
вие не будет соблюдено, то сходящиеся в узле силы не
будут уравновешены (рис. 8.37, г), что приведет к обра-
зованию в узле дополнительного изгибающего момента
M=N3l, который будет изгибать сходящиеся в узле
стержни. Если ферма имеет переменное сечение поясов
по длине, то принимают одну осевую линию поясов в гео-
метрической схеме и к ней привязывают обушки пояс-
ных уголков. Если пояса фермы состоят из разных
сечений уголков, наружную кромку поясных уголков вы-
держивают на одном уровне с целью облегчения устрой-
ства стыков и укладки элементов кровли. Следят за тем,
чтобы смещение центров тяжести поясов с оси не пре-
вышало 5 % высоты пояса. В противном случае необхо-
димо учитывать моменты, возникающие в узлах.
При последующей разработке рабочих чертежей
214
(КМД) длины стержней фермы в геометрической схеме
определяются с точностью до I мм.
После определения геометрической схемы определя-
ется конструкция промежуточных узлов.
Типичные конструкции промежуточных узлов ферм с се-
чениями из уголков приведены на рис. 8.38. Последова-
тельность компоновки таких узлов следующая. Сначала
к намеченным осевым линиям привязываются поясиые
уголки, что позволяет определить положение торцов стер-
жней решетки к узлам. С целью уменьшения сварочных на-
пряжений в узлах н, как следствие, трещин, торцы стер-
жней решетки не доводят до поясов на 40...50 мм (рис.
8.38, а, в, г). Затем рассчитывают длину швов, прикреп-
ляющих стержни в узле. По длине сварных швов опре-
деляют размеры фасонки. Стержни решетки приварива-
ют к фасонкам фланговыми швами. Продольная сила N
воспринимается швами пера и обушка, длина которых
обратно пропорциональна расстоянию от центра тяжес-
ти уголка до его краев. Длина шва на обушке опреде-
ляется по формуле
N(b-z)/b
2-0,7Лш/?“ ’
длина шва на пере
(8.52)
(8.53)
fn _ Wb
“ 2 0,7йш^’ ’
центра тяжести уголка до его обушка: Ь —
где z — расстояние от
ширина полки уголка.
Часто в расчетах доли силы N, приходящиеся на обу-
шок и перо, принимают по табл. 8.15.
Принимая во внимание наличие радиуса закругления
у пера, наибольшая толщина шва принимается: для угол-
ков толщиной до 6 мм Яш=4 мм; для уголков толщиной
7...16 мм /гш=б—2 мм и для уголков толщиной более
16 мм /1ш=6 — 4 мм. Со стороны обушка наибольшая
толщина шва не должна превышать 1,2 6 (где б—мень-
шая из толщин уголка или фасонки). Как правило, стре-
мятся сократить число катетов в пределах одного отпра-
вочного элемента до трех-четырех. При расчете размеров
фасонок по длине швов учитывают непровар в конце
швов па длине примерно 1 см.
Швы, соединяющие узловые фасонки, раскосы и стой-
215
8.15. Доля усилия иа сварные швы обушка и пера
ки, рассчитывают на усилия в последних. Швы, прикре-
пляющие фасонки к поясам с постоянным сечением, рас-
считывают на разность усилий в смежных панелях по-
яса, например ДОг—Ni (рис. 8.38, а). Часто по расчету
эти швы получаются небольшой длины. Их принимают
сплошными по всей длине фасонки и минимального ка-
тета.
В узлах, где к поясу подходят только стойки, раз-
ность усилий равна нулю (рис. 8.38, в). В этих случаях
крепление стойки к фасонкам и фасонок к поясу рас-
считывается па усилие в стойке Nct.
Для стропильных ферм, воспринимающих нагрузку от
крупнопанельных железобетонных плит, при толщине
полок уголков менее 10 мм (при шаге ферм 6 м) и менее
14 мм (при шаге ферм 12 м) поясные уголки в местах
опирания устанавливают приваркой сверху опорных
листов толщиной I0...I2 мм (рис. 8.38, б).
Усиливающие листовые (или уголковые) накладки
используются, если поясные уголки прерываются в узле
216
(рис. 8.38, г). Следует отметить, что использование лис-
товых усиливающих накладок более предпочтительно,
так как уголковыми накладками можно перекрывать по-
ясные уголки только с одинаковыми толщинами полок.
Узел с прерванными поясами работает в сложных усло-
виях и расчет его в достаточной степени условен.
На практике обычно между соединяемыми поясами
оставляют зазор 40...50 мм, а уголок с усилием заводят
иа 300...500 мм за центр узла. Толщина накладки при-
нимается не менее толщины фасонки, а ее площадь дол-
жна быть не менее площади выступающего пера мень-
шего пояса, т. е. такой, чтобы была обеспечена прочность
ослабленного сечения. Это сечепие представляет собой
тавр, работающий• на внецентренное растяжение или
сжатие. Его прочность определяется по формуле
о = Wp/FT 4-Л1ЖТ </?. (8.54)
где Л'р — расчетное усилие о элементе, принимаемое на 20 % боль-
ше действительного, т. е. Л'Р = 1,2 Nt (поправка па особенности рабо-
ты узла); M=Nf,e—изгибающий момент (е — эксцентриситет силы
Ni относительно центра тяжести тавра); F, и W7, — плошадь и мо-
мент сопротивления тавра.
В некоторых случаях пользуются упрощенным при-
емом проверки таких сечений по формуле
o = Wp/Fyca <Я. (8.55)
где Гусл=£н+26сбф — условная расчетная площадь, состоящая из
площадей накладок н части площади фасонки высотой 2Ь (Ь — ши-
рина полки прикрепляемого уголка—рис. 8.38. г).
Расчет швов, соединяющих листовую накладку и по-
яса, производят на усилие в накладке
Nu = Fna, (8.56)
где п— напряжение в накладке, определенное по формуле (8.55).
Швы, соединяющие уголки пояса и фасонки, рассчи-
тывают на усилия (расчетные) в поясах без учета уси-
лия, передаваемого с уголка на уголок накладкой, со-
ответственно: 1,2 /Vi — 2 N„ и 1,2 Д^2—2W, однако не
меньше, чем 1,2 /Vi/2 и 1,2 N-J2.
Как правило, узловые фасонки на 15...20 мм выпус-
кают за обушки уголков для размещения угловых швов.
Конфигурация узловых фасонок должна быть простой,
с минимальным числом резов, чтобы при раскрое листа
отходы металла были небольшими.
Опорные узлы конструктивно могут решаться по-
217
озг
Рис. 8.40. Укрупиитсльиые узлы ферм
а — сварной с уголковыми накладками; б — сварпой с листовыми накладка-
ми; в — на высокопрочных болтах с листовыми накладками
сечеиии прерывается только один поясной уголок. Мес-
та стыка поясных уголков перекрываются уголковой на-
кладкой и фасонкой.
Для обеспечения работы элементов ферм из парных
уголков как единого стержня применяют соединительные
прокладки (рис. 8.42). Прокладки располагаются вдоль
сжатых стержней на расстоянии /^40 г, вдоль растяну-
тых стержней Z(^80r (где г—радиус инерции уголка
относительно оси, параллельной плоскости расположе-
ния прокладок). Между узлами в сжатых элементах
должно быть не менее двух прокладок.
Если не ставить соединительные прокладки, то под
воздействием сжимающей силы каждый уголок будет ра-
ботать раздельно. Несущая способность двух отдельных
уголков меньше, чем соединенных прокладками.
Обычно прокладки делают шириной 60...80 мм, дли-
ной— на 20...50 мм больше ширины уголков. Число ти-
поразмеров прокладок не должно превышать двух-трех.
221
Рис. 8.41. Укруп-
нительный стык
поясов с уголками
вразбежку
Рис. 8.42. Расста-
новка соединитель-
ных прокладок
§ 29. Принципы расчета сварных ферм
При расчете ферм придерживаются следующей по-
следовательности: определяют нагрузку на ферму и рас-
считывают узловые силы; определяют расчетные усилия
во всех стержнях фермы и подбирают их сечеиия; рас-
считывают и конструируют соединения, узлы и детали.
Нагрузками, действующими на стропильную ферму,
являются:
постоянные нагрузки от веса кровли и собственного
веса несущих конструкций покрытия;
временные нагрузки от снега;
прочие нагрузки от подвесного транспорта, подвесно-
го потолка, подвесных трубопроводов и т. д.
222
§ 30. Примеры конструирования и расчета сварных ферм
Ферма имеет светоаэргшюниый фонарь высотой 4 м и шириной
12 м. Швг фермы в продольном направлении 12 м. Покрытие из
стального профилированного пастила Н 79-680-1. уложенного по
прогонам, утеплителя ФРП-1, рубероидного ковра и защитного гра-
вийно-битумного слоя толщиной 15 мм. Нормативная снеговая на-
грузка Р"=1 кН/м’ (III снеговой район).
Материал фермы — сталь класса С255. Схема фермы в осях
показана иа рис. 8.43, в (высота фермы по обушкам поясных угол-
ков равна 3150 мм).
Рассчитать и запроектировать шарнирно-опорную ферму произ-
водственного здания пролетом 30 м.
I. Определение расчетных нагрузок
Постоянная нагрузка. Нагрузка от веса покрытия при-
нята равномерно распределенной по пролету, ее значение на 1 м’
подсчитано по табл. 8.16.
8.16. Постоянные расчетные нагрузки
Нагрузка Нормативная нагрузка. кН/м1 Коэффициент перегрузки Расчетная нагрузка. кН/м*
Защитный гравийно-битумный слой (6=15 мм) 0,27 1,2 0,32
Рубероидный ковер на битум- ной мастике 0,15 1.1 0,17
Утеплитель ФРП-1 0,05 1.2 0,06
Стальной профилированный пастил Н 79-680-1 0,15 1.1 0,17
Прогоны 0,25 1,1 0,27
Собственный вес металлокон- струкций (фермы, связи, фона- ри) 0,5 1,1 0,55
Расчетная нагрузка па единицу длины (рис. 8.43. а)
q= 1,54-12= 18,5 кН/м.
Снеговая нагрузка. Для фермы с фонарем должны рас-
сматриваться два варианта снеговой нагрузки (рис. 8.43,6). Равно-
мерно распределенная расчетная нагрузка на единицу длины фермы
Рр= 1,4-1-12 = 16,S кН/м,
где коэффициент перегрузки л=1,4 зависит от отношения норма-
тивных нагрузок веса покрытия н снега 1.37/1 = 1,37«1,4.
Коэффициенты с, характеризующие снеговую нагрузку на участ-
ках по длине пролета для обоих вариантов, определяют по фор-
мулам:
с= 1+0,1-а/Ь. с= 1+0,1-12/9= 1,13;
с1= 1+0,6-12/4 = 2,8;
cs = 1 + 0,4-12/4 = 2,2.
223
rrrillllllllliuinu
.1 СНЕГОВАЯ НАГРУЗКА
°! 1 вариант р р'-Ч^кН/м Р‘19кН/м
ттгл-п 11 птгтлта
II ВАРИАНТ Pf ° k7кН/м
Рр^вкн/нуТТУ
рг-51кН1м
ГТТТ/£=ЯМ^
5ф ~ h tp
Рнс. 8.43. К примеру расчета стропильной фермы
Расчетная погонная нагрузка на ферму с учетом коэффициен-
тов С (см. рис. 8.43,6):
для первого варианта
Р = сРр = 1,13-16.8 = 19 кН/м;
Р’ =0,8Рр = 0,8-16,8= 13,4 кН/м;
для второго варианта
Р, = С1 Рр = 2,8-16,8 = 47 кН/м;
Р2 = Сг Рр = 2,2-16,8 = 37 кН/м.
224
6.17. Таблицы узловых сил
Обозначение узловых сил Вычисление узловых сил Р. кН
р,=р; (18,5+19)1,5 56.25
и и и (18,5+19)3 112.5
(18,5+19)1,5+(18,5+13,4)1,5 104.1
₽5 = Р6 = ^ (18,5+13,4)3 95.7
Узловые силы (табл. 8.17} в ферме находим от постоянной на*
грузин н снеговой нагрузил 1-го варианта. Вариант 2-й снеговой
нагрузим дает меньшие усилия в стержнях, за исключением усилий
в стойках под снеговыми мешками (стойка на рис. 8.43, в), которые
определим отдельно.
2. Определение расчетных усилий в стержнях ферм. Находим
опорные реакции RA=Rg= 18,5-15+19-9+13:4-6=528,9 кН.
Определяем усилия в стержнях фермы, пользуясь диаграммой
усилий (рис. 8.43, г).
Расчетное усилие в стойках г—д и г'—д' под снеговыми меш-
ками будет равно узловой силе Рэ от постоянной нагрузки и снега
по 2-му варианту
Ps = 18,5-3 + 47 (1,5 + 1) + 16,8-0,5 = 181,5 кН.
3. Определение расчетных длин. Расчетные данные элементов
в плоскости и из плоскости фермы принимаются в соответствии
с табл. 8.17.
Закрепленными от смешения из плоскости фермы точками верх-
него пояса будут узлы опирания прогонов иа первых трех панелях
и коньковый узел, раскрепленный связевой распоркой. Таким обра-
зом, расчетная длина из плоскости фермы первых трех панелей
равна 3 м и следующих двух — 6 м. По нижнему поясу даны про-
дольные связевые' фермы, раскрепляющие от смешения вторые от
опоры узлы. Поэтому расчетная длина нэ плоскости фермы стерж-
ней 1—е, 1—k, 1—к', 1—е' равна 18 м.
4. Подбор сеченнй начинается с наиболее нагруженного стержня
сжатого верхнего пояса (панель б—ж). Расчетное усилие в пем W=
= 1260 кН, расчетные длины — в плоскости фермы L=3 м н из плос-
кости фермы /v=6 м. Наиболее рациональным при таком соотно-
шении расчетных длин будет сечение нз двух неравиополочных
уголков, расположенных большими полками в сторону (табл. 8.11).
Определяем требуемую плошздь сечения:
FT = ЛГ/0,6-• -0,9 = 1260/0,7-21 = 86 см’.
По ГОСТ 8510—86 принимаем два неравиополочных уголка
200X125X14 и выписываем геометрические характеристики сечения:
F=87,8 см2, г,=3,54 мс, rv=9.58 см.
15—593
225
226
8.18. Таблица подбора сечений стержней фермы
Элемент ферм Обол- плчепне стсрх<- ня Расчетное усилие. кН Ссчсннс Пло- щади. см: Расчетные длины, см’ Радиусы инерции, см Гибкости фтаа гг Напрях<с- икс. кН/см*
•х ‘и 'х 'v
Верхний пояс З-б 0 пг ~ 140 X ХЮ 54,6 300 300 4,33 6,12 69 49 0,775 — 20,2
4—г -855 300 300
6—ж -1260 ПГ 200X125X14 87,8 300 600 3,54 9,58 85 63 0,685 — 20,9
Нижний пояс 1—в -Н62 JL 90X7 24,6 600 600 2,77 4,06 217 148 — — 18,8
1—е + IU0 ПГ 180x110x12 — 600 1800 — — — — — — —
-Н360 67,4 600 1800 3,1 8,67 194 208 — — 20,2
Раскосы а—б 0 75x5 7,39 170 212 r m|n— 1 >49 142 — — —
б-в -652 160Х100Х9 45,8 216 431 2,85 7,67 75 56 0,742 — 19,2
СИ
КЗ
а
Стойки
а—г +516 90X7
д—е -368 “| [“ 125x9
е—ж +216 “| 75X5
и—к -77 “|Р 75x5
г—д -181,5 “| р 90X7
ж—и -95,7 пг
75x5
к—к + 41,5 pj 75X5
24,6 340 425 2,77 4,06 123 105 — — 21
44,4 345 43 3,86 5,48 90 79 0,655 0,8 15,8
14,78 340 425 2,31 3,42 147 125 — — 14.6
14,78 345 431 2,31 3,43 149 126 0,309 0,8 21
24,6 244 305 2,77 4,06 88 75 0,667 0,8 14,4
14,78 244 305 2,31 3,42 105 89 0,547 0,8 14,8
14,78 244 305 r min = 2,91 = 105 — — 2,8
to
Рнс. 8.44, К расчету узлов стропильной фермы
Гибкости принятого стержня в плоскости и из плоскости фермы:
Кх = 1х/гх = 300/3,54 = 85 < [ 120];
Ку = lyfry = 600/9,58 = 63 < [ 120].
По наибольшей гибкости находим коэфициент продольного из-
гиба фт!л=0,685 (по СНиП 11-23-81*) и проверяем напряжение
в стержне:
£ = Л7фП11пF = 1260/0,685-87,8 = 20,9 кН/см2 < R =
= 21 кН/см2.
Таким образом, гибкость стержня н напряжения в нем ие пре-
восходят допустимых величин и он может быть принят.
Все результаты заносятся в таблицу подбора сечений (табл.
8.18). По такой же методике подбирают и остальные стержни. При
подборе сечений нужно стремиться к их наиболее полному исполь-
зованию. Поэтому, если в результате подбора сечение окажется
педонапряжено, его нужно уменьшить и еше раз проверить напря-
жения.
В табл. 8.18 раскос е—ж имеет небольшие напряжения, однако
уменьшать сечеине нельзя, так как оно лимитируется предельной
гибкостью (в таблице в рамках указаны напряжения или гибкости,
определившие сечение стержня).
Часть стержней фермы, приведенных в табл. 8.18, могли бы
иметь меньшие сечения (например, стойка г—д имеет запас гибко-
сти и прочности), однако сечение их принято по аналогии с уже
имеющимися в ферме уголками, чтобы не иметь в ферме большого
числа различных уголков.
Обычно сечение подбирают непосредственно по таблице без про-
межуточных вычислений.
5. Расчет и конструирование узлов и деталей. Толщину фасо-
нок фермы принимают в зависимости от усилия в опорном раскосе
Л'=652 кН; фасонки опорного узла 6=12 мм, остальные фасонки
6 = 10 мм.
Опорный узел. Узел 1 (рис. 8.44).
Торцовый лист принимаем толщиной 20 мм и шириной 180 мм
(из условия размещения болтов).
Напряжения смятия у торца:
X = Ra = 528,9/2-18 = 14,7 кН/см2 < Я = 32 кН/см2,
см ОП CM
Толщина швов крепления опорного раскоса назначается: на
обушке 10 мм, на пере — 6 мм (из-за скручивания пера). Их дли-
ны — с учетом табл. 8.15:
М 0,75^а
•ш
0,75-652
----------= Л = 23,4 см;
2-0,7Лш/?“ 2-0,7-1-15
0.25^_„
И1 2-0,7Лш/?“
0,25-652
2.0.7.03. is
Аналогично для швов нижнего пояса прн толщине нх у обушка
6 мм и у пера — 4 мм:
229
0,7A\_e 0,7-42
Г7. =------------=-------------—- = 25,6 см;
2 0.7ft,,,/?® 2 0,7 0,6 15
PJ л»
0,ЗЛ\_а 0,3-462
I" --------------=-------------_ = 16,5 см.
2-0,7йш/?'° 2 0.7 0,4 1а
По требуемым расчетным длинам швоэ с учетом конструктив-
ных требований (добавка 1 см длины шва на непровар и зазоры
между швами) намечаем графически (по масштабу) конфигурацию
и размеры опорной фасонки. Проверяем опорную фасонку иа срез,
а также швы ее крепления к торцовому листу (толщину швов на-
значаем 6 мм):
т = У?Л/Л6 = 528,9/56-1,2 = 7,9 кН/см8 < R,p = 13 кН/см*.
R. 528,5
< R^ = 15 кН/см2.
0,7-181,5
——----——----- =10,1 см;
20,7-0,6-1,5
Промежуточные узлы. Узел И (см. рис. 8.44). Тол-
щину швов крепления стойки к фасонке у обушка назначаем 6 мм,
у пера — 4 мм, длины швов:
2-0,7Лш/?“
0,3Af.d
ш
0,3-181,5
2“о',7'.о74.15“=6-4СМ-
/" =
'ш —
2-0,7ft,.,/?®
Lil V
Толщину швея, прикрепляющих фасонку к верхнему поясу, на-
качаем 6 мм, требуемая их длина
-----Jbs
0,7-0,6-15
Z/ш =
’АЛ
По расчетным длинам швов устанавливаем конфигурацию и раз-
оры фасонки.
Узел III (см. рис. 8.44). Длины швов, прикрепляющих раско-
сы и стойку к фасонке, определяем аналогично предыдущим стерж-
ням. Сечение каждой из листовых накладок нижнего пояса прини-
маем 150x10 мм. Проверяем площадь ослабленного сечення
О = Л'р/Гусл = о о~ = П,6 кН/см2 < R = 21 кН/с№.
£,• Ю* I -j- I -Z-У
Длину швов, прикрепляющих накладку к нижнему поясу, рас-
считываем на усилие накладки
NH = о£и = 11,6-15-1 = 174 кН.
Толщину этих швов принимаем Для крепления к уголкам 90Х
Х7—4 мм, а для крепления к уголкам 180Х1ЮХ12—6 мм; соот-
ветственно их суммарная длина
230
/vn
Х/ц] —
Л\.
174
-----------= 41,5 см;
0,70,4-15
174
----------=2/,6 см.
0,7-0,6-15
Расчетные усилия для швов, прикрепляющих левые уголки поя-
са к фасонке, будут большие из них:
Np = 1,2Nt-e — 2/VH = 1,2-462 — 2-174 = 216 кН;
1,2Л\_в 1,2-462
Л'р -=-------------------= 277 кН.
2 2
Находим требуемую длину швов у обушка (йш=6 мм) и у пера
(йш=4 мм):
f*_____= - 0-7 277 в154см-
Ш 2.0.7hmR^ 2-0,7-0,6.15 ’ ’
,п 0,31Ур 0,3-277 „ „
ш 2-0.7Л„,/<,в 2-0,70,4-15—
Расчетное усилие для правых уголков:
Np = 1,2Ni-e — 2/VM = 1,2-1110 - 2-174 =- 982 кН;
Np = (1.2/V,_e)/2 = (1,2-111П)/2 - 636 кН.
Требуемая длина швов у обушка и пера при толщине их 6 мм:
0,75Np 0,75-982
ш " 2-0,7Лп1 “ 2-0,7-0,6-15 “ С“:
0.25.V,, 0,25-982
/л = ---------------------------------— 90 гм
ш 2-0,7ЛшЯ“ 2-0,7.0,6-15 '
Конструктивно длина швов принимается по всей длине фасонки.
Также рассчитывают остальные промежуточные узлы фермы.
Укрупните л ьные узлы. Узел IV (елк рис. 8.44). Го-
ризонтальные листовые накладки принимаем сечением 220X14 мм.
Определяем прочность стыка
° = ~рР~ = 9 99 м Ч~ Г “ 17 кН/см2 < R = 21 кН/см2,
^усл 2-22-1,4 + 2-12,5-1
Усилие в листовой накладке
N„ = F„ о = 22 1,4-17,4 = 537 кН.
Суммарная длина швов, прикрепляющих одну накладку к угол-
кам верхнего пояса при помощи швов, 10 мм '
N,, 537
2/ш =----------= - _ = 54 см.
°-7Лш^В °'711°
231
Расчетное усилие- для крепления уголков пояса к вертикальной
фасонке:
Nv = 1 ,2jV7_h — 2Nn = 1,2-1260 — 2-537 = 440 кН;
tfp= (l,2W7_„)/2 = (1,2-1260)/2 = 755 кН.
Требуемая длина этих швов у обушка (Лш=10 мм) и пера
(Лш=6 мм):
-5 0,75W„ 0,75-755
= _0,25jVp 0,25-755 =
Ш 2-0.7Аш/?« 2-0.7-0,6.15
На усилие N?=755 кН рассчитываем швы вертикальных листо-
вых накладок, перекрывающих фасонки смежных ферм. Требуемая
длина одного вертикального шва прн толщине шва /гш=12 мм:
2-0,7АшЛ“ 2-0,7-1,2-15
Толщину накладок принимаем 6=12 мм.
Длину швов, прикрепляющих раскосы и стойку, определяем по
формулам, аналогичным прикреплению уголков к вертикальным фа-
сонкам.
Узел V рассчитывается аналогично узлу IV.
§ 31. Решетчатые строительные
металлоконструкции
различного назначения
1. Большепролетные сооружения. К этой категории
обычно относят здания общественного назначения —
концертные и спортивные залы, выставочные павильо-
ны, вокзалы, рынки и т. п., а также здания специального
назначения — ангары, авиасборочные цехи, гаражи, трол-
лейбусные парки и т. д. В большепролетных конструк-
циях существенную долю в расчетной нагрузке состав-
ляет собственный вес, поэтому для их сооружения осо-
бенно эффективно применение сталей повышенной
прочности и алюминиевых сплавов, позволяющих сни-
зить вес конструкций.
Для перекрытия больших пролетов пользуются раз-
личными системами. Каждая нз этих систем имеет свои
преимущества и недостатки. Чаще всего используются
стержневые конструкции балочного, рамного и арочного
типов. Иногда применяют висячие (тросовые) конструк-
ции, различные комбинированные конструкции, а также
232
Рис. 8.45. Схемы большепролетных ферм
а — с параллельными поясами и раскосной решеткой; б — трапецеидальные
фермы: а —сегментные фермы
Рис. 8.46. Узел большепролетной двухстепчатой фермы
пространственные системы в виде сводов, складок и ку-
полов. Выбор того или иного решения большепролетно-
го покрытия осуществляют при проектировании соору-
жения, исходя из конкретных условий.
Балочные покрытия состоят обычно из несу-
щих поперечных ферм (сквозных балок), располагае-
мых с шагом 12 м, и промежуточных конструкций.
233
Сплошные разрезные балки не применяют из-за боль-
шого расхода металла. Преимущества балочных конст-
рукций заключаются в четкости работы, отсутствии рас-
порных усилий и малой чувствительности к осадке опор.
Недостаток состоит в большом расходе стали и большой
высоте, что объясняется наличием больших пролетных
моментов и требованиями жесткости. Балочные боль-
шепролетные конструкции применяют обычно при про-
летах до 90 м. Очертание поясов и систем решеток
в большепролетных фермах может быть самым различ-
ным. Фермы с параллельными поясами проектируют
обычно с треугольной или раскосной решеткой (рис.
8.45,а). Их высоту принимают обычно равной Ve-'/is
пролета. Трапецеидальные фермы (рис. 8.45,6) делают
с уклоном кровли i=’/io—'/io и высотой посередине
'Ь—Чи пролета. Сегментные фермы (рис. 8.45, в) имеют
небольшие усилия в раскосах, поэтому здесь целесооб-
разна разреженная или крестовая решетка. Высоту нх
назначают равной ’/в—V12 пролета. Высота многопролет-
иых неразрезиых или консольных ферм может быть
уменьшена на 25...30 % по сравнению с разрезными. Ес-
ли усилия в стержнях большепролетных ферм превы-
шают 4000...5000 кН, сечення таких ферм принимают
составными из сварных двутавров или прокатных про-
филей (рис. 8.46). Большие усилия в стержнях легче
передаются в узлах через две фасонки.
По причине большой высоты ферм их нельзя перево-
зить по железной дороге в виде собранных отправочных
марок. Такие конструкции укрупняются на монтаже. На
монтажной площадке элементы соединяют сваркой или
высокопрочными болтами.
Расчет большепролетных ферм и подбор их сечений
производится по аналогии с требованиями, изложенны-
ми в § 27. Опорные реакции в таких фермах значитель-
ны, поэтому передача их должна осуществляться строго
по оси узла фермы. Четкая передача опорной реакции
может быть достигнута за счет применения тангенциаль-
ной или специальной балансирной опоры (рис. 8.47, а, б).
В связи с большим пролетом (60...90 м) усиливается
влияние смещения опор вследствие прогиба фермы или
ее температурных деформаций. Для компенсации таких
смещений одна из опор устанавливается на катки (рис.
8.47, а), допускающие свободное горизонтальное переме-
щение. В случае установки большепролетных (80...90м)
234
°)
Рис. 8.47. Специальные опоры большепролетных ферм
л — тангенциальная: б — балансирная: в —катковая
ферм на высокие гибкие колонны обе опоры могут быть
неподвижными из-за податливости верхних частей ко-
лонн.
Катки балансирных опор в цилиндрических шарни-
рах (цапфах) (рис. 8.47,6) при центральном угле каса-
ния поверхностей ^л/2 рассчитывают на местное смя-
тие по формуле
ас.м..м = । 25 ^см-м’ (8.57)
где Л—давление на опору; г — радиус катка; I—длина катка;
77сы.м — расчетное сопротивление местному смятию прн плотном ка-
сании (табл 8.19).
8.19. Расчетное сопротивление R, кН/см2, прокатной стали
Напряженное состояние Условное обозначение Класс стали
С235 В о и <3 С345 С345К 1
Смятие местное при плотном каса- нии б цилиндриче- ских шарнирах Ren м 16 20 22 25 29 33 38
Диаметральное сжатие катков при свободном каса- нии (в конструк- циях с ограничен- ной подвиж- ностью) 0.8 1 1.1 1.3 1.5 1.8 2
235
Катки, находящиеся между двумя параллельными
плоскостями (рис. 8.47, в), рассчитывают на диаметраль-
ное сжатие по формуле
А
°с.к— .. < Яс.к» (8.58)
па!
где п — число катков; d — диаметр катка; RC.K — расчетное сопро-
тивление диаметральному сжатию катков при свободном касании.
Для изготовления катковых опор используют сталь
35Л, а катки вытачивают из стали марки 5.
2. Рамные покрытия отличаются от балочных жест-
ким защемлением ригелей в колоннах. Рамные покрытия
по сравнению с балочными обладают меньшим весом
и меньшей высотой ригелей из-за уменьшения пролет-
ных моментов разгрузкой их опорными моментами,
а также большей поперечной жесткостью.
Меньшая высота ригеля дает возможность даже при
больших пролетах ферм (до 60 м) изготовлять их в пре-
делах железнодорожного габарита, а также позволяет
использовать сплошностенчатые конструкции.
Недостатки рамных конструкций: необходимость
утяжеления колонн по сравнению с балочными систе-
мами; повышенная чувствительность к неравномерности
осадки опор; возможно появление распорных усилий
в фундаментах под влиянием температурных деформа-
ций.
Рамные конструкции применяются при пролетах до
120 м. Дальнейшее увеличение пролета снижает их эко-
номичность. На рис. 8.48 показаны некоторые схемы
рамных покрытий.
Чаще применяются рамы с шарнирным опиранием,
так как жесткая заделка колонн значительно увеличи-
вает размеры фундаментов. Высоту ригелей рам прини-
мают: для сквозных ферм V12—*/i8 пролета, при сплош-
ных ригелях — ’/яо—’/зо пролета. Рамы рассчитывают
как статически неопределенные системы методом строи-
тельной механики. Для упрощения расчета решетчатых
рам их распор допускается определять как для сплош-
ной рамы.
Расчет производят в следующем порядке:
1. Устанавливают предварительные сечения поясов
рамы (приближенным расчетом).
2. Определяют моменты инерции ригеля и стоек (по
приближенным формулам).
236
Рис. 8.48. Схемы большепролетных рам
а — сквозного сечеиия; б — сплошного сечения
3. Рассчитывают статически неопределимую раму,
находят ее распор. Расчетная схема определяется по
геометрическим осям.
4. Находят расчетные усилия в стержнях, предвари-
тельно определив опорные реакции, и рассчитывают се-
чеиия стержней.
Типы сечеиий, конструкция узлов и соединения рам-
ных ферм аналогичны тяжелым фермам балочных по-
крытий.
Сплошные рамы обычно принимают двутаврового
сечения и проверяют на изгибающий момент, продоль-
ную и поперечную силы, которые находят статическим
расчетом как для внецентренно-сжатых сплошных стер-
жней.
237
Рис. 8.49. Продольная компоновка покрытия ангара
Л-Л
Различают два вида компоновки рамных покрытий:
поперечную, с размещением рам поперек здания с оп-
ределенным шагом (как правило, с шагом 12 м), и про-
дольную, чаще всего применяемую для ангаров. В слу-
чае продольной компоновки основную несущую раму
ставят вдоль большего размера плана здания (здесь
устраивают раздвижные ворота) и на нее опираются
поперечные фермы (рис. 8.49). В ангарных конструкци-
ях применяют фермы с консолями, выходящими за не-
сущую раму, что значительно облегчает поперечные
фермы, но несколько утяжеляет раму. Устойчивость не-
сущих рам и поперечных ферм обеспечивается кресто-
выми связями.
3. Арочные покрытия применяют при очень больших
пролетах (до 200 м) и равномерной нагрузке. Арка ра-
ботает в основном на осевую силу, изгибающие момен-
ты в ней незначительны. По статической нагрузке арки
разделяют на бесшарнирные, двух- и трехшарнирные.
Бесшарнирные аркн более экономичны по расходу ме-
талла, однако имеют массивные опоры (фундаменты),
238
A-А
•СПЛОШНЫЕ АРКИ)
I □ III
I
Рис. 8.50. Сечения сплошных и сквозных арок
Рис. 8.51. К расчету арок
•> — расчетная схема: б —к расчету продольных усилил в стержнях
обладают повышенной чувствительностью к колебаниям
температуры и осадкам опор, поэтому применяются
редко. В двухшарнирных арках возникают дополнитель-
ные усилия, поэтому они считаются как однажды неоп-
ределимые системы. В трехшариирных арках ие возни-
кает дополнительных усилий от изменения температуры
и осадки опор, поэтому они рассчитываются как стати-
чески определимые системы. Если балка очерчена эпю-
рой нагрузок, то изгибающие моменты в ней минималь-
ны. При равномерно распределенной нагрузке эпюра
представляет собой параболу, поэтому очертания арок
239
принимают параболическими или по дуге окружности,
что облегчает процесс изготовления.
В случае сквозной арки ее очертание набирается из
отдельных прямолинейных участков, общий контур ко-
торых приближается к дуге окружности или параболе.
Стрела прогиба арки f, прн которой масса арки ми-
нимальна, составляет •Д.-Ув пролета. В арках с затяж-
ками, устанавливаемых на колонны, это соотношение
принимают до У8 пролета (рис. 8.50). Высота сечения
сплошных арок при небольших пролетах (до 60 м) при-
нимается ‘До—’До пролета, сквозных арок—Узо—’Лз про-
лета, при больших пролетах соответственно Уво—Уяо
и У«—Убо пролета. С целью снижения трудоемкости из-
готовления арок их сечение принимают постоянной вы-
соты (арки с параллельными поясами), но иногда дела-
ют арку переменного сечения (серповидной). Сплош-
ные арки небольших пролетов устраивают из прокатных
профилей, вальцованных на стенку. Тяжелые арки про-
ектируют нз составных сварных двутавров. Легкие
сквозные арки иногда делают по аналогии с фермами
из парных уголков.
Сечение сквозных арок из соображений увеличения
жесткости из плоскости арки и удобства монтажа при-
нимают пространственными прямоугольного или тре-
угольного очертания. В некоторых случаях плоские ар-
ки объединяют связями, что обеспечивает жесткость
пространственного блока и облегчает выполнение мон-
тажных работ.
Арку рассчитывают на распор Н (рис. 8.51, а). В ста-
тически определимых трехшарнирных арках распор на-
ходят по формуле
Н = Mc/f, (8.59)
где Мб — балочный момент в середине пролета; f — стрела балки.
Двухшарнирные балки один раз статически неопре-
делимы, поэтому распор определяют из канонического
уравнения метода сил
H = Xf =-Д1р/б„. (8.60)
Распор от равномерно распределенной нагрузки q
для параболических и пологих круговых арок любой
статической схемы с достаточной точностью определя-
ется по формуле
H = ql4bf. (8.61)
240
Рис. 8.52. Арка с затяжкой покрытия Дворца спорта в Лужниках
(Москва)
После этого находят изгибающие моменты, продоль*
ные и поперечные силы для любого сечения арки:
Мх = Мб — Ну-,
Qx = Q6 cos а — Н sin а;
Нх = Q6 sin а + Н cos а,
где Mt и Qt — балочный момент и поперечная сила иа расстоянии
х от опоры. Арка в этом случае рассматривается как балка проле-
том 1\ у — ордината оси арки; а — угол между касательной к оси
арки н горизонталью.
В процессе расчета пролет арки разбивают на рав-
ное число частей («10) и для каждой из этих точек
находят расчетные усилия Мх, Nx и Qx.
В справочной литературе можно найти решения арок
на различные виды нагрузки *.
Сплошная арка работает на сжатие с изгибом и под-
бирается по правилам расчета внеиеитренио сжатых
сплошных стержней.
Элементы сквозной арки подбирают на продольное
усилие в стержнях, которое получают разложением рас-
четных усилий арки Мх, Nx и Qx (рис. 8.51,6):
усилие в верхнем поясе
Nm=—Nx/2 + Mx/lr, (8.62)
усилие в нижнем поясе А^пп Нх/2 — МхПг, (8.63)
усилие в раскосах Wp=— Qx/sinf, (8.64)
где ft — расстояние между центрами тяжестп поясов арки; ₽ —угол
наклона раскоса к поясу.
'Справочник проектировщика. Т. 1. — М.: Стройиздат, 1980.
241
Нормальная сила между поясами арки распределя-
ется обратно пропорционально расстоянию до центра
тяжести (как во внецентренно-сжатых сквозных колон-
нах).
Наиболее экономично передавать распор больших
арок через фундамент на грунт. В поднятых арках (рис.
8.52) распор воспринимается затяжкой, которую удер-
живают подвески.
Напряжение в затяжке проверяют по формуле
а = Я/г3 < R. (8.65)
Необходимо проверить арку на устойчивость в верти-
кальной плоскости. Наиболее вероятная форма потери
устойчивости арки — S-образная кривая с точкой пере-
гиба, расположенной близко к середине арки. Поэтому
устойчивость арки может быть проверена по аналогии
с центрально-сжатым стержнем с расчетной длиной Zp=
= |.iS/2 (S/2— длина полуарки). Изгибающие моменты
в арке малы и могут не приниматься во внимание.
Коэффициент приведения расчетной длины р. учиты-
вает кривизну стержня и определяется в зависимости от
отношения стрелы арки к пролету ([//) (табл. 8.20).
8.20. Коэффициенты ,ц для арок
Тип арок
7., V, 1 7, 7,,»
Бесшарнириые 0,7 0,75 0,8 0,85
Двухшарнирные 1 1,1 1,2 1.3
Трехшарннрные 1,2 1,2 1,2 1.3
Устойчивость арки в вертикальной плоскости прове-
ряется по формуле
о = Л//фГ < mR, (8.66)
где N—расчетное продольное усилие; F—площадь сечения арки;
ш — коэффициент условий работы, учитывающий приближенность
расчета (/п=0,75).
Устойчивость арки из плоскости обеспечивается свя-
зями и проверяется по формуле (8.24).
В случае несимметричного нагружения в арках воз-
никают большие изгибающие моменты. Поэтому их про-
веряют на неравномерную снеговую нагрузку, воздейст-
вие ветра и т. д.
242
Рис. 8-53. Опорные шар-
ниры арок
а — плиточный: б — пвтии-
козый: в — балансирный
Арки на фундамент опираются с помощью шарни-
ров трех типов: плиточных, пятниковых и балансирных
(рис. 8.53).
Самые простые по конструкции — плиточные шарни-
ры, и нормальная сила в этом случае передается через
опорную площадку (подушку) с цилиндрической поверх-
ностью. Поперечные силы воспринимаются ограничите-
лями. Пятниковые и балансирные опоры значительно
сложнее. Как правило, их применяют в большепролет-
ных арках при опорных реакциях больше 8000... 10 000 кН.
Опорные части сквозных арок обычно в районе опоры
имеют сплошное сечеиие, поэтому их опорные шарниры
аналогичны по конструкции.
4. Башенные и мачтовые конструкции включают
большую группу сооружений, представляющих собой
опоры различного назначения: антенные сооружения
для радио, телевидения, ретрансляции; буровые вышки;
опоры для освещения; створные знаки; геодезические
вышки; опоры линий электропередач; канатных дорог
и т.д.
Башнями называют свободно стоящие сооружения,
243
ствол которых жестко заделай в основании и работает
как консоль.
Мачты представляют собой высокие тонкоствольные
конструкции, расчаленные оттяжками и работающие
как балки иа упругих опорах.
По расходу металла более экономичны мачты, одна-
ко для нх установки требуется большая площадь. Вслед-
ствие большой высоты башенных и мачтовых сооруже-
ний определяющим фактором, влияющим иа их работу,
являются метеорологические условия (ветер, гололед).
Напряжения, возникающие от собственного веса
и установленного оборудования, невелики (20...25 %
расчетных). Исключение составляет небольшая группа
водонапорных башен, поддерживающих резервуары
с водой, и вышек с подъемниками. В этих случаях на-
пряжения от вертикальной силы в стволах мачт состав-
ляют около половины расчетных вследствие воздействия
вертикальной составляющей оттяжек.
Для башенно-мачтовых сооружений целесообразно
использовать трубчатые профили, что позволяет умень-
шить вес конструкций до 50 % по сравнению с исполь-
зованием профильного металлопроката.
Башни и мачты проектируют из углеродистых и низ-
колегированных сталей. Низколегированные стали ис-
пользуют в растянутых элементах, а также сжатых с гиб-
костью не более 70...80. Для сборно-разборных башен-
ных сооружений иногда используют алюминиевые сплавы
с монтажными сооружениями на оцинкованных сталь-
ных болтах.
Расчетные усилия в башнях определяют как в кон-
сольном внецентренно-сжатом стержне под действием
указанных нагрузок. В мачтах усилия рассчитывают как
во внецентренно-сжатых стержнях, опирающихся на
упругие опоры.
Стволы башен большой высоты, как правило, проек-
тируют сквозного сечения. Башни небольшой высоты —
сквозного и сплошного трубчатого сечения. Сечения
сквозных башен представляют собой трех-, четырех- или
многогранник. Ширина базы башни — Ve—Vis высоты,
ширина верхнего сечения—1...2 м. С целью упрощения
изготовления пояса, башни принимают чаще всего пря-
молинейными (пирамидальные башни). Они в этом слу-
чае имеют у основания расширенную часть. Пояса баш-
ни проектируют из круглых труб или прокатных профи-
244
Рис. 8.54. Типовые башни од*
нопрограммиых телецентров
а — схемы; б — узел с фланцевым
соединением поясов
лей. Раскосы делают крестовыми, работающими на рас-
тяжение, из тонких профилей или из круглых стержней
с натяжными муфтами для создания в них предвари-
тельного напряжения. На рис. 8.54 показаны схемы ти-
повых телебашен и узел с фланцевым соединением поя-
сов. Схемы башен делают унифицированными с одина-
ковой геометрией верхней части. Монтаж башен
осуществляют отдельными секциями с фланцевыми сое-
динениями иа болтах.
Опоры ЛЭП предназначены для поддержания токо-
несущих проводов линий электропередачи (рис. 8.55).
Расстояние между опорами на линиях с напряжением
200...300 кВ принимается 200...400 м, на линиях с напря-
жением 400...500 кВ — до 500...600 м, чем и определяется
нагрузка на них от проводов.
245
°)
Рис. 8.55. Опоры линий электропередачи
а —линейная опора для липин 220 кВ; б — переходная
анкерная опора нз труб
246
Опоры ЛЭП подразделяются на линейные (проме-
жуточные), устанавливаемые на прямолинейных участ-
ках трассы, и специальные (анкерные), расположенные
в углах трассы (угловые), у переходов через водные
преграды и другие препятствия (переходные). Опоры
бывают одноствольные, в которых провода подвешива-
ются на консолях, и портальные (двухствольные или
четырехствольные). Одноствольные опоры расширяются
внизу и закрепляются иа фундаментах, выполненных
в виде отдельных сборных железобетонных подножни-
ков. Нагрузки на линейные опоры относительно невели-
ки и для их восприятия достаточно плоских двухстволь-
ных портальных опор. На специальные опоры действуют
большие нагрузки от угловой составляющей натяжения
проводов, разности натяжения у переходов и т. д., поэто-
му их делают четырехствольнымн, с подкосами или от-
тяжками. В случае одностороннего обрыва проводов
опора может работать на кручение. Опоры ЛЭП имеют
высоту 20...40 м, специальные опоры у переходов через
широкие реки достигают высоты 80...100 м. Их обычно
разбивают на транспортабельные блоки, которые меж-
ду собой могут соединяться как на сварке, так и на бан-
тах. Масса стальных промежуточных опор для линий
220...500 кВ составляет 4...8 т. Использование для этой
цели алюминия позволяет уменьшить нх массу в 2...2,5
раза. Для труднодоступных мест очень часто использу-
ют алюминиевые опоры.
Стволы мачт имеют постоянное по высоте сечение
(как для сквозных, так и для сплошных сечении). Сече-
ние в плайе может быть треугольным нлн квадратным
соответственно с тремя или четырьмя оттяжками.
Стволы сплошных мачт изготовляют из сварных труб,
решетку — из труб и круглых стержней. Сечение поясов
сквозных мачт из соображений обтекаемости делают из
круглых труб.
На рис. 8.56 показан пример конструктивного реше-
ния мачты треугольного сквозного сечения. Такие мачты
собирают из унифицированных секций с различным чис-
лом ярусов оттяжек. Оттяжки изготавливают из сталь-
ных канатов с жестким сердечником и закрепляют за
бетонные анкерные плиты, расположенные в земле.
С целью обеспечения поперечной жесткости мачты ми-
нимальный угол наклона оттяжки к вертикали прини-
мают 30°. Максимальное перемещение верхушки мачты
247
а) 6)
А-А
Рис. 8.56. Трех-
гранная трубчатая
радиомачта
а — общи Л вид; 6 —
типовая секция
и точек, в которых крепятся оттяжки, не должно превы-
шать '/юо расстояния от этих точек до земли. Ствол мач-
ты шарнирно опирается на центральную опору. В случае
необходимости мачту изолируют от земли бочкообраз-
ными фарфоровыми изоляторами, на которые ставят
балансирную опорную плиту. Внутри ствола устраива-
ется вертикальная лестница с промежуточными площад-
ками для обслуживания сооружения.
Контрольные вопросы
1. Производственные здания, цехи. Предъявляемые к ним тре-
бования.
2. Характеристика режимов работы грузоподъемных механиз-
мов (кранов).
3. Балки, их характеристика и классификация.
4. Принципы расчета сварных балок.
5. Колонны, нх характеристика и классификация.
6. Основные принципы конструирования колонн.
7. Фермы, их характеристика и классификация.
8. Основные принципы конструирования ферм.
Глава IX.
ЛИСТОВЫЕ СПЛОШНОСТЕНЧАТЫЕ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Различные сооружения типа оболочек, несущей ос-
новой которых являются плоские или изогнутые метал-
лические листы (пластинки и оболочки), образуют груп-
пу листовых конструкций.
Как правило, листовые конструкции применяются
для хранения, транспортировки, технологической пере-
работки жидкостей, газов н сыпучих материалов. Лис-
товые конструкции широко применяются в различных
отраслях промышленности и составляют около 20 %
объема всех металлических конструкций.
В зависимости от назначения листовые конструкции
классифицируют на:
резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефте-
продуктов, спирта, кислот, сжиженных газов и др.);
газгольдеры для хранения и выравнивания состава
газов;
249
бункеры и силосы для хранения н перегузки сыпучих
материалов (руды, цемента, песка, угли и т.п.);
листовые конструкции доменных цехов (кожухи до-
менных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей);
листовые конструкции специальных технологических
установок химических и нефтеперерабатывающих заво-
дов;
трубопроводы большого диаметра для транспортиро-
вания воды и газов в гидростанциях, нефтехимических,
металлургических и других предприятий.
Листовые конструкции, обладая рядом специфиче-
ских особенностей при расчете, проектировании, изготов-
лении и монтаже, выделяются в самостоятельную группу
металлических конструкций. Листовые конструкции
обычно имеют большие геометрические размеры, поэто-
му их собирают из отдельных конструктивных элемен-
тов, что обусловливает наличие большого числа сварных
швов, к которым предъявляются требования по плотно-
сти н прочности.
В процессе эксплуатации многие листовые конструк-
ции подвергаются коррозионному воздействию со сторо-
ны хранимых продуктов, что резко снижает их долговеч-
ность. Известны случаи выхода из строя резервуаров
и трубопроводов под воздействием сернистых соедине-
ний, находящихся в хранимых или транспортируемых
продуктах, за короткий срок эксплуатации (2...3 года).
Для увеличения срока службы сооружений целесо-
образно нанесение на поверхность стенки, контактирую-
щей с продуктом, покрытия из специального защитного
лакокрасочного материала, цинка, алюминия или друго-
го коррозионно-стойкого материала.
§ 32. Сварные резервуары для хранения
нефти и нефтепродуктов. Классификация
Сосуды, предназначенные для приемки, хранения,
технологической обработки и отпуска различных жидко-
стей, нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды,
водного аммиака, технического спирта и др., называют-
ся резервуарами.
В зависимости от геометрической формы и положе-
ния в пространстве стальные резервуары подразделяют-
ся на: вертикальные цилиндричесике; горизонтальные
250
цилиндрические; сферические; каплевидные осесиммет-
ричные, траншейные н т.д.
По расположению относительно планировочного
уровня строительной площадки резервуары делятся на:
надземные, когда днище резервуара расположено на
опорах выше уровня основания — грунта (с зазорами);
наземные, когда днище резервуара непосредственно
опирается на основание — грунт (без зазора);
подземные, когда верхняя грань нли верхняя образу-
ющая резервуара расположена ниже планировочного
уровня территории площадки.
Вертикальные цилиндрические резервуары бывают:
со стационарной крышей; с понтоном; с плавающей
крышей.
Резервуары со стационарной крышей в зависимости
от конструкции покрытия могут быть: с конической кры-
шей (крыша в этом случае представляет собой распор-
ную конструкцию); со сферической крышей в виде рас-
порной конструкции; с висячей крышей (так называе-
мой «безмоментпой кровлей») н центральной стойкой;
с торосфернческой кровлей и кривизной в двух направ-
лениях; со складчатой кровлей; с гофрированной кони-
ческой кровлей; с двух-, трех- и четырехскатной кровлей
из рулонируемых заготовок и т.д.
Днище вертикальных цилиндрических резервуаров
обычно имеет уклон от центра к периферии или наоборот.
Стейка резервуара представляет собой цилиндр, со-
стоящий из поясов, имеющих высоту, равную высоте
применяемых листов 1,5; 2 м и более. Она может изго-
товляться из предварительно укрупненных на заводе-
изготовителе рулонных заготовок и из отдельных лис-
тов. Длина применяемых листов 6; 8; 10 и 12 м. По типу
конструкции стенки могут быть однослойными, двух-
слойными, предварительно напряженными, усиленными
бандажами н т. д.
§ 33. Требования, предъявляемые
к резервуарам. Нагрузки. Оборудование
Во время эксплуатации герметически закрытых ре-
зервуаров со стационарной крышей при нх наполнении
жидкостью образуется избыточное давление в паровоз-
душной зоне, а при опорожнении — вакуум.
Избыточное давление в стенке резервуара сверх гид-
251
равлического давления вызывает дополнительное рас-
тяжение, а в крыше изгибающий момент, нормальную
и поперечную силу и краевой эффект по ее контуру.
Вакуум вызывает в конструкциях резервуаров такие
же усилия, но обратного знака. Для ограничения избы-
точного давления и вакуума в принятых проектом пре-
делах, на крыше устанавливают аппаратуру, регулиру-
ющую их размеры в заданных пределах. Для большей
надежности обычно устанавливают аппаратуру двух ти-
пов: механическую и гидравлическую.
В резервуарах со стационарной крышей, относящихся
к резервуарам низкого давления, хранят нефтепродукты
с низкой упругостью паров бензина. Они предназначены
для эксплуатации при малой оборачиваемости нефтепро-
дуктов (не более 10...12 раз в год).
Для хранения нефти и легконспаряющнхся нефте-
продуктов при большой оборачиваемости применяют ре-
зервуары с плавающей крышей и понтоном. В этих ре-
зервуарах практически отсутствуют избыточное давле-
ние и вакуум.
Резервуары повышенного давления (до 30 кПа), как
правило, применяют для длительного хранения нефте-
продуктов при оборачиваемости не более 10...12 раз
в год.
Оборудование резервуаров. Люки-лазы (рис.
9.1) бывают круглые и овальные. Они предназначены
для проникновения внутрь резервуара в период ремон-
та, а также для вентиляции.
Приемораздаточные патрубки устанавли-
вают на первом поясе резервуара. Число приеморазда-
точных патрубков определяется производительностью
операций по приему и сливу продукта, исходя из средних
условий эксплуатации. Приемораздаточный патрубок
(рис. 9.2) имеет корпус, два фланца, усиливающий во-
ротник и ребра жесткости. На приемораздаточиых па-
трубках с наружной стороны резервуара устанавливают
задвижку с электроприводом, а с внутренней — хло-
пушку.
Хлопушки чугунные или стальные сварные диа-
метром 400, 500, 600, 700 мм с управлением и перепус-
ком устанавливают на приемораздаточном патрубке для
предотвращения утечки продукта из резервуара через
неплотности в задвижке или в трубопроводе.
Боковое управление хлопушкой применяют
252
Рис. 9.1. Люк-лаз для
обслуживания резерву-
аров
1 — болт М20Х80: 2 — во-
ротник; 3—обечаПка; 1 —
прокладка
для открывания н удержания ее в открытом положении.
Оно состоит из опорной плиты, вала управления с ба-
рабаном, сальника, электрического привода. Открыва-
ние и закрывание хлопушки осуществляется при помо-
щи электропривода во взрывобезопасном исполнении.
Устройства для предотвращения выпадания осадков
(смесители). При хранении нефти в резервуарх иа дни-
ще скапливаются значительные осадки парафина и дру-
гих примесей. Выпадание осадков происходит в течение
1...2 мес, а уплотнение их в твердую массу — около
6 мес. Применяют два метода борьбы с отложениями
осадков из нефти в резервуарах при хранении: периоди-
ческое удаление накопившихся осадков после опорожне-
ния резервуара н применение устройств, предотвращаю-
щих выпадание осадков. Периодическая очистка резер-
вуара связана с уменьшением товарной вместимости
резервуара, потерей нефтепродуктов, содержащихся
в осадке, трудоемкостью и опасностью работ по очистке
253
Рис. 9.2. Боковое управ-
ление хлопушкой
I — опорная плита; 2 — трос
от хлопушки к барабану и
световому люку; 3 — фла-
нец приемораздаточпого па-
трубка; 4 — хлопушка; 5 —
втулка выносной опоры;
6— выносная опора; 7 —
барабан; б —опорные тру-
бы; 9—вал управления;
10 — корпус сальника; II -
втулка сальника; 12 — ре-
дуктор; 13 — маховик руч-
ного управления: 14 — крон-
штейн; /5—ребро жестко-
сти; 10 — фланец; 17 — кор-
пус; 13 — усиливающий во-
ротник
резервуара. Чаще используют устройства, которые ис-
кусственно поддерживают парафин, находящийся в неф-
ти, во взвешенном состоянии, который и удаляют вместе
с нефтью.
Применяют устройства двух типов, предотвращаю-
щие выпадание осадков, — винтовые смесители и раз-
мывающие головки.
Винтовой смеситель состоит из электродвига-
теля во взрывобезопасном исполнении, зубчатой муфты,
конического редуктора, торцевого уплотнения, шарового
сальника, крышки патрубка и механизма поворота, при-
водного вала с трехлопастным винтом и стойки, предна-
значенной для крепления электродвигателя. Мешалки
устанавливаются на крышках люков условным диамет-
ром 700 мм. Число мешалок, устанавливаемых на ре-
зервуаре, выбирается из расчета перемешивания всего
объема нефти за 3...5 ч. Для лучшего перемешивания
винтовой смеситель устанавливают иод углом 10° к пло-
скости днища, в горизонтальной плоскости ось винта
может быть отклонена иа 60°.
Размывающая головка состоит из корпуса,
который с помощью фланца крепится к приеморазда-
точной трубе резервуара, клапана н штоков. Заслонка
и иижияя часть корпуса представляют собой кольцевую
насадку. Высота щели насадки регулируется с помощью
опорного кольца, болтов и нижнего штока с гайкой.
К верхнему штоку крепится трос, идущий на барабан
управления хлопушкой. Верхний шток может переме-
щаться вверх на некоторую высоту, регулируемую гай-
кой, независимо от нижнего штока. На крупных резер-
вуарах можно устанавливать 12 и более размывающих
головок с условным диаметром 300 мм. В этом случае
для предупреждения вытекания нефти из резервуара иа
приемных линиях устанавливают обратные клапаны.
Размывающую головку присоединяют к приеморазда-
точной трубе резервуара, проложенной до его центра.
Нефть при закачке в резервуар идет через кольцевое
сопло, распределяясь по диишу резервуара в виде ве-
ерной струи, которая поднимает осевший на дне пара-
фин и распределяет его в нефти. Полость трубы отклю-
чают от резервуара обратным клапаном.
Нефть подают через размывающие головки, как пра-
вило, при заполнении резервуара. Если оборачиваемость
резервуара мала, то устанавливают специальный насос
255
для периодической циркуляции нефти через размываю-
щие головки. На подающей линии к размывающим го-
ловкам устанавливают фильтр. Подавая через размыва-
ющие головки подогретую нефть, можно разогреть всю
нефть в резервуаре. Число размывающих головок рас-
считывают так, чтобы ие было зон, в которых парафин
не размывается.
В качестве запорной арматуры на трубо-
проводах используют задвижки, вентили и краны. На
приемораздаточиых патрубках устанавливают клиновые
задвижки с выдвижным шпинделем. Они управляются
дистанционно при помощи электроприводов. Предусмот-
рено также и ручное управление задвижкой при помощи
маховика с использованием червячной передачи редук-
тора электропривода.
Кран сифонный предназначен для забора
и спуска из резервуара подтоварной воды, для очистки
резервуара от остатков нефти и нефтепродуктов, нахо-
дящихся ниже уровня установки приемораздаточных па-
трубков. Чтобы вода в кране не замерзала, после ее
спуска кран поворачивают с помощью рукоятки на 90°
и вытесняют воду нефтепродуктом. Для защиты от ат-
мосферных осадков кран закрывают кожухом, который
крепят к воротнику, приваренному к стенке резервуара.
Клапаны обратные поворотные имеют боль-
шой диапазон диаметров условного прохода 50...1000 мм.
Их назначение—предотвращать возникновение обрат-
ного потока в трубопроводе. Клапаны с условным диа-
метром более 600 мм обычно имеют несколько дисков-
захлопок, закрывающих отверстия в расположенных иа
общей плите седлах. Их применяют иа приемных лини-
ях с использованием размывающих головок.
Люки световые условным диаметром 500 мм
предназначены для вентиляции резервуара при его за-
чистке и освещения внутренней поверхности. Световой
люк состоит из корпуса, усиливающего воротника, флан-
ца и крышки.
Люк замерный используют для замера уровня
нефтепродукта в резервуаре. Иногда его применяют для
отбора продукта. Люк замерный располагается на флан-
цевом патрубке, который приваривают к крышке на-
правляющей трубы, где, кроме того, установлены люки
пробоотборника и приборы для замера уровня.
Вакуумный клапан служит для регулирова-
256
ния давления внутри резервуара при опускании плаваю-
щей крыши иа стойки. Клапан снабжают огнезащитным
устройством, предохраняющим от проникновения огня
(вместе с воздухом) внутрь резервуара через вакуум-
ный клапан.
Секционные подогреватели применяют для
подогрева нефти или нефтепродукта. Их изготовляют
в виде отдельных секций с параллельным расположени-
ем труб диаметром 159 мм. Каждую секцию паронагре-
вателя из четырех труб устанавливают внутри резервуа-
ра у приемораздаточиых патрубков на опорах. Змееви-
ковые пароиагреватели располагают иа стеллажах,
собранных из швеллера или уголков.
Пеногенераторы применяют для производства
высокократной воздушио-механической пеиы н подачи
ее в очаг горения из расчета покрытия кольцевого про-
странства между стенкой резервуара и металлической
диафрагмой на плавающей крыше. Пеногенераторы
укрепляют на стенке резервуара иа равном расстоянии
один от другого. Тип и число устанавливаемых на резер-
вуаре пеногенераторов зависят от конструкции и вмести-
мости резервуара, а также от вида хранимого продукта.
Указатель уровня (УДУ) используют для из-
мерения уровня нефти, нефтепродуктов и других жидко-
стей в резервуарах. Конструкция указателя уровня поз-
воляет присоединять к нему датчики (потенциометриче-
ские и водоимпульсные) для дистанционной передачи
показаний в диспетчерский пункт.
Сигнализатор уровня жидкости (СУЖ)
используют для подачи электрического сигнала при по-
вышении или понижении уровня жидкости относитель-
но заданной отметки в резервуарах.
§ 34. Принципы конструирования
сварных резервуаров. Типовые резервуары
Наиболее широко распространены типовые резерву-
ары низкого давления объемом 100...20000 м3. Строятся
и более крупные резервуары до 50 000 м3.
Конструкция вертикального цилиндрического резер-
вуара состоит из днища, корпуса и покрытия. Типовые
проекты предусматривают различное необходимое для
эксплуатации оборудование: шахтную лестницу; люки-
257
лазы; приемораздаточиые патрубки; сифонные краны;
предохранительные клапаны и т. д.
Днище резервуара устанавливают на специ-
ально подготовленное основание, имеющее уклон от цен-
тра к краям i=l: 100. На конструкции днища действу-
ет относительно небольшая по величине равномерно
распределенная нагрузка от продукта. Поэтому из кон-
структивных соображений толщину днища принимают:
6=4 мм при диаметре резервуара О<18 м; 6=5 мм при
0=18...25 м и 6=6 мм при О>25 м. Листы, примыка-
ющие к линии обреза полотнища днища (окрайки), ис-
пытывающие нзгибиые напряжения, принимают на 1...
2 мм толще.
Корпус резервуара под воздействием гидро-
статического давления хранимого продукта испытывает
растяжение. Толщина листов стенки корпуса принима-
ется по расчету, одиако, исходя из условий обеспечения
качества сварки, толщина листов стенки не должна быть
менее 4 мм.
Листы сваривают встык. Крыша резервуара опира-
ется на корпус, а в некоторых резервуарах и иа цент-
ральную стойку. Толщина листов крыши 2.5...3 мм. На
рис. 9.3, а представлена конструкция цилиндрического
резервуара низкого давления объемом 5000 м3 с щито-
вой кровлей.
В нашей стране вертикальные стальные резервуары
возводят с применением готовых рулонированных полот-
нищ днища, корпуса, а в последнее время и крыши. На
монтаже их разворачивают и сваривают между собой.
Этот прогрессивный метод сокращает сроки строитель-
ства и позволяет перенести большую часть трудоемких
сварочных работ в более удобные заводские условия.
Однако рулонированню поддаются полотнища из листов
толщиной не более 17 мм.
Как правило, для резервуаров заказывают листы
размером 1500X6000 мм и высоту резервуара Н назна-
чают с учетом кратности листа.
Стенку корпуса соединяют с динщем сплошным двух-
сторонним угловым швом (рис. 9.4).
С целью получения полного сопряжения нижнего
пояса с днищем, листы днища у его краев соединяют
встык, для чего угол одного из листов врезают по линии
abc и осаживают до совпадения кромок на участке ab.
В месте сопряжения корпуса с днищем возникает изги-
253
Рис. 9.3. Верти-
кальный цилинд-
рический резерву-
ар низкого давле-
ния
а — конструктивная
схема: б —схема
монтажа
бающий момент, который с учетом упругости защемле-
ния определяют при расчете корпуса (см. § 33).
С целью уменьшения сопряжения стенки с днищем
выступ днища принимают, как правило, равным 50 мм.
Катет шва в этом случае не менее 0,7о и не менее 4 мм.
Максимальный катет шва не более 1,2о (о — меиьшая
из толщин стенки корпуса или днища).
Если прочность соединения стенки с днищем обеспе-
чена, то прочность корпуса на изгиб не проверяют.
Кровлю резервуара рассчитывают на нагруз-
ку, складывающуюся из собственного веса металличе-
ских конструкций 0,2...0,4 кПа с коэффициентом пере-
грузки л=1,1;
теплоизоляции — 0,45 кН/м2 (п=1,1);
снега — в соответствии с районом строительства;
вакуума — 0,25 кН/м2 (п=1,1).
Кровлю проверяют также иа обратное направление
нагрузки от избыточного давления 2 кН/м2 и отсасываю-
259
Рис. 9.4. Сопряжение
корпуса резервуара с
пнищем
Рис. 9.5. Вертикальный
цилиндрический резерву-
ар вместимостью 3000 м3
с висячей кровлей
щес действие ветра, принимаемое равным 0,8 скоростно-
го напора ветра соответствующего района (обе нагруз-
ки принимаются с коэффициентом перегрузки 1,2). При
этой проверке предполагается, что снег и теплоизоляция
отсутствуют, а разрушающая нагрузка от веса металли-
ческих конструкций принимается с коэффициентом пе-
регрузки 0,9. Прогоны и поперечные ребра кровельных
260
щитов рассчитывают как однопролетные балки, а листо-
вую обшивку — как тонкие пластинки.
В вертикальных цилиндрических резервуарах иногда
применяют мембранную висячую кровлю бескаркасной
конструкции нз листов толщиной 2.5...3 мм и корпус
(рис. 9.5). Опора стойки представляет собой телескопи-
ческую систему. При наличии внутреннего давления
кровля вместе с центральной стойкой может приподни-
маться на 1000...1200 мм.
Для резервуаров объемом 10000 и 20000 м3 приме-
няют сферическую кровлю, состоящую из сегментных
щнтов, опирающихся только на корпус.
Резервуары повышенного давления
имеют разнообразную форму, обеспечивающую работу
оболочки на повышенное внутреннее давление.
Вертикальные цилиндрические резерву-
ары повышенного давления имеют сферические или сфе-
роцилиндрические кровли и плоские или выпуклые дни-
ща. Резервуары с плоскими днищами (рис. 9.6, а) под
влиянием избыточного внутреннего давления могут при-
подниматься и деформировать днище. Для предупреж-
дения этого явления иижний пояс стенки закрепляют ан-
керами к кольцевому ленточному фундаменту. Нижиий
пояс в таких резервуарах укрепляют кольцом жесткости
из уголка, располагая его с внутренней стороны резер-
вуара.
Сфероцилиндрическая кровля резервуара состоит из
цилиндрических лепестков, очерченных двумя сопря-
женными радиусами по коробовой кривой с плавным
переходом к корпусу. Изготовить такую кровлю проще,
чем сферическую, так как она не требует вальцовки ли-
стов в дйух направлениях. Корпус и кровля резервуара
имеют разные очертания в месте их сопряжения (окруж-
ность и многоугольник), поэтому их примыкание осуще-
ствляется через горизонтальный лист или вальцованный
швеллер. Для обеспечения устойчивости стенки корпуса
при вакууме ставят ребра жесткости.
Резервуар с выпуклым днищем показан на рис. 9.6, б.
С целью равномерного опирания резервуара его уста-
навливают на высокую песчаную подушку.
Горизонтальные цилидрнческие резер-
вуары (рис. 9.7) проектируют диаметром до 4 м. Дли-
на их может достигать 40 м, объем до 400 м3 с избыточ-
ным давлением 40...70 кПа для жидкостей и 200...
261
B=3262 ,D‘3&2
Рис. 9.6. Вертикальные цилин-
дрические резервуары повы-
шенного давления
а —со сфероцилиндрической кров-
лей и плоским днищем; б — с по-
логими сферическими днищем и
кровлсЛ
Рис. 9.7. Резервуары повышен-
ного давления
262
1800 кПа — при хранении сжиженных газов. Для удоб-
ства транспортирования диаметр резервуаров принима-
ют не более 3,25 м. Это — самые экономичные резервуа-
ры, так как имеют полную заводскую готовность.
Наземные резервуары устанавливают на опо-
ры, расстояние между которыми принимают 0,5...0,7
длины резервуара. Жесткость резервуара обеспечивает-
ся установкой внутренних диафрагм из гнутого уголка
с приваренным к нему стержневым треугольником же-
сткости. Днища горизонтальных резервуаров при не-
больших избыточных давлениях (до 40 кПа) делают
плоскими, они работают как мембрана.
При больших давлениях применяют сферические, ко-
нические или цилиндрические днища.
Напряжение в цилиндрической части резервуара оп-
р2
ределяют по формулам oi=—и ст£——,
в днищах —
в зависимости от его вида. Прочность проверяют с уче-
том приведенных напряжений (ст!1Р= У о- +oj—ст(ст2^
Если при эксплуатации резервуара возможен
вакуум, то устойчивость оболочки проверяют по фор-
муле
° < °кр-
§ 3S. Основные принципы расчета
резервуаров и их сварных соединений
Листовая конструкция состоит из двух видов элемен-
тов— плоских металлических листов (пластинок) и изо-
гнутых листов (оболочек).
Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от нх
геометрических параметров.
1. Пластинки. Работа и расчет плоских пластинок за-
висят от отношения Z/6 (где I — пролет пластинки или
наименьший размер в плане прн опирании пластинки по
контуру, б — толщина).
Толстые пластинки имеют соотношение Z/б^
^5. При их расчете учитывают напряжение в трех вза-
имно перпендикулярных направлениях. В строительных
конструкциях такие пластинки, как правило, не приме-
няются и здесь не рассматриваются.
Пластинки малого прогиба имеют соотно-
шение 5<Z/6<50. Такие пластинки работают только на
263
изгиб. Если прогиб пластинки не превышает половины
ее толщины /max <6/2, то напряжением от распора пре-
небрегают.
Пластинки большого прогиба имеют со-
отношение пролета к толщине 50 <//6 <300. В этом слу-
чае напряжениями от распора пренебречь нельзя. Такие
пластинки работают на совместное действие изгиба
и растяжения. Прогиб пластинок может превосходить
половину ее толщины (fшах >6/2).
Гибкие пластинки (мембраны) имеют соотношение
//0300 и работают как гибкие нити только иа растя-
жение от распора.
Прогибы и напряжения в пластинках зависят от опи-
рания по контуру, которое может быть шарнирным,
жестким или свободным по различным краям пла-
стинки.
2. Оболочки образуются путем изгиба листов по за-
данному радиусу кривизны. Оболочки, имеющие кривиз-
ну в одном направлении с постоянным радиусом кривиз-
ны, называют цилиндрическими. Если радиус кривизны
изменяется вдоль оси вращения по линейному закону,
получается коническая оболочка. Если оболочки образо-
ваны изгибом листа во взаимно перпендикулярных на-
правлениях, получается сферическая оболочка.
Отношение радиуса кривизны оболочки к ее толщи-
не (г/о) определяет работу и расчет оболочек.
Оболочки называют толстыми при г/6^20 (такие
оболочки не относятся к листовым конструкциям),
а тонкими, если они имеют отношение г/6^20. Равнове-
сие элемента тонкой оболочки при определенных усло-
виях соблюдается прн наличии только осевых сил Т\ и Тг
без изгиба (рис. 9.8, а), направленных по образующим
в перпендикулярном направлении (безмоментная теория
расчета). К таким условиям относятся:
нагрузки должны быть сплошные осесимметричные
без резких изменений интенсивности;
участок оболочки должен быть сплошным, гладким,
большим, удаленным от так называемых краевых линий,
препятствующих или искажающих плавность деформа-
ций оболочки. Такие линии образуются ребрами жест-
кости, днищами, резкими изменениями толщины, остры-
ми перегибами (рис. 9.8,6). Деформация оболочки
в этих местах стеснена, на отдельных участках происхо-
дит местный изгиб и возникающим изгибом уже нельзя
264
Рис. 9.8. К расчету оболочек
а — равновесие элемента; б — краевой аффект; в — простейшие оболочки под
внутренним давлением
пренебречь. Возникновение изгибающих моментов
у краевых линий называется краевым эффектом.
Расчет напряжения в оболочках, работающих на рав-
номерное внутреннее давление. Выделим из сферической
оболочки элемент со сторонами dS| и dSt, нагруженный
внутренним давлением Р (см. рис. 9.8.а), н рассмотрим
его равновесие.
7*1 и Г; меридиональные и кольцевые силы, направ*
ленные по касательной к срединной поверхности оболоч-
ки, являются равнодействующими нормальных напря-
жений, приложенных к сторонам элемента:
T,=o,6dSs-, r9 = n9MSt. (9-1)
Если спроектировать все силы на направлении нор-
мали оболочки, то по условию равновесия сумма этих сил
должна равняться нулю;
265
оф da
27\ sin —— + 2Tt sin —— — pdSi <ISe = 0.
Очевидно, что при малых углах
с'ф йф da da
sin —— = —— ; sin —— = —— ;
2 2 2 2
dSi dS%
dtp =------- и da =---------
(9.2)
Подставив в полученное уравнение dtp и da и разде-
лив обе его части на dSi dS2, получим:
-21_ + -2к- = Р.
г। dSg rg dSi
Уравнение напряженного состояния тонких оболочек
после подстановки значений Г] и Т2, выраженное через
нормальные напряжения о( и о2, примет вид
Ч-Og/^g = р/д. (9.3)
Из этого выражения получим напряжения для неко-
торых оболочек простейших форм (см. рис. 9.8, в).
1. Шаровая оболочка (г1=г2=<)
°1 = °г = ^Г (9-4)
2. Цилиндрическая оболочка (rt = cc; r2=r)
3. Коническая оболочка (ri=eo; r2=r/cosa)
рг
О Л -
26 cos а
(9.7)
Здесь oi для цилиндрической и конической оболочек
получено из дополнительного уравнения равновесия от-
сеченной части оболочки с днищем.
Проверка оболочек на прочность. Оболочки, как пра-
вило, испытывают двухосное напряженное состояние
(о^О и ог^О). Поэтому их прочности проверяют по
приведенным напряжениям.
%р = И<х’| + — о, аг (9.8)
при этом должно соблюдаться условие, чтобы Oi^R и o^mR.
266
Устойчивость оболочек. При равномерном внутреннем
давлении oi и а получаются растягивающими. Если
внешнее давление равномерно или имеется вакуум, на-
пряжения определяются по тем же формулам, однако
они будут иметь другой знак, т. е. будут сжимающими.
В таких условиях возможна потеря устойчивости обо-
лочки. Прн проверке оболочек на устойчивость необхо-
димо, чтобы расчетные напряжения в оболочке о от на-
грузки не превышали критических окр. которые зависят
от вида оболочки, отношения r/б, напряженного состоя-
ния и материала:
X < £,ф. (9.9)
Значения критических напряжений для оболочек при-
ведены в справочниках.
Краевой эффект. В местах, препятствующих свобод-
ным деформациям оболочек (краевых линий), имеет
место краевой эффект—изгиб (см. рис. 9.8,6). Возни-
кающие моменты Мк могут быть большими, одиако они
быстро уменьшаются. Эпюры моментов по длине оболоч-
ки имеют волнообразный, резко затухающий характер.
Например, в цилиндрических оболочках момент первой
волны достигает нулевого значения на расстоянии nS/4
от краевой линии (см. рис. 9 8,6), где характеристика S
определяется по формуле
5=0,781/"бг, (9.10)
а наибольший изгибающий момент во второй волне
уменьшается более чем в 20 раз по сравнению с крае-
вым моментом.
Если сопрягается цилиндрическая оболочка с плос-
ким днищем, краевой момент на 1 см длины определя-
ется по формуле
Мк = арг6, (9.11)
где а-0,3 при жестком защемлении и а=0,1 при упругом защемле-
нии цилиндрической оболочки в диише: р — внутреннее давление
у места сопряжения.
Дополнительные местные напряжения от изгиба
в оболочке:
Если исходить из предположения, что упругость ма-
териала неограничена, то местные напряжения от изги-
267
ба могут быть весьма значительными, превышающими
предел текучести материала. В реальной конструкции
после достижения материалом предела текучести напря-
жения перестают нарастать. В месте возникновения
краевого эффекта в кольцевом сечении появляется шар-
пир пластичности и оболочка начинает работать по из-
мененной схеме со смягчением жесткости по краевой ли-
нии и перераспределением напряжений. Появление шар-
нира пластичности по краевой линии оболочки не
превращает ее в изменяемую систему, следовательно,
несущая способность ее не является исчерпанной.
Несмотря па то что действующие нормы проектиро-
вания не содержат рекомендаций по проверке листовых
конструкций на напряжения от краевого эффекта в кон-
кретных случаях, их надо иметь в виду, оценивать и учи-
тывать.
Влияние краевого эффекта должно учитываться так-
же конструктивными мероприятиями: применением ста-
лей с гарантированным углом загиба в холодном состоя-
нии, сварочными материалами повышенного качества,
плавными переходами от одной оболочки к другой, уст-
ройством плавных скосов кромок при изменении толщин
листов и т. д.
§ 36. Сварные газгольдеры. Назначение.
Классификация. Принцип действия
Сооружения в виде сосудов, предназначенные для
хранения, выравнивания состава и перемешивания раз-
личных газов, называют газгольдерами. По величине
внутреннего давления газгольдеры разделяют иа два
класса: газгольдеры низкого давления с из-
быточным давлением до 5 кПа и газгольдеры вы-
сокого давления, в которых рабочее давление
достигает 3000 кПа, а в некоторых случаях и более.
Различают газгольдеры постоянного дав-
ления и газгольдеры постоянного объ-
ема.
В газгольдерах постоянного давления при опорож-
нении или наполнении изменяется объем, а давление все
время остается постоянным. В газгольдерах постоянного
объема изменяется только давление, а объем остается
неизменным.
Газгольдеры низкого давления имеют переменный
268
объем и делятся на две группы: мокрые газгольдеры
с вертикальными направляющими или винтовыми на-
правляющими и сухие газгольдеры с поршнем или гиб-
кой секцией.
Наиболее распространены мокрые газгольдеры с вер-
тикальными и винтовыми направляющими.
Мокрые газгольдеры. Конструкция мокрого газголь-
дера состоит из неподвижного вертикального цилиндри-
ческого резервуара, наполненного водой, в котором на-
ходится подвижное звено — опрокинутый стакан-коло-
кол. В газгольдерах больших объемов (10000 м3
н более) между резервуаром и колоколом размещаются
подвижные звенья — телескопы. Газ подается под коло-
кол и своим давлением поднимает его, а вода, находя-
щаяся в карманах-желобах, расположенных по перимет-
ру колокола и телескопа, является гидравлическим
затвором, препятствующим выходу газа наружу. Газ-
гольдер с одним колоколом называют однозвенным, если
добавляется телескоп, то двухзвениым и т.д. В нашей
стране используют типовые газгольдеры объемом до
30000 м3. В мировой практике известны газгольдеры объ-
емом 100000 м3 и более.
Мокрые газгольдеры с вертикальными
направляющими получили свое название потому,
что движение колокола и телескопов происходит по
вертикальным направляющим, расположенным снару-
жи газгольдера {рис. 9.9). Верхние края колокола
и телескопа упираются через консоли с роликами на
внешние направляющие, расположенные по периметру
на равных расстояниях.
Нижние края колокола и телескопа упираются на
внутренние направляющие, прикрепленные к корпусу
колокола и резервуара. Расчетное внутреннее давление
регулируется пригрузкой колокола.
Толщина стенки водяного резервуара определяется
расчетом на гидравлическое давление воды и избыточ-
ное внутреннее давление, а толщина стенки колокола
и телескопа — расчетом на внутреннее давление. Исхо-
дя из конструктивных соображений минимальная толщи-
на стенок 4 мм, крыши колокола 2,5—3 мм. Крыша ко-
локола изготавливается из листов, сваренных между
собой, опирающихся на наклонные стропила из швелле-
ров. В центре стропила прикрепляют к опорному коль-
цу. Стропила соединяют друг с другом обрешеткой из
269
Рис. 9.9. Конструктивная схе-
ма мокрого газгольдера с вер-
тикальными направляющими
г — колокол; 2 — телескоп: 3 — ре-
зервуар: 4 — внешние направляю-
щие: 5 — внутренние направляю-
щие: 6 — водяной затвор; 7 — при-
груз: 8 — верхниЛ ролик колокола:
$ — верхние ролик телескопа; 10 —
иижикй ролик колокола: II — ниж-
ний ролик телескопа
уголков, на которые также опираются листы крыши ко-
локола.
Мокрые газгольдеры с винтовыми на-
правляющими. Колокол и телескопы в этих газ-
гольдерах опускают и поднимают не вертикально вверх
270
с упором роликов во внешние и внутренние вертикаль*
иые направляющие, а по винтовой линии, аналогично
движению винта в гайке (рис. 9.10).
Винтовые направляющие расположены на внешней
поверхности газгольдера под углом 45°. Под давлением
газа колокол как бы вывинчивается в направляющих
ролнках, расположенных сверху нижележащего звена
(рис. 9.10, а, б).
В остальном конструкции газгольдера с винтовыми
направляющими аналогичны газгольдеру с вертикаль-
ными направляющими. В них также есть резервуар,
наполненный водой, колокол и промежуточные звенья —
телескопы, соединяемые гидравлическими затворами.
Для изготовления винтовых направляющих исполь-
зуют гнутый по винтовой линии рельс узкой колеи или
двутавр. Направляющие прикрепляют при помощи свар-
ки катетом шва 4 мм. Надежную работу подвижных
звеньев винтовых направляющих обеспечивает их вы-
сокая точность изготовления. С точки зрения металло-
емкости газгольдеры с винтовыми направляющими более
экономичны, чем газгольдеры с вертикальными направ-
ляющими: их масса примерно на 10% меньше из-за от-
сутствия каркаса меньшей массы механических деталей.
Сухие газгольдеры поршневого типа представляют
собой вертикальный резервуар, внутри которого нахо-
дится поршень. Газ под давлением 2...4 кПа подается
под поршень и поднимает его до предельного положения.
При отборе газа поршень опускается. В полости между
поршнем и внутренней поверхностью корпуса устроен
скользящий затвор на консистентной смазке, препятст-
вующий проникновению газа в надпоршневое простран-
ство.
Сухие газгольдеры по сравнению с мокрыми имеют
некоторые преимущества: так как не требуют водяного
резервуара и устройства для подогрева воды в зимнее
время, хранимый газ не увлажняется, расход стали на
1 м3 хранимого продукта несколько меньше. Однако есть
и недостатки, заключающиеся в высокой трудоемкости
изготовления и более высокой стоимости эксплуатации.
Сухие газгольдеры с гибкой секцией
(рис. 9.11), как правило, применяют в химической про-
мышленности. Эти газгольдеры герметичны, хранимый
газ не увлажняется и не засоряется маслами, как в газ-
гольдере поршневого типа.
271
Рис. 9.11. Сухой газгольдер с гибкой секцией
а —принцип работы; б — конструктивная схема; / — поршень; 3—выравни-
вающие ролики; 3 — тросы выравнивающих роликов; 4 — гибкая секция из
прорезиненной ткани
Подвижная часть газгольдера может подниматься
при заполнении его газом. Она имеет ролики, по которым
во встречных направлениях проходят два каната. Это
предохраняет ее от перекоса. Важная конструктивная
деталь такого резервуара — гибкая цилиндрическая
секция из прорезиненной ткани, прикрепленная одним
концом к корпусу, а другим к подвижной части. Эта сек-
ция обеспечивает герметичность между корпусом и под-
вижной частью. Внутреннее давление в резервуаре ре-
гулируется пригрузкой подвижной части железобетон-
ными грузами.
Газгольдеры высокого давления рассчитывают, испы-
тывают и эксплуатируют по правилам Госгортехнадзо-
ра. Так же как и резервуары повышенного давления,
цилиндрические газгольдеры часто выполняют габарит-
ными для провоза по железной дороге. На объекте их
устанавливают группами (батареями) в горизонтальном
272
или вертикальном положении. Конструкция шаровых
газгольдеров аналогична конструкции шаровых резер-
вуаров соответствующей формы (см. рис. 9.7, а, б).
§ 37. Сварные газгольдеры.
Основные принципы конструирования
Наиболее часто употребляемые газгольдеры постоян-
ного объема: шаровые, цилиндрические вертикальные
и цилиндрические горизонтальные. Теоретически наибо-
лее выгодная форма газгольдера постоянного объема —
шар, имеющий минимальную поверхность при данном
объеме.
Внутреннее давление газа в газгольдерах принима-
ется равным номинальному. Размер внутреннего давле-
ния колеблется в больших пределах в зависимости от
назначения газгольдера и может превосходить 10 МПа.
Нагрузки от давления воды. По нормам
котлонадзора пробное давление при гидростатическом
испытании сварных сосудов должно приниматься
равным: при рабочем давлении Р<0,5 МПа — 1,5 Р;
при Р=0,5 МПа — выше 1.25Р.
Ветровую нагрузку определяют по фрмуле
0 = AQ, (9.13)
где Q — скоростной напор ветра, определяемый по СНиПу в зави-
симости от географического района; k — аэродинамический коэффи-
циент (для шара 0,7, а для цилиндра поперек оси 0,8 и вдоль оси
0,9).
Температурные нагрузки учитывают при
отсутствии возможности свободных температурных де-
формаций. Они зависят от разности температур в мо-
мент монтажа и возможной предельной температуры.
Разность температур зависит от климатического пояса
и принимается по СНиП 2.01.07—85.
Монтажные нагрузки н усилия, возникающие
при транспортировании конструкций, учитываются в рас-
чете отдельных деталей, па которые газгольдер опира-
ется при перевозке во время монтажа.
Оболочки газгольдеров постоянного объема рассчи-
тывают по допускаемым напряжениям. Для образования
оболочки шаровых газгольдеров из отдельных листов
применяют два наиболее часто встречающихся способа
раскроя: по меридианам и параллелям (рис. 9.12, а) и
футбольный (рис. 9.12,6).
273
Рис. 9.12. Схема раскроя сферических газгольдеров
л — по мсрпднэпам и параллелям; б — футбольная
Ввиду значительной нагрузки, приходящейся на
опору от воды, налитой на поверхность при испытании,
число стоек в опоре обычно принимают больше необхо-
димых трех. При этом оси стоек во избежание слагаю-
щих усилий, нормальных оболочек, направляют по ка-
сательным к оболочке. Эти оси будут вертикальными при
опирании по большому кругу и наклонными при опира-
нии по малому параллельному кругу. Для восприятия
распора предусматривается кольцевое ребро жесткости
при несовпадении осей стоек опоры с касательной к обо-
лочке. Опоры газгольдеров рассчитывают по методу пре-
дельных состояний. Расчетной комбинацией нагрузок
для опор являются: 1) нагрузка от массы воды при ис-
пытании и нагрузка от ветра средней интенсивности;
2) нагрузка от ураганного ветра (с коэффициентом со-
четания 0,9).
Вертикальный цилиндрический газгольдер кроме
проверки по формуле (9.4) должен быть проверен на
давление воды при испытании и на местную устойчи-
вость в местах примыкания опор. Расчетные комбинации
нагрузок для опор вертикального газгольдера те же, что
и для шарового.
Горизонтальный цилиндрический газгольдер имеет
две опоры, расположенные по схеме двухконсольной
балки. В оболочке на опорах устраивают специальные
кольца жесткости.
Кроме определения толщины оболочки производят
контрольную проверку оболочки с учетом изгиба, вызы-
ваемого собственной массой.
Газгольдеры переменного объема рас-
274
считывают на нормативные нагрузки с коэффициентом
перегрузки:
1. Собственная масса конструкции (по чертежам)
п=1,1;
2. Давление газа под колоколом 1.5...5 кПа—л=1,2;
3. Давление воды в резервуаре
4. Полезная (временная) нагрузка на обслуживаю-
щие площадки н лестницы 2 кН/мг— п=1,2;
5. Снег на колоколе: на всей крыше пли на половине
крыши колокола интенсивностью, соответствующей райо-
ну строительства по СНиП 2.01.07—85, но не меньше
1 кПа (III район), л=1,4.
Нагрузка от снега на всей крыше, несмотря на сфе-
рическую поверхность, не уменьшается; прн расчете на
односторонний снег снеговую нагрузку умнох<ают на
дополнительный коэффициент п=0,8.
6. Ветровую нагрузку определяют по формуле (q=
=kQ) с аэродинамическим коэффициентом 0,7 и п=1,2.
7. Сейсмические силы определяют по СНиПу, сей-
смическую нагрузку разрешается определять по упро-
щенной формуле
S = Qtkca, (9.14)
где S— сейсмическая нагрузка, которая принимается действующей:
для расчета корпуса и направляющих— горизонтально; для кольце-
вых площадок — вертикально; для болтов крепления и анкерных —
па срез или на отрыв; Q( —вес конструкций или отдельных ее час-
тей и пригрузок н вес временных вертикальных нагрузок' (снег)
принимаются по нормативным значениям без коэффициентов пере-
грузки. а значения временных нагрузок берутся, кроме того, со спе-
циальным коэффициентом сочетания 0.8; kc — сейсмический коэффи-
циент для данной местности строительства; а — коэффициент, зави-
сящий от динамических свойств сооружения или его частей.
При расчетах следует применять сочетания нагрузок:
основные — собственная масса, давление газа и воды,
полный или односторонний снег, временные нагрузки на
площадке;
дополнительные: а) нагрузки основные с односторон-
ней снеговой нагрузкой, ветровая нагрузка температур-
ные и монтажные воздействия; б) нагрузки основные
без учета снеговой нагрузки:
особые — нагрузки от собственной массы, веса воды
и снега, сейсмические инерционные силы.
При расчете газгольдеров учитывают коэффициент
условий работы m=l, за исключением случаев, когда
принимаются иные значения для:
275
корпуса водяного резервуара газгольдера т=0,8;
внешних вертикальных направляющих /тг=0,9;
сжатых основных элементов купола т=0,9.
§ 38. Изотермические цилиндрические
резервуары. Назначение. Классификация.
Принцип действия
Развитие многих отраслей народного хозяйства
'(энергетики, металлургии, химии, сельского хозяйства
и др.) невозможно без использования большого количе-
ства кислорода, аргона, водорода, углеводородных газов
и аммиака. Интенсивное потребление газов привело
к поиску путей снижения удельной стоимости газохра-
нилищ, которые являются наиболее материалоемкой
и дорогостоящей составной частью цепи — производст-
во— потребление газа. Один из эффективных путей ре-
шения этой задачи — внедрение и развитие низкотемпе-
ратурного способа хранения газов. Этот способ выгодно
отличается от способа хранения газов в резервуарах вы-
сокого давления при температуре окружающей среды.
Хранение сжиженных нефтяных газов (СНГ), сжижен-
ных природных газов (СПГ) и других продуктов при
низких температурах и давлениях привлекает внимание
специалистов возможностью значительного сокращения
удельных капиталовложений.
Вертикальные цилиндрические изотермические ре-
зервуары получили наибольшее распространение средн
газохранилищ различных типов. Несмотря на то что при
больших объемах хранилищ подземный способ хранения
газов имеет значительные экономические преимущества,
наземные резервуары для низкотемпературного хране-
ния газов широко применяют в различных областях тех-
ники. Дело в том, что подземные газохранилища требу-
ют специальных геологических условий, а наземные ре-
зервуары могут быть построены практически в любом
месте. Конструкции вертикальных цилиндрических ре-
зервуаров для низкотемпературного хранения сжижен-
ных газов имеют ряд принципиальных отличий от широ-
ко применяющихся в мировой практике резервуаров для
хранения нефти и нефтепродуктов.
Отрицательные эксплуатационные температуры пред-
определяют выбор специальных хладостойких материа-
лов и выдвигают строгие требования к конструктивным
276
-кХХ ЖЕСТКАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
насыпная изоляция
Рис. 9.13. Основные схемы вертикальных цилиндрических изотерми-
ческих резервуаров
п — одностопные с самонесущей крышей н экранной изоляцией: б—одностоп-
ные с подвесной внутренней крышей я пористой изоляцией: о — двухстенные
с самонесущей крышей и засыпной изоляцией: г — двухстеииые с подвесной
крышей и засыпной изоляцией
МЕТАЛЛ
ЖЕЛЕЗОБЕТОН
мерам по обеспечению надежности сооружений. Наличие
теплоизоляции вызывает необходимость ее защиты от
атмосферных воздействий и создает дополнительную на-
грузку на несущие конструкции. В связи с возможностью
возникновения в период эксплуатации избыточного дав-
ления или вакуума как внутри резервуара, так и в меж-
стенном пространстве в конструкции предусматривают:
устройство колец жесткости; закрепление нижнего поя-
са стенки с помощью анкеров к фундаменту; применение
специальной конструкции крыши. Требование уменьше-
ния площади поверхности резервуара, направленное па
уменьшение хладопотерь в окружающее пространство,
диктует пропорции основных размеров резервуаров, при
которых высота и диаметр примерно равны.
Основные схемы вертикальных цилиндрических изо-
термических резервуаров, применяемых в мировой прак-
тике, представлены на рис. 9.13.
Изотермические резервуары классифицируются по
различным признакам:
277
Рис. 9.14. Схемы фундаментов изотермических резервуаров
7 — железобетонная плита; 2— сваи: 3 — обогревающее устройство
по конструктивному исполнению стенок резервуара:
одностенные (рис. 9.13,а,б); двухстенные (рис. 9.13,о);
по конструктивному исполнению внутренней крыши:
с самонесущей внутренней крышей (рис. 9.13, а, в);
с подвесной внутренней крышей (рис. 9.13, б, г);
по типу изоляции: экранная (рис. 9.13, а)-, пористая
(рис. 9.13, б)-, засыпная (рис. 9.13, в, г)\
по применяемым материалам: металлические (рис.
9.13, а — г).
Кроме указанных признаков, цилиндрические изотер-
мические резервуары подразделяют по положению от-
носительно уровня земли иа наземные и заглубленные.
Фундаменты вертикальных цилиндрических изотер-
мических резервуаров, выполненные в виде железобе-
тонной плиты, применяют двух вариантов, предусматри-
вающих мероприятия по исключению промерзания грун-
та под основанием (рис. 9.14).
В первом варианте фундамент на сваях предусмат-
ривает устройство проветриваемого пространства между
фундаментной плитой и основанием. Иногда вместо
свайного фундамента применяют конструкцию, состоя-
щую из верхней и нижней железобетонных. плит, кото-
рые соединены между собой колоннами.
Во втором варианте фундамент состоит из железо-
бетоной плиты, лежащей непосредственно па основании,
и системы приспособлений для постоянного обогрева ос-
нования.
278
§ 39. Изотермические цилиндрические
резервуары. Основные принципы
конструирования
Наружный резервуар предохраняет теплоизоляцию
от повреждения и проникания влаги. При сооружении
наружного резервуара руководствуются теми же прави-
лами, что и при сооружении обычных нефтяных резер-
вуаров. В большинстве случаев металлический наруж-
ный корпус не рассчитывают на гидростатическое дав-
ление продукта, так как для случая аварийного разлива
продукта предусматривается защитная железобетонная
стенка, способная удержать и предотвратить его распро-
странение на большой площади.
Наружный резервуар рассчитывают на обычные ат-
мосферные нагрузки (снег, ветер), избыточное давление,
вакуум, вес и боковое давление теплоизоляции, собст-
венный вес конструкций. В связи с отсутствием гидро-
статической нагрузки толщину наружной стенки резер-
вуара обычно принимают постоянной по высоте из рас-
чета на устойчивость. При этом из конструктивных
соображений минимальные толщины стенки в зависимо-
сти от диаметра резервуара не должны превышать ве-
личин, приведенных ниже.
Диаметр резерпуара. м
До 15
I5...36
36...60
60...75
Более 75
Мннпкалъиая тол-
щина с ген кп. мы
5
6
8
10
12
,5
Для повышения устойчивости и обеспечения хорошей
геометрической формы на наружной стенке предусмат-
ривают кольца жесткости. Правильная геометрическая
форма наружной стенки является одним из условий при-
менения метода пневмоподъема крыши в проектное по-
ложение.
Наружная крыша представляет собой самонесущий
ребристо-кольцевой купол. Минимальная толщина эле-
ментов конструкций крыши 5 мм.
Наружная крыша воспринимает следующие нагрузки:
собственный вес; вес подвесной крыши с подвесками
и теплоизоляцией; атмосферные нагрузки (снег, ветер);
279
избыточное давление (обычно до 10 кПа); вакуум (до
1 кПа); массу оборудования (трубопроводы, площадки,
клапаны и др.).
Наружный корпус изготовляют из обычной пизкоуг-
леродистой стали. Внутренний резервуар является наи-
более ответственной частью всего сооружения.
Такой фактор, как отрицательная эксплуатационная
температура, который в сочетании с неизбежными допу-
стимыми конструктивно-технологическими несовершен-
ствами может привести к хрупкому разрушению, диктует
выбор материалов и конструктивно-технологических тре-
бований, направленных на повышение хладостойкости
конструкций внутреннего резервуара.
Материал внутреннего корпуса выбирают с учетом
условий эксплуатации при расчетных температурах хра-
нения сжиженного газа. Обычно применяют три вида
материала: никелевую сталь, алюминиевые сплавы, не-
ржавеющие стали.
Внутренний корпус резервуара рассчитывается как
на гидростатическую нагрузку, так и на давление сыпу-
чего изоляционного материала (обычно перлита) в соче-
тании с вакуумом внутри резервуара. Для обеспечения
устойчивости стенки предусматривают кольцевые ребра
жесткости.
Стенку и днище внутреннего резервуара собирают из
крупногабаритных листов. В конструкции днища приме-
няют либо односторонние нахлесточные соединения, ли-
бо стыковые на подкладках. Окрайки шириной 600...
900 мм сваривают встык.
Мероприятия по обеспечению безопасной эксплуата-
ции изотермических резервуаров зависят от вида храни-
мого продукта. Например, в случае хранения аммиака
опасна его токсичность. Метан, пропаи, бутан и природ-
ный газ пожароопасны.
При проектировании низкотемпературных резервуа-
ров учитываются такие факторы, как возможность пере-
полнения резервуара при эксплуатации, превышения
избыточного давления, пожар вблизи резервуара
и т.д.
Существуют два типа опасностей для окружающей
резервуар зоны: распространение взрывной смеси паров
хранимого продукта и воздуха; теплоизлучение в случае
пожара и его возможные последствия.
Для обеспечения безопасности зоны, окружающей
280
резервуар, при проектировании руководствуются следу-
ющими принципами:
а) аварийную ситуацию локализуют в минимальном
объеме; резервуар рассчитывают таким образом, чтобы
наружная или оградительная стенка выдержала воздей-
ствие вылившегося продукта в случае аварии внутрен-
него резервуара;
б) внутренний резервуар должен быть защищен на-
ружной емкостью или оградительной стенкой от внеш-
них воздействий.
Таким образом, чаще употребляют два типа изотер-
мических резервуаров для сжиженных газов:
одно- либо двухстенные н с наружным резервуаром,
являющимся кожухом для теплоизоляции, при наличии
оградительной стенки из железобетона;
с наружным резервуаром, рассчитанным на гидроста-
тическое давление продукта и другие особые воздейст-
вия.
Изотермические резервуары второго типа обычно
проектируются с применением преднапряженного желе-
зобетона.
Двухстенные металлические резервуары выполняют
в двух вариантах (см. рис. 9.13, в, г): с самонесущей
внутренней крышей и подвесной плоской крышей. По-
следний вариант получил широкое распространение, его
применение ограничено лишь в районах повышенной
сейсмичности.
На рис. 9.15 представлена схема металлического изо-
термического резервуара двухстенной конструкции с под-
весной внутренней крышей.
Принципиальное отличие указанной конструкции от
резервуара с самонесущей внутренней крышей заключа-
ется в том, что пары продукта свободно проникают
в межстениое пространство через специальные отверстия
в подвесной крыше. Таким образом, избыточное давле-
ние газа воспринимает наружный резервуар, выполнен-
ный из более дешевой стали по сравнению с внутренней
емкостью. Подвесная крыша несет теплоизоляцию и со-
стоит из плоской листовой мембраны толщиной 5 мм,
усиленной концентрическими кольцами, к которым кре-
пятся подвески.
В конструкции с самонесущей внутренней крышей
избыточное давление газа воспринимается внутренним
резервуаром. В межстенное пространство подается газ
281
1
Рис. 9.15. Схема металлического изотермического резервуара ДОУХ‘
стенной конструкции с подвеской внутренней крышей
/ — наружная крыша: 2 —шторное уплотнение: 3 —опорное кольцо; < —на-
ружная стенка: 5 — компенсационный слой теплоизоляции; 6 — кольца жест-
кости наружной стенки: 7 — перлитный песок: 8 — анкерная полоса: 9 — ан-
керный колодец: /О — железобетонная фундаментная плита: //—сван: /2 —
дсрспнпныс брусья: /3 — наружное днище; /4 — стеклянные блоки; IS — внут-
реннее днище: 16 — кольца жесткости внутренней стенки: 17 — внутренняя
стенка: 18 — опорное кольцо внутренней стенки: 19 — повзссл«я крыша; 90 —
перлитный песок в упаковке; 2/ — подвески
с малой химической активностью, например азот, кото-
рый осушает теплоизоляцию в процессе эксплуатации.
Такое решение требует устройства специального газголь-
дера для хранения азота. При подвесной крыше тепло-
изоляцию осушают пары продукта, проникающие в меж-
стенное пространство.
282
§ 40. Листовые конструкции доменных цехов
Комплекс инженерных сооружений, предназначенных
для выплавки чугуна из железной руды, называют до-
менным цехом (рис. 9.16).
Основной технологической храктернстикой домен-
ного цеха, определяющей его производительность, явля-
ется объем доменной печн. Современные доменные печи
достигают объема более 5000 м3. На сооружение домен-
ной печи расходуется до 5000 т металлоконструкций,
40...45 % из которых составляют листовые конструкции
типа оболочек. К листовым конструкциям относятся ко-
жухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеулови-
телей, новые решения лифтов и транспортерных гале-
рей, скрубберы, электрофильтры и газовоздухопроводы.
Доменная печь (рис. 9.17) представляет собой ме-
таллическую шахту, облицованную изнутри огнеупорной
футеровкой. Профиль шахты имеет специфическое очер-
тание, обусловленное технологическим процессом. Осно-
вание доменной печи — лещадь — цилиндрическая
часть кожуха с днищем. Сужающуюся над лещадью
часть кожуха называют горном, а вновь расширяю-
щую часть до мораторного кольца — заплечиками.
Выше мораторного кольца находится основная часть
печи — шахта. Назначение мораторного кольца под-
держать футеровку шахты, нагрузка от которой через
колонны горна передается на фундамент.
В процессе работы печи футеровка ее расширяется,
поэтому между кожухом печи и футеровкой предусмат-
ривается небольшой зазор, заполненный упругой набой-
кой. Кожух печи воспринимает большое внутреннее дав-
ление, поэтому толщина кожуха в нижней части дости-
гает 40...45 мм, постепенно уменьшаясь по высоте до
22—30 мм в верхней части шахты. Все листы кожуха
свариваются встык, поэтому с учетом толщины приме-
няется разделка кромок под сварку.
Выше кожуха доменной печи установлены надколош-
никовые конструкции: копер для обслуживания засып-
ного устройства, консольные монтажные балки, газопро-
воды. На надколошниковые конструкции опирается на-
клонный мост.
Воздухонагреватели представляют собой вертикаль-
ные цилиндрические сосуды диаметром 8... 10 м со сфе-
рическим куполом п плоским днищем. Общая высота
283
Рис. 9.16. Комплекс доменной печи и газоочистки
а, С — схемы: / — доменная печь; 2 — колошниковый колер; 3 — колошнико-
вый подъемник (наклонный мост); 4— продолжение наклонного моста в ски-
повой яме; S — скип; 6 — здалне скипового подъемника; 7 — лифт; 8 — газо-
отводы: 9 — воздухопровод холодного дутья: 10 — воздухонагреватели: 11 —
дымовая труба; 12 — воздухопровод горячего дутья; 13 — чугунная летка и
желоба; 14 — шлаковые летка и желоба; /5—ковши для шлака: 16— ковши
для чугуна; 17 — здание доменной печи (литейный двор); 18 — мостовой крап;
19 — пылеуловители; 20 — газопровод грязного газа; 2/ —скруббер; 22—элект-
рофильтры; 23 — газопровод чистого газа; 24 — здание газоочистки; 25 — га-
зопровод получнетою газа газоочистки; 26 — здание воздухонагревателей:
27 — кольцевой воздухопровод горячего дутья: 28 — газопровод получистого
газа от газоочистки в подкупольное пространство; 29 — газопровод получи-
стого газа в газоочистке
284
Рис. 9.17. Кожух доменной печи
а — разрез по кожуху и детали сопряже-
ния листов; б — развертка поясных лис*
тов кожуха
Рис. 9.18. Воздухонагреватель с вы-
носной камерой горения
1 — плоское днище; 1 — цнлиплрнческнП
корпус; 3 — купол; 4 — выносная камера
горепнк
285
воздухонагревателя достигает 40...50 м. Форсированные
режимы эксплуатации, а также необходимость измене-
ния конструкции футеровки, в частности, отделения ка-
мер горения и насадки, привели к созданию в последних
проектах воздухонагревателей с выносной камерой го-
рения (рис. 9.18). Внутри воздухонагревателя уложен
кирпич на ребро в клетку для создания воздушных про-
ходов, около стенок футеровка сплошная.
Футеровку воздухонагревателя не доводят до верха
стального купола примерно на 500 мм с целью преду-
преждения растяжения кожуха воздухонагревателя при
вертикальном расширении кирпичной кладки. С этой же
целью между цилиндрической частью кожуха и футе-
ровкой оставляют зазор, заполняемый упругой набой-
кой.
Воздухонагреватель в процессе экслуатацин работает
как сосуд под давлением, поэтому прн заполнении воз-
духом его плоское днище стремится выгнуться и припод-
нять воздухонагреватель. Для предупреждения этого
явления кожух крепится к фундаменту стальными лис-
товыми анкерами, приваренными по периметру к ниж-
ней царге. Современные воздухонагреватели имеют
толщину 20...32 мм, поэтому собираются из отдельных
листов, укрупняемых на монтажной площадке в монтаж-
ные блоки-царги.
Пылеуловители (рис. 9.19) представляют собой ци-
линдрические сооружения диаметром 8...12 м н высотой
12... 14 м с конусообразным куполом н днищем, установ-
ленным на стальных или железобетонных колоннах.
Между колоннами проходят железнодорожные пути, по
которым в специальных вагонах вывозится пыль. Внут-
ренняя поверхность пылеуловителя футеруется шамот-
ным кирпичом или жаропрочным бетоном, защищающим
металл от абразивного износа пылью. Футеровка кре-
пится на каркасе из кольцевых и меридиональных ребер,
которые обеспечивают устойчивость оболочки, в том
числе и при создании вакуума (в случае попадания па-
ра или оседания шихты в доменной печи). В конусном
днище имеется выпускное отверстие для пыли. Толщину
стенки кожуха пылеуловителя 12...16 мм рассчитывают
иа избыточное давление газа.
В местах перехода цилиндрического корпуса пыле-
уловителя в купол и днище стенки утолщаются в связи
с возникновением местных напряжений. Переход реша-
286
a)
pitc. 9.19. Пылеуловитель
a — общий вид: б — план блока с одним пылеуловителем; в — то же. с дву-
мя пылеуловителями; г — узлы сопряжения конусов е цилиндром; /—пылевой
затвор: 2 — рабочая площадка; 3 — опорное ребро пылеуловителя; 4—цент-
ральная труба; 5 — копер отсекающего клапана: 6 — ребра для крепления
футеровки; 7 — газоотвод; 8 — кожух отсекающего клапана; 9 — конус отсе-
кающего клапана; 10 — колонны; // — газопровод грязного газа; 12— допол-
нительные колонны рабочей площадки
287
ется в виде усеченного конуса, или в форме тора, или
части сферы. Последнее решение позволяет уменьшить
толщину металла иа 20...30 % и упрощает изготовление
конструкций.
Между колоннами пылеуловителя устанавливаются
связи, которые со стороны железнодорожных путей рас-
полагают выше уровня рабочей площадки для пропуска
вагонов.
Контрольные вопросы
1. Классификация листовых конструкций.
2. Резервуары, их характеристика.
3. Основное оборудование, устанавливаемое иа резервуарах.
4. Принципы расчета сварных резервуаров.
5. Газгольдеры, их характеристика и классификация.
6. Основные принципы конструирования газгольдеров.
7. Изотермические резервуары, назначение, принцип действия.
Раздел III
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ И ТРУБОПРОВОДЫ
Глава X.
СОСУДЫ И АППАРАТЫ, РАБОТАЮЩИЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
§ 41. Оборудование, подведомственное
Госгортехнадзору СССР.
Назначение и классификация
Сварные машиностроительные конструкции и трубо-
проводы имеют чрезвычайно большое многообразие ви-
дов, типоразмеров, форм и назначений. Поэтому в нас-
тоящем разделе будут рассмотрены сварные конструк-
ции, с которыми постоянно имеют дело организации
и предприятия Минмонтажспецстроя СССР, либо при их
изготовлении, либо при монтаже, либо при производст-
ве капитальных ремонтов или реконструкции оборудо-
вания и трубопроводов.
Машиностроительные сварные конструкции разделе-
ны на две большие группы: подведомственные и непод-
ведомственные Госпроматомнадзору СССР. В данном
разделе рассматриваются преимущественно листовые,
оболочковые конструкции, как наиболее ответственные
и насыщенные сварными соединениями. Из всего разно-
образия трубопроводов рассматриваются технологичес-
кие, как наиболее характерные и наиболее сложные при
изготовлении и монтаже.
Рассмотрим понятие «оборудование, подве-
домственное Госпроматомнадзору СССР».
Госпроматомнадзор СССР является комплексом по обес-
печению надзора за соблюдением правил, норм и инст-
рукций, разработкой и проведением профилактических
мер по технике безопасности и охране недр. Госпроматом-
надзор СССР в своем составе имеет функциональные
подразделения — управления по отдельным отраслям и
видам производств и оборудования. Госпроматомнадзор
289
СССР осуществляет свои функции на стадиях проекти-
рования, изготовления, моптажа, освидетельствования п
эксплуатации поднадзорных объектов, включая разра-
ботку и утверждение необходимых нормативных доку-
ментов, известных как «Правила» Госпроматомнадзора
СССР. Организации и предприятия Минмонтажспецстрсн
СССР, ведущие изготовление и монтаж сварных конст-
рукций, подведомственны Госпроматомнадзору СССР,
связаны преимущественно с двумя его управлениями —
Котлонадзором и Газовым надзором.
Котлонадзор контролирует соблюдение Правил
устройства и безопасной эксплуатации паровых и водо-
грейных котлов, сосудов, работающих под давлением,
трубопроводов пара и горячей воды, а также подъем-
ных машин и сооружений, включая лифты.
Газовый надзор контролирует соблюдение
Правил устройства и безопасной эксплуатации газопро-
водов различного назначения (магистральные, промыс-
ловые, технологические, городские и т. Д.). Кроме того,
оба управления осуществляют надзор за аттестацией
сварщиков на право допуска к выполнению ответствен-
ных сварочных работ на объектах, подведомственных
Госпроматомнадзору СССР.
Как видно из приведенных выше перечней этих объ-
ектов, они представляют потенциальную опасность для
окружающих, так как либо работают под давлением
и при высокой температуре рабочего тела, и разрыв ма-
териала или сварного соединения может привести к серь-
езным последствиям; либо давление может быть и не
столь высоким, однако разрушение конструкции может
привести к взрыву (газопровод) или к отравлению пер-
сонала (хлоропровод); либо объект несет грузы, падение
которых может привести к несчастным случаям (мон-
тажный стреловой кран), или людей (лифт).
Таким образом, сварные конструкции, подведомст-
венные Госпроматомнадзору СССР, можно разделить на
три группы:
паровые котлы, пароперегреватели и экономайзеры
с рабочим давлением более 0,07 МПа и водогрейные кот-
лы с температурой воды свыше 115 °C. Госпроматомиад-
зор СССР устанавливает требования к конструкции, ма-
териалам для их изготовления и ремонта, изготовлению
и монтажу, включая сварку и др.;
сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа,
290
цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов (дав-
ление паров, в которых прн температуре до 50 °C пре-
вышает 0,07МПа),сосуды и цистерны для хранения, пе-
ревозки сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел, без
давления, но опорожняемые под давлением газа свыше
0,07 МПа, а также баллоны, предназначенные для пере-
возки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных
газов под давлением свыше 0,07 МПа. Регламентируют-
ся Правилами требования к конструкции сосудов, мате-
риалам для их изготовления, изготовлению и монтажу,
производству сварочных работ и контролю их качества
и т. д.;
трубопроводы пара и горячей воды, а также трубопро-
воды горючих, токсичных и сжиженных газов (подробно
см.гл.12).
Следует отметить, что к подведомственным Госпром-
атомнадзору СССР объектам, кроме сварных конструк-
ций подъемно-транспортных машин (например, сварные
стрелы подъемных кранов, рамы башенных кранов и т. д),
относятся также и некоторые строительные металличе-
ские конструкции (например, сварные подкрановые бал-
ки, газоходы доменных печей и некоторые другие).
Кроме основных Правил по устройству и безопасной
эксплуатации различных объектов, перечисленных выше,
Госпроматомнадзор СССР утвердил ряд Правил, регла-
ментирующих проведение отдельных действий. К инм от-
носятся: Инструкция по наблюдению н контролю за ме-
таллом трубопроводов и котлов (включая сварные соеди-
нения); Правила аттестации сварщиков; Инструкция по
надзору за изготовлением объектов котлонадзора; Инст-
рукция о расследовании и учете несчастных случаев иа
подконтрольных Госпроматомнадзору СССР предприя-
тиях и объектах; об авариях на объектах котлонадзора
и др.
Для того чтобы промышленное предприятие или мон-
тажная организация могли изготавливать, монтировать
или производить ремонтные работы на объектах Госпром-
атомнадзора СССР, они должны получить соответству-
ющее разрешение. Разрешение выдается управлениями
округов или госгортехнадзорами союзных республик
предприятиям или организациям, располагающими соот-
ветствующими кадрами и техническими средствами для
изготовления, монтажа и контроля этих объектов. Оно
выдается по просьбе предприятия (организации) после
291
проверки местным органом Госпроматомнадзора СССР.
В этом случае проверяют наличие: оборудования для из-
готовления элементов объектов котлонадзора; оборудо-
вания и условий для предусмотренного Правилами конт-
роля качества изготовления как отдельных элементов,
так н объекта в целом; инженерно-технических работни-
ков и контролеров, прошедших в установленном поряд-
ке проверку знаний Правил котлонадзора, а также свар-
щиков, аттестованных на право производства соответст-
вующих сварочных работ; условий хранения материалов
и готовых изделий.
Проектные и конструкторские работы на объектах,
подведомственных Госпроматомнадзору СССР, должны
осуществляться инженерно-техническими работниками,
изучившими и знающими в совершенстве всю норматив-
ную документацию по этим объектам и прошедшими
проверку знаний в установленном порядке.
§ 42. Сосуды, работающие под давлением.
Требования к ним, принципы расчета
Сосуды, работающие под давлением —
герметически закрытые емкости, предназначенные для
ведения химических и тепловых процессов, а также для
хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворен-
ных газов н жидкостей под давлением. Сосуды могут
быть пустотелые, используемые преимущественно для
хранения и перевозки, а также с внутренними устройства-
ми (тарелками, мешалками, диффузорами и т. д.), пред-
назначенные для ведения химических процессов или теп-
ловых (если в качестве внутреннего устройства использу-
ются трубные пучки).
Наиболее часто встречающиеся типы пустотелых сосу-
дов — сферические резервуары, которые изготовляются
монтажными организациями из заводских заготовок не-
посредственно на строительной площадке, а также гори-
зонтальные емкости постоянного объема (так называе-
мые «лежаки» или «буллиты»), автоклавы и др.
К сосудам с внутренними устройствами относится
много видов нефтехимаппаратуры: колонны ректифика-
ционные, абсорберы, десорберы, реакторы, фильтры и пр.,
а также теплообменная аппаратура.
Сосуды, работающие под давлением, встречаются
практически на предприятиях всех отраслей народного
хозяйства. Поэтому организации Минмонтажспецстроя
292
СССР активно участвуют в их монтаже, испытании и сда-
че в эксплуатацию, а в некоторых случаях и в доизготов-
лснии их на месте монтажа.
Рабочее давление в сосуде — максимальное
избыточное давление, возникающее при нормальном про-
текании рабочего процесса и устанавливающееся рас-
четом сосуда на прочность.
Расчетное давление сосуда является наимень-
шим из расчетных давлений отдельных его элементов,
работающих под давлением.
Испытательное давление сосуда — давле-
ние, при котором сосуд испытывают на прочность н плот-
ность (герметичность).
Основной нормативный документ, определяющий тре-
бования к сосудам, — Правила устройства и безопасной
эксплуатации сосудов, работающих под давлением,
утвержденные Госпроматомнадзором СССР 19 мая 1970 г.
Госпром атом надзор СССР устанавливает целый ряд
требований к конструкции сосудов, материалам, из ко-
торых они изготовляются, сварным соединениям и нх ка-‘
честву, предохранительным устройствам, испытанию и
другие требования.
Проект и технические условия на изготовление сосу-
дов должны выполняться проектной или конструкторской
организацией, имеющей соответствующее разрешение ор-
ганов Госпроматомнадзора СССР, то же относится к
предприятиям, изготовляющим сосуды, и монтажным ор-
ганизациям, производящим монтаж и испытание.
Перечисленные выше организации несут ответствен-
ность за соответствие сосуда, работающего под давлени-
ем, «Правилам». ч
Конструкция сосудов должна быть достаточно на-
дежна, безопасна в эксплуатации и предусматривать
возможность внешнего и внутреннего осмотра, промывки,
продувки и ремонта. Для этого внутренние устройства,
которые не дают возможности производить внутренний
осмотр сосуда, должны быть съемными; сосуды с вну-
тренним диаметром более 800 мм снабжены достаточным
числом лазов, расположенных в местах, доступных для
обслуживания; сосуды диаметром 800 мм и менее иметь
в доступных местах стенок круглые или овальные люки.
Исключение составляют сосуды с трубными пучками и ре-
шетками (теплообменники), которые независимо от диа-
метра сосудов разрешается изготавливать без лазов.
293
Рис. ЮЛ. Установка штуцера Ряс. 10-2. Размещение продоль-
на корпусе сосуда ных шноэ в горизонтальном
/—стенка сосуда: 2 — штуцер: 3 — сосуде
внутренний шов (при диаметре со- / — зона, в которой сварные шг>ы
суда U0U км и выше): 4 — парую- ие располагаются; 2—сварной шов
ный шов: 5—:шкладка («ворот-
ник»): б—швы приварки «ворот-
ника»
При внутренних осмотрах сосудов особое внимание
должно уделяться состоянию сварных швов для выявле-
ния дефектов, в первую очередь трещин. Осмотры произ-
водятся периодически, периодичность осмотров устанав-
ливается «Правилами».
Днища сосудов должны иметь эллиптическую форму,
исключения составляют сосуды диаметром не более
500 мм, где могут быть применены приварные плоские
диища.
Сварные швы сосудов, работающих под давлением,
должны быть только стыковыми, допускается применение
тавровых сварных соединений для приварки плоских
днищ, плоских приварных фланцев, а также штуцеров-
врезок труб в стенки сосуда. При вварке штуцеров в це-
лях повышения надежности соединения устанавливают
накладку, называемую иногда «воротником». На
рис. 10.1 приведена схема установки и приварки штуцера
с накладкой. В стыковых сварных соединениях сосудов
с различной толщиной стенок должен быть обеспечен
плавный переход от одного элемента к другому.
Крестообразные пересечения сварных швов, выпол-
ненных ручной дуговой сваркой, не допускаются. В этом
случае сварные швы должны быть смещены по отноше-
нию друг к другу на расстояние, равное двукратной тол-
щине наиболее толстого свариваемого элемента, ио не
менее 100 мм. Это требование ие распространяется иа
294
сварные швы. выполненные механизированной или авто-
матизированной сваркой.
Если днище сосуда является составным из нескольких
листов, то расстояние от осн шва до центра днища не
должно превышать 0,2 диаметра днища.
В целях возможности проведения эффективного
осмотра сварных швов сосуда не разрешается распола-
гать продольные сварные швы в горизонтальных сосудах
в пределах центрального угла нижней части корпуса со-
суда, равного 140° (рис. 10.2).
Сварные швы должны быть расположены вне опор
сосудов, в случае приварки опор или других конструкций
к корпусу или днищу сосуда. Расстояние между краем
сварного сосуда и краем шва приварки должно быть не
менее толщины стенки сосуда. Во всех случаях сварные
швы сосуда должны быть доступны для контроля при из-
готовлении, монтаже и эксплуатации сосуда.
Материалы, применяемые при изготовлении сосудов,
работающих под давлением, должны обладать хорошей
свариваемостью, а также прочностными и пластическими
характеристиками, обеспечивающими их достаточную
надежность и долговечность.
Для изготовления сосудов применяют широкий диапа-
зон различных марок сталей, их рекомендуемый перечень
приводится в «Правилах». К основным ИЗ них отно-
сятся:
сталь углеродистая обычного качества
по ГОСТ 380—71*. Кипящие стали этой группы сталей
используют для изготовления сосудов, работающих при
температуре стенки от 10 до 200 °C и давлении не более
1,6 МПа. Стали полуспокойные— для сосудов с темпе-
ратурой стенки от—20 до 200 °C и давлении ие более
5 МПа и спокойные — для сосудов с температурой стен-
ки от —20 до +425 °C и давлении не более 5 МПа;
стали низколегированные по ГОСТ
19282—73* (например, сталь 09Г2С), которые использу-
ют для изготовления сосудов с температурой стенки от
—70 до 475 °C;
стали высоколегированные и сплавы кор-
розионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные по ГОСТ
5632—72*. В зависимости от марки стали температура
стенки изготавливаемых сосудов может меняться от
—269 до 4-700 °C, а рабочее давление в сосудах может
либо ограничиваться 5 МПа, либо ие ограничиваться;
295
стали углеродистые качественные кон-
струкционные по ГОСТ 1050—74* (стали 10, 15,
20) для температуры стенки от —20 до 475 °C и давле-
ния не более 5 МПа.
Кроме сталей для изготовления сосудов могут при-
меняться также цветные металлы в виде листового про-
ката или труб:
медь и латунь используют для изготовления сосудов
с температурой стенки от —269 до 250 °C и давлением
до 4 МПа;
алюминий и его сплавы применяются при темпера-
туре стенки от —269 до 160 °C и давлением до 4 МПа;
титан и его сплавы соответственно прн температуре
от —269 до 500°C без ограничения давления.
Качество и свойства материалов должны удовлетво-
рять требованиям соответствующих стандартов и техни-
ческих условий, которые подтверждаются сертификата-
ми заводов-поставщиков.
Особые требования предъявляют к производству сбо-
рочных и сварочных работ при изготовлении, монтаже
и ремонте сосудов.
Сварка сосудов и их элементов должна производить-
ся в соответствии со специально разработанными
и утвержденными в установленном министерством поряд-
ке инструкциями, любое отступление от инструкции
должно быть обосновано и согласовано с головной науч-
но-исследовательской организацией.
К сварке сосудов могут быть допущены только свар-
щики, прошедшие аттестацию на право допуска их к от-
ветственным сварочным работам и имеющие удостовере-
ния установленного образца. Сварщики могут выполнять
только те работы, на которые они аттестованы и на ко-
торые имеется соответствующая запись в удостоверении.
Аттестация сварщиков производится в соответствии
с Правилами аттестации сварщиков, утвержденными
Госпроматомиадзором СССР 22.06.1971 г.
Перед началом сварки должно быть проверено каче-
ство сборки соединяемых элементов, а также качество
подготовленных кромок и состояние поверхности свари-
ваемых элементов. Не допускаются: подгонка кромок,
которая может вызвать дополнительные внутренние на-
пряжения в металле; ведение сварочных работ при из-
готовлении сосудов, если температура окружающего воз-
духа ниже 0 СС. .
296
При выполнении монтажных и ремонтных работ мо-
жет быть разрешено производство сварочных работ
и при отрицательных температурах окружающего воз-
духа, а также при дожде, ветре или снегопаде, если вы-
полнены все требования, предусмотренные техническими
условиями или инструкциями, а также сварщик и место
сварки защищены соответствующими ограждающими
устройствами.
Во избежание появления в сварных соединениях
и швах значительных внутренних напряжений, могущих
снизить прочностные качества сосуда, технология свар-
ки должна быть детально разработана с тем, чтобы воз-
никающие в соединениях внутренние напряжения были
бы минимальны.
Для снятия внутренних напряжений в сварных соеди-
нениях и стенках сосудов, а также для повышения проч-
ности сосудов вследствие структурных превращений
в металле, из которого изготавливается'сосуд, произво-
дят термическую обработку. Термическая обработка
в зависимости от конкретных условий производства
и конструкции сосуда может быть: местной (когда, на-
пример, снимаются внутренние напряжения в сварных
соединениях); поэлементной, прн которой термообработ-
ка сосуда в целом невозможна и производится по частям
(узлам, элементам), или общей, когда сосуд подверга-
ется термообработке целиком.
Завод — изготовитель сосудов, а также монтажные и
ремонтные организации, которые выполняют сварочные
работы, обязаны осуществлять контроль сварных соеди-
нений, подтверждающий их высокое качество и надеж-
ность. «Правила» регламентируют минимальный объем
контроля, который должен производиться.
Все сосуды после их изготовления с целью подтверж-
дения их прочностных показателей подвергают гидрав-
лическому испытанию, а если необходимо проверить их
герметичность — еще и пневматическому испытанию на
плотность.
Гидравлическое испытание производят
пробным давлением, которое рассчитывают по следую-
щим правилам:
а) если рабочее давление сварного сосуда меиее
0,5 МПа, то пробное давление Рп₽=1.5/(, но не менее
2 МПа (К — отношение допускаемого напряжения для
материала сосуда при температуре 20 °C к допускаемому
297
напряжению этого материала при рабочей температуре;
если сосуд работает при комнатной температуре, К=1);
б) если рабочее давление сварного сосуда 5 МПа
и выше, то пробное давление РП₽=1,25К, но не менее
Рр+3 МПа (Рр — рабочее давление, МПа).
Сосуд выдерживают под пробным давлением опреде-
ленное время в зависимости от толщины стенки. Для
сварных сосудов:
при толщине стенки до 50 мм время выдержки не ме-
нее 10 мин;
то же, 50...100 мм время выдержки не менее 20 мин;
» свыше 100 мм — 30 мин.
Пневматическому испытанию на плотность
подвергаются сосуды, работающие с горючими, взрыво-
опасными или токсичными газами или жидкостями, о чем
должна быть соответствующая запись в паспорте сосуда.
Вновь смонтированные или прошедшие ремонт сосуды
предварительно испытывают иа прочность гидравличе-
ским давлением.
Пневматическое испытание производится сухим воз-
духом, очищенным от масла, или азотом, причем давле-
ние в сосуде должно повышаться плавно, по специаль-
ному графику, с остановками на промежуточных давле-
ниях.
Испытание на плотность осуществляется испыта-
тельным давлением, при этом падение давления в сосу-
де должно происходить в течение не менее 24 ч для вновь
устанавливаемых сосудов. Падение давления в сосуде
при испытании на плотность определяют по формуле
Др = 100 (1 - (ркТ^/(р„ Гн))/т, (10.1)
где Др — величина падения давления в час, %, испытательного дав-
ления; р» — сумма манометрического и барометрического давле-
ний в начале испытаний, Па, или мм рт. ст.; рк — то же, в конце ис-
пытаний; Тн — абсолютная температура в начале испытаний К;
7«— то же, в конце испытаний; т — время испытания, ч.
Сосуд признается выдержавшим испытание на плот-
ность и пригодным к эксплуатации, если падение за 1 ч
не превышает 0,1 % при токсичных и 0,2 % при пожаро-
н взрывоопасных средах для вновь устанавливаемых со-
судов.
Дефекты, обнаруженные в процессе изготовления,
монтажа и испытания, должны быть устранены с после-
дующим контролем исправленных участков.
Для того чтобы не произошло разрыва сосуда или
298
его элементов в процессе эксплуатации при внезапном
повышении рабочего давления вследствие тех или дру-
гих причин, на сосуды, работающие под давлением, уста-
навливают предохранительные клапаны различной конст-
рукции. Принцип действия предохранительного клапана
любой конструкции заключается в том, что при дости-
жении в сосуде определенного давления клапан откры-
вается и соединяет полость сосуда либо с окружающей
атмосферой, либо с другим сосудом или трубопроводом,
в которых нет избыточного давления или имеется давле-
ние, которое значительно ниже, чем в сосуде. В любом
случае при срабатывании предохранительного клапана
давление в сосуде резко снижается до величины допу-
стимого.
Число предохранительных клапанов, их размеры
и пропускную способность выбирают таким образом, что-
бы в сосуде не могло образоваться давление, превышаю-
щее рабочее на следующую величину: для сосудов с дав-
лением до 0,3 МПа — не более чем на 0.05 МПа; от 0,3
до 6 МПа — на 15 %; свыше 6 МПа — на 10 %.
Предохранительные клапаны размещают таким об-
разом, чтобы имелась возможность их осмотра и регули-
ровки. В тех случаях, когда вследствие характера рабо-
чей среды нли по другимхусловиям нельзя гарантировать
надежную работу предохранительных клапанов, на со-
суде устанавливают разрывную пластину (мембрану),
которая разрывается при достижении в сосуде критиче-
ского давления.
Рассмотрим некоторые примеры конструкций сосудов,
работающих под давлением. На рис. 10.3 приведена кон-
струкция горизонтального сосуда постоянного объема
с расчетным давлением 1 МПа. Сосуд (его иногда на-
зывают «лежаком» или «буллитом») состоит из сварно-
го корпуса, к которому приварены эллиптические днища.
Поскольку диаметр сосуда достаточно велик — 2800 мм,
днища тоже сварены из двух частей. Для установки на
фундамент сосуд снабжен двумя коробчатыми опорами,
приваренными к корпусу угловыми швами.
В корпус и днище сосуда вварен ряд штуцеров, ко-
торые систематизированы в табл. 10.1, она является не-
отъемлемой частью технической документации иа сосуды.
Основной продукт вводится в сосуд через штуцер А диа-
метром 200 мм. Как видно из рисунка, подача продукта
в сосуд запроектирована таким образом, чтобы он посту-
299
Рис. 10.3. Горизонтальная емкость
1 —днище эллиптическое; 1 — корпус; 3 —лестница для осмотра; 4 — опоры; 5 — кольцевые швы; 6 — продольные швы; 7 —
схема напряжений
10.1. Таблица штуцеров
, Обозначение Назначение Количество Dy, мм Давление Ру, МПа Наличие от- ветного фланца
А Вход продукта 1 200 1,0 Нет
Б Выход продукта 1 100 1,0 Да
В Воздушник 1 50 1,6 »
Г Люк-лаз 1 500 1,0 Нет
Д1.2 Вход азота 2 50 1,6 Да
Е Для уровнемера 1 50/100 1,6/1 —
Ж Для манометра 1 50 1,6 Заглушка
пал в нижнюю часть сосуда. Таким же образом построена
откачка, удаление продукта из сосуда через штуцер Б,
который принимает продукт также из нижней части со-
суда. Во избежание задержек продукта при наливе и от-
качке концы подающей и приемной труб срезаны под уг-
лом, а также закреплены к днищу посредством кронштей-
нов.
Сосуд служит лишь для хранения продукта, так как
поступление в сосуд каких-либо реагентов проектом не
предусмотрено. Вместе с тем продукт должен храниться
в инертной среде во избежание могущего произойти окис-
ления. Для этого азот подается в сосуд через штуцеры
Д| и Д2 в верхнюю часть сосуда. Для наблюдения или
регулирования уровня продукта в сосуде имеется пере-
ходный штуцер Е, через который заводится н устанавли-
вается уровнемер. Давление в сосуде измеряют при по-
мощи манометра, который устанавливают на штуцере Ж.
Излишний газ выходит из сосуда через воздушник В.
Установка предохранительных клапанов или мембран
проектом не предусмотрена вследствие того, что техно-
логическая схема производства исключает повышение
давления продукта или азота в сосуде.
Для проведения периодических и других осмотров
в полости сосуда предусмотрены люк-лаз Г диаметром
500 мм, а также лестница, при помощи которой оператор
может спуститься в сосуд и произвести необходимый
осмотр нли выполнить ремонтные работы. Сварные и по-
перечные сварные соединения являются в соответствии
301
с «Правилами» стыковыми и выполняются обычно свар-
кой под флюсом.
Давление в газгольдере везде одинаково, все швы на
корпусе и днище рабочие, поэтому (см. схему напряже-
ний 7 на рис. 10.3) напряжения в продольном шве ци-
линдрической части сосуда будут равны:
cr=(pR)/s, (10.2)
где р — расчетное давление в сосуде, МПа; R— радиус цилиндри-
ческой части; s — толщина стенки цилиндрической части, м.
al = pR/2s. (10.3)
Напряжение в сферической части сосуда радиусом
Ro и толщиной so будет равно:
a0=(P«0)/(2s0). (10.4)
где р — расчетное давление, МПа; Ro — радиус сферы и а0 — тол-
щина стеики.
Толщину стенок подбирают по допускаемым напря-
жениям, определяемым с учетом в первую очередь про-
дольного шва как наиболее нагруженного.
Определим расчетную толщину стеики цилиндриче-
ской части сосуда, приведенного на рис. 10.3, если ма-
териал корпуса ВСтЗспб, сварка автоматическая под
флюсом и допускаемое напряжение [а1] р= 160 МПа. Из
формулы (10.2)
s = 1-1,4/160 = 0,009 м= 9 мм.
Принимаем толщину металла стеики 10 мм.
Толщина стенки днища при 7?о=2,4 м из формулы
'(10.4) будет равна:
s0 = р/?0/(2 (а1 ]р) = 1 -2,4/(2-160) « 0,008 м = 8 мм.
Аппарат колонного типа (рис. 10.4) предназначен для
ректификации, дистилляции, абсорбции или десорбции.
Геометрические габариты аппарата могут изменяться
в значительных пределах: так, высота его колеблется от
13 м при диаметре корпуса 1...1.2 м до 50 м при диамет-
ре корпуса 2,8...3,6м. Толщина металла стенки корпуса
и днищ в зависимости от рабочих параметров и габари-
тов может изменяться от 6 до 48 мм с использованием
десяти возможных вариантов применяемых марок ста-
лей—от ВСтЗспЗ по ГОСТ 380—71* до Ст10Х17Н13М2Т
по ГОСТ 5632—72*. Аппарат является типичной сварной
конструкцией, все его неразъемные соединения выполне-
ны при помощи сварки.
302
Рис. 10.4. Аппарат колонный тарельчатый
а — нижняя часть: 1 — опорное кольцо; 2 — лаз: 3 — опорный цилиндр (<юб-
иа>): 4— люки; $ — корпус: 6 — штуцеры входа газа (пара); 7 —штуцеры
замера давления; 8 — штуцеры замера температуры; 9 — штуцер выхода га-
за (пара); 10 — штуцер входа питакия; // — штуцер замера уровня; 12 —
уровнемер; 13 — дренаж: 14 — выход жидкостп на циркуляцию: 15 — выход
кубового остатка; б —верхняя часть: 16 — отбойник сетчатый; /7 —прижимы;
/8 — кронштейн: 19 — тарелки, остальные обозначения к 10.4. а
Аппарат устанавливают на фундамент вертикально.
Соблюдение вертикальности является одним из главных
условий его нормальной работы. Закрепляют и выверя-
ют аппарат на фундаменте при помощи опорного кольца
и фундаментных болтов, которые проходят через отвер-
стия опорного кольца. Для повышения жесткости опор-
ного кольца служат ребра жесткости, устанавливаемые
между нижним и верхним кольцами и привариваемые
303
как к кольцам, так и к стенкам опорного цилиндра («юб-
ки»). Все сварные швы на опорном кольце тавровые.
Опорное кольцо с «юбкой» являются как бы поста-
ментом, на который устанавливают собственно аппарат.
Для осмотра сварных швов опорного цилиндра, днища
аппарата и трубопроводов, а также фланцевых соедине-
ний служит лаз, который представляет из себя отрезок
трубы диаметром, как правило. 500 илн 600 мм, вварен-
ный в стенку «юбки». Диаметр лаза (как и смотровых
люков) выбирают из расчета, чтобы через него мог про-
лезть человек нормальной комплекции. Так как иа лаз
не действуют какие-либо серьезные нагрузки, его прива-
ривают нерасчетным швом с наружной стороны опорного
цилиндра.
Для прохода через «юбку» трубопроводов, циркуля-
ции жидкости и сброса кубового остатка в нее вварены
нерасчетными швами «окна» в виде коротких отрезков
труб. В свою очередь, указанные трубопроводы вварены
в днище аппарата двухсторонними кольцевыми тавро-
выми швами, приварка накладок иа рисунках условно
здесь и далее не показана.
Весьма ответственным сварным соединением является
шов, приваривающий опорный цилиндр к корпусу аппа-
рата. Хотя к нему не предъявляется требование герме-
тичности, он должен быть достаточно прочей, так как
через него передаются все нагрузки от аппарата на фун-
дамент — как вертикальные от веса аппарата с продук-
тами переработки, так и горизонтальные (опрокидываю-
щие) от ветровой нагрузки, которые тем больше, чем
больше диаметр и высота аппарата. Так как соединение
в этом случае не стыковое, а угловое, но ие имеет четко
выраженной тавровой или нахлесточной формы, необхо-
дима тщательная подготовка свариваемых кромок, сбор-
ка и автоматизированная или в крайнем случае механи-
зированная сварка.
Корпус аппарата представляет собой цилиндрический
сосуд с эллиптическими штампованными или штампо-
свариыми днищами. Цилиндрическая часть корпуса на-
брана из листовой стали, сварные соединения корпуса
и днища стыковые, сваривают их, как правило, автома-
тизированной сваркой под флюсом и подвергают иераз-
рушающим методам контроля, объем которого, в зави-
симости от параметров процесса и характера продуктов,
находящихся в аппарате, определяется «Правилами».
804
Для возможности внутреннего осмотра аппарата,
а также проведения ремонтных работ, иа корпусе уста-
навливают люки, число и взаимное расположение кото-
рых зависит от размеров аппарата и конструкции его
Внутренних устройств. Люки могут располагаться как
с одной, так и с противоположных сторон аппарата, или
в плоскостях, расположенных по отношению друг к дру-
гу под углом 90°. Люки приваривают тавровыми швами
с наружной и внутренней сторон аппарата. Расчет таких
швов осуществляют аналогично угловым швам на тру-
бопроводах (см. § 46).
Конструкция аппарата должна предусматривать воз-
можность постоянно вести замер основных параметров
процесса. Поэтому для замера давления в аппарате пред-
назначены два штуцера, температуры — три штуцера,
расположенные на разной высоте и позволяющие заме-
рять температуру в нижней, средней и верхней частях
колонны одновременно; для замера уровня жидкости
в нижней части колонны служит уровнемер со штуцером
и дренажем для сброса отстоя.
Газ (или пар) подается в нижнюю часть аппарата
(под тарелки) посредством штуцеров, расположенных
на противоположных сторонах корпуса, имеющих косые
срезы патрубков под углом 30°. Срезы выполнены так,
чтобы газ выходил не струей, а подавался равномерно
рассредоточеино.
Для выхода газа служит штуцер, па который устанав-
ливается выходной трубопровод, а также и предохрани-
тельный клапан.
Продукт, подлежащий обработке (чаще всего- жид-
кость), поступает в колонну сверху, в верхнюю ее часть,
над тарелками, причем штуцер приема питания выполнен
таким образом, что поступающая через него жидкость
направляется вертикально вниз, на приемный лоток верх-
ней тарелки.
Как уже указывалось выше, все штуцеры приварива-
ются к корпусу аппарата кольцевыми тавровыми швами
с наружной и внутренней стороны.
В верхней части аппарата, в целях очистки выходя-
щего через штуцер газа (пара) от остатков продукта
устанавливают сетчатый отбойник. Для установки от-
бойника служит кольцевой кронштейн, который привари-
вают к корпусу аппарата угловым прерывистым швом.
Отбойник устанавливают на кронштейн и закрепляют
305
при помощи прижимов. Для смены сеток в отбойнике слу-
жит верхний люк.
По всей высоте корпуса аппарата установлены та-
релки, которые крепятся к корпусу при помощи крон-
штейнов (иа рисунке не показаны). О назначении таре-
лок говорилось выше, по своей конструкции их разделя-
ют на несколько видов, в аппарат в принципе можно
установить тарелки любого вида. При работе аппарата
жидкость, постепенно поступающая в аппарат, перели-
вается под собственным весом из верхних тарелок в ниж-
ние, перемешиваясь при этом с газом, поступающим на-
встречу жидкости. При этом осуществляются предусмот-
ренные технологией процессы.
Готовый аппарат подвергается гидравлическому,
а при необходимости и пневматическому, испытанию. Ис-
пытательное давление определяют в соответствии с «Пра-
вилами», опорный цилиндр, естественно, никакому
испытанию не подлежит. При испытании проверяют проч-
ность и плотность как стыковых швов корпуса, так и уг-
ловых швов на штуцерах н врезках труб. Сварные сты-
ковые швы корпуса подлежат также неразрушающему
контролю. Поскольку аппарат имеет постоянное давле-
ние во всех частях корпуса и все корпусные швы — сты-
ковые, его расчет производится по формулам (10.2)—
(10.4), так же как и пустотелых сосудов постоянного
объема.
§ 43. Конструкция и принцип
расчета сферического резервуара
Сферические резервуары применяют во многих от-
раслях народного хозяйства благодаря своему главному
преимуществу — минимальному весу конструкции на
единицу объема по сравнению с любыми другими кон-
струкциями. Объем сферических резервуаров может быть
самым различным, однако в химической, нефтехимичес-
кой и газовой промышленности обычно применяются сфе-
рические резервуары емкостью 600 и 2000 м3, рассчитан-
ные на давление до 1,8 МПа. Следовательно, по приве-
денной ранее классификации сферические резервуары
относятся к сосудам, работающим под давлением и под-
ведомственным Госгортехнадзору.
На рис. 10.5 представлена конструкция сфе-
рического резервуара емкостью 600 м3. Кор-
306
Рис. 10.5. Сферический резервуар
1 — опорные стоЛки; 2 — корпус; 3 — лепестки; 4 — мсридиальпыс швы; 5 —
внутренняя смотровая лсстяпцв; 6 — кольцевые швы; 7 — донышки; 8 — верх-
ние штуцеры; 9 — люки; 10 — нижние штуцеры
пус, иногда называемый оболочкой, устанавливают на
фундамент при помощи шести опорных стоек. Оболочку
резервуара собирают из лепестков, число которых за-
висит от объема резервуара, и двух донышек. Лепестки
и донышки свариваются между собой стыковыми мери-
диональными и кольцевыми швами. Для периодического
осмотра внутренней поверхности оболочки и сварных
швов служит внутренняя смотровая поворотная лестни-
ца, ось вращения которой совпадает с вертикальной осью
307
резервуара. В корпус резервуара вварены двухсторонни-
ми угловыми швами два люка—верхний и нижний,
а также верхние и нижние штуцеры для подключения
к резервуару трубопроводов и установки запорной и пре-
дохранительной арматуры, причем число штуцеров оп-
ределяется проектом в зависимости от назначения ре-
зервуара.
Напряжение в стенке сферического резервуара опре-
деляют по формуле (10.4). Напряжение в сферическом
резервуаре в два раза меньше, чем в цилиндрическом при
одинаковых радиусах и толщинах стенок. При одина-
ковых материалах, из которых изготовлены резервуары,
и одинаковых расчетных давлениях стенка сферического
резервуара практически в два раза меньше. Однако сле-
дует учитывать, что при меньшем весе (меньшем расхо-
де металла) трудоемкость изготовления сферического ре-
зервуара значительно выше, чем цилиндрического.
Сварные швы сферического резервуара должны быть
равнопрочны основному металлу, так как в случае несо-
блюдения этого условия необходимо увеличивать тол-
щину стенки. Сварку оболочек сферических резервуа-
ров выполняют обычно автоматической сваркой под
флюсом по ручной или механизированной подварке
с промежуточной вырубкой корневого шва, с вращением
сосуда на специальных манипуляторах, или в проектном
положении (без вращения) порошковой специальной
проволокой с принудительным формированием шва,
а также в защитном газе со сложными колебаниями
электрода и со свободным формированием.
На рис. 10.6 представлена схема конструкции изо-
термического хранилища, сконструированного по прин-
ципу «шар в шаре». Хранилище состоит из двух шаров:
один, внутренний, называется «сосудом»; второй, наруж-
ный — «резервуаром».
Принцип работы такого изотермического хранилища
следующий: в сосуд 6, который представляет из себя
сферическую оболочку диаметром 14 м, закачивается
сжиженный газ при температуре около —270 °C. Учиты-
вая низкую рабочую температуру сосуда, его выполня-
ют из хромоникелевой аустенитной стали, путем сборки
и сварки штампованных заготовок иа специальных мани-
пуляторах. Сварка сосуда — автоматическая под флюсом
по подварке, выполненной аргонодуговой сваркой.
Внутренний нерисавеющий сосуд помеща-
308
Рис. 10.6. Изотермический сферический резервуар
/—опорная стойка резервуара: 2 —опорная стойка сосуда: 3 — корпус ре-
зервуара; 4 — колодная изоляция: 5 — внутренняя смотровая лестница: 6 —
корпус сосуда
ется внутрь резервуара 3, имеющего также сферическую
форму и изготовленного из лепестков и донышек из ста-
ли 09Г2С. Задача резервуара — обеспечить общую проч-
ность сооружения и надежную изоляцию, гарантирую-
щую сохранение в сосуде заданной температуры ежн-
309
женного газа. Изоляцию обеспечивают, во-первых, слоем
холодной изоляции, нанесенной на наружную поверх-
ность сосуда, и, во-вотрых, глубоким вакуумом, созда-
ваемым в пространстве между сосудом н резервуаром.
Для осмотра внутренней поверхности н сварных швов
сосуда служит внутренняя поворотная смотровая лест-
ница.
Наружный резервуар сваривается стыковы-
ми швами в неповоротном положении сначала в два по-
лушария, используя сварку порошковой проволокой
с принудительным формированием, затем полушария со-
единяются (после установки сосуда в нижнее полуша-
рие) посредством механизированной сварки в защитных
газах.
Оригинальной является конструкция опор. Опорные
стойки сосуда проходят внутри опорных стоек резерву-
ара. Стойки с нижией стороны привариваются герметич-
ными швами к опорным плитам. Герметичными выпол-
няются также швы, приваривающие опорные стойки ре-
зервуара к его корпусу. Таким образом, пространство
между опорными стойками резервуара и сосуда также
находится под вакуумом.
После окончания монтажных работ все сварные швы
подвергаются строгому контролю, а сосуд и пространст-
во между сосудом и резервуаром испытываются иа гер-
метичность гелиевым теченскателем.
Контрольные вопросы
I. Классификация машиностроительных конструкций.
2. Требования к сосудам, работающим под давлением.
3. Какие материалы применяются для изготовления сосудов, ра-
ботающих под давлением?
4. Конструктивные особенности аппаратов, работающих под дав-
лением.
5. Конструкция и принципы расчета сферических резервуаров.
310
Глава XI
ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ,
НЕПОДВЕДОМСТВЕННЫЕ ГОСПРОМАТОМНАДЗОРУ СССР
§ 44. Конструкции конвертеров,
миксеров и печей
Машиностроительные сварные конструкции различа-
ются по назначению, типам и размерам. Наиболее инте-
ресны сварные листовые негабаритные конструкции. Ни-
же будут рассмотрены две группы таких конструкций —
из толстостенной листовой стали (конвертеры, миксеры
и вращающиеся печи) и негабаритные листовые конст-
рукции из сравнительно тонкого листа (декомпозеры,
бункеры и кожухи, обшивки).
Конвертеры являются основными агрегатами кон-
вертерного производства стали. В настоящее время наи-
более распространенным в мире является кислородно-
коивертериый процесс, при котором жидкий чугун пре-
вращается в сталь без подвода теплоты, за счет продувки
металла в конвертере технически чистым кислородом
сверху. Конвертер предтавляет собой агрегат для
получения стали емкостью до 400 т жидкого чу-
гуна.
На рис. 11.1 приведена конструкция кислородного
конвертера емкостью 160 т. Корпус конвертера состоит
из трех основных частей: сферического днища, цилин-
дрической средней части и конической горловины. Изну-
три корпус конвертера футеруется огнеупорными мате-
риалами. Футеровка должна обладать достаточной проч-
ностью с учетом того, что в процессе работы конвертер
качается.
Опорное кольцо имеет коробчатое сечение, обеспечи-
вающее необходимую прочность и жесткость конструк-
ции, на выносные фундаменты устанавливаются подшип-
ники скольжения, в которых вращается цапфа. При по-
мощи системы приводов конвертер может совершать
повороты вокруг осн вращения. Корпус конвертера соеди-
няют с опорным кольцом при помощи кронштейнов, при-
вариваемых к корпусу конвертера.
Сварка корпуса конвертера осуществляется стыко-
выми соединениями, основные из которых показаны на
311
Рис. 11.1. Схема конструкции конвертера
I — сферическое дппще; 2 — цилиидрическаи часть; 3 — подшипник; 4 — опор-
ное кольцо; S — горловина; 6— футеровка; 7 —цапфа; 8 — привод вращения;
9 — ось вращения конвертера
рисунке. Толщина металла, нз которого изготавливает-
ся конвертер, достигает 100 и более мм, поэтому основ-
ной вид сварки — электрошлаковая, а также в сочета-
нии с ней — ручная дуговая сварка.
Соединение опорного кольца и других обслуживаю-
щих конструкций производится ручной дуговой или ме-
ханизированной сваркой.
Контроль качества сварных швов конвертера (в пер-
вую очередь корпуса) осуществляется неразрушающимн
методами контроля — ультразвуковым и проникающим
излучением (рентген и гамма-лучи).
Миксеры — агрегаты металлургического производ-
ства, представляющие из себя стальные сосуды, футеро-
ванные огнеупорным кирпичом, и служащие для накоп-
ления расплавленного чугуна, выплавляемого в домен-
ных печах и предназначенного для дальнейшего передела
в жидком виде в сталь. Основное назначение миксе-
ров— выравнивание химического состава и температу-
312
Рис. 11.2. Схема конструкции миксера
/ — опорная часть; 2 — механизм поворота; 3 — катки; 4 — сепаратор; 5 —
корпус; б —бандаж; 7 — заливочное отверстие; б —днище; 9 — футеровка
ры чугуна. На рис. 11.2 представлена схема конструкции
наиболее распространенного миксера емкостью 1300 т.
Корпус миксера имеет цилиндрическую форму, диа-
метр его достигает пяти метров, а ширина — шести.
Опорная часть миксера представляет собой сварную кон-
струкцию, состоящую из нижней плоскости плиты, ко-
торая анкерными болтами крепится к фундаменту, вер-
тикальных стенок и верхней плиты, имеющей криволи-
нейную форму. Нижняя плита, вертикальные стенки
и верхняя плита соединены между собой в жесткую кон-
струкцию при помощи угловых тавровых швов.
По верхней плите опорной части передвигаются кат-
ки, связанные между собой сепаратором. Система кат-
ков является как бы подшипником качения для корпуса
миксера, который по каткам может совершать поворот
вокруг своей оси на углы, определяемые необходимос-
тью залива расплавленного чугуна в миксер и разлива
его из миксера по мере надобности. Поворот корпуса осу-
ществляется при помощи механизма поворота.
Для обеспечения жесткости конструкции миксера
313
и возможности его поворота служат кольца-бандажи,
имеющие коробчатое сечение, составленное из верти-
кальных стенок, связанных между собой через систему
ребер жесткости, и сваренных угловыми тавровыми шва-
ми. Бандажи опираются на катки.
' Корпус миксера состоит из цилиндрической части,
к которой на шпильках крепятся два днища, — левое
и правое. Внутри корпуса миксера — футеровка из огне-
упорного материала. Для залива чугуна миксер имеет
отверстие («носок»), при помощи поворачивания миксе-
ра вокруг своей оси заливочное отверстие может быть
установлено в удобное для залива или разливки поло-
жение. Во время нахождения в миксере чугун подогре-
вается (горелки на рисунке не показаны).
В различных отраслях народного хозяйства находят
применение вращающиеся цилиндрические печи, пред-
назначающиеся для обжига шихты при температурах до
1400 °C. Основой конструкции вращающихся печей яв-
ляется их цилиндрическая часть, представляющая собой
сварной стальной цилиндр длиной до 210 м н толщиной
стенки до 80 мм. Внутренняя поверхность печи футеру-
ется огнеупорными материалами.
Принцип действия печи заключается в том, что ших-
та, подлежащая тепловой обработке (обжигу), переме-
щается вдоль печи навстречу потоку горячих газов (воз-
духа). Загрузка шихты происходит в «холодной» части
печи, а ’ выход готовой продукции — в «горячей», т. е.
температура процесса в горячей части печи значительно
выше, чем в холодной. Для ускорения процесса обжига
необходимо перемешивать шихту. Для обеспечения это-
го процесса служит конструкция печей.
Чтобы шихта перемещалась от холодной к горячей
части печи, последняя устанавливается с уклоном пб
длине в сторону горячей части. Перемешивание шихты
обеспечивается тем, что печь при работе вращается во-
круг своей оси при помощи специального привода. Для
обеспечения прочности конструкции по длине печи тол-
щина стенок ее может меняться: по мере приближения
к горячей части толщина стенок увеличивается.
На рис. 11.3 представлена схема вращающейся це-
ментной печи 7X230 (первая цифра — диаметр печи, вто-
рая— длина печи в метрах).
Конструкция цементной печи негабаритная, поэтому
на машиностроительном предприятии изготавливают от-
314
КО м
Рис. 11.3. Схема вращающейся печи
/ — корпус печи; 2 — бандгж; 3 — роликовые опоры: 4 — венцоиая шестерня;
5 — привод вращения печи
дельные блоки, детали и заготовки. Сборку и сварку пе-
чи производят на монтажной площадке.
При диаметрах печи до 4 м корпуса их поступают на
монтаж в виде колец-царг или блоков длиной до 12 м.
При больших диаметрах корпус печи поступает на
стройку в виде отдельных монтажных элементов — «тре-
тинок» или «четвертинок». В таком же виде поступают
и бандажи-кольца, которые надеваются иа корпус печи
и, опираясь на роликоопоры, обеспечивают вращение
печи.
Корпус печи сваривается из заготовок стыковыми
швами автоматической сваркой под флюсом с двухсто-
ронней разделкой кромок. Может быть также использо-
вана электрошлаковая сварка, тогда кромки не подго-
тавливают. Способ сварки оговаривается заранее с
заводом-изготовителем, который выполняет разделку
и подготовку кромок. Корпус изготавливается из низко-
углеродистой стали, чаще всего—ВСтЗсп.
Бандажи укрупняются из третинок в кольца при по-
мощи электрошлаковой сварки. Печь с укрепленными на
ней бандажами вращается на роликовых опорах, уста-
новленных на железобетонных опорах. Вращение печи
осуществляют при помощи веицовой шестерни и при-
вода.
§ 45. Листовые конструкции общего назначения
Практически во всех отраслях промышленности при-
меняются конструкции, называемые бункерами. Конст-
рукция одного из них представлена иа рис. 11.4. Бун-
кер служит для временного хранения сыпучих н кус-
ковых материалов. Емкость бункеров может быть весьма
315
Рис. 11.4. Бункер
/—опорная рама; 2 —корпус; 3 —
ребро жесткости: 4 — нижняя рама
Рис. 11.5. Кожух элеватора
ковшового
1 — секция; 2 — фланец
разнообразной — от кубометра до сотен кубометров.
Содержимое в бункере передвигается за счет силы тя-
жести, поэтому загрузка бункера происходит сверху,
а разгрузка через нижиюю часть при помощи затворов
или питателей.
По своей конструкции бункеры могут быть прямо-
угольного или круглого сечения, в первом случае корпус
бункера представляет собой пирамиду, во втором —ко-
нус.
Бункеры состоят из следующих основных частей:
верхней опорной рамы; корпуса; нижней рамы и ребер
жесткости. Опорная рама обычно конструируется из
швеллеров или уголкового профиля, корпус бункера —
из листовой стали. Если емкость бункера невелика, а со-
держимое бункера не предъявляет особых требований,
то сварные соединения проектируют нахлесточными уг-
ловыми, в этом случае не требуется и установки ребер
жесткости.
316
Однако в том случае, если емкость бункеров велика
или при загрузке (засыпке) их могут быть большие удар-
ные нагрузки, толщина металла бункера может быть
значительной. В таких бункерах сварку осуществляют
встык, с использованием механизированных и автомати-
зированных средств, а также производится установка
ребер жесткости. Обычно бункеры изготовляют из низ-
коуглеродистой стали, однако в пищевой промышленно-
сти, например, — из нержавеющих сталей. Кроме того,
к сварным соединениям таких бункеров предъявляются
особые требования к чистоте и гладкости внутренней
поверхности. В этом случае применяют стыковые соеди-
нения со шлифовкой корня шва.
На рис. 11.5 приведена широко распространенная
конструкция — ограждающий кожух. Кожухи и обшив-
ки могут быть каркасные и бескаркасные. Основное их
назначение — предохранение обслуживающего персона-
ла от движущихся частей механизма или разлетающих-
ся при обработке частиц продукта; обеспечение герме-
тичности процессов обработки или транспортировки (без
избыточного давления) или то и другое вместе. Пред-
ставленная на рисунке конструкция является каркасным
кожухом ковшового элеватора для вертикального транс-
порта пылевидного продукта. К его конструкции предъ-
является требование герметичности. Кожух изготавли-
вают из отдельных секций, которые соединяются между
собой на фланцах. Для обеспечения герметичности меж-
ду фланцами устанавливают прокладки. Материал, ис-
пользуемый при изготовлении кожухов и обшивок,—
низкоуглеродистая сталь. Сварные соединения — нерас-
четные, угловые нахлесточные, герметичные.
Контрольные вопросы
1. Характеристика конвертера, его конструктивные особенности.
2. Миксеры, их назначение, конструктивные особенности.
3. Назначение и особенности конструкции вращающихся цемент-
ных печей.
317
Глава XII.
ТРУБОПРОВОДЫ
§ 46. Общие сведения о трубопроводах.
Классификация и структура
Трубопроводы являются одним из самых рас-
пространенных видов сварных конструкций и находят
широкое применение в различных отраслях народного
хозяйства. Особенно большой объем трубопроводных ра-
бот при строительстве и реконструкции различного на-
значения промышленных объектов; сооружении объек-
тов транспорта; мелиорации и сельского хозяйства. Боль-
шое количество трубопроводов прокладывается также
при строительстве жилых домов и других объектов со-
циального назначения. Ежегодно строители и монтажни-
ки прокладывают свыше 5 млн. т трубопроводов различ-
ного назначения.
Удельный вес трубопроводных работ в общем объеме
строительно-монтажных работ достаточно велик и дости-
гает, например, при сооружении объектов нефтеперера-
батывающей и нефтехимической промышленности 65%
стоимости механомонтажных работ.
Трубопроводы представляют собой устройства для
транспортировки жидких, газообразных и сыпучих ве-
ществ при различных давлениях и температурах. Так
как пропускная способность трубопроводов различна, то
и размеры их (диаметры) тоже колеблются в большом
диапазоне.
Неразъемные соединения в трубопроводах выполня-
ют при помощи сварки, очень редко — при помощи пай-
ки или склеивания, а разъемные—посредством резьбо-
вых соединений (на фланцах или муфтах). Ниже будут
рассматриваться трубопроводы как сварные конструк-
ции.
К подавляющему большинству трубопроводов предъ-
являются повышенные требования, связанные с соблю-
дением определенных правил при их проектировании,
изготовлении и монтаже, так как от качества трубопрово-
дов, их прочности и работоспособности зависит надеж-
ность и долговечность сооружаемых объектов. Это в рав-
ной степени относится как к промышленным производ-
318
ствам, где авария трубопровода может привести к
пожарам, взрывам и остановкам производства, так и объ-
ектам коммунального хозяйства, где, например, дефек-
ты в трубопроводах газа могут привести к тяжелым по-
следствиям.
Под надежностью трубопровода понима-
ется его способность в течение заданного времени обес-
печить транспортирование продукта с заданным проек-
том и техническими условиями параметрами процесса:
давлением, расходом, температурой и т. д. Критериями,
характеризующими надежность трубопровода, являются
безотказность, долговечность и ремонтопригодность.
Безотказность трубопровода определяет-
ся способностью его работать с заданным режимом в те-
чение определенного времени без отказов, т. е. без на-
рушения его работоспособности. Нарушение работоспо-
собности может происходить в результате целого ряда
причин (разрыв трубы или стыка, нарушение герметич-
ности трубопроводной системы, образование гидратной
пробки в полости трубы и т. д.).
Под долговечностью понимается способность
трубопровода сохранять работоспособность в течение за-
данного промежутка времени при соблюдении опреде-
ленных правил его эксплуатации, в том числе осущест-
влении ремонтов. Трубопровод должен работать до
достижения им предельного состояния, которое определя-
ется невозможностью или нецелесообразностью его даль-
нейшей эксплуатации. Показателем долговечности яв-
ляется срок службы трубопровода.
Поскольку долговечность трубопровода предусмат-
ривает проведение необходимых ремонтов, то его конст-
рукция должна быть приспособлена к возможности пре-
дупреждения, обнаружения и устранению отказов пу-
тем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Например, предусматривать возможность вспрыска ме-
талла для предупреждения появления пробок в газопро-
водах; проектировать разъемные (фланцевые) соедине-
ния для разборки трубопроводов, нуждающихся в регу-
ляторных очистках, и т. д. Это свойство трубопровода
называется ремонтопригодностью.
Кроме перечисленных выше, один из показателей на-
дежности трубопровода — стойкость против коррозии.
Повышение коррозионной стойкости трубопроводов дос-
319
Р»с. 12.1. Вероятность безотказной
работы трубопровода
тигаетс'я путем применения специальных покрытий в ка-
честве коррозионно-стойких материалов (например, не-
ржавеющих сталей) для изготовления трубопроводов,
а также увеличением толщин стенки трубы, если агрес-
сивность транспортируемого продукта невелика.
Основной показатель надежности трубопровода —
вероятность безотказной работы Р(0, которая является
функцией времени и изменяется в пределах 1—0 в тече-
ние определенного времени.
На рис. 12.1 представлен график изменения вероят-
ности безотказной работы трубопровода. Из графика
видно, что в течение первых трех лет работы надежность
трубопровода достаточно велика, так как вероятность
безотказной работы его более 0,75. В последующем на-
дежность интенсивно падает и эксплуатация данного
трубопровода представляется нецелесообразной.
По профилю своей деятельности организации Мин-
монтажспецстроя СССР за редким исключением не вы-
полняют работы по прокладке магистральных и промыс-
ловых трубопроводов, а также по монтажу станцион-
ных трубопроводов. Что касается санитарно-технических
трубопроводов, для которых наиболее распространен-
ным среди них видом соединений являются разъемные
резьбовые соединения, то такие трубопроводы не отно-
сятся к группе сварных конструкций. Поэтому в даль-
нейшем мы будем рассматривать подробно лишь техно-
логические трубопроводы.
К технологическим трубопроводам от-
носятся трубопроводы промышленных предприятий, по
которым транспортируются: сырье; полуфабрикаты и го-
товая продукция; материалы, обеспечивающие ведение
технологического процесса и эксплуатацию оборудова-
320
ния (пар, вода, топливо, реагенты); отработанные и про-
межуточные продукты; отходы производства. В зависи-
мости от территориального размещения трубопроводы
разделяются на внутрицеховые и межцеховые.
Внутрицеховые или обвязочные трубопроводы соеди-
няют между собой отдельные виды оборудования или
трубопроводы и располагаются в пределах одной тех-
нологической установки, цеха, резервуарного парка. Они
наиболее сложны по конфигурации, насыщены деталя-
ми и трубопроводной арматурой и весьма трудоемки
в изготовлении и при монтаже из-за большого числа не-
разъемных и разъемных соединений. В среднем прини-
мают, что на 1 м таких трубопроводе приходится одни
сварной стык.
Межцеховые технологические трубопроводы соединя-
ют между собой отдельные цехи, технологические уста-
новки, насосные и компрессорные станции, резервуарные
парки и другие сооружения, входящие в состав данного
промышленного объекта. Основой таких трубопроводов
являются прямолинейные участки. Оии имеют по срав-
нению с внутрицеховыми увеличенный средний диаметр
труб и значительно меньшее число сварных соединений
(в среднем один сварной стык на 6...10 м трубопровода).
Основными нормативными документами, регламенти-
рующими общие вопросы проектирования, изготовления
и монтажа технологических трубопроводов, являются:
1. СНиП 3.05.05—84 «Технологическое оборудование и техноло-
гические трубопроводы». Распространяется на все технологические
трубопроводы, кроме подведомственных Госпроматомнадзору СССР.
Содержит указания по подготовке монтажных работ, включая из-
готовление сборочных единиц (узлов) трубопроводов; производству
монтажных работ; сварным соединениям трубопроводов, включая
контроль качества сварных соединений.
2. СН 527-80 «Инструкция по проектированию технологических
стальных трубопроводов Ри до 10 МПа». Дает классификацию тру-
бопроводов, предъявляет конструктивные требования к трубопрово-
дам, определяет порядок расчетов па прочность, а также требования
к материалам и изделиям.
3. «Пособие по расчету иа прочность технологических стальных
трубопроводов па Pv до 10 МПа (к СН 527-80)» является допол-
нением п неотъемлемой частью СН 527-80, приводит методику рас-
четов иа прочность труб, трубопроводов, деталей трубопроводов
и сварных соединений.
4. ГОСТ 16037—80 «Соединения сварных стальных трубопрово-
дов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры». Регла-
ментирует основные типы швов сварных соединений трубопроводов,
а также типы и размеры подготовки кромок под сварку, включая
допуски на обработку. В зависимости от диаметра и толщины сте-
321
нок труб и подготовки кромок рекомендуются различные виды
и способы сварки. Устанавливаются размеры выполненных швов
и предельные отклонения от номинальных размеров.
5. «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопрово-
дов пара и горячей воды», утвержденные Госпроматомнадзором
СССР 10 марта 1970 г., которые определяют требования к устройству,
изготовлению, монтажу, эксплуатации и освидетельствованию трубо-
проводов, транспортирующих водяной пар под давлением более
0.07 МПа (0,7 кгс/см2) или горячую воду температурой выше
115 °C. В правилах, в частности, устанавливаются области примене-
ния различных материалов, требования к технологии сборочно-сва-
рочных работ, включая сварку, термическую обработку и контроль
качества в зависимости от категории трубопровода. Правила преду-
сматривают разработку организациями и предприятиями, выполня-
ющими работы по трубопроводам пара и горячей воды, специальных
технических условий на производстве сборочно-сварочных работ.
6. ПУГ-69 «Правила устройства н безопасной эксплуатации тру-
бопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов», утверж-
денные Госпроматомнадзором СССР 17 сентября 1969 г. Эти прави-
ла распространяются на проектирование, изготовление, монтаж и
эксплуатацию стальных технологических газопроводов, транспорти-
рующих мало- н средиеагрессивные горючие газы в пределах рабочих
давлений ст 1 кПа (0,01 кгс/см2) абсолютных дс 250 МПа (2500
кгс/см2) избыточных и рабочих температур ст —150 до +700 ®С.
Определяют, в частности, требования к трубам, регламентируют
вопросы изготовления и мситажа трубопроводов, включая сборку,
сварку в контроль качества сварных соединений, а также дают ре-
комендации пс выбору сварочных материалов в зависимости от ма-
териала труб.
Порядок и выбор исходных данных для расчета тру-
бопроводов иа прочность, определение технологии изго-
товления и монтажа, требования к сварным соединени-
ям н их качеству зависят от того, к какой группе ответ-
ственности (категории) относится данный трубопровод.
Для технологических трубопроводов существуют два ме-
тода классификации: в соответствии со СНиП 3.05.05—84
н СН 527-80 (кроме трубопроводов пара н горячей воды)
н Правилами устройства и эксплуатации трубопроводов
пара н горячей воды.
В соответствии со СНиПом трубопроводы в зависи-
мости от физико-химических свойств транспортируемой
среды и рабочих параметров (ср, /Р) подразделяют на
пять категорий и три группы (табл. 12.1).
В проекте технологического трубопровода для каж-
дой линии указывают группу и категорию. Следует учи-
тывать, что, если трубопровод транспортирует среду
с рабочей температурой, которая равна или превышает
температуру его воспламенения, а также в том случае,
когда продукт несовместим с водой или кислородом воз-
322
12.1. Классификация технологических трубопроводов
Группа Транспортируемые оещестпа Категория трубопроводе
1 2 3 4 S
рр- МПа Гр. °C РР‘ МПа '₽• ’с М1?а Гр.»С MlVa /р.’с рр- МПа Гр,»С
А Вредные: класс опасности 1 и 2 (ГОСТ 12.1.005—76 и ГОСТ 12.1.007-76*) Не з ависит — — — — — — —
класс опасности 3 Св. 1,6 Св. 300 До 1,6 До 300 — — — — — —
Б Взрыво- и пожароопас- ные (ГОСТ 12.1.004— 85): взрывоопасные веще- ства (ВВ) и горючие газы (ГГ) Св. 2,5 Св. 300 До 2,5 До 300 — — — — — —
легковоспламеияющн • еся жидкости (ЛВЖ) Св. 2,5 Св. 300 Св. 1,6 Св. 120 До 1,6 До 120 — — —
горючие жидкости (гж) горючие вещества (ГВ) Трудногорючие (ТГ), негорючие (НГ) Си. 6,3 Св. 350 Св. 2.5 Св. 250 Св. 1,6 Св. 120 До 1,6 До 120 — —
До 6,3 До 350 До2,5 До 250 — — — —
В 1 Св. 6,3 Св. 350 До 450 Св. 2,5 До 6,3 Св. 250 До 350 Св. 1,6 До2,5 Св. 120 До 250 До 1,6 До 120
12.2. Классификация трубопроводов пара и горячей воды
Категория трубопро- вода Среда Рабочие параметры среды
температура. °C давление (изб.). МПа
1-Я Перегретый пар То же Горячая вода, насыщенный пар Выше 580, 540...580 (вкл.); 450...540 (вкл.) До 450 (вкл.) Выше 115 Не ограничено Более 3,9 Болес 8
2-Я Перегретый пар То же Горячая вода, насыщенный пар 350...450 (вкл.) До 350 (вкл.) Выше 115 До 3,9 (вкл.) 2.2...3.9 (вкл.) 3,9...8 (вкл.)
3-я Перегретый пар То же Горячая вода, насыщенный пар 250...350 (вкл.) До 250 (вкл.) Выше 115 До 2,2 (вкл.) 1,6...2,2 (вкл.) 1.6...3.9 (вкл.)
4-я Перегретый н насыщенный пар Горячая вода 115...250 (вкл.) Выше 115 0,07...!,6 (вкл.) До 1,6 (вкл.)
духа, то вне зависимости от рабочих параметров такой
трубопровод относится к 1-й категории.
В табл. 12.2 приведена классификация трубопроводов
пара и горячей воды в соответствии с Правилами Гос-
проматомнадзора СССР па четыре категории.
Кроме показателей, учитываемых в приведенных вы-
ше классификационных характеристиках, для трубопро-
водов важными являются величина условного прохода,
определяющая геометрические размеры, условное рабо-
чее и пробное давление, а также степень агрессивности
транспортируемой по трубопроводу среды.
Под условным проходом Dy труб, соединительных де-
талей и арматуры понимается номинальный внутренний
диаметр изделия по соединительным концам. Норматив-
ными документами установлен следующий нормальный
ряд величин условных проходов (мм): 6, 10, 15, 20, 25,
32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400,
500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 2000, 2400, 3000. Сле-
дует при этом отметить, что внутренние фактические ди-
аметры труб могут отличаться по величине от условных
проходов. Это объясняется тем, что стандартные толщи-
ны стенок труб данного диаметра могут колебаться в зна-
чительных пределах, в то время как наружные диаметры
труб имеют постоянный размер, определяемый техноло-
гией производства труб.
В трубопроводах различают условное, рабочее и проб-
ное давления. Условное давление (Ру). Наи-
большее избыточное рабочее давление при температуре
среды 20 °C, при котором обеспечивается длительная ра-
бота арматуры и соединительных частей. Их геометри-
ческие размеры определяются расчетами иа прочность,
основанными на физических н механических свойствах
материалов, из которых они изготовляются, соответст-
вующих температуре 20 °C.
Под рабочим давлением Рр—понимается
наибольшее избыточное давление при рабочей темпера-
туре проводимой среды, обеспечивающее заданную дол-
говечность арматуры н соединительных частей трубо-
провода.
Пробное давление Р„р является избыточным
давлением, при котором трубопровод подвергают гидрав-
лическому испытанию водой при температуре не выше
100 °C.
ГОСТ 356—80 устанавливает следующий ряд услов-
325
вых давлений, МПа: 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 2,5; 4;
6,3: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63; 80; 100; 160; 250.
Б зависимости от давления трубопроводы разделяют на:
вакуумные, работающие при абсолютном давлении ниже
0,1 МПа, низкого давления — 0,1...10 МПа н высокого
давления — свыше 10 МПа.
По температуре транспортируемого продукта трубо-
проводы могут быть горячими (свыше 45°C), холодны-
ми (до 45°C) и криогенными, транспортирующими сжи-
женные водород и гелий.
Степень агрессивности среды характеризуется ско-
ростью коррозии стенки трубы из малоуглеродистой ста-
ли (мм/год). По этому показателю транспортируемые по
трубопроводу среды разделяются на:
геагрсссиппые, при которых скорость коррозии не превышает
С.001 мм/год;
малоагрессивиые со скоростью коррозии 0...0.1 мм/год;
срсднеагрессивиые — 0.1...0,5 мм/год;
р.ысокоагрессивиыс, у которых скорость коррозии свыше
0,5 мм/год.
В соответствии со степенью агрессивности среды под-
бирают материалы для изготовления трубопроводов
(см.§ 48).
Несмотря на большое разнообразие трубопроводов по
назначению, рабочим параметрам и размерам, на их
сложную, не похожую одна на другую конфигурацию,
любой трубопровод можно разложить на подобные со-
ставляющие. На рис. 12.2 представлена структура тех-
нологических трубопроводов.
Основой трубопроводных конструкций являются тру-
бы и патрубки. Трубы поставляют в зависимости от диа-
метра и способа изготовления длиной 6... 12 м и поэтому
без дополнительной обработки применяют только при
прокладке межцеховых трубопроводов. Обычно трубы
разрезают на мерные отрезки, называемые патрубками
(рис. 12.3). В отличие от остальных структурных состав-
ляющих технологических трубопроводов, патрубки яв-
ляются единственными ненормализованными или нестан-
дартизованными деталями. В зависимости от толщины
стенки труб, применяемого способа сварки, и характера
привариваемой к патрубку детали на концах патрубков
выполняют соответствующую подготовку кромок, а в ря-
де случаев (тонкостенные трубы, приварка плоских флан-
цев) разделку кромок не выполняют.
326
Рис. 12.2. Структура технологических трубоироиодоп
Рис. 12.3. Патрубки
а — с подготовкой кромок; б — без подготовки кромок
Рис. 12.4. Бесшовные стволы
а — кпутоизогнутый пол углом 90*: 6 — то же. 60*; в — то же, <5*; г — гнутые
а. 6, в — отводы горячей протяжки
При проектировании, изготовлении и монтаже техно-
логических трубопроводов применяют приварные
детали, которые по способу их изготовления можно
разделить на: бесшовные, изготавливаемые методами
протяжки, высадки, штамповки; штампосварные и свар-
388
ные. Бесшовные и штампосварные детали изготавлива-
ются на специализированных предприятиях, оснащенных
соответствующим оборудованием. Сварные детали, как
правило, изготавливают силами монтажных организа-
ций, поэтому они будут рассмотрены отдельно в § 47.
На рис. 12.4 представлены конструкции бесшовных отво-
дов-деталей, предназначенных для изменения направле-
ния потоков транспортируемого продукта. Бесшовные
отводы могут быть крутонзогнутые (с радиусом изгиба
1 — 1,5 Dy) и гнутые (с радиусом изгиба 2 и более Dy).
Крутоизогнутые отводы изготавливают в соответствии
с ГОСТ 17375—83*. гнутые — по нормали МН 2912-62.
Штампосварные отводы — в соответствии с ОСТ
36—20—77. Диаметр круто изогнутых отводов Dy=40...
500 мм, гнутых — Dy=20...400, а штампосварных —
Dy=600... 1400 мм. Все сказанное выше относится к от-
водам из углеродистой стали, для легированных сталей
действуют свои нормативные документы.
На рис. 12.5 представлены приварные детали, назы-
ваемые тройниками и служащие для осуществления
ответвления потока транспортируемого продукта от ос-
новной магистрали. Тройники по своей конструкции мо-
гут быть равнопроходные, без уменьшения диаметра от-
ветвления и переходные, сопровождаемые уменьшением
диаметра ответвления.
Для изменения диаметра трубопровода служат пе-
реходы (рис. 12.6, а, 6), которые могут быть концентри-
ческими и эксцентрическими. Первые устанавливаются
на вертикальных участках трубопровода, вторые — на
горизонтальных. Свободные концы трубопроводов за-
крываются заглушками. На рис. 12.6, в приведена штам-
пованная эллиптическая заглушка.
Особым, весьма распространенным в технологичес-
ких трубопроводах, видом деталей являются фланцы,
служащие для осуществления разъемных соединений.
Присоединительные размеры фланцев стандартизирова-
ны в зависимости от условных проходов и давлений. Для
создания необходимой герметичности трубопровода на
фланцах предусматривают специальные типы уплотня-
ющих поверхностей, между которыми устанавливают
прокладки из соответствующих материалов. Плоские
приварные фланцы (рис. 12.7, а) применяют на трубо-
проводах с условным давлением до 2,5 МПа включитель-
но и температурой продукта до 300 °C. Эти фланцы при-
329
Рис. 12.5. Бесшовные трой-
ники
а — равнопроходные; б — пере*
ходный
Рис. 12.6. Бесшовные пере-
ходы н заглушки
а — концентрические переход:
б — эксцентрический переход;
в — эллиптическая заглушке
(ГОСТ 17379-83»)
Рис. 12.7. Фланцы
а — плоский приварной ГОСТ
12820—60*; б — плоский при-
вариой стыковой ГОСТ 12821—
80*; а — свободный
варивают к трубам (патрубкам) двумя кольцевыми уг-
ловыми швами.
Фланцы плоские приварные стыковые (рис. 12.7, б)
применяют на условные давления до 20 МПа включи-
тельно и температуру продукта до 530 °C. Присоединяют
330
такие фланцы к трубопроводу при помощи стыкового
шва.
Свободные фланцы (рис. 12.7, в) применяются в ос-
новном на трубопроводах из средне- и высоколегирован-
ных сталей, с целью их экономии. В этом случае флан-
цы изготавливают из углеродистых сталей и не прива-
ривают к трубопроводу, а накидывают на отбортованный
патрубок (поэтому ранее назывались накидными).
Для установки на трубопроводах с условным давле-
нием свыше 20 МПа, а также из специальных сталей
и сплавов, фланцы изготовляются по особым норматив-
ным документам.
Важной структурной составляющей технологических
трубопроводов является трубопроводная арма-
тура — устройства, устанавливаемые на трубопроводах
для выполнения функций отключения, распределения,
регулирования, смешения и сброса транспортируемых по
трубопроводу продуктов или предохранения трубопрово-
дов от перегрузок. Как следует из рис. 12.2, трубопровод-
ную арматуру разделяют на запорную, регулирующую,
предохранительную и разного назначения.
Запорная арматура открывает или отключает поток
транспортируемого продукта в трубопроводе, кроме того,
она может регулировать расход продукта, частично от-
крывая или закрывая проходное сечение трубопровода.
К запорной арматуре относятся краны, вентили, задвиж-
ки и поворотные затворы.
Регулирующая арматура служит для регулирования
параметров транспортируемого продукта, изменяя его
расход, давление, смешение продуктов. К ней относятся
всякого рода регулирующие вентили, регуляторы дав-
ления, смесители, форсунки.
Предохранительная арматура предназначена для пре-
дохранения трубопроводов и оборудования от возмож-
ных перегрузок, недопустимого повышения давления,
которые могут привести к авариям. К предохранитель-
ной арматуре относятся предохранительные клапаны:
рычажные и пружинные; гидравлические и дыхательные;
перепускные и обратные и т. д.
Всю трубопроводную арматуру изготовляют на спе-
циализированных предприятиях и, как правило, устанав-
ливают на трубопроводах при помощи фланцевых сое-
динений или на резьбе, т. е. при помощи разъемных сое-
динений. Однако, в первую очередь на газопроводах,
331
иногда встречается арматура, чаще всего запорная, ко-
торую устанавливают на трубопроводе при помощи
сварки.
Параметры процессов, при которых работает трубо-
провод, весьма разнообразны, в большинстве случаев
технологические трубопроводы работают при температу-
рах, весьма отличных от температуры окружающей сре-
ды, которая сама по себе меняется в зависимости от вре-
мени года, а также климатических и погодных условий.
Кроме того, температура в каждом конкретном трубопро-
воде может изменяться в зависимости от температуры
транспортируемого продукта. Поэтому в трубопроводах
возникает перепад температур, приводящий к изменению
длины трубопровода. Тепловое удлинение трубопровода
будет зависеть от физических свойств металла, из кото-
рого изготовлен трубопровод, градиента температур н его
длины. В том случае, когда трубопровод закреплен в не-
подвижных опорах, тепловое удлинение будет зависеть
не от общей длины трубопровода, а от расстояния меж-
ду неподвижными опорами. В связи с этим в трубопро-
воде возникают усилия от температурной нагрузки, ко-
торые могут быть значительны. Поэтому необходимо при-
нимать меры к компенсации температурных усилий и
перемещений, которые могут привести к нарушению рабо-
ты трубопровода. Этим целям служат устанавливаемые
на трубопроводах устройства, предназначенные для вос-
приятия деформаций, возникающих в трубопроводе под
действием тепловых удлинений. По своей конструкции
компенсаторы могут быть сальниковыми, линзо-
выми и волнистыми, изготавливаемыми на промышлен-
ных предприятиях, и сварными, которые изготавливают-
ся монтажными организациями (см. § 45).
Сальниковый компенсатор (рис. 12.8) состоит из двух
основных деталей — трубы и корпуса, которые присоеди-
няются к трубопроводу посредством фланцев или на
сварке. В зазоре между трубой и корпусом находится
уплотнительное кольцо с грундбуксой, которая служит
для сжатия уплотнительного кольца и повышения гер-
метичности компенсатора. Из-за трудностей с обеспече-
нием гарантированной герметичности сальниковые ком-
пенсаторы на технологических трубопроводах применяют
редко, а на трубопроводах горючих, токсичных и сжи-
женных газов применение сальниковых компенсаторов
запрещается.
332
Рис. 12.8. Схема сальникового
компенсатора
г — труба; 2 — груид-букса; 3 —
уплотнительное кольцо; 4 — корпус
Рис. 12.9. Схема линзового
компенсатора
1 — трубопровод; 2 — полулннзы;
3 — дренажный штуцер
На рис. 12.9 приведена схема линзового компенсато-
ра. В нем основным компенсирующим элементом явля-
ется полулинза. Полулннзы сваривают попарно между
собой, образуя линзы, которые н служат компенсатора-
ми. В зависимости от заданной компенсирующей способ-
ности они могут набираться и свариваться в одно-, двух-,
трех- и четырехлинзовые компенсаторы. Линзовые ком-
пенсаторы могут присоединяться к трубопроводу на свар-
ке или на фланцах. Для удаления из линз компенсато-
ра конденсата или остатков транспортируемого продук-
та служат дренажные штуцеры. Линзовые компенсаторы
применяют для условных проходов Dy = 100...2400 мм
и на условные давления Ру до 0,6 МПа, что является их
существенным недостатком.
Волнистые компенсаторы (рис. 12.10) работают по
принципу осевого перемещения, основой их является гиб-
кий элемент сифонного типа, концы которого приварены
к патрубкам. Для предотвращения выпучивания стенки
гибкого элемента служат ограничительные кольца. Ко-
жух предохраняет гибкий элемент от механических по-
вреждений, одним концом он приварен к стойке. Систе-
ма, состоящая из упора, гаек, шпилек и бобышек, слу-
жит для установки компенсатора на заданную длину
и для предварительной его растяжки или сжатия. Для
того чтобы гибкий элемент создавал завихрения потока
продукта при прохождении его через компенсатор, в по-
лость компенсатора устанавливают внутреннюю обечай-
ку, которую одной стороной приваривают к патрубку.
Компенсатор устанавливают на трубопровод при помо-
333
Рис. 12.10. Схема волнистого компенсатора
/ — патрубок; 2 —упор: 3 —гайка: 4 — шпилька; 5—бобышка: 6 — ограничи-
тельное кольцо: 7 —гибкий элемент; 8 — кожух; 9 — обечайка внутренняя:
10 — опорное кольцо: // — стойка
Рис. 12.11. Опоры трубо-
проводов
а — неподвижная приварная:
б—подвижная скользящая при-
варная: в — подвижная хомуто-
вая бескорпусиая
щи сварки, при этом концы трубопровода приваривают
к патрубкам компенсатора.
В самостоятельную группу следует выделить так на-
зываемые несущие конструкции, предназначен-
ные для крепления трубопроводов к зданиям, сооруже-
ниям, металлоконструкциям и оборудованию. К ним
относятся опоры, подвески и опорные конструкции. Оло-
334
ры (рис. 12.11) могут быть неподвижные и подвижные.
Первые должны иметь продольные перемещения трубо-
провода, для чего им необходима достаточная прочность
и жесткость. Неподвижные опоры крепятся к трубе при
помощи хомутов или сварки. Назначение подвижных
опор — поддерживать трубопровод, пе препятствуя при
этом его продольному перемещению под действием тем-
пературы. Подвески {рис. 12.12) крепят горизонтальные
трубопроводы к металлоконструкциям, перекрытиям зда-
ний, эстакадам. Опорные конструкции {рис. 12.13) при-
меняют для крепления опор трубопроводов к стенам зда-
ний и другим вертикальным конструкциям. Они имеют
чаще всего вид консолей или кронштейнов. Конструкции.
опор и подвесок стандартизированы и нормализованы
и выпускаются на предприятиях Минмонтажспецстроя
СССР. Опорные конструкции выполняются преимуще-
ственно по индувндуальным проектам непосредственно
монтажными организациями.
Стандартизация и нормализация деталей, входящих
в состав трубопроводов, освоение их промышленного
производства в необходимых количествах, оснащение
монтажных организаций сварочной техникой, необходи-
мой оснасткой и приспособлениями, создали возмож-
ность осуществить широкую индустриализацию трубо-
проводных работ. Были созданы специализированные
цехи и мастерские по изготовлению трубопроводов.
Ранее трубопроводы изготовляли непосредственно на
монтажных площадках «по месту», т. е. путем посте-
пенного наращивания отдельных труб и деталей. Уровень
механизации сборочно-сварочных работ был низок, про-
изводительность труда и качество работ тоже, основным
видом технической документации были схемы трубопро-
водов без необходимых размеров и спецификаций, с ука-
заниями «монтаж производить по месту».
В целях повышения уровня индустриализации тру-
бопроводных работ была разработана система центра-
лизованного изготовления трубопроводов, включающая
в себя нормативные документы на детали трубопрово-
дов, технологию изготовления узлов и секций трубопро-
водов, а также систему технической документации. В
организациях Минмонтажспецстроя СССР единые требо-
вания к комплектности и порядку разработки и выпол-
нению деталировочных чертежей трубопроводов установ-
лены ОСТ 36—15—77.
335
Рис. 12.13. Опорная кон-
струкция
Рис. 12.12. Подвеска
1—хомут: 2 — серьга: 3 —
ушко: 4—тяга; 5 — гайка
Установлено, что деталировочные чертежи разраба-
тывают на трубопроводы с условным диаметром Dy=
’=50 мм и более. В деталировочных чертежах содержат-
ся монтажно-сборочные схемы, необходимые данные по
каждой линии, включая спецификации, категорию и па-
раметры транспортируемых продуктов к т. д. На рис.
12, 14 приведен пример оформления монтажно-сборочной
схемы трубопровода.
Линии трубопроводов разбивают на узлы с учетом
конкретных условий производства, при этом монтажные
стыки, а точнее места разъемов, рекомендуется выпол-
нять по фланцевым соединениям или местам установки
арматуры, а также по конструктивным сварным стыкам.
При этом следует учитывать, что разбивка линии на уз-
лы и элементы должна предусматривать необходимые
допуски для компенсации возможных отклонений мест
присоединения линии к оборудованию или мест стыков-
ки узлов или элементов между собой на месте монтажа.
Стандартом предусмотрен ряд условных обозначе-
ний, упрощающих оформление деталировочных чертежей.
Введена следующая шифровка деталей трубо-
проводов. Крутоизогнутый бесшовный отвод обозна-
336
• - СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ--ГРАНИЦА ЭЛЕМЕНТА^х J ГРАНИЦА УзНА
Ряс. 12.14. Монтажно-сборочная схема трубопровода с разбивкой
на элементы
Рис. 12.15. Деталировочный чертеж элемента
чается буквой Г, после которой ставится цифра, указы-
вающая, под каким углом поворота выполнен отвод.
Таким образом, шифр Г60 указывает, что применен кру-
тоизогнутый бесшовный отвод под углом 60°. Для свар-
ных деталей трубопроводов перед шифром, обозначаю-
щим тип детали, ставится буква С. Шифр СГ60 показы-
вает, что отвод сварной с углом поворота 60°. Равнопро-
ходные тройники обозначают буквой Т, переходные
337
(неравнопроходные) в шифре содержат цифру, указываю-
щую размер ответвления (например, Т108). Концентри-
ческие н эксцентрические переходы имеют соответствен-
но шифры ПК н ПЭ, к шифру прибавляется цифра, обо-
значающая меньший наружный диаметр трубы (напри-
мер, ПЭ89). Эллиптические штампованные заглушки
обозначаются шифром Д.
Несколько более сложная шифровка фланцев. Здесь
применяется следующий принцип, при котором в шифре
указывается не только тип фланцев, но и условное дав-
ление, на которое рассчитан фланец, и тип уплотнитель-
ной поверхности. Давление обозначают цифрой, которая
является десятикратным условным давлением, выражен-
ным в МПа. Фланец плоский приварной имеет шифр Ф,
а фланец плоский приварной стыковым швом — Фв.
Гладкая уплотнительная поверхность не имеет обозна-
чений, впадину обозначают индексом, «вп», а выступ —
«вс».
Таким образом, фланец плоский приварной на Ру—
= 1,6 МПа с гладкой уплотнительной поверхностью име-
ет обозначение Ф16, а с выступом — Ф16вс. Фланец плос-
кий приварной стыковым швом иа Ру=4 МПа с впади-
ной обозначается Фв40вп и т. д.
На рис. 12.15 приведен чертеж элемента, который име-
ет шифр 1500Г90Т89ПК89Фв40вс, где цифра впереди
шифра указывает длину элемента по оси в мм.
Как следует из всего сказанного выше, технологичес-
кие трубопроводы по своему составу можно разделить
на две неравные части: а) трубопровод как сварную кон-
струкцию, неразъемные соединения которой выполняют
при помощи сварки, в которую входят трубы, патрубки
и детали трубопроводов, и б)—трубопроводную арма-
туру, поддерживающие конструкции, метизы и про-
кладки.
В табл. 12.3 приведен состав технологических трубо-
проводов по массе их составных частей. Из данных таб-
лицы видно, что для внутрицеховых трубопроводов часть,
представляющая собой сварные конструкции, составля-
ет по массе 72,4%, а для межцеховых трубопроводов—
97,8%.
В дальнейшем мы будем рассматривать трубопрово-
ды как сварные конструкции.
338
12.3. Состав технологических трубопроводов
Составные части Расход на 1 т трубопровода. кг
внутрицехового | межцехового
Трубопровод в сборе 1000 1000
Трубы н патрубки 595,6 968
Отводы 72 5
Фланцы 48 4
Тройники бесшовные 3,4 0.3
Переходы 3,1 0.2
Заглушки 1.4 0,2
Опоры н подвески 26 2
Арматура трубопроводная 240 19,5
Болты, гайки 10,5 0.8
В том числе сварные конструкции 724,5 978
$ 47. Сварные детали и узлы трубопроводов
Часть деталей трубопроводов изготавливают мон-
тажные организации в сварном исполнении, например:
сварные отводы, тройники, переходы и заглушки. На
рис. 12.6 приведены сварные отводы, называемые также
секционными. Такие отводы изготавливают из вырезан-
ных из труб секций, количество и размеры которых зави-
сят от радиуса отвода и угла поворота. Сварные отводы
из углеродистой стали изготавливают либо по нормалям
машиностроения, либо в соответствии с ОСТ 36—20—77
на давления соответственно 6,4 п 2,5 МПа и радиусами
1...1.5 £>у. Требуемый угол поворота достигают набором,
сборкой и сваркой необходимого числа секций.
Применение сварных отводов рекоменду-
ется ограничивать и использовать их только в тех слу-
чаях, когда по каким-либо причинам отсутствуют круто-
изогнутые бесшовные или штампосварные отводы.
В технологических трубопроводах широко применяют
сварные тройники (рис. 12.17), которые можно
использовать как в виде отдельных, заранее приготовлен-
ных деталей, так и выполненных по месту, в монтажных
условиях. В этом случае их называют «врезки». В конст-
рукции тройников различают понятия «коллектор»
и «штуцер». Под коллектором понимается основной тру-
бопровод, в который производится врезка, а под штуце-
ром— собственно ответвление. При выполнении сварных
врезок, в особенности равнопроходных, для повышения
прочности тройников применяют штампованные наклад-
339
Рис. 12.16. Сварные отводы
с-Л-lDy 90Х; 6-R-I,5Dy 90сС; е-Л-Юу 60'С
ные седловины, изготавливаемые по ГОСТ 17377—83*.
Седловины привариваются к тройнику после сварки-
врезки.
К числу сварных деталей относятся также сварные
заглушки, приведенные на рис. 12.18. Эллиптические
сварные заглушки изготавливают, как правило, на месте
монтажа в соответствии с ОСТ 36—25—77 на условное
давление Ру не свыше 2,5 МПа и диаметры труб Dy =
=600... 1400 мм. Плоские заглушки также изготавливают
и вваривают в трубопровод на месте монтажа. Допус-
каемое давление, на которое рассчитаны плоские заглуш-
ки, — 2,5 МПа н диаметры £>у=40...600 мм для гладких
340
Рнс. 12.18. Сварные заглушки
а — эллиптическая; б — плоская; в — плоская ребристая
Рнс. 12.19. П-образные компенсаторы
а —с крутоизогнутыми бесшовными отводами: б —со сварными отводами
плоских заглушек и £>у=400...б00 мм — для ребристых.
В соответствии с принятой терминологией технологи-
ческие трубопроводы вне зависимости от назначения
и сложности конструкции разделяют на следующие со-
ставные части.
Наряду с сальниковыми, линзовыми и волнистыми
компенсаторами в трубопроводах широко применяются
П-образные сварные компенсаторы (рис. 12.19), эти ком-
пенсаторы изготавливают монтажные организации в тру-
бозаготовительных цехах и мастерских из труб и деталей
иа любое давление и диаметр в соответствии с техничес-
кой документацией на трубопровод. Размеры компенса-
торов не нормализованы и указываются в монтажных
и деталировочных чертежах. П-образные компенсаторы
просты в изготовлении и удобны в эксплуатации, но име-
ют повышенные показатели металлоемкости, габариты
и дополнительные потери на повышенном гидравличес-
341
ком сопротивлении. Компенсационная способность П-
образных компенсаторов определяется отношением
l/h. Различают компенсаторы с большим вылетом (Z=
=0,5 h), средним (Z=/i) и малым (Z=2ft), при этом на-
ибольшей компенсационной способностью обладают ком-
пенсаторы с большим вылетом.
Линия — участок трубопровода, предназначенный
для транспортирования продукта с постоянными рабочи-
ми параметрами, который предназначен для соединения
между собой нескольких аппаратов, установок, трубо-
проводов и т. д. Сохраняя суммарный расход продукта,
линия может состоять из труб одного или нескольких
диаметров, а протяженность ее может составлять от не-
скольких метров до сотен метров. Каждая линия в про-
ектной документации имеет присвоенный ей номер или
индекс.
Деталь — элементарная часть трубопровода. К де-
талям относятся патрубки, отводы разных типов, кон-
центрические и эксцентрические переходы, тройиикн,
седловины, приварные фланцы и заглушки, а также от-
дельные изделия, входящие в состав трубопровода.
Элемент — две и более сваренных между собой
деталей. Характерной особенностью элемента является
то, что все его сварные соединения лежат в параллель-
ных плоскостях, а так как швы в элементах трубопрово-
дов, как правило, кольцевые, то все сварные соединения
элемента можно выполнять механизированным способом
с одной стоянки его на вращателе. На рис. 12.20 пред-
ставлены наиболее часто встречающиеся типы элемен-
тов трубопроводов. Чаще всего применяют элементы ти-
пов 1.II, которые составляют более 80 % общего числа
элементов независимо от диаметра трубопроводов.
Узел трубопровода — часть линии, состоящая
из нескольких элементов и арматуры, соединенных меж-
ду собой на разъемных (болтовых или муфтовых) или
неразъемных, сварных соединениях. Узлы могут быть
плоскими, у которых оси элементов лежат в одной плос-
кости, или пространственными, у которых оси элементов
располагаются в двух или трех плоскостях. Из общего
числа узлов 82 % являются плоскими и 18 % — простран-
ственными. Как правило, оси элементов, составляющих
узлы, расположены под прямым углом одна к другой,
и лишь на небольшом числе узлов встречаются элементы,
расположенные под углами, отличными от прямых. Раз-
342
Рис. 12.20. Классификация элементов трубопроводов
Т — труба; Д —деталь
бивка линий на узлы производится исходя из конкрет-
ных условий производства с учетом возможностей транс-
портировки и монтажа. Максимальные размеры узлов
ограничиваются обычно следующим образом:
узлы, монтируемые внутри зданий, — 6Х1.5Х0.8 м;
узлы, монтируемые вне зданий, плоские — 10X2,5 м;
то же, пространственные —6X2,5X1.5 м.
Блок — несколько узлов нли линий с арматурой,
собранных на болтовых соединениях или на сварке, ко-
торые по своему габариту и конфигурации могут быть
установлены в проектное положение без дополнительно-
го укрупнения.
Секция — несколько сваренных между собой пря-
молинейных труб. Длина секции обычно составляет 24...
36 м н определяется возможностью транспортировки.
Секции в подавляющих случаях используют при мон-
таже менсцеховых трубопроводов.
Плеть — несколько сваренных между собой секций
при укладке межцеховых трубопроводов в траншеи. Сек-
ции и плети труб применяют также при прокладке маги-
стральных и промысловых трубопроводов.
Одной из важных особенностей конструкции техно-
логических трубопроводов является то, что, несмотря иа
многообразие форм и конфигурации, различие в разме-
оах, диаметрах, рабочих параметрах, сварные соедине-
ния трубопроводов ограничены по форме и характеру
выполнения.
При изготовлении и монтаже трубопродов применя-
343
Рис. 12.21. Типы сварных соединений, применяемых при изготовле-
нии и монтаже трубопроводов
а — стыковой кольцевой; б — угловой кольцевой; в — стыковой фасонный;
г —угловой фасонный
ют следующие типы сварных соединений (рис. 12.21):
стыковое кольцевое, угловое кольцевое, стыковое фасон-
ное и угловое фасонное. Наиболее распространенным яв-
ляется стыковое кольцевое. Угловое кольцевое использу-
ют только при приварке плоских фланцев по ГОСТ
12820—80*. Фасонные стыковые соединения применяют
при изготовлении сварных тройников (приварка штуце-
ра к коллектору), фасонные угловые для приварки на-
кладных седловин. По мере увеличения объема приме-
нения бесшовных тройников количество сварных дета-
лей постоянно уменьшается. Поэтому можно считать, что
подавляющее большинство сварных соединений иа тех-
нологических трубопроводах является стыковыми коль-
цевыми швами, что способствует унификации техноло-
гии сварки и повышению уровня механизации сварочных
работ.
§ 48. Основные принципы конструирования
и расчета трубопроводов
Кроме требований, общих для всех сварных конст-
рукций и изложенных в I разделе настоящего Учебни-
ка, к конструкциям технологического трубопровода
предъявляется ряд специфических.
В частности, для трубопроводов пара и горячей во-
ды предусматривается применение сварки для соеди-
344
нения элементов трубопроводов. Фланцевые соединения
допускаются только для присоединения трубопровода
к арматуре и оборудованию, а резьбовые — только для
присоединения арматуры иа трубопроводах IV катего-
рии диаметром ие более 100 мм.
Угловые и тавровые сварные соединения допускают-
ся только для приварки плоских фланцев и вварки шту-
церов и бобышек в трубопровод. Применение угловых
швов трубет обязательной подготовки кромок, если тол-
щина свариваемых элементов более 15 мм. Во всех
остальных случаях должны применяться стыковые свар-
ные соединения. В том случае, когда в составе трубопро-
водов имеются гнутые элементы, не разрешается разме-
щать сварные швы на гнутых участках. Сварные секци-
онные отводы разрешается использовать только на
трубопроводах III и IV категорий. Запрещается также
размещать штуцеры, дренажные трубы и другие врезки
в местах сварных швов, а также гнутых участков.
Большое значение для прочности трубопровода име-
ет соблюдение требований к утонению стеики гнутых эле-
ментов и зллипсности. Фактические утонения стеики
и зллипсность не должны превышать величины, допуска-
емой нормативными документами для данного трубопро-
вода.
Утонение подсчитывается по следующей формуле
В= 100 (s„- smln)/s„, (12.1)
где sH — номинальная толщина стеики прямой трубы, мм; smin — ми-
нимальная толщина стеики иа гнутом участке трубы, мм.
Зллипсность определяется следующим образом:
а = 2* 100 (Стах — ^n>ln)/(^max + ^mln) • (12.2)
где Отлх, Dmm — максимальный и минимальный наружный диаметр
трубы в гибе, мм.
При сварке трубопроводов диаметром более 100 мм,
если свариваемые трубы или детали имеют продольные
швы, не разрешается совпадение швов. При сборке таких
элементов следует смещать продольные швы относи-
тельно друг друга таким образом, чтобы смещение со-
ставляло ие менее трехкратной толщины стенки труб, ио
не меиее 100 мм.
Расстояние между двумя соседними стыками в тру-
бопроводе должно составлять не менее трехкратной тол-
щины стенок свариваемых элементов, но ие менее 100 мм,
а для трубопроводов IV категории — не меиее 50 мм.
345
Это условие соблюдается для сварных стыков, не подле-
жащих термической обработке и ультразвуковому кон-
тролю.
Для поперечных стыковых соединений, подлежащих
ультразвуковому контролю, длина свободного прямого
участка трубы приведена в табл. 12.4. Если сварные сое-
динения подвергаются термической обработке, длина сво-
бодного участка трубы симметрично оси шва должна
быть определена по формуле
/ — 1,5 У/" (Dn — sB) sH.
(12.3)
12.4. Длпяа свободных прямых участков труб при ультразвуковом
контроле качества сварных швов
Нонииапьвля толщина стенки соарнвее-
мах труб sH. ым
Минимальная длина I свободного
прямого участка трубы в каждую
сторону от оси шва
До 15 вкл.
15___39 скл.
30.. .36 вкл.
Болте 36
100 мм
5sn + 25 мм
175 мм
30 мм
При выполнении сварных врезок расстояние от стенки
штуцера до оси поперечного стыкового шва должно быть
не менее наружного диаметра штуцера, но не менее
50 мм, если наружный диаметр штуцера менее 100 мм,
и не менее 100 мм для штуцеров диаметром 100 мм и бо-
лее. При установке трубопроводов иа опоры следует
учитывать, что расстояние от края опоры до сварного
соединения должно быть не менее 200 мм.
Расчет технологических трубопроводов начинается
с определения расчетного внутреннего диаметра
СВ = РГ4<?/(36ООЛ1»),
(12.4)
где Q—расход продукта, мг/ч; о — скорость течения жидкости или
газа в трубопроводе, которую в зависимости от вязкости жидкости
принимают в пределах 0,5...2,5 м/с, а для газов — 3...60 м/с.
Полученный в результате расчета внутренний диа-
метр округляют до стандартного условного прохода.
Расчетную толщину стенки трубы определяют по фор-
муле
'я=*Ч/(2фМ + р)
(12-5)
34б
или, если заранее задано условное давление Ру> по
следующему выражению:
1п = ру D„/(2‘₽ 1°201 + Ру), (12.6)
где tn — расчетная толщина стенок; Р. Ру — расчетное н условное
внутреннее давление в трубопроводе; D„ — наружный диаметр тру-
бы; <р — расчетный коэффициент прочности; |о| и [ст20] — допуска-
емые напряжения в элементах трубопровода соответственно при
расчетной н нормальной температуре.
Расчетное давление принимается равным рабочему
давлению в соответствии с проектной документацией.
Коэффициент прочности учитывается в том случае,
когда элементы трубопровода имеют отверстия или свар-
ные швы. Нас будет интересовать вариант со сварными
швами. При 100%-ном контроле качества сварных швов
неразрушающими методами коэффициент прочности
Ф»; принимается равным, а в остальных случаях <р» =
=0,8.
Допускаемое напряжение [а] или [а20] при расчете
трубопроводов иа статическую прочность определяют по
формулам:
[о] = min
р20
"0,2
Пу
и
(о20) = min
Лв ' nz
(12.7)
(12.8)
где Рол: Рол —условный предел текучести прн расчетной и нормаль-
ной (20 *С) температуре, МПа; Рв; Р^0 временное сопротивление
разрыву при расчетной и нормальной температуре, МПа; R, — пре-
дел длительной прочности при расчетной температуре. МПа; лу;
п.; пг — коэффициенты запаса прочности соответственно по пределу
текучести, временному сопротивлению и по пределу длительной
прочности, величина которых определяется в зависимости от коэф-
фициента надежности у, а именно:
пу = пг = 1,3у;
лв = 2,1у.
(12.9)
(12.10)
В свою очередь, коэффициент надежности выбирается
по данным табл. 12.5.
Расчетное напряжение от внутреннего давления, при-
веденное к нормальной температуре, определяется по
формулам:
g />[DH-(<-Q)
2Л|Ч>(/-С)
(12.11)
347
12.5. Значения коэффициентов надежности трубопроводов
Характеристика транспортируемых пещссто Коэффициенты надежности V для трубо- проводов категорий
1.11 III. IV 1 v
Газы всех групп, сжиженные газы, вещества группы А Вещества групп Б и В, кроме газов ИЛИ 1,25 1,15 1.1
1,15 1,05 1
„ Pyl D„-(l-C)) (12.12)
2Лг<р(1— С) •
где о— расчетное напряжение от внутреннего давления, приведен-
ное к нормальной температуре, МПа; t — номинальная толщина
стенки трубы, мм; С — прибавка к толщине стеики:
C = Ci + Cg, (12.13)
здесь С| — прибавка на коррозию н износ; Ст—прибавка, равная
минусовому допуску па отклонение толщины стеики, принимаемая
в соответствии с нормативными документами; Л(— температурный
коэффициент, зависящий от марки стали и расчетной температуры
(табл. 12.6).
Допустимое внутреннее давление [Р] вычисляют по
формуле
(Р) = 2 (о®»] А (/ - Q/(D„ — (/ — QJ. (12.14)
Сварные стыковые швы принимаются равнопрочны-
ми основному металлу с учетом расчетного коэффициен-
та прочности. Расчет угловых швов, приваривающих
штуцер (врезку), производится по формуле
Amin = 2,1/в V(da-tu)(lB-C)ld, (12.15)
где Дтш — минимальный расчетный размер углового шва, мм; /в —
расчетная толщина стеики штуцера, мм; d,,— расчетный наружный
дийметр штуцера, мм; d— расчетный внутренний диаметр штуцера,
мм.
‘Минимальный размер шва должен быть не менее
толщины штуцера.
Контрольные вопросы
1. Характеристика трубопроводов, предъявляемые к ним требо-
вания.
2. Перечислите основные нормативные документы, регламенти-
рующие вопросы проектирования, изготовления' и монтажа техно-
логических трубопроводов.
348
3. Характеристика рабочих сред трубопроводов.
4. Оборудование, применяемое на трубопроводах.
5. Основные принципы конструирования и расчета трубопро-
водов.
12.6. Температурный коэффициент Zt t
Марка стали Расчетная температура, 'С Температур- иыП коэффи- циент
СтЗ (ГОСТ 380-88): 10. 20. 25 До 200 I
(ГОСТ 1050—74**): 09Г2С. (0Г2С1, 15ГС, 300 0.75
17ГС. 17ГС1 (ГОСТ 19282-73*) 400 0.52
450 0.28
I5X5M (ГОСТ 20072-74*) До 200 1
Зй 0.9
430 0.65
450 0,52
0SX18H10T, I0X17HI3M2T. До 200 1
08XI7H15M3T (ГОСТ 5632-72*); 300 0.9
16ХМ (ГОСТ 4543-71*); 12МХ 400 0.75
(ГОСТ 20072—74*) 450 0,09
12Х1МФ, 15Х1МФ (ГОСТ 20072—74*) До 200 I
320 0.9
450 0,75
20ХЗМПФ (ГОСТ 20072-74») До 200 1
350 0.9
450 0.72
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Блинов А. Н., Лялин К. В. Организация н производство сва-
рочно-монтажных работ. — М.: Стройнздат, 1988. — 383 с.
Васильев А. А. Металлические конструкции. — М.: Стройнздат,
1979.— 472 с.
Металлические конструкции. Справочник проектировщика/Под
ред. Н. П. Мельникова. — М.: Стройнздат, 1980. — 776 6.
Николаев Г. А., Куркин С. А.. Винокуров В. А. Сварные конст-
рукции. Прочность сварных соединений и деформация конст-
рукций.— М.: Высшая школа, 1982. — 272 с.
Сварка и резка в промышленном строительстве. Справочник
монтажника/Под ред. Б. Д. Малышева. — М.: Стройнздат, 1980.
784 с.
Суворов А. Ф., Лялин К. В. Сооружение крупных резервуаров. —
М.: Недра, 1979. — 224 с.
Тавастшерна Р. И. Изготовление и монтаж технологических
трубопроводов. — М.: Стройнздат, 1986. — 299 с.
349
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аппарат колопяый тарельчатый
205. 306
Арматура трубопроводов 334
запорная 259. 334
предохранительная 334
регулирующая 334
База колонны (башмак) 178
жесткая 179
шарнирная 178
Балка 9. 153
двутавровая 21
металлическая предварительно
напряженная 156
сквозная 159
составная
сплошностепчатая 16
Башня 246
Болт анкерный 180
Бункер 318
Воздухонагреватель 286
Газгольдер сварной 271
высокого давления 271
мокрый 272
низкого давления 271
сухой 272
— с гибкой секцией 274
Гибкость стеикн 160
стержня 189
Головка размывающая 258
Давление
пробное 328
рабочее 328
условное 328
Двутавр прокатный 174
Деталь сварная 331
Дефект сварного шва
допустимый 104
исправимый 104
неисправимый 104
скрытый 104
явный 104
Деформация 82
неравномерная по толщине ICO
продольная остаточная 93
равномерная по толщине 99
Заглушка сворная 343
Заделка болок 171
Здание производственное 148
Изгиб статический 69
Интервал температур 85
Испытание сосуда
гидравлическое 300
пневматическое 301
Клепай вакуумный 259
обратный 259
Клетка балочная 156
нормальная 156
упрощенная 156
усложненная 156
Кожух ограждающий 320
Колонна сварная 9. 174
пиецептрспяо сжатая 175, 188
— сквозная 191
— сплошная 188
решетчатая <84
трубчатого сечеяня 175
центрально-сжатая 175
Компенсатор 336
волнистый 336
линзовый 336
сальниковый 335
Компенсация сварочных перемеще-
ний 126
Конвертер 314
Конструкция:
корпуенвя транспортнвп 9
Листовая 252
машиностроительная сварная 10.
12
обслуживающая п ограждающая
36
оболочковая 9
опорная 338
промежуточных узлов 215
решетчатая 9
сплошностепчатая листовая II
строительная металлическая 10
Концентратор напряжений 73
Концентрация > 73
Коэффициент:
надежности
— по материалу 38
-----назначению конструкции 39
условий работы 38
Кран мостовой:
режим работы 150. 151
сифонный 259
с ручным приводом 150
Материал сварочный 140
Мачта 247
Медь 33
Металл хлалоломкпй 81
хладостойкий 81
Миксер 315
Нагрузка временная 201
постоянная 201
Напряжение
допускаемое 44
собственное 91
Неоднородность структурная 140
Оболочка коническая 267
сферическая 267
•лнидрпческая 267
Обработка термическая 300
Оголовок колонны 176
Опора ЛЭП 249
одноствольная 250
портальная 250
Отпуск
высокий
местный 127
общий 127
поэтапный 127
Патрубок присмораздаточный 255
Пластинка большого прогиба 267
малого прогиба 266
Пластичность сварных соединений
70. 85
Пластмасса 14, 34
Пеногенератор 260
Печь доменная 286
Покрытие арочное 241
балочное 236
рамное 239
Подогреватель секционный 260
Ползучесть 82
Пояс фермы 206
Предел вынослпвостп 76
350
ползучести 82
прочности 83
текучести 68
Принцип модульности 144
Проект технический 141
Прокладка соединительная 221
Прокопка 127
Профиль гнутый 23
замкнутый 24
открытый 24
Прочность сварного соединения 66
внецснтреино сжатых колонн 189
конструктивная 89
статическая 66
технологическая 64
усталостная 66. 77
Пылеуловитель 289
Разрушение 37
хрупкие 81
Реакция опорная 167
Раскос опорный 207
промежуточный 207
Резервуар
изотермический цилиндрический
279
— вертикальный
— горизонтальный 264
наземный 266
повышенного давления 264
Сигнализатор уровня жидкости 260
Сосуд, работающий под давлени-
ем:
пустотелый 295
с внутренним устройством 295
Свариваемость 84
Сварка:
контактная 52
— стыковая 52
— точечная 52
прутковая 55
электрошлаковая 51
Сила поперечная 193
Смеситель винтовой 256
Соединение сварное:
комбинированное 53
нахлесточное 48
— двухстороннее 49
— кольцевое 49
— одностороннее 49
— плоское прямое 49
— фасонное 49
паяное 53
стыковое 46, 106
тавровое 51
угловое 48
Сопротивление расчетное 42
Сопряжение балок 156
-----большепролетное 235
Сортамент 24
Сплав алюминиевый 23
титановый 33
Сталь:
высоколегированная 20
— жаропрочная 20
— жаростойкая 20
— коррознонно стойкая 20
горячекатаная 19
кипящая 17
легированная 15
Полуспокойная 17
прокатная 21
— иеравнополочиая 21
— равиополочная 21
спокойная 17
углеродистая 15
Стандартизация комплексная 144
Стержень фермы 204
Стын балкн
заводской 172
монтажный 172
Термопласт 35
Типизация конструкции 144
Трещины горячие 85
холодные 86
Тройник сварной 242
Трубопровод 13. 321
внутрицеховой 324
магистральный 13
промысловый 13
санитарно-технический 14
технологический 13. 323
энергетический 14
Ударпая вязкость 69
Узел балки опорный 166
Указатель уровня 260
Условие равнопрочпости 74
Устойчивость
виецентреино-сжатых стержней
199
местная 183. 195
оболочек 270
Ферма сварная 197
Фланец 332
Хрупкость 81
Цикл нагружения 75
Чертеж рабочий 141
Швеллер 23
Шов саариой
нахлесточный 60
— комбинированный 60
— косой 6!
— лобовой 61
— фланговый 61
непрерывный 58
нормальный 59
ослабленный 59
кодоарочный 57
прерывистый 58
рабочий 57
связующий 57
угловой 123
усиленный 59
Эквивалент углерода 88
Эксцентриситет 190
Электрод металлический плавя
щийся 29
351
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................ . . 3'
РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРНЫХ КОНСТРУК-
ЦИЯХ И СОЕДИНЕНИЯХ................................... 5
Глава I. Сварные конструкции в народном хозяйстве . 5
§ 1. Определение. История развития сварных конструкций 5
§ 2. Классификация сварных конструкций............... 8
Глава II. Материалы, используемые при изготовлении сварных
конструкций..........................................15
§ 3. Стальной прокат и трубы..........................15
§ 4. Цветные металлы, их сплавы. Пластмассы .... 32
Глава III. Основные принципы расчета сварных конструкций 37
§ 5. Расчеты по предельным состояниям....................37
§ 6. Расчеты по допускаемым напряжениям..................43
Глава IV. Типы сварных соединений и виды сварных швов . 46
§ 7. Классификация и типы сварных соединений .... 46
§ 8. Классификация сварных швов..........................55
Глава V. Работа сварных соединений при различных нагруз-
ках и воздействиях.......................................66
§ 9. Механические свойства и прочность сварных соединений . 66
§ 10. Технологическая прочность сварных соедниеияй. Свари-
ваемость ................................................84
§11. Конструктивная прочность сварных соединений. Свароч-
ные напряжения и деформации..............................89
Глава VI. Расчет и конструирование сварных соединений 105
§ 12. Расчет сварных соединений, выполненных дуговыми
и электроконтактными способами сварки....................105
§ 13. Основы конструирования сварных соединений 120
§ 14. Примеры расчета и конструирования сварных соединений 128
РАЗДЕЛ II. СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕС-
КИЕ КОНСТРУКЦИИ.........................................140
Глава VII. Особенности проектирования строительных метал-
локонструкций .... 140
§ 15. Выбор материалов и назначение способов сварки . 143
§ 16. Нормализация и стандартизация строительных конструк-
ций ....................................................144
Глава VIII. Каркасы промышленных зданий
148
§ 17. Состав, назначение и область применения каркасов .
§ 18. Сварные балки. Назначение, нагрузки, классификация
§ 19. Основные принципы конструирования сварных балок
§ 20. Принципы расчета сварных балок....................
§ 21. Примеры конструирования и расчета сварных балок
§ 22. Сварные колонны. Назначение, нагрузки, классификация
148
153
157
157
162
174
352
§ 23. Основные принципы конструирования сварных колонн . 176
§ 24. Принципы расчета сварных колонн...................182
§ 25. Примеры конструирования и расчета сварных колонн 193
§ 26. Сварные фермы. Назначение, нагрузки, классификация 197
§ 27. Сварные фермы. Методы определения расчетных усилий
в стержнях..............................................201
§ 28. Основные принципы конструирования сварных ферм . 212
§ 29. Принципы расчета сварных ферм.....................222
§ 30. Примеры конструирования и расчета сварных ферм . 223
§ 31. Решетчатые строительные металлоконструкции различ-
ного назначения.........................................232
Глава IX. Листовые сплошностенчатые строительные конструк-
ции ....................................................249
§ 32. Сварные резервуары для хранения нефти ц нефтепродук-
тов. Классификация......................................250
§ 33. Требования, предъявляемые к резервуарам Нагрузки.
Оборудование .......................................... 251
§ 34. Принципы конструирования сварных резервуаров. Типо-
вые резервуары..........................................257
§ 35. Основные принципы расчета резервуаров и их сварных
соединений..............................................2^3
§ 36. Сварные газгольдеры. Назначение. Классификация. Прин-
цип действия............................................268
§ 37. Сварные газгольдеры. Основные принципы конструиро-
вания ..................................................273
§ 38. Изотермические цилиндрические резервуары. Назиачеяне.
Классификация. Принцип действия.........................276
§ 39. Изотермические цилиндрические резервуары. Основные
принципы конструировании................................279
§ 40. Листовые конструкции доменных цехов...............283
РАЗДЕЛ III. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ КОН-
СТРУКЦИИ И ТРУБОПРОВОДЫ.................................289
Глава X. Сосуды и аппараты, работающие под давлением 289
§ 41. Оборудование, подведомственное Госгортехнадзору
СССР. Назначение и классификация.......................289
§ 42. Сосуды работающие под давлением. Требования к ням,
принципы расчета.......................................292
§ 43. Конструкция и принцип расчета сферического резервуара 306
Глава XI. Листовые конструкции, неподведомственные Госгор-
технадзору СССР........................................311
§ 44. Конструкции конвертеров, миксеров и печей . . . 311
§ 45. Листовые конструкции общего назначения .... 315
Глава XII. Трубопроводы................................318
§ 46. Общие сведения о трубопроводах. Классификация и
структура..............................................318
§ 47. Сварные детали и узлы трубопроводов..............339
§ 48. Основные принципы конструирования и расчета трубо-
проводов ..............................................344
Список литературы ... 349
Предметный указатель 350