Скидка ­ 50 %

Фланцевые соединения металлоконструкций


Изготовление и монтаж фланцевых соединений металлоконструкций

При разработке проектно сметной документации для изготовления фланцевых соединений руководствуйтесь нижеследующими нормами:

СНиП II-23-81* Стальные конструкции – растянутые и изгибаемые фланцы конструкций требуется изготавливать из стали С255, С285, С345, С375, С390 с относительным сужением Ψz>=25% (с учетом требований 13.3   ….. 13.5).Механические свойства в направлении толщины проката  проверяет , завод изготовитель руководствуясь, ГОСТ 28870-90.

Листовая сталь фланцев должна соответствовать «Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций» \Министерство монтажных и специальных строительных работ СССР ВНИПИ Промстальконструкция  ГОССТРОЙ СССР ЦНИИПпроектстальконструкция им.Мельникова\ Москва 1989.

Категория стали фланцев должна соответствовать первой группе ответственности зданий с учетом климатического района строительства.

Изготовление металлоконструкций с фланцевыми соединениями производить в согласно требованиям ГОСТ 23118-2012.

Заготовку фланцев следует выполнять машинной термической резкой.

Торцы элементов под фланцы следует фрезеровать или резать дисковой пилой.

Сборку ригелей с фланцами следует производить только в кондукторах.

Технология сварки должна обеспечивать минимальные сварочные деформации фланцев.

Приварку фланцев осуществлять полуавтоматической сваркой  с применением  порошковой проволокой марки ПП-АН8 по ТУ 14-4-1059-80 или  сварочной проволокой марки СВ-08Г2С по ГОСТ 2246-70 в среде углекислого газа по ГОСТ 8050-85 или в смеси углекислого газа с аргоном (по ГОСТ 10157-79*).

При ручной дуговой сварке деталей из низколегированной стали применять электроды Э50А по ГОСТ 9467-75.

После выполнения сварочных работ внешние поверхности фланцев необходимо отфрезеровать.

Все фланцы, независимо от марки стали ( за исключением 10ГНБ-Ш) подлежат  контролю методом ультразвуковой дефектоскопии на заводе изготовителе металлоконструкций на внутренние расслои, грубые шлаковые включения в зонах шириной 80 мм симметрично вдоль оси симметрии каждого элемента в соответствии с таблицей 1 «Рекомендаций по расчету, проектированию  и монтажу фланцевых соединений строительных конструкций» (М.,1989, ЦНТИ ММСС СССР с дополнениями и изменениями от июля 1990г.)

 По усмотрению завода изготовителя допускается производить ультразвуковой контроль  после приемки фланцев.

Ультразвуковому контролю на наличие расслоя должны подвергаться зоны полок колонн в местах крепления растянутых ребер (напротив полок ригелей).

При изготовлении допускаемые отклонения от размеров должны соответствовать ГОСТ 23118-2012. Возможные  зазоры должны заполняться прокладками, поставляемыми комплектно с конструкциями.

Элементы фланцевых соединений проверять на монтажной площадке на отсутствие погнутостей, надрывов сварных швов и т.п. Заусеницы вокруг отверстий и по краям фланцев должны быть удалены.

В местах установки высокопрочных болтов контактные поверхности элементов конструкций и накладок не должны грунтоваться и окрашиваться.

Перед монтажом сопрягаемые поверхности фланцев полок колон и монтажных прокладок зачистить до металлического блеска металлическими щетками, либо ручным механизированным инструментом.

Для фланцевых соединений использовать высокопрочные болты М24 по ГОСТ 22352-77* исполнения «ХЛ» категории 1 по ГОСТ 15150-69, класса прочности 10.9 из стали 40Х с временным сопротивлением не менее 110 кг/мм2 по ГОСТ 4543-71, высокопрочные гайки класса прочности 10 из стали 40Х с временным сопротивлением не менее 110 кг/мм2 по ГОСТ 4543-71, шайбы из стали 40 по ГОСТ 1050-88.

Запрещается применение болтов и гаек, не имеющих клейма предприятия – изготовителя и маркировки, обозначающей класс прочности, а также букв «ХЛ» по ГОСТ 15150-69.

Диаметр отверстий в конструкциях под высокопрочные болты М24-27мм.

Резьба болтов не должна входить вглубь отверстия более чем наполовину толщины крайнего элемента пакета со стороны гайки.

Под гайки и шляпки болтов следует устанавливать по одной шайбе.

Натяжение болтов следует начинать с узлов, в которых фланцы примыкают к полкам колонн без прокладок.

Высокопрочные болты во фланцевых соединениях должны быть затянуты на усилия, указанные в рабочих чертежах (для М24-239кН, для М20-167кН, для М27-312кН), вращением гайки до расчетного момента закручивания. Контролю натяжения подлежат 100% болтов. Порядок натяжения должен исключать образование неплотностей в стягиваемых пакетах.

Натяжение высокопрочных болтов необходимо начинать от наиболее жестких зон к краям.

Зазоров между соприкасающимися плоскостями фланцев в местах расположения болтов не допускается. Щуп толщиной 0,1 мм не должен проникать в зону радиусом 40мм от оси болта. Просвет между фланцем и полкой колонны после затягивания высокопрочных болтов по линии стенок и полок профиля должен быть не более 0,2 мм, просвет между фланцем и полкой колоны после натяжения по краям фланцев должен быть не более0,6мм. Головки и гайки болтов после затяжки должны плотно ( без зазоров) соприкасаться с плоскостями шайб, а стержень болта выступать из гайки не менее чем на 3 мм. После контроля натяжения и приемки соединения все наружные поверхности стыков, включая головки болтов, гайки и выступающие из них части резьбы болтов должны быть очищены, огрунтованы, окрашены, а щели в местах перепада толщин и зазоры в стыках обработаны герметиком.

montagni.blogspot.com

27. Фланцевые соединения на высокопрочных болтах, работающие на растяжение

27.1.Рекомендации настоящего раздела следует соблюдать при проектировании, изготовлении и монтажной сборке фланцевых соединений элементов открытого профиля (двутавров, тавров, швеллеров и т. п.) стальных конструкций производственных зданий, подверженных растяжению, растяжению с изгибом при однозначной эпюре растягивающих напряжений (min/max0,5), а также действию местных поперечных усилий.

Рекомендации не распространяются на фланцевые соединения:

воспринимающие знакопеременные нагрузки, а также многократно действующие подвижные, вибрационные или другого вида нагрузки с числом циклов свыше 105при коэффициенте асимметрии напряжений в соединяемых элементах=min/max0,8;

эксплуатируемые в сильноагрессивной среде.

27.2.Фланцевые соединения следует выполнять только с предварительно напряженными высокопрочными болтами. Величину предварительного натяжения болтовВодля расчетов следует принимать равной

Во= 0,9Вр= 0,9RbhAbn,

где Вр- расчетное усилие растяжения болта.

27.3.Для фланцевых соединений следует применять высокопрочные болты М24 и М27 из стали 40Х “селект” исполнения ХЛ с временным сопротивлением не менее 1100 МПа (110 кгс/мм2), а также гайки высокопрочные и шайбы к ним по ГОСТ 22353-77* - ГОСТ 22356-77*.

27.4.Для фланцев следует применять листовую сталь по ГОСТ 19903-74* марок 09Г2С-15 по ГОСТ 19282-73* и 14Г2АФ-15 по ТУ 14-105465-82 с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката.

27.5.Фланцы могут быть выполнены из других марок низколегированных сталей по ГОСТ 19282-73*, предназначенных для строительных стальных конструкций, при этом:

сталь должна быть 12-й категории;

временное сопротивление и относительное сужение стали в направлении толщины проката должны быть bz0,8b,z20 % (гдеb- нормативное значение временного сопротивления для основного металла, принимаемое по государственным общесоюзным стандартам или техническим условиям).

Проверку механических свойств стали в направлении толщины проката осуществляет завод-изготовитель металлоконструкций по методике, изложенной в [25].

27.6.Дефекты стали для фланцев (внутренние расслои, грубые шлаковые включения и т. п.) должны удовлетворять требованиям, указанным в табл. 78. Контроль качества стали методами ультразвуковой дефектоскопии осуществляет завод-изготовитель металлоконструкций.

Таблица78

Зона дефек-

Характеристика дефекта

тоскопии

площадь, см

частота

длина мак-

расстояние

минимально учитывае­мая

максималь­но допус­тимая

допусти­мая

симально до­пустимая, см

между дефектами минимально допустимое, см

Листы фланцев

0,5

1,0

10 м-2

4

10

Прикромоч­ная

0,5

1,0

3 м-1

4

10

Примечания: 1. Дефекты, расстояния между краями которых меньше протяженности минимального из них, оцениваются как один дефект.

2. По усмотрению завода-изготовителя металлоконструкций разрешается дефектоскопический контроль материала фланцев выполнять после приварки их к элементам конструкций.

27.7.Фасонки, ужесточающие фланцы (ребра жесткости), следует выполнять из стали тех же марок, что и основные профили.

27.8.Для механизированной сварки фланцевых соединений следует применять сплошную сварочную проволоку по ГОСТ 2246-70* или порошковую проволоку ПП-АН8 по ТУ 144-1059-80.

27.9.При конструировании фланцевых соединений болты следует располагать безмоментно относительно центра тяжести сечения соединяемого элемента с учетом неравномерности распределения внешних усилий между болтами наружной и внутренней зон (рис. 64) в соответствии с табл. 79. Предельное усилие на один болт внутренней зоны следует приниматьNi= 0,9Bp.

Таблица79

Диаметр болта

Толщина фланца, мм

Отношение внешнего усилия на один болт внутренней зоны к внешнему усилию на один болт наружной зоны k = Ni/Ne

М24

20

25

30

40

2,6

1,8

1,5

1,1

М27

25

30

40

2,1

1,7

1,2

Болты следует располагать как можно ближе к элементам присоединяемого профиля, при этом (см. рис. 64):

kf + ds/2 + 2  b1  3,5d, мм;

a  0,8 ds;

w  4b,

где ds- наружный диаметр шайбы, мм;

d- наружный диаметр стержня болта, мм.

27.10.Число болтов внутренней зоны определяет конструктивная форма соединения, а наружной зоны - предварительно назначается из условия

,

где ne,ni- число болтов соответственно наружной и внутренней зон;

N- внешнее усилие на фланцевое соединение.

27.11. Фланцевые соединения растянутых элементов конструкций проверяют расчетом на прочность:

болтов;

фланцев на изгиб;

соединения при воздействии поперечных усилий; сварного соединения фланца с профилем.

27.12.Прочность фланца и болтов, относящихся к внутренней зоне, следует считать обеспеченной, если толщина фланца находится в пределах от 20 до 40 мм, болты расположены в соответствии с п. 27.9, а нагрузка на болт от действия внешних усилий не превышает величины, равной 0,9Вр.

Рис. 64. Схема фланцевых соединений стропильных ферм с поясами

а - из широкополочных тавров; б - из парных равнополочных уголков

27.13.При расчете на прочность болтов и фланца, относящихся к наружной зоне, выделяют участки фланца, которые рассматривают как Т-образные фланцевые соединения ширинойw(см. рис. 64).

Прочность соединения следует считать обеспеченной, если

,

где Nj- расчетное усилие наj-й болт наружной зоны, равное

Nj = min(Nbj, Nfj),

здесь Nbj- расчетное усилие наj-й болт, определяемое из условия прочности соединения по болтам

Nbj= (-lgXj)Вр,

, - коэффициенты, принимаемые по табл. 80;

Xj- параметр жесткости болта, определяемый по формуле

;

bj- расстояние от осиj-го болта до края сварного шва;

wj- ширинаj-го участка фланца (см. рис. 64);

t- толщина фланца;

Таблица 80

Отношение толщины фланца

Коэффициенты

к диаметру болта t/d

0,83

0,336

0,207

1,04

0,388

0,257

1,25

0,425

0,278

1,46

0,470

0,270

1,67

0,527

0,239

Nfj- расчетное усилие наj-й болт, определяемое из условия прочности фланца на изгиб

,

i- параметр, определяемый по формуле

,

j- параметр, определяемый по табл. .81 или из уравнения

1,4Xj(j- 1)3-2j+jj(j- 1) = 0.

Ry- расчетное сопротивление стали фланца.

Таблица81

Параметр

Значения  при , равном

жесткости болта X

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,7

3,0

4,0

5,0

0,02

3,252

2,593

2,221

1,986

1,826

1,710

1,586

1,499

1,333

1,250

0,06

2,960

2,481

2,171

1,962

1,812

1,702

1,582

1,497.

1,333

1,250

0,1

2,782

2,398

2,130

1,939

1,799

1,694

1,578

1,494

1,332

1,249

0,5

2,186

2,036

1,908

1,776

1,711

1,636

1,545

1,475

1,327

1,248

1,0

1,949

1,860

1,780

1,707

1,643

1,586

1,514

1,454

1,321

1,246

2,0

1,757

1,704

1,653

1,607

1,564

1,524

1,470

1,424

1,312

1,242

3,0

1,660

1,621

1,584

1,548

1,515

1,483

1,440

1,402

1,303

1,238

4,0

1,599

1,568

1,537

1,508

1,480

1,454

1,417

1,384

1,296

1,235

5,0

1,555

1,529

1,503

1,478

1,454

1,431

1,399

1,370

1,289

1,232

6,0

1,522

1,498

1,476

1,454

1,433

1,413

1,384

1,357

1,283

1,230

8,0

1,473

1,454

1,436

1,418

1,401

1,384

1,360

1,337

1,273

1,224

10

1,438

1,422

1,406

1,391

1,377

1,362

1,341

1,322

1,264

1,219

15

1,381

1,369

1,358

1,346

1,335

1,324

1,308

1,293

1,247

1,210

27.14.Прочность фланцевого соединения на действие местной поперечной силы следует проверять по формуле

,

где п- число болтов наружной зоны для фланцевых соединений элементов открытого профиля или общее число болтов для соединений элементов замкнутого профиля;

Rj- контактные усилия, принимаемые равными 0,1Boдля фланцевых соединений элементов замкнутого профиля, а для элементов открытого профиля, определяемые по формуле

Rj = Bp - 1,2Nbj;

 - коэффициент трения соединяемых поверхностей фланцев, принимаемый в соответствии с указаниями п. 11.13 СНиП II-23-81*.

При отсутствии местной поперечной силы в расчет вводится условное значение Qloc= 0,1N.

27.15.Расчет сварного соединения фланца с профилем следует производить в соответствии с п. 4.10 [25].

27.16.При изготовлении конструкций с фланцевыми соединениями сборку элементов следует осуществлять только в кондукторах.

Сварку фланца и присоединяемого элемента следует выполнять механизированным способом, при этом технология сварки должна обеспечивать минимальные сварочные деформации фланцев. После выполнения сварки внешние поверхности фланцев должны быть отфрезерованы. Толщина фланцев после фрезеровки должна быть не менее указанной в чертежах КМ или КМД.

Точность изготовления отправочных элементов конструкций с фланцевыми соединениями должна соответствовать следующим требованиям:

тангенс угла отклонения фрезерованной

поверхности фланцев не должен превышать. .......................... 0,0007;

предельные отклонения не должны

превышать следующих значений, мм:

зазор между внешней плоскостью

фланца и ребром стальной линейки. ....................................... 0,3;

смещение фланца от проектного

положения относительно осей сечения

присоединяемого элемента. ................................................. ± 1,5;

допускаемое отклонение длины элемента

с фланцевым соединением при проектной

длине элемента, м:

св. 4,5 до 9................................................................... ± 2;

” 9 ” 15 ....................................................................... ±2,5.

Калибр диаметром, равным номинальному диаметру болта, должен при контрольной сборке проходить во все отверстия соединения.

27.17.Предварительное натяжение высокопрочных болтов при монтажной сборке фланцевых соединений следует производить закручиванием гаек до значения момента закручиванияMt, определяемого по формуле

Mt=nkBod,

где п- коэффициент, принимаемый равным: при натяжении высокопрочных болтов 1,06; при контроле усилия натяжения болтов 1,0;

k -среднее значение коэффициента закручивания для каждой партии болтов по сертификату или принимаемое равным 0,18 при отсутствии таких значений в сертификате;

Во- усилие предварительного натяжения болтов, определяемое в соответствии с п. 27.2, тс;

d- номинальный диаметр болта, м.

27.18.Контроль усилия натяжения следует осуществлять во всех установленных высокопрочных болтах тарированными динамометрическими ключами. Контроль усилия натяжения следует производить не ранее чем через 8 ч после выполнения натяжения всех болтов в соединении.

Контроль следует осуществлять по моменту закручивания, определяемому в соответствии с п. 27.17.

Отклонение фактического момента закручивания от расчетного должно быть от 0 до + 10 %. Если при контроле обнаружатся болты, не отвечающие этому условию, то усилие натяжения таких болтов должно быть доведено до требуемой величины с последующим контролем через 6 ч.

27.19.После выполнения монтажной сборки конструкции отклонения от проектных линейных размеров и геометрической формы фланцевых соединений не должны превышать следующих значений, мм:

просвет между фланцами или фланцем и

полкой колонны после предварительного

натяжения высокопрочных болтов по линии

стенок и полок профиля. ................................................ 0,2;

то же, по краям фланцев при толщине

фланцев, мм:

до 25 ......................................................................... 0,6;

св. 25 ........................................................................ 1,0;

щуп толщиной 0,1 мм не должен проникать в зону радиусом 40 мм от оси болта.

studfiles.net

Расчет фланцевых соединений

Введение

В настоящее время наиболее универсальными и удобными при монтаже стальных строительных конструкций являются болтовые соединения. Их применение позволяет получить исключительно высокую точность установки и исключить «человеческий фактор». Из болтовых соединений наиболее эффективными являются фланцевые соединения. Их использование в различных конструкциях существенно повышает производительность труда при монтаже и соответственно его скорость. Также фланцевые соединения крайне удобны при ремонте строительных конструкций, они позволяют быстро вычленить один элемент и заменить его другим.

До настоящего времени достаточно большое число ученых изучало фланцевые соединения и особенности их применения.  Среди них можно отметить работу В.В. Каленова, В.М. Горпинченко, А.Г. Соскина, О.И. Ганиза, Глауберман В. Б. и др..

В основном вышеперечисленными учеными проводились работ по изучению прочностных характеристик фланцевых соединений. В результате исследований были разработаны рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций [1] и глава 27 пособия по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*).  Пособие и рекомендации не распространяются на фланцевые соединения:

-воспринимающие знакопеременные нагрузки, а также многократно действующие подвижные, вибрационные или другого вида нагрузки с числом циклов свыше 105 при коэффициенте асимметрии напряжений в соединяемых элементах r = (smin/smax)³ * 0,8;

-эксплуатируемые в сильноагрессивной среде. К этим соединениям можно отнести фланцевые соединения подкрановых балок. Подкрановые балки можно отнести к элементам открытого профиля.

Глава 1. Прочность фланцевых соединений элементов открытого профиля

Вопрос прочность фланцевых соединений элементов открытого профиля изучался профессором Грудевым И. Д. [2].

Им была разработана полуэмпирическая методика рачета на прочность фланцевых соединений элементов отрытого профиля: двутавров, тавров, уголков. Четко сформулированы допущения, которые легли в основу решаемой задачи. Составлена замкнутая система уравнений, включающая несколько подгоночных параметров. Решение получено численно, а подгоночные параметры определены по данным эксперимента. Для удобства пользования методикой предложена аппроксимационная формула.

Определение прочности и долговечности фланцевых соединений элементов открытого профиля: двутавров, тавров и уголков, яаляется основным неразработанным вопросом. В данных соединениях деформации различных болтов существенно неодинаковы, т.к. фланец деформируется сложным образом и кроме того прочность самих болтов имеет статистический разброс и определяется функцией плотности вероятности разрушения.

В основу исследования положены следующие положения:

  1. Все болты имеют одинаковое предварительное натяжение.
  2. Болты в составе соединения работают неравномерно, и по характеру своей работы разделяются на две группы: болты внутренней зоны, расположенные в углах сечения и более нагруженные, отмеченные ниже индексом В, и болты наружной зоны с индексом Н.
  3. Наружная зона разбивается на элементарные Т-образные соединения.
  4. Последние описываются балочной моделью с учетом только геометрической нелинейности.
  5. Соотношение между усилиями в болтах внутренней и наружной зон описывается кусочно-линейной функцией, полученной путем аппроксимации экспериментальных данных.
  6. Если разрушение происходит по болтам, оно имеет вероятностную природу и определяется несущей способностью совокупности болтов внутренней зоны.
  7. Изгиб болта, наличие отверстий под болты, неравномерность предварительного натяжения, наличие внешних изгибающих моментов, приводит к необходимости введения подгоночных параметров.

Усилия, возникающие во фланцевом соединении в соответствии с балочной моделью описываются следующими соотношениями:

k – жесткость болта на растяжение с учетом контактных перемещений,  — значение предварительного натяжения. Остальные обозначения приведены на рис. 1.

Безразмерные величины    в зависимости от    и параметра  показаны на рис.2. Безразмерная жесткость болта   может быть также представлена в виде

                                  (2)

Причем параметр  целесообразно оставить в качестве подгоночного, т.к. определить его теоретически не представляется возможным.

Рис. 1

Отношение между усилиями в болтах наружной и внутренней зон зависит от безразмерного усилия , приложенного к фланцу и в пределах существующих конструкций слабо зависит от других параметров. Оно определяется по данным эксперимента.

Разрушение по болтам фланцевых соединений, работающих на растяжение, происходит, как показывает эксперимент, практически мгновенно, что говорит о лавинном характере разрушения болтов, причем лавина начинается обычно после разрушения первого болта, т.е. соединение работает по принципу наислабейшего элемента.

Рис.2

Анализ экспериментальных данных показывает, что к моменту разрушения разница между усилиями в болтах внутренней и наружной зон составляет в соответствии с [3] около 20-30%, т.к. усилия в болтах наружной зоны не превосходят 37т. При этом они не могут дать заметного вклада в суммарную вероятность разрушения, поэтому последняя определяется исключительно прочностью более нагруженных болтов внутренней зоны, а болты наружной зоны разрываются на заключительной стадии лавинного разрушения. Для двутаврового сечения, а также для таврового с ребром, к внутренней зоне относятся четыре болта.

Глава 2. Напряженно-деформированное состояние фланцевых соединений

Инженером Соскиным А. Г. [4] было проведено исследование напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений элементов открытого профиля, воспринимающих статические растягивающие усилия с целью получения зависимости между толщиной фланцев и соотношением усилий, воспринимаемых болтами внутренней и наружной зон от действия внешней нагрузки.

Фланцевые соединения на высокопрочных болтах являются наиболее эффективными по сравнению с другими типами монтажных соединений элементов стальных строительных конструкций. Эффект достигается, главным образом, за счет практически полного использования несущей способности болтов на растяжение, что обеспечивает их минимальное количество в соединениях и, как следствие, существенно понижает затраты труда на монтаже конструкций. В этой связи, расчет болтов, основанный на допущениях, отражающих их действительное поведение, приобретает особое значение.

С точки зрения поведения болтов среди конструктивных форм фланцевых соединений растянутых элементов следует различать такие, в которых болты находятся в одинаковых условиях («элементарные» Т-образные соединения, ФС круглых и квадратных труб) и соединения, в которых условия работы болтов не одинаковы (фланцевые соединения элементов открытого профиля: парных и непарных уголков, тавров, двутавров и т.п.). Исследования показали, что поведение последних весьма сложно, характеризуется геометрической и физической нелинейностью.

С целью изучения закономерностей напряженно-деформированного состояния таких соединений были проведены испытания опытных образцов натурных фланцевых соединений (табл. 1):

— типовых стропильных ферм пролетом 24 метра с нижним поясом из парных равнополочных уголков 110х12, 125х8 и 140х12мм;

— широкополочные тавры 15Шт4;

Материал уголков, тавров, фаооиок, ребер жесткости и фланцев — стали с расчетным сопротивлением разрыву по пределу текучести от 225 до 400 МПа. Фланцы опытных образцов толщиной 20, 25 и 30 мм приваривали к соединяемым элементам без разделки кромок, вручную электродами типа Э50А по ГОСТ 9467-75. Болты высокопрочные М24 из стали 40Х «Селект» с нормативным сопротивлением разрыву 1100 МПа Опытные образцы испытывали на специальном стенде, позволяющим развивать растягивающие усилия в соединяемых элементах до 4000 кн. Измерение относительных деформаций проводили тензометрированием с использованием датчиков с базой 5, 10 и 20 мм. Все образцы дово­дили до разрушения, характер которого фиксировали.

Анализ экспериментальных данных показал, что распределение нор­мальных напряжений в сечениях соединяемых элементов, расположен­ных в непосредственной близости от фланцев, носит практически равномерный характер. Вместе с тем, усилия в болтах и изгибные напряжения на характерных участках фланцев испытанных соединений развиваются неравномерно.

На рис. 3 представлена усредненная диаграмма усилий в болтах об­разца Т-4, типичная для опытных ФС с числом болтов 6 и более. Из диаграммы следует, что гораздо более интенсивный прирост усилий происходит в болтах №№ 1,2,3,4, расположенных на участках фланцев внутренней зоны – ВЗ (см. схему соединения — заштрихованная об­ласть) . Внешняя нагрузка раскрытия внутренней зоны фланцев ТР в = 1236 кН, наружной зоны (НЗ) — ТРН= 1688 кН. Соответствующий при­рост усилий в болтах ВЗ относительно усилия предварительного на­тяжения Вов= 216 кН составил ?Вв = 29 кН. В момент разрушения соединения при Траз= 1962 кН усилия в болтахВЗ  Враз = 392 кН. Ддя болтов НЗ эти значения равны: В0 = 216 кН, ?Вн = 15 кН, Враз= 260 кН. Полученные экспериментально усилия в болтах, со­ответствующие им значения внешней нагрузки и данные о характере разрушения опытных ФС приведены в табл. 2, Из таблицы следует, что выявленная закономерность развития усилий в болтах Т-4 про­слеживается и в других опытных соединениях.

Рис.3 Диаграмма усилий в болтах опытного соединения Т-4

Раскрытие фланцев ВЗ наступает раньше НЗ  ( ТР в < ТРН ), а усилия в болтах ВЗ — Вв (пос­ле раскрытия фланцев) всегда больше Вн. Причина этого заключает­ся в различной жесткости внутренней и наружной зоны фланцев. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что изгиб­ные напряжения во ВЗ фланцев развиваются заметно слабее, чем в НЗ, более жесткая на изгиб внутренняя зона фланцев передает на болты большую часть внешней нагрузки — Тв по сравнению с наруж­ной, передающей на болты нагрузку Тн (Т = Тв + Тн). Но этой же причине рычажные усилия — R, действующие на болты ВЗ и НЗ также неодинаковы.

Отметим, что экспериментальные значения напряжений в опасных сечениях фланцев при толщине t ? 20мм и достижении в болтах расчетных усилий — Вр, не превышали значений расчетных сопротивлений стали фланцев изгибу по пределу текучести.

Таблица 1. Геометрические параметры опытных соединений

Обозначение соединения

Схема соединения

Сечение (марка) профиля ммхмм

Толщи- на флан- ца

мм

Катет сварно-го шва

мм

Толщина фасон-ки (ребра)

мм

У-1

У-2

 

       110х12

20

10

8

У-4

 

        125х8

25

12

10

У-5

 

       140х12

25

14

16

Т-1

 

       15Шт4

20

10

10

Т-2

25

Т-3

30

Глава 3. Усталостная прочность фланцевых соединений растянутых элементов

Исследованиями усталостной прочности фланцевых соединений растянутых элементов конструкций занимались Каленов В. В., Соскин А. Г. и Евдокимов В. В. [5]. Ими были представлены результаты экспериментальных исследований циклической долговечности монтажных фланцевых соединений элемен­тов конструкций, воспринимающих циклически изменяющиеся, растя­гивающие нагрузки. Получены расчетные кривые усталости высоко­прочных болтов и сварных соединений фланцев с профилем. Показа­но, что циклическую долговечность соединений следует определять по амплитуде номинальных напряжений. При этом, в качестве рас­четного должно быть принято наименьшее значение долговечности, полученное для болтов, или сварных соединений с различными типами исполнения и дефектами швов.

В период эксплуатации фланцевые соединения воспринимают как ста­тические, так и циклические воздействия.

В одной из первых работ, посвященных исследованию характеристик сопротивления усталости ФС, приведены результаты испытаний 12 двухбайтовых Т-образных соединений. Получены кривые усталости болтов А325 и А490, установленных с усилием предварительного на­тяжения То — (0,7 + 0,8) Tu., где Тu — разрушающее усилие болтов при растяжении. Сделан вывод о том, что высокая долговечность болтов может быть обеспечена высоким уровнем То, что при прочих равных условиях ведет к значительному уменьшению амплитуды переменных напряжений в болтах. Также приведены исследования усталост­ной долговечности высокопрочных болтов М22 типа F9T и FIIT, работающих в составе ФС. Опытные соединения испытывали сериями из 6+13 образцов с одинаковыми геометрическими характеристика­ми. Показано, что долговечность болтовой группы в значительной степени зависит от величины предварительного натяжения болтов. Следует отметить, что испытанные болты по механическим свойствам и химическому составу существенно отличаются от отечественных.

Для этих и других исследований характерно, что циклическую долговечность ФС в целом определяют, главным образом, сопротивлением усталости болтов. Вместе с тем, очевидно, что не менее опасным с точки зрения усталостного разрушения ФС являются сварные соединения фланцев с профилем.

В этой связи авторами исследования был выполнен комплекс исследований, целью которых являлось изучение закономерностей сопротивления усталости ФС элементов конструкций, воспринимающих циклические растягивающие нагрузки и разработка инженерной методики расчета ФС на усталость. Исследования предусматривали с одной стороны – построение расчетной кривой усталости для болтов, учтановленных с высоким уровнем предварительного натяжения В0 = 0,9Вр, с другой – построение построение расчетных кривых усталости для сварных соединений ФС с различными типами исполнения (бездефектными и с дефектами) швов, выполненных в соответствии с ГОСТ 5264-69, ГОСТ 14771-76, ГОСТ 8713-70 и СНиП 3.03.01-87 (с разделкой и без разделки кромок, с подрезом, с механической обработкой и т.д.).

На рис. 4 показаны подготовленные для испытания на усталость модели и натурные образцы опытных ФС (всего 6 серий). 1 серия – 12 одноболтовых ФС, вторая – 13 Т-образных двухболтовых ФС. Сварное соединение стенки с фланцем выполняли вручную, с разделкой кромок (угол фаски — 50°, притупление – 2мм) электродами марки УОНИ – 13/55 по ГОСТ 9467-75, третья серия – 7 образцов тавровых сварных соединений без разделки кромок, четвертая – то же с разделкой кромок. Пятая серия – 4 соединения крулых труб 168х8 мм, усиленных ребрами жесткости толщиной 10 мм . Фланцы толщиной 22 и 25 мм. Шестая серия – 6 ФС широкополочных тавров 150х96х13х10 мм с фланцами толщиной 25 мм. Материал фланцев и соединяемых элементов опытных образцов – стали с расчетным сопротивлением растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести от 225 до 400 МПа (09Г2С, 10Г2С1, 16Г2АФ) по ГОСТ 19282-73,

Рис.4. Схемы моделей и опытных образцов ФС.

ГОСТ 19281-73. Болты высокопрочные М24 из стали 40Х «Селект» с временным сопротивлению разрыву не менее 1100 МПа Сварка ручная. Расчетное сопротивление угловых сварных швов срезу по металлу шва 215 МПа.  Измерение относительных деформаций (напряжений) в болтах при количестве циклов нагружения N=1,5,1000,10000 осуществляли тензометрированием.

На рис. 5 представлена зависимость между амплитудой номинальных упругих напряжений в болтах различных серий опытных соединений  и их циклической долговечностью N. Для аналитического выражения расчетной кривой усталости по параметру среднего напряжения цикла   = 727 МПа использовано уравнение Веллера . Полученное методами математической статистики уравнение нижней огибающей трехстандартного диапозона долговечности болтов ФС имеет вид

                                                  (1)

Средне-квадратическое отклонение по lg N равно 0, 256; коэффициент корреляции — 0,91. Как следует из графика, усталостное разрушение болтов, предварительно напряженных на усилие В0 = (0,8+1,0) Вр, происходит в области малоцикловой и ограниченней усталости в диапазоне от 104 до  циклов нагружения. При этом, максимальные внешние нагрузки вызывают усилия в болтах приблизительно равные Вр.

Рис.5. Циклическая долговечность и кривые усталости высокопрочных болтов опытных соединений.

На рис.6 показаны экспериментальные точки, отражающие зависимость циклической долговечности сварных соединений опытных образцов различных серий с разделкой и без разделки кромок от эквивалентной амплитуды номинальных напряжений –   в соединяемых элементах. Для определения  использована зависимость С. В Серенсена

(2)

, где  — среднее напряжение цикла в соединяемых элементах;

— коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла нагружения. Для низколегированных сталей принят равным 0,25.

Рис.6. Циклическая долговечность и кривые усталости сварных соединений фланцев с профилем опытных образцов различных серий;

а — соединения с разделкой кромок, б – без разделки.

На этом же графике пунктирными линиями обозначены экспериментальные кривые усталости, а сплошными линиями – границы трехстандартного диапазона рассеивания возможных значений долговечности сварных соединений ФС. Нижние огибающие диапазонов приняты за расчетные кривые усталости (рис.7, кривые 2,4). Аналогичным образом на основе экспериментальных исследований получены расчетные кривые усталости №№1,3,5, математическое выражение которых имеет вид

На основе результатов исследований разработана инженерная методика расчета на усталость ФС элементов конструкций, воспринимающих циклические растягивающие нагрузки. Циклическую долговечность соединений исследуемых конструктивных форм следует определять как наименьшую из расчетных значений по болтам и сварным соединениям фланцев с профилем. Расчет рекомендуется проводить по амплитуде номинальных напряжений цикла с использованием представленных выше расчетных кривых усталости и уравнений (1)-(7).

Рис.7. Расчетные кривые усталости

сварных соединений фланцев с профилем;

1-    с разделкой кромок и последующей

механической обработкой сварного шва;

2 —  с разделкой и без обработки;

3 – то же с подрезом шва;

4 – без разделки кромок с необработанным швом.

5 – то же с подрезом шва.

Доктором технический наук В. В. Бирюлевым был рассмотрен вопрос конструирования и расчета балок с фланцевыми стыками [6].

Монтажные стыки как в обычных, так и в облегченных балках имеют три конструктивных решения — сварные (без накладок и с накладками), сдвигоустойчивые (с накладками на сдвигоустойчивых высокопрочных болтах), фланцевые (на высоко­прочных болтах).

Сварные стыки без накладок наименее металлоемки, но тре­буют значительных затрат труда высококвалифицированных свар­щиков. Кроме того, при сварке стыков в холодное время года необходимо проводить дополнительные мероприятия для обеспе­чения качества и надежности соединений.

Сдвигоустойчивые соединения менее трудоемки в изготовлении, не требуют высокой квалификации монтажников, проще выпол­няются при низких температурах, более надежны в работе при динамических и циклических нагрузках, так как не создают кон­центраций напряжений и остаточных температурных напряжений, как сварные швы.

Фланцевые соединения, в свою очередь, имеют ряд преиму­ществ по сравнению со сдвигоустойчивыми. Во фланцевых стыках уменьшается расход металла на соединение, в 3 … 3,5 раза сни­жается количество болтов (в сдвигоустойчивых соединениях болты ставятся с двух сторон и нагружены одинаково в сжатой и растянутой зонах, несущая способность на сдвиг меньше несу­щей способности на растяжение. Количество болтов в сжатой зоне во фланцевых соединениях может быть уменьшено, поскольку нормальных усилий они не передают, а только обеспечивают передачу поперечных сил за счет трения поверхностей фланцев. Основное количество болтов сосредоточено в зоне растянутого пояса, причем болты работают с большей отдачей, чем при сдвиге. Отсюда следует, что трудоемкость монтажа фланцевых соединений снижается в 3,5 … 4 раза. Кроме того, уменьшается трудоемкость изготовления балок, главным образом за счет резкого сокращения числа отверстий в стенке и поясах.

Болты во фланцевых стыках устанавливаются на одинаковом расстоянии или концентрируются в растянутой зоне у пояса. Толщина и ширина фланца в этом месте иногда увеличиваются, причем часть фланца в растянутой зоне выполняется из более прочной стали, а в сжатой малонагруженной растянутой зонах — из малоуглеродистой стали. При мощных поясах количество болтов с каждой стороны стенки в ряду доводится до 3 … 4 штук.

При расчете фланцевого соединения должна быть проверена прочность в четырех зонах — в высокопрочных болтах, во флан­цах, в сварных швах, прикрепляющих фланцы, в основном сечении балок у сварных швов. Во фланцах проверяется прочность при их изгибе, а также при возможном поверхностном отрыве в около­шовной зоне.

Весьма приближенный расчет фланцевого соединения в балках ведется из предположения, что усилия в болтах распределяются пропорционально расстоянию от точки приложения равнодей­ствующей силы в сжатой зоне, например от центра сжатого пояса до болта. Тогда усилие в наиболее напряженном край­нем болте будет

             

где  — расстояние до i-ro ряда и до крайнего ряда болтов;  — ко­личество болтов в i-м и крайнем ряду;  m — число рядов.

Такое распределение усилий может быть только при очень толстых фланцах.

Действительная работа фланцев сложна. Если во фланце вырезать полоску, то ее можно представить как своеобразную балку, находящуюся под действием системы сил Pf, Nb, V. Сила Pf передается от балки (стенки или пояса) на фланец, Nb — это сила, которая возникает в болте после приложения внешней нагрузки. Силу V обычно называют рычажной. Это — равнодействующая, возникающая от совместного при­жатия двух фланцев друг к другу; положение равнодействующей зависит от ряда факторов, в первую очередь от толщины фланцев.

Если представить себе, что фланец не деформируется, то под нагрузкой возникает изгибающий момент (у стенки или полки), равный Nbc. Наличие рычажной силы уменьшает величину этого момента, следовательно, требуемую толщину фланца. Влияние рычажной силы учитывается при расчете фланцевых соединений.

Имеется предложение использовать резервы несущей способ­ности фланцевого соединения, если допустить развитие пласти­ческих деформаций в сечении балки и во фланцах и применить для их оценки метод предельного равновесия.

Определяемая толщина фланца в этом случае будет минималь­ной. К тому же развитие пластических деформаций во фланцах вызовет повышение прогиба балки, как свидетельствуют экспери­менты, на 5… 15%. Поэтому до накопления дополнительных экспериментальных данных такой метод можно использовать для расчета фланцевых соединений лишь в малоответственных кон­струкциях.

Предполагается, что с деформируемой поверхности фланца на сечение балки, примыкающей к нему, передаются реактивные усилия, ограниченные в сжатой зоне сопротивлением металла балки Ru, а в растянутой зоне предельным усилием, необходимым для образования пластического механизма в расчетной полоске фланца. Принято, что полоска жестко защемлена по линии размещения болтов и эти полоски у стенки и полки балки работают независимо.

До начала расчета устанавливаются: размеры фланцев с уче­том габаритов балок, диаметр высокопрочных болтов, минималь­ное количество болтов, необходимое для восприятия растягива­ющего усилия пояса двутавра. Болты размещаются на минимально возможных расстояниях от полок и стенок.

Алгоритм расчета представлен на рис. 8. Дополнительно к обозначениям на рис.8 :  — коэффициент нагруженности двутавра изгибающим моментом;  — значение  , при котором в стенке двутавра развиваются пластические деформации;   — относительная высота сжатой зоны соединения;   — значение , при котором нейтральная ось соединения перемещается в сжатую полку двутавра;  — отношения величины напряжений, действующих соответственно в растянутой и в сжатой полках, в растянутой зоне стенки, к Ry стали дву­тавра; расчетные пролеты фланца соответственно поперек полки и стенки:

— расстояния между осями болтов соответственно поперек полки и стенки;  — катет углового сварного шва, при­крепляющего фланец соответственно к полке или к стенке дву­тавра;  — диаметр болта.

Толщина фланца определяется по формуле

коэффициент k принимается по табл. 2.8. В этой же таблице указано минимальное расстояние от оси болтов до края фланца , при котором обеспечивается рычажный эффект.

Найденная по (9) толщина фланца будет минимальная. Если же вести расчет по упругой стадии работы фланца, то, есте­ственно, толщину его потребуется увеличить. При передаче флан­цевым соединением, кроме изгибающего момента, еще и поперечной силы следует выполнить дополнительные расчеты.

Рис. 8 Блок-схема расчета фланцевого соединения на изгиб с учетом различия деформаций.

Необходимое минимальное количество болтов в зоне растяну­той полки:

Заключение

Подводя итоги, можно заметить, что в области исследования фланцевых соединений скрывается еще много вопросов и одним из них является вопрос о динамической выносливости фланцевых соединений при разнозначных видах нагружения и применения их при устройстве подкрановых балок.

Литература

  1. Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. М. , ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1989, с. 53.
  2. Грудев И. Д. Прочность фланцевых соединений элементов открытого профиля. Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях. Международный коллоквиум. – 1989. – Труды. Т.2 – С. 7-13.
  3. Фланцевые соединения. Расчет и проектирование. Бугов А. У. – Л. Машиностроение, 1975. – с. 191.
  4. Соскин А. Г. Особенности поведения и расчет болтов фланцевых соединений. Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях. Международный коллоквиум. – 1989. – Труды. Т.2 – С. 24-31.
  5. Каленов В. В, Соскин А. Г., Евдокимов В. В. Исследования и расчет усталостной прочности фланцевых соединений растянутых элементов конструкций. Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях. Международный коллоквиум. – 1989. – Труды. Т.2 – С. 41-17.
  6. Проектирование металлических конструкций: Спец.курс. Учебное пособие для вузов/ В. В. Бирюлев, И. И. Кошин, И. И. Крылов, А. В. Сильвестров. – Л.: Стройиздат, 1990 – 432 с.

www.proekt-kmd.ru

Фланцевые соединения труб металлоконструкций

Представленные на странице фланцевые соединения труб металлоконструкций применяют для разборных облегченных металлоконструкций. Тонкостенные трубы в местах постановки фланцев имеют утолщение, обеспечивающее жесткость конструкции.

Фланцевое соединение труб накидными болтами (без центрирования)

Фланцевое соединение труб винтами (центрирование втулкой)

Фланцевое соединение труб болтами (центрирование одним болтом)

Фланцевое соединение труб накидными болтами (центрирование цапфой)

В соединении, показанном на рис. 4, применена специальная цапфа, обеспечивающая центрирование труб металлоконструкций.

pro-techinfo.ru


Смотрите также

© "Совершенные окна", 2019 г.
Перепечатка текстов, а так же полное или частичное воспроизведение других материалов сайта возможно только с согласия их авторов.

телефон: (495) 755-10-94
(многоканальный)