Размещено на http://www.allbest.ru/

Виготовлення ефективних за витратами матеріалу сталевих конструкцій з регульованим залишковим напруженим станом

Голоднов О.І., д.т.н., с.н.с., Козлов С.В., к.т.н. ВАТ «Український науково-дослідний і проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського», м. Київ, Україна

У статті викладена доцільність регулювання залишкового напруженого стану (ЗНС), що виникає в елементах зварних металевих конструкцій під час виготовлення. Приведено послідовність виконання операцій і методика розрахунку технологічних параметрів зварювання при регулюванні ЗНС. Технологія застосована при виготовленні експериментальних зразків і реальних конструкцій. У результаті виконання регулювання ЗНС елементи таврового перетину з кутиків практично не мали залишкових вигинів, а їхня стійкість у порівнянні з елементами без наплавлення, була підвищена на 10-30%.

Введення

Постановка проблеми.

При виготовленні в елементах зварних металевих конструкцій виникає ЗНС. Наведені в роботах [1-6 та ін.] дані свідчать про неоднозначний вплив ЗНС на стійкість стиснутих елементів. Це стосується елементів нового будівництва і тих, що знаходяться в експлуатації. Тому при розрахунках зварних конструкцій необхідно визначити ЗНС і оцінювати його вплив на роботу конструкцій. При негативному впливі необхідно передбачити заходи щодо регулювання ЗНС для підвищення стійкості.

Методики визначення ЗНС і його впливу на стійкість викладені в роботах [1, 2, 3, 6 та ін.]. Розбіжність коефіцієнтів поздовжнього вигину для конструкцій двотаврового і Н-подібного перерізу без залишкових напружень (наприклад, відпалених) і з ЗСН на крайках поясів понад 49 МПа може досягати 15-17 % (за даними ДБН В.2.3-14:2006 [4]).

Нижче викладаються пропозиції щодо технології виготовлення ефективних за витратами матеріалу стиснутих елементів таврового (із парних кутиків) і двутаврового перетину.

Аналіз останніх досягнень і публікацій.

Як відомо [1-6 та ін.], залишкові стискні напруження (далі ЗСН), що виникають на крайках поясів зварних двотаврів після зварювання поясних швів, сприяють більш ранньому переходові матеріалу в пластичний стан і зниженню стійкості елементів. Виключити негативний вплив ЗСН можна різноманітними способами. Найбільш простим і доступним є регулювання ЗНС шляхом локальних термічних впливів (ЛТВ). При такому способі регулювання (наплавлення валиків по крайках або прогрівання крайок до температури вище критичної точки АС3) на крайках поясів виникають зони залишкових розтягувальних напружень (далі ЗРН), що сприяють підвищенню стійкості.

З усього вищевикладеного випливає, що регулювання ЗНС повинно бути виконане у визначеній технологічній послідовності.

Мета роботи.

Метою проведених досліджень було розроблення технології виготовлення економічних зварних конструкцій різноманітного перетину з регульованим ЗНС шляхом ЛТВ.

Основна частина

Виготовлення сталевих конструкцій із регульованим ЗНС шляхом ЛТВ рекомендується виконувати у заводських умовах. В умовах будівельного майданчика рекомендується виконувати регулювання ЛТВ шляхом прогріву крайок або наплавлення валиків на крайках поясів елементів підсилення для вмикання їх у роботу спільно з конструкцією, що підсилюється. При виготовленні конструкцій необхідно керуватися загальними вимогами і правилами, обговореними в чинних нормативних документах [8].

Регулювання ЗНС у стиснутих елементах двотаврового перетину можливо одним із таких способів.

1. Регулювання ЛТВ (варіант - наплавлення валиків) рекомендується виконувати напівавтоматом під прошарком флюсу зварювальним дротом Св-08 або в середовищі вуглекислого газу дротом Св-08Г2С. Валики наплавляти попарно на кожнім поясі. Наплавлення валиків вручну (вмикання елементів підсилення в роботу) виконувати зворотньоступінчастим швом ділянками довжиною не більш як 200 мм.

2. Регулювання ЛТВ (варіант - прогрівання крайок до температури вище критичної точки АС3) ділянок поясів рекомендується виконувати послідовним переміщенням як мінімум двох газових пальників по довжині поясів з однаковою швидкістю. Розігрівання виробів необхідно здійснювати устроями однакової теплової потужності.

Регулювання ЗНС шляхом послідовного переміщення газового пальника по одній крайці поясу по всій довжині елемента не припускається. У цьому випадку розігрівання крайок одного поясу варто робити ділянками довжиною не більш як 200 мм в зворотньоступінчастому порядку.

Регулювання ЗНС шляхом ЛТВ в елементах підсилення для вмикання в спільної роботи з конструкцією, що підсилюється, необхідно робити шляхом поперемінного розігрівання крайок одного поясу ділянками довжиною не більш як 100 мм. Наплавлення валиків на пластину при підсиленні стін металевими смугами виконуються відповідно до рис. 1.

зварний металевий залишковий напружений

Рис. 1. Схема наплавлення валиків і НДС у пластині

Прийняті на рис. 1 позначення: катет валика, см; глибина проплавления основного металу, см; товщина пластини, см; ширина пластини, см; відстань між анкерами, см; відповідно ЗРН і ЗСН у пластині після наплавлення валиків, МПа. Методика визначення параметрів напружено-деформованого стану (далі НДС) і величин ЗРН і ЗСН викладена в роботах [1, 6 та ін.].

Регулювання ЗНС шляхом ЛТВ необхідно виконувати в послідовності, яка викладається в технологічному регламенті. Технологічний регламент розробляється на випуск конкретної конструкції.

При монтажі конструкцій із регульованим ЗНС шляхом ЛТВ забороняється вогневе розрізання, правка і зварювання по всій довжині елементів. Вогневе розрізання припускається тільки при розрізанні на окремі елементи, зварювання - тільки при кріпленні елементів конструктивного оформлення відповідно до вимог проекту.

Монтажні стики рекомендується проектувати і виконувати з застосуванням накладок і високоміцних болтів.

Примикання елементів конструктивного оформлення, які виконуються відповідно до проекту за допомогою зварювання, необхідно робити тільки на фасонках, які приварюються на заводі металоконструкцій.

Регулювання ЗНС шляхом ЛТВ в елементах складеного перетину з кутиків необхідно виконувати в процесі виготовлення або підсилення шляхом приварювання накладки. Параметрами, за якими здійснюється підбирання режиму зварювання, є сила струму і швидкість зварювання . Із збільшенням сили струму зростає довжина і ширина зварювальної ванної, а також глибина проплавлення металу. При призначенні сили струму враховують товщину металу, що зварюється, діаметр електроду, тип шву і положення його в просторі. Діаметр електроду підбирають з урахуванням товщини металу. Силу струму (А) можна підрахувати за емпіричною формулою [9]:

, (1)

де - діаметр електроду, мм.

Напруга дуги при ручному зварюванні змінюється у вузьких межах (20-36 В) і при виборі режиму зварювання не регламентується. Швидкість зварювання (см/ч) визначається за формулою [9]:

, (2)

де - коефіцієнт наплавлення (г/А·ч); - площа поперечного перетину однопрохідного шву (см2); - щільність наплавленого металу (г/см3).

Орієнтовані дані про режими ручного дугового зварювання приведені в різноманітній довідковій літературі, наприклад у [9].

Приймаючи до уваги пропозиції М.О.Окерблома [10] щодо визначення залишкових деформацій і довідкові дані [9], можна обчислити технологічні параметри регулювання ЗНС шляхом наплавлення валиків в елементах з кутикових профілів у такій послідовності [7],

1. Задаються розміром залишкового прогину кутка (мм):

, (3)

де - довжина кутика (мм).

2. Оскільки регулювання виконується шляхом наплавлення валика на частині довжини, прогин в центрі довжини кутика [10]:

, (4)

де - кривизна кутика після наплавлення валика; ділянка, на якій наплавлявся валик, спочатку задається мм.

3. Із порівняння рівнянь (3) і (4) виходить:

. (5)

4. Кривизна кутка (мм-1) після перетворення формули (5):

. (6)

5. Кривизна кожної полички кутика:

. (7)

6. Погонна енергія зварювання при наплавленні валика на кожній із крайок:

(8)

де коефіцієнт, що враховує тип металу; момент інерції перетину кутика щодо осі z(y); координати валика (рис. 2).

Рис. 2. Схема наплавлення валиків на полички кутика

7. Погонна енергія зварювання визначається за формулою:

. (9)

8. Перевіряється умова [9]:

(10)

де - площа поперечного перетину кутика.

У наведеному діапазоні [див. форм. (10)] дія спільної кривизни кутика на ширину полички змінюється за лінійним законом [10]. При виконанні цієї умови можна використовувати форм. (8) і застосовувати коефіцієнт, що враховує тип металу (для низьковуглецевої сталі см3/Дж). Якщо умова не виконується, необхідно змінити довжину ділянок, на яких наплавляють валики, виходячи з умови припустимого прогину (див. п. 2), і виконати розрахунок наново.

9. Величина сили струму:

; (11)

де - швидкість зварювання, приймають =(1,0-1,2) см/с [9]; - напруга дуги, приймають = 20-36 V; - КПД нагрівання виробу, для дугового зварювання приймають = 0,6-0,85; 0,24- коефіцієнт, що враховує вплив несинусоїдальності кривих напруги і току на потужність дуги при зварюванні на перемінному току.

У ході розрахунків необхідно уточнювати довжину ділянок, на яких наплавляється валик, виходячи з умови припустимого прогину [форм. (3)].

Із застосуванням викладеної вище методики можна розрахувати і технологічні параметри для парних кутків і елементів двотаврового перетину, у т.ч. і з урахуванням приварювання накладок. З цією метою у форм. (8) необхідно підставити відповідні характеристики жорсткості.

У результаті виконаних розрахунків і практичної реалізації наплавлення валиків на елементах із парних кутиків серій СУ-1-СУ-4 [5] встановлено, що залишкові прогини елементів після наплавлення практично дорівнюють нулю. Стійкість елементів із наплавленням підвищена на 10-30% у порівнянні зі зразками без наплавлення.

Орієнтований розрахунок ефективності застосування регулювання шляхом наплавлення валиків виконується по двох показниках: зниження ваги конструкції (економія металу) і збільшення трудомісткості. Тоді:

(12)

де ефективність застосування регулювання ОНС шляхом ЛТВ; відповідно вартість 1 т і кількість зекономленого металу внаслідок застосування регулювання ЛТВ; відповідно вартість одиниці трудомісткості, трудомісткість наплавлення 1 м і спільна довжина валиків; кількість конструкцій.

Трудомісткість наплавлення 1 м валика приймається за даними завода-виготовника або за довідковими даними [11 та ін.].

Приклад застосування розрахунку ефективності регулювання ЗНС шляхом ЛТВ приведений для ферми із кутиків. Маса ферми зменшена на 9 кг, що дозволило знизити вартість ферми на 22 грн. Збільшення трудомісткості виготовлення конструкції при наплавленні валиків спільною довжиною 3,6 м склало 3,6х0,11= 0,4 люд.-ч. [11], а вартості через наплавлення валиків - 5,3 грн. Ефект від застосування регулювання ЛТВ на опорних розкосах однієї ферми масою 505 кг склав 16,7 грн. або 33 грн./т.

Висновки

1. Розроблена методика розрахунку технологічних параметрів регулювання ЗНС шляхом наплавлення валиків у стиснутих елементах таврового зі спарених кутиків профілю. Методика була використана при розрахунках і виготовленні експериментальних зразків і реальних конструкцій. Після наплавлення валиків зразки практично не мали залишкових вигинів.

2. Розроблена технологія виготовлення стиснутих елементів із регульованим ЗНС. Технологічна послідовність операцій дозволяє одержати ЗНС, що сприяє підвищенню стійкості елементів, і виключити появу залишкових вигинів після наплавлення.

Література

1. Голоднов А.И. Строительная механика стержней и пластин, имеющих поля начальных напряжений. - Алчевск: ДГМИ, 1997. - 112 с.

2. Голоднов А.И. К вопросу учета остаточных напряжений в сечениях сжатых двутавровых стержней при их расчетах // Автомат. сварка. - 2001. - № 5. - С. 8-10.

3. Голоднов А.И. О необходимости учета остаточных напряжений при проектировании металлических конструкций // Метал. конструкции: взгляд в прошлое и будущее: Сб. докл. VIII Укр. науч.-техн. конф. - Ч. 1. - К.: Изд-во «Сталь», 2004. - С. 314 - 323.

4. ДБН В.2.3-14:2006. Споруди транспорту. Мости та труби. Правила проектування / Мінбуд України. - К.: Мінбуд України, 2006. - 359 с.

5. Козлов С.В., Иванов А.П., Голоднов А.И. Экспериментальные исследования сжатых элементов из уголков после наплавки сварных швов // Метал. конструкции: взгляд в прошлое и будущее: Сб. докл. VIII Укр. науч.-техн. конф. - Ч. 1. - К.: Изд-во «Сталь», 2004. - С. 554 - 560.

6. Голоднов А.И. Остаточное напряженное состояние и его влияние на устойчивость сварных двутавровых колонн // Дороги і мости: Зб. наук. праць. В 2-х томах: Т. 1. - К.: ДерждорНДІ, 2007. - Вип. 7. - С. 110-118.

7. Козлов С.В. Определение необходимого количества тепловой энергии, вводимой в прокатные уголки, локальными термическими воздействиями с учетом минимальных остаточных деформаций // Зб. науков. праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛНАУ, 2005. - № 55 (78). - С. 56 - 61.

8. CНиП III-18-75. Металлические конструкции. Правила производства и приемки работ / Госстрой СССР - М.: Стройиздат, 1976. - 161 с.

9. Сварка и резка в промышленном строительстве. В 2 т. - Т. 1. / Б.Д. Малышев, А.И. Акулов, Е.К. Алексеев и др.; Под ред. Б.Д. Малышева. - М.: Стройиздат, 1989. - 590 с. - (Справочник строителя).

10. Окерблом Н.О. Расчет деформаций металлоконструкций при сварке. - М.; Л.: Машгиз, 1955. - 212 с.

11. Лихтарников Я.М. Металлические конструкции. Методы технико- экономического анализа при проектировании. - М.: Стройиздат, 1968 264 с.

Размещено на Allbest.ru