Устройство соединений металлических конструкций

Металлические конструкции на монтаже соединяют между собой сваркой или на болтах.

Сварные соединениянаиболее распространены. Их выполняют ручной электродуговой сваркой. Ручную сварку выполняют на постоянном или переменном токе. Постоянный ток, обеспечивающий большую стабиль­ность дуги, а следовательно, и лучшую устойчивость сва­рочного процесса, используют для сварки ответственных конструкций, преимущественно из низколегированных сталей, а также для сварки листовых конструкций, ра­ботающих под давлением или имеющих малую толщину. В последнем случае сварку производят на токе обратной полярности (изделие—катод, электрод—анод). Темпера­тура катода всегда меньше температуры анода, что пре­дохраняет свариваемое изделие от прожога. Во всех ос­тальных случаях для сварки используют переменный ток, при котором требуется более простая аппаратура.

Подготовка стыков к сварке заключается в их за­чистке, а также в проверке точности обработки кромок стыкуемых элементов и зазоров согласно нормативным документам. Стыкуемые кромки стальных конструкций зачищают на участке, превышающем ширину шва на 20... ...30 мм в каждую сторону по всей его длине. Монтажные соединения собирают при помощи прихваток или сбо­рочных приспособлений. Число, размер и длина прихва­ток в сварных соединениях, воспринимающих монтажные нагрузки, определяют расчетом и указывают в ра­бочих чертежах. В прочих соединениях общая длина при­хваток должна составлять не менее 10 % длины монтаж­ного шва и быть не менее 50 мм. Наложение шва поверх прихваток допускается только после зачистки послед­них, а каждого слоя при многослойной сварке — после очистки предыдущего слоя от шлака, брызг металла и вырубки из него участков с порами, раковинами и тре­щинами. При двухсторонних швах (в соединениях лис­товых конструкций) корень основного шва вырубают до чистого металла и очищают перед наложением подварочного шва.

В процессе подготовки стыков и сварки важно со­блюдать условия, способствующие снижению остаточных напряжений и, следовательно, вероятности появления деформаций и трещин в сварных соединениях. К этим условиям относятся обеспечение проектных зазоров при сборке (увеличенные зазоры приводят к повышению усадки шва в результате роста наплавленного металла); соблюдение последовательности наложения швов, спо­собствующей максимальной свободе температурных де­формаций; соблюдение режима остывания шва (предва­рительный прогрев стали в зоне стыка) и др.

С целью снижения влияний сварочных напряжений на прочность конструкции монтажные соединения сва­ривают в определенной последовательности. В стыке дву­тавровой колонны с опорной плитой вначале сваривают стенку с плитой с одной стороны, а затем — с другой. Полки с внутренних сторон сваривают с плитой на диа­гонально противоположных частях соединения в одном и другом направлениях, а затем последовательно свари­вают каждую из полок с наружной стороны. Швы в уз­лах примыкания ригелей к колоннам накладывают по­очередно в диагонально противоположных секторах со­единения. При длине шва до 1000 мм — от середины к краям в двух направлениях. Сварку каждого стыка производят до полного окончания без перерывов.

Высокое качество сварного соединения достигается строгим соблюдением технологического процесса, режи­мов сварки, применением материалов с необходимыми свойствами.

Качество сварных соединений проверяют наружным осмотром (трещины, подрезы, маломерность, поры), гам-марентгенографированием, ультразвуком {трещины, непровары, поры). Число мест и протяженность контроли­руемых швов устанавливаются СНиПом и проектом.

Плотность сварных соединений контролируют различ­ными способами. Например, шов промазывают с одной стороны керосином, а с другой — мелом, и по появлению на стороне, обмазанной мелом, пятен керосина судят о на­личии дефектов шва. Плотность швов определяют также вакуумной камерой, создавая внутри нее разрежение (рис. Х.61). Дефектный шов, смазанный пенообразую-щим составом (например, мыльным раствором), под дей­ствием вакуума пропускает воздух, и по наличию пузы­рей судят о месте и величине дефектов. Иногда плотность швов контролируют химическим методом. Для этого с одной стороны сварного соединения под небольшим из­быточным давлением создают среду из смеси аммиака

Х.61. Контроль плотности сварных соединений с использованием эф­фекта вакуума

/ — контролируемый шов; 2 — губ­чатая резина; 3 — крышка из плек­сигласа;

4 — вакуумметр; 6 — ваку­ум-насос

с воздухом, а с другой соединение промазывают индика­тором (водно-спиртовым раствором фенолфталеина) или наклеивают матерчатые ленты, пропитанные 5%-ным раствором азотнокислой ртути. Аммиак, пройдя через неплотности сварного соединения, окрашивает раствор фенолфталеина в ярко-рыжий цвет или вызывает потем­нение азотнокислой ртути; таким образом выявляется дефект.

Сведения о сварке записывают в журнал: указывают дату выполнения сварки, расположение узла, характе­ристику шва, марку электрода, фамилию сварщика, дан­ные о погоде.

Болтовые соединенияосуществляют болтами обыч­ной прочности и высокопрочными. Болты обычной проч­ности бывают грубой, нормальной и повышенной точно­сти. Болты нормальной и повышенной точности отлича­ются от болтов грубой точности несколько более высоким качеством обработки поверхности, не влияющим, однако, на расчетные характеристики прочности соединения, что обеспечивает им полную взаимозаменяемость.

В соединениях на болтах обычной прочности усилия от одного элемента к другому передаются за счет рабо­ты кромок отверстий на смятие истержня болта на срез.

Соединения на высокопрочных болтах осуществляют двух видов: сдвигоустойчивые и с несущими болтами.

При подготовке стыкуемых поверхностей их очища­ют от грязи, ржавчины, снега, льда, масла и пыли. Кро­ме того, необходимо спилить напильником или срубить зубилом заусенцы на кромках деталей и отверстий, а также тщательно выправить неровности, вмятины, по­гнутости деталей соединения, которые могли возникнуть во время транспортировки конструкций, а также при их погрузке и разгрузке. Без выполнения этих работ невоз­можно обеспечить плотное взаимное соприкосновение всех деталей стыка — элементов конструкций, прокла­док, накладок.

Проектное взаимное расположение соединяемых эле­ментов достигают совмещением в монтажном соедине­нии всех отверстий с помощью проходных оправок, диа­метр цилиндрической части которых должен быть на 0,2 мм меньше диаметра отверстий (рис. Х.62, а). Вруч­ную с помощью кувалды оправку забивают в отверстия; при этом коническая часть упирается в кромки отвер­стий, которые по мере перемещения оправки в глубь па­кета совмещаются. Часть отверстий (не менее 10 %) должна быть заполнена пробками (рис. Х.62, б), кото­рые служат для фиксации взаимного расположения со­единяемых элементов и предупреждения их сдвига. По­этому, в отличие от оправки, длина цилиндрической час­ти пробки должна быть больше суммарной толщины всех деталей собираемого элемента (толщины пакета), а дли­на конической части обеспечивать только удобство уста­новки пробки в отверстия. После установки пробок оправ­ки выбивают.

Стяжку пакета (соединяемых деталей стыка) произ­водят сборочными болтами, _ч которые устанавливают в каждое третье отверстие, но не реже, чем через 500 мм. Болты затягивают до отказа и дополнительно подтяги­вают после установки смежного болта.

Необходимой плотности собираемого пакета можно достигнуть только в том случае, если при установке каж­дого болта будет обеспечена возможность последова­тельного устранения неплотности в стыке. Во многих слу­чаях это может быть достигнуто установкой болтов от середины (центра) стыка к краям, но иногда при опре­деленных конструктивных решениях стыков требуется иной порядок установки болтов (от края к середине узла).

При неправильной очередности затяжки болтов не­плотности устранить невозможно, так как свободному го­ризонтальному перемещению стыковых элементов будут препятствовать силы трения от натяжения ранее постав­ленных болтов.

При сборке соединения (стыка или узла) неизбежна различная степень взаимного смещения отверстий (из-за неточности их расположения), называемая чернотой (рис. Х.63). Отверстия, выполненные на заводе-изгото­вителе на меньший диаметр, доводят после сборки на монтажной площадке до проектных размеров рассверли­ванием, которым одновременно ликвидируют и черноту.

После рассверливания и прочистки всех отверстий, свободных от сборочных болтов, последние развинчива­ют, последовательно переставляют в подготовленные от­верстия проектного диаметра и рассверливают освобо­дившиеся отверстия. Затем приступают к постановке всех постоянных болтов.

Гайки всех болтов (постоянных и временных) завер­тывают ручными коликовыми ключами, обычными (рис. Х.64) или трещоточными. Ключи с трещотками, имею­щие рабочий ход только в одном направлении, удобнее в работе, так как их не нужно снимать и переставлять после каждого этапа поворота гайки.

Монтажные ключи имеют с одной стороны зев для гайки определенного размера, а с другой коническую часть — колик, который служит оправкой при совмеще­нии отверстий собираемых деталей или конструкций.

В сдвигоустойчивых соединениях не происходит вза­имного смещения соединяемых элементов, действующие усилия воспринимают только силы трения, а сами болты непосредственного участия в передаче усилий не прини­мают. В этом состоит их принципиальное отличие от со­единений с болтами нормальной и повышенной точности.

В соединениях на несущих высокопрочных болтах на­ряду с силами трения в передаче усилий участвуют и са­ми болты, которые вступают в работу аналогично другим болтовым соединениям после того, как действующее усилие преодолеет силы трения, произойдет сдвижка соеди­няемых деталей и гладкая часть стержня болта начнет контактировать с кромками отверстий соединенных де­талей. Ввиду большой механической прочности болта не­сущую способность таких соединений лимитирует не срез его стержня, а смятие отверстия. Поэтому, чем больше толщина элементов пакета, тем большая нагрузка может быть воспринята болтом. Наличие двух факторов — тре­ния и смятия кромки отверстия — повышает несущую способность одного болта в 1,5...2 раза по сравнению с болтом в сдвигоустойчивых соединениях, снижает со­ответственно число необходимых болтов, а следователь­но, и стоимость выполнения всего соединения.

На болтах грубой и нормальной точности собирают малоответственные конструкции (фахверки, фонари, площадки, лестницы, неответственные связи), на болтах повышенной точности — все остальные конструкции, а на высокопрочных — конструкции с тяжелым режимом ра­боты (например, монтажные соединения подкрановых балок больших пролетов для мостовых кранов).

Сборка монтажных соединений на болтах обычной прочности состоит из следующих операций: подготовка стыкуемых поверхностей; совмещение отверстий под бол­ты; стягивание пакета (соединяемых деталей стыка); рассверливание отверстий до проектного диаметра (толь­ко в соединениях на болтах повышенной прочности), ес­ли на заводе они были выполнены на меньший диаметр. Болтовое монтажное соединение должно иметь не ме­нее двух отверстий. В одно из них сначала вставляют ко­лик ключа для совмещения другого отверстия, в которое устанавливают болт, затягивая его. После этого ключ извлекают и в освободившееся отверстие вставляют вто­рой болт. Для надежной работы болтового соединения гайки закручивают, создавая в болтах натяжение 1,7 МПа.

Под головки и гайки постоянных болтов обязательно ставят шайбы (не более двух под одну гайку и одной под головку). В местах примыкания головки или гайки к на­клонным поверхностям ставят косые шайбы. Резьба бол­та должна находиться вне отверстия соединяемых эле­ментов, а гладкая часть стержня не должна выступать

из шайбы.

Головки и гайки болтов должны плотно соприкасать­ся с плоскостями элементов конструкций и шайб. На

каждом установленном болте со стороны гайки должно оставаться не менее трех ниток с полным профилем резьбы.

Качество затяжки болтов проверяют, остукивая их молотком массой 0,3...0,4 кг: если при этом болт дрожит или смещается, значит он затянут плохо. Плотность за­тяжки деталей проверяют щупом толщиной 0,3 мм: он не должен входить вглубь между собранными деталями более, чем на 20 мм.

Выполнение монтажных соединений на высокопроч­ных болтах имеет некоторые особенности, связанные с подготовкой соединяемых поверхностей под стыковку и способом натяжения болтов.

В монтажных условиях соединяемые поверхности подготовляют газопламенной очисткой или обработкой стальными щетками.

Огневую очистку производят специальными много­пламенными горелками (рис. Х.65), в которых горючий газ — ацетилен — сгорает в среде кислорода. Благодаря высокой температуре пламени (1600... 1800 °С) происхо­дит быстрое нагревание и температурная деформация поверхностного слоя обрабатываемой детали, результа­том чего является отслаивание окалины и ржавчины, а также сгорание грязи и жира, веществ, снижающих ко­эффициент трения между поверхностями стыкуемых де­талей.

Обработанные огневым способом поверхности очища­ют от продуктов сгорания и отслоившейся окалины сталь­ными щетками и чистой ветошью, после чего приступают к сборке соединения. Разрывы во времени между окон­чанием подготовки и установкой болтов не должны пре­вышать 4...6 ч, так как с увеличением времени снижает­ся надежность контакта обработанных поверхностей.

Перед постановкой болты и гайки помещают в решет­чатую тару и сначала опускают в кипящую воду для лик­видации заводской консервирующей смазки, а затем в ванну со смесью 15 % минерального масла и 85 % бен­зина.

Болты должны быть натянуты на расчетное усилие Р, Н, предельное значение которого составляет

P = 0,65a_BF_HT,

где а„ — временное сопротивление разрыву стали высокопрочного болта, Па; F_HT — площадь сечения болта нетто, м².

Надежная работа соединений на высокопрочных бол­тах может быть обеспечена только при стабильном на­тяжении всех болтов. Непосредственное определение уси­лия натяжения в условиях монтажной площадки прак­тически невозможно, вследствие этого принята методика косвенной его оценки через величину крутящего момен­та М_кр, который необходимо приложить к гайке для по­лучения заданного натяжения болта.

Зависимость между крутящим моментом М_кр и натя­жением болта Р определяется эмпирической зависимо­стью

M_KV = kPd,

где k — коэффициент закручивания болта; d — номинальный диа­метр болта, м.

Коэффициент закручивания учитывает часть крутя­щего момента, которая затрачена на преодоление сил трения между гайкой и болтом (в резьбе), между гайкой и шайбой, а также на упругое закручивание стержня бол­та. Значение коэффициента закручивания зависит от ка­чества болтов, гаек и шайб и в среднем составляет 0,14...0,22.

Натяжение по крутящему моменту выполняют сна­чала гайковертом на 70..80 % проектного усилия с после­дующей дотяжкой динамометрическими ключами.

Известны различные конструкции ключей, однако все они могут быть разделены на два типа: индикаторные и предельного момента. Ключи первого типа показыва­ют с помощью индикатора величину прикладываемого момента, а второго — срабатывают при достижении кру­тящим моментом заданной величины.

Широко распространен ключ первого типа (рис. Х.66, а). На конце рукоятки ключа закреплена головка с закрытым зевом. К головке приварена планка с непо­движным языком прямоугольного сечения. Между руко­яткой ключа и языком имеется зазор 2...3 мм, благодаря чему при изгибе рукоятки язык остается неподвижным. К рукоятке ключа при помощи кронштейна жестко укреплен индикатор часового типа, измерительный стер­жень которого касается языка. При завертывании гайки рукоятка ключа под действием усилия, приложенного к ее концу, деформируется (изгибается), в результате чего уменьшается расстояние между верхней кромкой рукоятки и языком. Незначителъное изменение этого расстояния (порядка 1 мм) фиксирует индикатор с це­ной деления 0,01 мм. Зависимость между крутящим мо­ментом и показаниями индикатора определяют по тарировочному устройству, а при его отсутствии — по тарировочному графику.

Для построения такого графика ключ надевают на горизонтально расположенный шестигранник, имеющий размер гайки и приваренный к вертикальной металличе­ской стойке (рис. Х.66, б). На постоянном расстоянии а от центра зева к концу горизонтально расположенной рукоятки ключа подвешивают груз Р возрастающей ве­личины. Зная плечо и меняя груз Р, записывают пока­зания индикатора, соответствующие замеренным значе­ниям Р-а=М_кр, и строят по ним график в координатах: М_кр, Н-м— показания индикатора (рис. Х.66, в).

Удобно иметь длину ключа (плечо), равную 1,66 м, и грузы массой до 6 кг каждый, тогда интервал тариро­вания составит 100 Н-м. Ключ обеспечивает контроль натяжения болтов с крутящим моментом до 950 Н-м. Масса ключа 12 кг.

Специфика работы соединений на высокопрочных болтах требует тщательного контроля усилия натяжения

болтов.

Выборочной проверке подлежат 25 % болтов в соеди­нении, а при их количестве 5 шт. и менее контролируют все болты. Отклонение фактического крутящего момен­та от расчетного не должно превышать 0+20 %.

Если при контроле обнаружат хотя бы один болт, на­тяжение которого не отвечает указанному требованию, то контролю подлежат 100 % болтов в соединении, и на­тяжение каждого должно быть доведено до требуемой величины. Результаты проверки регистрируют в журна­ле по постановке высокопрочных болтов.

Кроме проверки фактического натяжения болтов та­рированными ручными ключами или по углу поворота, контроль осуществляют проверкой плотности пакета щупом толщиной 0,05 мм, который не должен проникать в глубь пакета против установленных высокопрочных болтов. После контроля головки болтов следует окра­сить, а все соединения — зашпатлевать по контуру.