Расчет сварных соединений со стыковыми швами

Сварные швы встык, воспринимающие продольные растягивающие или сжимающие силы, назначаются прямые или косые в зависимости от способа сварки и принятых методов контроля качества швов (рис. 5.1).

При полуавтоматической сварке под флюсом, а также при полуавтоматической сварке в среде защитного газа или ручной сварке электродами повышенного качества сварные швы имеют одинаковые с основным металлом расчетные сопротивления и допускаемые напряжения В этом случае при выполнении шва с полным проваром (корень шва подварен) и выводе начала и конца шва на выводные планки, сварные швы выполняются прямыми, а расчет их может не производиться, так как сварное соединение будет равнопрочным с основным металлом.

Если же при полуавтоматической и ручной сварке используют обычные способы контроля качества (наружный осмотр, измерения швов) или если шов заварен не на всю толщину, то по нормам проектирования сварных конструкций швы выполняют прямыми или косыми. Расчет их производится по следующим формулам:

1. Прямые швы с полным проваром

при растяжении (рис. 5.1а)

или ; (5.1)

при сжатии

или ; (5.2)

при изгибе (рис. 5.1б)

или ; (5.3)

при срезе (рис. 5.1б)

или . (5.4)

Рисунок – 5.1. К расчету стыковых швов

1. Косые швы (рис. 5.1в)

(5.5)

где ,

или (5.6)

где ;

В формулах (5.1) – (5.6) приняты следующие обозначения:

P, M, Q – реальные (нормативные) усилия (соответственно продольная сила, изгибающий момент, перерезывающая сила), действующие в сечении;

, , – расчетные усилия (соответственно продольная сила, изгибающий момент, перерезывающая сила), действующие в сечении;

А_ш, W_ш, J_ш – соответственно площадь, момент сопротивления и момент инерции сечения сварного шва,

S_ш – статический момент относительно нейтральной оси части сечения сварного шва, распложенной выше (ниже) уровня рассматриваемых волокон (рис. 5.1б);

l и s – соответственно расчетная длина и толщина шва;

α – угол между направлением продольной силы и осью косого шва.

Расчетная длина шва l принимается равной фактической, если концы шва выведены на выводные планки. Если шов не выведен на выводные планки, то его расчетная длина уменьшается на 10 мм, т.е. l = l_ф – 10. Расчетная толщина шва s берется равной толщине основного металла, если шов выполнен с полным проваром. Если же шов заварен не на всю толщину, то расчетная толщина шва берется равной истинной толщине шва (без учета усиления), т. е. при одностороннем шве равна глубине провара (см. рис. 5.2)

Рисунок – 5.2. Расчетная толщина шва при неполном проваре

При нагружении стыкового соединения циклическими нагрузками допускаемые напряжения и расчетные сопротивления в формулах (5.1) – (5.6) берутся в соответствии с указаниями, изложенными ранее.

Пример 5.1.

На пластину А, приваренную в стык к пластине Б ручной сваркой электродами типа Э42, действует сила Р (рис. 5.3), составляющая с продольной осью угол α. Произвести проверочный расчет стыкового шва, если материал пластин сталь СтЗ; Р = 100 кН; В = 300 мм; s = 20 мм; L = 600 мм; α = 30°, начало и конец шва выведены на технологические планки. Расчет произвести по допускаемым напряжениям.

Рисунок 5.3 – К расчету стыкового шва от действия наклонной силы

Решение.Так как сила Р приложена к пластине под углом α = 30°, то она вызовет в шве нормальные и касательные напряжения. Разложим силу Р на нормальную (по отношению к оси шва) N и касательную T силы и определим их величины

Под действием силы N в шве возникают нормальные растягивающие напряжения, равномерно распределенные по длине шва l и определяемые по формуле

Чтобы оценить действие на шов касательной силы T, приложим в любой точке оси шва две уравновешивающие силы T' и T'', равные по абсолютной величине T.

Образовавшаяся пара сил T и T' даст момент M = TL, под действием которого в шве возникнут нормальные напряжения, распределенные по длине шва, как показано на эпюре рис. 5.1 (σ_MT). В крайних точках шва (1 и 2) нормальные напряжения от момента определяются по формуле

При этом в точке 1 нормальные напряжения будут растягивающими, а в точке 2 – сжимающими.

Суммарная величина нормальных напряжений в точках 1 и 2 от действия силы N и момента M определится путем алгебраического сложения напряжений и в соответствующих точках, т.е.

Суммарная эпюра нормальных напряжений в шве изображена на рис.5.23 ( ). Так как допускаемые напряжения в шве на сжатие больше, чем на растяжение (см. приложение А17) и точка 1 шва более напряженная, чем точка 2, то в дальнейшем будем анализировать напряжение только в точке 1.

Оставшаяся сила вызовет в шве напряжения среза, величина которых может быть определена по формуле (5.4)

Максимальная величина касательных напряжений будет в центре длины шва (эпюра на рис. 5.2) и

МПа (Н/мм²).

Допускаемые напряжения для сварного шва будут равны (см. приложения А8 и А13):

МПа.

МПа.

Так как величина максимальных касательных напряжений значительно меньше допускаемых, а их расположение не совпадает с расположением максимальных значений нормальных напряжений, то в дальнейшем касательные напряжения можно не учитывать. Суммарное значение нормальных напряжений в точке 1

МПа.

Поскольку то условие прочности соединения соблюдено.