РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УЧЕТОМ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

ВЫНОСЛИВОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И УЗЛОВ

Наиболее сильно влияние формы сварных соединений на проч­ность проявляется при действии вибрационной нагрузки и оно сказывается даже при применении соединений встык, которые
среди всех других сварных соединений характеризуются наименее значительными изменениями своей формы.

Прочность сварных стыковых соединений зависит главным об­разом от формы перехода шва к основному металлу. На форму перехода оказывают влияние конструктивные и технологические факторы, из которых наиболее существенными являются: форма подготовки кромок, чистота поверхности металла в районе форми­рования шва и режим сварки. Изменяя эти факторы, можно обес­печить получение стыковых соединений с формой поверхности, при которой достигаются условия равнопрочное™ сварного соеди­нения с основным металлом при вибрационной нагрузке.

Возможность получения стыковых швов с необходимой плав­ностью переходов не связана с какими либо особыми трудностями и может быть обеспечена при выполнении обычных технологиче­ских рекомендаций.

Исследование вибрационной прочности стыковых соединений из стали М16С, 15ХСНД и 10Г2СД показало, что равнопрочное™ таких соединений может быть достигнута без применения механи­ческой обработки поверхности швов, которая вследствие этого не должна рассматриваться как обязательная мера. Механическая обработка поверхности перехода от шва к основному металлу мо­жет быть рекомендована лишь как средство исправления случай­ных дефектов формы швов. Такая оценка значения механической обработки предупреждает от предъявления к сварным конструк­циям чрезмерно повышенных требований, излишне усложняющих процесс их изготовления.

Сварные соединения впритык характеризуются более значи­тельными изменениями формы и поэтому они по вибрационной прочности уступают сварным соединениям встык.

Наименее прочным является соединение впритык, осуществляе­мое угловыми швами, без провара присоединяемых элементов. Значение эффективного коэффициента концентрации напряжений в сечении по сварным швам этого соединения является более вы­соким, чем в сечении по основному металлу, расположенному у швов.

В связи с этим расчетное условие равнопрочности при вибра­ционной нагрузке отличается от условия равнопрочности, приня­того для статической нагрузки. Если для статической нагрузки условие равнопрочности обеспечивается при отношении катета

с а і

углового шва а к толщине о прикрепляемого элемента - g - = 1, то

для вибрационной нагрузки это отношение в соответствии с раз­личными значениями эффективных коэффициентов концентрации напряжений будет равно

о. Xэф

где К'.'ф — значение эффективного коэффициента концентрации на­пряжений для соединения впритык в сечении по основ­ному металлу;

К."эф — то же для сечения по сварным угловым швам.

На основании экспериментальных данных, приведенных в табл. 2, это отношение будет равно

Развитие площади рабочего сечения сварных угловых швов при увеличении глубины провара является более эффективным, чем при увеличении катета углового шва.

Увеличение глубины провара повышает прочность сварного соединения впритык не только за счет развития площади рабочего сечения по швам и снижения в них местных напряжений, но оно снижает одновременно и местные напряжения в сечении по основ­ному металлу, расположенному у швов, которое является наиболее важным для определения наибольшей несущей способности всего соединения в целом. Даже при полном проваре по всей толщине присоединяемых элементов местные напряжения в этом сечении по основному металлу продолжают оставаться еще значительными и хотя предел выносливости при этом несколько повышается, раз­рушение происходит еще именно в этом месте. Дальнейшего повы­шения прочности соединения впритык можно достигнуть созданием плавных переходов от швов к основному металлу.

Изменение формы, наблюдаемое в местах прикрепления ребер жесткости, также приводит к концентрации напряжений.

При двусторонних угловых швах эффективный коэффициент концентрации напряжений ниже, чем при односторонних швах. При одиночных ребрах (характерных, например, для судовых кор­пусных конструкций) эффективный коэффициент концентрации напряжений ниже, чем при парных. Последнее объясняется тем, что образующийся при односторонних ребрах эксцентриситет со­здает в наиболее опасных местах соединения дополнительные на­пряжения от изгиба, имеющие обратный знак, что и снижает кон­центрацию напряжений.

Пз этого, однако, не следует делать вывод о том, что во всех случаях надо отдавать предпочтение одиночным ребрам. Так, было бы ошибочным отдавать предпочтение одиночным ребрам в балочных конструкциях, в которых обычно применяются парные ребра жесткости, располагающиеся симметрично по обеим сторо­нам вертикальной стенки. Одностороннее расположение ребер жесткости в этом случае создало бы местный эксцентриситет и при­вело бы к появлению дополнительных касательных напряжений от скручивающего момента, что для обычных условий работы дву­тавровых балок является явно нежелательным.

Кроме того, необходимо отметить, что преимущество соедине­ний с одиночными ребрами может проявляться лишь тогда, когда по очертанию сварных угловых швов не обеспечивается плавный переход от швов к основному металлу и когда этот переходный участок является слабым местом соединения. Если применяются швы с очертанием, обеспечивающим плавный переход к основному металлу, то участок перехода уже не является слабым местом со­единения и поэтому дополнительные сжимающие напряжения, создающиеся от эксцентриситета, уже не могут повысить вынос­ливость всего соединения. Появляющиеся при этом дополнитель­ные напряжения растяжения (на внешней поверхности листа) будут приводить к снижению выносливости такого соеди­нения.

Для характеристики вибрационной прочности некоторых типо­вых сварных соединений в табл. 2 приведены данные, относящиеся к образцам из стали марки Ст. 3.

Выявленные при исследовании прочности сварных соединений отдельные слабые места являются, как это показывает анализ их напряженного состояния, участками с наибольшими значениями местных напряжений.

Сварные узлы. Условия работы сварных соединений в составе целой конструкции могут несколько усложняться. Между близко расположенными в узле сварными соединениями существует вза­имная связь, которая при работе под нагрузкой выражается в соот­ветствующем наложении полей концентрации напряжений.

К таким узлам можно отнести узлы сварных ферм, являющиеся местом сопряжения пересекающихся стержневых элементов поя­сов и решетки, нагружаемых осевыми усилиями, различными по величине и по знаку. По условиям работы такие узлы характери­зуются достаточно сложным напряженным состоянием и являются наиболее слабыми местами всей конструкции в целом.

На рис. 7 показаны узлы моделей сварных ферм, конструктив­ное оформление которых принято в соответствии с проектами про­летных строений железнодорожных мостов, разработанными НИИмостов.

В узлах первых двух типов фасонка принята одностенчатой и располагается в плоскости стенок стержней. Узлы первых двух типов отличаются креплением полок стержней к фасонке. В узлах первого типа конструкция крепления полок стержней осуществ­ляется по типу соединений, принятых в крестовом образце. В узлах второго типа полки стержней в районе, прилегающем к фасонке, отогнуты и сопрягаются с ней по ее внешнему контуру. В узлах третьего типа сечения стержней имеют иную ориентировку; при этом фасонка состоит из двух стенок, располагающихся в пло­скости полок стержней. Полки стержней прикреплены к фасонкам стыковыми швами; стенки стержней сопрягаются между собой под углом в средней части фасонок.

Экспериментальное исследование напряженного состояния та­ких узлов показало, что наиболее нагруженными участками яв­ляются: сечение по стержневому элементу в месте перехода на узловую фасонку и сечение по узловой фасонке в месте окончания крепления стержневого элемента.

Необходимая прочность в районах продольного и поперечного сечений узловой фасонки обеспечивается выбором ее общих раз-

жений необходимо таксе изменение формы, которое должно со­здавать плавную передачу силового потока с основного элемента на фасонку.

При испытании узлов применялось приспособление, обеспе­чивающее необходимое условие нагружения узлов. При этом один из раскосов был сжат, а пояс и другой раскос были растянуты.

При измерении напряжений было установлено, что кроме осе­вых усилий в стержневых элементах узлов действовали еще и не­которые изгибающие моменты, которые возникали от жесткости узлов, а также от неточностей изготовления. Коэффициенты нерав­номерности распределения напряжений в отдельных узлах изме­нялись от 1,1 до 1,5, что не выходило за пределы значений, наблю­даемых в реальных конструкциях. Имевшаяся неравномерность в распределении напряжений несколько снижала выносливость отдельных узлов и увеличивала разброс показаний.

Результаты испытания узлов вибрационной нагрузкой приве­дены в табл. 3. Они показывают, что предел выносливости узлов несколько ниже предела выносливости плоского образца из того же металла. Это снижение объясняется неравномерностью в распре­делении напряжений, созданной отмеченными выше причинами, а также влиянием концентрации напряжений, определяемой изме­нением формы. О влиянии последней можно было судить по виду разрушений, которые во всех случаях происходили в ме­стах изменения формы и начинались от участков с наибольшей концентрацией напряжений.

Таблица 3

Узлы первых двух типов с одностенчатыми фасонками имели менее совершенные формы переходов от растянутых стержней к фасонкам и поэтому их прочность была несколько меньшей, чем у узла третьего типа с двустенчатой фасонкой, у которого этот переход был более совершенным.

Для узлов первого типа обработка концевых частей на фасонке является необходимой, так как при ее отсутствии прочность узлов сильно понижается.

В подавляющем большинстве случаев разрушения узлов про­исходили по основному металлу вне сварных швов.

Проведенное исследование позволило выявить наиболее слабые места узлов сварных ферм и показало, что повышение их прочности можно достигнуть увеличением толщины одностенчатых фасонок и радиуса галтели.

Узловые переходы. На рис. 8 представлены некоторые типы узловых переходов, характерные для сварных конструкций мосто­вых пролетных строений. Эти переходы в основном соответствуют принятым ранее для узлов’(рис. 7), но имеют несколько более ши­рокий диапазон изменений в размерах отдельных деталей. Сечение стенок стержней принято 10 X 100 мм2. Сечение полок в отдельных вариантах различно и изменяется от размеров 20 X 90 мм2 до 10 X 210 мм2. Толщина фасонок 20 мм. Радиусы закруглений в пе­реходах составляют для узлов с одностенчатыми фасонками 150 мм; для узлов с двустенчатыми фасонками 100 мм.

Для полноты сопоставления были испытаны также типовые узловые переходы клепаной конструкции

Результаты испытания узловых переходов приведены в табл. 4. Разрушение узловых переходов с крестовыми соединениями полок происходило при высоких значениях предела выносливости. 32

Предел выносливости образцов основной серии этого типа оказался равным пределу выносливости образцов из основного металла. Это свидетельствует о том, что для данной конструкции концентра­ция напряжений в районе стыкового шва фасонки незначительна, а принятое увеличение площади сечения в опасном месте за счет продления фасонки за начало узлового уширения является вполне достаточным для компенсации имеющейся концентрации напряжений. Это подтверждается и видом разрушений, происхо­дивших вне зоны узлового перехода в сечении по основному ме­таллу.

В образцах дополнительной серии ширина полок была не­сколько большей. Стыковой шов стенки с фасонкой при этом был несколько перегружен, в связи с чем прочность образцов этой серии была несколько сниженной. Предел выносливости в сечении, расположенном на фасонке у концов полок (при отсутствии их обработки), был значительно ниже, чем у основного металла.

Узловой переход с отгибом полок стержневого элемента при увеличенной толщине фасонки и при условии применения узких полок также имеет высокое значение предела выносливости и обес­печивает условия равнопрочности. Увеличение ширины полок сни­жает предел выносливости узлового перехода.

Применение тонких и широких полок приводит к тому, что кромки их в районе закруглений выходят из работы. Это создает перегрузку стенки сечения в районе начального участка узлового уширения. И хотя прочность самой стенки при соответствующей

3 Д. И. Навроцкий 33

форме ее стыкового шва может быть обеспечена достаточно высокой, среднее расчетное значение напряжений для всего сечения в целом, по которому производится расчет прочности, оказывается снижен­ным. При учете имеющейся перегрузки стенки (т. е. при опреде­лении значений предела выносливости по средним значениям на­пряжений в стенке) значение предела выносливости для нее полу­чается более высоким.

Повышение прочности узловых переходов с отогнутыми пол­ками может быть достигнуто удалением стыка стенки и переносом его в район более равномерного распределения напряжений. Уда­ление стыка от начала узлового уширения необходимо назначать с учетом ширины полки.

По результатам замера напряжений можно считать, что для указанных конструкций удаление стыка на расстояние, равное полуторакратной ширине полки, будет достаточным для того, чтобы обеспечивать условия равномерного распределения напря­жений в сечении стержневого элемента.

Узловые уширения двустенчатых фасонок при плавных пере­ходах по радиусу R = 100 мм являются вполне равнопрочными основному металлу. ■

Узлы с двустенчатыми фасонками по своей конструкции и по условиям изготовления являются более простыми, чем узлы с одно - стенчатыми фасонками. Однако применение узлов с одностенча - тыми фасонками несмотря на их более сложную форму в ряде слу­чаев может оказаться более целесообразным. Так, принятая при одностенчатнх фасонках ориентировка сечений сжатых стержне­вых элементов допускает более рациональное использование в них материала (при наличии промежуточных поперечных связей, уменьшающих в другой плоскости свободную длину).

Необходимо также отметить, что в переходах с отогнутыми пол­ками, несмотря на плавнее изменение внешних форм, имеет место значительная концентрация напряжений, которая является ре­зультатом искажения силового потока в местах передачи усилий с полок стержневого элемента на фасонку. В ряде случаев эта концентрация может оказаться более высокой, чем для узлов с крестовыми соединениями.

Узловые переходы моделей клепаных соединений, как показали проведенные испытания, по своей прочности при действии вибра­ционной нагрузки значительно уступают сварным узловым пере­ходам.